２０１８．， 纯电动汽车复合电源控制策略的研究 李春敏 （天津渤海职业技术学院电气工程系，天津，３００４０２） 摘要：纯电动汽车作为一种能源效率高、无污染的新能源汽车越来越受到国内外学者重视。本文基于超级电容和蓄电池的研 究，提出纯电动汽车复合电源的控制策略。由超级电容和蓄电池共同构成纯电动汽车的能量源。基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对提 出的方案进行建模并仿真，仿真结果表明在复合电源在输出功率时，蓄电池输出功率稳定，复合电源输出功率满足负载功率要 求，仿真结果验证了方案的可行性。 关键词：超级电容；蓄电池：ＤＣ／ＤＣ变换器；纯电动汽车：仿真 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ Ｓｙｎｅｒｇｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ ｉｎ ＥＶ Ｌｉ Ｃｈｕｎｍｉｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｂｏｈａｉ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ，３００４０２） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＥＶ ｉＳ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｐｏｐｕｌａｒ ｗｉｔｈ ＥＶ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ．ａｓ ｉｔ ｉＳ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉＣｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｎｏ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．ＴｈｉＳ ｐａｐｅｒ ｍａｋｅｓ ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｓｙｎｅｒｇｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｎ ＥＶ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｂｏｕｔ ｓｕｐｅｒ—ｃａｐａｃｉｔｏｒ ａｎｄ ｂａｔｔｅｒｙ．Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｏｆ ＥＶ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｓｕｐｅｒ—ｃａｐａｃｉｔｏｒ ａｎｄ ｂａｔｔｅｒｙ．Ｍａｋｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏ１ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｗｉｔｈ ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ．ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔＳ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｉＳ ｓｔｅａｄｙ．Ｓｙｎｅｒｇｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｌｏａｄ ｐｏｗｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉＳ ｖｉａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｕｐｅｒ—ｃａｐａｃｉｔｏｒ：Ｂａｔｔｅｒｙ：ＤＣ／ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＥＶ：Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ０引言 到快速发展。有别于蓄电池的利用其氧化还原反应的原理进行储 纯电动汽车被认为是在电动汽车领域中符合“零排放”的首 能，超级电容利用的是在其电极、电解液交界面发生的快速的、可 选方案。与其他类型新能源汽车比较，纯电动汽车具有诸多优点。 逆的电化学反应的原理进行储能。随着碳纳米技术的不断发展，纯电动汽车结构灵活、无污染、噪音小、能源效率高、能源来源丰 超级电容器的制造成本在不断降低，其功率密度与能量密度也不 富。虽然纯电动汽车在环境指标上具有优势，但是尚未形成规模， 断得到提高，这些都将进一步促进超级电容的发展应用。与普通电容器不同，由超级电容构成的储能系统是一个复杂 究其原因蓄电池技术对纯电动汽车的制约是其重要因素之一。 针对不同的应用系统，需要建立与其相对应 若使用蓄电池作为纯电动汽车的唯一动力源，由于蓄电池的 的非线性系统。因此，比功率低，将难以保证纯电动汽车在加速时对电机的输出功率， 的并可以表征超级电容器特性的模型。根据超级电容的性质和应 进而纯电动汽车的加速、爬坡等性能受到影响。