超级电容在双电源电动车中的应用研究

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工作条件下进行充放电控制，辅助主电源电池工作。通过运用Matlab/Simulink软件仿真结果显示，该双电源系统可以有效减小锂电池充放电电流，起到保护电池，提高电池寿命的作用，并且能够回收电动车制动能量。
关键词： 超级电容； 双电源； 电动车； Matlab/Simulink
中图分类号： TN710⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2015）10⁃0144⁃04
由于环境污染和石油危机的双重压力，电动车已经逐渐成为人们生活中一种重要的绿色交通工具[1]。目前较为广泛应用的电动车供电介质有燃料电池、锂电池、超级电容等，而目前市场上主流应用的是锂电池。锂电池具有高能源效率、高能源密度、比能量高、自放电小、无记忆效应等优点[2⁃3]。由于锂电池的寿命受到温度的影响较大，当进行大电流充放电时，温度会急剧上升，从而降低其使用寿命。超级电容是一种介于电池和静电电容器之间的储能元件，具有比静电电容器多的能量密度和比电池高得多的功率密度，不仅适合于作短时间的功率输出源[4]，而且还可以利用它比功率高、比能量大、一次储能多等优点，在电动车启动、加速和爬坡时有效地改善运动特性[5⁃6]。此外，超级电容还具有内阻小，充放电效率高（90%以上）、循环寿命长（几万至十万次）、无污染等独特的优点[7]。电动车在行驶过程中，由于频繁地加速、减速和上下坡等原因，使得负载电流变化比较大，当负载电流太大以至于超过蓄电池所能承受的最大放电或充电电流时，为了避免电池组过放电或过充电，需要由超级电容放电或充电，以便改善电池组的工作状态，延长其实用寿命[8]。此外，在电动车使用超级电容器后能够平滑动力电池的充放电电流，动力电池的使用寿命也可有较大延长[9]。
1 双电源系统拓扑结构
1.1 双电源系统拓扑结构
本文设计的超级电容⁃电池电动车双电源系统拓扑如图1所示。
图1 双电源系统拓扑图
1.2 双向DC/DC拓扑结构
双向DC/DC的拓扑结构采用非隔离型的双向半桥拓扑。因为考虑到电动车双电源系统的应用场合，超级电容本身的充放电功率都较大，达到了10 kW的数量级。如果采用隔离型的拓扑，由于需要使用变压器，整个电路的体积以及成本就会相当高。故采用非隔离型中应用比较广泛的双向半桥拓扑。对于整个拓扑图左侧的双向半桥DC/DC来说，当能量从右向左流动时，Igbt_H工作，Igbt_L关断；L，Igbt_H和Igbt_L的反相二极管构成BUCK电路；当能量从左向右流动时，Igbt_L工作，Igbt_H关断，Igbt_L和Igbt_H的反相二极管构成BOOST电路。
1.3 电池控制
当超级电容进行充放电或者电机能量回馈过程中，可能会对电池进行不可控的充放电，从而增加了不必要的电池充放电，减少电池使用寿命。为了有效克服电池不可控充放电的缺点，在电池与直流母线之间增加IGBT开关，两个IGBT不同时导通，从而使得电池总是能够工作在单向导通状态，避免短时间频繁充放电，起到保护电池的作用。
1.4 DC/AC拓扑结构
DC/AC部分采用两电平三相桥式电路。电机工作在电动机状态时，DC/AC工作在逆变状态；电机工作在发电机状态时，DC/AC工作在整流状态。
2 双电源系统工作过程
当电动车加速时，双向DC/DC的Igbt_H工作，Igbt_L始终关断，双向DC/DC工作在BOOST模式下，超级电容向外输出功率。同时与电池相连的Igbt_Bat_L导通，Igbt_Bat_H关断，电池也向外输出功率。DC/AC工作在逆变状态。当电动车减速时，双向DC/DC的Igbt_L工作，Igbt_H始终关断，双向DC/DC工作在BUCK模式下，超级电容吸收功率。如电容已充满，或超级电容充电功率无法满足制动功率要求，则Igbt_Bat_H导通，Igbt_Bat_L关断，电池吸收功率，DC/AC工作在整流状态。此外，电容充满则关闭双向DC/DC。当电动车匀速正常运行时，双向DC/DC不工作，超级电容不工作。Igbt_Bat_L导通，Igbt_Bat_H关断，电机仅通过电池进行供电，DC/AC工作在逆变状态。当电动车处在停止状态，并且超级电容电压较低，未达到工作电压范围时，电池对超级电容进行充电，此时DC/DC工作在BUCK模式，并且Igbt_Bat_L导通，Igbt_Bat_H关断，DC/AC不工作。其具体能量流动方向示意如图2所示。
图2 电动车各工作状态能量流动图
3 系统控制
双向DC/DC充放电以及DC/AC控制如图3所示。
图3 双向DC/DC充放电以及DC/AC控制图
3.1 双向DC/DC控制
