基于改進(jìn)工作模式的復(fù)合電源能量管理研究

樊雪蓮，宋衛(wèi)平，張繼禹

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

目前，一種新型電源超級(jí)電容因具有循環(huán)使用壽命長(zhǎng)、比功率高且能快速充放電等優(yōu)勢(shì)而成為研究熱點(diǎn)。為了提高電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能，把蓄電池與超級(jí)電容組合成復(fù)合電源系統(tǒng)，不僅可以緩解電池的工作負(fù)荷，還可解決蓄電池峰值功率輸出不足的缺點(diǎn)[1-2]。如何有效的分配復(fù)合電源的能量，合理的分配兩者之間的功率，是電動(dòng)汽車獲得良好性能的前提[3-6]。多數(shù)文獻(xiàn)研究如何讓超級(jí)電容更充分、更高效的對(duì)再生制動(dòng)能量進(jìn)行回收，并發(fā)揮其“削峰填谷”的作用[7-9]。但是，當(dāng)電動(dòng)車輛具有高功率需求且蓄電池組容量不足而超級(jí)電容器組容量充足時(shí)，傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車復(fù)合電源的工作模式已經(jīng)無法很好應(yīng)對(duì)該情況。因此，考慮了超級(jí)電容器組單獨(dú)工作的新工作模式，基于改進(jìn)的復(fù)合電源工作模式對(duì)復(fù)合供電系統(tǒng)的高效運(yùn)行具有深遠(yuǎn)的意義。

針對(duì)目前研究的不足，對(duì)復(fù)合電源的工作方式進(jìn)行了改進(jìn)，即增加了超級(jí)電容器組單獨(dú)工作的新工作模式。同時(shí)對(duì)汽車正常行駛時(shí)的功率需求等進(jìn)行分析，建立合理、有效的能量控制策略模型，使電動(dòng)車的整車性能得到提高。采用高級(jí)車輛仿真軟件ADVISOR在邏輯門限控制策略下進(jìn)行建模和仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的可行性和優(yōu)越性。

1 復(fù)合電源結(jié)構(gòu)選型

在進(jìn)行復(fù)合電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮蓄電池與超級(jí)電容器的連接形式。電動(dòng)汽車復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)常見的結(jié)構(gòu)有被動(dòng)式、半主動(dòng)和全主動(dòng)，這是動(dòng)力電池、超級(jí)電容器和雙向DC/DC變換器之間的不同連接方式。文獻(xiàn)[10-13]詳細(xì)介紹了復(fù)合電源結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。常用的雙向DC/DC變換器并聯(lián)結(jié)構(gòu)有圖1(a)、(b)所示兩種。

圖1 復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1(a)中，雙向DC/DC變換器和蓄電池串聯(lián)，再并聯(lián)超級(jí)電容，該結(jié)構(gòu)中變換器調(diào)節(jié)蓄電池兩端電壓，改善其輸出特性。超級(jí)電容在該結(jié)構(gòu)中可發(fā)揮大電流快速充放電的優(yōu)勢(shì)，但主能量源蓄電池輸出功率須經(jīng)由雙向DC-DC 變換器，使復(fù)合電源的工作效率降低。

圖1(b)中，超級(jí)電容通過雙向DC/DC變換器再并聯(lián)蓄電池的結(jié)構(gòu)，電池與母線直接連接，提高了主電源能量的利用效率。而蓄電池具有更高的能量密度，直接連在母線上也有利于響應(yīng)負(fù)載的能量需求。雙向DC/DC變換器調(diào)控超級(jí)電容的電壓，提高超級(jí)電容對(duì)需求功率的響應(yīng)速度，從而更好的控制復(fù)合電源的功率輸出，發(fā)揮復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)各儲(chǔ)能單元的優(yōu)勢(shì)，又可避免復(fù)雜的控制環(huán)節(jié)。此處選擇圖(b).

