超級(jí)電容在雙電源電動(dòng)車中的應(yīng)用研究

毛嘉萌++王君艷

摘 要： 為了彌補(bǔ)電池作為電動(dòng)車單一電源的不足，提出一種以鋰電池作為主電源，超級(jí)電容做為輔助電源的雙電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)超級(jí)電容在電動(dòng)車不同工作條件下進(jìn)行充放電控制，輔助主電源電池工作。通過運(yùn)用Matlab/Simulink軟件仿真結(jié)果顯示，該雙電源系統(tǒng)可以有效減小鋰電池充放電電流，起到保護(hù)電池，提高電池壽命的作用，并且能夠回收電動(dòng)車制動(dòng)能量。

關(guān)鍵詞： 超級(jí)電容； 雙電源； 電動(dòng)車； Matlab/Simulink

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）10?0144?04

由于環(huán)境污染和石油危機(jī)的雙重壓力，電動(dòng)車已經(jīng)逐漸成為人們生活中一種重要的綠色交通工具[1]。目前較為廣泛應(yīng)用的電動(dòng)車供電介質(zhì)有燃料電池、鋰電池、超級(jí)電容等，而目前市場(chǎng)上主流應(yīng)用的是鋰電池。鋰電池具有高能源效率、高能源密度、比能量高、自放電小、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)[2?3]。由于鋰電池的壽命受到溫度的影響較大，當(dāng)進(jìn)行大電流充放電時(shí)，溫度會(huì)急劇上升，從而降低其使用壽命。超級(jí)電容是一種介于電池和靜電電容器之間的儲(chǔ)能元件，具有比靜電電容器多的能量密度和比電池高得多的功率密度，不僅適合于作短時(shí)間的功率輸出源[4]，而且還可以利用它比功率高、比能量大、一次儲(chǔ)能多等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)車啟動(dòng)、加速和爬坡時(shí)有效地改善運(yùn)動(dòng)特性[5?6]。此外，超級(jí)電容還具有內(nèi)阻小，充放電效率高（90%以上）、循環(huán)壽命長(zhǎng)（幾萬(wàn)至十萬(wàn)次）、無(wú)污染等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[7]。電動(dòng)車在行駛過程中，由于頻繁地加速、減速和上下坡等原因，使得負(fù)載電流變化比較大，當(dāng)負(fù)載電流太大以至于超過蓄電池所能承受的最大放電或充電電流時(shí)，為了避免電池組過放電或過充電，需要由超級(jí)電容放電或充電，以便改善電池組的工作狀態(tài)，延長(zhǎng)其實(shí)用壽命[8]。此外，在電動(dòng)車使用超級(jí)電容器后能夠平滑動(dòng)力電池的充放電電流，動(dòng)力電池的使用壽命也可有較大延長(zhǎng)[9]。

1 雙電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 雙電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的超級(jí)電容?電池電動(dòng)車雙電源系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 雙電源系統(tǒng)拓?fù)鋱D

1.2 雙向DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙向DC/DC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用非隔離型的雙向半橋拓?fù)?。因?yàn)榭紤]到電動(dòng)車雙電源系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合，超級(jí)電容本身的充放電功率都較大，達(dá)到了10 kW的數(shù)量級(jí)。如果采用隔離型的拓?fù)?，由于需要使用變壓器，整個(gè)電路的體積以及成本就會(huì)相當(dāng)高。故采用非隔離型中應(yīng)用比較廣泛的雙向半橋拓?fù)?。?duì)于整個(gè)拓?fù)鋱D左側(cè)的雙向半橋DC/DC來(lái)說(shuō)，當(dāng)能量從右向左流動(dòng)時(shí)，Igbt_H工作，Igbt_L關(guān)斷；L，Igbt_H和Igbt_L的反相二極管構(gòu)成BUCK電路；當(dāng)能量從左向右流動(dòng)時(shí)，Igbt_L工作，Igbt_H關(guān)斷，Igbt_L和Igbt_H的反相二極管構(gòu)成BOOST電路。

1.3 電池控制

當(dāng)超級(jí)電容進(jìn)行充放電或者電機(jī)能量回饋過程中，可能會(huì)對(duì)電池進(jìn)行不可控的充放電，從而增加了不必要的電池充放電，減少電池使用壽命。為了有效克服電池不可控充放電的缺點(diǎn)，在電池與直流母線之間增加IGBT開關(guān)，兩個(gè)IGBT不同時(shí)導(dǎo)通，從而使得電池總是能夠工作在單向?qū)顟B(tài)，避免短時(shí)間頻繁充放電，起到保護(hù)電池的作用。

1.4 DC/AC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DC/AC部分采用兩電平三相橋式電路。電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)，DC/AC工作在逆變狀態(tài)；電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)，DC/AC工作在整流狀態(tài)。

