CN112421745A - 一种电动汽车复合电源系统能量管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车复合电源系统能量管理方法，包括建立复合电源系统模型；能量控制策略模块通过检测超级电容和电池的荷电状态、负载电流的变化情况，并以充、放电功率的期望值作为门限值，根据车辆的行驶状态利用逻辑门限值控制策略对超级电容和电池分别需要承担的能量进行分配；双向DC/DC变换器控制模块采用PI控制器进行负反馈调节，以负载的目标电流与采样电流的误差作为PI控制器的输入，控制双向DC/DC变换器输出电流大小和方向；设定不同的充、放电功率的期望值，并结合工况对复合电源系统模型进行仿真，得到最佳的充、放电功率的期望值。本发明实现了电动汽车复合电源系统的功率分配以及充、放电功率的期望值的仿真优化。

Description

一种电动汽车复合电源系统能量管理方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种电动汽车复合电源系统能量管理方法。
背景技术
石油资源的日益短缺以及汽车环境污染等因素，迫使人们开始重新考虑未来汽车的动力问题。而集多项高新技术于一体的电动汽车具有无排放污染、噪声低、维修及运行成本低等特点，正在引起世界汽车工业的一场革命，将取代燃油汽车成为未来汽车的主流。
动力电池是电动汽车的主要动力来源，其在电动汽车中占据最核心的地位。整车的续驶里程、加速性能及制动能量回收率都与动力电池的性能有着密不可分的关系。目前，电动汽车通常以蓄电池作为动力源，但是，由于蓄电池存在化学性质的局限，其使用寿命较短、功率密度较低。超级电容是一种静电储能装置，具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等特点，可以满足车辆瞬间的高功率需求。因此，将蓄电池与超级电容组合成双能量源系统，可以很好地减少大电流对蓄电池的冲击和能量的损耗，有效地延长蓄电池的使用寿命。由于超级电容的加入，复合能源电动汽车的能量管理成为了一个具有挑战性的问题。一个合理、有效的能量控制策略对提高动力系统的效率尤为重要。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种电动汽车复合电源系统能量管理方法，解决电动汽车复合电源系统功率分配，以及充、放电功率期望值的优化问题。
本发明提供一种电动汽车复合电源系统能量管理方法，包括以下步骤：
建立包括超级电容、电池、双向DC/DC变换器控制模块和能量控制策略模块的复合电源系统模型；其中，超级电容与双向DC/DC变换器串联，再与电池并联接入直流母线；双向DC/DC变换器控制超级电容和电池的能量传输方向；
能量控制策略模块通过检测超级电容和电池的荷电状态、负载电流的变化情况，并以充、放电功率的期望值作为门限值，根据车辆的行驶状态利用逻辑门限值控制策略对超级电容和电池分别需要承担的能量进行分配；
双向DC/DC变换器控制模块采用PI控制器进行负反馈调节，以负载的目标电流与采样电流的误差作为PI控制器的输入，控制双向DC/DC变换器输出电流大小和方向；
设定不同的充、放电功率的期望值，并结合工况对复合电源系统模型进行仿真，得到最佳的充、放电功率的期望值。
进一步地，根据车辆的行驶状态，判断复合电源系统的工作模式，再然后结合需求功率、电池以及超级电容的荷电状态进行能量分配：
设Preq为电机的需求功率，Pb_max为电池输出功率上限值，Pave+和Pave-分别为电池放电和充电功率的期望值，Pc为超级电容提供的功率，Pb为电池提供的功率，SOCc_max为设定的超级电容荷电状态的上限值，SOCc_min则为设定的超级电容荷电状态的下限值；
若汽车加速或上坡，则为放电模式：
若Preq＞Pb_max，超级电容和电池共同作用；
若0＜Preq＜Pb_max且Preq≤Pave+，电池单独作用；
若0＜Preq＜Pb_max且Preq＞Pave+，电池作用；当SOCc>SOCc_min时，超级电容也作用，当SOCc≤SOCc_min时，超级电容不作用；
若汽车减速或下坡，则为充电模式：
若Pave-≤Preq＜0，电池单独作用；
