馬超群，曹喜生

（1.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，蘭州 730050；2.大型電氣傳動系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室，天水 741020）

為應對當今世界面臨的石化能源短缺和環(huán)境污染日異嚴峻的挑戰(zhàn)，發(fā)展具有高效、節(jié)能、低噪聲、零排放等優(yōu)勢的電動汽車可以有效緩解燃油汽車帶來的能源緊張與大氣污染等問題[1]。蓄電池作為電動汽車單一的電源，需要滿足車輛所需的全部功率需求。電動汽車在頻繁啟動、加減速、上下坡和停車等行駛過程中，需求的功率變化很大，頻繁的大電流充放電會嚴重影響蓄電池的使用壽命[2-3]。超級電容具有高功率密度、充放電循環(huán)壽命長等特點，它能迅速大電流充放電，為電動汽車提供足夠高的峰值功率，制動時回收能量[4-5]。因此將超級電容加入電動汽車能量存儲系統(tǒng)中，建立新型蓄電池-超級電容復合電源系統(tǒng)，不僅能夠增加能量儲存，還能明顯提高瞬時大電流和大功率輸出的效能[5-6]，滿足電動汽車對能量和功率的雙重要求。

本文在分析了電動汽車實際行駛時對功率需求的基礎上，采用蓄電池-超級電容并聯(lián)的方式構成電動汽車復合電源系統(tǒng)[7-9]，研究了以負載功率的變化速率為判斷依據(jù)的功率分配方法。利用超級電容能夠瞬時大電流放電的特點，提供負載功率突變的部分，從而減小蓄電池瞬時充放電電流，實現(xiàn)對蓄電池電流的平滑控制。

1 采用復合電源的電動汽車中的功率需求分析

蓄電池-超級電容復合電源系統(tǒng)的結構如圖1所示。蓄電池和超級電容都通過DC/DC變換器以并聯(lián)的方式構成電動汽車復合電源系統(tǒng)，圖中，Pbat、Psc分別為蓄電池和超級電容的功率，其既能輸出功率以驅動汽車行駛，也能接收再生制動能量進行充電。

圖1 復合電源系統(tǒng)結構Fig.1 Structure diagram of compound power supply system

復合電源系統(tǒng)提供的功率Pcps由蓄電池的功率Pbat和超級電容的功率Psc組成，即：

在電動汽車正常行駛時，復合電源系統(tǒng)經(jīng)過三相逆變器輸出電能驅動電動機，電動機將功率通過傳動系統(tǒng)傳遞到驅動輪上，克服驅動輪上的滾動阻力、坡度阻力、加速阻力和空氣阻力等各種阻力。

根據(jù)汽車動力學原理，電動汽車需要提供克服驅動輪上各種阻力消耗的功率Ptp，它共包括4個部分[9]，計算如下：

式中：Pr為電動汽車克服行駛滾動摩擦阻力所消耗的功率；Phc為電動汽車克服坡度阻力所消耗的功率；Pacc為電動汽車克服加速阻力所消耗的功率；Paero為電動汽車克服空氣阻力所消耗的功率；M為車輛的質量；g為重力加速度；μr為車輪與地面的摩擦系數(shù)；θ為道路的坡度；V為車輛的速度；σ為轉動慣量系數(shù)；ρa為空氣密度；CD為空氣阻力系數(shù)；Af為迎風面積；Vω為風速。

根據(jù)式（2）～式（5），可得電動汽車需要提供克服驅動輪上各種阻力消耗的總功率為

當電動汽車正常行駛時，設三相逆變器和傳動系統(tǒng)的效率為η，那么Ptp=ηPcps，則復合電源提供的負載電流為

式中：Udc為復合電源直流母線電壓。

當電動汽車減速、制動停車回收能量時，Ptp＝，則復合電源的充電電流為

2 復合電源系統(tǒng)的主電路與工作模式

2.1 復合電源系統(tǒng)的主電路

蓄電池和超級電容分別通過雙向半橋DC/DC變換器與直流母線相連接，如圖2所示。其中，iL1、iL2分別為流過電感L1、L2的電流。

圖2 復合電源系統(tǒng)的主電路Fig.2 Main circuit diagram of compound power supply system

2.2 復合電源系統(tǒng)工作模式分析

電動汽車根據(jù)實際行駛過程中對功率的需求情況，根據(jù)控制策略分配蓄電池和超級電容所需提供的功率，從而調節(jié)蓄電池和超級電容的輸出電流。因此，蓄電池-超級電容復合電源系統(tǒng)的工作模式可以分為以下4種：

（1）蓄電池和超級電容同時提供驅動功率模式。車輛起步、加速或者爬坡時，對于瞬時功率的需求很大，此時由超級電容提供功率突變部分的功率。這樣就可以減小功率突變造成的對蓄電池的沖擊，降低蓄電池功率密度的要求，提高驅動系統(tǒng)的動態(tài)響應速度。

