基于超级电容器的太阳能汽车储能系统研究

第３２卷第１期计算技术与自动化Ｖ０１．３２，Ｎｏ．１

２０１３年３月ＣｏｍｐｕｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＭａｒ．２０１３

文章编号：１００３—６１９９（２０１３）０１—００５５～０５

基于超级电容器的太阳能汽车储能系统研究杜小娟，易灵芝，彭海成，贺鹏，申超（湘潭大学信息工程学院，湖南湘潭，４１１１０５）摘要：针对太阳能汽车在启动时需要蓄电池提供瞬时大电流，制动时会使蓄电池承受大电流冲击，导致蓄电池寿命严重缩短这一问题，提出一种基于超级电容器的新型储能系统，并通过模糊控制使超级电容器与蓄电池协调工作。本设计在ＭＡＴＬＡＢ平台上搭建了基于超级电容器的太阳能电动汽车混合储能系统的模型，进行相关的仿真实验，实验结果表明混合储能方式可以提高汽车启动速度，减少对蓄电池造成的损害。关键词：超级电容器；模糊控制；太阳能汽车；混合储能系统中图分类号：ＴＰ７５文献标识码：Ａ

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅＳｙｓｔｅｍｆｏｒＳｏｌａｒＶｅｈｉｃｌｅｓＢａｓｅｄｏｎＳｕｐｅｒＣａｐａｃｉｔｏｒ

ＤＵＸｉａｏ—ｊｕａｎ，ＹＩＬｉｎ—ｇｚｈｉ，ＰＥＮＧＨａｉ—ｃｈｅｎｇ，ＨＥＰｅｎｇ，ＳＨＥＮＣｈａｏ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＸｉａｎｇｔａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ４１１１０５，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｎｅｗｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅｓｅｖｅｒｅｓｈｏｒｔｅｎｉｎｇｏｆｂａｔｔｅｒｙｌｉｆｅ，ｗｈａｔｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｃｕｒｒｅｎｔｍｕｓｔｂｅｐｒｏｖｉｄｅｄｉｎｔｈｅｓｔａｒｔｏｆｔｈｅｓｏｌａｒｖｅｈｉｃｌｅａｎｄｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｔｈｅｈｉｇｈｃｕｒｒｅｎｔｍｕｓｔｂｅｂｏｒｎｉｎｔｈｅｂｒａｋｉｎｇｂｙｂａｔｔｅｒｙ，ａｎｄａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｈｙｂｒｉｄｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ

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ｍｏｄｅｌｉＳｂｕｉｌｔａｎｄｒｕｎｉｎｔｈｅＭＡＴＬＡＢ。ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｔａｒｔｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄａｎｄｔｈｅｄａｍ～

ａｇｅｆｏｒｔｈｅｂａｔｔｅｒｙｉｓｒｅｄｕｃｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ；ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｏｌａｒｖｅｈｉｃｌｅ；ｈｙｂｒｉｄｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍ

引言汽车数量的不断增加，环保和节能问题已引起世界各国关注，太阳能电动汽车因其零排放、低噪声等诸多优点，被称为“未来汽车”。太阳能电动汽车是将太阳能存储在蓄电池中，汽车运行时，由蓄电池提供电能，然而，汽车启动时的大电流放电以及制动时的大电流冲击都对蓄电池有一定损害，缩短蓄电池使用寿命，并且蓄电池充电速度较慢，对制动能量的回收率较低，造成了能源的浪费［１＿２］。２超级电容器模型超级电容器经典模型旷４１如图１所示，等效为一个理想电容器Ｃ，与一个阻值很小的电阻Ｒ。。相串联，再与一个阻值很大的电阻Ｒ。，相并联。串联电阻ＲＥＳ的存在，使超级电容器充放电能效不为１。

ＣＦ擘口由

ＲＥＳＲＥｐ图１超级电容器经典模型

收稿日期：２０１２—０７—２０基金项目：国家能源风力发电机研发（实验）中心能力持续建设项目、中国高教课题（１ｌＺＤ００９）、湖南省自科基金（１１ＪＪ８００４）、湖南省教育厅重点项目（１０Ａ１１４）、（ＪＧ２０１１Ａ０１２）作者简介：杜小娟（１９８８－），女，硕士研究生．研究方向：新能源风力发电（Ｅ－－ｍａｉｌ：ｄｕｘｉａｏｊｕａｎ０４０８＠１６３．ｃｏｒｎ．）；易灵芝（１９６６一），女，湖南宁乡人，教授。研究方向：交流调速与电力电子装置、电力系统自动化、新能源发电技术等。

万方数据计算技术与自动化２０１３年３月超级电容充电模式有恒流充电和恒压充电，超级电容器电压严重低于给定电压时不能使用恒压充电，而应该用恒流充电，此时，充电电路被控制为电流型Ｂｕｃｋ电路，电容Ｃ不随其端电压的变化而变化，则任意ｔ时刻的储能可表示为：Ｅｔ一筚一筚（１）一