若Preq<Pave-，电池作用；当SOCc≤SOCc_max时，超级电容也作用；当SOCc＞SOCc_max，超级电容不作用。
进一步地，采用Matlab/Simulink软件中的S-Function函数模块建立复合电源系统模型。
进一步地，工况下负载总的需求功率P计算公式如下：
Figure BDA0002744416350000021
式中，η为传动效率，m为汽车质量，g为重力加速度，f为滚动阻力系数，v为速度，i为路面坡度，Cd为空气阻力系数，A为迎风面积，δ为车辆旋转质量换算系数。
进一步地，工况采用FTP-75工况。
进一步地，电池为锂电子电池。
本发明的有益效果是：本发明采用电池和超级电容组成的复合电源结构，结合电池高能量密度和超级电容高功率密度的特性，通过逻辑门限值控制方式，实现了电动汽车复合电源系统的功率分配；并结合工况和复合电源系统模型，对充、放电功率的期望值进行仿真优化，得到较佳的充、放电功率的期望值。
附图说明
图1为本发明的方法流程框图；
图2为本发明采用的复合电源系统仿真模型；
图3为本发明采用的复合电源电路结构；
图4为本发明升压模式等效电路；
图5为本发明降压模式等效电路；
图6为本发明逻辑门限值控制策略流程图；
图7为本发明FTP-75循环工况车速；
图8为本发明电机的功率需求；
图9为本发明复合电源系统电流变化；
图10为本发明超级电容能量回馈；
图11为本发明锂离子电池SOC变化；
图12为本发明超级电容电压变化。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明：
一种电动汽车复合电源系统能量管理方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、建立由超级电容、锂离子电池、双向DC/DC变换器控制模块和能量控制策略模块组成的复合电源系统模型，如图2所示。
其中，将超级电容与DC/DC变换器串联，再与锂离子电池并联接入直流母线，就构成了复合电源电路结构，如图3所示。通过DC/DC变换器的控制作用，可以改变锂离子电池和超级电容能量传输的方向，使其可以共同工作为电机提供所需的功率或者进行能量回收。DC/DC变换器分为升压和降压两种模式，当其工作在升压模式时，能量从左向右流动。此时，超级电容承担一部分的功率需求。开关Q1保持断开状态，开关Q2与二极管D1共同工作。Q2闭合时，超级电容释放能量，存储到电感L中。Q2断开时，二极管D1导通，能量向锂离子电池侧释放，等效电路结构见图4。当其工作在降压模式时，能量从右向左流动。此时，汽车处于制动状态，超级电容进行能量回收。开关Q2保持断开状态，开关Q1与二极管D2共同工作。Q1闭合时，电压U2大于U1，电感L依旧能够进行电能的存储。Q1断开时，二极管D2导通，能量开始向超级电容侧传输，等效电路结构见图5。因此，DC/DC变换器实现了对超级电容和锂离子电池能量传输方向的控制作用。
能量控制策略模块通过检测超级电容和锂离子电池的荷电状态、负载电流的变化情况，对超级电容和锂离子电池分别需要承担的能量进行分配。超级电容和锂离子电池输入、输出能量的值取决于DC/DC变换器对电流的控制作用。为了实现对DC/DC变换器输出电流的控制，采用PI控制器进行负反馈调节。以目标电流与采样电流的误差作为PI控制器的输入，再将经过PID调节的信号与载波进行比较，形成PWM脉冲信号，对Q1和Q2的开闭进行调节，进而实现对变换器输出电流大小和方向的控制。
S2、通过检测超级电容和电池的荷电状态、负载电流的变化情况，并以充、放电功率的期望值作为门限值，根据车辆的行驶状态利用逻辑门限值控制策略对超级电容和电池分别需要承担的能量进行分配。
如图6所示，逻辑门限值控制策略的控制思路是：由锂离子电池提供车辆行驶过程中充、放电功率的期望值，超出期望值的部分由超级电容来承担。充分发挥超级电容拥有高功率密度并且能够快速充放电的特点，减轻锂离子电池的电力负担和大电流对锂离子电池的冲击。同时，部分能量回馈给超级电容，在一定程度上可以降低能量损耗、提升整车效率。具体如下：