2 復(fù)合電源系統(tǒng)建模

2.1 復(fù)合電源工作模式分析

在原蓄電池組單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、蓄電池組和超級(jí)電容器組共同驅(qū)動(dòng)、再生制動(dòng)、純充電等傳統(tǒng)工作模式的基礎(chǔ)上，加入超級(jí)電容器組單獨(dú)工作的模式，建立了改進(jìn)復(fù)合電源的工作模式。在該工作模式中，電動(dòng)汽車功率需求較高且蓄電池組容量不足，而超級(jí)電容器組容量充足，此時(shí)超級(jí)電容器組單獨(dú)工作就能夠滿足電動(dòng)汽車對(duì)功率的短時(shí)要求。復(fù)合電源的工作模式對(duì)應(yīng)的流程圖如圖2所示。

圖2 邏輯門限控制流程圖

①當(dāng)汽車處于低速或勻速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)汽車正常行駛且功率需求Preq小于平均功率Pave.由于蓄電池組具有高能量密度的優(yōu)勢(shì)，因此，蓄電池組能持續(xù)為車輛提供所需功率，此時(shí)超級(jí)電容器組可以不工作。

②當(dāng)汽車處于加速上坡等高負(fù)荷行駛時(shí)，電動(dòng)汽車功率需求大于平均功率(Preq>Pave).由于蓄電池組不具備瞬時(shí)提供大功率的能力，因此，為了滿足電動(dòng)汽車正常功率需求，要求超級(jí)電容器組和蓄電池組相互配合工作。但是，當(dāng)電動(dòng)汽車功率需求較高且蓄電池組容量不充足而超級(jí)電容器組能量大于其上限值(SOCcap>0.95)的情況下，超級(jí)電容可以單獨(dú)提供電動(dòng)汽車對(duì)功率的短時(shí)需求。

③當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于減速制動(dòng)(Preq<0)時(shí)，電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，需要向復(fù)合電源系統(tǒng)回饋充電。如果SOCcap<0.95時(shí)，利用超級(jí)電容器組在瞬時(shí)能量回收中的優(yōu)勢(shì)，此時(shí)需為超級(jí)電容器組充電；超級(jí)電容器組的SOCcap達(dá)到上限時(shí)，應(yīng)將制動(dòng)能量回送給蓄電池組。

④電動(dòng)汽車停止時(shí)考慮超級(jí)電容的SOC是否處于其下限值。當(dāng)SOCcap<0.6時(shí)，則需要使用蓄電池組為超級(jí)電容器組充電，為電動(dòng)汽車起步做準(zhǔn)備。

2.2 復(fù)合電源控制策略建模

根據(jù)流程圖2，建立邏輯門限控制策略模型，見圖3.電動(dòng)汽車的功率需求Preq用作控制流程的輸入，邏輯判斷依據(jù)是設(shè)定的平均功率Pave和超級(jí)電容的荷電狀態(tài)SOCcap，目的是讓蓄電池組和超級(jí)電容器組能合理的分配功率。

圖3 邏輯門限控制策略仿真結(jié)構(gòu)圖

在對(duì)汽車仿真軟件ADVISOR進(jìn)行二次開發(fā)的基礎(chǔ)上，在純電動(dòng)汽車整車模型BD_EV中加入超級(jí)電容模型、功率總線模型、雙向DC/DC變換器模型和功率分配策略模型[14]，復(fù)合電源模塊如圖4所示。

在ADVISOR頂層模塊中，加入圖4開發(fā)的仿真模型，建立復(fù)合電源為整車能源的電動(dòng)汽車仿真模型，如圖5所示。

圖4 復(fù)合電源模塊

圖5 復(fù)合電源電動(dòng)汽車頂層模型

3 仿真分析

3.1 參數(shù)設(shè)定

在進(jìn)行仿真分析時(shí)，選用符合電動(dòng)汽車實(shí)際運(yùn)行且額定功率為75 kW的電機(jī)，選用單節(jié)額定電壓為3.7 V和2.7 V的鋰離子電池和超級(jí)電容電池，且數(shù)目分別為110節(jié)和145節(jié)。

3.2 仿真工況

為驗(yàn)證復(fù)合電源的有效性，模擬頻繁啟停加速的情況，選用ADVISOR中的常用的美國(guó)城市驅(qū)動(dòng)工況(CYC_UDDS)作為復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)中電動(dòng)汽車的仿真工況。CYC_UDDS工況速度-時(shí)間圖，如圖6所示。CYC_UDDS工況主要參數(shù)如表1所示。從表1中可得正負(fù)平均需求功率分別為Pavep=17.51 kW,Paven=4.558 kW.

