基于均衡控制的雙電源電動(dòng)客車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 旭，夏靖武，趙苗苗

（揚(yáng)州亞星客車(chē)股份有限公司汽車(chē)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225116）

在我國(guó)政策的引導(dǎo)下，純電動(dòng)汽車(chē)正以迅猛的速度發(fā)展，尤其是在公共交通領(lǐng)域[1]。由于公交每日運(yùn)營(yíng)里程超過(guò)200km，普通充電式鋰電池需儲(chǔ)能300kW·h以上才能達(dá)到其運(yùn)營(yíng)里程；而快換式純電動(dòng)客車(chē)電池的一致性和穩(wěn)定性又得不到保證。純超級(jí)電容純電動(dòng)城市客車(chē)[2]運(yùn)行的線(xiàn)路上須有充電站臺(tái)的支撐，車(chē)輛運(yùn)行的自由度有所減弱，且基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入大；而目前雖然研究較多的能量型電池加功率型電容的結(jié)構(gòu)形式解決了制動(dòng)能量回收時(shí)電量“充不進(jìn)”的問(wèn)題，但充電慢依然無(wú)法解決[3]。

針對(duì)上述情況，本文提出一種以能量型超級(jí)電容為主要儲(chǔ)能元件（簡(jiǎn)稱(chēng)“C”），輔以一定量的功率型鋰電池（簡(jiǎn)稱(chēng)“B”），構(gòu)成“B+C”雙電源純電動(dòng)客車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，僅利用終點(diǎn)站休息的時(shí)間進(jìn)行充電的方案[4-5]，以解決純超級(jí)電容城市客車(chē)?yán)m(xù)駛里程偏短，純鋰電池客車(chē)充電慢、車(chē)輛重的問(wèn)題。

1 雙電源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 電池和電容選取比例

首先需要確定電池和電容的各自比例，其約束條件為

式中：EV是整車(chē)儲(chǔ)存的電量，kW·h；EC是超級(jí)電容儲(chǔ)存的電量，kWh；EB是鋰電池儲(chǔ)存的電量是續(xù)駛30km所需的電量值，kW·h；Tch為充電時(shí)間；Ich為充電電流，A；Uch為充電電壓，V；UB是鋰電池電壓，V；C是鋰電池的容量，Ah；UBH是電池的最高電壓，V；UCL是電容的最低電壓，V。

我國(guó)一、二線(xiàn)城市公交工況單程在20～30km之間，而12m城市客車(chē)在城市工況下，每公里所需的電量為1～1.2kW·h（滿(mǎn)載帶空調(diào)工況，電機(jī)效率有高低），所以估算大約為36kW·h。在充電時(shí)，通過(guò)程序控制，高壓配電系統(tǒng)中的IGBT切換優(yōu)先對(duì)電池進(jìn)行充電，再對(duì)電容進(jìn)行充電。由于電容和電池的充電曲線(xiàn)并不相同，所以在此僅以總電量值進(jìn)行估算[6]。根據(jù)公交運(yùn)營(yíng)工況，充電時(shí)間Tch（終點(diǎn)站休息時(shí)間）一般不超過(guò)15min，且考慮大充電電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，最大電流不宜超過(guò)300 A，由于電池的容量受到充放電電流的限制，目前功率型鋰電池的最大持續(xù)充電倍率為5C（不影響壽命情況下）。

根據(jù)以上限制條件，并綜合考慮成本因素，得到能量型電容的電量為14.4kW·h（標(biāo)稱(chēng)電壓576V），功率型鋰電池的電量為24kW·h（標(biāo)稱(chēng)電壓及容量為500 V/48 Ah），電源總質(zhì)量約為765kg，充電時(shí)間約為15min，充電電流250A。

1.2 驅(qū)動(dòng)能量均衡控制策略

該系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)由電池、電容、高壓配電系統(tǒng)、電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，如圖1所示。其基于功率的驅(qū)動(dòng)能量的均衡策略的關(guān)鍵是要做好電池和電容的匹配。

驅(qū)動(dòng)工作模式有3種[7]：

1）超級(jí)電容工作模式。在起步加速及爬坡等大功率需求時(shí)，且超級(jí)電容電量SOCC>5%的情況下；超級(jí)電容電量SOCC>70%時(shí)；鋰電池剩余電量SOCB≤20%時(shí)，超級(jí)電容單獨(dú)向整車(chē)輸出電能，鋰電池?cái)嚅_(kāi)。上述判斷條件可寫(xiě)為

式中：PV為整車(chē)需求功率；PL為限制功率。

2）鋰電池工作模式。當(dāng)超級(jí)電容電量SOCC≤70%，負(fù)載功率需求較低，且鋰電池剩余電量SOCB>20%時(shí)，由鋰電池單獨(dú)向整車(chē)輸出電能，超級(jí)電容斷開(kāi)，其判斷條件可寫(xiě)為

