王 斌，徐 俊，曹秉剛，李其玉

(西安交通大學(xué)電動(dòng)汽車與系統(tǒng)控制研究所，西安 710049)

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2015181

一種新型電動(dòng)汽車復(fù)合電源結(jié)構(gòu)及其功率分配策略*

王 斌，徐 俊，曹秉剛，李其玉

(西安交通大學(xué)電動(dòng)汽車與系統(tǒng)控制研究所，西安 710049)

為提高電動(dòng)汽車復(fù)合電源工作效率和保證電池組安全，提出了一種新型復(fù)合電源結(jié)構(gòu)，通過對切換開關(guān)和DC-DC的控制，實(shí)現(xiàn)UC/Batteries和Batteries/UC兩種復(fù)合電源結(jié)構(gòu)的功能。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了新型復(fù)合電源的7種工作方案，并根據(jù)SD-EV試驗(yàn)樣車的鋰電池組與電機(jī)的工作電壓和電機(jī)功率需求特性完成系統(tǒng)的參數(shù)匹配?？紤]DC-DC效率、鋰電池組SOC和超級(jí)電容SOC等因素，基于功率平衡控制規(guī)則提出了不同工作方案的功率分配策略。在Matlab/Simulink中的仿真結(jié)果顯示，新型復(fù)合電源能多方案工作，并有效提高復(fù)合電源工作效率和保證鋰電池組的充放電安全；而搭建試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證測試的結(jié)果表明，與UC/Batteries和Batteries/UC復(fù)合電源相比，新型復(fù)合電源的綜合效率分別提高了9%和4%。

電動(dòng)汽車；復(fù)合電源；DC-DC；功率分配策略

前言

作為綠色環(huán)保的新能源汽車愈來愈受到人們的重視，而零排放的電動(dòng)汽車則是新能源汽車發(fā)展的必然趨勢[1-3]。電動(dòng)汽車用電池組具有能量密度高，但功率密度卻相對較低的特點(diǎn)，僅有電池組時(shí)達(dá)不到電動(dòng)汽車在起動(dòng)、爬坡和加速等條件下的大功率需求[4-5]。過大的功率輸出或制動(dòng)功率直接回饋會(huì)損害電池組，為滿足電動(dòng)汽車大功率需求、提高電池組的使用壽命和盡可能多地回收制動(dòng)能量，超級(jí)電容(ultra-capacitors, UC)-電池組復(fù)合電源應(yīng)運(yùn)而生[6-9]。

如何利用好超級(jí)電容是復(fù)合電源設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵[3-4,6,8]。如充分利用超級(jí)電容的高功率特性，在驅(qū)動(dòng)時(shí)提供峰值功率，在制動(dòng)時(shí)高效率回收制動(dòng)能量[8,10-11]。不僅如此，為實(shí)現(xiàn)復(fù)合電源高效率工作，在電池組和超級(jí)電容間進(jìn)行功率分配時(shí)，須考慮功率分配策略對系統(tǒng)整體工作效率的影響，盡量減少能量在直流變換器(DC-DC)上的損失[9]。

西安交通大學(xué)電動(dòng)汽車與系統(tǒng)控制研究所團(tuán)隊(duì)在電動(dòng)汽車復(fù)合電源領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，并成功將超級(jí)電容-電池組復(fù)合電源應(yīng)用于XJTU EV[4,12]。在前期研究工作基礎(chǔ)上，本文中提出了一種新型復(fù)合電源結(jié)構(gòu)，根據(jù)新一代速達(dá)純電動(dòng)汽車SD-EV的鋰電池組電壓、PMSM電機(jī)工作電壓和功率需求完成參數(shù)匹配，并基于功率平衡控制規(guī)則設(shè)計(jì)了相應(yīng)的功率分配策略。仿真和試驗(yàn)結(jié)果證明了所設(shè)計(jì)的復(fù)合電源及其功率分配策略能保證鋰電池組充放電安全，并有效提高復(fù)合電源系統(tǒng)的工作效率。

