电动汽车混合电源系统及其能量管理策略研究

1 引言

随着科学技术的发展和社会经济水平的提高，汽车行业也得到了飞速的发展，汽车的购买数量逐年增加。但随之而来的影响是，社会不仅面临着能源危机，而且造成了一系列的环境问题。近年来，各国大力发展电动汽车技术很大程度的缓解了这一问题[1]。

与传统车辆相比，电动汽车具备节能环保的特点，使其成为汽车行业发展的必然趋势。电动汽车的能量供应主要是车载电池。但是因为车载电池的使用寿命有限，使得电动汽车续航里程较短，成本过高，严重限制了电动汽车行业发展的步伐[2]。近年来超级电容因为能储存大量电荷，充放电速度快的特点得以迅速发展，能够在电动汽车需求功率较大时提供足够高的峰值电流，制动时吸收回馈能量[2]。将超级电容作为蓄电池的辅助电源，能够弥补电动汽车对大功率的需求[3-5]。蓄电池和超级电容的组合作为电动汽车电源，既保证了电动汽车的续驶里程，又能保证汽车具有良好的加速和制动的性能，实现了超级电容对蓄电池的“削峰填谷”，延长锂电池寿命，提高电动汽车动力性能。文献[6，7]是用传统线性控制的功率分配策略，其稳定性较差。较常见的功率分配策略有逻辑门限值控制策略和模糊控制策略[8]，两者均为基于规则的功率分配策略[9]，控制规则较固定，不能及时的适应运行状态变化的需求。

基于此，本文在分析了电动汽车运行状态对电源系统要求，考虑采用超级电容作为辅助电源，与蓄电池并联组成电动汽车的主动式混合电源，共同为电动汽车动力系统提供驱动能量。提出一种基于运行过程中需求功率变化的混合控制策略，从而更合理的进行能量分配，及时做出动态调整，更好的适应了电动汽车工作模式的变化。并通过simulink仿真验证了提出的功率分配策略的有效性。

2 混合电源系统结构及原理分析

2.1 混合电源系统结构

电动汽车混合电源系统主要由蓄电池、超级电容和功率分配器组成，其中功率分配器主要包括两个DC/DC变换器和能量管理系统。本文采用超级电容并联蓄电池主动式结构，能够更好的控制超级电容和蓄电池的输出。蓄电池通过单向DC/DC2变换器连接至直流母线上，超级电容通过双向DC/DC1变换器连接在直流母线上，两者采用并联连接。能量管理系统根据不同时刻车速信息得出需求功率信息，结合超级电容荷电状态(SOC)大小的判断来控制双向DC/DC1变换器的导通，从而控制超级电容能量的输出。本文只分析混合电源的能量分配管理，而不研究电机部分。系统简化结构如图1所示。

图1 混合电源系统结构

图1中，Pbatt为蓄电池的输出功率，PSC为超级电容的输出功率，Pload为车辆需求功率。三者之间有以下关系：

Pbatt+Psc=Pload

(1)

即负载需求功率时刻与蓄电池和超级电容的输出功率之和保持平衡。

2.2 混合电源工作模式分析

电动汽车在城市道路运行过程中，需要频繁加减速以及启停。电动汽车的运行状态可分为驱动状态和制动状态两个部分，驱动状态下工作模式又可以详细分为蓄电池单独供电、蓄电池和超级电容共同供电。制动状态下工作模式为超级电容回收制动能量，从而达到能量高效利用的目的。

1)当车辆平稳运行时，蓄电池单独提供需求功率，此时

Pbatt=Pload

(2)

Psc=0

(3)

2)当车辆加速度较大时，此时车辆需求功率较大，蓄电池和超级电容共同提供所需功率，满足以下关系

Pbatt+Psc=Pload

(4)

3)当车辆减速行驶时，为减少蓄电池的大电流冲击以及充放电次数，再生制动能量由超级电容吸收。此时

Pload=Psc

(5)

4)为避免超级电容因过度充电而受损，当充电量达到上限时，系统的回馈能量由并联的能耗电阻消耗

Pload=PR

(6)

