电动汽车复合储能系统的能量控制策略与仿真

周美兰+赵立萍

摘要：为了改善蓄电池作为单一能源的电动汽车很难满足瞬时大电流充放电的问题，在纯电动汽车中加入超级电容和双向DC/DC变换器构成电动汽车复合储能系统，通过对复合储能系统工作模式进行分析，建立了复合储能系统能量管理策略，利用CRUISE软件对基于复合储能系统的电动汽车进行建模，建立中国城市道路典型循环工况，在中国城市道路典型循环工况下对整车进行仿真，仿真结果表明电动汽车复合储能系统中，超级电容能瞬时大电流充放电，且可以保持蓄电池小电流平稳输出，从而减小了对蓄电池的损害，延长蓄电池的使用寿命。

0引言

目前，由于我国石油资源短缺，环境污染问题愈加严重，发展电动汽车成为缓解这一问题的突破口之一，然而纯电动汽车的续驶里程的长短取决于车载蓄电池的性能，蓄电池的功率密度偏低很难满足电动汽车在城市道路中频繁起步、加速、减速和停车的要求，从而限制了纯电动汽车的续驶里程。

为了解决这一问题，在电动汽车中加装超级电容，由于超级电容具有高功率密度，能瞬时大电流充放电的特性，能较好地满足电动汽车在起动、加速、爬坡时对功率的需求，且将超级电容和蓄电池相结合共同驱动电机已然成为电动汽车行业的研究热点，随着超级电容的技术不断提高，超级电容和蓄电池构成的复合储能系统受到世界各国的广泛关注，日本丰田汽车公司与大崎电力公司合作开发的马自达某款车型上安装了铅酸蓄电池和松下超级电容组成复合储能系统进行一系列性能测试，结果表明，复合储能系统中超级电容可以有效减轻蓄电池工作负载，菲亚特汽车公司使用9 kW铅酸电池和250 wh超级电容器组成复合储能系统，测试结果显示，基于此系统的电动汽车在市区工况可节能40%，在我国，基于复合储能系统的电动汽车研发还处于起步阶段，朱宁通过对电动汽车用超级储能电容进行容量、循环工况、温度特性、循环寿命、恒功率放电、大电流恒流放电等一系列试验方法研究，并建立了一套适用于电动汽车用超级储能电容的试验规范，金小飞等根据纯电动汽车的不同工作状态，设计了双向DC/DC变换器模糊控制策略，在电动运行状态下以“稳压”为目标，实现超级电容和电池组的输出电压相匹配，在制动运行状态下以“稳流”为目标，实现对超级电容和电池组的恒流充电，张昌利等为提高蓄电池一超级电容双能量源纯电动汽车的再生制动能量回收率，通过分析再生制动系统的工作原理，提出了双能量源纯电动汽车的制动力分配方案，以上均对基于超级电容和蓄电池的复合储能系统进行了深入研究，并提出了相应的试验规范和控制策略，但是并没有研究复合储能电动汽车在道路循环工况下超级电容对蓄电池的影响，针对这个问题，结合本文中复合储能系统结构，提出了有效的能量管理控制策略，并将超级电容和蓄电池放在整车中，在城市道路工况下研究超级电容对减小蓄电池电流冲击的影响。

本文主要对电动汽车复合储能系统的工作模式进行了分析，并建立了复合储能系统的能量管理控制策略，应用汽车仿真软件CRUISE搭建基于复合储能系统的电动汽车模型，基于所设计的能量管理控制策略，在中国城市道路工况下对所设计的复合能量源电动汽车进行仿真验证。

1复合储能系统结构与工作模式

1.1复合储能系统结构

复合储能系统采用蓄电池直接连接电机控制器，超级电容和双向DC/DC变换器串联后连接电机控制器的结构，如图1所示，当汽车加速时负载电流突然加大超过某一值，由超级电容经双向变器提供瞬时功率，以便将蓄电池输出电流限制在一定的范围之内，进而保护蓄电池免受大电流冲击；正常行驶时，主要由蓄电池向电机提供能量；汽车减速或制动时，电机主要向超级电容回馈制动能量，超级电容充满电后多余的能量回馈给蓄电池。

