一种新型电动汽车复合电源结构及其功率分配策略*

王 斌，徐 俊，曹秉刚，李其玉

(西安交通大学电动汽车与系统控制研究所，西安 710049)



2015181

一种新型电动汽车复合电源结构及其功率分配策略*

王 斌，徐 俊，曹秉刚，李其玉

(西安交通大学电动汽车与系统控制研究所，西安 710049)

为提高电动汽车复合电源工作效率和保证电池组安全，提出了一种新型复合电源结构，通过对切换开关和DC-DC的控制，实现UC/Batteries和Batteries/UC两种复合电源结构的功能。在此基础上，设计了新型复合电源的7种工作方案，并根据SD-EV试验样车的锂电池组与电机的工作电压和电机功率需求特性完成系统的参数匹配。考虑DC-DC效率、锂电池组SOC和超级电容SOC等因素，基于功率平衡控制规则提出了不同工作方案的功率分配策略。在Matlab/Simulink中的仿真结果显示，新型复合电源能多方案工作，并有效提高复合电源工作效率和保证锂电池组的充放电安全；而搭建试验台进行验证测试的结果表明，与UC/Batteries和Batteries/UC复合电源相比，新型复合电源的综合效率分别提高了9%和4%。

电动汽车；复合电源；DC-DC；功率分配策略

前言

作为绿色环保的新能源汽车愈来愈受到人们的重视，而零排放的电动汽车则是新能源汽车发展的必然趋势[1-3]。电动汽车用电池组具有能量密度高，但功率密度却相对较低的特点，仅有电池组时达不到电动汽车在起动、爬坡和加速等条件下的大功率需求[4-5]。过大的功率输出或制动功率直接回馈会损害电池组，为满足电动汽车大功率需求、提高电池组的使用寿命和尽可能多地回收制动能量，超级电容(ultra-capacitors, UC)-电池组复合电源应运而生[6-9]。

如何利用好超级电容是复合电源设计成败的关键[3-4,6,8]。如充分利用超级电容的高功率特性，在驱动时提供峰值功率，在制动时高效率回收制动能量[8,10-11]。不仅如此，为实现复合电源高效率工作，在电池组和超级电容间进行功率分配时，须考虑功率分配策略对系统整体工作效率的影响，尽量减少能量在直流变换器(DC-DC)上的损失[9]。

西安交通大学电动汽车与系统控制研究所团队在电动汽车复合电源领域进行了深入研究，并成功将超级电容-电池组复合电源应用于XJTU EV[4,12]。在前期研究工作基础上，本文中提出了一种新型复合电源结构，根据新一代速达纯电动汽车SD-EV的锂电池组电压、PMSM电机工作电压和功率需求完成参数匹配，并基于功率平衡控制规则设计了相应的功率分配策略。仿真和试验结果证明了所设计的复合电源及其功率分配策略能保证锂电池组充放电安全，并有效提高复合电源系统的工作效率。

1 复合电源设计

1.1 复合电源结构设计

SD-EV及其新型复合电源结构如图1所示，复合电源主要包括锂电池组、超级电容和DC-DC等。与XJTU EV复合电源相比，仅增加功率二极管和SW2切换开关。由于自放电和过载等原因，启动时超级电容电压可能会低于锂电池组电压，在超级电容低压直接充电时电流很大，应关闭SW1并通过预充电路向超级电容充电，超级电容电压高于50%后，复合电源开始正常工作。在制动能量回馈时，功率二极管反向偏置，保证超级电容优先回收制动能量，同时避免制动电流直接向锂电池组充电。

通过对SW2开关的导通与截止和DC-DC的升降压控制，SD-EV复合电源实现了两种复合电源结构的功能，如图2所示。其中，SW2截止实现了XJTU EV的UC/Batteries结构[4,12]功能，SW2导通实现了Batteries/UC结构[8,13-15]功能；在UC/Batteries结构中DC-DC对超级电容降压[8,14]，在Batteries/UC结构中DC-DC对锂电池组升压[13-15]。新型复合电源通过对UC/Batteries和Batteries/UC结构的功能结合，不仅能发挥超级电容“削峰填谷”功能，而且锂电池组和超级电容均能不经过DC-DC向电机逆变器提供能量，减少了能量在DC-DC上的损失。此外，由于功率二极管的存在，超级电容优先回收制动能量，仅当制动能量很大时，通过DC-DC降压向锂电池组充电，保证锂电池组的充电安全和延长锂电池组的使用寿命。

