混合动力汽车复合电源的设计

周 远，孙玉坤，黄占涛

(江苏大学，江苏 镇江 212013)

混合动力汽车可以大幅度地降低燃油消耗，减少汽车排放，特别适合中国大城市交通普遍拥堵，汽车频繁制动的交通工况。超级电容能在短时间内提供和吸收大的功率，而且能量回收效率高，充放电次数高，循环寿命长，工作温度区域宽；其使用的基础材料价格也很便宜，适合频繁加速和减速的城市交通工况，但超级电容只能储存少量的能量。电池有储存大能量的能力，但功率输出较低，不能进行大电流充放电，决定了电池不能在短时间内提供大功率[1-2]。电池和超级电容性能对比如表1。

有关研究表明，将超级电容与蓄电池结合起来使用，由蓄电池提供整车运行期间电机需求的平均电功率，而超级电容则提供电机需求的峰值功率，这样可以充分发挥蓄电池比能量大和超级电容比功率高的优势。且使用蓄电池和超级电容组成的复合电源，能量的利用率可以提高15%以上，可以有效降低废气的排放。可见，研究由超级电容起和蓄电池组成的复合电源是十分必要的[3]。

表1 电池与超级电容性能对比

1 HEV中应用超级电容的拓扑结构

HEV能量源应该满足车辆在任何情况下所需的能量，目前的技术不能提供一个设备既具有高储存能量又具有大功率。为了克服电池的功率限制和超级电容的能量限制，本文通过DC-DC转换器把这两种能量源有机的结合起来，从而使UC的高功率密度与电池的高能量密度进行互补，调节供给电机或超级电容的电压及控制超级电容充放电电流的大小，这大大的延长了电池的寿命，并降低了电池组的大小，同时车辆所需的高能量和大功率就能得到满足。电机要求功率较大时，将其分成两部分，快速变化的峰值功率由复合电源中的电容提供，而余下的平均功率由电池提供。传统的方法是使用双向DC-DC转换器控制UC功率的输入/出（如图1）。功率转换器DC/DC是直流电源与负载（电机）之间的一种周期性通断的开关控制装置，它的作用是改变供给电机或超级电容的电压，实际上是作为一个电压调节系统而工作。尽管UC两端的电压经常变化，但驱动电机的电压保持不变。HEV车辆运行时的能量源基本框图如图2所示。

图1 传统ESS图

图2 能量源基本框图

图2中通过DC/DC转换器控制超级电容，转换器接收到车辆的功率需求（加速或制动），如果是制动，通过转换器对超级电容和电池进行充电。正常情况下，电池的SOC应有效的控制在0.6～0.7之间，超级电容的SOC变化较大，但要确保驱动电机所需的输出电压不变。DC/DC转换器的转换效率与蓄电池的工作电压和超级电容的电压有关，一般情况下，蓄电池和超级电容的电压越接近，DC/DC转换器的效率越高。所以复合电源在匹配的时候，应尽量使电池和超级电容的电压接近。车辆动力系统中存在能量损耗，因此在循环过程中，再生能不够为下个循环提供足够的加速能量（加速到上次循环速度）。因此在传统的ESS图中进行了DC/DC的设计，复合电源控制系统的主电路如图3所示，电解电容C1于电池并联为电机驱动提供脉宽调制(PWM)脉冲，实验证明，采用该技术的HEV在动力性能和续驶里程上都有显著的提高，尤其在频繁刹车和突然加速的工况下，效果提高更明显。

图3 复合电源结构图

2 新的拓扑结构及其运行模式

新的ESS在功率需求的情况下有三种运行模式，见图4。模式一如图4(a)，车辆在城市工况下进行制动和加速，DC/DC转换器和电池在此时不起作用，UC作为车辆驱动的直接能量源。模式二[图4(b)]运用于车辆在高速时的加速和制动，加速时，车辆所需的大多数功率通过DC/DC转换器从UC中输出，若不能满足时，剩余部分由电池提供，UC作为功率源的表达式：Puc=V1*(iL*D2)=V2*iL，D2是T3的占空比。电流流向如图中红色箭头所示。制动是加速的逆变过程，制动时电机处于发电状态，通过DC/DC优先给UC充电，直至UC充满（如有足够的制动能），若仍有剩余制动能，对电池进行充电。电流流向为图中的逆过程。在制动与下个加速之间的空闲期，电池通过模式三给UC充电，并为车辆提供驱动所需的能量，电流流向如图4（c）红色箭头所示。HEV能量源的三种基本模式如表2。

图4 新的ESS在功率需求的情况下的三种运行模式

表2 HEV运行模式

模式一是最常用的车辆运行方法；模式二主要保持车辆的功率需求的性能，一般出现在高速情况下的加速和制动。当UC电压V2太低不能维持电机驱动所需的功率时，打开T5，闭合T4。根据电流的流入，T2和T3随着PWM负荷比开关，几个PWM循环后，iL达到稳定状态，超级电容为高频电流脉冲提供能量，并起稳定vdc的作用。高速制动时，回收的能量通过电感电流流入UC。随着V2的增加，电机转速下降，车辆状态由模式二转到模式一，电感通过D3把剩余的能量储存到UC中[4-5]。

该复合电源具有如下优点：（1）在车辆制动和减速时可大电流充电，从而提高能量回收效率，延长电动车的续驶里程；（2）超级电容的功率密度较大，因此可大电流放电，改善车辆的启动、加速、爬坡性能；（3）可避免蓄电池大电流充放电，提高蓄电池的使用寿命；（4）可提高制动力矩，改善制动系统的可靠性；（5）回收时可先对超级电容充电，再对电池充电,所以可控性较好；（6）结构紧凑，成本较低。

3 实验与仿真

复合电源中的电池与电容并联，通过合理的制定控制策略，可以充分发挥电容对电池削封填谷的作用，本文所设计的复合电源的系统模型如图5所示。其中，功率总线模块主要是判断整车的驱动和制动工况，并且依据电池和电容的荷电状态值控制整车功率。根据电容器电压决定控制策略模块中的复合电源系统采用经济运行模式还是最大动力模式。

图5 复合电源控制模型

本文利用advisor仿真软件对美国城市循环工况UDDS进行仿真的结果如图6所示。

整车性能指标：最高车速≥80 km/h，0～60 km/h加速能力＜30 s，最大爬坡度25%。

图6 UDDS中电流对比图

整车参数：质量1300 kg，迎风面积2.0 m2，车轮半径0.282 m，空气阻力系数0.380，滚阻系数0.015，传动系平均效率0.85。

变速器速比：一档3.46，二档1.75，三档 1.10，四档 0.86，五档0.71。

复合系统：14节串联的13 AH铅酸电池与68节串联的2400 F电容并联组成。

仿真结果表明：如采用单一蓄电池，在UDDS工况下，电池电流最高可达180 A，这将严重降低电池寿命；而采用复合电源，电池在工况下的充放电电流大幅度下降，超级电容起到了对电池“削封填谷”的作用。

4 结论

回收制动能量是用于HEV的主要节能方案，特别是在经常处于刹车和加速的城市工况下。电池通过DC-DC转换器与UC相连，系统综合了超级电容和蓄电池的优点，不仅可以改善HEV的瞬时功率特性，而且可以避免蓄电池大电流放电，延长蓄电池的使用寿命，增加电动车的续驶里程。在本文中所提到的城市工况下，电机的转速在半速以下时，UC能够直接提供驱动电机所需的能量，在UC有效的电压变化范围内最大可能地利用它的能量存储能力。

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