一种双电源电动汽车的能量管理策略

叶秋艺，刘延扬，翁美梅，伍开莲，宋绍剑

（广西大学电气工程学院，广西南宁530004）

一种双电源电动汽车的能量管理策略

叶秋艺，刘延扬，翁美梅，伍开莲，宋绍剑

（广西大学电气工程学院，广西南宁530004）

纯电动汽车采用锂电池+超级电容的双电源，供电方案是解决其动力性、经济性不足的有效方法。但双电源纯电动车的能量分配策略关系到整车电池安全性等各方面，为此以磷酸铁锂电池组+超级电容器组混合双电源电动汽车测试平台为研究对象，提出一种基于逻辑门限的能量分配策略，并完成了不同工况下系统能量分配策略的测试。实验结果表明：所提出的能量分配策略在双电源电动汽车的制动、加速、巡航等阶段能合理地分配各部分能量，提高能量回收效率和整车动力性能。

双能量源；纯电动汽车；能量管理；逻辑门限

传统汽车曾作为人类社会文明的标志，为人们的生活带来了极大的便利，但同时也带来了严重的环境问题，例如：能源枯竭、资源短缺等，发展新能源汽车无疑是解决这一问题的根本途径，其中纯电动车作为几大新能源汽车中的一员，因其“无污染、高能量转化效率”等特点成为国内外研究的热点。2015年10月，国务院颁布了《关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见》，其中明确提出，到2020年，基本建成适度超前、车桩相随、智能高效的充电基础设施体系，满足超过500万辆电动汽车的充电需求，为我国电动汽车的发展奠定了坚实的基础。

现有的动力电池普遍存在着功率密度低、低温性能差、循环寿命短等缺陷，这成为制约电动汽车发展的关键性因素。超级电容作为一种具有瞬时功率大、效率高和寿命长等优点的电源，它与电池的有效组合形成的双电源纯电动汽车（下文称为B+C双电源纯电动汽车）弥补了单一锂电池供电的电动汽车存在的动力性、经济性不足等问题。而两个不同电源之间的能量分配关系到整车的加速性、制动性、经济性、电池安全性及能量回收效率等多方面性能。因此，研究双电源纯电动车的能量分配策略具有重要意义。

当前有关双电源纯电动车的研究大多是采用ADVISOR、PSAT等虚拟汽车仿真软件，忽略了真实车辆系统的机械特性、动力电池组的充电特性以及双向DC/DC变换器的转换效率等问题，难以真实反映实车系统的特定情况[1-5]。为此，本文给出了一种以磷酸铁锂电池组为主电源，超级电容为辅助电源的纯电动车动力测试平台，并提出一种基于逻辑门限的能量分配策略，并测试系统在不同工况下的能量分配情况。测试结果表明：所提出的能量分配策略能在双电源电动汽车加速、制动、巡航的阶段切实合理的分配能量，并提高了系统能量回收利用率。

1 B+C双电源纯电动汽车测试平台组成

本文研究的B+C双电源纯电动车测试平台系统结构如图1所示。双向DC/DC变换器先与容量为165F2、额定电压为48 V的超级电容串联，再与由22节单体容量为100 Ah、额定电压为3.2 V组成的锂电池组并联，共同驱动一台额定功率是12 kW、额定电压是72 V、最大扭矩是40 N.m、最大制动扭矩是30 N·m、最大转速是2 800 rpm的永磁同步直流电机。同时该平台以ABB变频器控制三相异步电机的转速来模拟电动汽车行驶的路况变化，测试平台整车基本参数如表1所示。

图1 磷酸铁锂电池纯电动汽车研究实验平台系统结构图

表1 纯电动汽车整车基本参数

2 基于逻辑门的能量管理策略

为了充分发挥超级电容具有瞬时大功率充放电的优势，提升整车的加速性能、避免车子加速时需要瞬间大电流放电对磷酸铁锂电池组的冲击，延长电池组的使用寿命，同时，为了能使车子处于制动状态时，更加高效地回收能量，本文提出了一种基于逻辑门限的控制策略，示意图如图2所示，图中PCAP代表超级电容需求功率、PLI代表锂电池需求功率。

图2 逻辑门限示意图

具体的制动、匀速、加速过程能量流向图如图3、图4和图5所示，在制动阶段电机由于反转产生的能量完全由锂电池组和超级电容回收；在匀速巡航阶段，锂电池为电机提供能量的同时也为超级电容进行预充电，为下一时刻电动汽车的加速储存能量；在加速阶段，锂电池组和超级电容同时为电机提供能量以满足电动汽车的加速需求。

图3 整车制动能量回馈流向图

图4 整车匀速巡航能量流向图

图5 整车加速爬坡能量流向图

3 各种工况下测试结果及分析

在双能量源提供动力的情况下，分别测试在ECE（Economic Commission of Europe）工况、UDDS（Urban Dynamometer Driving Schedule）工况下车辆磷酸铁锂电池、超级电容的性能变化。其中ECE工况和UDDS工况的车速与时间的关系如图6、图7所示。

