高建平， 趙金寶， 葛 堅(jiān)， 郗建國

(河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471000)

插電式混合動力汽車車載復(fù)合電源功率分配策略研究

高建平， 趙金寶， 葛 堅(jiān)， 郗建國

(河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471000)

將原有插電式混合動力汽車單一電源系統(tǒng)改造成復(fù)合電源系統(tǒng)，根據(jù)整車性能要求及所用循環(huán)工況對車載電源的能量和功率需求解耦，完成動力電池和超級電容的參數(shù)匹配；在Matlab/simulink中建立復(fù)合電源功率分配策略，仿真結(jié)果表明，采用復(fù)合電源能減少動力電池循環(huán)充電次數(shù)，有效避免大電流對動力電池的沖擊，充分發(fā)揮超級電容的高比功率特性，與改造前相比，燃油經(jīng)濟(jì)性提高3.4%，純電動行駛里程增加1.3%。

動力電池；超級電容；復(fù)合電源；插電式混合動力汽車

隨著不可再生能源日益枯竭，全球大氣污染不斷加劇，節(jié)能環(huán)保已成為世界性議題。在汽車領(lǐng)域，發(fā)展新能源汽車已是必然趨勢[1-4]。電源技術(shù)作為電動汽車發(fā)展的三大核心技術(shù)之一而廣受關(guān)注[5]。蓄電池雖有技術(shù)成熟、比能量高等優(yōu)勢，但其比功率低、使用壽命短、工作環(huán)境適應(yīng)能力差等劣勢制約了其在電動汽車上的使用[6]；超級電容作為一種新型的儲能設(shè)備，具有高于 103W/kg的功率密度、大于 10萬次的充電循環(huán)壽命及–40～70℃的低溫性能，但其比能量低的缺點(diǎn)制約

著超級電容的應(yīng)用范圍[7]。因此，由蓄電池與超級電容組成的復(fù)合電源系統(tǒng)，可充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，滿足電動汽車對儲能裝置兼顧功率和能量的雙重需求。

為此，科研人員展開了一系列研究。王慶年等[8]采用基于車速的超級電容期望的荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)平衡方法建立功率分配策略，降低了電池的使用率，提升了燃油經(jīng)濟(jì)性，但其在計(jì)算期望SOC時(shí)把超級電容提供的能量直接等于整車的動能，未考慮由行駛阻力及轉(zhuǎn)動慣量引起的能量損失，所得的期望SOC及仿真結(jié)果存在誤差。北京理工大學(xué)[9]研制開發(fā)的“綠色奧運(yùn)”電動低地板公交車 EV863，采用速度控制和電流約束的方法建立了復(fù)合電源功率分配策略，有效避免了動力電池的過電流充放電，平均電耗降低到0.676 4 kW·h/km，但并未對試驗(yàn)樣車的超級電容采取任何控制，功率分配策略還可進(jìn)一步完善。舒杰軍[10]通過模糊控制確定超級電容與鋰電池之間的功率分配因子，提高了復(fù)合電源效率，延長了鋰電池使用壽命，但模糊控制是一種智能算法，對控制器處理速度具有很高的要求，在工程應(yīng)用中不具有良好的實(shí)時(shí)性能。

本文將插電式混合動力汽車(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV)的單一電源系統(tǒng)改造成復(fù)合電源系統(tǒng)，在正向仿真軟件AVL CRUISE中搭建復(fù)合電源模型及整車模型，在 Matlab/simulink中建立復(fù)合電源功率分配策略，兩者進(jìn)行聯(lián)合仿真，通過仿真結(jié)果數(shù)據(jù)對比分析，驗(yàn)證功率分配策略的合理性。

1 復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)匹配

復(fù)合電源設(shè)計(jì)思想的本質(zhì)是將整車的能量需求和功率需求解耦，整車能量需求由能量型動力電池提供，功率需求由功率型超級電容提供。能量需求確定電源系統(tǒng)容量，功率需求確定功率型元件參數(shù)。

