太阳能电动汽车复合能源系统的电路设计

周世琼 ，袁骥轩 ，宋柱梅

（深圳信息职业技术学院交通与环境学院，广东 深圳 518172）

太阳能电动汽车复合能源系统的电路设计

周世琼 ，袁骥轩 ，宋柱梅

（深圳信息职业技术学院交通与环境学院，广东 深圳 518172）

根据超级电容和铅酸蓄电池特性，提出并设计了太阳能电动汽车复合能源的电路系统，它能够实现：车辆以巡航速度行驶时由蓄电池组提供功率，而当车辆在起动、加速和爬坡时由超级电容和蓄电池组一起提供功率。通过仿真结果表明，本文提出的既简单又经济的超级电容和蓄电池并联的优化电路系统能够实现车辆能源的合理利用。

太阳能电动汽车；复合能源系统； 电路设计

引言

传统汽车在使用化石燃料的时候不仅造成环境污染，同时由于排放大量的温室气体而产生“温室效应”，引起全球气候变化。据统计，平均每人每年要释放2吨CO2，每人驾驶汽车又增加释放1吨CO2，全人类每年就要增加排放200亿吨 CO2。而CO2的排放是全球变暖的最主要因素[1]。预计每十年地球的温度就会升高0.1～0.26℃，一个世纪就会升高1～2.6℃，南北极的温度上升更高[2]。太阳能电动汽车（Solar Energy Electric Vehicle，简称SEEV）是一种节约石油资源、无污染的理想“零排放”汽车，并可加大非石油资源的利用率，无疑是解决上述问题的有效途径，因此受到了广泛的关注和重视。而研究太阳能电动汽车的关键技术之一就在于合理地设计其复合电源系统的电路。

文献[3-10]对超级电容或超级电容—蓄电池复合电源系统做了一些研究，并取得了相关的进展，文献[11]开发了一种经济实用的新型超级电容－蓄电池复合电源电动车控制系统，文献[12]设计了基于直流有刷电机的复合电源系统并做了相关实验。超级电容－蓄电池复合能源系统的的能源利用策略如图1所示，在该系统中，超级电容满足车辆峰值功率的需求，蓄电池提供给车辆巡航速度行驶时相对较小的功率需求，当车辆行驶在较低需求功率时，蓄电池通过限流装置给超级电容充电以备峰值功率的需求。

图1 超级电容—蓄电池复合能源能量利用策略Fig.1 The energy utilization strategy of hybrid power system for solar electric vehicle

超级电容和蓄电池通过接口电路连接至直流母线，当车辆起动、加速和爬坡时超级电容与蓄电池并联供电，当车辆制动时，将电机回馈能量（如果电机有回馈的功能）存储于超级电容中，从而达到提高电动汽车续驶里程的目的。超级电容－蓄电池复合电源系统现在还没有一个公认的最优组合拓扑结构，另外，如何对复合能源系统的能量进行优化管理，实现最优的充放电控制，这些方面还需要继续进行深入的研究。目前，国内对超级电容－蓄电池复合能源系统的设计及控制基本上还处于起步阶段。

本文将针对超级电容与蓄电池组成的复合能源系统，从系统结构、连接电路、合理匹配、系统设计及在太阳能电动汽车上的应用等方面进行研究。

1 复合能源系统的结构

太阳能电动汽车复合能源系统主要由光伏电池、最大功率跟踪器、超级电容、铅酸蓄电池组、电机驱动控制器和电动机组成，其结构简图如图2所示。

图2 太阳能电动汽车发电系统结构图Fig.2 The energy system structure of solar electric vehicle

由上图可知，超级电容/蓄电池的连接电路是太阳能电动汽车复合能源系统的主要电路之一。在太阳能电动汽车系统中，车辆行驶时的主要能量由蓄电池提供，而超级电容在起动、加速和爬坡时提供瞬时大功率。这样既可以充分利用太阳能也可以避免蓄电池频繁地工作在大电流放电状态，避免蓄电池因为大电流放电而出现硫酸盐化效应，减少其使用寿命。换句话说，由蓄电池组和超级电容联合供电系统可以在保证系统更加可靠地为太阳能电动汽车提供能量，同时延长了蓄电池的使用寿命[13-15]。下面分别对超级电容/蓄电池连接电路进行分析、仿真设计和硬件设计。