对于超级电容来说，在能量回馈再生制动以及加速释放能量的过程中，其电压会发生较大的变化。当再生制动时，随着转速下降，电机反电动势随之下降，但是电容电压同时上升，电枢电流将急剧上升，有可能对功率器件甚至电机造成损害[5]。若采用对电容恒电流充电方法，则充电功率随着电容电压上升而上升；若采用恒功率充电，则当电容电压较低时，电流会非常大，因此也可能对功率器件甚至电机造成损害。此外，超级电容的充电功率也受到制动功率的限制。
因此采用恒流⁃恒功率的控制方式，即当电压较低时采用恒流控制，当电压较高时采用恒功率控制，并且电流满足不超过制动功率要求，从而整个系统的电流都会控制在一定范围内，对电机、以及功率器件都具有一定的保护作用。同理，超级电容放电也采用恒流⁃恒功率的控制方式。具体对电容的充放电逻辑如图3（a）所示。设定目标电流I_ref的最大值I_refmax，当电容电压较低时，虽然通过功率计算得到的目标电流较大，但是如果超过I_ref的最大值，那么电流仍旧被限制在I_refmax，当制动功率小于最大功率时，充电功率被限制在制动功率。从而得到了恒流⁃恒功率控制。而若已达到双向DC/DC占空比上限，恒功率也无法满足，则占空比始终保持最大值。
3.2 DC/AC控制
电机为永磁同步电机。控制方法如图3（b）所示。给定转速w_ref，与转速w的差通过PI得到iq的参考值，根据最大转矩电流比控制策略[10]，设定id的参考值为0，通过[2r3s]变换得到电机三相电流的参考值，与测量值进行比较，从而控制DC/AC的开关状态。此外，当电机减速时，若转速较低，为了保证电机处在回馈制动状态而不进入反接制动状态，需要对iq进行限幅。
4 仿真实验结果
Matlab/Simulink仿真图如图4所示。
图4 Matlab/Simulink仿真图
本文主要讨论普通的加速、匀速和减速状态，并进行仿真。紧急制动需要巨大的制动转矩，电机会工作在反接制动状态，并不回收能量。仿真参数：锂电池额定电压为400 V，额定容量为30 kW·h；超级电容为10 F，工作电压为100～200 V；永磁同步电机极对数12，定子电阻0.032 Ω，Ld=Lq=0.001 39 H，转子磁链0.175 Wb，摩擦系数0.141 N·m·s，最大转速600 r/min，最大转矩320 N·m；电动车质量1 000 kg，车轮滚动半径0.3 m，滚动阻力系数0.015，迎风面积1.35 m2，空气阻力系数0.4，空气密度1.225 8 kg/m3。
4.1 加速和匀速
电机初始转速0 r/min，锂电池初始SOC的80%，超级电容初始电压180 V，目标转速500 r/min，超级电容最大输出功率为5 kW，最大输出电流为30 A。
加速到匀速过程电机转速变化如图5（a）所示，从0～18 s，电机处在加速状态，18 s之后电机达到500 r/min转速，匀速运行。超级电容电流波形如图5（b）所示，超级电容在前4 s因为5 kW输出功率限制，输出电流小于30 A，当电压下降到170 V左右后，进入恒流输出状态，当电机匀速时，超级电容不输出功率，电流为0。电池电流波形如图5（c）所示，随着输出功率的增加，输出电流不断增加，而当电机匀速时候输出电流下降并保持在10 A左右。无超级电容情况下电池电流波形如图5（d）所示，当相同的加速过程没有超级电容参与时，电池电流有10 A的增幅。
图5 加速过程仿真结果图
4.2 减速
电机初始转速为600 r/min，锂电池初始SOC的80%，超级电容初始电压120 V，目标转速0 r/min，超级电容最大吸收功率为5 kW，最大输入电流为30 A。
减速过程电机转速变化如图6（a）所示，25 s内制动完毕，制动过程后期为了避免进入反接制动状态，降低了制动转矩。超级电容电流波形如图6（b）所示，前7 s工作在恒流模式，7～10 s工作在恒功率模式，10 s以后因为制动转矩降低，降低了吸收功率。电池电流波形如图6（c）所示，回馈制动初期吸收功率超过超级电容吸收功率上限，故电池也参与，当7 s以后超级电容能够完全吸收回馈功率时，电池不工作。无超级电容情况下电池电流波形如图6（d）所示，相同的减速过程下，电池电流有约8 A的增幅。
图6 减速过程仿真结果图
可见，该双电源系统在电动车加速和减速过程中，有效降低了电池的充放电电流，以及充放电时间，起到了保护电池，提高电池寿命的作用。
5 结 语
为了弥补电池作为单一电源的不足，本文提出了一种采用锂电池作为主电源，超级电容作为辅助电源的电动车双电源方案。该双电源系统在电动车加速时能够降低电池电流，起到保护电池，提高电池寿命的作用；并且当电动车减速时，超级电容能够回收制动能量，提高了能量效率，因此具有很好的应用前景。
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