3）制動(dòng)能量回收模式。當(dāng)輕踩制動(dòng)器則進(jìn)入制動(dòng)能量回收模式，此時(shí)電機(jī)發(fā)出的電優(yōu)先儲(chǔ)存到超級(jí)電容中；當(dāng)電容電量超過(guò)96%時(shí)，制動(dòng)能量存儲(chǔ)入鋰電池中；如電容和電池的電量均超過(guò)96%時(shí)，電制動(dòng)關(guān)閉，直接進(jìn)入機(jī)械摩擦制動(dòng)。

整車(chē)需求功率為[8]

式中：ua是當(dāng)前車(chē)速，km/h；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；i為坡度；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2；δ為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；m為整車(chē)質(zhì)量，kg。

影響電池壽命的關(guān)鍵因素是放電電流的大小。通常的作法是限制電池的放電電流，根據(jù)電壓高低來(lái)調(diào)節(jié)放電功率。所以用電池放電的極限功率作為整車(chē)的限制功率。

式中：IBL為電池放電極限電流，A。

2 仿真分析

以JS6840UCHQ超級(jí)電容純電動(dòng)客車(chē)為例，其參數(shù)如表1所示。

表1 JS6840UCHQ整車(chē)參數(shù)

基于Matlab/Simulink對(duì)（B+C）雙電源純電動(dòng)客車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真[9]，其中能源系統(tǒng)均衡控制策略建模如圖2所示。

將整車(chē)質(zhì)量設(shè)置為滿(mǎn)載狀態(tài)，根據(jù)文獻(xiàn)[10]進(jìn)行客車(chē)最大續(xù)駛里程的仿真計(jì)算，得到鋰電池和超級(jí)電容SOC變化曲線(xiàn)圖，如圖3所示。

由圖3可知，“B+C”雙電源純電動(dòng)客車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先由超級(jí)電容供電，超級(jí)電容SOC開(kāi)始下降，運(yùn)行1087 s之后，超級(jí)電容SOC降至70%，鋰電池開(kāi)始供電，超級(jí)電容自動(dòng)切斷，鋰電池SOC開(kāi)始下降，直到5583 s之后，鋰電池SOC只剩20%時(shí)，為了保護(hù)鋰電池壽命，鋰電池不再對(duì)外供電。由超級(jí)電容繼續(xù)給電機(jī)供電，直至超級(jí)電容電能用完，系統(tǒng)停車(chē)。

以上仿真分析表明，“B+C”雙電源純電動(dòng)客車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了控制策略的要求，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，雙電源切換自如，進(jìn)一步驗(yàn)證了雙電源能量均衡控制策略的可行性。

3 結(jié)束語(yǔ)

“B+C”雙電源系統(tǒng)的純電動(dòng)客車(chē)?yán)m(xù)駛的里程33.6km完全可以滿(mǎn)足一般公交線(xiàn)路單程行駛里程的需要。只需要在公交首末站進(jìn)行短暫充電，就可以滿(mǎn)足公交運(yùn)營(yíng)需求，充電時(shí)間大大低于純鋰電池客車(chē)，成本也大大低于同等續(xù)駛里程下的純超級(jí)電容客車(chē)，效率大大提升。因此，“B+C”雙電源純電動(dòng)客車(chē)在定點(diǎn)停泊的城市客運(yùn)中更具優(yōu)勢(shì)。

[1]國(guó)務(wù)院.（國(guó)發(fā)（2012）22號(hào)）節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）[EB/OL].中國(guó)政府網(wǎng)，（2012-07-09）[2014-03-01].http://www.gov.cn/zwgk/2012-07/09/content_2179032.htm

[2]上海奧威科技開(kāi)發(fā)有限公司.一種超級(jí)電容城市電動(dòng)客車(chē)：中國(guó)，CN101574932A[P/OL].2009-11-11.

[3]張昌利，張瑾瑾，楊盼盼.基于ADVISOR的雙能量源純電動(dòng)汽車(chē)仿真[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，6（3）：462-466.

[4]石慶升，張承慧，崔納新.新型雙能量源純電動(dòng)汽車(chē)能量管理問(wèn)題的優(yōu)化控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，（8）：137-142.

[5]Baisden,Ali Emadi.ADVISOR-Based Model of a Battery and an Ultra-Capacitor Energy Source for Hybrid Electric Vehicles[J].IEEE，2004，（11）：199-205.

[6]張昌利，張亞軍，閆茂德，等.雙能量源純電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)模糊控制與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2011，32（2）：233-238.

[7]袁義悅.基于ADVISOR二次開(kāi)發(fā)的車(chē)載復(fù)合電源參數(shù)匹配研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[8]余志生.汽車(chē)?yán)碚揫M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.3：31.

[9]王正林.Matlab/Simulink與控制系統(tǒng)仿真[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2012.1.

[10]GB/T 18386-2005，電動(dòng)汽車(chē)能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.