复合电源参数匹配-新能源汽车

2-1 b)所示:
超级电容
蓄电池组
DC/DC
MG1
功率总线（含复合电源的控制策略）
MG1控制器 MG2控制器
发动机
MG2
道路负载
工况
发动机参数 整车 需求
电机参数 功率
电系统需 求功率
复合电源 参数匹配
蓄电池 功率
复合电源 控制策略
超级电容 功率
电池容量、块数等 电容电压、容量等
a) 整车动力源功率流
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复合电源参数设计
机对蓄电池的平均功率需求 Paver 15.81kW
3.3 动力系统对复合电源的能量需求 能量需求包括动力系统对复合电源的总能量需求以及对超级电容在 T 秒内峰值助力所需
的能量需求。
d) 当电机驱动系统对复合电源的功率需求大于零且小于平均正功率，若超级电容 SOC 大于最 小门限值，直接由蓄电池提供功率。
e) 当电机驱动系统对复合电源的功率需求大于零且大于平均正功率，若超级电容 SOC 值小于 最小门限值，则由蓄电池负责提供功率；
f) 当电机驱动系统对复合电源的功率需求大于零且大于平均正功率，若超级电容 SOC 值大于 最小门限值，由蓄电池滞后一定的时间，使输出的功率缓慢的增加至平均功率，不足功率 由超级电容补充。
统计，统计结果如表 3-2 所示:
表 3-2 单一电池工况循环时数据统计
输出能量 输入能量 输出时间 输入时间 平均输出功率 平均输入功率
中国典型城市公交循环工况
9838.08 KJ 10374.84 KJ
622s 682s 15.81KW 15.21KW
从表 3-2 统计数据可以看出，平均输出功率为 15.81kW，平均输入功率为 15.21kW。故电
b) 当电机驱动系统对复合电源的功率需求小于零，且超级电容的 SOC 值大于其最大 SOC 限值， 即超级电容不需要充电，直接由蓄电池负责回收能量；
c) 当电机驱动系统对复合电源的功率需求大于零且小于平均正功率，若超级电容 SOC 大于最 小门限值，蓄电池滞后一定的时间，使输出的功率缓慢的增加，不足功率由超级电容补充；
复合电源的参数匹配
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复合电源参数设计
1 复合电源综述
混合动力汽车（HEV）在加速、爬坡、启动过程中需要能量储存系统提供短时大功率电能， 这对电源的性能，例如功率密度、能量密度等都提出了较高的要求。因此搭载有高效、长寿的
电量存储装置是（HEV）发挥节能、环保优势的前提，也是其大规模市场化的关键。 目前，大多数 HEV 的电源系统只由单一蓄电池供能，如下表 1 所示，由于 HEV 的负载属
公司/研究所
参数
Maxwell Pansonic SAFT/Alcatel
CAPxx
3v,1000-2700F 3v,800-2000F
3v,130F 3v,120F
能量密度 （Wh/kg）
3-5 3-4 3 6
功率密度 （W/kg） 400-600 200-400
500 300
研究现状
商业化 商业化 封装样品 封装样品
调节供给电机或超级电容的电压，并控制超级电容充放电电流的大小。复合电源的结构较多，
引入功率变换器后，可将复合电源分为被动式和主动式两种，被动式结构复合电源是将蓄电池
组与超级电容器组直接并联，而主动式结构复合电源是在蓄电池组与超级电容器组之间配置一
个或者多个功率变换器后再进行并联。主动式结构是以蓄电池为主，超级电容对蓄电池功率进
PG2齿圈
发动机
输出轴
发电机MG1
电动机MG2
PG2行星架 PG2太阳轮
PG1齿圈
图 3-1 构型简图
3.1 复合电源参数设计要求 复合电源参数设计主要是要满足电机对电源的功率要求和能量要求。对复合电源的功率要
求主要是满足电机的峰值功率要求，根据复合电源的功率分配原则可知，蓄电池模块须满足电 机对复合电源的平均功率要求；超级电容要满足 T 秒的峰值助力需要的能量。而对复合电源的 总能量要求可以根据原单一电池混合动力车载电源的可用能量确定。
高低温性能
差
好
来自百度文库一般
好
安全性能
一般
好
一般
好
复合电源利用超级电容比功率大、寿命长的特点，对电源中的易损件——蓄电池“削峰填
谷”，使其得到保护，并工作于比较理想的充放电状况，世界超级电容主要研究和生产单位生
