純電動汽車復合電源系統結構設計

石 浪，申榮衛，關瑞元

純電動汽車復合電源系統結構設計

石 浪，申榮衛*，關瑞元

（天津職業技術師范大學 汽車與交通學院，天津 300222）

以純電動汽車復合電源系統為研究對象，對四種傳統的復合電源拓撲結構具有的優勢和局限性進行分析和研究；以超級電容主控式的復合電源為基礎，設計了一種新型復合儲能系統拓撲結構，超級電容全程參與工作，利用率得到顯著提高。為驗證新型拓撲結構的合理性，在AVL Cruise下進行了仿真，仿真結果表明，相比于傳統復合電源結構的電動汽車，該新型結構使動力電池充放電電流進一步減小，且整車的續駛里程得到了進一步提高。

復合電源；結構設計；AVL Cruise

目前，純電動汽車主要以單一鋰離子電池作為驅動源，然而鋰電池存在一定的局限性，功率密度較低、比能量密度已經無限接近其理論上限[1]。當車輛處于啟動、急加速、長爬坡、緊急制動等復雜工況時，動力電池將處于大功率工作狀態，流經電池的電流較大，會加快電池老化，電池壽命下降帶來了一定的安全風險，提高使用成本[2]。超級電容具有比功率高、可快速充放電、使用壽命長和受溫度影響小等性能優勢[3]。超級電容和動力電池組成的復合電源，電池被當作主要能量源，用以滿足續航里程需求，超級電容作為輔能量源，協助電池工作，避免大電流損害電池自身，起到保護電池、放緩電池老化速率和延長電池使用壽命的作用[4]。孫寶文等[5]對雙向直流變換器（Direct Current-Direct Current, DC-DC）變換器開關頻率高、損耗以及拓撲控制復雜這一缺陷，提出了一種雙向流動的DC-DC變換器拓撲結構；邱浩等[6]利用超級電容和蓄電池組成的復合電源，設計了一種高頻電力電子器件的電機傳動主電路的新型拓撲結構。

本文在原有超級電容和動力電池組成的復合電源拓撲結構結構基礎上，設計了一種新型復合電源拓撲結構，在該結構中超級電容全程參與工作，利用率得到顯著提高。且仿真實驗表明，該結構能夠提高電動汽車動力性和制動能量回收效率，減少電路中能量損耗，提高整車續駛里程。

1 新型復合電源系統結構設計

復合電源純電動汽車的復合電源系統是以動力電池為主、超級電容為輔的能源結構，如圖1所示，粗實線為機械連接，細實線為電氣連接。

圖1 復合電源系統傳動結構

傳統的復合電源結構按動力電池、超級電容和DC-DC變換器的連接方式不同，將其分為被動式、動力電池主動式、超級電容主動式和全主動式4種結構[7]?？紤]到復合電源系統電流的可控性、電機運行的穩定性等因素，以超級電容半主動式為基礎，設計了一種新型的復合電源拓撲結構如圖2所示。因保留了超級電容作為輔助能源的工作方式，超級電容可通過DC-DC變換器串聯后與動力電池共同參與功率輸出，充分發揮了超級電容的優勢并提高了利用率。

圖2 新型復合電源系統拓撲結構

2 新型復合電源結構工作模式

車輛在行駛過程中會有啟動、急加速、恒速、減速和爬坡等各種復雜工況，新型復合電源系統可以有效應對車輛在復雜環境下的大電流放電和在制動情況下高效的能量回收，充分發揮出超級電容的優勢，避免了動力電池大電流充放電的情況，延長了電池壽命并提高車輛續駛里程。為充分發揮新型復合儲能系統的優勢，設計了動力電池單獨放電、超級電容單獨放電、組成復合電源共同放電、超級電容單獨回收制動能量、動力電池單獨回收制動能量五種工作模式。

1）動力電池單獨驅動電機模式。如圖3所示，在超級電容電壓小于等于動力電池電壓，且電動汽車需求功率較小時，控制開關斷開，動力電池單獨驅動電機，動力電池會根據超級電容能量情況為其充電。此時，超級電容幾乎無電壓輸出，動力電池單獨驅動電機。