1.2 复合电源工作方案设计

复合电源的工作方案主要根据锂电池组SOC、超级电容SOC和电机的需求功率3个变量来确定。基于图2的两种结构，SD-EV的复合电源设计有7种方案，具体如图3所示。

其中，方案2和方案3较为特殊，为应急使用方案。方案2用于锂电池组电量消耗殆尽而须跛行至附近充电站的情况。方案3则用于超级电容即将充满电但仍须回馈制动能量的情况。这两种方案应尽可能少使用。为减少方案3的使用频率，制动时应优先选择方案4，且设定超级电容在SOC高于上限值时单独提供能量，即方案5。此外，方案1用于小功率输出情况，方案6用于中等功率或短时间大功率输出情况，方案7则用于长时间大功率输出、超级电容SOC较低的情况。

1.3 参数匹配

采用方案2或方案3时DC-DC降压工作。为保证电池组安全，降压工作时控制DC-DC以小功率工作。采用方案6或方案7时DC-DC升压工作。采用方案1、方案4或方案5要求锂电池组或超级电容单独工作。总之，应根据SD-EV的功率需求、工作方案、锂电池组和其它参数匹配相应的DC-DC和超级电容。

通过对SD-EV多次行驶记录，电机在市区路况下平均功率小于7.5kW，郊区路况下平均功率小于8.5kW，坡路较多时且速度较高时平均功率低于15kW，最大爬坡功率为30kW。SD-EV采用两个DC-DC并联，单个DC-DC在5kW工作时效率最高，最大工作功率为10kW。因此，两个DC-DC同时工作的最大功率为20kW，高于规定的锂电池组最大工作功率。为满足SD-EV平均功率和爬坡功率需求，由超级电容提供差额功率。

SD-EV搭载的锂电池组由75块3.2V，80A·h环宇锂电池组成，电压范围为210～270V。由于PMSM电机有效工作电压为200～400V，为最大限度利用超级电容，设计其最高电压应为锂电池组的2倍左右，采用5个80V，96F模块串联，最大电量为0.43kW·h，可用有效电量为0.32kW·h，考虑到自身效率，其在爬坡时以20kW提供峰值功率可维持1min左右，满足SD-EV爬坡要求。复合电源参数见表1。

表1 复合电源参数匹配

2 功率分配策略

SD-EV复合电源控制系统通过采集电机、超级电容和锂电池组的电压与电流，计算电机的功率需求以及超级电容和锂电池组的SOC，然后控制SW1和SW2的开关及DC-DC的升降压工作，进一步确定工作方案和各部件的工作功率，控制系统如图4所示。其中，输入信号处理和控制变量计算均由DSP控制器完成。

2.1 仿真模型

模型主要包括电机功率需求、锂电池组SOC和超级电容SOC。电机的功率需求Pm,d由驱动功率、传动系统效率和自身工作效率决定，而驱动功率Pd与滚动阻力、风阻系数和坡度等相关[9]：

Pm,d=Pd/ηmηd

(1)

式中：ηm和ηd分别为电机效率和驱动系统效率。

仿真时，锂电池组SOC估算模型采用后向建模方式，为避免线性模型带来的不足，结合Thevenin模型[14]估算锂电池组SOC，等效电路如图5(a)所示。

根据Thevenin模型等效电路，有

Ubat=Ebat-IbatR1-UC

(2)

(3)

(4)

Pbat=UbatIbat

(5)式中：Ubat为电池输出电压；Ebat为电池开路电压；Ibat为电池组电流；R1和R2为等效内阻；C为等效电容容量；UC为电容电压；UC(t)为t时刻电容电压；UC(0)为初始时刻电容电压；Pbat为电池工作功率。

由式(2)～式(5)可计算出Ibat(t)，则锂电池组SOC为

(6)

式中：SOCbat为电池SOC；SOCbat,i和Ct分别为电池组初始SOC和容量；η为充放电效率。

超级电容SOC估算模型采用开路电压-内阻模型，如图5(b)所示。通过实验测试发现其内阻与温度TUC和充放电电流IUC相关，RUC=f(TUC,IUC)。根据图5(b)等效电路，超级电容的电压、电流、容量和SOC分别为

UUC=EUC-IUCRUC

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：UUC，IUC和PUC分别为超级电容输出电压、电流和功率；EUC为超级电容开路电压；RUC为等效内阻；UUC(k+1)，UUC(k)分别为k+1和k时刻超级电容电压；Δt为时间间隔；Ecap和CUC为超级电容剩余能量和容量；UUCmax为超级电容最大电压；SOCUC为超级电容SOC。