（2）蓄電池單獨提供驅動功率模式。在車輛巡航或者需求功率較小的加速過程時，如果超級電容的荷電狀態(tài)SOC（state of charge）處在正常值，超級電容不工作，蓄電池單獨提供驅動功率。

（3）蓄電池單獨提供驅動功率并向超級電容充電模式。在車輛巡航或者需求功率較小的工作過程中，如果超級電容SOC較低時，蓄電池提供驅動功率的同時并向超級電容充電。

（4）回饋制動模式。當電動汽車減速制動或下坡行駛時，電動機處于回饋制動的工作狀態(tài)。此時制動能量優(yōu)先回饋給超級電容，超級電容迅速充電，當超級電容的電壓達到設定的上限值后，剩余的能量回饋給蓄電池充電。

3 復合電源系統(tǒng)的控制策略

3.1 復合電源系統(tǒng)的功率分配方法

復合電源系統(tǒng)的功率分配問題就是在電動汽車不同的工況下蓄電池和超級電容如何分配電動汽車負荷功率的問題，是能量控制系統(tǒng)中最關鍵的部分。定義電動汽車負荷功率的變化速率為

式中：Ptp（n）和t（n）分別為當前電動汽車的負荷功率和時刻；Ptp（n-1）和t（n-1）分別為上一次檢測的電動汽車的負荷功率和時刻。

當電動汽車的負荷功率Ptp（n）＞0，即電動汽車處于驅動行駛狀態(tài)時，蓄電池和超級電容所承擔的功率分別為

式中：ρh為設定的負荷功率變化速率ρ的上限值。

當電動汽車的負荷功率 Ptp（n）＜0，即電動汽車處于回饋制動狀態(tài)時，蓄電池和超級電容所吸收的功率分別為

式中：ρl為設定的負荷功率變化速率ρ的下限值；SOCsc和SOCsch分別為超級電容的荷電狀態(tài)和設定的超級電容荷電狀態(tài)SOCsc的上限值。

式（9）～式（13）根據(jù)蓄電池高能量密度和超級電容高功率密度的特點，實現(xiàn)了電動汽車負荷功率的合理分配，建立了電動汽車復合電源的能量控制策略，如圖3所示。其中SOCscl為設定的超級電容荷電狀態(tài)SOCsc的下限值。

圖3 復合電源的能量控制策略流程Fig.3 Flow chart of energy control strategy

3.2 DC/DC變換器1的控制方法

與蓄電池相連接的DC/DC變換器1工作在升壓狀態(tài)時，給直流母線提供穩(wěn)定的電壓值。為了穩(wěn)定直流母線電壓，變換器的控制器必須含有電壓外環(huán)，為了提高驅動系統(tǒng)的響應速度還需要采用電流內(nèi)環(huán)。因此，DC/DC變換器1的升壓狀態(tài)采用電壓電流雙閉環(huán)調節(jié)，控制框圖如圖4所示。

圖4 DC/DC變換器1的升壓狀態(tài)控制框圖Fig.4 Boost state control block diagram of DC/DC converter 1

當電動汽車處于回饋制動狀態(tài)時，優(yōu)先給超級電容充電，蓄電池不作為主要的能量吸收設備。只有超級電容的荷電狀態(tài)SOCsc＞SOCsch時，蓄電池才吸收少量回饋能量。此時，DC/DC變換器1在降壓狀態(tài)下向蓄電池充電。為了有效保護蓄電池，采用電流環(huán)來限制其充電電流，其參考電流值可由式（14）計算得到。DC/DC變換器1的降壓狀態(tài)控制框圖如圖5所示。

圖5 DC/DC變換器1的降壓狀態(tài)控制框圖Fig.5 Buck state control block diagram of DC/DC converter 1

3.3 DC/DC變換器2的控制方法

與超級電容相連接的DC/DC變換器2在升壓狀態(tài)時，不僅需要提供負荷功率突變的部分功率，而且需要穩(wěn)定直流母線電壓。因此，DC/DC變換器2也采用電壓電流雙閉環(huán)調節(jié)，控制框圖如圖6所示。

圖6 DC/DC變換器2的升壓狀態(tài)控制框圖Fig.6 Boost state control block diagram of DC/DC converter 2

超級電容作為電動汽車能量回饋的主要吸收設備，它能夠承受較大的充電電流并且迅速地吸收回饋能量。根據(jù)復合電源的能量管理策略，可檢測得到超級電容吸收的功率，超級電容的參考電流值可由式（15）計算得到。變換器二降壓狀態(tài)的控制框圖如圖7所示。