2 雙電源系統(tǒng)工作過程

當(dāng)電動(dòng)車加速時(shí)，雙向DC/DC的Igbt_H工作，Igbt_L始終關(guān)斷，雙向DC/DC工作在BOOST模式下，超級(jí)電容向外輸出功率。同時(shí)與電池相連的Igbt_Bat_L導(dǎo)通，Igbt_Bat_H關(guān)斷，電池也向外輸出功率。DC/AC工作在逆變狀態(tài)。當(dāng)電動(dòng)車減速時(shí)，雙向DC/DC的Igbt_L工作，Igbt_H始終關(guān)斷，雙向DC/DC工作在BUCK模式下，超級(jí)電容吸收功率。如電容已充滿，或超級(jí)電容充電功率無(wú)法滿足制動(dòng)功率要求，則Igbt_Bat_H導(dǎo)通，Igbt_Bat_L關(guān)斷，電池吸收功率，DC/AC工作在整流狀態(tài)。此外，電容充滿則關(guān)閉雙向DC/DC。當(dāng)電動(dòng)車勻速正常運(yùn)行時(shí)，雙向DC/DC不工作，超級(jí)電容不工作。Igbt_Bat_L導(dǎo)通，Igbt_Bat_H關(guān)斷，電機(jī)僅通過電池進(jìn)行供電，DC/AC工作在逆變狀態(tài)。當(dāng)電動(dòng)車處在停止?fàn)顟B(tài)，并且超級(jí)電容電壓較低，未達(dá)到工作電壓范圍時(shí)，電池對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，此時(shí)DC/DC工作在BUCK模式，并且Igbt_Bat_L導(dǎo)通，Igbt_Bat_H關(guān)斷，DC/AC不工作。其具體能量流動(dòng)方向示意如圖2所示。

圖2 電動(dòng)車各工作狀態(tài)能量流動(dòng)圖

3 系統(tǒng)控制

雙向DC/DC充放電以及DC/AC控制如圖3所示。

圖3 雙向DC/DC充放電以及DC/AC控制圖

3.1 雙向DC/DC控制

對(duì)于超級(jí)電容來(lái)說(shuō)，在能量回饋再生制動(dòng)以及加速釋放能量的過程中，其電壓會(huì)發(fā)生較大的變化。當(dāng)再生制動(dòng)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)隨之下降，但是電容電壓同時(shí)上升，電樞電流將急劇上升，有可能對(duì)功率器件甚至電機(jī)造成損害[5]。若采用對(duì)電容恒電流充電方法，則充電功率隨著電容電壓上升而上升；若采用恒功率充電，則當(dāng)電容電壓較低時(shí)，電流會(huì)非常大，因此也可能對(duì)功率器件甚至電機(jī)造成損害。此外，超級(jí)電容的充電功率也受到制動(dòng)功率的限制。

因此采用恒流?恒功率的控制方式，即當(dāng)電壓較低時(shí)采用恒流控制，當(dāng)電壓較高時(shí)采用恒功率控制，并且電流滿足不超過制動(dòng)功率要求，從而整個(gè)系統(tǒng)的電流都會(huì)控制在一定范圍內(nèi)，對(duì)電機(jī)、以及功率器件都具有一定的保護(hù)作用。同理，超級(jí)電容放電也采用恒流?恒功率的控制方式。具體對(duì)電容的充放電邏輯如圖3（a）所示。設(shè)定目標(biāo)電流I_ref的最大值I_refmax，當(dāng)電容電壓較低時(shí)，雖然通過功率計(jì)算得到的目標(biāo)電流較大，但是如果超過I_ref的最大值，那么電流仍舊被限制在I_refmax，當(dāng)制動(dòng)功率小于最大功率時(shí)，充電功率被限制在制動(dòng)功率。從而得到了恒流?恒功率控制。而若已達(dá)到雙向DC/DC占空比上限，恒功率也無(wú)法滿足，則占空比始終保持最大值。

3.2 DC/AC控制

電機(jī)為永磁同步電機(jī)?？刂品椒ㄈ鐖D3（b）所示。給定轉(zhuǎn)速w_ref，與轉(zhuǎn)速w的差通過PI得到iq的參考值，根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制策略[10]，設(shè)定id的參考值為0，通過[2r3s]變換得到電機(jī)三相電流的參考值，與測(cè)量值進(jìn)行比較，從而控制DC/AC的開關(guān)狀態(tài)。此外，當(dāng)電機(jī)減速時(shí)，若轉(zhuǎn)速較低，為了保證電機(jī)處在回饋制動(dòng)狀態(tài)而不進(jìn)入反接制動(dòng)狀態(tài)，需要對(duì)iq進(jìn)行限幅。

4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Matlab/Simulink仿真圖如圖4所示。

圖4 Matlab/Simulink仿真圖

本文主要討論普通的加速、勻速和減速狀態(tài)，并進(jìn)行仿真。緊急制動(dòng)需要巨大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)會(huì)工作在反接制動(dòng)狀態(tài)，并不回收能量。仿真參數(shù)：鋰電池額定電壓為400 V，額定容量為30 kW·h；超級(jí)電容為10 F，工作電壓為100～200 V；永磁同步電機(jī)極對(duì)數(shù)12，定子電阻0.032 Ω，Ld=Lq=0.001 39 H，轉(zhuǎn)子磁鏈0.175 Wb，摩擦系數(shù)0.141 N·m·s，最大轉(zhuǎn)速600 r/min，最大轉(zhuǎn)矩320 N·m；電動(dòng)車質(zhì)量1 000 kg，車輪滾動(dòng)半徑0.3 m，滾動(dòng)阻力系數(shù)0.015，迎風(fēng)面積1.35 m2，空氣阻力系數(shù)0.4，空氣密度1.225 8 kg/m3。

