基于ADVISOR的微型复合电源系统电动车仿真分析

摘 要 基于一辆微型复合电源系统（HESS： Hybrid Energy Storage System）电动车实际参数，对ADVISOR软件进行修改后嵌入复合电源系统，利用基于逻辑门限值控制策略对该系统进行功率分配并结合实际道路循环工况进行仿真。仿真与对比结果表明，超级电容能有效发挥“削峰填谷”的作用保护蓄电池，避免了蓄电池因大功率充放电造成循环寿命降低；同时复合电源系统使能量消耗明显降低，有效提高了整车行驶效率。

【关键词】电动车 复合电源系统 ADVISOR

车辆在行驶过程中工况复杂，特别是在城市道路为主的情况下，频繁的起停、加速、爬坡等产生的大电流对电源提出了较高的要求。目前电动车动力电池的发展仍存在诸多瓶颈，例如无法瞬间提供大功率输出影响整车动力性，再生制动产生的大电流冲击造成蓄电池循环寿命降低等。超级电容（SC：Super Capacitor）因循环效率高，使用寿命长并可承受瞬间的大功率充放电，与蓄电池组成复合电源系统具有显著优势。复合电源系统中超级电容既可以为电机提供峰值需求功率增强电动车加速爬坡能力，同时又可以在车辆制动瞬间回收再生能量，起到保护蓄电池的目的。所以超级电容与蓄电池组成复合电源可以有效解决蓄电池现有的技术问题，势必成为今后电动汽车电源技术领域研究的重点和热点。

本文基于课题组开发的一辆微型纯电动车为研究对象，外观如图1所示，各项参数如表1所示。首先结合试验平台车的各项参数对ADVISOR软件进行修改，之后嵌入复合电源系统；之后制定基于逻辑门限值控制策略，对总线需求功率进行合理分配；最后进行整车仿真，并将仿真结果与单一电源系统仿真结果进行比较，分析该复合电源系统对整车性能的改善效果。

1 仿真模型的建立

1.1 蓄电池荷电状态

蓄电池的荷电状态（SOC：State Of Charge）是电动汽车电池研究的重要参数。目前电池SOC多数是从电量角度进行定义，如美国先进电池联合会（USABC）在《电动汽车电池实验手册》中的定义为：电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量的比值。SOC的值介于0到1之间，SOC=1代表电池电荷量达到上限，SOC=0代表电池达到终止电压。根据文献中电池SOC可表示为：

1.2 蓄电池数学建模

目前蓄电池的建模研究中，主要采用内阻模型，如图2所示。该模型由一个理想电压源Voc及一个电阻R串联组成等效电路，I为蓄电池输出电流。

该模型中理想电压源Voc和电阻R受多个因素影响。在ADVISOR中把电池开路电压及内阻看作电池SOC及温度的函数，即在不同时刻电池SOC及温度的不同，电池的开路电压及内阻值也不相同。蓄电池端电压V可由公式（2）表示。

1.3 超级电容数学模型

超级电容也被称为双电层电容（EDLC：Electrical Double-Layer Capacitor）、黄金电容、法拉电容等。对其建模常采用RC模型，如图3所示，规定超级电容放电时电流为正，充电时为负。其中Uoc为理想电容C的电压，Usc为超级电容端电压。R1是等效串联阻抗，一般很小；R2为等效并联阻抗，一般较大。

超级电容端电压

1.4 DC/DC变换器模型

根据文献中所提方法，建立针对DC/DC变换器效率计算的仿真模型。不考虑瞬态响应的条件下，可通过插值和静态查表得到不同压比条件下的转换效率。DC/DC效率η与蓄电池、超级电容压比及输入功率Pin有关，如公式（9）所示，DC/DC变换器效率模型如图4所示。

2 复合电源系统控制策略

逻辑门限值控制策略属于确定性控制策略，具有结构简单、逻辑清晰及便于控制等特点，成为目前复合电源系统及其他领域应用最为广泛的控制策略之一。其基本思想是对电机对复合电源系统功率需求大小及当前超级电容SOC大小进行判断，控制蓄电池输出平均功率，超级电容主要负责峰值功率及回收制动再生功率，从而避免大电流充放电对蓄电池的影响。控制规则如图5所示。

从图5可以看出，当电机需求功率Preq大于零时，此时若需求功率小于平均功率Pave，则由蓄电池提供功率输出PB；若需求功率大于平均功率，同时超级电容SOC大于25%，则由蓄电池提供平均功率，超级电容输出峰值功率PSC；若超级电容SOC小于25%，则由蓄电池单独提供功率输出。

当电机需求功率小于零，此时电机工作在发电模式。当超级电容SOC大于90%，能量由蓄电池回收；当超级电容SOC小于90%，能量则由超级电容完全回收。

3 整车仿真结果

本文利用ADVISOR高级车辆仿真器，对课题组搭建的微型纯电动车进行仿真实验。首先对ADVISOR文件夹中m文件进行修改，其次对该软件纯电动汽车模型中嵌入复合电源系统，最后结合NYCC循环工况进行仿真。仿真模型如图6所示，仿真结果如图7、图8所示。

从图7可以看出，蓄电池输出功率变化较为平缓，超级电容“削峰填谷”的作用有效避免了大功率充放电对蓄电池造成的影响，延长了蓄电池的循环使用寿命。图8中复合电源系统与单一电源相比可以有效节省蓄电池的电量，提高整车行驶效率。

参考文献

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作者单位

北京工业大学 北京市 100124