圖7 DC/DC變換器2的降壓狀態(tài)控制框圖Fig.7 Buck state control block diagram of DC/DC converter 2

4 復合電源系統(tǒng)仿真分析

蓄電池組額定容量為40Ah，額定電壓為200 V，SOC初始值設定為40。超級電容組的額定電容為500 F，額定電壓為200 V。DC/DC變換器1和DC/DC變換器2的電感L1、L2分別為4 mH和2 mH，開關管的開關頻率為20 kHz。母線電容Cdc為2200 μF，直流母線電壓設定為350 V。

當超級電容的荷電狀態(tài)SOCsc＞SOCscl時，設定超級電容的SOC初始值為40，SOC的下限值SOCscl為30，則系統(tǒng)的功率變化曲線如圖8所示。

圖8 功率變化曲線Fig.8 Power change curves

由圖8可知，電動汽車正常行駛時，電動機工作在電動狀態(tài)，所需功率為正，如圖中的0～8 s。當電動汽車迅速起步時，需求的功率很大，如圖中0～3 s，蓄電池和超級電容共同提供電動汽車行駛所需要的能量，工作在模式（1）。其中，超級電容提供負載功率突變的部分，提供瞬時大功率放電，有效地防止大電流對蓄電池沖擊。當電動汽車所需功率變化不大時，如圖中的3～8 s，由蓄電池單獨給電動汽車供電，超級電容不工作，保證下一次負載突變時超級電容有足夠的能量儲備，此時工作在模式（2）。電動汽車剎車制動時，電動機工作在發(fā)電狀態(tài)，電流為負值，功率也為負值，如圖中8～10 s，工作在模式（4）。超級電容吸收的功率曲線與負載功率曲線重合，電動汽車回饋制動的能量優(yōu)先由超級電容吸收。

SOCsc＞SOCscl時蓄電池和超級電容的SOC如圖9所示。電動汽車起步時，蓄電池和超級電容同時供電，SOC都不斷的降低，如圖中0～3 s。電動汽車正常行駛時，蓄電池單獨持續(xù)提供能量，蓄電池的SOC繼續(xù)下降，超級電容的SOC保持不變，如圖中3～8 s?；仞佒苿訒r，優(yōu)先給超級電容充電，超級電容的SOC不斷回升，蓄電池的SOC保持不變，如圖中8～10 s。

圖9 SOCsc＞SOCscl時蓄電池和超級電容的SOC變化曲線Fig.9 SOC curves of battery and ultra-capacitor when SOCsc＞SOCscl

當超級電容的荷電狀態(tài)SOCsc＜SOCscl時，設定超級電容的SOC初始值為25，SOC的下限值SOCscl為30，則系統(tǒng)的功率變化曲線如圖10所示。

圖10 SOCsc＜SOCscl時功率變化曲線Fig.10 Power change curve when SOCsc＜SOCscl

由圖10可知，在0～3 s時，雖然超級電容的SOC已經(jīng)低于設定的下限值，但是此時檢測到電動汽車的功率需求較大，超級電容仍需工作，優(yōu)先保證電動汽車的正常行駛。在5～8 s時，檢測到電動汽車的功率需求不大，此時蓄電池可以同時向超級電容充電，使超級電容的SOC盡快恢復到正常值，這時系統(tǒng)工作在模式（3）。在第8 s開始回饋制動，蓄電池停止工作，能量全部供給超級電容，工作在模式（4）。

SOCsc＜SOCscl時蓄電池和超級電容的SOC如圖11所示。顯然，在回饋制動前，蓄電池一直工作在放電狀態(tài)，它的SOC持續(xù)不斷的下降。超級電容的SOC則在不斷地降低之后，從第5 s開始，由于蓄電池充電給超級電容，SOC開始不斷回升，第8 s開始制動能量又回饋給超級電容，SOC繼續(xù)不斷上升。

圖11 SOCsc＞SOCscl時蓄電池和超級電容的SOC變化曲線Fig.11 SOC curves of battery and ultra-capacitor when SOCsc＞SOCscl

以上仿真分析證明，電動汽車復合電源系統(tǒng)能夠根據(jù)能量控制策略合理的分配負荷功率，選擇合適的工作模式，有效地利用了蓄電池高比能量和超級電容高比功率的特點。

5 結語

本文針對電動汽車實際行駛過程中對電源有高比能量和高比功率的需求，根據(jù)蓄電池和超級電容的特點，建立了蓄電池和超級電容組成的復合電源系統(tǒng)。蓄電池提供了電動汽車正常行駛時所需的能量，超級電容提供負載功率突變時的部分，降低了蓄電池充放電的電流的變化速率，蓄電池的工況有了很好的改善，減少了對蓄電池的損傷，延長了蓄電池的使用壽命。

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