1.1 復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)合電源表現(xiàn)出的特性有所不同。復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般具有兩種形式[11]：第一種是超級電容與雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器串聯(lián)后再與動力電池并聯(lián)到直流母線，如圖1(a)所示。此結(jié)構(gòu)拓寬了超級電容的工作范圍，但存在功率輸出的滯后性。第二種是動力電池與雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器串聯(lián)后再與超級電容并聯(lián)到直流母線相連，如圖1(b)。此結(jié)構(gòu)有利于超級電容快速輸出啟動、加速、爬坡時(shí)的功率和制動能量快速回收。本文研究對象是一款插電式混合動力城市公交車，其運(yùn)行工況復(fù)雜，加減速頻繁，且需要快速響應(yīng)功率需求，因此采用第二種結(jié)構(gòu)形式。改造后的整車儲能裝置和驅(qū)動部件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 整車儲能裝置和驅(qū)動部件結(jié)構(gòu)

1.2 復(fù)合電源參數(shù)匹配

復(fù)合電源參數(shù)合理匹配，能發(fā)揮兩種儲能裝置的性能優(yōu)勢，提高電源效率及整車的工況適應(yīng)性[12-14]。整車部分參數(shù)如表1所示。

表1 整車部件參數(shù)

以中國典型城市公交循環(huán)工況為路況基準(zhǔn)，采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)式(1)，得出工況在每個(gè)時(shí)刻的整車功率需求，然后對功率積分，可以算出在整個(gè)循環(huán)工況中的能量分布情況。

式中，ηT為傳動效率；m為整車整備質(zhì)量；f為滾動阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積。通過計(jì)算求得電機(jī)平均功率需求P_AVE為20 kW，峰值功率P_PEAK為90 kW。

復(fù)合電源中，超級電容選擇單節(jié)額定電壓48 V，容量145 F的超級電容。

約束條件(1)：超級電容與直流母線直接相連，超級電容組額定電壓需與電機(jī)額定電壓相當(dāng)，當(dāng)電機(jī)額定電壓為380V，超級電容節(jié)數(shù)節(jié)。

約束條件(2)：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，超級電容能提供10 s的峰值功率，因此超級電容所要求的總能量Ecap要大于10 s能輸出的峰值能量Epeak，其中Ecap和Epeak分別為：

式中，Ccap為超級電容的標(biāo)稱容量；Umax為超級電容額定電壓；Umin為最小電壓，取額定電壓的一半；E為超級電容能量，C為串聯(lián)后總?cè)萘浚籺為持續(xù)時(shí)間；λ為超級電容安全系數(shù)，為 1.2；n為超級電容節(jié)數(shù)；U為端電壓。經(jīng)式(4)計(jì)算可得 n≥ 6.7，滿足條件，即 n= 8。

在該匹配方案中，需8節(jié)靜電容量為145 F，標(biāo)稱電壓48 V的超級電容串聯(lián)，通過式(5)得到超級電容存儲電量為 E=1/2×(145/8)2=1336320，J=0.37 kWh，比能量Es_cap=2.3 wh/kg，得到超級電容總質(zhì)量M_cap=160 kg，比功率Ps_cap=2.1 kW/kg，計(jì)算得到峰值輸出功率Ppeak_cap=338 kW，遠(yuǎn)大于電機(jī)峰值功率P_PEAK，功率需求滿足條件。

動力電池只需滿足車輛行駛時(shí)的平均功率即可，為了保證動力電池電流工作在安全區(qū)域內(nèi)，選取單體電壓為3.8 V的動力電池，其充放電率應(yīng)不超過1.5 C，則動力電池容量為：

式中，Cbat為動力電池容量；Ubat為動力電池電壓460 V。計(jì)算結(jié)果動力電池容量 29 Ah，圓整取30 Ah。

在該方案中，選取121節(jié)單節(jié)電壓為3.8 V，容量30 Ah的動力電池，將動力電池容量換算成電量約為13.80 kWh，比能量Es_bat=100 Wh/kg，得到 電 池 總 質(zhì) 量 M_bat=138 kg， 比 功 率Ps_bat=0.25 kW/kg，在1 C放電范圍內(nèi)動力電池最大輸率 Ppeak_cap=34.7 kW，大于電機(jī)平均功率P_AVE，功率需求滿足條件。動力電池和超級電容的節(jié)數(shù)與容量匹配結(jié)果如表2所示。