图6 ECE工况下车速、时间关系图

图7 UDDS工况下车速、时间关系图

一次ECE工况下双能量源纯电动汽车的车速，磷酸铁锂电池电流、功率的变化如图8所示。双能量源纯电动汽车在一次ECE工况下超级电容的电流、功率变化如图9所示。一次UDDS工况下双能量源纯电动汽车的车速，磷酸铁锂电池电流、功率的变化如图10所示。双能量源纯电动汽车在一次UDDS工况下超级电容的电流、功率变化如图11所示；运行12次ECE工况时，双能量源纯电动汽车的具体性能参数如表2所示。

图8 双能量源ECE工况下的车速，锂电池电流、功率曲线

图9 双能量源ECE工况下的超级电容电流、功率曲线

图10 双能量源UDDS工况下的车速、锂电池电流、功率曲线

图11 双能量源在UDDS工况下的超级电容电流、车速、功率曲线

表212 次ECE工况、一次UDDS工况时双能量源纯电动汽车的性能参数

由表格2可知：

（1）在行驶路程一样的前提下，不管整车是工作在ECE工况状态、匀速工况状态还是UDDS工况状态，两个电源的纯电动汽车回收能量中的制动总能量均比较高；两个电源的纯电动汽车的超级电容组回收的制动能量分别占各个工况总回收能量的76.4%、98.8%和97.4%，表明本文中所提出的能量管理策略能把整车在刹车过程、减速过程等制动过程中产生的制动能量绝大部分由超级电容组吸收，超级电容组在充放电方面能以较大的电流迅速充电放电的优点得到了很好利用。

（2）两个电源的纯电动车消耗的总能量由双向DC/DC变换器消耗的能量加上锂电池组以及超级电容组所消耗的能量，其在ECE行驶工况状态下消耗的总能量为1 667 410 J，其最主要的原因之一就是超级电容组从磷酸铁锂电池组吸收了一些能量，从而为整个平台瞬时加速提供能量。

（3）双向DC/DC变换器在ECE工况状态下消耗的能量高达441 337 J.造成这个的最主要因素为系统中磷酸铁锂电池组的额定电压（72 V）与超级电容组的额定电压（48 V）不匹配，其中的能量转换需通过双向DC/DC变换器来完成，如果双向DC/DC变换器的效率越高，其消耗的内部能量就越少；若效率越低，其消耗的内部能量就越多。本文中的双向DC/DC变换器其效率设计为90%左右，但实际效率平均只有74%左右，消耗的内部能量较多，导致单个电源的纯电动汽车系统比两个电源的纯电动车系统消耗更少一些的能量，由此表明双向DC/DC变换器的效率将直接影响到两个电源的纯电动车消耗内部能量。

（4）两个电源的纯电动汽车从启动到加速到8.3 m/s需要的时间的为15 s左右，其加速性能相对较好，从而说明所提出的能量管理策略能在其加速阶段合理的分配能量，提高了整车的动力性能。

（5）在ECE工况状态和UDDS工况状态中，双电源纯电动车的锂电池组在放电方面最大放电电流都比较小，且只在其中一个时刻放电电流达到最大值63.6 A，从而表明本文所提出的能量管理策略能充分利用超级电容能瞬时充放大电流的优点，不但使锂电池组的输出电流变得平滑，延长了其使用寿命，而且也满足了纯电动汽车关于加速、制动的动力需求。

4 结束语

本文给出了一种以磷酸铁锂电池组为主能量源、超级电容为辅助能量源的纯电动汽车测试系统，并完成了ECE和UDDS工况下的能耗、制动能量回收、加速时间和磷酸铁锂电池充放电电流等测试和分析，测试结果表明：所提出的基于逻辑门限的能量管理策略，能在系统制动、匀速、加速等各个阶段合理地分配能量，提高了汽车的加速性能、电池安全性等性能。

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An Energy Management Strategy of the Pure Electric Vehicles Under Dual-Energy Source

YE Qiu-yi，LIU Yan-yang，WENG Mei-mei，WU Kai-lian，SONG Shao-jian
（School of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

The power supply scheme of the pure electric vehicle with lithium battery and super capacitor which is an effective method to solve the problem of its power and economic performances，but the energy distribution strategy of the dual energy electric vehicle is related to the safety of the battery.For this purpose，a hybrid electric vehicle test platform with a LiFePO4 battery pack mixed ultracapacitors is chosen as research object and an energy allocation strategy based on logic threshold is proposed in this paper.The system testing of the energy distribution strategy under different working conditions is finished.The Results show that the energy allocation strategy based on the logic threshold can reasonably allocate the energy and improve the performance of the whole vehicle in the process of braking，accelerating and cruising.

dual-energy source；pure electric vehicles；energy management；logic threshold

U461.2

：A

：1672-545X（2017）01-0119-04

2016-10-06

大学生创新创业训练计划资助（编号：201610593142）

叶秋艺（1996-），女，广西北流人，工学学士，研究方向为：电动汽车储能。