陳坤華， 孫玉坤， 王富良， 項(xiàng)倩雯

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

混合動(dòng)力汽車超級(jí)電容能量控制研究

陳坤華， 孫玉坤， 王富良， 項(xiàng)倩雯

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

超級(jí)電容的高功率密度特性可作為混合動(dòng)力汽車輔助電源。研究了超級(jí)電容數(shù)學(xué)模型，給出了超級(jí)電容荷電狀態(tài)估計(jì)方法，在分析升降壓雙向直流功率電路基礎(chǔ)上，提出了超級(jí)電容能量存儲(chǔ)系統(tǒng)控制策略，在超級(jí)電容荷電狀態(tài)允許范圍內(nèi)，該控制策略滿足混合動(dòng)力汽車啟動(dòng)、加速、制動(dòng)要求，實(shí)驗(yàn)證明該能量存儲(chǔ)系統(tǒng)能適應(yīng)各種負(fù)載變換情況。

超級(jí)電容；能量控制；混合動(dòng)力汽車；荷電狀態(tài)；升降壓雙向變換器

混合動(dòng)力汽車作為一種新的節(jié)能環(huán)保車型，正在得到大力發(fā)展。電源系統(tǒng)是混合動(dòng)力汽車研究熱點(diǎn)之一[1-2]，混合動(dòng)力汽車電源系統(tǒng)要求尺寸小，質(zhì)量輕，比能量大，功率密度高，使用壽命長(zhǎng)。超級(jí)電容作為高功率密度儲(chǔ)能電源[3]，其充放電速度快，瞬間可釋放數(shù)百至數(shù)千安培(A)大電流、高功率保持以及快速的可充放電等特性，適合頻繁起制動(dòng)，可作為混合動(dòng)力汽車的輔助電源，提高混合動(dòng)力汽車電源系統(tǒng)的功率密度，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高效的電驅(qū)動(dòng)和能量回饋制動(dòng)，是促進(jìn)超級(jí)電容混合動(dòng)力汽車實(shí)際應(yīng)用和技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。

我們對(duì)超級(jí)電容輔助電源能量存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，提出了混合動(dòng)力汽車超級(jí)電容能量控制策略?？紤]超級(jí)電容荷電狀態(tài)；考慮混合動(dòng)力汽車不同工況運(yùn)行時(shí)，超級(jí)電容負(fù)載情況變化；并考慮汽車制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容能量回饋。實(shí)驗(yàn)證明本能量存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，本方案切實(shí)可行。

1 超級(jí)電容數(shù)學(xué)模型

超級(jí)電容工作特性是非線性的，電阻電容受溫度、電流、電壓等參數(shù)影響。超級(jí)電容常用RC串聯(lián)電路[4]作為其數(shù)學(xué)模型，該模型可描述超級(jí)電容器的較多特性，該模型簡(jiǎn)單、易用，但不能描述電容器動(dòng)態(tài)特性。

本文構(gòu)建的超級(jí)電容數(shù)學(xué)模型如圖1所示，考慮其自放電，該模型由四個(gè)理想電氣元件組成，內(nèi)部等效電容C；等效串聯(lián)電阻RS；自放電電阻RP，自放電電阻在超級(jí)電容充電和放電時(shí)可以忽略，在超級(jí)電容靜置時(shí)需要考慮；由超級(jí)電容本身的物理結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的串聯(lián)電感L。

放電方程：

值得注意的是超級(jí)電容數(shù)學(xué)模型內(nèi)部等效電容值、等效串聯(lián)電阻值、自放電電阻值和電感值隨電路電流、負(fù)載電壓和溫度的變化而變化，在實(shí)際計(jì)算超級(jí)電容開路電壓時(shí)，可以通過查表法加以考慮。

2 超級(jí)電容荷電狀態(tài)估算

超級(jí)電容作為混合動(dòng)力汽車輔助電源，在混合動(dòng)力汽車起動(dòng)和加速時(shí)，超級(jí)電容展現(xiàn)其突出的高功率密度特性，可以短時(shí)間內(nèi)大電流放電，彌補(bǔ)啟動(dòng)和加速時(shí)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力的不足；同樣，在混合動(dòng)力汽車制動(dòng)時(shí)，可以回收電機(jī)制動(dòng)能。超級(jí)電容中存儲(chǔ)的能量也應(yīng)該計(jì)算入混合動(dòng)力汽車的供能來源。將超級(jí)電容荷電狀態(tài)定義為：

那天去，主任不催遲恒，陵礦把錢劃到了報(bào)社帳上后，無聲無息了，主任清楚，陵礦那邊怕是一百個(gè)不想他社會(huì)新聞部的人再去，但收了錢就得出貨，報(bào)社同樣是服務(wù)，區(qū)別僅在出售的商品是宣傳報(bào)道，得讓客戶滿意。說起來，陵礦那個(gè)治庫工程不咋地，但魏昌龍這個(gè)人究竟怎樣，現(xiàn)在手頭事少，今晚擬個(gè)采訪題綱，明天下去采訪。

超級(jí)電容中的剩余能量值：

3 DC/DC逆變器

超級(jí)電容給系統(tǒng)總線供電時(shí)為升壓、總線饋能時(shí)為降壓。超級(jí)電容和總線電壓間的升降壓逆變器拓?fù)淙鐖D2所示，主要有兩個(gè)IGBT功率管、儲(chǔ)能電感和電容組成。該電路有兩種工作模式，升壓模式和降壓模式。