若汽车加速或上坡，则为放电模式：当Preq≤Pave+时，表明电机的需求功率较小，锂离子电池可以提供所需能量，超级电容不发挥作用。如果锂离子电池的荷电状态处于一个较高值，并且超级电容的荷电状态处于一个较低值，锂离子电池可以给超级电容充电。但若锂离子电池的荷电状态处于一个较低值，或者超级电容的荷电状态处于一个较高值，那么，锂离子电池均不给超级电容充电。当Preq＞Pave+时，超级电容是否发挥作用需要由其自身的荷电状态来确定。如果SOCc>SOCc_min，则超级电容和锂离子电池一起工作，锂离子电池提供放电功率的期望值Pave+，超级电容提供超过期望值部分的峰值功率。如果SOCc≤SOCc_min，则表明超级电容剩余能量相对较少，依旧由锂离子电池来承担全部的需求功率。如果锂离子电池长期处于大电流放电的状态，将严重损害锂离子电池的使用寿命，因此，需要对锂离子电池的最大输出功率进行限制。如果电机的需求功率超过此最大值，则锂离子电池不提供超过最大值部分的功率，以降低对锂离子电池的损害。
若汽车减速或下坡，则为充电模式：当Preq≥Pave-时，锂离子电池单独作用。当Preq<Pave-时，超级电容是否发挥作用需要由其自身的荷电状态来确定。如果SOCc≤SOCc_max，则超级电容和锂离子电池一起工作。锂离子电池回收充电功率的期望值Pave-，超级电容回收超过期望值部分的能量。如果SOCc>SOCc_max，则说明超级电容剩余能量相对较多，由锂离子电池回收全部的制动能量。其中，Preq为电机的需求功率，Pave+和Pave-分别为锂离子电池放电和充电功率的期望值，Pc为超级电容提供的功率，Pb为锂离子电池提供的功率，SOCc_max为设定的超级电容荷电状态的上限值，SOCc_min则为下限值。
S3、采用Matlab/Simulink软件中的S-Function函数模块建立复合电源系统模型，以FTP-75工况为代表的城市驾驶循环工况为例，进行多次仿真验证，得到最佳的充、放电期望值，，更好地实现电动汽车复合电源系统的功率分配。
其中，为了实现对双向DC/DC变换器的直接控制，以电流作为基准来进行功率调节。所以，在S-Function函数模块中，以电动汽车行驶过程中电机所需要的电流值和超级电容的荷电状态作为输入，经过功率分配，以锂离子电池和超级电容承担的电流分别作为输出。
在FTP-75工况的驱动周期下，车辆在循环周期中的瞬时速度变化如图7所示。根据式(1)，可以得到车辆循环工况下电机总的需求功率，如图8所示。
Figure BDA0002744416350000051
具体参数如表1所示：
表1整车基本仿真参数
参数 数值 参数 数值
整车质量m 1 770kg 车辆旋转质量换算系数δ 1.04
满载质量m 2 145kg 超级电容额定电压U<sub>1</sub> 300V
迎风面积A 2.2m<sup>2</sup> 超级电容内阻R<sub>1</sub> 6mΩ
空气阻力系数C<sub>d</sub> 0.3 电池额定电压U<sub>2</sub> 320V
滚动阻力系数f 0.01 电池内阻R<sub>2</sub> 45mΩ
对FTP-75循环工况进行仿真，可以得到复合储能系统在控制器作用下的能量分配曲线，见图9。根据图9可以得出，当电机总的需求功率较大时，锂离子电池和超级电容共同提供需求功率。锂离子电池的电流被限制在一定的范围内，由超级电容来满足瞬时的高功率需求。超级电容的加入缓解了大电流对锂离子电池的冲击，很好地保护了锂离子电池。在车辆制动的过程中，能量回馈给超级电容，减少了能量的消耗。将能量回馈部分的曲线局部放大，如图10所示。图中曲线表明，在544和612s左右，锂离子电池和超级电容一起工作，进行能量回收。
荷电状态SOC的值表示锂离子电池剩余电量的多少，是体现电动汽车续航能力的关键参数。荷电状态曲线的对比图见图11。虚线表示以锂离子电池作为单一的能量源为电机提供所需能量时荷电状态的变化曲线，实线表示以超级电容和锂离子电池组合成的复合电源系统作为能量源供能时的荷电状态变化曲线。根据图像可以得出，相比于单一能量源，采用复合储能系统为电机提供能量时，锂离子电池荷电状态的降低有所减缓。
复合电源系统的能量消耗由两部分组成，一部分是锂离子电池供能时消耗的能量，一部分是超级电容产生的能耗。锂离子电池消耗的能量可以表示为：
Figure BDA0002744416350000061
式中：i(t)为锂离子电池电流；U为锂离子电池端电压。