2）超級電容單獨驅動電機模式。如圖4所示，當電動汽車處在啟動、急加速、爬坡，且超級電容電壓高于動力電池電壓時，智能控制開關閉合，超級電容以高電壓進行瞬時放電以滿足車輛大功率放電需求。

圖4 超級電容單獨驅動電機模式

3）動力電池與超級電容共同驅動電機模式。如圖5所示，在整車對功率和能量需求較大，如持續爬坡，超級電容電壓小于動力電池電壓等情況時，僅單個電源工作不能滿足整車的性能需求，需要DC-DC變換器參與工作，而控制開關此時不參與工作，使動力電池和超級電容組成的復合電源滿足整車功率需求，驅動車輛行駛。在復臺電源工作過程中，動力電池以恒功率輸出，超級電容作為輔助電源提供其余功率輸出，避免動力電池大功率放電，保護了動力電池，并提升了其工作效率。

圖5 動力電池與超級電容共同驅動電機模式

4）超級電容單獨回收能量模式。如圖6所示，電動汽車處于制動時，電動機在提高整車制動力的同時，利用電機反電動勢特性進行制動能量回收。當超級電容電池荷電狀態（State Of Charge, SOC）低且剩余可儲存能量大于等于此時制動能量時，智能控制開關閉合，由超級電容單獨回收制動能量。此工作條件下能量回收效率高，能量損耗低。

圖6 超級電容單獨回收制動能量模式

5）動力電池單獨回收制動能量模式。如圖7所示，電動汽車處于制動能量回收，若超級電容SOC達到預設上限值時，此時，由動力電池回收剩余制動能量，智能控制開關不工作。因超級電容在車輛制動時優先進行了制動能量的回收，當動力電池進行制動能量回收時，制動功率較小，動力電池沒有進行大電流充電，不會對電池造成損壞，但動力電池單獨回收制動能量情況較少。

圖7 動力電池單獨回收制動能量模式

與傳統的復合電源拓撲結構相比，新型復合電源拓撲結構工作方式更加靈活，且采用的核心部件只有一個DC-DC 變換器和一個智能控制開關，拓撲結構設計合理。在智能控制開關快速調節下，能夠實現超級電容串并聯和高低壓切換，可適應各種復雜運行工況，充分利用了超級電容的優勢，提高了整車動力性和經濟性。

3 新型復合電源拓撲結構仿真分析

3.1 控制策略的設計

復合電源系統設計過程中，以電機需求功率rep的正負來判斷工作模式（rep>0時為電驅動模式，rep<0時為制動模式），進而合理地將整車需求功率分配給動力電池和超級電容，充分發揮兩者優勢，在保障動力性的前提下，減少動力電池大電流充放電現象，延長電池壽命。邏輯門限值控制策略因運算量少，可靠性高且不需要過于精確的模型。因此，選擇簡單的邏輯門限值控制策略對復合電源進行控制，來驗證所設計的新型拓撲結構的合理性。邏輯門限值控制邏輯流程如圖8所示，rep為電機需求功率；cap為超級電容輸出功率；bat為動力電池輸出功率；cap為超級電容端電壓；bat為動力電池端電壓；bat為動力電池SOC值；bat_max、bat_min分別為動力電池SOC上限閾值和下限閾值；cap為超級電容SOC值；cap_max、cap_min分別為超級電容SOC上限閾值和下限閾值。

圖8 邏輯門限值控制流程

1）當需求功率rep>0時，此時電機為電驅動模式。超級電容電壓大于動力電池電壓時，超級電容側智能控制開關閉合，單獨為驅動電機電源，滿足車輛所需的大功率。此時動力電池幾乎不參與工作。超級電容電壓小于動力電池電壓時，控制開關不參與工作，超級電容SOC處于較高值，即cap>cap_min時，超級電容經DC-DC變換器升壓后，作為輔助電源與動力電池共同為電機提供能量，避免動力電池大功率放電，損壞電池；當超級電容的SOC處于cap

2）當需求功率rep<0時，此時電機處于制動能量回收模式。根據超級電容和動力電池的SOC值來確定車輛制動回收能量方式。當超級電容SOC值小于設定的上限閾值，超級電容先回收制動能量；當超級電容SOC值大于設定的上限閾值，且動力電池SOC值小于其設定的上限閾值時，由電池回收超級電容不能完全吸收的制動能量。否則動力電池不吸收剩余的能量，再生制動能量以熱能消耗。

