搭载超级电容的纯电动汽车制动能量回收效率研究外文翻译资料

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搭载超级电容的纯电动汽车制动能量回收效率研究

Zhen Chen, Tianyang Lv, Ningyuan Guo, Jianwei Shen and Renxin Xiao

Faculty of Transportation Engineering, Kunming University of Sicence and Technology

摘 要：相比于传统汽车，拥有零排放和高能量效率的优点的纯电动汽车吸引了政府和公司的大量关注。本文讨论了超级电容直接回收制动能量的效率。首先，通过合理匹配电池组和超级电容的参数，基于AVL Cruise 仿真软件建立纯电动汽车的车辆模型。然后，建议使用并联式制动能量再生策略，并进行了相关的数值模拟。仿真结果表明，搭载超级电容相比于没有搭载超级电容的纯电动汽车，可以大大提升行驶里程和制动能量回收的效率。

关键词：纯电动汽车；超级电容；制动能量回收效率

1. 引言

随着能源短缺和环境恶化日益严重，由于无污染排放和高能量转化率的特征，纯电动汽车吸引了很大的关注。得益于纯电动汽车的制动再发电能力，制动能量可以被回收并储存在能量储存设备中。然而，当制动时，大充电电流有害于保证电池寿命，并潜在地对电池组造成不可修复的破坏。目前提出的各种各样的制动能量回收策略可以被分为以下三类：串联式、空行程式、并联式。在[1,2]中曾分析过串联式制动能量回收技术，在[3]中提到过空程式制动策略，在[4,5]中建立了一种并联式制动能量再生控制策略，结果证明这种策略可以有效地提升能量回收效率。尽管如此，就串联式和空行程式制动策略而言，存在以下两个缺陷：1)由于动力总成复杂的结构，串联式制动能量回收策略不适用于实践；2)对于空行程式制动策略，只有在电机自由转动时才会进行能量回收，导致整体的能量回收效果受限。鉴于这种情况，因为不需要改变车辆动力总成的布置并且可以在行驶过程中有起到作用，本文采用并联控制策略[6,7]。前后轮需要的制动力由制动控制器计算得到，前轮的制动力被分配给发电机和前轮摩擦力。通过全面考虑前后轮的制动力分配比率来保证制动安全。而且，电机再发电产生的制动力和前后轮的制动力一起构成了整体的制动力。通过这样的方式，以相对单一的设计保证了满意的回收效率。

目前，超级电容在制动能量回收领域中应用较少。综合考虑能量回收的潜力，可以考虑使用超级电容。由于具有快速充放电能力和高能量密度的特性，超级电容可以快速回收制动能量并提高制动能量的利用率。另外，得益于超级电容，电池充放电时的突变电流可以被有效避免，所以可以将相关的损害最小化，锂离子电池的寿命也得以延续。

为了探索超级电容对于纯电动汽车的重要性，本文针对制动能量再生效率和电池的保护能力提出了对比研究的方法。首先，建立搭载超级电容的纯电动汽车动力总成。然后，为了提升制动能量回收效率，介绍并联式控制策略并用于控制前后轮的制动力分配。最后进行仿真验证，讨论超级电容对制动能量回收效率的影响。结果显示，在搭载超级电容的情况下，纯电动汽车的制动能量回收效率得到显著提升，并且避免了电池的脉冲电流。

1. 车辆参数和模型搭建

为了进行接下来的研究，应提前定义各项性能参数。此处，三个动力性指标，即最高车速、加速性能和最大爬坡度选取并呈如下：1) 最高车速大于120km/h；2)0-50km/h加速时间小于10s，50-80km/h加速时间小于15s； 3) 30km/h定速连续行驶里程超过150km，60km/h定速连续行驶里程超过100km；4)最大爬坡度大于20%。车辆的基本特性如下表所示。

