1 前言
在汽车技术发展日新月异的形势下，军用汽车技术的发展也呈现出一系列新的特点[1]。其中之一就是采用混合动力电传动推进系统。混合动力技术的运用能给军用车辆带来多方面的利益。相对于传统军车, 混合动力军车驱动系统可实现再生制动，提高了能量利用率和燃油经济性；部件间采用柔性的电线连接，整车的布置更加灵活，节省了车内空间。但是，与普通的民用混合动力电动汽车相比，军用汽车要求汽车行驶的隐蔽性，汽车能够在保证动力性能的前提下，以纯电动形式静音行驶一定距离，此外汽车还应该具有小型移动电站的功能，这样就要求电储能系统能够提供足够的能量和功率。受电池技术发展制约，单一储能源目前很难同时满足电动汽车运行过程中对能量和功率的要求，并拥有合理的造价。为解决这一问题，使用高比能量能源和高比功率能源混合是一种很好的解决方案，使用复合能源可以综合多种储能源的优点，达到优势互补，同时满足混合电推进系统对储能源能量和功率的双重要求，最大限度的改善汽车的动力性能[2]。基于现有的各种能源技术，近期内可用于电驱动系统的复合能源包括:蓄电池与蓄电池复合能源、蓄电池与超级电容复合能源和燃料电池与蓄电池复合能源[3]。本文将采用镍氢电池与超级电容混合，采取合理的控制策略，充分发挥镍氢电池和超级电容各自的特点，延长镍氢电池的使用寿命，提高系统的效率和燃油经济性。控制策略的核心在于镍氢电池与超级电容间功率的合理分配，由于复合能源源作为整车系统的一个组件，其控制策略必然要受到整车控制策略的影响，本文将探讨一种兼顾整车控制策略的复合能源控制策略。
2 复合能源结构
对于复合能源，其结构问题一直是研究的热点之一。早期的结构一般直接将两种能源并联使用[4,5]，与电池作为唯一能源相比，该结构在脉冲负载条件下具有更长的运行时间和功率密度；但是它不能实现能源的优化,为了克服直接并联的缺点，引入了直流变换器实现对能量流的控制，一般有串联、并联以及相关变形结构。本文中复合能源采用镍氢电池与超级电容并联的结构形式，将DC/DC（直流变换器）放在超级电容回路中，如图2-1所示。这种匹配结构[6,7]，镍氢电池组与负载直接相连，能量转化效率较高；超级电容通过DC/DC变换器和负载相连，能够在加速、爬坡时较好地提供瞬时功率；在回馈制动时，能较好的回收能量。
图2-1 复合能源结构示意图
3 复合能源控制策略
目前，复合能源控制策略主要有功率限制控制策略和功率滤波选出控制策略[8]。前者通过限制电池、电容的充放电功率及次序，对复合能源功率实现合理分配；后者主要利用低通滤波器首先从对复合能源需求功率中分离出电池功率，进而得到超级电容的需求功率。结合这两种控制策略的优点，针对整车采用功率跟随控制的串联混合动力汽车的特点，制定了如下的复合能源控制策略。
3.1放电控制策略
复合能源在输出能量时，功率分配的原则是当功率需求小于电池最大允许输出功率Pbmax时，采用滤波选出控制策略；当需求功率大于Pbmax时，采用功率限制控制策略，此时电池只能提供最大功率，不足的功率要求再由超级电容来补充。根据电池、超级电容的荷电状态与整车的功率需求将复合能源工作划分成几个工作模式，如图3-1、3-2所示：
图3-1 低功率需求时复合能源功率分配 图3-2 高功率需求时复合能源功率分配
在图3-1与3-2中：
P 整车需求功率；
Pb 电池输出功率；
Pbmax 电池最大输出功率；
Pc 超级电容输出功率；