3.2 仿真分析

以AVL Cruise軟件自帶仿真模型數據為基礎，對車輛在新歐洲駕駛周期（New European Driving Cycle, NEDC）工況下進行仿真，驗證設計的新型復合電源拓撲結構的可行性，仿真模型如圖9所示。

車輛在NEDC工況下車速跟隨曲線如圖10所示。由圖可知整車需求車速和實際車速擬合效果很好，說明設計的車輛滿足循環工況要求。

新型復合電源結構和傳統的超級電容主動式復合電源結構在NEDC工況下動力電池SOC變化曲線如圖11所示。從動力電池SOC變化曲線圖可知，新型復合電源拓撲結構比傳統超級電容主控式的動力電池SOC下降慢，因而新型復合電源結構延長了整車續駛里程。

圖9 復合電源仿真模型

圖11 動力電池荷電狀態變化曲線

在NEDC工況下動力電池電流變化曲線圖12所示，從動力電池電流變化曲線圖可知，新結構相較于傳統復合電源結構動力電池在運行過程中電流減小了，進一步發揮了超級電容的優勢和利用率，避免了動力電池大電流充放電的現象，延長了動力電池壽命，提高了整車經濟性。

4 結論

以傳統超級電容主控式的復合電源為基礎，設計了一種新型復合儲能系統拓撲結構。超級電容可通過DC-DC變換器串聯后與動力電池共同參與功率輸出，也可以直接給驅動電機供電或直接吸收制動能量，設計結構靈活，充分發揮了超級電容的優勢并提高了利用率。

通過仿真驗證，新型結構相比于傳統復合電源結構的電動汽車，動力電池充放電電流進一步減小，流經功率器件的電流也減小了，使其系統熱損耗減少。由動力電池SOC值變化可知，新型結構進一步提高了整車的續駛里程。新型復合電源結構可以進一步發揮超級電容的優勢，避免動力電池大電流充放電現象，并提高整車經濟性。

[1] 帝瑪.電池熱管理系統的實驗研究:翅片與間隔對電池組散熱的影響[D].天津:天津大學,2019.

[2] 馮繼峰.復合電源純電動客車能量控制系統研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學,2019.

[3] 張雷,胡曉松,王震坡.超級電容管理技術及在電動汽車中的應用綜述[J].機械工程學報,2017,53(16):32- 43,69.

[4] 張衛,楊玨,張文明,等.純電動汽車蓄電池-超級電容復合能源系統研究[J].電測與儀表,2019,56(3):82-90.

[5] 孫寶文,張波.復合電源系統雙向DC/DC變換器拓撲研究[J].電子測量技術,2018,41(15):5-10.

[6] 邱浩,董鑄榮,賀萍.一種新型電動汽車復合電源電路設計[J].電源技術,2015,39(8):1726-1728,1779.

[7] 王貞雅.純電動汽車復合電源建模及控制策略研究[D].西安:西安電子科技大學,2020.

Structural Design of Hybrid Power Supply System for Pure Electric Vehicle

SHI Lang, SHEN Rongwei*, GUAN Ruiyuan

( School of Automotive and Transportation, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222, China )

Taking the composite power supply system of pure electric vehicles as the research object, this paper analyzes and studies the advantages and limitations of four traditional composite power supply topologies. Based on the composite power supply controlled by supercapacitors, a new type of composite energy storage system topology is designed, with supercapacitors participating in the entire process and significantly improving utilization efficiency. To verify the rationality of the new topology structure, simulations are conducted under AVL Cruise. The simulation results showed that compared to traditional composite power structure electric vehicles, this new structure further reduces the charging and discharging current of the power battery, and further improves the driving range of the entire vehicle.

Composite power supply; Structural design; AVL Cruise

U469.72

A

1671-7988(2023)22-28-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.022.006

石浪（1999－），男，碩士研究生，研究方向為新能源汽車技術，E-mail:749919307@qq.com。

申榮衛（1971－），男，博士，教授，研究方向為新能源汽車技術，E-mail:13672013098@163.com。