表2 復(fù)合電源參數(shù)匹配結(jié)果

2 復(fù)合電源系統(tǒng)功率分配策略

改造后的PHEV復(fù)合電源系統(tǒng)，根據(jù)DC/DC輸出端電壓調(diào)節(jié)功率分配，這是一種主動控制方式。

復(fù)合電源共同承擔(dān)電機(jī)控制器的功率需求，其中電池承擔(dān)穩(wěn)定的平均功率，超級電容憑其良好地充放電特性調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的功率需求，如加速工況快速釋放功率，制動工況回收能量。具體控制方法是：控制策略通過輸入的需求功率P_REQ、離合器狀態(tài)、動力電池荷電狀態(tài)SOC_BAT、超級電容荷電狀態(tài)SOC_UC等變量進(jìn)行判定計(jì)算，確定復(fù)合電源的功率分配，分配方式如式(7)，復(fù)合電源控制策略如圖3，控制策略具體邏輯方式如圖4所示。

圖3 控制策略示意圖

式中，P_REQ為整車需求功率；P_BAT為動力電池分配功率；P_UC為超級電容分配功率；ηDC為DC/DC變換器工作效率。

如圖4所示，在制動減速工況下，P_REQ小于0，復(fù)合電源系統(tǒng)回收制動能量，此時(shí)需要充分利用超級電容對大功率瞬間吸收的高比功率特性，超級電容回收制動能量，并對其充電，以提高制動能量的利用率，同時(shí)避免了制動時(shí)大電流對動力電池的沖擊，可減少動力電池循環(huán)充電次數(shù)，保證了動力電池的壽命；在非減速制動工況下，即P_REQ≥0，離合器1斷開時(shí)，PHEV以串聯(lián)純電動驅(qū)動模式工作，驅(qū)動電機(jī)提供整車需求功率，而驅(qū)動電機(jī)輸入功率將由復(fù)合電源系統(tǒng)提供，當(dāng)SOC_BAT大于下限值0.4時(shí)，電機(jī)需求功率小于平均需求功率 P_AVE，利用動力電池比能量高的特性，動力電池穩(wěn)定的對外輸出功率，當(dāng)電機(jī)需求功率大于P_AVE時(shí)，此時(shí)功率需求比較高，若SOC_UC高于其中間值0.6時(shí)，考慮到減少動力電池大功率輸出及雙向DC/DC變換器存在功率輸出的滯后性，電機(jī)需求功率將完全由超級電容提供；同樣，當(dāng)SOC_UC低于中間值時(shí)由動力電池、超級電容共同提供功率，保證整車的功率需求；SOC_BAT低于下限值時(shí)，動力電池電量少，為了保護(hù)電池，此時(shí)功率全部由超級電容提供；在離合器閉合時(shí)，PHEV以并聯(lián)驅(qū)動模式工作，此時(shí)整車需求功率主要由發(fā)動機(jī)提供，不足部分由電機(jī)提供，而電機(jī)的輸入功率由超級電容提供。

圖4 復(fù)合電源控制策略

在復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)配置了雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器，在軟件AVL CRUISE中，其控制方式有兩種，分別是理想電壓控制和電流控制。若采用理想電壓控制，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器會穩(wěn)定設(shè)置額定電壓，在BUCK模式下，低電壓端電壓由設(shè)定的低壓端額定電壓控制；在BOOST模式下，高電壓端由設(shè)定的高壓端額定電壓控制。若采用電流控制，無需設(shè)置雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的閾值電壓，傳輸電流的大小由指定的控制策略決定。考慮到直流母線中電壓是隨時(shí)變化的，并且需要調(diào)節(jié)雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出端的電壓來控制復(fù)合電源功率分配，因此選擇電流控制方法。電流控制最關(guān)鍵的參數(shù)是 BUCK 模式下的電流限制系數(shù) αDC,Buck和BOOST 模式下的電流限制系數(shù) αDC,Boost。αDC,Buck、 αDC,Boost計(jì)算方式如式(8)、(9)。

DC/DC交換器最大轉(zhuǎn)換功率，取50 kW。

3 仿真分析

利用 Matlab/simulink建立的復(fù)合電源功率和整車能量管理策略，通過 Interface接口與 AVL CRUISE進(jìn)行聯(lián)合仿真，如圖5所示。

