蘇俊龍

(青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，山東青島 266520)

基于鋰電與超級(jí)電容的車用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)研究

蘇俊龍

(青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，山東青島 266520)

超級(jí)電容的高功率密度使它們可以成為電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車的負(fù)載平衡裝置，此外，其快速充電的特性非常適合應(yīng)用于功率再生制動(dòng)。針對(duì)純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車儲(chǔ)能系統(tǒng)的特點(diǎn)，將超級(jí)電容與蓄電池混合使用，制定相應(yīng)的控制策略。通過仿真驗(yàn)證混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)能量管理，進(jìn)而提高新能源汽車的續(xù)航里程。

超級(jí)電容；混合儲(chǔ)能系統(tǒng)；再生制動(dòng)；Simulink仿真

0 引言

電動(dòng)汽車動(dòng)力性能很大程度上取決于高性能的動(dòng)力源，但是作為純電動(dòng)汽車主能源的動(dòng)力電池存在一系列問題：比功率低、不能大電流充放電、電池成本高。若單單蓄電池作為再生制動(dòng)的儲(chǔ)能裝置，受到回收電流和使用壽命的限制，電池難以回收足夠的制動(dòng)能量，影響能量回收的效率。超級(jí)電容器是一種介于電池和靜電電容器之間的儲(chǔ)能元件，它具有諸如比功率高、比能量大、一次儲(chǔ)能多等優(yōu)點(diǎn)。主能量源蓄電池的能量密度較高、功率密度較低、充放電電流較小，因此針對(duì)主能量源蓄電池的特點(diǎn)，將超級(jí)電容作為輔能量源，形成復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以很好地滿足電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車對(duì)能量儲(chǔ)存和瞬時(shí)大電流充放電的需求。文中建立了超級(jí)電容與蓄電池并聯(lián)的汽車復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，并針對(duì)具體的功率需求進(jìn)行了充放電控制，利用Simulink建立相關(guān)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 針對(duì)電動(dòng)汽車的混合能量源

混合電動(dòng)汽車的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)有許多電池與電容混合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖1(a)顯示了最基本的能源結(jié)合方式。

圖1 電池與電容混合的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在圖1(a)中，電池與超級(jí)電容并聯(lián)后接入負(fù)載，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)與負(fù)載之間有著相同的終端電壓，它們的功率分配僅僅取決于內(nèi)部的電阻。為了優(yōu)化一個(gè)電子系統(tǒng)中的超級(jí)電容和電池，變頻器需要管理它們之間的功率流和主要的直流總線驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器。如圖1(b)所示，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許超級(jí)電容與負(fù)載之間不使用轉(zhuǎn)換器直接進(jìn)行能量交換，有利于車輛的頻繁啟動(dòng)狀態(tài)。主要的能量流來源于被直流轉(zhuǎn)換器控制的電池，此外這樣的一個(gè)系統(tǒng)限制了電容的電壓值，輸出電壓必須大于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)。這樣反過來驅(qū)使人們使用一個(gè)高額定電壓的超級(jí)電容存儲(chǔ)。在圖1(c)中，通過雙向直流轉(zhuǎn)換器將超級(jí)電容連接到蓄電池上。文中選擇此結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

混合能源管理的控制策略要求蓄電池滿足平均功率的需求，同時(shí)利用超級(jí)電容滿足汽車加速、減速功率波動(dòng)的功率需求。超級(jí)電容在再生制動(dòng)或者電池低功率需求時(shí)充電。表1給出了適用于城市地區(qū)的小型電動(dòng)汽車的電池參數(shù)，表2給出了超級(jí)電容的具體參數(shù)。

表1 適用于小型電動(dòng)汽車的電池組參數(shù)

表2 適用于小型電動(dòng)汽車的超級(jí)電容參數(shù)

2 基于邏輯門限值的能量存儲(chǔ)控制策略

邏輯門的能量存儲(chǔ)策略思想是：混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率需求包括平均功率需求、高功率負(fù)載需求、再生制動(dòng)功率需求。蓄電池提供行駛工況中的平均功率需求；當(dāng)在高功率負(fù)載需求下，由超級(jí)電容進(jìn)行功率補(bǔ)充；當(dāng)在再生制動(dòng)功率需求下，根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度，確定蓄電池和超級(jí)電容的吸收功率。通過超級(jí)電容的使用，達(dá)到削峰填谷的作用。