2.2 功率平衡控制

电机功率需求由锂电池组和超级电容共同提供，因此功率分配本质上是功率平衡控制问题。考虑到DC-DC效率，功率平衡关系为

Pm,d=PbatηbatηDD,i+PUCηUCηDD,k

(12)

式中：Pbat为电池工作功率；ηDD,i为DC-DC对锂电池组的充放电效率；ηDD,k为DC-DC对超级电容降压工作的效率；ηbat和ηUC分别为锂电池组和超级电容的自身效率，与充放电内阻、温度相关。

根据式(12)功率平衡关系和不同工作方案设计相应的功率分配策略，其主要思路是：结合SW1和SW2开关，DC-DC主动控制一个能量源输出功率，剩余功率则由另一能量源被动提供。如：采用方案6时控制DC-DC以最高效率工作，确定锂电池组的输出功率，剩余功率由超级电容提供；采用方案1或方案5时则控制DC-DC不工作，通过SW1和SW2导通和截止控制锂电池组或超级电容单独提供功率。为保证锂电池组充放电安全，限定其最大充放电功率为15kW和-10kW。根据SD-EV驾驶经验，当超级电容SOC低于0.5时，锂电池需要大功率输出，设计锂电池组最大输出功率为15kW，超级电容提供其余功率。具体方案的实施条件、SW1和SW2与DC-DC的工作状态以及功率分配如下。

方案1：电池SOC大于0.1，超级电容SOC在区间[0.85,0.95]内且功率需求小于10kW，此时SW1导通，SW2截止，DC-DC不工作，功率分配为

Pbat=Pm,d；PUC=0

(13)

方案2：电池SOC小于0.1且功率需求为正，此时SW1导通，SW2截止，DC-DC降压工作，降压工作时，DC-DC工作效率取平均值85%。限制电池组输出功率，功率分配为

Pbat≤Pbat,l；PUC=(Pm,d-Pbat)/ηDD,k

(14)

式中Pbat,l为限制条件下的电池组输出功率。

方案3：超级电容SOC大于0.95且功率需求小于0，此时SW1和SW2截止，DC-DC降压工作，超级电容最大限度回收能量，电池组回收其余能量。

PUC≤PUC,l；Pbat=(Pm,d-PUC)/ηDD,i

(15)

式中PUC,l为限制条件下超级电容回收的功率。

方案4：超级电容SOC小于0.95且功率需求小于0，此时SW1和SW2截止，DC-DC不工作，超级电容回收所有能量。

方案5：电池SOC大于0.1，超级电容SOC大于0.95且功率需求大于0，此时SW1截止，SW2导通，DC-DC不工作，超级电容提供所有功率。对于方案4和方案5：

PUC=Pm,d；Pbat=0

(16)

方案6：电池SOC大于0.1，超级电容SOC在区间[0.5,0.85]内且功率需求大于0，或者超级电容在区间[0.85,0.95]内且功率需求大于10kW，此时SW1和SW2导通，DC-DC最高效率升压工作，功率分配为

PUC=Pm,d-10kW；Pbat=10kW/ηDD,t

(17)

式中ηDD,t为DC-DC升压时的最高效率，约94%。

方案7：电池SOC大于0.1，超级电容SOC在区间[0.25,0.5)内且功率需求大于0，此时SW1和SW2导通，电池组最大功率15kW输出。DC-DC升压工作，工作效率为92%，超级电容提供其余功率。

Pbat=15kW；PUC=Pm,d-Pbat/ηDD,i

(18)

3 仿真及试验结果

针对设计的新型复合电源和功率分配策略，在Matlab/Simulink中进行仿真。SD-EV总质量为1 250kg，电机额定功率为30kW。选取UDDS和NEDC循环工况，分别模拟市区路况的中低功率需求和郊区路况的大功率需求，结果如图6所示。

图6(a)为UDDS工况下仿真结果，超级电容SOC初值设计为0.98。可以看出，初始阶段，超级电容单独输出，选择方案5。当超级电容SOC在区间[0.85,0.95]时，功率大于10kW时DC-DC变换器最高效率工作，选择方案6；制动时超级电容优先回收制动能量，选择方案4；功率较小时电池组单独输出，选择方案1。图6(b)为NEDC工况下仿真结果。超级电容SOC小于0.5时，电池组最大功率15kW输出，选择方案7，保证爬坡时有足够的功率输出。图6其它工作方案满足能量平衡控制规则。跛行方案2和共同回收方案3为应急使用方案，在仿真结果中没有体现。方案1和方案5避免了DC-DC变换器的能量损失，且采用方案6时DC-DC变换器工作效率最高，达到94%，有效提高了复合电源工作效率。采用方案4时超级电容回收所有能量，保证电池组充电安全。采用方案7时锂电池组功率输出15kW，DC-DC变换器效率为92%。仿真结果证明新型复合电源能多方案工作，并能有效保证锂电池组的充放电安全。

