車載蓄電池超級電容器混合電源

王彥琨,蘆 帥,張國飛,李玉瑤,王浩然

(煙臺大學機電汽車工程學院,山東 煙臺 264005)

隨著環(huán)境氣候日益惡劣,發(fā)展以“節(jié)能環(huán)?！睘橹黝}的新能源汽車成為解決汽車污染的主要途徑[1]。儲能技術是新能源汽車的關鍵技術之一,如何增加車載儲能的循環(huán)使用壽命及單次使用時間,成為各大汽車廠商研究的熱點[2]。常用的車載儲能技術有電池儲能[3]、超級電容器儲能[4]、超導儲能[5]、飛輪儲能[6]等。電池儲能技術主要采用技術比較成熟的鉛酸蓄電池,汽車車速的變化會導致負載電流不固定,頻繁的充放電會加劇蓄電池壽命的縮短。新興的磷酸鐵鋰電池、鋰離子電池、超導儲能等成本較高,飛輪儲能技術無污染、充電快,但其工作過程中耗損嚴重,仍未獲得較大突破,尚待開發(fā)。文獻[7]綜述了相變儲能技術在汽車節(jié)能中的應用進展,但在汽車中的應用較少。每種儲能技術在新能源汽車中的應用,都有自己特定的優(yōu)勢,但單一電源具有明顯的局限性,不能同時滿足能量密度和功率密度的要求,混合電源儲能方案的概念應運而生。采用超級電容器與蓄電池相結合組成混合電源,利用了2種電源各自的優(yōu)點,兼具高功率密度和高能量密度,因此受到汽車制造商和政府的廣泛關注。

混合電源有多種構型[8-9],12 V蓄電池電源可直接并聯(lián)12 V的超級電容器組成混合電源,占據(jù)空間小、簡單易行、無需控制,且可靈活地搭載在汽車上,提高車載電源的工作性能,特別適用于ISG(Integrated Starter Generator)系統(tǒng)。根據(jù)工況ISG系統(tǒng)頻繁啟動發(fā)動機,要求電源具備瞬時大電流放電、快速儲存能量的特性,這種特性極大地耗損了傳統(tǒng)蓄電池的壽命,更換加強型電池的成本很高,是傳統(tǒng)蓄電池的幾倍,而混合電源的使用可以很好地解決頻繁的電流變化對蓄電池的壽命影響、避免蓄電池不能起動汽車時而不得不選擇救援等問題。文獻[10]中提出一種應用于混合動力汽車ISG系統(tǒng)的復合電源,仿真中表明復合電源的使用提高了ISG用電源的性能,且延長了蓄電池的使用壽命。混合電源可應用于增程式電動汽車動力系統(tǒng)中,混合電源在汽車加速時既保證了能量供應,又保證了輔助動力性,在汽車制動時,可快速回收制動產(chǎn)生的能量,并且可以在一定的控制策略下向蓄電池充電,超級電容器的使用可有效減少了蓄電池的充電和工作時間,進而增加整車續(xù)航時間[11]。文獻[12]中提出一種基于功率分流式混合動力汽車的復合電源,仿真驗證可有效地減少蓄電池的大電流放電工況,并提高整車燃油經(jīng)濟性。混合電源也可以用于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),頻繁的低速轉(zhuǎn)向工況下容易導致方向盤重和“方向感延遲現(xiàn)象”,此類問題在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中應用混合電源供電并運用優(yōu)化算法可得到妥善的解決[13-14]。

本文以蓄電池超級電容器混合電源為研究對象,對其提供能量和回饋能量的工作模式進行分析,超級電容器起到大功率緩沖作用,蓄電池為低壓用電負載的供應能量,同時達到車用電源比功率和比能量大的特點?；旌想娫从行У販p少蓄電池的使用工況和更換頻率,提升了循環(huán)使用壽命和車載電源的經(jīng)濟性。

1 工作原理

蓄電池超級電容器混合電源供電系統(tǒng)如圖1,蓄電池和超級電容器通過IGBT直接并聯(lián),混合電源通過功率變換器變壓向電機負載供電。根據(jù)負載工況和能量控制策略,控制各個IGBT開關,進而達到最佳的工作模式。

圖1 混合電源結構

混合電源供電系統(tǒng)主要有以下4種工作模式。

(1)升壓供電模式:當電機運行電壓大于混合電源端電壓時,混合電源通過功率變換器進行升壓供電,能量流動如圖2。升壓供電主要是對T2進行PWM控制,調(diào)節(jié)開關占空比。T2關斷時,對電容C和電機供電;當T2導通時,T1關斷,TD1由于電壓降低不通電,此時電機由電容C續(xù)流供電。

圖2 升壓供電模式

(2)降壓供電模式:當電機運行電壓小于混合電源端電壓時,通過調(diào)節(jié)占空比,利用PWM控制K1的導通與關斷,能量供應如圖3。K1導通時,電源給電容C供電,K1關斷時,電機電感進行續(xù)流。

