純電動(dòng)汽車復(fù)合電源系統(tǒng)優(yōu)化管理路徑探析

張楚成

摘 要：純電動(dòng)汽車是新能源汽車中一個(gè)重要的發(fā)展發(fā)向，增大續(xù)航里程一直是發(fā)展純電動(dòng)汽車需要解決的重大問(wèn)題。本文就目前新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，總結(jié)大力發(fā)展純電動(dòng)汽車的必要性。針對(duì)純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程存在的問(wèn)題，提出在復(fù)合電源系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程中的可行性方案。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車；電源系統(tǒng)；優(yōu)化管理

1 新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀

目前，由純電動(dòng)汽車、增程式電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、燃料電池電動(dòng)汽車、氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車、其他新能源等構(gòu)成的新能源汽車得到了飛速的發(fā)展，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)生了巨大的變化。傳統(tǒng)汽車主要是使用汽油柴油等燃料，而新能源汽車是指采使用非傳統(tǒng)的車用燃料作為動(dòng)力來(lái)源或著是使用傳統(tǒng)的車用燃料、但是采用的是新型車載動(dòng)力裝置，新能源汽車能夠綜合車輛的動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)方面的先進(jìn)技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進(jìn)、具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車。

以車載電源為動(dòng)力的純電動(dòng)汽車，主要工作原理是用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，純電動(dòng)汽車符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求。我們常說(shuō)的純電動(dòng)汽車，它是完全由可充電電池提供動(dòng)力源的汽車。現(xiàn)在市場(chǎng)上主要的新能源汽車類型是純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車。

1.1 新能源補(bǔ)貼逐年退坡，引導(dǎo)技術(shù)提升

2017年，中國(guó)財(cái)政部、科技部、工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)公布了《關(guān)于調(diào)整新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》，該通知強(qiáng)調(diào)了國(guó)家從2017年1月1日起，將調(diào)整完善新能源汽車補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)。此次調(diào)整，最主要的目的就是明確中央和地方對(duì)于新能源汽車的補(bǔ)貼上限，要求汽車企業(yè)要增加核心技術(shù)提升的能力，降低生產(chǎn)成本，不斷提高產(chǎn)業(yè)化水平。

2017年新的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)中，中央補(bǔ)貼較之前下滑20%，且地方補(bǔ)貼不得高于中央補(bǔ)貼的50%。同時(shí)對(duì)動(dòng)力電池比能量密度提出補(bǔ)貼要求，對(duì)高于120Wh/kg的車型給予1.1倍補(bǔ)貼，以促使關(guān)鍵技術(shù)的提升，引導(dǎo)新能源市場(chǎng)更好的發(fā)展，見(jiàn)圖1。

1.2 雙倍積分管理辦法落實(shí)，加大新能源汽車的推廣力度

2017年6月，工信部公布《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分進(jìn)行管理辦法（征求意見(jiàn)稿）》建立推動(dòng)新能源汽車發(fā)展的長(zhǎng)效機(jī)制，促進(jìn)新能源汽車研發(fā)和推廣。

隨著2018年積分方案的實(shí)施，將對(duì)新能源汽車行業(yè)出現(xiàn)兩個(gè)比較大的影響：（1）促進(jìn)現(xiàn)有傳統(tǒng)汽車車企加大新能源汽車的推廣力度，新產(chǎn)品數(shù)量將明顯加快。（2）對(duì)于前期新能源汽車布局較早的車企將獲得積分受益，減少補(bǔ)貼退坡的影響，見(jiàn)圖2。

1.3 新能源汽車快速發(fā)展，乘用車占據(jù)主要市場(chǎng)