1 復(fù)合電源設(shè)計(jì)

1.1 復(fù)合電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

SD-EV及其新型復(fù)合電源結(jié)構(gòu)如圖1所示，復(fù)合電源主要包括鋰電池組、超級(jí)電容和DC-DC等。與XJTU EV復(fù)合電源相比，僅增加功率二極管和SW2切換開關(guān)。由于自放電和過載等原因，啟動(dòng)時(shí)超級(jí)電容電壓可能會(huì)低于鋰電池組電壓，在超級(jí)電容低壓直接充電時(shí)電流很大，應(yīng)關(guān)閉SW1并通過預(yù)充電路向超級(jí)電容充電，超級(jí)電容電壓高于50%后，復(fù)合電源開始正常工作。在制動(dòng)能量回饋時(shí)，功率二極管反向偏置，保證超級(jí)電容優(yōu)先回收制動(dòng)能量，同時(shí)避免制動(dòng)電流直接向鋰電池組充電。

通過對SW2開關(guān)的導(dǎo)通與截止和DC-DC的升降壓控制，SD-EV復(fù)合電源實(shí)現(xiàn)了兩種復(fù)合電源結(jié)構(gòu)的功能，如圖2所示。其中，SW2截止實(shí)現(xiàn)了XJTU EV的UC/Batteries結(jié)構(gòu)[4,12]功能，SW2導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)了Batteries/UC結(jié)構(gòu)[8,13-15]功能；在UC/Batteries結(jié)構(gòu)中DC-DC對超級(jí)電容降壓[8,14]，在Batteries/UC結(jié)構(gòu)中DC-DC對鋰電池組升壓[13-15]。新型復(fù)合電源通過對UC/Batteries和Batteries/UC結(jié)構(gòu)的功能結(jié)合，不僅能發(fā)揮超級(jí)電容“削峰填谷”功能，而且鋰電池組和超級(jí)電容均能不經(jīng)過DC-DC向電機(jī)逆變器提供能量，減少了能量在DC-DC上的損失。此外，由于功率二極管的存在，超級(jí)電容優(yōu)先回收制動(dòng)能量，僅當(dāng)制動(dòng)能量很大時(shí)，通過DC-DC降壓向鋰電池組充電，保證鋰電池組的充電安全和延長鋰電池組的使用壽命。

1.2 復(fù)合電源工作方案設(shè)計(jì)

復(fù)合電源的工作方案主要根據(jù)鋰電池組SOC、超級(jí)電容SOC和電機(jī)的需求功率3個(gè)變量來確定?；趫D2的兩種結(jié)構(gòu)，SD-EV的復(fù)合電源設(shè)計(jì)有7種方案，具體如圖3所示。

其中，方案2和方案3較為特殊，為應(yīng)急使用方案。方案2用于鋰電池組電量消耗殆盡而須跛行至附近充電站的情況。方案3則用于超級(jí)電容即將充滿電但仍須回饋制動(dòng)能量的情況。這兩種方案應(yīng)盡可能少使用。為減少方案3的使用頻率，制動(dòng)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇方案4，且設(shè)定超級(jí)電容在SOC高于上限值時(shí)單獨(dú)提供能量，即方案5。此外，方案1用于小功率輸出情況，方案6用于中等功率或短時(shí)間大功率輸出情況，方案7則用于長時(shí)間大功率輸出、超級(jí)電容SOC較低的情況。

1.3 參數(shù)匹配

采用方案2或方案3時(shí)DC-DC降壓工作。為保證電池組安全，降壓工作時(shí)控制DC-DC以小功率工作。采用方案6或方案7時(shí)DC-DC升壓工作。采用方案1、方案4或方案5要求鋰電池組或超級(jí)電容單獨(dú)工作?？傊瑧?yīng)根據(jù)SD-EV的功率需求、工作方案、鋰電池組和其它參數(shù)匹配相應(yīng)的DC-DC和超級(jí)電容。