表1 车辆参数

在本文中，采用AVL cruise软件进行相关研究。AVL cruise是一款针对车辆动力学、燃油经济性和排放研究的优秀的汽车仿真软件，可以精确合理地搭建各种各样的结构布置形式的车辆模型。在本文中，搭载超级电容的纯电动汽车仿真结构如图1所示，包括底盘、电动机、电池组、减速箱、车轮和驾驶员。在建立必要的电气连接和物理连接的协调，于是可以完成仿真计算。通过修改布置结构和仿真模型，可以获得必要的数据，比如电池SOC，机械传动效率，充放电能量。在这种情况下，超级电容通过DC/DC转换器与锂离子电池连接。如此一来，能量流和功率流可以在仿真的每个瞬间被检测到。

图1 车辆整体结构

1. 超级电容的关键技术

超级电容有快速充电的特性，通常充电几十秒至几分钟就可以充到额定容量的95%。此外，低阻抗和高效率也是超级电容主要的特性。作为一个替代电源，超级电容具有提供峰值功率的能力，并且具有高可靠性、保养方便、寿命长和较大的工作温度范围的特性。

1. 超级电容的充放电特性

当超级电容充电时，终端电压U(t)可以表示为一个关于时间t的函数：

(1)

式中，U_max表示U(t)的最大值，R代表超级电容内阻，C是超级电容的电容。

不考虑自放电的影响，超级电容的终端电压在充电过程中可表示为：

(1)

此处，运用一种方法来匹配纯电动汽车的动力总成参数，详见[11]。这种方法可以快速获得合适的参数，因此它适用于这个问题。考虑到第2章中相关的设计需求，锂离子电池的具体参数如表2所示。超级电容的电压等于电池的电压，以此为基础，通过AVL cruise计算(1)和(2)式，最终选定超级电容的电容为100F。于是，一个标准的电容为100F的超级电容被装在了本文提出的纯电动汽车上，如表3所示。通过这种方式，电池和超级电容能够以纯电动汽车满意的表现和谐地运作。

表2 锂离子电池参数

表3 超级电容参数

1. DC/DC转换器

在实际工作中，制动条件复杂多变，所以交流发电机工作时通常输出大电流和大电压。于是就会出现一系列问题，比如，当电池和供电设施在没有能量转换设备介入直接工作时，会出现性能恶化和加速老化的问题。针对于这个问题，DC/DC转换器应用于稳压和稳流。此外，DC/DC转换器还可以优化电动机控制来避免浪涌现象。在本文中，DC/DC转换器具体参数如表4所示，相关的性能曲线如图2所示。当输入功率在27.44~34.78kW之间时，DC/DC转换器工作在最优效率区间，反之亦然。

表4 超级电容参数

图2 DC/DC转换器效率图

1. 制动控制策略

为了设计制动控制策略，必须深入分析车辆动力总成的功率流[12]。在制动过程中，驱动轮的部分动能必须先经过传动系(差速器和齿轮箱等)，然后被转换到电动机。动能被电动机转化为电能，最终被存储在能量存储设备中。根据车辆动力学理论[13]，车轮上的行驶阻力定义为：

(3)

式中，F_f代表滚动阻力，F_w是空气阻力，F_i是坡度阻力，F_j是加速阻力。当车辆在制动时，加速阻力F_j变为制动力。于是，负载功率P可以用方程表示为：

(4)

式中，v是行驶速度。在制动阶段，制动负载功率表示为：

(5)

式中，F_b是负值，此处等于F_j。初始动能E₀和末尾动能E₁表示为：

(6)

(7)

式中，m是车辆质量，v₀是初始制动速度，v₁是制动结束后的速度。得到系统变化能量Delta;E：

(8)

不计能量损耗，基于(4)，等式(8)可以进一步演变为：

(9)

定义，，，我们可以得到：

(10)

另外，发电机输入功率P₂可以用方程表示为：

(11)

式中，K₁是发电机效率，T_M代表发电机扭矩，omega;是角速度。

能量存储系统的输入功率定义如下：

(12)

式中，K₂是发电机功率效率。得到了(11)和(12)，回收能量功率P_4<!--

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