新能源市場(chǎng)發(fā)展迅速，2011年到2016年年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)137%；2016年其銷量實(shí)現(xiàn)60.7萬(wàn)輛，乘用車占比達(dá)到68%，占據(jù)主流。BEV占據(jù)新能源市場(chǎng)的主要份額，且市場(chǎng)份額逐年提升。隨著新能源市場(chǎng)的發(fā)展，以及消費(fèi)者對(duì)SUV的青睞，純電動(dòng)SUV 市場(chǎng)份額逐步擴(kuò)大；PHEV車型中，SUV車型占據(jù)主要市場(chǎng)份額。在汽車市場(chǎng)中，知豆D2和榮威eRX5分別獲得BEV和PHEV車型TOP1。BEV車型中，2017年上半年中知豆D2銷量最高，達(dá)到18693臺(tái)，其次為北汽EC系列和比亞迪e5，其他車型累計(jì)銷量均低于1萬(wàn)臺(tái)。PHEV車型中，榮威eRX5銷量最高，達(dá)到9205臺(tái)；TOP5車型均來(lái)自上汽乘用車和比亞迪兩家企業(yè)，見(jiàn)圖3。

1.4 新能源市場(chǎng)即將迎來(lái)爆發(fā)期

隨著居民收入水平的提升，以及城鎮(zhèn)化率的逐步推進(jìn)，中國(guó)乘用車市場(chǎng)仍有增長(zhǎng)的潛力；預(yù)計(jì)在2021年中國(guó)乘用車市場(chǎng)將達(dá)到3000萬(wàn)輛。隨著雙積分政策的確立實(shí)施，新能源市場(chǎng)將取得爆發(fā)；預(yù)計(jì)在2018年，新能源市場(chǎng)將突破100萬(wàn)輛，2020年將突破200萬(wàn)輛，見(jiàn)圖4。

電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展出現(xiàn)了新的變化，全球各國(guó)和各大企業(yè)已經(jīng)將重心轉(zhuǎn)移到以電動(dòng)汽車為核心的新型技術(shù)路線。

2 純電動(dòng)汽車復(fù)合電源系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

我國(guó)的新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入了成長(zhǎng)期，新能源汽車的產(chǎn)量得到了大幅的增長(zhǎng)，在汽車性能，成本，安全等方面取得了一定的進(jìn)步。我國(guó)在以鋰離子動(dòng)力電池為代表的核心技術(shù)上取得了重大的突破，從2015年全球排名前十名中占據(jù)四位到2016年六個(gè)企業(yè)進(jìn)入前十強(qiáng)；在純電驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)集成技術(shù)上取得了快速發(fā)展；插電式混合動(dòng)力技術(shù)逐步成熟；燃料電池開(kāi)始起步發(fā)展。目前，以純電動(dòng)汽車復(fù)合電源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)最為明顯，主要體現(xiàn)在：

2.1 氫燃料電池技術(shù)不成熟

氫燃料電池汽車加氫時(shí)間3-5分鐘，續(xù)駛里程達(dá)到800公里，零下30℃可以順利啟動(dòng)，適合在寒冷地區(qū)使用，各方面性能都超過(guò)了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車。目前，我國(guó)在燃料電池轎車和燃料電池城市客車動(dòng)力系統(tǒng)方面已經(jīng)基本建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)平臺(tái)，據(jù)中國(guó)汽車技術(shù)研究中心北京工作部新能源汽車技術(shù)服務(wù)中心主任朱成介紹，與國(guó)外的技術(shù)相比，我國(guó)在燃料電池的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，包括零部件、整個(gè)高端的集成、電池的壽命、成本、批量制備能力等方面，還存在比較大的差距。燃料電池汽車的推廣應(yīng)用，從終端客戶角度來(lái)說(shuō)，第一是購(gòu)買成本太高，第二是使用成本太高，第三是維護(hù)方面的難題。受限于技術(shù)發(fā)展階段，我國(guó)燃料電池汽車整車制造及使用成本仍然較高，遠(yuǎn)不如純電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)大。