产的超级电容参数如下表 2 所示。
国家
美国 日本 法国 澳大利亚
表 2 世界超级电容主要研究和生产单位
18Ah a 11556Wh a
136kg b 90kW a 350V a 6000rpm a 100kW a 350V a 6000rpm
3.2 对复合电源的功率要求
对复合电源的功率要求包括平均功率要求和总功率要求。平均功率需求的计算方法是将电 机对原单一电源的正负能量需求分别除以正负能量的统计时间得出。平均功率反映了 HEV 在 满足动力性要求前提下蓄电池的常用工作功率。电机对复合电源的总功率要求 Pele_req，总功率 要求等于原单一电池输出功率与损失功率之和的最大值。数学表达式为：
复合电源参数设计
迎来快速的爆发。
2 影响复合电源参数设计的因素
复合电源结构对应的原车型混合动力系统的整车动力源功率流如图 2-1 a)所示，由图可 知： 复合电源系统与整车负载、电机驱动系统、动力耦合机构以及控制策略之间有着密切的
联系，因此车载复合电源参数设计设计需要考虑多方面的影响因素，复合电源匹配流程如图
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复合电源参数设计
速度 （Km/h）
中国典型城市公交循环 70
60
50
40
30
20
10
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
时间 （s）
图 2-2 中国典型城市公交循环
2.2 复合电源的控制策略 在整车对复合电源的总功率需求相同时，不同的复合电源控制策略会对应着蓄电池组与超
行滤波，缓冲起停发动机、加速以及制动工况下电机工作时的大电流，延长蓄电池使用寿命，
故本文选择使用主动控制式复合电源作为储能装置。
综上述，复合电源的充放电能力对整车动力性和经济性有着显著的影响，而复合电源参数
直接表征了其储存能量和瞬时充放电能力，因此复合电源参数设计在复合电源的应用中至关重
要。本文将系统研究复合电源参数设计的方法，深入讨论参数设计的约束条件——能量约束、
需求功率 超级电容提供功率
缓慢增加的电池功率
90
图 2-3 电池的输出功率特性
复合电源功率分配逻辑流程如图 2-4 所示，从图中可知： 4 / 15
复合电源参数设计
a) 当电机驱动系统对复合电源的功率需求小于零，且超级电容的 SOC 值小于其最大 SOC 限值， 则优先由超级电容负责回收能量，随着充电的进行，当超级电容 SOC 值达到其最大 SOC 限制，由蓄电池负责回收能量；
首先基于原车型仿真数据，建立复合电源的动力性约束条件，初步得出蓄电池模块和超级 电容模块的目标参数范围；为满足工程实践要求，建立复合电源系统的质量与成本约束条件, 进一步缩小目标参数的可行范围。最后为降低混合动力系统的生产成本，对目标参数在可行范 围内取值。
PG1行星架
锂电池
PG1太阳轮
逆变器
逆变器
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复合电源参数设计
俄罗斯
瑞典 中国大陆
ESMA
Superfarad 北京集星
3v,250F
1.7V,50000F
40V,250F 2.7V，50F
1.1 8-10
5 2.9-6.3
1114 80-100(效率
95%) 200-300 300-5000
商业化
封装样品 商业化
由于蓄电池与超级电容的电压特性不同，在复合电源中需要加装 DC/DC 功率转换器，以
Pele_req = max(Pow_out + Pow_loss)
（3-1）
式中， Pow _ out 为原单一蓄电池输出功率， Pow _ loss 为原单一蓄电池损失功率。
从原车型在 CRUISE 中的仿真数据可知， Pele_req 133kW 。
将中国典型城市公交循环工况下的蓄电池模块平均输出和输入功率分开考虑，并做相应的
级电容之间不同的功率分配关系，因此不同的复合电源控制策略对蓄电池组以及超级电容的峰 值功率、平均功率等规格参数的要求也就不同。
