毛嘉萌++王君艷

摘 要： 為了彌補電池作為電動車單一電源的不足，提出一種以鋰電池作為主電源，超級電容做為輔助電源的雙電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)對超級電容在電動車不同工作條件下進行充放電控制，輔助主電源電池工作。通過運用Matlab/Simulink軟件仿真結果顯示，該雙電源系統(tǒng)可以有效減小鋰電池充放電電流，起到保護電池，提高電池壽命的作用，并且能夠回收電動車制動能量。

關鍵詞： 超級電容； 雙電源； 電動車； Matlab/Simulink

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）10?0144?04

由于環(huán)境污染和石油危機的雙重壓力，電動車已經逐漸成為人們生活中一種重要的綠色交通工具[1]。目前較為廣泛應用的電動車供電介質有燃料電池、鋰電池、超級電容等，而目前市場上主流應用的是鋰電池。鋰電池具有高能源效率、高能源密度、比能量高、自放電小、無記憶效應等優(yōu)點[2?3]。由于鋰電池的壽命受到溫度的影響較大，當進行大電流充放電時，溫度會急劇上升，從而降低其使用壽命。超級電容是一種介于電池和靜電電容器之間的儲能元件，具有比靜電電容器多的能量密度和比電池高得多的功率密度，不僅適合于作短時間的功率輸出源[4]，而且還可以利用它比功率高、比能量大、一次儲能多等優(yōu)點，在電動車啟動、加速和爬坡時有效地改善運動特性[5?6]。此外，超級電容還具有內阻小，充放電效率高（90%以上）、循環(huán)壽命長（幾萬至十萬次）、無污染等獨特的優(yōu)點[7]。電動車在行駛過程中，由于頻繁地加速、減速和上下坡等原因，使得負載電流變化比較大，當負載電流太大以至于超過蓄電池所能承受的最大放電或充電電流時，為了避免電池組過放電或過充電，需要由超級電容放電或充電，以便改善電池組的工作狀態(tài)，延長其實用壽命[8]。此外，在電動車使用超級電容器后能夠平滑動力電池的充放電電流，動力電池的使用壽命也可有較大延長[9]。

1 雙電源系統(tǒng)拓撲結構

1.1 雙電源系統(tǒng)拓撲結構

本文設計的超級電容?電池電動車雙電源系統(tǒng)拓撲如圖1所示。

圖1 雙電源系統(tǒng)拓撲圖

1.2 雙向DC/DC拓撲結構

雙向DC/DC的拓撲結構采用非隔離型的雙向半橋拓撲。因為考慮到電動車雙電源系統(tǒng)的應用場合，超級電容本身的充放電功率都較大，達到了10 kW的數(shù)量級。如果采用隔離型的拓撲，由于需要使用變壓器，整個電路的體積以及成本就會相當高。故采用非隔離型中應用比較廣泛的雙向半橋拓撲。對于整個拓撲圖左側的雙向半橋DC/DC來說，當能量從右向左流動時，Igbt_H工作，Igbt_L關斷；L，Igbt_H和Igbt_L的反相二極管構成BUCK電路；當能量從左向右流動時，Igbt_L工作，Igbt_H關斷，Igbt_L和Igbt_H的反相二極管構成BOOST電路。

1.3 電池控制

當超級電容進行充放電或者電機能量回饋過程中，可能會對電池進行不可控的充放電，從而增加了不必要的電池充放電，減少電池使用壽命。為了有效克服電池不可控充放電的缺點，在電池與直流母線之間增加IGBT開關，兩個IGBT不同時導通，從而使得電池總是能夠工作在單向導通狀態(tài)，避免短時間頻繁充放電，起到保護電池的作用。

1.4 DC/AC拓撲結構

DC/AC部分采用兩電平三相橋式電路。電機工作在電動機狀態(tài)時，DC/AC工作在逆變狀態(tài)；電機工作在發(fā)電機狀態(tài)時，DC/AC工作在整流狀態(tài)。