2 复合能源系统电路设计

[14]把超级电容/蓄电池连接电路分三种，分别是简单并联方式，带有二极管和旁路开关的并联方式，带有DC/DC变换器的并联方式。下面分别依次对这三种电路进行分析。

蓄电池和超级电容最简单的连接方式是把二者直接并起来，如图3所示。

图3 简单的连接电路Fig.3 The simple connection circuit

然而，对于图3所示的超级电容/蓄电池简单的并联电路结构，对于避免蓄电池频繁大电流放电的作用并不大。超级电容在某些程度上减少了蓄电池的大电流放电，但蓄电池的工作电流仍然不稳定，而且为了接收来自光伏电池的一部分能量蓄电池的SOC(State of Charge)必须低于80%。

为了“尽可能多”地利用太阳能，同时有效地防止蓄电池频繁地工作在大电流放电状态，超级电容和蓄电池的连接电路方式可以如图4所示。

图4 带有二极管和旁路开关连接电路Fig.4 The connection circuit with diode and bypass switch

在图4所示的超级电容/蓄电池并联复合能源系统中，因为直流电机的控制器的工作电压在42～58V之间，所以超级电容两端的电压可以从光伏电池输出的最大电压值58V变化到蓄电池两端的放电终止电压42V（系统的额定电压为48V）。在光伏电池给超级电容充电的过程中，二极管D阻止了光伏电池的电流，所以超级电容将吸收所有来自光伏电池的能量，超级电容两端的电压增加。当超级电容电压大于蓄电池两端电压，即，超级电容将提供车辆行驶需要的全部电流，直到超级电容电压与蓄电池两端的电压相等。当时，车辆行驶过程中所需能量由超级电容和蓄电池共同提供。开关S2和电阻R是为车辆停止时光伏电池通过超级电容给蓄电池充电准备的。当阳光充足，且车辆行驶在正常工况下，开关S3断开，光伏电池组件给超级电容充电，以备下一个峰值功率到来时使用。如果没有太阳能或太阳能不足以单独满足车辆峰值功率需求时，开关S3闭合，由蓄电池单独或和光伏电池一起给超级电容充电，直至对图4所示电路的基本功能可以总结如下：

首先，超级电容吸收所有来自光伏电池的电流，当没有太阳能的时候，此时开关S3闭合，由蓄电池给超级电容充电；

最后，因为蓄电池不需要吸收光伏电池发出的能量，其SOC不需要保持在100%以下，当给蓄电池充电时可以一次充满。

给蓄电池充电满足以下条件：

第一，开关S1要闭合，为了形成充电回路；

第二，光伏电池发出的电能大于0；

第三，车辆停止，这个条件是为了保护开关S1，它仅在给蓄电池充电的时候闭合，这时流过开关S1的电流相对车辆行驶时峰值功率点的电流要小，车辆在行驶过程中S1是断开的；

图5所示的超级电容/蓄电池连接电路是在超级电容和蓄电池之间加了一个DC/DC变换器。

图5 带有DC/DC变换器的连接电路Fig.5 The connection circuit with DC/DC converter

对比上述的三种类型的电路，图3所示电路结构最简单，但是超级电容没有发挥最大效能，图5所示电路超级电容可以发挥最大效能，但是DC/DC变换器昂贵的价格和耗能大等缺点限制了其广泛的应用。综合考虑电路的结构相对简单性和系统的较优的价格，选择图4所示的电路作为超级电容/蓄电池的连接电路更合适。