4.1 加速和勻速

電機(jī)初始轉(zhuǎn)速0 r/min，鋰電池初始SOC的80%，超級(jí)電容初始電壓180 V，目標(biāo)轉(zhuǎn)速500 r/min，超級(jí)電容最大輸出功率為5 kW，最大輸出電流為30 A。

加速到勻速過程電機(jī)轉(zhuǎn)速變化如圖5（a）所示，從0～18 s，電機(jī)處在加速狀態(tài)，18 s之后電機(jī)達(dá)到500 r/min轉(zhuǎn)速，勻速運(yùn)行。超級(jí)電容電流波形如圖5（b）所示，超級(jí)電容在前4 s因?yàn)? kW輸出功率限制，輸出電流小于30 A，當(dāng)電壓下降到170 V左右后，進(jìn)入恒流輸出狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)勻速時(shí)，超級(jí)電容不輸出功率，電流為0。電池電流波形如圖5（c）所示，隨著輸出功率的增加，輸出電流不斷增加，而當(dāng)電機(jī)勻速時(shí)候輸出電流下降并保持在10 A左右。無(wú)超級(jí)電容情況下電池電流波形如圖5（d）所示，當(dāng)相同的加速過程沒有超級(jí)電容參與時(shí)，電池電流有10 A的增幅。

圖5 加速過程仿真結(jié)果圖

4.2 減速

電機(jī)初始轉(zhuǎn)速為600 r/min，鋰電池初始SOC的80%，超級(jí)電容初始電壓120 V，目標(biāo)轉(zhuǎn)速0 r/min，超級(jí)電容最大吸收功率為5 kW，最大輸入電流為30 A。

減速過程電機(jī)轉(zhuǎn)速變化如圖6（a）所示，25 s內(nèi)制動(dòng)完畢，制動(dòng)過程后期為了避免進(jìn)入反接制動(dòng)狀態(tài)，降低了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。超級(jí)電容電流波形如圖6（b）所示，前7 s工作在恒流模式，7～10 s工作在恒功率模式，10 s以后因?yàn)橹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩降低，降低了吸收功率。電池電流波形如圖6（c）所示，回饋制動(dòng)初期吸收功率超過超級(jí)電容吸收功率上限，故電池也參與，當(dāng)7 s以后超級(jí)電容能夠完全吸收回饋功率時(shí)，電池不工作。無(wú)超級(jí)電容情況下電池電流波形如圖6（d）所示，相同的減速過程下，電池電流有約8 A的增幅。

圖6 減速過程仿真結(jié)果圖

可見，該雙電源系統(tǒng)在電動(dòng)車加速和減速過程中，有效降低了電池的充放電電流，以及充放電時(shí)間，起到了保護(hù)電池，提高電池壽命的作用。

5 結(jié) 語(yǔ)

為了彌補(bǔ)電池作為單一電源的不足，本文提出了一種采用鋰電池作為主電源，超級(jí)電容作為輔助電源的電動(dòng)車雙電源方案。該雙電源系統(tǒng)在電動(dòng)車加速時(shí)能夠降低電池電流，起到保護(hù)電池，提高電池壽命的作用；并且當(dāng)電動(dòng)車減速時(shí)，超級(jí)電容能夠回收制動(dòng)能量，提高了能量效率，因此具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳清泉，詹宜君.21世紀(jì)的綠色交通工具：電動(dòng)汽車[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[2] 郭炳昆.鋰離子電池[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2002.

[3] 吳宇平，張漢平，吳峰.聚合物鋰離子電池[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[4] GAO Li?jun， DOUGAL R A， LIU Sheng?yi. Power enhancement of an actively controlled battery/ultracapacitor hybrid [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2005， 20 （1）： 236?243.

[5] 曹秉剛，曹建波，李軍偉，等.超級(jí)電容在電動(dòng)車中的應(yīng)用研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（11）：1317?1322.

[6] NEENU M， MUTHUKUMARAN S. A battery with ultra capacitor hybrid energy storage system in electric vehicles [C]// Proceedings of 2012 IEEE International Conference on Advances In Engineering， Science and Management. [S.l.]： IEEE， 2012： 731?735.

[7] PANDOLFO A G， HOLLENKAMP A F. Carbon properties and their role in supercapacitors [J]. Journal of Power Sources， 2006， 157 （1）： 11?27.

[8] 南金瑞，王建群，孫逢春.電動(dòng)汽車能量管理系統(tǒng)的研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（5）：384?389.

[9] 王士湖，王莉.一種再生制動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2002（6）：9?11.

[10] 谷靖.四輪驅(qū)動(dòng)微型電動(dòng)車整車控制[D].北京：清華大學(xué)，2012.