超级电容在制动能量回收系统的应用研究

超级电容在制动能量回收系统中的应用研究张京明1，2，任殿波2，崔淑梅3，宋宝玉11哈尔滨工业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨1500012哈尔滨工业大学（威海） 汽车工程学院，山东 威海2642093哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，黑龙江 哈尔滨150001摘 要：PHEV制动能量回收系统，对改善汽车的性能，节约能源有着重要的作用。本文对超级电容在制动能量回收系统中进行了应用研究。首先分析建立超级电容特性模型；研究了超级电容在复合电源中的控制策略；基于MATLAB/Simulink平台，建立了再生制动系统的各个模型，并嵌入实车参数进行循环工况仿真。结果表明，电池和电容的功率能够满足电机要求，超级电容的使用提高了蓄电池的效率，起到了“削峰填谷”的作用；并且获得了较高的制动能量回收效率。同时，超级电容的嵌入使用解决了电池比功率较低、循环寿命有限、更换费用较高以及低温工作性能差等缺点。证明了文中所建模型和控制策略的正确性。论文的研究，为整车的研究实现打下了坚实的理论基础。关键词： 超级电容 制动能量回收 建模仿真中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：The Research for Application of Super-capacitor in Braking Energy Regenerative systemZHANG Jing-ming1,2, REN Dian-bo2, CUI Shumei3, Song Baoyu11. Mechanical and electrical Engineering School, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001,China; 2. Automotive Engineering Department, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209,China;3. Electrical Engineering and Automation School, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001,ChinaAbstract: The braking energy regenerative system of PHEV plays an important role in energy conservation and improving the vehicle performance. This paper has researched the application of super-capacitor in braking energy regenerative system. A model of super-capacitor has been designed and the control strategy of super-capacitor in composite power supply has been studied. Models of regenerative braking system have been built based on MATLAB/Simulink and dynamic simulations of cycle condition have been carried out by putting real vehicle parameters into models. The results indicated that the power of capacitance and battery can meet the requirements of motor. The super-capacitor plays an important role in reducing the peak value and increasing the valley point for accumulator cell and enhances the efficiency of accumulator cell. Besides, the braking energy regeneration is very efficient. At the same time, super-capacitor is helpful in solving low battery specific power, limited cycle life, the high cost for replacement, as well as the poor low-temperature performance. Models and control strategy have also been proved to be correct in this paper. So, this paper provided a strong theoretical foundation for vehicle researchKey words: super-capacitor, braking energy regeneration, modeling and simulation1引言随着全球气候逐步恶化、城市大气污染加剧和石油资源过度消耗，混合动力电动汽车越来越成为新型汽车开发的热点。