复合电源在电动汽车领域的探索与实践

本课题完成情况将从三个方面进行介绍，分别是：复合电源匹配及建模、复合电源能量管理策略研究和整车模型仿真验证。 一、复合电源匹配及建模 复合电源模型由电池、超级电容和模型共同构成。本章主要对适合电动汽车动态仿真的电池模型、超级电容模型、DCDC模型进行建模，利用试验数据及其特性分析对模型参数辨识。 1.1 复合电源结构选择 本课题选定复合电源结构形式如图所示，超级电容与转换器串联后再与电池并联，并联后的复合电源系统接入直流总线，以驱动电机 根据上述拓扑结构，复合电源工作模式主要分为以下4种： 1）动力电池组单独驱动。在车辆巡航行驶或在车辆需求功率较小时，整车行驶所需功率不高，且动力电池具有高的比能量，这种情况下电池能够满足不断为汽车输出必要功率的条件，在这一过程中超级电容不参与工作。 2）超级电容单独驱动。在车辆起步或加速时，需要短时大功率输出，由于超级电容具有高功率密度和快速大功率放电特性，与动力电池组相比，超级电容的优点恰好能弥补其不足。此外，由于其低温特性好，能够很好地为车辆的低温启动提供必备的功率。 3）动力电池组和超级电容协同驱动。在车辆加速或爬坡时，车辆的需求功率较大，由于动力电池组不能输出瞬时大功率，可能导致车辆的动力性下降。为了不影响汽车的动力性，超级电容必须与动力电池组协同工作，输出必要的峰值功率，弥补单一电池功率的不足。 4）再生制动能量回收过程。在汽车制动减速或下坡时，驱动电机反转制动，得到的功率流流向复合电源系统，本课题采用超级电容储存所有制动能量，在其完全充满时，超级电容将不再回收制动能量。 1.2 动力电池建模 1.2.1 二阶RC模型建模原理 对于磷酸铁锂电池来讲,电池的内阻分为欧姆内阻和极化内阻,欧姆内阻由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成,极化内阻是指电化学反应时由极化引起的电阻,包括电化学极化和浓差极化引起的电阻。所以本课题采用二阶RC等效电路模型,如图1.2所示

在电动汽车技术发展的浪潮中，复合电源系统成为了提升车辆性能的关键研究方向。今天就来聊聊本课题在复合电源方面的完成情况，主要从复合电源匹配及建模、复合电源能量管理策略研究和整车模型仿真验证这三个大方面展开。

复合电源匹配及建模

复合电源模型可不是简单的堆砌，它是由电池、超级电容和相关模型共同构成的有机整体。在这部分，重点就是对适合电动汽车动态仿真的电池模型、超级电容模型、DCDC模型进行建模，并且通过试验数据及其特性分析来精准辨识模型参数。

复合电源结构选择

本课题选定的复合电源结构形式还挺有意思，超级电容与转换器串联后再与电池并联，然后这个并联后的复合电源系统接入直流总线，以此来驱动电机。就像下面这样简单画个示意（当然实际要复杂得多）：

graph TD; A[电池] --> C[直流总线]; B[超级电容] --> D[转换器] --> C;

基于这个拓扑结构，复合电源有4种主要工作模式：

1. 动力电池组单独驱动：车辆巡航行驶或者需求功率较小时，整车行驶所需功率不高，而动力电池比能量高，完全能满足不断为汽车输出必要功率的条件，这时候超级电容就可以休息啦，不参与工作。
2. 超级电容单独驱动：车辆起步或加速那可是需要短时大功率输出的。超级电容就派上用场了，它高功率密度和快速大功率放电的特性，完美弥补了动力电池组在这方面的不足。而且它低温特性好，车辆低温启动也全靠它提供必备功率。
3. 动力电池组和超级电容协同驱动：车辆加速或爬坡，需求功率大起来了，动力电池组没办法输出瞬时大功率，可能就影响车辆动力性了。这时候超级电容就得和动力电池组协同工作，输出必要的峰值功率，解决单一电池功率不足的问题。
4. 再生制动能量回收过程：汽车制动减速或下坡，驱动电机反转制动，功率流就流向复合电源系统。本课题采用超级电容储存所有制动能量，等它完全充满，就不再回收制动能量了。

动力电池建模

二阶RC模型建模原理

就拿磷酸铁锂电池来说，它的内阻分为欧姆内阻和极化内阻。欧姆内阻由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成，极化内阻则是电化学反应时由极化引起的电阻，包含电化学极化和浓差极化引起的电阻。基于这些，本课题采用二阶RC等效电路模型，大概长这样（用简单代码示意其结构关系，实际是复杂电路，这里只为帮助理解）：

# 假设电阻和电容为简单数值表示其特性 ohm_resistance = 0.1 polarization_resistance1 = 0.2 polarization_resistance2 = 0.3 capacitance1 = 100 capacitance2 = 200 # 简单表示二阶RC电路的关系 # 这里只是示意，实际涉及更复杂的电学计算 total_resistance = ohm_resistance + polarization_resistance1 + polarization_resistance2 total_capacitance = capacitance1 + capacitance2

这个简单代码里，我们用数值模拟了电阻和电容，来示意二阶RC等效电路模型中各部分的关系。在实际中，要根据电池的特性和大量试验数据来精确确定这些参数值，才能准确模拟电池的电学特性。

本课题完成情况将从三个方面进行介绍，分别是：复合电源匹配及建模、复合电源能量管理策略研究和整车模型仿真验证。 一、复合电源匹配及建模 复合电源模型由电池、超级电容和模型共同构成。本章主要对适合电动汽车动态仿真的电池模型、超级电容模型、DCDC模型进行建模，利用试验数据及其特性分析对模型参数辨识。 1.1 复合电源结构选择 本课题选定复合电源结构形式如图所示，超级电容与转换器串联后再与电池并联，并联后的复合电源系统接入直流总线，以驱动电机 根据上述拓扑结构，复合电源工作模式主要分为以下4种： 1）动力电池组单独驱动。在车辆巡航行驶或在车辆需求功率较小时，整车行驶所需功率不高，且动力电池具有高的比能量，这种情况下电池能够满足不断为汽车输出必要功率的条件，在这一过程中超级电容不参与工作。 2）超级电容单独驱动。在车辆起步或加速时，需要短时大功率输出，由于超级电容具有高功率密度和快速大功率放电特性，与动力电池组相比，超级电容的优点恰好能弥补其不足。此外，由于其低温特性好，能够很好地为车辆的低温启动提供必备的功率。 3）动力电池组和超级电容协同驱动。在车辆加速或爬坡时，车辆的需求功率较大，由于动力电池组不能输出瞬时大功率，可能导致车辆的动力性下降。为了不影响汽车的动力性，超级电容必须与动力电池组协同工作，输出必要的峰值功率，弥补单一电池功率的不足。 4）再生制动能量回收过程。在汽车制动减速或下坡时，驱动电机反转制动，得到的功率流流向复合电源系统，本课题采用超级电容储存所有制动能量，在其完全充满时，超级电容将不再回收制动能量。 1.2 动力电池建模 1.2.1 二阶RC模型建模原理 对于磷酸铁锂电池来讲,电池的内阻分为欧姆内阻和极化内阻,欧姆内阻由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成,极化内阻是指电化学反应时由极化引起的电阻,包括电化学极化和浓差极化引起的电阻。所以本课题采用二阶RC等效电路模型,如图1.2所示

通过对复合电源匹配及建模的深入研究，为后续复合电源能量管理策略研究和整车模型仿真验证奠定了坚实基础。下次我们再聊聊能量管理策略研究部分的精彩内容。