Pice 发动机输出功率。
3.1.1 低功率需求
假设汽车慢速行驶等低功率需求场合，若此时的电池的SOC很高，发动机关闭，电机单独工作，考虑超级电容的SOC，如果超级电容SOC小于最小值限定值，电池放电，电容不工作；如果SOC高于最小值时，电池输出功率滞后一定的时间再缓慢的增加，不足的功率由超级电容补充。如果此时电池SOC处于最佳状态，以减少发动机开关次数的原则，发动机保持在上一个工作状态，此时电机单独驱动或者处于混合驱动状态，考虑超级电容的SOC，如果超级电容SOC小与最小值，电池放电，电容不工作；如果SOC高于最小值时，发动机、电池输出功率滞后一定的时间在缓慢的增加，不足的功率由超级电容补充。当电池SOC低于最小值时发动机处于混合充电状态，发动机除供给需求功率，同时向复合能源充电，首先向超级电容充电，若超级电容达到预定SOC，则向电池充电。
3.1.2 高功率要求
汽车在高速巡航、加速等高功率需求场合，若此时的电池SOC低于最小值，复合能源停止工作。若电池SOC高于最小值，则汽车处于混合驱动模式，考虑超级电容SOC状态，若超级电容SOC低于最小限值，电池维持最大输出，不足功率由发动机提供；若超级电容SOC处于最佳状态，电池仍输出最大功率，不足功率由超级电容和发动机来提供。
3.1 充电控制策略
充电控制策略包括制动能量回收控制策略和电池向超级电容充电控制策略。当电动汽车减速或制动场合电机工作在发电机状态向复合能源充电，为了充分利用超级电容充电速度快充电效率高的特点，首先向超级电容充电，若超级电容充满，再向电池充电；当电池SOC很高时，进入复合制动模式；当电池电容SOC均很高时，无法吸收能量，进入机械制动模式。
对于复合能源内部的充电控制策略，当电机需求功率很小时，电池在提供电机需求功率同时向超级电容充电，若此时电机需求功率增加超过Pbmax，或者进入能量回收模式，则电池停止向超级电容充电。充电控制策略如图3-3、3-4所示。
图3-3 制动能量回收控制策略 图3-4 电池向超级电容充电控制策略
为了延长电池的寿命，电池的最大充电功率要求小于Pbmax，根据电池的SOC值确定充电功率大小为：
式中：
Pcharge 电池向超级电容的充电功率；
超级电容工作的目标荷电状态；
SOC_hi 超级电容工作最高荷电状态；
SOC_low超级电容工作的最低荷电状态。
根据最大限度的回收制动能量的原则，超级电容目标
(3-2)
式中：Ec 超级电容总能量；
Vmax 汽车最高车速
当汽车以车速Vt运行时，为了保证制动能量的吸收，当前的SOC应满足：
(3-3)
将式3-2与式3-3 相比，可得：
3.3 复合能源性能要求
复合能源必须满足整车的动力性能要求和电驱动系统的要求。整车动力性能要求主要是对复合能源功率和能量需求；电驱动系统的要求则包括：系统允许最高电压、系统最小电压、电压变化率、最大电流、电流变化率，输出功率范围和恒功率放电时间等，下面着重分析一下复合能源满足系统动力性能的指标。
3.3.1复合能源功率要求
根据串联混合动力汽车的功率跟随控制策略，当发动机处于开状态时，若复合能源SOC不低于SOC_low，电动机需求的功率则由发动机与复合能源共同提供。汽车所需最大功率为Pmax，发动机所能提供最大功率为Pcs_max，不足的功率应该由复合能源提供则有：
(3-5)
式中：
Pf 复合能源功率.