2.2 純電動(dòng)汽車單電源的不足

純電動(dòng)汽車是由可充電電池提供動(dòng)力源的汽車，常用的可充電電池就是像鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池之類。雖然純電動(dòng)汽車的發(fā)展已有一百多年的歷史，但一直發(fā)展規(guī)模有限，市場(chǎng)占有較小。歸其原因主要是：（1）蓄電池價(jià)格高、壽命短（2）電池電源外形尺寸和重量大（3）充電時(shí)間長(zhǎng)。電源系統(tǒng)的問(wèn)題阻礙了純電動(dòng)汽車的發(fā)展。純電動(dòng)汽車是新能源汽車中一個(gè)重要的發(fā)展發(fā)向，增大續(xù)航里程一直是發(fā)展純電動(dòng)汽車需要解決的重大問(wèn)題。

2.3 純電動(dòng)汽車復(fù)合電源系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

目前國(guó)外對(duì)蓄電池加超級(jí)電容組成的復(fù)合電源已有了初步研究，但是國(guó)內(nèi)對(duì)于蓄電池加超級(jí)電容方面研究成果較少。由于超級(jí)電容和蓄電池組合成復(fù)合電源是目前廣受青睞的車載電源，對(duì)其研究也逐漸得到重視。

超級(jí)電容的比功率高，充放電壽命長(zhǎng)，在短時(shí)間內(nèi)非常適合作為功率輸出源，能夠?qū)崿F(xiàn)在電動(dòng)車起動(dòng)、加速、爬坡等工況下的大功率放電，同時(shí)在車輛下坡制工況下迅速吸收制動(dòng)能量。不僅能夠?qū)崿F(xiàn)不同工況下充放電，也極大地保護(hù)了蓄電池不受大電流的沖擊而損壞。

通過(guò)對(duì)動(dòng)力蓄電池和超級(jí)電容的復(fù)合使用，能夠同時(shí)具備大比能量和高比功率，這樣的復(fù)合電源系統(tǒng)的使用解決了電源系統(tǒng)的功率問(wèn)題，不僅降低了對(duì)蓄電池的使用數(shù)量的要求，也降低使電源系統(tǒng)的體積和重量，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)組合，解決了單一儲(chǔ)能裝置的純電動(dòng)汽車性能上的缺陷，也可以延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，降低純電動(dòng)汽車的生產(chǎn)成本，極大的提升了純電動(dòng)車輛電源系統(tǒng)的性能。

3 復(fù)合電源系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程中存在的問(wèn)題

目前，復(fù)合電源的控制策略主要可以分為四類：（1）邏輯門限控制（2）實(shí)時(shí)優(yōu)化控制（3）全局優(yōu)化控制（4）模糊控制。

邏輯門限值控制法的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，缺點(diǎn)：控制參數(shù)困難，需要累積和調(diào)試大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該方法因?yàn)殚T限值的存在，由于車輛在行駛過(guò)程中工況復(fù)雜，變化較多，該方法對(duì)于微小變化的控制能力不足，因此在整個(gè)過(guò)程中控制性不穩(wěn)定。

實(shí)時(shí)優(yōu)化控制方法能夠解決復(fù)雜工況；該方法結(jié)合回路控制與過(guò)程運(yùn)行，采用兩層結(jié)構(gòu)：（1）上層通過(guò)計(jì)劃調(diào)度優(yōu)化經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)，產(chǎn)生底層控制回路的設(shè)定值；（2）底層通過(guò)控制器使被控變量跟蹤設(shè)定值，從而盡可能使過(guò)程運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)優(yōu)化狀態(tài)。優(yōu)化和控制的好壞依賴基礎(chǔ)層控制品質(zhì)的。如果實(shí)時(shí)優(yōu)化單回路都控制不穩(wěn)定，實(shí)時(shí)優(yōu)化也無(wú)從談起。一切的根本都指向了底層的基礎(chǔ)控制。而在汽車車況行駛過(guò)程中，不穩(wěn)定性也就決定了實(shí)時(shí)優(yōu)化控制存在很大的難度。