复合储能系统拓扑结构如图2所示，依据超级电容工作状态需求，双向DC/DC工作在升降压两种模式下，当电动汽车处于快速启动状态或者爬坡状态时，需要超级电容进行辅助的能量输出，由于超级电容的电压小于母线电压，故超级电容给电机供电时，需要进行升压，此时双向DC/DC变换器工作于Boost电路模式，此时Q1为斩波开关，Q2始终处于断开状态，此时电流将通过其反向二极管D2进行续流，实现同步整流，当电动汽车在制动过程中回收制动能量，对超级电容进行充电，由于驱动系统的母线电压比超级电容的电压高，故当超级电容处于充电状态时，双向DC/DC变换器工作于Buck电路模式，Q2作为主要功率元件进行PWM斩波，Q1可以是恒关的，此时电流将通过其反向二极管D1进行续流，实现同步整流。

1.2复合储能系统能量控制模式分析

依据上述双向DC/DC变换器工作状态分析，蓄电池和超级电容有以下4种工作模式：

1）超级电容单独工作驱动电机，当汽车起步、爬坡或加速行驶，并且超级电容的电压高于设定的超级电容电压下限时，由超级电容单独工作提供驱动功率，此时蓄电池不工作。

2）蓄电池和超级电容同时工作驱动电机，当汽车起步、爬坡或加速行驶，而超级电容电压低于设定的超级电容电压下限时，由蓄电池和超级电容共同工作提供驱动功率。

3）蓄电池单独工作驱动电机，当汽车巡航模式行驶时，所需功率只靠蓄电池提供就可满足，此时蓄电池单独工作提供驱动功率，超级电容不工作。

4）再生制动，在汽车减速或停车制动过程中，制动能量优先回馈给超级电容，超级电容快速充电，超级电容电压达到设定的电压上限值后，剩余能量回馈给蓄电池充电。

2基于复合储能的电动汽车建模与仿真

2.1基于复合储能的电动汽车整车建模

CRUISE是AVL公司开发的研究汽车动力性，燃油经济性，排放性能及制动性能的前向仿真软件，相对后向仿真软件而言计算更精准，利用CRUISE软件搭建的基于复合储能的电动汽车模型如图3所示，该模型是在纯电动汽车模型的基础上加入超级电容和双向DC/DC模块，超级电容和DC/DC变换器串联后和蓄电池并联连接直流母线，该整车模型中的各个模块需进行参数设置，整车基本参数如表1所示，之后进行电气信号连接和机械信号连接，建立能量管理控制策略与仿真任务进行整车仿真。

2.2基于中国城市道路工况下复合储能电动汽车仿真

在CRUISE软件循环工况任务中建立中国城市道路典型循环工况，中国城市道路典型循环工况如图4所示，基于中国城市道路工况下对复合储能电动汽车进行仿真，分析加装超级电容的电动汽车电池输出电流和汽车续驶里程变化。

中国城市道路循环工况下汽车的加速情况如图5所示，图中看到汽车频繁加速、减速，受行驶工况的限制，只由蓄电池供电的传统电动汽车需要频繁地短时大电流充放电，由于蓄电池自身特性并不能满足电动汽车在城市道路工况的行驶需求，故加入超级电容器弥补蓄电池的不足，超级电容具有工作温度范围宽，功率密度高和不受瞬时大电流的影响等性能，在复合储能系统中具有不可替代的优势，

结合蓄电池和超级电容的工作特性，根据上述的复合储能系统工作模式建立了相应的能量控制策略，控制策略流程如图6所示，其中：Modjoad signal大于0代表汽车加速或正常行驶；小于0代表汽车减速或制动；Preq为电机需求功率；Pbat为蓄电池功率；PC为超级电容功率；Vcap表示超级电容电压。

