刘弘伟，王婷，王益春

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001）

电动汽车用复合电源的建模与仿真研究

刘弘伟，王婷，王益春

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001）

复合电源对电动汽车的续使里程和动力性发挥着巨大的作用，文章对蓄电池-超级电容纯电动汽车的能量管理策略进行分析。分析了纯电动汽车行驶中的四种工作模式以及行驶中受到的阻力，并建立相应的汽车能量管理策略的数学模型。

纯电动汽车；复合电源；能量管理策略

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-16-03

前言

采用什么方法能够最大限度的保护环境和节约资源成为了汽车能否可持续发展下去的关键所在[1]。

由于纯电动汽车在行驶中零排放的优点，可以极大的改善能源危机和环境污染等问题，所以电动汽车的研究也被各国政府所重视。但是受到蓄电池充电时间长，寿命低等性能方面的影响，使纯电动汽车的续使里程难以与传统的燃油车相比。所以如何通过增加蓄电池的寿命和高效的利用蓄电池的高比能量是现代纯电动汽车研究的关键。

基于蓄电池-超级电容的双能量源汽车，不仅能充分利用蓄电池的高比能量，也能发挥超级电容的高比功率优点，在需要瞬间的高功率时可以由超级电容来提供，有效地增加了蓄电池的寿命。

如何有效的分配双能量源电动汽车的能量，合理的分配两者之间的功率，是电动汽车获得良好性能的前提。本文通过对蓄电池-超级电容电动汽车的工作模式和行驶中受到的功率等进行分析，建立有效的能量策略模型，使电动车的性能得到有效的提高。

1、复合电源结构选型

基于蓄电池-超级电容的电动汽车驱动系统由蓄电池、超级电容、电机、DC/DC转换器和逆变器等组成。目前复合电源驱动系统结构形式大致有四种，拓扑结构如图1所示[2]：（a）无DC/DC结构，直接并联式；（b）超级电容器与DC/DC串联式；（c）蓄电池与DC/DC串联式；（d）双DC/DC结构。

图1 复合电源驱动系统拓扑结构

四种复合电源结构经过研究与分析，结构（b）为最理想的可用于复合电源电动车的驱动系统。超级电容与DC/DC转换器串联然后再与蓄电池并联，DC/DC转换器用来调节和稳定直流电压，以驱动交流电机的运行。图2为复合电源系统基本结构。

图2 复合电源系统基本结构

2、复合电源工作模式

复合电源电动汽车的关键在于如何合理的分配蓄电池，超级电容器的功率。蓄电池储存较多的能量，适于稳定输出的工作状态；超级电容器储存能量较少，但是可以实现大电流，大功率输出，适合于汽车需要大功率输出的瞬间状态[2]。因此要在不同的道路情况下合理的分配两者之间的能量，充分发挥出蓄电池能提供高比能量和超级电容器能提供高比功率的优势。

2.1 蓄电池单独工作模式

此模式下蓄电池工作在车辆巡航行驶工况及需求功率较小的加速工况下。当车辆匀速或者缓慢加速过程中，所需的驱动功率较小，可由蓄电池单独提供，且不会对蓄电池造成过大的伤害，可充分发挥蓄电池的高能量密度优势。工作模式如图3所示。

图3 蓄电池单独工作模式

2.2 超级电容器单独工作模式

当车辆在爬坡或者短时间加速行驶时，需要较高的瞬时功率，如果由蓄电池单独工作，会对蓄电池的寿命产生很大的影响，且该工况下只需要短时功率，故能量需求不大，对超级电容器影响则不大，而且超级电容器的低温特性较好，能很好地位车辆的低温启动提供必备的功率。工作模式如图4所示。

图4 超级电容器单独工作模式

2.3 蓄电池和超级电容器共同工作模式

当车辆在重载起步或者爬长大坡，急加速时，超级电容器的SOC下降到不能满足车辆的需求功率时，为了不影响超级电容器的寿命，此时蓄电池要参加进来，来弥补超级电容器剩下的需求功率，两者配合工作，共同驱动车辆行驶。工作模式如图5所示。

图5 蓄电池和超级电容共同工作模式

2.4 再生制动能量回收工作模式

当汽车在制动减速或下坡行驶时，驱动电机会发出反转，充当发电机的作用，在这种状况下，会产生电能输送给复合电源。同时会根据蓄电池和超级电容器SOC的情况来进行能量回收，且优先向超级电容器充电，避免大电流对蓄电池造成冲击，当充满时则不再进行能量回收。工作模式如图6所示。