即便在SOC很高时，也只有需求功率小于Pcs_min时，发动机关闭，所有需求功率由复合能源提供，此时应满足：
(3-6)
由
，取
(3-7)
解（3-5）与式（3-7），得：
(3-8)
3.3.2复合能源能量要求
设汽车以速度Va在平直路面上行驶所需复合能源输出功率为Pm，则行驶S距离，电机发出功率为：
(3-9)
电机连续工作时间为：
(3-10)
此时消耗的能量为：
(3-11)
4 控制性能仿真
4.1模型建立
利用ADVISOR仿真软件中提供的镍氢电池和超级电容的模型，遵照复合能源结构形式建立复合能源仿真模型图4-1所示。其中，DC/DC模型仅对DC/DC变换器的功率损失进行计算。
图4-1 复合能源仿真模型
4.2整车性能仿真
在进行整车性能仿真之前，首先要对复合能源参数进行匹配。复合能源的参数匹配主要是电池和超级电容的节数和容量的匹配。其匹配以其自身特性为基础，受到整车动力性能、整车控制策略和复合能源控制策略的制约。其流程为：先根据整车对复合能源的能量和功率要求，以成本最低为目标，采用全变量约束最优化方法，求解出对电池和超级电容的能量和功率要求。然后，根据系统电压、电流要求，确定电池与超级电容的串并联数，最终确定电池与超级电容的容量。
根据参数匹配的结果，利用经过二次开发ADVISOR软件，仿真某重型汽车动力性能。汽车仿真计算参数如表4-1所示。
重型汽车在WVUSUB工况下，复合能源仿真性能如图4-2至图4-5所示。图4-2为典型工况下，电动汽车实际车速与目标车速的对比曲线，从图中我们可以看出汽车实际车速与目标车速基本重合，汽车满足动力性能要求，复合能源在工况循环内能够满足功率的需求。在这种工况下复合能源随中镍氢电池与超级电容SOC的变化曲线如图4-3所示，仿真过程中设置复合能源的初始SOC为0.7，超级电容SOC随行程工况快速变化，经历一个循环工况基本维持平衡，镍氢电池SOC稳步下降0.2，当电动汽车持续长时间运行，镍氢电池SOC低于限定值时，发动机将向镍氢电池充电。
表4-1汽车仿真计算参数
整车参数
整车质量
迎风面积
风阻系数
滚动阻力系数
16000
7.5445
0.70
0.018
复合能源参数
镍氢电池单体电压V
镍氢电池容量Ah
镍氢电池单体质量kg
电池块数
12
93
17.9
25
超级电容单体电压V
超级电容容量F
超级电容单体质量kg
电池块数
2
2500
0.71
204
电机参数
发动机参数
额定功率kW
峰值功率
最大功率kW
最大功率处转速
40
100
141
2500
图4-2 目标车速与实际车速比较
图4-4超级电容与镍氢电池电流随时间变化曲线
图4-5镍氢电池与超级电容电压随时间变化曲线
图4-4与图4-5为复合能源中两个组件的电流与电压随时间变化曲线。从图中我们可以看出，复合能源在放电时，超级电容都以大电流放电，电压下降的很快，很低，快速输出大功率；相比较而言，镍氢电池则以合适的电流放电，避免了深放有效的保护了电池。当复合能源充电时，电容快速充至目标参考值，剩余能量由镍氢电池来回收。仿真结果表明，本文采取的复合能源控制策略充分发挥了超级电容和镍氢电池各自的特点。
5 结论
本文针对某型军用汽车，给出了混合电传动系统的复合能源的控制策略，建立了仿真模型，并根据匹配结果进行了整车性能仿真。仿真结果表明复合能源充分发挥了超级电容快冲快放的特点，避免了镍氢电池深充深放，合理的进行了二者的功率协调，这种控制策略能够发挥复合能源的优势，满足电动汽车的要求。
参考文献：[1] 詹隽青.吴鹏程.曹树聪. 军用轮式车辆装备技术发展趋势. 汽车运用. 2003, (07)
[2] 王晓峰. 主从能源电动汽车能源匹配研究. 哈尔滨工业大学硕士论文. 2006
[3] 陈清泉. 孙逢春.祝嘉光. 现代电动汽车技术. 北京：北京理工大学出版社. 2002
[4] Wen Xuhui , Xu zhijie, Hu Guangyan,etc. The research on electric system of the PEMFC testing mini bus.EVS18,Berlin,2001: CD-ROM
[5] Pera, M.C. Hissel, D. Kauffmann, J.M. Fuel cell systems for electrical vehicles. Vehicular Technology Conference, 2002. VTC Spring 2002. IEEE 55th , 2002,4: 2097 -2102
[6] Jin-uk Jeong,Hyeoun-dong Lee,Chul-soo Kim.A Development of an Energy Storage System for Hybrid Electric Vehicles Using Supercapacitor.EVS19 2002
[7] Micah Ortuzar,Juan Dixon and Jorge Moreno.Design,Construction and Performance of a Buck-Boost Converter for an Ultracapacitor Based Auxiliary Energy System for Electric Vehicles.IEEE 2003 2889~2894
[8] Maria Wei. Energy management of hybrid electric vehicle. A thesis presented to the University of Waterloo in fulfillment of the thesis requirement for the degree of Master of Applied Science in Electrical Engineering. Waterloo, Ontario, Canada, 2006
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