功率分配如圖2所示：在恒速狀態(tài)下，車輛的功率需求僅由蓄電池提供(狀態(tài)1)；在加速狀態(tài)時(shí)，由蓄電池和超級(jí)電容共同提供(狀態(tài)2)；為了平衡超級(jí)電容的SOC，在制動(dòng)期間，在超級(jí)電容的SOC低于一定閾值的情況下，所有制動(dòng)能量由超級(jí)電容吸收(狀態(tài)3)；如果超級(jí)電容SOC低于一定閾值，在停車狀態(tài)下蓄電池將對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電(狀態(tài)12)。

圖2 正常狀態(tài)下的能量流動(dòng)

如圖3所示：在驅(qū)動(dòng)模式下，當(dāng)超級(jí)電容電壓低于一定閾值的時(shí)候，超級(jí)電容停止放電(狀態(tài)4)；在制動(dòng)模式下，當(dāng)超級(jí)電容的電壓高于一定閾值時(shí)，超級(jí)電容不參與制動(dòng)能量回收(狀態(tài)5)。

圖3 單一能源狀態(tài)下的能量流動(dòng)

如圖4所示：當(dāng)超級(jí)電容SOC低于儲(chǔ)備能量的最低電壓時(shí)，在恒速驅(qū)動(dòng)下，電池為負(fù)載提供功率，并為超級(jí)電容充電(狀態(tài)6)；在加速驅(qū)動(dòng)下，蓄電池提供主要功率，超級(jí)電容小功率輸出(狀態(tài)7)；在再生制動(dòng)下，由超級(jí)電容吸收制動(dòng)能量(狀態(tài)8)。

圖4 超級(jí)電容低SOC狀態(tài)能量流動(dòng)

如圖5所示：當(dāng)超級(jí)電容電壓大于存儲(chǔ)容量電壓時(shí)(狀態(tài)9)，在恒速狀態(tài)下，兩者共同提供功率；在加速階段，超級(jí)電容提供主要功率(狀態(tài)10)；在制動(dòng)狀態(tài)下，兩者共同吸收制動(dòng)能量(狀態(tài)11)。

圖5 超級(jí)電容高SOC狀態(tài)能量流動(dòng)

3 仿真模型

以下部分為能量存儲(chǔ)和車輛動(dòng)力系統(tǒng)模型，開發(fā)模型是用來模擬功率流和評(píng)估功率損耗，估計(jì)汽車的總體效率。

3.1 蓄電池模型

電池組的動(dòng)態(tài)特性模型如圖6所示,UOCV對(duì)應(yīng)的開路電壓電池的放電狀態(tài)的函數(shù)(SOD)。一個(gè)串聯(lián)的電阻RS、RP平行分支模型下降電阻和極化效應(yīng)。放電容量產(chǎn)生變化的放電電流和溫度，建模使用基于模型參數(shù)電池制造商的數(shù)據(jù)。圖7顯示了某單體電池的放電曲線。

圖6 蓄電池的等效電路

圖7 某單體電池的放電曲線

根據(jù)電池等效電路，利用Simulink建立的電池模型如圖8所示。

圖8 電池模型

3.2 超級(jí)電容模型

簡化的電容模型如圖9所示。這個(gè)模型是由一個(gè)電阻R和電容C組成,電阻R負(fù)責(zé)電氣損失，電容C對(duì)應(yīng)于超級(jí)電容的電容。模型沒有考慮瞬態(tài)電壓動(dòng)態(tài)變化狀態(tài),但足以評(píng)估功率損失。

圖9 超級(jí)電容的等效電路

根據(jù)超級(jí)電容的等效電路，建立動(dòng)力電池與超級(jí)電容混連的混合儲(chǔ)能模型，如圖10所示。

圖10 混合儲(chǔ)能模型

3.3 直流轉(zhuǎn)換器損耗

連續(xù)模型轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)在這個(gè)階段的模擬。一個(gè)晶體管與二極管的功率損耗計(jì)算基于方程(1-8)。

每個(gè)晶體管的功率損耗:

(1)

Esw=Eon+Eoff

(2)

Psw_tr=fsw·Esw·(Itr/Irated)·(Vtr/Vrated)

(3)

Ptr=Pcond_tr+Psw_tr

(4)

每個(gè)二極管的功率損耗：

(5)

Psw_d=fsw·Err·(Id/Irated)·(Vd/Vrated)

(6)

Pd=Pcond_d+Psw_d

(7)

總損耗：

Ptot=Ptr+Pd

(8)

其中：D為占空比；Itr為晶體管電流；Id為二極管電流；Irated為額定電流；Vtr為晶體管電壓；Vrated為額定電壓；Vd為二極管電壓；fsw為開關(guān)頻率；VT為閾值電壓；Eon為打開期間能量損耗；Eoff為關(guān)閉期間能量損耗。