通過對SD-EV多次行駛記錄，電機(jī)在市區(qū)路況下平均功率小于7.5kW，郊區(qū)路況下平均功率小于8.5kW，坡路較多時(shí)且速度較高時(shí)平均功率低于15kW，最大爬坡功率為30kW。SD-EV采用兩個(gè)DC-DC并聯(lián)，單個(gè)DC-DC在5kW工作時(shí)效率最高，最大工作功率為10kW。因此，兩個(gè)DC-DC同時(shí)工作的最大功率為20kW，高于規(guī)定的鋰電池組最大工作功率。為滿足SD-EV平均功率和爬坡功率需求，由超級(jí)電容提供差額功率。

SD-EV搭載的鋰電池組由75塊3.2V，80A·h環(huán)宇鋰電池組成，電壓范圍為210～270V。由于PMSM電機(jī)有效工作電壓為200～400V，為最大限度利用超級(jí)電容，設(shè)計(jì)其最高電壓應(yīng)為鋰電池組的2倍左右，采用5個(gè)80V，96F模塊串聯(lián)，最大電量為0.43kW·h，可用有效電量為0.32kW·h，考慮到自身效率，其在爬坡時(shí)以20kW提供峰值功率可維持1min左右，滿足SD-EV爬坡要求。復(fù)合電源參數(shù)見表1。

表1 復(fù)合電源參數(shù)匹配

2 功率分配策略

SD-EV復(fù)合電源控制系統(tǒng)通過采集電機(jī)、超級(jí)電容和鋰電池組的電壓與電流，計(jì)算電機(jī)的功率需求以及超級(jí)電容和鋰電池組的SOC，然后控制SW1和SW2的開關(guān)及DC-DC的升降壓工作，進(jìn)一步確定工作方案和各部件的工作功率，控制系統(tǒng)如圖4所示。其中，輸入信號(hào)處理和控制變量計(jì)算均由DSP控制器完成。

2.1 仿真模型

模型主要包括電機(jī)功率需求、鋰電池組SOC和超級(jí)電容SOC。電機(jī)的功率需求Pm,d由驅(qū)動(dòng)功率、傳動(dòng)系統(tǒng)效率和自身工作效率決定，而驅(qū)動(dòng)功率Pd與滾動(dòng)阻力、風(fēng)阻系數(shù)和坡度等相關(guān)[9]：

Pm,d=Pd/ηmηd

(1)

式中：ηm和ηd分別為電機(jī)效率和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率。

仿真時(shí)，鋰電池組SOC估算模型采用后向建模方式，為避免線性模型帶來的不足，結(jié)合Thevenin模型[14]估算鋰電池組SOC，等效電路如圖5(a)所示。

根據(jù)Thevenin模型等效電路，有

Ubat=Ebat-IbatR1-UC

(2)

(3)

(4)

Pbat=UbatIbat

(5)式中：Ubat為電池輸出電壓；Ebat為電池開路電壓；Ibat為電池組電流；R1和R2為等效內(nèi)阻；C為等效電容容量；UC為電容電壓；UC(t)為t時(shí)刻電容電壓；UC(0)為初始時(shí)刻電容電壓；Pbat為電池工作功率。

由式(2)～式(5)可計(jì)算出Ibat(t)，則鋰電池組SOC為

(6)

式中：SOCbat為電池SOC；SOCbat,i和Ct分別為電池組初始SOC和容量；η為充放電效率。

超級(jí)電容SOC估算模型采用開路電壓-內(nèi)阻模型，如圖5(b)所示。通過實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)其內(nèi)阻與溫度TUC和充放電電流IUC相關(guān)，RUC=f(TUC,IUC)。根據(jù)圖5(b)等效電路，超級(jí)電容的電壓、電流、容量和SOC分別為