混合动力电动汽车可以使发动机工作在高效区域内，降低污染，提高燃油经济性，而更重要的是它能够较为方便地实现再生制动，回收一部分在制动过程中损失的能项 目：国家“863”资助项目（2006AA11A175）量。由于电池比功率较低、循环寿命有限、更换费用较高以及低温工作性能差等缺点，严重制约着能量回收的效果。超级电容是一种介于传统电解质电容器和电化学电池之间的新型储能元件，它既像静电电容一样具有很高的放电功率，又像电池一样具有很大的电荷储存能力。超级电容作为一种新型电源，充放电迅速，可实现大电流快速充放电；动态特性好，循环效率高达90%-95%，循环寿命在10万次左右；控制简单、绿色环保。为此，采用由蓄电池和超级电容组成的复合电源来回收制动能量，可以提高电源的工作效率、延长电池的使用寿命、降低电源的价格以及减轻电源的重量。2 超级电容特性分析建模（1）电容的充放电特性电容的荷电状态值与电容器端电压成线形关系如下： (1)混合动力汽车应用超级电容的目的就是快速充放电，以减缓电池的大电流冲击，所以电容的容量在满足一定的充放电时段的基础上，对电压下降影响较大的内阻要足够小。 电源给电容充电，充电电压和充电电流为： (2) (3)图1 a)是超级电容以100A恒流充电时的电压特性，超级电容在很短的时间内充满了接近90%的电量，超级电容充电快速和效率高的特性得到体现。电容对负载放电，放电电压和放电电流为： (4) (5)图1 b)为2400F电容的放电电压特性曲线。由图可见，超级电容的电压随着放电时间的增加而呈线性下降，且放电电流越大，电压下降的越快，在混合动力车上用超级电容就是利用其快速充放电的能力，为蓄电池削峰填谷。a)充电 b)放电图1 超级电容充放电电压特性（2）电容的效率特性电容组假设以恒定的电流充放电，经时间，电容器的电量从到，电压从到，则电容器组储存/释放的能量为： (6)可见，当电容的电量下降到一半时，能量变为原来的25%，如果继续让电容放电，能量利用率会很低，因此，设定电容的充放电区间为0.5 ，1。此时电容器组的内阻消耗的能量为： (7)定义超级电容的时间常数，充放电深度 (充电)或 (放电)，由式（6）（7）得到充电效率和放电效率关系式： (8) (9)不同的时间常数、充放电时间和放电深度，超级电容的充放电效率特性如图2所示。图2 充放电时间、深度和充放电效率的关系为了使超级电容高效工作，其电量荷电状态值应取大些，存储在电容中的电能为： (10)一般超级电容放电电压从下降到，即放电深度=0.5时，超级电容的能量利用率为75%。从超级电容的充放电效率图上可以看出，对于相同的放电时间常数，放电时间越长，放电的效率越高；对于相同的充放电时间，放电时间常数越小，充放电效率就越高。3控制策略3.1超级电容和蓄电池的功率分配电机要求功率较大时，将其分成两部分，快速变化的峰值功率由复合电源中的电容提供，而余下的平均功率由电池提供。制定逻辑门限控制策略来分配功率，分配模型如图3所示：图3 功率分配模型(1)先计算出电机对复合电源正负平均功率要求，具体算法是：将电机对复合电源的正负功率分别积分，得出正负能量要求，再分别对正负功率要求时间进行统计，两者相除即可得到正负平均功率要求。(2)若电机要求功率大于计算得出的平均正功率，并且此时电容SOC大于设定的最小值0.5，则电池和电容共同工作，设定滤波函数，让蓄电池的需求功率滞后一定的时间缓慢增加，不足的功率由超级电容补充，充分发挥超级电容瞬间大电流充放电的优势。若电容SOC小于0.5，则限制电容的放电功率为零，电机的需求功率都由电池提供。(3)若要求功率小于计算得出的平均负功率，并且此时电容SOC小于0.9，则控制算法同上，通过滤波函数限制电池的充电功率，其余功率流向电容；否则，若电容SOC大于0.9，此时电容已不需要充电，制动能量全部充入电池。这样，无论充电还是放电，蓄电池的功率一般不会超过电机要求的平均功率，且变化平缓，有利于提高电池效率，延长使用寿命。3.2电池给超级电容充电策略电池给超级电容充电的模型如图4所示：图4 电池给超级电容充电模型当对电池的要求输出功率较小时，并且超级电容的SOC已经很低的情况下(本文选定为0.7)，要求电池给超级电容充电。此时，电池即要满足电机对电池的功率要求，还要满足对超级电容的充电功率要求；如果两个条件至少有一个不满足，那么只有满足电机的功率要求，而不需要给超级电容充电。并且，在小于0时，即能量回收时，禁止电池再给超级电容充电。电池给超级电容的充电策略可以表达为：，并且，时，；否则，。