复合电源电动汽车动力系统建模与仿真_盘朝奉

第37卷第2期2012年4月广西大学学报：自然科学版JournalofGuangxiUniversity：NatSciEdVol．37No．2Apr．2012

收稿日期：2011-12-15；修订日期：2012-02-16

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51105178）；国家863节能与新能源汽车重大项目（2011AA11A216）；江苏省

自然科学基金面上研究项目（BK2011489）；江苏高校优势学科建设工程资助项目通讯联系人：盘朝奉（1979-），男，广西田林人，江苏大学讲师，博士；E-mail：chfpan@ujs．edu．cn。文章编号：1001-7445（2012）02-0284-07

复合电源电动汽车动力系统建模与仿真

盘朝奉1，何志刚1，张德望2，周孔亢1

（1.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013；

2.江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013）

摘要：由于蓄电池的功率密度低、能量密度低，以蓄电池作为单一电源的纯电动汽车，动力性和续驶里程因此

受到极大的限制。本文将超级电容引入到电动汽车的储能系统中，构建超级电容—蓄电池复合电源系统，利

用超级电容高功率密度特性弥补蓄电池的不足。分析了在典型工况下的车辆需求功率对应的电流变化曲线，

并根据储能系统的状态划分为单独驱动、共同驱动、预充电和再生制动共四种工作模式，在MATLAB/Simulink

环境下建立了纯电动汽车动力系统的仿真模型，包括蓄电池模块、超级电容模块、功率分配模块和驱动模块，

根据市区循环工况进行了仿真测试，结果表明采用超级电容—蓄电池储能系统能发挥其高能量密度和高功

率密度特性，从而提高车辆的动力性能，使能量利用率提高了近17%。

关键词：复合电源；能量管理；超级电容；市区工况

中图分类号：U463.23文献标识码：A

Modelingandsimulationofelectricvehiclepowersystem

withmultiplexpowersupply

PANChao-feng1，HEZhi-gang1，ZHANGDe-wang2，ZHOUKong-kang1

（1.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China；

2.SchoolofElectricalandInformationEngineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China）

Abstract：Sincestoragebatteryhaslowpowerdensityandlowenergydensity，theaccelerating

performanceanddriverangeofelectricvehicledrivenonlybybatteryisextremelylimited．Inthis

study，ultracapacitorwasappliedtotheenergystoragesysteminbatteryelectricvehicletoforma

multiplesenergysupplysystemofultracapacitorandbatterytomakeuseofhighpowerdensitychar-

acteristicsofultracapacitortoovercomethebatterydeficiency．Thevehiclecurrentcurvescorre-

spondingtopowerdemandundertypicalconditionswereanalyzed，andworkingconditionsweredi-

videdintofourmodesaccordingtothestrateofenergystoragesystem，includingmodesofbattery

separatelydriving，jointlydriving，ultracapacitorpre-chargedandregenerativebraking．Themodel

ofbatteryelectricvehiclewasestablishedwithsimulationenvironmentofMATLAB/Simulink，inclu-

dingbatterymodule，ultracapacitormodule，powerallocationmoduleanddrivingmodule，andsim-

ulationtestwasconductedaccordingtothepowerdemandsunderurbandrivingcycles．Theresults

showthatultracapacitorandbatteryenergystoragesystemcanbringthemostofitshighenergyden-

sityandhighpowerdensityintofunction，vehicleacceleratingperformanceisimproved，energyeffi-第2期盘朝奉等：复合电源电动汽车动力系统建模与仿真