UUC=EUC-IUCRUC

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：UUC，IUC和PUC分別為超級(jí)電容輸出電壓、電流和功率；EUC為超級(jí)電容開路電壓；RUC為等效內(nèi)阻；UUC(k+1)，UUC(k)分別為k+1和k時(shí)刻超級(jí)電容電壓；Δt為時(shí)間間隔；Ecap和CUC為超級(jí)電容剩余能量和容量；UUCmax為超級(jí)電容最大電壓；SOCUC為超級(jí)電容SOC。

2.2 功率平衡控制

電機(jī)功率需求由鋰電池組和超級(jí)電容共同提供，因此功率分配本質(zhì)上是功率平衡控制問題?？紤]到DC-DC效率，功率平衡關(guān)系為

Pm,d=PbatηbatηDD,i+PUCηUCηDD,k

(12)

式中：Pbat為電池工作功率；ηDD,i為DC-DC對鋰電池組的充放電效率；ηDD,k為DC-DC對超級(jí)電容降壓工作的效率；ηbat和ηUC分別為鋰電池組和超級(jí)電容的自身效率，與充放電內(nèi)阻、溫度相關(guān)。

根據(jù)式(12)功率平衡關(guān)系和不同工作方案設(shè)計(jì)相應(yīng)的功率分配策略，其主要思路是：結(jié)合SW1和SW2開關(guān)，DC-DC主動(dòng)控制一個(gè)能量源輸出功率，剩余功率則由另一能量源被動(dòng)提供。如：采用方案6時(shí)控制DC-DC以最高效率工作，確定鋰電池組的輸出功率，剩余功率由超級(jí)電容提供；采用方案1或方案5時(shí)則控制DC-DC不工作，通過SW1和SW2導(dǎo)通和截止控制鋰電池組或超級(jí)電容單獨(dú)提供功率。為保證鋰電池組充放電安全，限定其最大充放電功率為15kW和-10kW。根據(jù)SD-EV駕駛經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)超級(jí)電容SOC低于0.5時(shí)，鋰電池需要大功率輸出，設(shè)計(jì)鋰電池組最大輸出功率為15kW，超級(jí)電容提供其余功率。具體方案的實(shí)施條件、SW1和SW2與DC-DC的工作狀態(tài)以及功率分配如下。

方案1：電池SOC大于0.1，超級(jí)電容SOC在區(qū)間[0.85,0.95]內(nèi)且功率需求小于10kW，此時(shí)SW1導(dǎo)通，SW2截止，DC-DC不工作，功率分配為

Pbat=Pm,d；PUC=0

(13)

方案2：電池SOC小于0.1且功率需求為正，此時(shí)SW1導(dǎo)通，SW2截止，DC-DC降壓工作，降壓工作時(shí)，DC-DC工作效率取平均值85%。限制電池組輸出功率，功率分配為

Pbat≤Pbat,l；PUC=(Pm,d-Pbat)/ηDD,k

(14)

式中Pbat,l為限制條件下的電池組輸出功率。

方案3：超級(jí)電容SOC大于0.95且功率需求小于0，此時(shí)SW1和SW2截止，DC-DC降壓工作，超級(jí)電容最大限度回收能量，電池組回收其余能量。

PUC≤PUC,l；Pbat=(Pm,d-PUC)/ηDD,i

(15)

式中PUC,l為限制條件下超級(jí)電容回收的功率。

方案4：超級(jí)電容SOC小于0.95且功率需求小于0，此時(shí)SW1和SW2截止，DC-DC不工作，超級(jí)電容回收所有能量。

方案5：電池SOC大于0.1，超級(jí)電容SOC大于0.95且功率需求大于0，此時(shí)SW1截止，SW2導(dǎo)通，DC-DC不工作，超級(jí)電容提供所有功率。對于方案4和方案5：

PUC=Pm,d；Pbat=0

(16)

方案6：電池SOC大于0.1，超級(jí)電容SOC在區(qū)間[0.5,0.85]內(nèi)且功率需求大于0，或者超級(jí)電容在區(qū)間[0.85,0.95]內(nèi)且功率需求大于10kW，此時(shí)SW1和SW2導(dǎo)通，DC-DC最高效率升壓工作，功率分配為