3 复合能源系统电路仿真

本文设计的太阳能电动汽车使用超级电容和铅酸蓄电池作为复合能源元件，是充分利用了二者的长处，避免了单独使用二者之一带来的弊端。当使用这个复合能源系统时，在牺牲铅酸蓄电池较低的功率密度情况下利用了它的较高能量密度的特点。相反，超级电容是在牺牲了它较低的能量密度情况下，而利用了其较高功率密度的特点。在太阳能电动汽车复合能源系统中，光伏电池、超级电容和铅酸蓄电池连接电路如图6所示。

图6 光伏电池/超级电容/蓄电池复合能源系统连接电路Fig. 6 The hybrid energy system connection circuit for PV / ultracapacitor / battery

在图6中，D1是防反充二极管，它防止没有太阳辐射的时候超级电容或蓄电池给光伏电池充电造成光伏电池损坏。当太阳能充足时，D2可以阻止光伏电池给蓄电池充电以至于所有的光伏电池发出的电能均被超级电容吸收。当车辆以巡航速度行驶的时候，驱动车辆所需要的电能由蓄电池单独提供，开关S3断开，超级电容接受光伏电池的充电，如果车辆由于起动、加速需要一个峰值功率，这时S3迅速闭合，超级电容和蓄电池一起提供车辆行驶的功率。当车辆停止时，光伏电池给蓄电池充电，S1闭合，为了保护开关S1，使用开关S2和R给超级电容放电至其两端电压和蓄电池端电压相等。超级电容在满足一个峰值功率需求后电压有一个较大的下降，为了充分利用太阳能避免蓄电池给超级电容充电，在设计电路时加了一个二极管D3。开关S4只有在没有阳光的时候，需要蓄电池给超级电容供电时闭合。

太阳能电动汽车的能量流动策略如图7所示。

太阳能电动汽车能量流动的策略说明如下：

（1）在车辆的峰值功率需求（≧3kW）期间，超级电容通过D3和闭合的S3满足车辆峰值功率的需求，而车辆的额定功率仍由蓄电池提供;

（2）在车辆的低功率需求（<3kW）期间，S3和S4均断开，超级电容吸收光伏电池发出的全部电能以备下一个峰值功率需求到来时使用，而此时，车辆行驶所需功率单独由蓄电池提供;

（3）当没有太阳光的时候，蓄电池一边给电机负载供电，一边通过闭合的S4给超级电容充电;

（4）为了保护开关S1，当车辆停下来后，使用S2和R给超级电容放电，使其两端电压降到和蓄电池的端电压相等，这时蓄电池和超级电容一起吸收光伏电池发出的电能。这种情况下，开关S1和S4都是闭合的。

图7 太阳能电动汽车的能量流动策略Fig.7 The energy flow strategy of solar electric vehicle

下面分别分析没有太阳光和有太阳光两种情况下太阳能电动汽车能源利用情况。首先分析没有太阳光的情况，图8所示为光伏电池没有电能输出的时候蓄电池一边给电机负载供电，一边通过闭合的S3给超级电容供电的等效电路图。

图8 无太阳能时超级电容/蓄电池并联结构的等效电路Fig.8 The equivalent circuit of ultracapacitor / battery parallel structure without solar energy

如果在图8所示的电路中的元件参数已知，这个等效电路可以模拟各种类型的负载特性。无太阳光时等效电路中各元件的参数如表1所示。图9为没有太阳光的情况下输出一个常数电流脉冲的仿真结果。

表1 无太阳光时等效电路中元件的参数Tab.1 The parameters of the equivalent circuit without solar energy

在图9中，(a)是电路的输出为常数电流脉冲，(b)是超级电容提供的电流，(c)是蓄电池提供的电流，而(d)是超级电容两端的电压变化特性曲线。

图9 无太阳光时超级电容/蓄电池并联系统的放电波形Fig.9 The discharge waveform of super capacitor / battery parallel system without solar energy

从图9中可以看出，随着超级电容的放电电流的减小，蓄电池的放电电流相应逐渐增大。超级电容在 到 的时间内放电，而在 到 时间内蓄电池给超级电容充电。在 时间间隔内，超级电容的电流 随时间的变化可以用下式表达：