圖3 降壓供電模式

(3)升壓回饋模式:當電機進行制動時,電機工作于發(fā)電模式,當回饋電壓小于混合電源端電壓,控制相應IGBT進行升壓回饋,能量流動如圖4。通過PWM控制T1的開關和導通,調(diào)節(jié)占空比,T1斷開時,向電容C回饋能量;當T1導通時,控制SW導通,回饋電流與電容C共同向超級電容器UC提供能量。此時控制S1常關斷,只向超級電容器回饋能量。

圖4 升壓回饋模式

(4)降壓回饋模式:當回饋電壓大于混合電源端電壓時,通過PWM控制K4的導通和關斷進行降壓回饋,能量流動如圖5。K4關斷時,電感L由于二極管的壓降不通電,電機直接回饋能量給超級電容器UC;K4導通時,電容C續(xù)流,電機電感通過K4續(xù)流。

圖5 降壓回饋模式

2 建模仿真

混合電源供電系統(tǒng)包括蓄電池、超級電容器、電機和電力電子相關電路,根據(jù)相應的模型進行建模[15]?；旌想娫吹母鱾€等效模型如圖6,由于蓄電池的充放電是一種化學反應過程,難以建立準確的數(shù)學模型,故采用理想的蓄電池等效模型。超級電容器充放電屬于物理過程,可描述的模型有許多種,由于等效內(nèi)阻在一定的工作時間內(nèi)約為常數(shù)值,故選擇理想電容C串聯(lián)電阻RC組成等效模型。混合電源由蓄電池和超級電容器直接并聯(lián)組成,放電總電流值為二者放電電流值之和,故可直接由蓄電池和超級電容器等效模型并聯(lián)組成。

圖6 混合電源等效模型

蓄電池放電電流滿足:

(1)

式中,UB為蓄電池端電壓,E為蓄電池開路電壓,RB為蓄電池內(nèi)阻,IB為蓄電池電流。

混合電源放電電流和端電壓滿足平衡方程式,

(2)

式中:I1為混合電源電流,U1為混合電源端電壓,UUC為超級電容器電壓,RC為超級電容器等效內(nèi)阻。

電機主要有2種工作狀態(tài),當電機作為驅(qū)動電機時為電動狀態(tài),當電機回饋能量時為發(fā)電機,此時是發(fā)電狀態(tài)。當作為電動機時,有電機電壓、功率、能量平衡方程式:

(3)

Pm=UmIm,

(4)

Em=Pmtm,

(5)

式中,Um為母線電壓,e為電動機感應電動勢,Lm為電機繞組電感,Im為通過電動機的瞬時電流,rm為電動機電樞繞組內(nèi)阻,Pm為電動機工作時所需功率,Em為所需能量,tm為電動機工作時間。

當電機運行在發(fā)電機狀態(tài)時,有如下平衡方程式:

(6)

RA=eIm,

(7)

EA=PAtA,

(8)

式中,PA為發(fā)電機工作時產(chǎn)生的功率,EA為工作時產(chǎn)生的能量,tA為發(fā)電機運行時間。

由以上數(shù)學模型建立電機等效模型,如圖7。

圖7 電機負載等效模型

選用MATLAB/SIMULINK進行建模仿真,對混合電源供電系統(tǒng)進行了升壓供電和降壓回饋仿真。設置鋰離子蓄電池和超級電容器電壓初始為14.1 V,容量為10 Ah,內(nèi)阻為0.02 Ω,電機選用42 V永磁直流電機,額定功率為2 kW。

當電機負載處于電動機狀態(tài)時,蓄電池與超級電容器并聯(lián)供電。設置階躍式目標電流可很好地體現(xiàn)電源供電響應特性,如圖8(a)所示,電機電流仿真值較好地跟隨參考值,沒有超調(diào),混合電源供電可很好地滿足電機負載的能量需求,且響應迅速。蓄電池與超級電容器通過功率變換器共同升壓供電,蓄電池與超級電容器初始電壓均為14 V,通過PID控制器三倍升壓,如圖8(b)所示,仿真升壓后的電壓為42 V,電機的母線電壓為42 V。由以上電機電流與母線電壓仿真結果可知,混合電源供電系統(tǒng)達到了負載電機功率需求。如圖8(c)所示為混合電源各電源電流與總電流,圖中各電源電流變化清晰地體現(xiàn)了超級電容的“削峰填谷”的特性,在0～0.5 s之間,超級電容器與蓄電池之間有能量交換,放電初始階段蓄電池提供穩(wěn)態(tài)電流供應,0.5～2 s之間,負載功率需求增大,電流也增大,此時蓄電池供應穩(wěn)定的小電流,超級電容器則供應大電流,在保證負載需求的同時,也防止了蓄電池大電流的放電。