全局優(yōu)化控制方法能夠在汽車行駛過(guò)程中實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)，但是由于實(shí)際車輛在行駛過(guò)程中工況復(fù)雜，很難能夠在全過(guò)程中實(shí)現(xiàn)很好的控制。

模糊控制方法主要原理是利用模糊數(shù)學(xué)的基本思想。模糊控制是屬于智能控制的范疇，實(shí)際上它的實(shí)質(zhì)是一種非線性控制。模糊控制既有系統(tǒng)化的理論，又有實(shí)際應(yīng)用背景。在解決復(fù)合電源系統(tǒng)能量分配過(guò)程中不需要建立數(shù)學(xué)模型，操作過(guò)程簡(jiǎn)單。

4 復(fù)合電源系統(tǒng)優(yōu)化管理路徑

復(fù)合電源系統(tǒng)由蓄電池、超級(jí)電容和電機(jī)構(gòu)成。根據(jù)能量流動(dòng)方向，將復(fù)合電源的主要工作模式歸納為以下種：蓄電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式；電池-超級(jí)電容混合驅(qū)動(dòng)模式；超級(jí)電容單獨(dú)提供驅(qū)動(dòng)功率模式；再生制動(dòng)模式。

（1）大部分時(shí)間，車輛屬于在勻速行駛過(guò)程中，此時(shí)電源電機(jī)的需求功率不高，在電機(jī)平均功率范圍內(nèi)。蓄電池因能量密度較高，同時(shí)具有可以承擔(dān)電機(jī)需求功率的能力，能夠在均速行駛過(guò)程中單獨(dú)提供驅(qū)動(dòng)功率。

（2）在加速時(shí)，如果由蓄電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，往往會(huì)損傷蓄電池，而此時(shí)復(fù)合電源系統(tǒng)需要為電機(jī)提供高功率。因此，在加速時(shí)超級(jí)電容和蓄電池配需要共同驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使得蓄電池組工作在正常功率的范圍內(nèi)，超級(jí)電容承擔(dān)剩余的功率。

（3）在負(fù)載較輕時(shí)啟動(dòng)或短暫加速過(guò)程中，一旦超級(jí)電容的荷電狀態(tài)較高，就可以通過(guò)超級(jí)電容放電，并且能夠在之后制動(dòng)過(guò)程中由超級(jí)電容來(lái)吸收能量。在此工況下，超級(jí)電容為車輛提供功率，蓄電池組不工作。

（4）當(dāng)汽車減速行駛或下坡行駛時(shí)，汽車電源電機(jī)處在發(fā)電狀態(tài)，電機(jī)向復(fù)合電源系統(tǒng)充電。在此工況下，電源系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收。

城市道路交通狀況復(fù)雜，電動(dòng)車在道路上行駛過(guò)程中，不斷相互轉(zhuǎn)換起步、勻速行駛、加速、減速制動(dòng)等工況，復(fù)雜的工況切換過(guò)程要求復(fù)合電源能夠根據(jù)不同的工況在上述四種模式做出快速準(zhǔn)確的切換，從而能夠不斷優(yōu)化，提高復(fù)合電源效果。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著石油和天然氣等不可再生資源的枯竭，純電動(dòng)汽車比能夠?qū)⑵涔?jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)不斷發(fā)揮出來(lái)，作為新能源汽車中的一部分，純電動(dòng)汽車以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)不斷增加市場(chǎng)份額，國(guó)內(nèi)的純電動(dòng)汽車技術(shù)會(huì)越來(lái)越成熟，續(xù)航里程也會(huì)不斷增大，通過(guò)超級(jí)電容和鋰電池相互作用的復(fù)合電源系統(tǒng)的優(yōu)化也會(huì)得到進(jìn)一步的提升。

基金項(xiàng)目：本文系作者個(gè)人的2016 年上海市優(yōu)秀青年教師資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：220001-16-44（AAYQ1645））《純電動(dòng)汽車復(fù)合電源系統(tǒng)有關(guān)管理研究》的部分研究成果。

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