3、复合电源系统建模

为了满足汽车的最高车速，加速时间，续使里程以及制动能量回收等方面的性能，需要对驱动电机，蓄电池和超级电容的参数进行设计，建立有效的蓄电池-超级电容能量管理系统数学模型。

3.1 驱动电机参数设计

驱动电机作为电动汽车的惟一驱动源，参数设计的好坏决定于车辆能否更好地发挥汽车最高车速，最大爬坡度，加速时间的要求。驱动电机的参数设计主要包括最高转速和基速，最大转矩等。

3.1.1 最高转速nmax和基速nb

最高转速为：

式中，nmax----------电机最高转速，r/min；

Vmax----------汽车最高车速，km/h；

io---------主减速比；

ig----------变速箱固定速比；

r----------车轮滚动半径，m；

nb=nmax/β

3.2 蓄电池参数设计

蓄电池的参数设计主要包括容量和串并联的数目。

蓄电池能提供的最大能量Ebmax应不低于车辆在综合工况下的续使里程的能量需求

式中，UM——蓄电池直流母线电压，V；

QE——蓄电池容量，Ah；

ηDOD——蓄电池放电深度；

Eroad=s·e/100；

S——综合工况下车辆的续使里程，km；

e——车辆行驶100km的能量消耗，kWh/100km；

3.3 超级电容器参数设计

超级电容器它主要利用电极/电解质界面电荷分离所形成的双电层，或借助电极表面，内部快速的氧化还原反应所产生的法拉第“准电容”来实现电荷和能量的储存的。因此，超级电容器具有充电速度快，大电流放电性能好，超长的循环寿命，工作稳定宽等特点[4]。超级电容器的设计也包括容量和串联的数目。

当超级电容器和蓄电池两者的电压比接近1时，DC/DC转换器的效率最高，这有助于提高复合电源系统的能量利用率。因此超级电容器串联的数目取决于蓄电池的电压，目前市场上有2.5V和2.7V两种超级电容器的单体额定电压，因此超级电容器的数目为蓄电池的电压除以超级电容的单体额定电压。

超级电容器容量大小取决于系统要求的放电时间，以及在充放电过程中允许的电压变化范围。

3.4 SOC范围

蓄电池和超级电容的SOC应该在一定的范围之内，避免过充或过放电现象使电源寿命受损，如果SOC过高，则不会过多的回收再生制动的能量，如果SOC过低会大大降低电池的使用寿命。SOC的范围应如下所示：

汽车在实际行驶中，一般设置SOC的范围为0.3～0.9。

4、结语

复合电源功率分配控制策略主要有逻辑门限控制，PID自适应控制，模糊逻辑控制和神经网络控制[5]。采用的模糊控制策略与逻辑门限控制策略相比，控制推理能力强，鲁棒性好，超级电容可以更好地发挥其主动性，复合电源系统性能明显提升[6]。蓄电池—超级电容器的结合不仅降低了环境污染，同时也提高了汽车的能量利用率，延长了车辆的续使里程。

[1] 王丹.电动汽车关键技术发展综述[J].中国工程科学.2013,15(1): 68-73.

[2] 邢峰.双能量源纯电动汽车能量管理系统建模研究[J].机电工程技术.2016(3):37-39.

[3] 曾梦远.纯电动汽车用复合电源的建模与仿真研究[D].辽宁工业大学.2016.

[4] 许检红.超级电容器在电动汽车上应用的研究进展[J].电池工业.2008(5):345-346.

[5] 倪颖倩.电动汽车关键技术——复合电源的研究[D].南京:南京理工大学,2008.

[6] 王儒.基于ADVISOR的纯电动汽车复合电源系统[J].山东理工大学学报.2004,28(1):77-78.

Modeling and Simulation Research on Hybird Energy Storage System for Pure Electric Vehicles

Liu Hongwei, Wang Ting, Wang Yichun
（Automobile & Transportation Engineering College, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001）

A Composite power supply makes the range of electric vehicles and power performance plays a huge role, in the paper, the pure electric vehicle battery-supper capacitance energy management strategy is analyzed. Analysis of the four work modes in the pure electric vehicle driving and driving in resistance, and establish the corresponding mathematical model of vehicle energy management strategy.

Pure electric vehicle; composite power; energy management strategy

U469.7

A

A1671-7988(2017)01-16-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.007

刘弘伟（1992-）男，硕士，就读于辽宁工业大学。研究方向：电动汽车关键技术。