限制电池对电容的充电功率，目的是减小电池的放电电流，减小大电流对电池的损坏，延长电池的寿命。根据功率分配原理，使电池的效率较高时确定的电机对电池的最大功率要求为，那么，电池对电容的充电功率应该根据电池的SOC值确定充电功率大小为： (11)式中 电池给电容充电功率(kW)； 电池最大放电功率(kW)。而电池给超级电容充电的多少是由电容的参考电压决定的。超级电容的参考目标电压受车速动态控制：当车速很高时，汽车可能要减速，电容应该有足够的容量来回收制动能量，因此，此时超级电容的参考目标电压应该较低，电池不应该给超级电容充很多电量；当车速很低时，汽车可能要加速，参考目标电压应该设置高一点，让电池多给超级电容充电，为汽车加速超级电容放电做好准备。超级电容的节数、电压、与车速、最高车速之间的关系式为： (12) (13)式中 N超级电容的节数； C超级电容的容量(Ah)；超级电容单节最高电压(V)； 超级电容单节最低电压(V)；超级电容目标电压(V)； 实时车速(km/h)；最高车速(km/h)； m整车质量(kg)。可得到超级电容的电压与车速之间的关系式： (14)以上计算出电容的目标电压，而电容的实际电压可以通过传感器测得。控制器根据测得的电压值和计算出的目标电压值比较，决定电容盈亏电状况，进一步决定电池给电容充电电量。具体工作状况为：当时，电池输出功率为0；当时，电容处于亏电状态，电池为电容充电功率为： (15) 式中 电容充电功率(kW)； 电容充电功率系数。图5复合存储系统模型图当时，电容处于盈电状态，电容能够放电，放电功率为： (16)式中 电容放电功率(kW)；电容放电功率系数。4仿真分析设计的能量存储设备为复合电源存储系统，其模型如图5所示。选择某款混合动力汽车，利用MATALAB/Simulink并基于ADVISOR仿真软件建立混合动力汽车的仿真模型，如图6所示。图6混合动力汽车模型利用建立的模型，在Advisor中选择UDDS循环工况进行仿真，复合电源再生制动系统中蓄电池和超级电容的工作历程曲线如图7所示。图7 复合电源再生制动系统中蓄电池和超级电容的工作历程曲线由图可以看出，电机对电池和电容的功率要求都得到满足，电池的电流要比超级电容的电流平稳，变化率也没有超级电容的大，超级电容对蓄电池的“削峰填谷”作用表现的比较明显。故制定的复合电源控制策略很好的发挥了电池和电容各自的优势，提高了蓄电池的工作效率。图8为样车在UDDS多工况循环下的消耗的总能量、制动总能量以及回收能量变化对比。驱动循环中整车消耗的总能量为74841.2KJ，制动过程中消耗的总能量为33603.5KJ，占总能量的44.9%，采用基于复合电源的再生制动系统后，回收的有效制动能量为18785.1KJ，能量回收率为25.1%，实现了混合动力汽车在UDDS工况循环下整车制动能量的高效回收。图8 UDDS工况下整车能量消耗变化5结论仿真研究表明：电池和电容的功率能够满电机要求的前提下，超级电容的使用使得蓄电池的电流变化较为平稳，起到了“削峰填谷”的作用；超级电容的控制策略很好地发挥了电池和电容的优势，提高了蓄电池的工作效率；并且车辆采用基于超级电容复合电源的再生制动系统后，获得了较高的制动能量回收效率。证明了所建模型和控制策略的正确性。同时，超级电容的嵌入使用解决了电池比功率较低、循环寿命有限、更换费用较高以及低温工作性能差等缺点。因此，超级电容在PHEV制动能量回收方面的研究，对改善汽车的性能，节约能源有着现实而重要的意义。参 考 文 献1陈全世,仇斌,谢起成. 燃料电池电动汽车M. 清华大学出版社,2005. 31-362陈清泉, 孙逢春, 祝嘉光. 现代电动汽车技术M. 北京理工大学出版社,2002. 260-2643杨 平,马瑞卿,张云安. 基于Matlab永磁同步电机控制系统建模仿真方法J. 沈阳工业大学学报, 2005. 195-1994王宏亮,崔胜民基于试验的铅酸电池充放电特性模型的建立J蓄电池, 2005. 1：38-405过学迅,张 靖.混合动力电动汽车再生制动系统的建模与仿真J. 武汉理工大学学报,2005. 116-1206SasakiY, MtomoA, KawahataF, et al. Toyota Braking System for Hybrid Vehicle with Regenerativ System. Proceedings of the 14th International Electric Vehicle Symposium (EVS-14)J. Florida, 1997.7Eiji Nakamura, Masayuki Soga, Akira Sakai, Akihiro Otomo and Toshikazu Kobayashi. Development of Electronically Controlled Brake System for Hybrid VehicleJ. Toyota Motor Corporation, Society of Automotive Engineers, 2002. （注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）