3.4 車輛動(dòng)力學(xué)模型

圖11顯示了一個(gè)基于功率消耗的車輛動(dòng)力學(xué)模型，輪功率計(jì)算考慮到驅(qū)動(dòng)器的效率和功率流的方向。驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的牽引力通過傳動(dòng)裝置最后傳遞給車輪，通過速度控制器，使汽車始終在循環(huán)工況下運(yùn)行。

圖11 車輛動(dòng)力學(xué)模型

滾動(dòng)阻力：

FR=m·g·f0

空氣阻力：

坡度阻力：

F1=m·g·sinα

加速阻力：

FJ=FT-FA-FR-FI

其中：m為汽車總質(zhì)量(kg)；g為重力加速度(N/s2)；f0為摩擦阻力系數(shù)；ρA為空氣密度；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積(m2)；μ為當(dāng)前車速(km/h)；α為坡度角(rad)。

4 仿真分析

ECE15是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的歐洲城市駕駛循環(huán)工況，如圖12所示。在汽車的行駛中，以恒定的加速度行駛是罕見的，圖13中的行駛工況更能代表實(shí)際情況，與ECE15循環(huán)工況相比，這個(gè)工況需要頻繁改變速度和在低速下需要更大的加速度。

圖12 ECE15循環(huán)工況

圖13 實(shí)際循環(huán)工況

表3顯示了在仿真模型中使用的參數(shù)。假設(shè)車輛屬性對(duì)應(yīng)城市小型電動(dòng)汽車,滾動(dòng)阻力系數(shù)對(duì)應(yīng)于干瀝青或混凝土路面。

表3 模型參數(shù)

表4 仿真結(jié)果

通過表4的數(shù)據(jù)，可以看出環(huán)境溫度影響著純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)相對(duì)于單一能源的供能系統(tǒng)，在低溫的環(huán)境下，最高損耗相差5.74%，損耗的減少意味著續(xù)航里程的增加，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，尤其在低溫下，對(duì)提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程來說顯得尤為重要。

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)汽車加速、減速階段通過超級(jí)電容來分擔(dān)功率需求，從而限制通過電池的最大電流，在功率需求變化不大的情況下僅由蓄電池進(jìn)行供電，功率分配如圖14、15所示。

圖14 ECE15工況下的功率分配

圖15 實(shí)際循環(huán)工況下的功率分配

由圖14、15可知，當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的大電流被超級(jí)電容吸收(狀態(tài)3)，超級(jí)電容端電壓迅速升高，減少了大電流對(duì)蓄電池的沖擊，提高蓄電池的使用壽命，并對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行了有效的回收。當(dāng)汽車遇到爬坡、加速等大功率需求時(shí)(狀態(tài)1)，超級(jí)電容將提供一定的功率，使蓄電池始終工作在恒定的功率范圍。

5 結(jié)束語

車用混合電源系統(tǒng)最大的特色在于超級(jí)電容器的使用，超級(jí)電容器可以有效地滿足車輛啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)對(duì)高功率充放電的要求，由于蓄電池此時(shí)的主要功工作在理想的功率范圍，不用承受大電流充放電，因此其壽命得到大幅延長。復(fù)合電源系統(tǒng)使車輛具有良好的啟動(dòng)和制動(dòng)特性，在提高電動(dòng)汽車或者混合動(dòng)力汽車動(dòng)力性的同時(shí)，對(duì)車輛行駛過程中產(chǎn)生的制動(dòng)能量也進(jìn)行了有效的回收。

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ResearchonAutomobileCompositeEnergyStorageSystemBasedonSuperCapacitorandLithiumBattery

SU Junlong

(College of Vehicles and Transportation, Qingdao University of Technology, Qingdao Shandong 266520, China)

The super capacitor with high power density can be used as a load balancing device for an electric vehicle or a hybrid vehicle. In addition, the quick charge character of the super capacitor makes it very suitable for the application of power regenerative braking. According to the characteristics of automobile energy storage system, super capacitor and battery were mixed with the proposed discharge control and the regenerative braking scheme of hybrid energy storage system. Through the simulation, it is verified that the composite energy storage system can be used to achieve effective energy management and improve the new energy vehicle mileage.

Super capacitor； Hybrid energy storage system； Regenerative braking；Simulink simulation

U46

A

1674-1986(2017)11-013-05

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.11.003

2017-05-15

蘇俊龍(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槠囯娮?。E-mail：407730399@qq.com。