表1 工況參數(shù)表

圖6 工況速度-時(shí)間圖

3.3 仿真結(jié)果分析

①單一能源對(duì)比復(fù)合電源蓄電池電流的仿真

以蓄電池為單一能源和以復(fù)合電源為能源的電動(dòng)汽車在工況CYC_UDDS下分別利用Matlab/Simulink中的ADVISOR進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 動(dòng)力電池電流對(duì)比圖

從圖7看出，在電流波動(dòng)方面，流過復(fù)合電源蓄電池的電流波動(dòng)程度相較于流過單一能源蓄電池的電流波動(dòng)程度要低；在電流幅值方面,使用蓄電池作為單一能源為電動(dòng)汽車供能時(shí)，流過蓄電池的最大電流約為110 A；而采用復(fù)合電源為電動(dòng)汽車供能時(shí)，在邏輯門限控制策略的作用下，流過復(fù)合電源中蓄電池的最大電流約為68 A，相當(dāng)于將流過蓄電池的電流幅值降低了38.1%.

說明復(fù)合電源相比于單一能源在抑制蓄電池大電流放電上有明顯優(yōu)勢(shì)。

②改進(jìn)工作模式的邏輯門限能量控制策略仿真

在CYC_UDDS循環(huán)工況下，使用邏輯門限控制方法分別在傳統(tǒng)工作模式和加入超級(jí)電容器組單獨(dú)工作的改進(jìn)工作模式下制定復(fù)合電源能量管理策略，并使用ADVISOR進(jìn)行仿真。電流仿真圖如圖8所示和仿真結(jié)果放大圖如圖9所示。

圖8 新舊工作模式電流對(duì)比圖

圖9 新舊工作模式電流對(duì)比放大圖

如圖8和放大圖9所示，其中實(shí)線是改進(jìn)工作模式下流過鋰電池的電流，虛線是傳統(tǒng)工作模式下流過鋰電池的電流，從放大圖9中可以明顯看出實(shí)線部分的電流幅值波動(dòng)程度較虛線低,且改進(jìn)工作模式下流過鋰離子電池組的最大電流比傳統(tǒng)工作模式下流過鋰離子電池組最大電流減小了24.16 A，相當(dāng)于將流過蓄電池的電流幅值降低了36.6%.結(jié)果證明了改進(jìn)工作模式下制定的能量控制策略更有助于降低流過鋰離子電池組的電流，減少峰值電流對(duì)蓄電池的沖擊，延長(zhǎng)蓄電池的循環(huán)使用壽命。

4 結(jié)論

本文利用Matlab/Simulink軟件環(huán)境開發(fā)的高級(jí)車輛仿真軟件ADVISOR，對(duì)復(fù)合電源作為能源的整車模型進(jìn)行仿真，通過對(duì)比單一電源和復(fù)合電源兩種情況下流過蓄電池電流大小以及電流的波動(dòng)程度，說明復(fù)合電源相比于單一能源在抑制蓄電池大電流放電上有明顯優(yōu)勢(shì)。

在復(fù)合電源的基礎(chǔ)上，通過對(duì)傳統(tǒng)的邏輯門限能量管理策略和改進(jìn)工作模式的邏輯門限能量管理策略的仿真結(jié)果對(duì)比，說明改進(jìn)的工作模式更有助于降低流過蓄電池組的電流，延長(zhǎng)蓄電池的循環(huán)使用壽命。因此，本研究對(duì)復(fù)合電源能量控制策略的設(shè)計(jì)與開發(fā)具有一定的參考意義。