最后，通过测试验证新型结构和功率分配策略。为节省测试费用，搭建小型试验台对UC/Batteries和Batteries/UC结构、新型结构进行研究，相关部件参数如表2所示。试验台见图7，采用功率负载模拟电机功率需求，结合DSP等硬件控制，并计算DC-DC的工作效率。图8为试验用DC-DC效率。

表2 试验部件主要参数

进行了250和150W两组功率需求试验，以比较DC-DC的工作效率。对综合效率则通过50，100和300W 3组功率需求试验，取多组试验结果的平均值。复合电源的综合效率按式(19)计算，试验结果见表3。

(19)

其中ηhp=Eload/(Ebatteries+EUCs)

表3 试验结果 %

表3中，UC/Batteries结构在SOCUC∈(0.95,1]时或在需求功率为250W且SOCUC∈[0.85,0.95]时，DC-DC降压工作，效率低于95%；当效率为100%时，意味着DC-DC不工作，其它条件下DC-DC均升压工作。根据测试结果，当超级电容SOC低于0.85时，DC-DC仅在150W功率需求时以较高效率升压工作，其余条件下效率低。Batteries/UC结构则在锂电池组单独工作方案上有缺陷，SOCUC∈[0.85,0.95]时，DC-DC不能关闭，150W工作时效率为95%，在其它条件下，效率高于UC/Batteries结构。新型结构克服了UC/Batteries和Batteries/UC结构的缺点，并继承了两种结构的优点，在各种条件下均能达到很高的效率，与UC/Batteries和Batteries/UC复合电源相比，新型复合电源的综合效率分别提高了9%和4%，证明了新型复合电源结构及其功率分配策略的合理性和有效性。

4 结论

(1) 设计了一种新型电动汽车复合电源结构，同时具备UC/Batteries和Batteries/UC结构功能，并设计了7种工作方案，根据SD-EV试验样车的锂电池组和电机的工作电压与功率需求完成复合电源系统参数匹配。

(2) 根据电动汽车实际需求、DC-DC效率设计相应的功率分配策略。基于功率平衡控制规则主动切换工作方案和分配功率。

(3) 通过仿真和试验验证新型复合电源结构和功率分配策略的合理性和有效性。结果表明，新型复合电源实现了多种工作方案，可有效保证锂电池组充放电安全；与UC/Batteries和Batteries/UC复合电源相比，新型复合电源的综合效率分别提高了9%和4%。

DC-DC输出在试验中受到一些非线性干扰，导致输出功率和效率发生了轻微波动，后续的研究将对DC-DC输出的稳定性控制进行改进。

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A Novel Hybrid Power Configuration and Its PowerDistribution Strategy for Electric Vehicles

Wang Bin, Xu Jun, Cao Binggang & Li Qiyu

InstituteforElectricVehicleandSystemControl,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049

To improve the operation efficiency of hybrid power in electric vehicle and ensure the safety of its batteries, a novel hybrid power configuration is proposed, which can achieve the function of ultra-capacitors/batteries (UC/Batteries) and batteries/UC (Batteries/UC) configurations of hybrid power by controlling selector switches and DC-DC converter. On this basis, seven operation schemes of hybrid power is devised, and the parameter matching of hybrid power system is fulfilled according to the effective operation voltages of lithium batteries and motor and the power demand characteristics of motor in SD-EV test vehicle. Then the power distribution strategies for different operation schemes are put forward based on power balance control rule with considerations of the efficiency of DC-DC converter and the SOCs of lithium batteries and UC. The results of simulation with Matlab/Simulink show that the novel hybrid power can operate with many schemes, effectively enhance the efficiency of hybrid power and ensure the charging-discharging safety of lithium batteries, while the results of verification test with tester built indicate that the overall efficiency of novel hybrid power is 9% and 4% higher than that of UC/Batteries hybrid power and Batteries/UC one respectively.

electric vehicle; hybrid power; DC-DC; power distribution strategy

*国家自然科学基金(51405374)资助。

原稿收到日期为2014年9月5日，修改稿收到日期为2014年12月24日。