2 雙電源系統(tǒng)工作過程

當電動車加速時，雙向DC/DC的Igbt_H工作，Igbt_L始終關斷，雙向DC/DC工作在BOOST模式下，超級電容向外輸出功率。同時與電池相連的Igbt_Bat_L導通，Igbt_Bat_H關斷，電池也向外輸出功率。DC/AC工作在逆變狀態(tài)。當電動車減速時，雙向DC/DC的Igbt_L工作，Igbt_H始終關斷，雙向DC/DC工作在BUCK模式下，超級電容吸收功率。如電容已充滿，或超級電容充電功率無法滿足制動功率要求，則Igbt_Bat_H導通，Igbt_Bat_L關斷，電池吸收功率，DC/AC工作在整流狀態(tài)。此外，電容充滿則關閉雙向DC/DC。當電動車勻速正常運行時，雙向DC/DC不工作，超級電容不工作。Igbt_Bat_L導通，Igbt_Bat_H關斷，電機僅通過電池進行供電，DC/AC工作在逆變狀態(tài)。當電動車處在停止狀態(tài)，并且超級電容電壓較低，未達到工作電壓范圍時，電池對超級電容進行充電，此時DC/DC工作在BUCK模式，并且Igbt_Bat_L導通，Igbt_Bat_H關斷，DC/AC不工作。其具體能量流動方向示意如圖2所示。

圖2 電動車各工作狀態(tài)能量流動圖

3 系統(tǒng)控制

雙向DC/DC充放電以及DC/AC控制如圖3所示。

圖3 雙向DC/DC充放電以及DC/AC控制圖

3.1 雙向DC/DC控制

對于超級電容來說，在能量回饋再生制動以及加速釋放能量的過程中，其電壓會發(fā)生較大的變化。當再生制動時，隨著轉速下降，電機反電動勢隨之下降，但是電容電壓同時上升，電樞電流將急劇上升，有可能對功率器件甚至電機造成損害[5]。若采用對電容恒電流充電方法，則充電功率隨著電容電壓上升而上升；若采用恒功率充電，則當電容電壓較低時，電流會非常大，因此也可能對功率器件甚至電機造成損害。此外，超級電容的充電功率也受到制動功率的限制。

因此采用恒流?恒功率的控制方式，即當電壓較低時采用恒流控制，當電壓較高時采用恒功率控制，并且電流滿足不超過制動功率要求，從而整個系統(tǒng)的電流都會控制在一定范圍內，對電機、以及功率器件都具有一定的保護作用。同理，超級電容放電也采用恒流?恒功率的控制方式。具體對電容的充放電邏輯如圖3（a）所示。設定目標電流I_ref的最大值I_refmax，當電容電壓較低時，雖然通過功率計算得到的目標電流較大，但是如果超過I_ref的最大值，那么電流仍舊被限制在I_refmax，當制動功率小于最大功率時，充電功率被限制在制動功率。從而得到了恒流?恒功率控制。而若已達到雙向DC/DC占空比上限，恒功率也無法滿足，則占空比始終保持最大值。

3.2 DC/AC控制

電機為永磁同步電機?？刂品椒ㄈ鐖D3（b）所示。給定轉速w_ref，與轉速w的差通過PI得到iq的參考值，根據(jù)最大轉矩電流比控制策略[10]，設定id的參考值為0，通過[2r3s]變換得到電機三相電流的參考值，與測量值進行比較，從而控制DC/AC的開關狀態(tài)。此外，當電機減速時，若轉速較低，為了保證電機處在回饋制動狀態(tài)而不進入反接制動狀態(tài)，需要對iq進行限幅。

4 仿真實驗結果

Matlab/Simulink仿真圖如圖4所示。

圖4 Matlab/Simulink仿真圖

本文主要討論普通的加速、勻速和減速狀態(tài)，并進行仿真。緊急制動需要巨大的制動轉矩，電機會工作在反接制動狀態(tài)，并不回收能量。仿真參數(shù)：鋰電池額定電壓為400 V，額定容量為30 kW·h；超級電容為10 F，工作電壓為100～200 V；永磁同步電機極對數(shù)12，定子電阻0.032 Ω，Ld=Lq=0.001 39 H，轉子磁鏈0.175 Wb，摩擦系數(shù)0.141 N·m·s，最大轉速600 r/min，最大轉矩320 N·m；電動車質量1 000 kg，車輪滾動半徑0.3 m，滾動阻力系數(shù)0.015，迎風面積1.35 m2，空氣阻力系數(shù)0.4，空氣密度1.225 8 kg/m3。