圖8 混合電源供電仿真

當汽車處于能量回饋工況,電機處于發(fā)電機狀態(tài)。如圖9(a)所示設置回饋參考電流為30 A,由于電機轉(zhuǎn)速隨著汽車減速降速,電機產(chǎn)生的感應電動勢也相應減小。圖9(a)—(c),在0～3.5 s之間,混合電源處于充電模式,電機電樞回饋電流一直跟隨回饋參考電流值回饋,混合電源電壓逐漸上升至18 V左右,根據(jù)公式(6),電機感應電動勢隨車速從約41 V降至約25 V時,電機回饋電流也隨之降低。在4.5 s左右,電樞電流為0 A,電機感應電動勢接近14 V,能量回饋工況結束。如圖9(c)所示,能量回饋時,防止蓄電池大電流充電,回饋電流主要回饋到超級電容器中,蓄電池幾乎不參與電流回饋,且二者之間由于電壓的變化會有電流交換。

圖9 制動能量回饋仿真

3 蓄電池超級電容器混合電源充放電試驗

在實驗室搭建了單一電源充放電實驗平臺,進行單一電源充放電特性分析,并搭建了超級電容器和蓄電池直接并聯(lián)組成的小功率混合電源,進行充放電試驗系統(tǒng)和電動機控制系統(tǒng),以下對部分實驗結果進行了研究,分析比較單一電源、混合電源的充、放電特性。

超級電容器放電結果如圖10,圖10(a)為超級電容器充電實驗圖,隨著充電的時間增加,電壓隨之增大,超級電容荷電狀態(tài)(State of charge, SOC)值增大。圖10(b)為超級電容器放電實驗圖,隨著放電時間的增加,電壓值下降越大。蓄電池放電實驗結果如圖11,圖11(a)為蓄電池充電實驗圖,在充電過程中,蓄電池的電壓值基本不變。圖11(b)為蓄電池放電實驗圖,控制蓄電池以6 A的電流放電時,蓄電池電壓略有下降。

圖10 超級電容器充放電實驗

圖11 蓄電池充放電實驗

混合電源放電實驗結果如圖12,圖12(a)中蓄電池電壓一直保持12 V以上,提供穩(wěn)定的能量供應,超級電容器電壓下降較為明顯,在10 s之后,電壓下降到12 V以下。如圖12(b)所示,超級電容器能量密度小,功率密度大,放電速率快,故剛開始超級電容器承擔了短時大電流大功率需求,隨著電壓值出現(xiàn)明顯的下降,蓄電池進行主要的電流與功率供應,電流曲線呈現(xiàn)明顯的上升趨勢,超級電容器仍承擔部分功率。根據(jù)功率為電壓與電流乘積的公式,電源功率變化跟電流曲線趨勢大致相同,如圖12(c)所示,超級電容器在供電工況中承擔了負載短時大功率需求,并在之后工況中承擔部分功率。

圖12 小功率混合電源的放電實驗結果

以2A對混合電源進行充電,實驗結果如圖13,蓄電池端電壓基本穩(wěn)定在12 V左右,超級電容器端電壓呈比例直線上升,SOC值迅速增大,超級電容器的使用保證了混合電源可及時地回收發(fā)電機產(chǎn)生的能量。通過一定的能量控制策略可保證供電工況下超級電容器充放電平衡,使得超級電容器SOC及時達到供電閾值滿足能量供應,從而防止蓄電池的大電流充放電的情況。

圖13 充電時混合電源的電壓變化

對單一電源與混合電源充放電實驗結果進行對比,放電工況中,混合電源電壓更穩(wěn)定,超級電容器承擔了負載短時大電流需求,且分擔了總功率的部分功率;在實際工況中混合電源相比于單一蓄電池供電,增強了供電電源的短時動力性需求的性能。在充電過程中,混合電源利用了超級電容器充電速率快的特性,彌補了單一蓄電池充電時間長的缺點;在制動能量回饋工況中,能量優(yōu)先向超級電容器中回饋,當超級電容器SOC值達到閾值上限時,則向蓄電池中回饋能量。相比于單一蓄電池,縮短了電源回收能量的時間,提升了能源利用率。

4 小 結

研究了用于汽車的直接并聯(lián)型蓄電池超級電容器混合電源系統(tǒng),分析了混合電源的升、降壓供電以及升、降壓回饋能量的4種工作模式及控制方法。給出了各子系統(tǒng)的等效模型,建立了系統(tǒng)整體模型,基于車輛典型行駛工況,進行了仿真研究。設計了小功率實驗系統(tǒng),并針對不同負載以及不同充電方式,進行了充放電試驗。仿真及實驗結果充分證明了混合電源可充分發(fā)揮蓄電池能量密度大和超級電容器功率密度大的優(yōu)勢,實現(xiàn)了能源性能互補,從而保護了蓄電池,提升了能源利用率。