基于逻辑门限的混合动力客车复合电源分析*（续1）

钱超 冯国胜 张小荣

（石家庄铁道大学）

在雾霾日益严重和石油资源紧缺的今天，汽车的节能减排已经成为一个被越来越重视的问题。由于电池技术还没有历史性突破，混合动力汽车成为汽车节能减排的最佳方案之一，其通过电机辅助发动机工作，使发动机处于高效工作区，不仅减小了油耗，而且能够有效地改善排放[1]。作为辅助能源的蓄电池，其功率密度低且循环寿命较短等问题影响着混合动力汽车的发展。超级电容的兴起，给混合动力汽车电源系统的改进指明了新的道路。超级电容具有比功率大、迅速充放电及循环寿命长等优点。将蓄电池-超级电容复合电源作为混合动力汽车的辅助能源，既能提高汽车的性能，又能有效地保护蓄电池[2]。文章基于逻辑门限能量分配策略，结合超级电容高比功率和蓄电池高比能量的特点，建立新型超级电容-蓄电池复合电源模型，达到提高电源系统性能的目的。

1 复合电源结构分析

复合电源系统中蓄电池和超级电容的连接形式为并联结构。蓄电池为主电源，超级电容作为辅助电源。利用超级电容比功率和循环寿命长等优点，在混合动力汽车起步、爬坡、加速及制动等大电流工况下工作，起到“削峰填谷”的作用，进而保护蓄电池[3-5]。

由于蓄电池和超级电容的工作特性不同，所以它们之间需要连接双向DC-DC转换器来控制其间的能量分配[6]。文章中铅酸蓄电池为主要能源，其电压变化范围较小，电压下降较慢，所以不用DC-DC转换器进行调节。而超级电容的输出特性变化比较快，比能量低，输出电压下降很快，输出特性需要DC-DC转换器进行调节。因此采用蓄电池和超级电容并联，超级电容与DC-DC转换器采用串联布置形式，这种结构中蓄电池直接对电机输出功率，输出效率高。超级电容通过DC-DC转换器检测蓄电池电压，并调节自身端电压与蓄电池进行匹配，这种结构比双DC-DC布置形式结构相对简单，而且蓄电池电压变化比较平缓容易控制，又能起到保护蓄电池的作用。

2 复合电源需求功率分析

复合电源功率需求为：蓄电池提供平均需求功率，超级电容提供峰值功率。根据GB/T19754—2005《重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法》中的中国典型城市公交循环数据，建立CHINAURBAN循环工况，如图1所示[7]。其循环时间为1 307 s，最高车速为60 km/h，汽车行驶距离为5.9 km。根据建立的循环工况，利用ADVISOR计算出复合电源需求功率，如图2所示。

图1 中国重型混合动力汽车城市循环工况图

图2 中国重型混合动力汽车城市循环工况复合电源需求功率

图3示出复合电源需求能量计算程序。根据该工况的需求功率，先判断功率的正负，之后对其进行积分，即可得到该循环工况下的总需求能量，并计算出该工况下的平均需求功率，结果如表1所示。从表1可以看出，复合电源的平均需求正功率取10 kW，平均需求负功率取-10 kW。

图3 重型混合动力汽车复合电源需求能量计算程序

表1 CHINAURBAN工况对复合电源的需求功率

3 复合电源建模

3.1 超级电容建模

由于ADVISOR中的超级电容模型的默认参数为ess_name，其变量命名和蓄电池的变量是相同的，因此为了避免复合电源中的变量冲突，需要将超级电容的变量全部用ess2_name来替换。超级电容模型，如图4所示。

图4 重型混合动力汽车超级电容仿真模型图

3.2 DC-DC转换器建模

ADVISOR软件中没有DC-DC转化器模块，需要基于MATLAB/Simulink建立其仿真模型。根据仿真要求，只需要建立DC-DC传递功率的数学模型。按照功率守恒原则来搭建其数学模型，即输出功率等于输入功率与DC-DC传递效率的乘积。图5示出DC-DC转换器转换效率曲线[8]。由图5可知，其效率值为蓄电池和超级电容端电压比值和输入功率的二次函数，所以利用Simulink中的二次插值函数建立DC-DC转换器模型。表2示出DC-DC传递效率二次插值查询表。

