基于PHEV复合电源控制策略研究

【关键词】插电式混合动力车 参数匹配 功率控制策略 复合储能系统

插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）接入专用电源、家用电源为动力电池充电，而动力电池中储存的能量可以对纯电动车续驶里程，结合混合动力与纯电动驱动系统，可以在污染物排放、燃油经济性上可以得到很大程度上的改善。随着不可再生能源枯竭，大气污染日益严重，在汽车行业中，新能源汽车已成为必然发展趋势，受到国内外广泛的关注。

本文研究的重点是将插电式混合动力汽车 （Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）的复合电源控制进行了改进，在传统的基础上，去掉双向的DC/DC，直接将超级电容连接至动力单元与电机控制器，使得新型复合储能系统在结构上变得简单，控制效果好，提高了整车的性能，在实践中搭建插电式混合动力汽车传统的与新型复合储能系统及整车模型，实验结果数据对比表明：本文提出的新型复合储能系统有效性与可行性，在工程实践中具有一定实用价值。

1 传统复合电源系统结构

复合电源系统结构较多，加入功率变换器后，可分为被动式复合电源及主动式复合电源两种。

图1中超级电容组串联DC/DC变换器与蓄电池组并联，采用这种结构可以有效控制超级电容输入输出功率，复合电源总体能量转换率也不会受到太大影响。超级电容与DC/DC串联结构更加符合插电式混合动力汽车的设计要求。车辆动力总成结构，即传统复合储能系统如图2所示。

对于图2所示的传统复合储能系统运用双向DC/DC，优点在于它是电池直连、电压可以解耦；但其在DC/DC控制超级电容充放电流过程中，DC/DC的功率大，响应慢，效率低。

2 新型复合电源参数匹配及策略

2.1 新型复合电源参数匹配

为了使得复合电源整体的能量和功率容量满足设计车辆的功率以及能量需求，需要根据整车参数和动力性能需求进行参数匹配，选择合适的电池电容，提高插电式混合动力车电源效率及工况的适应性。而超级电容器作为一种新型储能装置，具有功率密度高、寿命长等优点。

以中国城市公交工况为例，由式（1）可以得到整车的功率。

在（1）式中，ηr为传动效率，f为阻力系数，A为迎风的面积，CD为空气阻力系数，通过式（1）计算可得P_AVE为20kW，P_PEAK为90kW。

在复合电源中，选择超级电容的容量为145F，选择单节的额定电压为48V，则有超级电容的节数n=380/48=8。根据要求，设计超级电容器组需要能够提供10秒峰值功率，并且与电机额定电压相当。

其中是总的能量，是峰值的能量， 是超级电容的容量， 为超级超级额定电压；为最小值电压，额定电压的一半，C为串联后的电容，U为端电压，k为超级电容的安全数据，本文中取k=1.2，由式（4）计算可知，当n=8时，满足设计的条件。由式（5）计算可得电容的存储电量是1336320W，超级电容的总质量16okg，则输出功率Ps_acp需为338Kw，与峰值功率P_PEAK相比，满足设计的要求。蓄电池组需要满足电机平均功率需求，且充放电电流不超过安全范围。如表1所示。

3 新型复合电源功率分配策略

在保证车辆正常行驶以及不影响驾驶体验的前提下，改造后的复合电源应尽可能实现由蓄电池组平稳输出，超级电容调节功率需求的控制效果。系统根据电机功率需求，电池荷电状态，超级电容荷电状态，离合器状态确定超级电容和电池的功率分配因数。 车辆行驶过程中，电机分为驱动和制动两种工作模式，据此控制策略通过需求功率的输入P_REQ、SOC_BAT（动力电池荷电状态）、SOC_UC（超级电容荷电状态）等变量进行计算。

复合电源功率分配如式（6）所示：

（6）

其中，P_BAT 为动力电池分配功率、P_REQ是整车的需求功率、P_UC为超级电容分配功率。图3为新型复合电源具体的控制方式，在工况制动减速的下，P_REQ小于零，在工况非制动减速的下，P_REQ大于等于零，若P_REQ大于等于零，就有离合器1断开，SOC_BAT>0.4，电机需求功率P_REQ小于平均需求功率 P_AVE ，即P_REQ

4 新型储能系统的结构

如上图4新型储能系统的结构，与传统的储能系统比较，将双向的DC/DC直接被导线取代，超级电容直接并联，充放电效率高，系统简单可靠，解决了传统的储能系统响应慢，效率低等缺陷。表2为传统的储能系统与新型储能系统在成本、寿命、效率、能量密度、功率密度、可靠性、复杂程度、总分方面在表2里面做了对比，从表2里面可以看出，本文提出的新型储能系统的结构在寿命、效率、可靠性等方面都要好，是混合动力车辆较好的选择。

将表2用平面图来表示传统的储能系统与新型储能系统的在各个性能方面的比较如图5所示。

从图5中可以看出，新型储能系统除了能量密度不占优势之外，其余性能都要比传统的储能系统好。

5 总结

传统复合储能系统虽然具有电池直连，电压解耦等优点，但是存在DC/DC控制超级电容充放电流过程，DC/DC的功率大，响应慢，效率低等缺点，而本文提出的新型复合储能系统解决了响应慢、效率低等缺点，适应的范围更广，如适应于PHEV，BEV，REEV 等纯电驱动车辆的应用场合，通过对匹配电容和电池的容量优化，提高了电池的使用寿命，利于SOC估计和提高制动能量回馈效率，在城市公交行业中，具有广泛的应用前景与实用价值。

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