PUC=Pm,d-10kW；Pbat=10kW/ηDD,t

(17)

式中ηDD,t為DC-DC升壓時(shí)的最高效率，約94%。

方案7：電池SOC大于0.1，超級(jí)電容SOC在區(qū)間[0.25,0.5)內(nèi)且功率需求大于0，此時(shí)SW1和SW2導(dǎo)通，電池組最大功率15kW輸出。DC-DC升壓工作，工作效率為92%，超級(jí)電容提供其余功率。

Pbat=15kW；PUC=Pm,d-Pbat/ηDD,i

(18)

3 仿真及試驗(yàn)結(jié)果

針對設(shè)計(jì)的新型復(fù)合電源和功率分配策略，在Matlab/Simulink中進(jìn)行仿真。SD-EV總質(zhì)量為1 250kg，電機(jī)額定功率為30kW。選取UDDS和NEDC循環(huán)工況，分別模擬市區(qū)路況的中低功率需求和郊區(qū)路況的大功率需求，結(jié)果如圖6所示。

圖6(a)為UDDS工況下仿真結(jié)果，超級(jí)電容SOC初值設(shè)計(jì)為0.98?？梢钥闯?，初始階段，超級(jí)電容單獨(dú)輸出，選擇方案5。當(dāng)超級(jí)電容SOC在區(qū)間[0.85,0.95]時(shí)，功率大于10kW時(shí)DC-DC變換器最高效率工作，選擇方案6；制動(dòng)時(shí)超級(jí)電容優(yōu)先回收制動(dòng)能量，選擇方案4；功率較小時(shí)電池組單獨(dú)輸出，選擇方案1。圖6(b)為NEDC工況下仿真結(jié)果。超級(jí)電容SOC小于0.5時(shí)，電池組最大功率15kW輸出，選擇方案7，保證爬坡時(shí)有足夠的功率輸出。圖6其它工作方案滿足能量平衡控制規(guī)則。跛行方案2和共同回收方案3為應(yīng)急使用方案，在仿真結(jié)果中沒有體現(xiàn)。方案1和方案5避免了DC-DC變換器的能量損失，且采用方案6時(shí)DC-DC變換器工作效率最高，達(dá)到94%，有效提高了復(fù)合電源工作效率。采用方案4時(shí)超級(jí)電容回收所有能量，保證電池組充電安全。采用方案7時(shí)鋰電池組功率輸出15kW，DC-DC變換器效率為92%。仿真結(jié)果證明新型復(fù)合電源能多方案工作，并能有效保證鋰電池組的充放電安全。

最后，通過測試驗(yàn)證新型結(jié)構(gòu)和功率分配策略。為節(jié)省測試費(fèi)用，搭建小型試驗(yàn)臺(tái)對UC/Batteries和Batteries/UC結(jié)構(gòu)、新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，相關(guān)部件參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)臺(tái)見圖7，采用功率負(fù)載模擬電機(jī)功率需求，結(jié)合DSP等硬件控制，并計(jì)算DC-DC的工作效率。圖8為試驗(yàn)用DC-DC效率。

表2 試驗(yàn)部件主要參數(shù)

進(jìn)行了250和150W兩組功率需求試驗(yàn)，以比較DC-DC的工作效率。對綜合效率則通過50，100和300W 3組功率需求試驗(yàn)，取多組試驗(yàn)結(jié)果的平均值。復(fù)合電源的綜合效率按式(19)計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

(19)

其中ηhp=Eload/(Ebatteries+EUCs)