其次，对蓄电池进 用场所不同，国内外学者从不同的角度建立了相应的超级电容的 行脉冲电流时，将会对蓄电池造成严重损坏，降低其使用寿命。因 等效模型。其中基于超级电容外部表征电气特性的等效模型主要 此，蓄电池无法有效回收纯电动汽车减速和刹车时的制动能量， 有经典模型、梯形模型、三支路模型等。造成能源浪费。最后，对蓄电池进行大功率充电时，同样会对其造 超级电容经典模型如图１（ａ）所示，该模型是建立超级电容 成损害，减少其使用寿命，因此纯电动汽车快速充电受到制约。 仿真模型时应用较多的一种。在该模型中，Ｒ表征超级电容的等 超级电容储能是一种新型的储能方式，兼具蓄电池的较大电 效串联内阻， 表征超级电容的等效并联内阻，ｃ与三分别为超 荷储存能力和静电电容器的高效放电功率优势。超级电容将能量 级电容在不同频率下所表现出的容性与感性。在实际的应用中，储存在双电层与电极内部，电容量大，功率密度高。超级电容应用 超级电容器通常工作在较快的和频繁的充放电循环过程中，因 到大功率放电场合时其功率密度高特性可以充分体现。另外，超 此，Ｒ 与 影响可以忽略。从而得到简化后的一阶Ｒｃ模型，如 ｂ）。为了方便处理，本文采用简化后的一阶Ｒｃ模型作为超 级电容的充放电过程为物理过程，因此，理论上可以对超级电容 图１（ 进行无限次循环充放电，进而其使用寿命比蓄电池要长。除此之 级电容仿真模型。外，超级电容还具有工作温度范围宽、无污染、免维护和容量配置 灵活等诸多优点。但是，相对于蓄电池，超级电容能量密度低，不 能维持长时间充放电。 因此，综合蓄电池和超级电容的特点，将超级电容和蓄电池 组合成为复合电源为纯电动汽车提供动力具有广阔的应用前景。 １超级电容 超级电容器是一种双层电容器，最近几十年来在国内外均得 图１超级电容等效模型 ２复合电源 为满足电动汽车在不同工况下对动力性指 标和经济性的双重需求，以超级电容与蓄电池 构成纯电动汽车的复合电源系统，电池组的高 比能量和超级电容的高比功率匹配工作；在纯 电动汽车加速及爬坡时需要瞬时大功率输出， 如果由蓄电池独立供电，会造成蓄电池短时深 度放电，对蓄电池造成损伤，严重影响其循环使 用寿命及续航里程。而作为复合电源能量来源 之一的超级电容，具有允许瞬时大功率充放电 的特性，可以有效的弥补蓄电池作为纯电动汽 车单一电源的不足。超级电容一蓄电池复合电 源结构能够有效的满足纯电动汽车在加速或爬 坡时的功率需求，并且不会对蓄电池造成损害。另外，利用超级电 车采取制动时，驱动电机向超级电容回馈制动能量；当纯电动汽 容的快速充放电特性，还可以很好的实现纯电动汽车制动能量的 车复合电源充电时，优先超级电容充电。具体分析超级电容一蓄 回收。超级电容一蓄电池复合电源系统是纯电动汽车的唯一能量 电池复合电源系统主要有以下几种工作模式。（１）超级电容和蓄电池共同向驱动电机提供功率。电动汽车 来源，其结构、匹配参数、电路工作模式、电池管理系统等直接决 在正常行驶过程中，由蓄电池提供一定的功率，剩余功率由超级 定着纯电动汽车的动力性能和经济性能。 电容提供。在电动汽车启动、加速等过程中所需的峰值脉冲功率 超级电容与蓄电池构成的复合电源系统的拓扑结构主要 有四种，如图２所示。图２（ａ）结构最为简单，超级电容－ｂ蓄电池 由超级电容输出。（２）纯电动汽车制动时，超级电容充电。当电动汽车处于制 直接并联，该种结构要求超级电容的端电压与蓄电池的端电压 动状态或是长下坡时，超级电容优先吸收电动汽车的制动回馈 接近，这在一定程度上限制了超级电容输入输出功率的能力，其 负载均衡作用不能充分体现。图２（ｂ）电源复合结构为蓄电池与 能量。（３）在对纯电动汽车充电时，优先进行超级电容充电。 ＤＣ／ＤＣ变换器串联，然后再与超级电容并联。图２（ｃ）电源复合 结构为为超级电容与ＤＣ／ＤＣ变换器串联，然后与蓄电池并联。图 ３系统仿真 本文基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕ１ ｉｎｋ对本文提出的方案所搭建系统 ２（ｄ）结构要求超级电容、蓄电池均与ＤＣ／ＤＣ变换器串联，该种结 构融合了２（ｂ）、２（ｃ）两种结构的优点，但双变换器增加了系统 进行建模并仿真。鉴于实验条件，本文采用小功率复合电源模拟 的复杂性，增加了复合电源系统的控制难度。综合比较，复合电源 纯电容汽车复合电源充放电过程 仿真条件：（Ｉ）复合电源放电 结构宣采用图２（ｃ）结构，超级电容与ＤＣ／ＢＣ变换器串联后与蓄 时，蓄电池提供一定功率，剩余功率由超级电容提供。（２）复合电 电池并联，蓄电池直接对外输出功率的方式提高了能量利用效 源充电或回收制动能量时，优先对超级电容充电。 率，超级电容通过ＤＣ／ＤＣ变换器跟踪监测蓄电池组端电压，并调 节自身电压，该种复合电源系统易于控制。 图３为复合电源输出功率时，蓄电池输出功率、超级电容输 出功率及负载功率曲线图，由图可看出，利用复合电源结构，可以 有效的控制蓄电池维持稳定的输出功率，减少负载功率过大对其 造成的损害，超出蓄电池指定输出功率的部分由超级电容输出。 ４结论 本文提出基于超级电容和蓄电池混合储能的纯电动汽车复 合电源方案，将纯电动汽车充电过程和放电过程中的功率按能量 分配策略分配给超级电容和蓄电池，有效的缩短了纯电动汽车的 充电时间，提高了纯电动汽车对制动能量的回收，减少了纯电动 汽车在充电、制动、加速时对蓄电池的损害，大大延长了蓄电池的 使用寿命。 参考文献 【１】郝国亮．超级电容荷电状态计算方法的研究【Ｄ】．华北电力大 Ｔ－．２０ｌ２． －【２】石庆升．纯电动汽车能量管理关键技术问题的研究【Ｄ１·山东 大学，２００９． ５３ ｌ ●■■一