4.1 加速和勻速

電機初始轉速0 r/min，鋰電池初始SOC的80%，超級電容初始電壓180 V，目標轉速500 r/min，超級電容最大輸出功率為5 kW，最大輸出電流為30 A。

加速到勻速過程電機轉速變化如圖5（a）所示，從0～18 s，電機處在加速狀態(tài)，18 s之后電機達到500 r/min轉速，勻速運行。超級電容電流波形如圖5（b）所示，超級電容在前4 s因為5 kW輸出功率限制，輸出電流小于30 A，當電壓下降到170 V左右后，進入恒流輸出狀態(tài)，當電機勻速時，超級電容不輸出功率，電流為0。電池電流波形如圖5（c）所示，隨著輸出功率的增加，輸出電流不斷增加，而當電機勻速時候輸出電流下降并保持在10 A左右。無超級電容情況下電池電流波形如圖5（d）所示，當相同的加速過程沒有超級電容參與時，電池電流有10 A的增幅。

圖5 加速過程仿真結果圖

4.2 減速

電機初始轉速為600 r/min，鋰電池初始SOC的80%，超級電容初始電壓120 V，目標轉速0 r/min，超級電容最大吸收功率為5 kW，最大輸入電流為30 A。

減速過程電機轉速變化如圖6（a）所示，25 s內制動完畢，制動過程后期為了避免進入反接制動狀態(tài)，降低了制動轉矩。超級電容電流波形如圖6（b）所示，前7 s工作在恒流模式，7～10 s工作在恒功率模式，10 s以后因為制動轉矩降低，降低了吸收功率。電池電流波形如圖6（c）所示，回饋制動初期吸收功率超過超級電容吸收功率上限，故電池也參與，當7 s以后超級電容能夠完全吸收回饋功率時，電池不工作。無超級電容情況下電池電流波形如圖6（d）所示，相同的減速過程下，電池電流有約8 A的增幅。

圖6 減速過程仿真結果圖

可見，該雙電源系統(tǒng)在電動車加速和減速過程中，有效降低了電池的充放電電流，以及充放電時間，起到了保護電池，提高電池壽命的作用。

5 結 語

為了彌補電池作為單一電源的不足，本文提出了一種采用鋰電池作為主電源，超級電容作為輔助電源的電動車雙電源方案。該雙電源系統(tǒng)在電動車加速時能夠降低電池電流，起到保護電池，提高電池壽命的作用；并且當電動車減速時，超級電容能夠回收制動能量，提高了能量效率，因此具有很好的應用前景。

參考文獻

[1] 陳清泉，詹宜君.21世紀的綠色交通工具：電動汽車[M].北京：清華大學出版社，2001.

[2] 郭炳昆.鋰離子電池[M].長沙：中南大學出版社，2002.

[3] 吳宇平，張漢平，吳峰.聚合物鋰離子電池[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[4] GAO Li?jun， DOUGAL R A， LIU Sheng?yi. Power enhancement of an actively controlled battery/ultracapacitor hybrid [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2005， 20 （1）： 236?243.

[5] 曹秉剛，曹建波，李軍偉，等.超級電容在電動車中的應用研究[J].西安交通大學學報，2008（11）：1317?1322.

[6] NEENU M， MUTHUKUMARAN S. A battery with ultra capacitor hybrid energy storage system in electric vehicles [C]// Proceedings of 2012 IEEE International Conference on Advances In Engineering， Science and Management. [S.l.]： IEEE， 2012： 731?735.

[7] PANDOLFO A G， HOLLENKAMP A F. Carbon properties and their role in supercapacitors [J]. Journal of Power Sources， 2006， 157 （1）： 11?27.

[8] 南金瑞，王建群，孫逢春.電動汽車能量管理系統(tǒng)的研究[J].北京理工大學學報，2005（5）：384?389.

[9] 王士湖，王莉.一種再生制動控制電路的設計[J].電源技術應用，2002（6）：9?11.

[10] 谷靖.四輪驅動微型電動車整車控制[D].北京：清華大學，2012.