复合电源的控制目标是：在保证整车动力性的前提下，充分发挥超级电容瞬间大电流充放 电的优势，减小对电池的大电流冲击，延长电池的寿命，提高充放电的效率，最大限度的回收 制动能量。根据控制目标需设计驱动模式功率分配策略，制动能量回收策略。功率分配策略是 利用滤波器将负载功率分成两部分：峰值功率和平均功率。滤波器取线性低通滤波器，负载需 求功率经过低通滤波器后得到平均功率，平均功率主要由蓄电池来提供；将电系统需求总功率 与平均功率相减就可以得到峰值功率，峰值功率主要由超级电容器来提供，通过低通滤波器后， 蓄电池的输出功率特性如图 2-3 所示。
功率约束、充放电电流约束、总重量约束以及总造价约束，通过各项约束条件最终确定复合电
源参数的可行域。
根据美国能源局测算，超级电容的市场容量从 2007 年的 40 亿美元，增长到 2013 年的 120 亿美元，中国市场超级电容 2013 年则达到了 19.2 亿元人民币。一旦汽车等应用打开，市场将
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b） 复合电源匹配流程
图 2-1 整车动力源功率流与匹配流程图
2.1 目标循环工况
循环工况是影响整车设计与评价非常重要的影响因素，不同循环行驶工况对车辆的行驶要 求也就不同，也会导致整车燃油经济性有很大的差异。大型客车典型行驶工况有以下 3 种： 1. 是纽约城市工况（CYC_NYCC），代表了市内道路大型车辆的运行工况，作为美国城市标准
本文是在电机选定的基础上研究复合电源的参数设计，原单一蓄电池和两电机的基本参数 如表 3-1 所示。
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复合电源参数设计
原单一电池 电机 MG1 电机 MG2
表 3-1 基本参数
种类 电压范围
容量 能量 质量 功率 额定电压 峰值转速 功率 额定电压 峰值转速
锂电池 523.6V~642.6V a
3 复合电源参数设计方法
本文基于功率分流式混合动力城市公交车，构型简图如下图 3-1所示，将原车型中单一锂 5 / 15
复合电源参数设计
电池模块电源改装成由锂电池模块与超级电容模块组合而成的复合电源系统，且并不改变原车 型其他部件及参数，在此前提下确定复合电源各项参数。复合电源参数设计主要是电池和超级 电容的节数和容量的匹配，为使复合电源满足整车动力性需求，需要获取改装车型动力系统的 需求功率和需求能量，因为改装车型只是改变了原车型电源系统，并未改变原车型的动力系统， 所以从原车型在指定循环工况下的仿真中获得的动力系统需求功率和需求能量数据，也适用于 改装车型。
于功率脉动型负载，其电源要求比能量大，功率密度高，使用寿命长，因此基于单一蓄电池的
能量存储系统在运行过程中常常会遇到这样的问题：电池频繁的大功率充放电导致其循环寿命
缩短、能量效率降低，难以满足 HEV 对行驶里程和电池使用寿命的要求，这样既增加了车辆 行驶的维护成本，又限制了混合动力系统的节油效果。为解决上述问题，可以在 HEV 单一蓄 电池能量存储系统中加入超级电容，将超级电容高功率密度、循环寿命长、在承担脉动负载时
测试循环工况（FTP 标准工况）被广泛使用。 2. 纽约公交车行驶工况（CYC_NewYorkBus），专门为城市公交车运行设计，应用也很广泛。 3. 中国典型城市公交车行驶工况，该工况是基于中国的实际路况和大型客车的行驶特点而设
计。结合本国的实际情况，本文采用 GB/T 19754-2005《重型混合动力电动汽车能量消耗 量试验方法》中的中国典型城市公交循环数据，中国典型城市公交循环工况如图 2-2 所示。
电机需求功率
负（充电） 正或者负
正（放电）
是 >平均正功
率
SOC<最大门
是
限值
否
蓄电池
b）
a）
复合电源
否
SOC<最小门 限值
否
是
c） d）
复合电源
蓄电池
SOC<最小门
是
限值
否
复合电源 f）
e）
蓄电池
图 2-4 功率分配逻辑流程图
由于本文主要研究复合电源参数设计方法，对复合电源的控制策略中的滤波函数，a)-f)中 蓄电池和超级电容的功率分配公式以及控制策略模型将在后续工作中给出。
具有优异的充放电性能的优势和蓄电池比能量大的特点相结合。
表 1 常用储能装置参数对比
镍氢电池
超级电容
磷酸铁锂电池
LpTo 电池
电压平台（V）
1.2
2.5
3.2
2.3
能量密度（wh/kg）
45
6
90
75
功率密度（w/kg）
800
20000
1800
2300
单体循环寿命
600
500000
2000
25000