超级电容输出的能量可以表示为：
Figure BDA0002744416350000062
式中：U1为超级电容的初始电压值；U2为循环工况结束时超级电容的电压值。
在车辆制动的过程中，超级电容电压升高，表明超级电容在进行能量回收。电压变化曲线见图12。
采用锂离子电池作为单一能量源提供能量时，锂离子电池的能耗为W＝7.34×106J。由W1、W2和W的计算结果可以得到，W1+W2<W，表明复合电源系统相比于单一能量源耗能更少。锂离子电池在大电流放电期间，电池能量消耗较大，而复合电源系统由于超级电容的加入，减少了锂离子电池大电流放电的时间，进而减少了能量的消耗。因此，使用复合电源系统作为电机的供能装置，可以很好地节约整个储能系统的能量。
目前，应用最广泛的功率分配策略是逻辑门限值控制策略。该策略原理简单、易于实现。本发明采用锂离子电池和超级电容组成的复合电源结构，结合锂离子电池高能量密度和超级电容高功率密度的特性，通过逻辑门限值控制方式，实现了电动汽车复合电源系统的功率分配。相比简单的把充、放电均值作为门限值，本发明优化后得到的充、放电期望值，更能节省能源。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电动汽车复合电源系统能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立包括超级电容、电池、双向DC/DC变换器控制模块和能量控制策略模块的复合电源系统模型；其中，超级电容与双向DC/DC变换器串联，再与电池并联接入直流母线；双向DC/DC变换器控制超级电容和电池的能量传输方向；
能量控制策略模块通过检测超级电容和电池的荷电状态、负载电流的变化情况，并以充、放电功率的期望值作为门限值，根据车辆的行驶状态利用逻辑门限值控制策略对超级电容和电池分别需要承担的能量进行分配；
双向DC/DC变换器控制模块采用PI控制器进行负反馈调节，以负载的目标电流与采样电流的误差作为PI控制器的输入，控制双向DC/DC变换器输出电流大小和方向；
设定不同的充、放电功率的期望值，并结合工况对复合电源系统模型进行仿真，得到最佳的充、放电功率的期望值。
2.根据权利要求1所述的电动汽车复合电源系统能量管理方法，其特征在于，根据车辆的行驶状态，判断复合电源系统的工作模式，再然后结合需求功率、电池以及超级电容的荷电状态进行能量分配：
设Preq为电机的需求功率，Pb_max为电池输出功率上限值，Pave+和Pave-分别为电池放电和充电功率的期望值，Pc为超级电容提供的功率，Pb为电池提供的功率，SOCc_max为设定的超级电容荷电状态的上限值，SOCc_min则为设定的超级电容荷电状态的下限值；
若汽车加速或上坡，则为放电模式：
若Preq＞Pb_max，超级电容和电池共同作用；
若0＜Preq＜Pb_max且Preq≤Pave+，电池单独作用；
若0＜Preq＜Pb_max且Preq＞Pave+，电池作用；当SOCc>SOCc_min时，超级电容也作用，当SOCc≤SOCc_min时，超级电容不作用；
若汽车减速或下坡，则为充电模式：
若Pave-≤Preq＜0，电池单独作用；
若Preq<Pave-，电池作用；当SOCc≤SOCc_max时，超级电容也作用；当SOCc＞SOCc_max，超级电容不作用。
3.根据权利要求1所述的电动汽车复合电源系统能量管理方法，其特征在于，采用Matlab/Simulink软件中的S-Function函数模块建立复合电源系统模型。
4.根据权利要求1所述的电动汽车复合电源系统能量管理方法，其特征在于，工况下负载总的需求功率P计算公式如下：
Figure FDA0002744416340000021
式中，η为传动效率，m为汽车质量，g为重力加速度，f为滚动阻力系数，v为速度，i为路面坡度，Cd为空气阻力系数，A为迎风面积，δ为车辆旋转质量换算系数。
5.根据权利要求1所述的电动汽车复合电源系统能量管理方法，其特征在于，工况采用FTP-75工况。
6.根据权利要求1所述的电动汽车复合电源系统能量管理方法，其特征在于，电池为锂电子电池。
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