圖2 升-降壓逆變器拓?fù)鋱D

該升降壓逆變器模型見式(7)所示：

4 超級(jí)電容能量控制策略

本文從混合動(dòng)力汽車運(yùn)行工況的角度對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行能量控制。對(duì)超級(jí)電容能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的控制有幾個(gè)考慮因素：(1)超級(jí)電容自身的剩余容量，需估算超級(jí)電容的荷電狀態(tài)；(2)混合動(dòng)力汽車工況變化，增加部分需要超級(jí)電容來補(bǔ)充；(3)汽車制動(dòng)時(shí)回饋的能量，通過超級(jí)電容吸收。因此本文提出了超級(jí)電容能量控制策略，該控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 超級(jí)電容能量控制框圖

超級(jí)電容、DC/DC和負(fù)載之間能量是雙向流動(dòng)，負(fù)載能量需求增加，超級(jí)電容提供增加的能量；負(fù)載能量反饋時(shí)，超級(jí)電容吸收反饋能量。

通常放電時(shí)，超級(jí)電容的電壓不能低于1/2的最大電壓，即其控制范圍25%～100%，考慮超級(jí)電容需要瞬時(shí)吸收和釋放電能，參考值設(shè)為70%。超級(jí)電容輸出電量時(shí)，需要對(duì)超級(jí)電容電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，輸入至驅(qū)動(dòng)控制單元，并估算其值。

超級(jí)電容的自放電率較蓄電池大，超級(jí)電容靜置時(shí)需要考慮超級(jí)電容自放電，以保證超級(jí)電容估算的正確性。

為判斷負(fù)載需求側(cè)情況，也需要對(duì)負(fù)載的電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)，該信號(hào)也輸入給驅(qū)動(dòng)控制單元。

驅(qū)動(dòng)控制單元根據(jù)檢測(cè)的信號(hào)和超級(jí)電容的荷電狀態(tài)，判斷超級(jí)電容能否輸入、輸出能量；判斷DC/DC升壓，超級(jí)電容給負(fù)載提供能量，還是DC/DC降壓，負(fù)載向超級(jí)電容反饋能量。

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證超級(jí)電容能量存儲(chǔ)系統(tǒng)控制策略性能，系統(tǒng)總線電壓300 V，超級(jí)電容組電壓150 V，12 F。由56個(gè)單體為2.7 V650 F超級(jí)電容串聯(lián)而成，內(nèi)阻0.095 2 Ω。

圖4為不同溫度下靜置時(shí)超級(jí)電容自放電率。

圖5為負(fù)載變化時(shí)超級(jí)電容荷電狀態(tài)曲線，圖6為負(fù)載變化時(shí)總線電流曲線，圖7為負(fù)載變化時(shí)超級(jí)電容電壓曲線。從這三個(gè)圖中可見，負(fù)載增大時(shí)，總線電流增加，超級(jí)電容端電壓減小，超級(jí)電容荷電狀態(tài)值減小。負(fù)載增加時(shí)，超級(jí)電容端電壓、超級(jí)電容荷電狀態(tài)值、總線電流變化平滑；

圖8為制動(dòng)回饋時(shí)超級(jí)電容荷電狀態(tài)曲線，圖9為制動(dòng)回饋時(shí)總線電流曲線，圖10為制動(dòng)回饋時(shí)超級(jí)電容電壓曲線。從這三個(gè)圖中可以看出制動(dòng)回饋時(shí)，超級(jí)電容處于充電狀態(tài)，超級(jí)電容荷電狀態(tài)值增加，超級(jí)電容端電壓增大，整個(gè)制動(dòng)回饋過程充電狀態(tài)穩(wěn)定。

圖4 不同溫度下超級(jí)電容自放電率

圖5 負(fù)載增加時(shí)超級(jí)電容荷電狀態(tài)曲線

圖6 負(fù)載增加時(shí)總線電流曲線

圖7 負(fù)載增加時(shí)超級(jí)電容電壓曲線

圖8 制動(dòng)回饋時(shí)超級(jí)電容荷電狀態(tài)曲線

圖9 制動(dòng)回饋時(shí)總線電流曲線

圖10 制動(dòng)回饋時(shí)超級(jí)電容電壓曲線

6 結(jié)束語

超級(jí)電容高功率密度、能快速充放電、充放電次數(shù)多的特性受到混合動(dòng)力汽車的青睞。它可以作為混合動(dòng)力汽車的輔助電源，彌補(bǔ)了蓄電池在這些方面的不足。本文研究了超級(jí)電容數(shù)學(xué)模型，荷電狀態(tài)估算方法，用雙向升降壓直流變換電路構(gòu)建了超級(jí)電容和總線電壓間的連接。通過負(fù)載變化實(shí)驗(yàn)和制動(dòng)能量回饋實(shí)驗(yàn)證明該方案簡(jiǎn)單易于控制，切實(shí)可行。

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Research on hybrid electric vehicle supercapacitor energy control

CHEN Kun-hua,SUN Yu-kun,WANG Fu-liang,XIANG Qian-wen

Hybrid electric vehicle can use high power density supercapacitor as auxiliary power.The maths model of supercapacitor was studied.The estimation method of state of charge of supercapacitor was given.Based on the analysis of the buck-boost converter,the control strategy of supercapacitor energy storage was proposed.At the permitted range of state of charge of supercapacitor, the control strategy can meet the needs of hybrid electric vehicle start,acceleration and brake.Experiments prove the energy storage system can adapt various changes of loads.

supercapacitor;energy control;hybrid electric vechicle;state of charge;buck-boost converter

TM 53

A

1002-087 X(2015)04-0798-03

2014-09-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51007031)；研究生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(CX09B_11XZ)

陳坤華(1981—)，男，江蘇省人，博士生，講師，主要研究方向?yàn)榛旌蟿?dòng)力汽車、特種電機(jī)智能控制等；導(dǎo)師：孫玉坤(1958—)，男，江蘇省人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)、電能質(zhì)量控制、智能控制技術(shù)等。