从t1到t2，假定超级电容经过充电其电压值与蓄电池两端的电压值相等，这时iUC的表达式变成：

从t2到t3，表达式为：

表2 有太阳光时等效电路中元件的参数表Tab.2 The parameters of the equivalent circuit with solar energy

图10 有太阳光时超级电容/蓄电池并联系统的等效电路Fig.10 The equivalent circuit of ultracapacitor / battery parallel structure with solar energy

假定光伏电池组件足够多，在阳光充足的情况下总是能够在很短的时间内把超级电容充满，即在超级电容放电之前其电压总是在57V附近（因为光伏电池电压为58V,反向二级管的电压降为1V）。当太阳光充足时，图10所示为光伏电池有电能输出的时候，当车辆峰值功率需求还没有到来时，开关S3断开，超级电容吸收光伏电池发出的电能直至其充满为止。当峰值功率到来时，开关S3闭合，由超级电容和蓄电池共同满足负载的功率需求。把光伏电池组件等效成一个电压源和一个电阻的串联[16]，当阳光充足时等效电路如图10所示，其中各元件的参数如表2所示。图11为该情况下输出一个常数电流脉冲的仿真结果。

如图10所示，只要超级电容电压 大于蓄电池电压 ，UC将保护蓄电池免受峰值电流冲击，从图11的仿真结果可以看出，随着超级电容的放电电流的减小蓄电池的放电电流相应逐渐增大。超级电容在t2到t3的时间内一边放电一边接受光伏电池的充电，而在 到 时间内光伏电池给超级电容充电。在时间间隔内，超级电容的电流 随时间的变化如下式：

从t1到t2，假定超级电容经过充电其电压值与蓄电池两端的电压值相等，这时的表达式变成：

图11 有太阳光时超级电容/蓄电池并联系统的放电波形Fig.11 The discharge waveform of super capacitor / battery parallel system with solar energy

从t2到t3，这时是光伏电池给超级电容充电，

从上述仿真结果来看，与单独由蓄电池满足负载需求情况相比，超级电容和蓄电池并联的复合能源系统中，即使没有太阳光，超级电容也能在负载的峰值功率到来时提供接近三分之一的电流。当阳光充足时，超级电容的能量完全来自免费的太阳能，当负载的峰值电流需求到来时，超级电容提供超过三分之二的电流。这两种情况，超级电容都能够在负载的峰值功率需求到来时提供很大一部分的电流，避免了蓄电池的大电流放电，进而避免蓄电池的硫酸盐化现象，延长了蓄电池的寿命。

4 复合能源系统的应用

把上面设计的复合能源系统电路应用于广州东方电器亿威电动车部生产的EVG-222型电动车上，主要包括三个实验：纯电动汽车的起动加速实验、阳光不足时的太阳能电动车起动加速实验和阳光充足时的太阳能电动汽车的起动加速实验。

太阳能电动汽车样车的基本参数总结如下：

（1）车辆满载质量：630kg

（2）滚动阻力系数：0.015

（3）空气阻力系数：0.20

（4）迎风面积：1.94

（5）车轮半径：0.24m

（6）电机：3kW 的串励直流电机其最大输出功率为：10.5 kw

（7）蓄电池组：6 8V铅酸蓄电池其型号：8V145Ah8EP

（8）最大速度：35km/h

（9）平均速度：14km/h

（10）总的传递效率：80%

（11）经过升压电路升压后的光伏电池输出电压60V

（12）系统电压：48V

蓄电池的最小荷电状态为30%，则蓄电池能够正常工作的荷电范围为：。其中为蓄电池组的额定荷电量。

当太阳能辐射强度较小，因为光伏电池组件必须克服内部的损耗其输出的功率的计算值为负，在实际使用过程中为了避免在没有太阳光或辐射强度很小时超级电容给光伏电池反向充电，在光伏电池组件的输出电路上连接一个反向二极管，此时光伏电池组件的输出功率为0。