将未加超级电容的纯电动汽车和所设计的复合储能电动汽车进行仿真，仿真结果如下，未加超级电容的纯电动汽车蓄电池电流变化如图7所示，从图中可看到汽车在道路循环工况行驶下蓄电池电流变化范围很大，蓄电池会频繁受到大电流的冲击，蓄电池具有较低的功率密度特性，不适合大电流大功率的充放电，否则对蓄电池危害很大，从而影响蓄电池的使用寿命。

在电动汽车中加装超级电容构成复合储能系统后，蓄电池的输出电流变化如图8（a）所示，超级电容输出电流如图8（b）所示，从图中可看出超级电容的输出电流比蓄电池输出电流大很多，蓄电池电流平均输出电流为13 A左右，汽车制动时向蓄电池充电电流约为7 A，而同样条件下，超级电容输出电流一般为20 A，汽车制动时超级电容的充电电流大约为16 A，利用超级电容高功率密度，能瞬时大电流充放电的特性，使汽车起步或加速需求大电流输出时，优先超级电容工作提供驱动功率。

从仿真结果来看，采用复合储能系统后，有效减小了蓄电池大电流输入和输出，使蓄电池免受大电流的冲击，而超级电容在汽车行驶过程中能充分发挥其具有较高功率密度，能瞬时大电流充放电的特性，可使蓄电池维持小电流输出，免受瞬时大电流冲击，正是由于它这样的特性与作用决定了其在复合储能系统中具有重要地位。

在中国城市道路典型循环工况下，复合储能系统中蓄电池SOC（state of charge）变化如图9（a）所示，超级电容SOC变化过程如图9（b）所示，在这一过程中，蓄电池SOC由95%降到91.8%，超级电容SOC初始值为80%，结束时SOC值为78.2%，从仿真结果图中可以看到蓄电池和超级电容的SOC都有回升的过程，说明在汽车减速或刹车时确实有能量回馈到复合储能系统中，由于超级电容具有快速大电流充电的能力，让制动能量优先回馈给超级电容，而且从图9（b）中可看到，再生制动过程中超级电容成为主要吸收制动能量的储能元件，超级电容SOC的回升较蓄电池SOC回升幅度大，证实了所设计的复合储能系统能量管理控制策略的可行性。

以上仿真结果显示，单一蓄电池供电的电动汽车在城市道路工况下，受行驶工况的限制汽车需要经常性的启停、加速和减速运行，同时伴随着蓄电池遭受大电流的冲击，对蓄电池的损伤较大，而采用复合储能系统的电动汽车，超级电容在瞬时大电流充放电方面优势显著，可以减缓大电流大功率对蓄电池的冲击，使蓄电池可以维持在小电流范围平稳输出，对蓄电池起到保护作用，并保证汽车行驶中具有较好的动态性能。

3结论

1）研究了蓄电池—超级电容复合储能电动汽车能量管理问题，首先分析了基于复合储能的双向DC/DC的工作原理，以及蓄电池和超级电容的工作模式，并依据工作模式建立了复合储能电动汽车能量管理控制策略。

2）应用汽车仿真软件CRUISE搭建了复合储能电动汽车模型，建立了中国城市道路典型循环工况，基于该工况下对整车进行仿真，研究其能量存储系统的性能。

3）仿真结果显示，在复合储能电动汽车中，蓄电池电流平均变化范围为-13 A～7 A，超级电容电流平均变化范围为-20 A～16 A，超级电容能瞬时大电流充放电，保持蓄电池小电流平稳输出，可减少大电流充放电对电池的伤害，延长电池的使用寿命，并且在该能量控制策略下，蓄电池和超级电容的SOC值较稳定下降较少，并在汽车制动时伴随着能量回升，证实该控制策略的可行性。

本文提供的电动汽车复合储能系统能量管理策略可为汽车厂商进行汽车能量管理的开发提供参考。