ＶｔＶ。＋ｆｓ（Ｒ巧＋麦）（２）

。３，。一———————ｉ—————一（３）式中：Ｑ。一充电任意时刻的电荷量，Ｖ。一恒流充电条件下任意时刻的电压值；Ｖ。一电容充电下限值，ｊ。一充电电流。

３蓄电池模型蓄电池模型如图２所示。ＲｌＰ毒厂

工ｕｏｃＱＵ１

％

Ｉ‘ＲｏＵｏ

图中，Ｕ。一Ｕ。＋Ｕ。＋Ｕ，（４）开路电压与电池荷电量ＳＯＣ的关系为：Ｕ。一厂（ＳＯＣ）（５）从电路可得：

Ｃ１Ｘ掣＋紫刮ｔ）

（６）

解得：Ｕ１∽＝㈧ｔｏｅ－＿ｔ－－ｔＯＵ＋Ｕ，（∞）（１一ｅ旱）

（￡）＝１（）—＿＋１（∞）ｌ

１一Ｐ∑）

（７）式中：ｒ一时间常数，ｒ＝Ｒ，Ｃ。；Ｒ。一内阻；Ｒ，一极化内阻；Ｃ，一极化电容；Ｕ。一等效开路电压；Ｕ，一极化电压；Ｕ。一内阻压降。

４太阳能汽车能量管理控制４．１能量流动新型太阳能汽车能量系统由太阳能电池板、蓄电

池、超级电容器和直流无刷电机四部分组成（见图３）。图３新型太阳能汽车原理图４．２能量管理系统控制策略在图３设计中，太阳能汽车能量流动有四种工作模式［６叫］：１）纯蓄电池模式：汽车行驶相对稳定或者匀速的时候，汽车运行需要的功率在锂电池最佳输出功率范围内，且锂电池的荷电状态水平较高，此时控制动力系统工作在纯蓄电池模式。２）蓄电池、超级电容器混合驱动模式：在汽车启动、加速或者爬坡的时候，为了保证蓄电池工作在性能最佳区域，由超级电容器提供部分牵引功率。３）蓄电池驱动、超级电容器充电模式：当汽车制动时，电机所产生的制动能量回馈给超级电容器。４）停车充电模式：蓄电池ＳＯＣ处于较低水平，利用汽车停止的间歇，由太阳能电池板给蓄电池及超级电容器充电。本文采用的控制方法是模糊自适应控制，将油门开度及其斜率、蓄电池ＳＯＣ和汽车加速度作为控制的输入变量，将超级电容器放出的功率作为控制器的输出变量。４．３模糊控制器的设计模糊控制是建立在模糊规则基础上，按照人类经验及常识性推理通过语言表达进行控制［５］。本文采用模糊控制对蓄电池和超级电容器混合储能系统进行管理，将蓄电池荷电量ＳＯＣ、汽车加速度ａ、油门开度ａ及其变化斜率ｄａ／ｄｔ作为输入量，超级电容器释放的能量作为输出量。蓄电池荷电量ＳＯＣ及油门开度ａ的模糊子集为｛ＶＳ，Ｓ，Ｍ，Ｌ，ＶＬ），对应论域为［ｏ，１］，汽车加速度ａ、油门开度变化斜率ｄａ／ｄｔ以及输出量的模糊子集为｛ＶＳ，Ｓ，Ｍ，Ｌ，ＶＬ），对应论域为［一０．５，０．５］，见图４（ａ）～（ｃ）。蓄电池ＳＯＣ在０．３～０．８之间认为是电量适中，满足用电需求，在０．３以下认为是亏电状态，０．８以上认为电量充足。汽车加速度和油门开度斜率为正值时为加速状态，负值时为减速状态。超级

万方数据第３２卷第１期杜小娟等：基于超级电容器的太阳能汽车储能系统研究电容器输出功率为正值时为放电状态，负值时为充电状态。

（ａ）输入变量蓄电池ＳＯＣ隶属度函数（ｂ）输入变量油门开度隶属度函数ＹＳＳ■ＬＶＬ＞以涿

－０．６－－０．４－０．３－０．２（ｃ）油门开度斜率与加速度隶属度函数１『ＳＳＩＬｖＬ滁揪

－仉５－０．３＿ｏ．１Ｏｎ０．３（ｄ）超级电容器输出功率隶属度函数图４蓄电池荷电量及油门开度

确定输入、输出变量隶属度函数以及模糊子集后就可以写出模糊控制规则，本系统设计的模糊控制器分为两个，分别用加速度与电池ＳＯＣ、油门开度及其斜率作为输入量，控制规则如表１、表２所示，输出量曲面如图５所示，可以看出，当汽车油门开度斜率和加速度越大时，超级电容器输出功率越大。表１加速度与蓄电池Ｓｏｃ模糊控制规则

ｖｓＳＭＬ纥ＶＳＶＳＶＳＶＳＶＳＳＳＳＶＳＶＳＶＬＬＬＬＬＶＬＶＬＶＬＶＩ。Ｌ

表２油门开度及其斜率模糊控制规则ⅧＳＭＬＶＬＶＳＶＳＶＳＳＭＶＳＶＳＳＭＭＭＬＬＶＬＶＬＬＬＶＬＶＬＶＬ

＿。坤啦Ｗ（ａ）蓄电池ＳＯＣ与加速度控制时的输出曲面

ｒ¨（ｂ）油门Ｈ二度技其科二钲控制时的输＿【｜：曲咖

图５太阳能电动汽车能量管理模糊控制输出曲面

５仿真实现５．１模型搭建在ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ平台上，搭建了基于超级电容器的太阳能电动汽车混合储能系统仿真模型，见图６，进行仿真实验。其中，超级电容器选用ＭａｘｗｅｌｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ

公司生产的ＢＭＯＤ０１１５（１４５Ｆ，４２Ｖ，６００Ａ），蓄电池容量为７６Ａｈ。图６中，当ＩＧＢＴｌ和ＩＧＢＴ４导通、ＩＧＢＴ２和ＩＧＢＴ３截止时，蓄电池带动电机转动；反之，电机处于制动阶段，通过检测加速度来控制四个开关管的导通状态。Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍｌ和ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ２分别为模糊控制器１和模糊控制器２，用于协调控制超级电容器的输出能量。５．２仿真结果比较５．２．１启动速度比较在混合储能系统中，启动阶段是由超级电容器

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