图5 重型混合动力汽车DC-DC转换器转换效率曲线

表2 DC-DC传递效率二次插值查询表

根据图5和表2建立的DC-DC转换器模型，如图6所示。

图6 重型混合动力汽车DC-DC转换器仿真模型图

3.3 制定复合电源控制策略

3.3.1 复合电源工作模式分析

复合电源由超级电容和蓄电池组成，利用超级电容大功率密度和蓄电池大能量密度的特点，以其寿命最优为控制目标，制定不同的工作模式，具体的工作模式如下。

1）蓄电池单独工作模式。此模式下，汽车行驶在功率要求比较小的匀速或加速工况，这种工况对功率需求较小，能量需求较大，可发挥蓄电池大能量密度的特性，因此蓄电池单独驱动。

2）蓄电池和超级电容共同工作模式。汽车处于急加速、爬大坡及重载工况下，蓄电池的最大功率不能满足功率要求，超级电容不能满足驱动能量要求，需要以蓄电池和超级电容的电池荷电状态（SOC）为控制目标来共同驱动汽车运行。另一种情况是：当超级电容单独驱动汽车并且其能量不足以满足能量需求时，也需要蓄电池介入共同驱动。

3）超级电容单独工作模式。汽车处于轻载、短时间加速及爬缓坡等对电源系统功率要求比较高的工况下，该工况电源系统短时间功率要求大，能量要求小，为了避免大电流对蓄电池的伤害，充分发挥超级电容大功率密度的特点，采用超级电容单独工作模式。

4）制动再生工作模式。在汽车处于减速或下坡工况时，处于再生制动工况，电机给电源系统充电，根据SOC来分配超级电容和蓄电池的电量，并优先给超级电容充电，来避免充电大电流对蓄电池的伤害。

3.3.2 逻辑门限控制策略

根据对复合电源系统工作状态的分析，文章选择总需求功率（Pr）和超级电容荷电状态（SOCu）作为门限值来制定控制策略。利用平均正需求功率（Pav+）和平均负需求功率（Pav-）作为Pr的门限阈值。分别利用0.9和0.2作为SOCu上下门限阈值。

1）放电工况下能量分配策略。

复合电源处于放电状态时，Pr＞0，其控制策略分为3个方面。

①0＜Pr≤Pav+时，汽车处于低负荷工况，需求功率较小，不需要超级电容提供功率，因此得到蓄电池的功率（Pb）：Pb=Pr，超级电容功率（Pu）：Pu=0。

②Pr＞Pav+，且当 SOCu＞min{SOCu}=0.2 时，汽车处于较高负荷工况，由蓄电池和超级电容共同提供功率。为了避免瞬时大电流对电池的伤害，保证蓄电池放电稳定性，一般采用低通滤波法来限制蓄电池电流，低通滤波法的公式为：

式中：τ——时间常数，取τ=10。

因此，Pb=Prf（s），Pu=Pr-Pb。

③Pr＞0 且 Pr＞Pav+，当 SOCu≤min{SOCu}=0.2 时，超级电容不足以提供功率，蓄电池单独工作，即：Pb=Pr，Pu=0。

2）充电工况下能量分配策略。

复合电源处于放电状态时，Pr≤0，其控制策略分为3个方面。

①Pr≤Pav-时，汽车处于较大的能量回收情况，超级电容单独负责大功率能量回收，即：Pb=0，Pu=Pr。

②Pav-＜Pr≤0，SOCu＜max{SOCu}=0.9 时，超级电容和蓄电池共同充电，回收能量，即：Pb=Prf（s），Pu=Pr-Pb。

③Pav-＜Pr≤0，SOCu≥max{SOCu}=0.9 时，超级电容电量处于饱和状态，停止工作，蓄电池单独回收能量，即：Pb=Pr，Pu=0。

根据充放电的规则，制定的控制策略流程，如图7所示。根据流程图建立控制策略模型，如图8所示。

图7 逻辑门限控制策略流程图

图8 逻辑门限控制策略模型图

（待续）