实验目的：为了验证本文的优化结果应用到太阳能电动汽车上对车辆起动加速性能的改善。

图12是实验样车的实物图。图13是实验时太阳能辐射强度（数据为每0.004s采样一次），因为实验时间不到15分钟，温度变化的影响可以忽略不计，即T=21(℃)。图14，图15和图16是车辆从速度为0被加速到最大速度35km/h时，超级电容和蓄电池组输出的电压和电流值（数据为每0.004s采样一次），初始状态时蓄电池组荷电状态SOC=0.6，超级电容的电压为48V。图14是没有光伏电池+超级电容的“纯”电动汽车的起动加速实验结果，这里车辆行驶过程中所需功率全部由蓄电池组提供。图15是在图13所示的太阳能辐射强度下，光伏电池+超级电容和蓄电池组共同提供能量时的车辆起动加速实验结果。图16是断开光伏电池组件时，由超级电容和蓄电池共同提供能量的起动加速实验结果曲线。

图12 实验样车Fig.12 The experimental prototype

图13 太阳能辐射强度Fig.13 The solar radiation

图14 仅使用蓄电池组的起动加速实验结果Fig.14 The results of starting acceleration test only using battery

图15 同时使用光伏电池、超级电容和蓄电池组时车辆的起动加速实验结果Fig.15 The experimental results of vehicle starting and acceleration at the same time using photovoltaic cells, super capacitors and batteries

图16 使用超级电容和蓄电池组时的起动加速实验结果Fig.16 The results of starting acceleration test using super capacitor and battery

从图14，图15和图16的结果可以得出以下结论：

（1）当蓄电池组单独提供能量时蓄电池最大电流可达到180A，这样对蓄电池的寿命和可用容量损耗比较大，电压下降开始时下降较多，后来逐渐恢复；

（2）阳光充足时，光伏电池可以使超级电容的容量充满。实验结果表明，超级电容的电压下降比较多，当峰值功率到来时由超级电容提供140A以上的峰值电流，这样蓄电池的最大放电电流就大大减小，从而保护蓄电池免受大电流放电引起的盐酸硫化等现象；

（3）当断开光伏组件时，可以理解成没有阳光或阳光不足，由蓄电池给超级电容充电，因为本文中为了简化电路降低损耗，在蓄电池和超级电容间没有升压变化器装置，所以超级电容的最大放电电流为40A左右，这在一定程度上也保护了铅酸蓄电池组免受大电流放电的冲击。

5 结论

本文针对太阳能电动汽车在行驶过程中的受力情况，把车辆的随机载荷分解为平均载荷和动态载荷两种。根据超级电容和铅酸蓄电池的特点制定了太阳能电动汽车的能源利用策略。为了充分利用实验资源，根据太阳能电动汽车的特点，本文提出并设计了一个相对简单的超级电容/蓄电池并联电路结构，它既能实现太阳能的充分利用又能避免铅酸蓄电池的大电流放电。大大提高了复合能源系统的经济性能和实用性。

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The Circuit Design of Hybrid Power System for Solar Electric Vehicle

ZHOU Shiqiong, YUAN Jixuan, SONG Zhumei
（School of Traffic and Environment, Shenzhen Institute of Information Technology, Shenzhen 518172 , P.R.China）

A novel and simple circuit of HPS is designed to realize the basic strategy: to use an ultracapacitor to process all PV energy and m ost of the peak current. H owever, since the battery has a much higher energy dens ity than the ultracapacitor, it is used to supply power when vehicle run on cruise speed. Both UC and battery supply the driving power for vehicle start-up, acceleration and climbing.The results of simulation show that the proposed novel and simple circuit, which combines UC and battery bank in parallel, can realize the reasonable energy use of vehicle.

solar electric vehicle；hybrid power system；circuit design

TM912

：A

1672-6332（2017）01-0001-08

【责任编辑：杨立衡】

2017-02-23

2016年深圳市科技计划基础研究项目（JCYJ20160307101647019）；东莞市引进创新科研团队 （2014607119）；2015年深圳市科技计划基础研究项目（JCYJ20150626102255212）

周世琼（1976-），女（汉），河南信阳人，博士，副教授,主要研究方向：新能源汽车、能量变换与管理。E-mail：928810140@qq.com