3 系统主电路和功率分配策略

本文针对所研究的电动汽车复合电源的结构提出了一种混合控制策略。对超级电容输出控制采用基于车速的功率电流控制，从而达到超级电容对电动汽车不同工作模式下的需求功率做出快速响应，减少了蓄电池冲击以及充放电次数，从而延长了蓄电池的寿命和车辆的续驶里程；对蓄电池输出控制采用传统的电压电流双闭环控制，从而既控制蓄电池的输出，又稳定了直流母线电压。

3.1 主电路分析

把超级电容简化等效为一个电容串联电阻的模型，等效电路如图2所示。图2中USC为超级电容的开路电压，CSC为超级电容的等效电容，R1为超级电容的等效串联电阻。电感L1、开关管S1和S2构成双向DC/DC1变换器。IL1、IL2为电感L1和L2的电流。R2为制动电阻。电感L2、开关管S3和S4构成单向DC/DC2变换器。S5-S8和电机M构成H桥型逆变器和无刷直流电机系统。

图2 混合电源等效电路

对等效电路建立状态空间平均方程

(7)

(8)

(9)

以上方程中，参数θ1、α1、α2按照给定的规则取值：

1)DC/DC1变换器工作在Boost模式时，θ1=1，α1=1-d1，开关S1工作在开关状态，S2断开，d1为Boost模式下DC/DC1变换器的占空比。

2)DC/DC1变换器工作在Buck模式时，θ1=-1，α1=d1’，开关S2工作在开关状态，S1断开，d1’为Buck模式下DC/DC1变换器的占空比。

3)DC/DC2变换器仅工作在Boost模式，此时，α2=1-d2，开关S3工作在开关状态，S4断开，d2为Boost模式下DC/DC2变换器的占空比。

3.2 混合电源系统的控制策略研究

3.2.1 控制系统1的控制策略

根据车辆本身具体参数和车辆行驶过程中的滑行阻力和加速阻力来估算车辆需求功率[10]。需求功率由式(10)得

P=[(A+B·v+C·v2)+m·a]·v

(10)

式(10)中，v是车速，km/h；m是整车质量，kg ；a是车辆加速度，m/s2；A、B、C均是通过拟合得到的结果，在本文研究中A、B、C的取值分别为141.94、0.30831、0.03047。假设行驶过程中坡度为0。

该控制系统的目的是通过判断需求功率和超级电容SOC的值，自动切换DC/DC1变换器的工作模式，从而使得超级电容对需求功率做出及时的响应。通过跟随电感电流参考值来控制超级电容的放电电流，充分发挥电池能量密度大、超级电容功率密度大的优点，并且通过控制电感电流从而限制蓄电池的放电电流，达到超级电容对电池的保护作用。系统控制流程图如图3所示。

图3 系统控制流程图

图3中，P为车辆的需求功率信号；SOCSC为超级电容的剩余荷电状态。电容电压达到满电电压的一半视为电量耗尽，则超级电容SOC的有效工作区间为[0.25，1]。采用式(11)开路电压法计算SOCSC：

(11)

当需求功率时，需求功率较大。此时仍需判断超级电容荷电状态SOC是否大于0.25。当SOCSC>0.25时，超级电容和蓄电池共同参与供电；当SOCSC<0.25时，视为超级电容能量耗尽，超级电容不工作。当需求功率P>0且P<Peq时，蓄电池单独供电。当需求功率P<0时，电动汽车制动产生回馈能量，根据本文控制策略要求，超级电容吸收全部制动能量，而蓄电池不回收能量。为了避免超级电容因过度充电而受损，设置其SOCSC最大值为0.95。如果蓄电池荷电状态满足SOCSC<0.95，超级电容回收制动能量；如果SOCSC超出这个范围，超级电容没有足够空间回收制动能量，此时制动电阻R2消耗制动能量。

在确定的工作模式下，超级电容工作在电流跟踪模式。超级电容的电流始终跟踪电流参考值，从而保证了超级电容能够对工作模式变化过程中功率需求做出快速响应。功率电流控制框图如图4所示。

