混合动力(太阳能电池-蓄电池)电动汽车能量控制策略研究

摘要:太阳能电池-蓄电池混合动力电动汽车的动力耦合和分离过程中,合理分配两者之间的动力输出,分析了混合能源电动汽车的功率分配方法,还利用ADVISOR2002的并联框架完成能量管理的建立与仿真。结果表明该电动汽车动力传动系统参数匹配合理,能满足动力性设计指标要求。

关键词:太阳能电池-蓄电池;混合动力;能量分配;SOC;仿真分析

中图分类号:U463文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)10-0136-02

在人类为汽车寻求动力的历程中,发现太阳能作为新型能源的优势。太阳能汽车采用太阳能电池阵列收集太阳能并转化为电能,提供汽车行使所需的能源。但单纯用太阳能也有很多限制条件,比如阳光不足、夜间行使等。而采用太阳能电池―蓄电池组合作为汽车发展的主流方向,在太阳能汽车中配有蓄电池,以储藏多余的能量,备阳光不足时使用。

一、太阳能电池-蓄电池混合动力电动汽车结构

太阳能电池-蓄电池双能源混合动力电动车结构及驱动模式如图1所示,它表示了电动机、蓄电池及太阳能电池之间的功率输入输出关系。

其中,P1表示太阳能电池输出给电机的功率,它只能单向传递给驱动系统。P2表示太阳能电池输出给蓄电池的功率,它只能单向传递给蓄电池。P3表示电动机的输入/输出功率,它是双向的,当向汽车传动系传递时为正值,当再生制动情况下驱动电动机当作发电机使用时向蓄电池充电,为负值。P4表示蓄电池的充放电功率,它也是双向的,当向功率总线放电,并与太阳能电池组发出的功率一起对驱动电动机进行放电时为正值,充电时为负值。

二、双能源电动汽车能量控制策略

太阳能电池-蓄电池双能源电动汽车中能量管理策略的中心在于实时合理地分配太阳能电池和蓄电池的功率输出,提高汽车动力系统的效率。即:P3=P1+P4,其中P3的值由汽车驱动功率决定,工况一定时为定值。P4和P1之间的分配是双能源电动汽车能量系统控制策略研究的主要内容。目前关于二者值分配的控制策略主要有功率跟随式和开关式两种。采用功率跟随控制模式对太阳能电池-蓄电池双能源电动汽车进行能量控制策略研究。

(一)纯蓄电池驱动模式

当蓄电池的SOC大于cs_hi_soc(即电池充电量的高状态设定值)时,有蓄电池来单独驱动汽车,直到电池的SOC小于cs_lo_soc(即电池充电量的低状态设定值)为止,此时根据功率跟随式的控制策略决定太阳能电池停止给电机传递功率,开始向蓄电池充电。此工作模式下功率流向如图1(a)所示,且有:P1=0;P3=P5/η1・η2;P4=P3。

式中:P5――汽车行驶负载功率;η1――机械传动系的传动效率;η2――电动机及控制器效率。

(二)纯太阳能电池驱动模式

当蓄电池组SOC低于期望值时,控制太阳能电池输出功率不仅要求满足路面功率,同时要对蓄电池充电,使蓄电池的电量回到期望值。对蓄电池进行补充充电功率的大小由当前SOC值与期望值大小决定,此工作模式下功率流向如图1(b)所示。即:

P3=P5/η1・η2;P2=-β(SOC*-SOC)=β(SOCCSOC*);P1=P3;P4=0

cs_pwr_min

式中:β――表示充/放电功率系数;SOC*――表示电池期望荷电量状态;cs_pwr_min,cs_pwr_max表示太阳能电池工作区间。

(三)混合驱动模式

当电池组SOC高于期望值时,为了使蓄电池的电量始终在理想值附近,蓄电池对外放电,不足功率由太阳能电池输出,并且要落在太阳能电池有效工作范围之内。此时功率流向如图1(c)所示,即:P3=P5/η1・η2;P4=β(SOC-SOC*);P1=P3-P4;P2=0。

其中:cs_pwr_min

(四)再生制动模式

当汽车减速或下坡行驶时,太阳能电池停止对电动机传递功率,开始对蓄电池充电。同时电动机工作于再生制动状态,功率流向如图1(d)所示,即:

P1=0;P3=αP5/η1・η2;P4=-P3。

式中:P3――电动机工作于发电状态时输出的功率;α――车辆再生制动百分比。

三、功率跟随模式能量控制策略在ADUISOR中的仿真分析

ADVISOR2002是由美国可再生能源实验室开发的混合动力电动汽车仿真软件,可以用它进行纯电动汽车、混合动力电动汽车和传统内燃机汽车动力性、经济性等特性的仿真分析。

功率跟随模式在ADVISOR中的实现是根据路面需求功率的输入,确定太阳能电池是否应该工作;功率跟随模式在ADVISOR中的实现包括控制太阳能电池开/关模块、均衡功率模块、确定太阳能电池工作点模块等,仿真模块的结构如图2所示。电动汽车的相关参数见表1。按实验要求,循环路程总长10.93km,用时1225s,汽车最高速度为120km/h。根据整车车速随时间的变化曲线,该电动汽车从0～96.6km/h的加速时间14.5s,从64.4～96.6km/h加速时间7.1s,最高车速134.9km/h,以30km/h车速的爬坡度为41.3%。而原Focus电动汽车在ADVISOR中的仿真结果为:从0～96.6km/h的加速时间20.5s,从64.4～96.6km/h的加速时间11.5s,最高车速134.1km/h,以30km/h的车速爬坡度为28.6%。

蓄电池的荷电状态、蓄电池的输出功率、太阳能电池的输出功率随时间的变化曲线,可以看出,蓄电池的初始荷电状态为0.7,在汽车启动时刻,荷电状态降低,以提供汽车启动所需的功率。随后按照功率跟随模式的控制策略,太阳能电池的剩余功率给蓄电池充电以保持蓄电池荷电状态在某一范围之内,以延长蓄电池的使用寿命;当汽车以某一较高车速继续加速时,则蓄电池开始放电(大约在950s开始)。电动机的功率输出曲线中,负值表示电动机在进行再生制动给蓄电池充电。

通过仿真可知,该车的最高速为134.9km/h,比设计时的140km/h小了5.1km/h,误差为3.6%,可以接受。而以30km/h的车速爬破度为41.3%,比设计时的30%要高出11.3%,说明蓄电池的数量选择的较大,这是因为蓄电池的功率较高,对电动汽车的爬破性能有利。

四、结语

1.太阳能电池/蓄电池混合动力电动汽车动力源之间的能量控制策略是混合动力电动汽车研究中的关键问题,其核心问题是功率分配策略的要求。

2.通过仿真表明所建立的模型是正确的,完全满足该动力系统功率分配的要求。

3.采用功率跟随模式控制策略能使蓄电池SOC和太阳能电池始终处于一个最佳工作状态,并可以延长其使用寿命。

参考文献

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作者简介:包套图(1978-),男(蒙古族),渤海船舶职业学院讲师,研究方向:汽车设计及维修。