圖5 整車控制策略

選擇中國城市典型公交循環(huán)工況進(jìn)行仿真分析，復(fù)合電源功率分配仿真結(jié)果如圖 6所示。在圖 6上中，復(fù)合電源功率分配能滿足驅(qū)動電機(jī)的功率需求，具體功率分配情況如圖 6下，在800～805 s之間，有P_REQ大于P_AVE，此時(shí)電機(jī)需求功率全部由超級電容提供；在810～815 s之間，由于前段時(shí)間超級電容一直向外輸出功率，導(dǎo)致SOC_UC低于中間值，此時(shí)由動力電池向外輸出功率，一部分功率滿足電機(jī)的功率需求，另一部分功率對超級電容進(jìn)行充電；在816 s時(shí)，整車處于制動工況，電機(jī)的制動功率全部由超級電容吸收。仿真結(jié)果符合功率分配策略的控值目標(biāo)。

圖6 電功率分配曲線

改造前單一動力電源系統(tǒng)與改造后復(fù)合電源系統(tǒng)的對比仿真曲線圖如圖7所示，圖7上為復(fù)合電源系統(tǒng)動力電池、超級電容及單一電源中動力電池的SOC仿真結(jié)果曲線圖，將復(fù)合電源系統(tǒng)初始SOC_BAT 、SOC_UC均設(shè)為86%，在整個(gè)工況仿真中，由于存在超級電容功率調(diào)節(jié)的作用，在電量消耗階段，復(fù)合電源中SOC_BAT較單一電源中SOC_BAT不僅下降速度慢，且減少了動力電池的循環(huán)充電次數(shù)，增加了純電動行駛的里程數(shù)。在低于平均功率需求時(shí)，動力電池能穩(wěn)定地輸出功率，高于平均功率時(shí)，超級電容參與功率輸出，SOC_UC變化波動大，充分發(fā)揮超級電容特性，在制動負(fù)功率時(shí)，超級電容能吸收大功率，提高能量回收效率。圖7下為復(fù)合電源系統(tǒng)動力電池、超級電容及單一電源中動力電池的電流仿真結(jié)果曲線圖，在改造前動力電池充放電電流較大，最大放電電流達(dá)到299 A，最大充電電流325 A，均

超出了動力電池的安全工作區(qū)間，會造成動力電池不可修復(fù)的損傷。而在復(fù)合電源系統(tǒng)中，動力電池的最大放電電流86 A，而超級電容的最大放電電流可達(dá)470 A，最大充電電流達(dá)到412 A，充分發(fā)揮了超級電容的大電流充放電特性，同時(shí)又避免了充放電大電流對電池沖擊，有利于提高電池的工作效率。在能量分配策略相同的前提下，仿真結(jié)果如表 3所示，使用復(fù)合電源后，燃油經(jīng)濟(jì)性提高3.4%，純電動行駛里程數(shù)增加1.3%，說明復(fù)合電源功率分配策略的有效性。

圖7 仿真結(jié)果對比圖

表3 仿真結(jié)果

4 結(jié) 論

改造后的復(fù)合電源系統(tǒng)與單一電源系統(tǒng)相比，能減少動力電池循環(huán)充電次數(shù)，限制動力電池充放電功率，超級電容能瞬間吸收和輸出大電流，有效改善動力電池使用工況，同時(shí)能提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性和純電動行駛里程，從而驗(yàn)證復(fù)合電源系統(tǒng)的可行性。

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The Power Allocation Strategy for Plug-in Hybrid Electric Vehicle Hybrid Power System

Gao Jianping, Zhao Jinbao, Ge Jian, Xi Jianguo
(Vehicle & Transportation College, Henan University of Science & Technology, Luoyang Henan 471000, China)

According to the vehicle performance requirements and driving cycle, the original single power system of a plug-in hybrid electric vehicle is transformed into hybrid power system which is consist of battery and super-capacitor that are matched by decoupling the requirement of energy and power. The power allocation strategy of hybrid power is built in Matlab/simulink. The simulation results show that the hybrid power system can reduce the battery charge cycles, effectively avoid the impact of battery from the large current and can give full play to high power characteristics of super-capacitor. Comparing with the former, the fuel economy and pure electric mileage are increased by 3.4% and 1.3%.

battery; super-capacitor; hybrid power system; plug-in hybrid electric vehicle

U 469.7

A

2095-302X(2015)04-0603-06

2014-05-29；定稿日期：2014-11-28

國家“863”計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2012AA111603)；河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(132300410151)

高建平(1976–)，男，河南洛陽人，副教授，博士。主要研究方向?yàn)樾履茉雌囌嚳刂蒲芯?。E-mail：gjpcar@gmail.com