表3 試驗(yàn)結(jié)果 %

表3中，UC/Batteries結(jié)構(gòu)在SOCUC∈(0.95,1]時(shí)或在需求功率為250W且SOCUC∈[0.85,0.95]時(shí)，DC-DC降壓工作，效率低于95%；當(dāng)效率為100%時(shí)，意味著DC-DC不工作，其它條件下DC-DC均升壓工作。根據(jù)測試結(jié)果，當(dāng)超級(jí)電容SOC低于0.85時(shí)，DC-DC僅在150W功率需求時(shí)以較高效率升壓工作，其余條件下效率低。Batteries/UC結(jié)構(gòu)則在鋰電池組單獨(dú)工作方案上有缺陷，SOCUC∈[0.85,0.95]時(shí)，DC-DC不能關(guān)閉，150W工作時(shí)效率為95%，在其它條件下，效率高于UC/Batteries結(jié)構(gòu)。新型結(jié)構(gòu)克服了UC/Batteries和Batteries/UC結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，并繼承了兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在各種條件下均能達(dá)到很高的效率，與UC/Batteries和Batteries/UC復(fù)合電源相比，新型復(fù)合電源的綜合效率分別提高了9%和4%，證明了新型復(fù)合電源結(jié)構(gòu)及其功率分配策略的合理性和有效性。

4 結(jié)論

(1) 設(shè)計(jì)了一種新型電動(dòng)汽車復(fù)合電源結(jié)構(gòu)，同時(shí)具備UC/Batteries和Batteries/UC結(jié)構(gòu)功能，并設(shè)計(jì)了7種工作方案，根據(jù)SD-EV試驗(yàn)樣車的鋰電池組和電機(jī)的工作電壓與功率需求完成復(fù)合電源系統(tǒng)參數(shù)匹配。

(2) 根據(jù)電動(dòng)汽車實(shí)際需求、DC-DC效率設(shè)計(jì)相應(yīng)的功率分配策略?；诠β势胶饪刂埔?guī)則主動(dòng)切換工作方案和分配功率。

(3) 通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證新型復(fù)合電源結(jié)構(gòu)和功率分配策略的合理性和有效性。結(jié)果表明，新型復(fù)合電源實(shí)現(xiàn)了多種工作方案，可有效保證鋰電池組充放電安全；與UC/Batteries和Batteries/UC復(fù)合電源相比，新型復(fù)合電源的綜合效率分別提高了9%和4%。

DC-DC輸出在試驗(yàn)中受到一些非線性干擾，導(dǎo)致輸出功率和效率發(fā)生了輕微波動(dòng)，后續(xù)的研究將對DC-DC輸出的穩(wěn)定性控制進(jìn)行改進(jìn)。

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A Novel Hybrid Power Configuration and Its PowerDistribution Strategy for Electric Vehicles

Wang Bin, Xu Jun, Cao Binggang & Li Qiyu

InstituteforElectricVehicleandSystemControl,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049

To improve the operation efficiency of hybrid power in electric vehicle and ensure the safety of its batteries, a novel hybrid power configuration is proposed, which can achieve the function of ultra-capacitors/batteries (UC/Batteries) and batteries/UC (Batteries/UC) configurations of hybrid power by controlling selector switches and DC-DC converter. On this basis, seven operation schemes of hybrid power is devised, and the parameter matching of hybrid power system is fulfilled according to the effective operation voltages of lithium batteries and motor and the power demand characteristics of motor in SD-EV test vehicle. Then the power distribution strategies for different operation schemes are put forward based on power balance control rule with considerations of the efficiency of DC-DC converter and the SOCs of lithium batteries and UC. The results of simulation with Matlab/Simulink show that the novel hybrid power can operate with many schemes, effectively enhance the efficiency of hybrid power and ensure the charging-discharging safety of lithium batteries, while the results of verification test with tester built indicate that the overall efficiency of novel hybrid power is 9% and 4% higher than that of UC/Batteries hybrid power and Batteries/UC one respectively.

electric vehicle; hybrid power; DC-DC; power distribution strategy

*國家自然科學(xué)基金(51405374)資助。

原稿收到日期為2014年9月5日，修改稿收到日期為2014年12月24日。