图4 DC/DC1控制框图

3.2.2 控制系统2的控制策略

当P<Peq时，车辆运行所需功率较小，车辆处于较平稳运行状态，由蓄电池单独提供汽车所需能量。控制系统2 的目的是在低功率平稳运行时通过控制蓄电池的放电过程，从而稳定直流母线电压。对DC/DC2变换器的控制采用电压电流双闭环控制。通过控制电感电流，来控制蓄电池的放电电流，从而使直流母线电压稳定，以达到汽车平稳运行。对于本文所提出的控制策略，蓄电池仅正向提供能量，而不反向回收能量，控制策略框图如图5所示。

图5 DC/DC2控制框图

4 仿真分析

为了验证本文提出的混合电源控制策略是否可行，在MATLAB/simulink环境下搭建电动汽车混合电源系统模型。电动汽车多被用于城市道路中，故选用新欧洲循环工况NEDC(the new european driving cycle)对所提出的控制策略进行仿真验证。本文选用轻小型电动汽车作为研究对象，直流母线电压300 V。本文只分析混合电源的能量分配管理，而不研究电机控制部分，为了简化分析，电动汽车回馈制动时，用一个固定电源代替发电机。电动汽车仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

图6是电动汽车复合电源在所提出的控制策略下的仿真结果。图6(a)是直流母线电压随着运行状态不断变化的波形图。图5(b)是蓄电池电流波形图。图6(c)是超级电容电流的波形图。文献[6，7]采用传统线性控制的功率分配策略，因超级电容以及功率变换器等均为非线性器件，会影响系统的稳定性，当车辆平稳运行时电压波动较大。同时较常用模糊控制是基于规则的控制，控制规则较为固定，输出能力有限，对电动汽车需求功率的变化不能实时的做出响应。本文所采用的功率电流控制和闭环控制相结合的混合控制策略，属于非线性控制，平稳运行时直流电压波动较小，一定程度上提高了系统的动态稳定性，当需求功率较大时，能够及时的跟踪功率变化从而做出及时响应。由图可知当蓄电池单独供电时，电压值波动较小，基本稳定在300 V，此时电动汽车的运行较稳定，当汽车进入加速或者爬坡等大功率运行状态时，超级电容立即参与供电，为汽车的运行提供瞬时大电流响应，电流变化幅度较大，此时直流母线电压明显上升。仿真结果表明，电流波形能够准确跟随参考电流，车辆在大功率需求时，超级电容加入供电，充分发挥了超级电容功率密度大的特点，短时间内紧随运行状态变化而变化，能够及时进行功率补偿。流过蓄电池的电流明显降低，有效减少了蓄电池的冲击。回馈制动时，超级电容和制动电阻吸收全部的制动能量，有效减少了蓄电池的充放电次数。在车辆运行过程中。超级电容能够起到明显辅助电源的作用。

图6 电动汽车运行过程仿真结果

图7和图8分别是超级电容和蓄电池的SOC变化情况。超级电容能量密度低，端电压随着能量的减少降低幅度较大，蓄电池能量密度较大，同时因为辅助电源-超级电容响应大功率需求，使得蓄电池的端电压变化较小，荷电状态(SOC)下降也比较平缓。基于此特点，超级电容优先吸收电动汽车减速或制动时产生的回馈能量，若超级电容SOC高于上限值，则制动能量由制动电阻消耗。

图7 超级电容SOC变化

图8 蓄电池SOC变化

5 结论

本文分析了电动汽车复合电源各个运行模式，提出了一种基于车速变化的功率电流控制和闭环控制相结合的一种混合功率分配策略。并在MATLAB/simulink中搭建电动汽车复合电源的仿真模型，对所提出的混合控制策略进行仿真验证，得到以下结论：

1)本文所提出的混合电源控制策略能够满足不同时刻电动汽车对不同功率的需求。

2)蓄电池单独供电时，直流母线电压基本稳定，能够满足电动汽车平稳运行时对动态稳定性的要求。

3)电动汽车需求功率较大时，超级电容加入供电，能够对瞬时大功率需求做出及时的响应。

相较于蓄电池单独供电，超级电容的加入，对蓄电池能够起到“削峰填谷”的作用。由于超级电容的加入有效缓解了大电流对蓄电池的冲击，减少了充放电次数，从而延长蓄电池寿命和电动汽车的续驶里程。