ciencyisincreasedbynearly17%．

Keywords：compoundpowersupply；energymanagement；ultracapacitor；urbandriving

0引言

纯电动汽车具有节能、低噪声、零排放等突出优点，是新能源汽车发展的重要方向之一［1］。多年的

实践证明，现阶段电化学电池仍然存在内阻高、寿命短，高、低温工作能力差等缺陷［2］，不能从根本上解

决纯电动汽车续驶里程短、加速性能不佳的问题，极大地限制了纯电动汽车的应用。超级电容具有内阻

低、工作效率高，且循环寿命长的优点，比较适合于大电流频繁充放电的应用领域［3-4］。近年来，超级电

容在汽车能源领域的应用逐渐成为研究热点，尤其是在混合动力汽车、燃料电池汽车和纯电动汽车上作

为辅助能源，成为电动汽车发展的重要方向［5-10］。

目前电动汽车复合电源方面的研究涵盖了纯电动汽车（ElectricVehicles，EV）、混合动力电动汽车

（HybridElectricVehicles，HEV）以及燃料电池电动汽车（FuelCellElectricVehicles，FCEV）等方向，研究

内容包括对复合电源中各部件的性能实验、建模，以及如何对系统进行参数匹配和对各部件进行控制的

研究［11-12］。如：①燃料电池和混合动力汽车车载复合电源的研究方面。Dinapolia等［13］按照整车混合度

的不同，对复合电源提出了不同的P/E要求，进行了复合电源的参数匹配及优化设计。Andersson等［14］

对装有镍氢电池和超级电容复合系统的串联HEV进行了部件参数的匹配及仿真研究。Schupbach

等［15］对复合电源的设计理论和系统优化方面进行了较为深入的研究，提出了三步设计理论。吉林大学

于远彬等［16］对混合动力城市客车车载电池装置进行了实验研究，掌握了大量的相关数据，进行了各种

连接及参数匹配形式的仿真研究。清华大学与多家单位共同承担的国家863燃料电池城市客车课题，

最后的方案也是采用了FC（燃料电池）+B（蓄电池）+UC（超级电容）的结构形式［17］。②蓄电池与超

级电容组成的纯电动汽车复合电源的研究方面。Wight等［18］对装载超级电容的纯电动汽车进行了低温

环境和不同行驶工况下的实车道路实验以及转鼓实验台加速试验。结果表明，超级电容的采用使蓄电

池的工作负荷得以减缓，超级电容可以快速回收制动能量的特性使整车燃油经济性得到提高。北京理

工大学与北方华德尼奥普兰客车股份有限公司共同研制出了纯电动客车“BFC6110-EV”，该车使用锂离

子电池、超级电容储能系统以及先进的多能源控制系统、交流驱动系统，通过整车试验，主要的性能指标

已经达到预定的要求［19］。北京理工大学在其研制的纯电动汽车上加装了超级电容器，电容配合蓄电池

工作，延长了整车的续驶里程［20］。

国内外的研究表明，建模仿真和性能测试方法在复合电源电动汽车开发过程中得到了应用，但是随

着电动汽车技术的发展和应用范围的扩大，电动汽车建模仿真和性能分析方法的研究还需要不断深入

和拓展。本文研究将超级电容引入到纯电动汽车储能系统中，建立超级电容—蓄电池复合电源储能系

统，针对典型工况下车辆的功率需求对应的电流变化曲线，根据储能系统的状态进行工作模式的划分，

并以适当的能量管理系统协调配合以有效地弥补蓄电池低功率密度和低能量密度等缺陷，提高纯电动

汽车的动力性，延长其续驶里程。

1典型工况下的功率需求分析

纯电动汽车在循环行驶试验工况时，为了不影响车辆的动力性能，储能系统须向电机提供相应的功

率以满足整车的功率需求。下面以中华人民共和国标准GB/T18386-2005《电动汽车能量消耗率和续

驶里程试验方法》中的市区循环工况为例，分析满足电动汽车功率需求对应的储能系统放电电流变化

曲线［21-22］，如图1所示。

分析图1可以得出以下结论：①纯电动汽车匀速行驶时对储能系统的功率需求小；②车辆在匀加速

阶段，储能系统出现了放电大电流尖峰，但持续时间短；③电动汽车对储能系统的总体功率需求（功率

需求平均值）并不高。

因此，纯电动汽车对储能系统的性能有以下特殊要求：为了保证纯电动汽车具有较好的续航能力，582广西大学学报：自然科学版第37卷

图1市区循环工况对应的放电电流变化曲线Fig.1Dischargingcurrentcurveunder

urbandrivingcycles储能系统必须具有高能量密度特性；针对满足车辆起动、

加速和爬坡需要的瞬时大功率，储能系统必须具有短时

高功率密度，而在整个工况下储能系统不需要都具有高

功率密度。

纯电动汽车常用的储能单元中，锂离子电池具有较

高的能量密度，而超级电容具有较高的功率密度，两者并

联使用共同作为纯电动汽车的储能单元，可以相互弥补

各自的缺陷。使得新的储能系统同时具有高功率密度和

高能量密度的特性，在满足车辆动力性要求的同时，可以

获得较好的续驶里程。

2复合电源储能系统结构

图2功率流模型示意图Fig.2Schematicdiagramof

thepowerflow超级电容—蓄电池复合电源储能系统结构如图2所示。图2

中，超级电容经DC/DC转换器与蓄电池并联使用，再经能量管理控

制器、驱动系统提供电能驱动电机。DC/DC转换器是双向的，可控

制超级电容处于充电状态或放电状态，实现超级电容功率流动的双

向性，能量管理控制器负责协调分配超级电容和蓄电池的输出功

率，在满足电机功率需求的同时也能发挥二者的优势。驱动系统的

功能是控制电机的能量转化，在车辆行驶时，控制电机将电能转化

为动能，刹车制动时，控制电机将动能转化为电能。

图2中，Pb、Pc分别为蓄电池和超级电容的输出功率，Pm为电

机的输入功率。其中，Pc、Pm是双向的，表明超级电容既可以充电，

也可以放电；电机可以处于电动状态也可以处于回馈制动状态；Pb是单向的，表明电池只供给电能，不回收储存电能。三者关系如下：