不同插电式混合动力电动汽车充电式混合储能系统的模拟分析外文翻译资料

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不同插电式混合动力电动汽车充电式混合储能系统的模拟分析

Karel Fleurbaey,Noshin Omar,Mohamed El Baghdadi,Jean-Marc Timmermans, Joeri Van Mierlo

摘要

在本文中，对三种不同行驶工况下的插电式混合动力汽车（PHEV）的混合动力可充电储能系统（PRESS）的使用性能进行扩展分析。所研究的混合式能源储存拓扑系统有能量优化的锂离子电池（HE）与电气双层电容器（EDLC）系统，其中包括功率优化的锂离子电池（HP）系统与峰值功率的锂离子电容器（LiCap）系统。从仿真结果可以观察到的，基于能量存储系统HE锂离子杂交导致插电式混合动力汽车（PHEV）的混合动力可充电储能系统（RESS）的三种拓扑结构流过的电流降低。三种行驶工况消耗最低的是HELiCap系统，其中的分别为6.0％，10.3％和6.8％的燃料节省。HE-HP配置达到最大延伸的范围（17％，基于FTP-75驾驶循环）。惠普电池相比于EDLC和LiCap系统有大的内部电阻，这导致在RESS总能量效率减小。此外，有人指出，在插电式混合电动车中惠普和Leap系统与EDLC系统低体积和重量的动力传动系统相比，其集成峰值功率较高。

【关键词】插入式混合动力电动汽车；混合动力储能系统；高能电池；高功率电池；双电层电容器；锂离子电容器

1. 介绍

从环境的观点和经济的角度看今天的社会中能量的产生是不可持续的。全球经济经受到化石燃料价格上涨的影响，公众已经表现出对环境方面越来越多的关注。特别是在占全球能源使用量的19％，能源相关的二氧化碳排放量^[1]的23％的交通领域，基于化石燃料的内燃机（ICE）主导市场。最近在汽车行业的研究却刺激了更清洁，更高效技术的发展。它的主要成果是提高（部分）电力驱动车辆，如纯电动汽车（BEVs），混合动力电动汽车（HEVs）和插电式混合电动车（PHEVs）的使用量^[1]-[5]。充电式混合动力车将充电储能系统（RESS）与ICE相结合，使得它们可以行驶一定纯粹电驱动的距离而不受有限范围的限制。然而各种类型的电动汽车的未来的发展将是高度依赖于充电储能系统（RESS）的性能^[3][5]-[7]。

目前，锂离子电池由于其高能量和功率密度是BEV和PHEV电池的首选类型。它们包括各种被用作阳极，阴极和电解质的材料的技术。根据[4] [7] - [11]，锂镍钴铝氧化物（NCA），磷酸铁锂（LFP），锂镍锰钴氧化物（NMC）和锰酸锂尖晶石氧化物（LMO）显示的最高电位在纯电动汽车和PHEV汽车大规模应用（见表1）。不过，Burke and Omar et al.在[6]和[10]分别得出的结论，目前的电池没有可以满足美国先进电池联盟（USABC）提出的绩效标准的。关键方面是成本，寿命和能量含量（电动车辆的范围内）。此外，电池的设计固有地具有以下特性之间权衡：例如，为了优化电池高功率密度使电池可能进行快速充电从而使用薄的具有较大表面积电极，而能量优化电池需要厚的电极为了存储这些离子^[5]-[11]。

过去十年中已经提出了一些混合充电储能系统技术以提高充电储能系统的性能^[12]-[19]。最著名的RESS是优化（HE）电池与电气双层电容器（EDLC）系统。EDLC具有非常高的功率密度但低的能量密度的特征。它们的非法拉第机理导致其低内阻，高效率（95％ - 98％）和使用寿命高达一百万次循环^[20]-[21]。这些特性使它们在混合RESS用作峰值功率系统（PPS）成为一个有趣的候选者。据[13] - [15]说明，该加入EDC系统的一个阀控铅酸（VRLA）电池提高了使用时间和功率能力以及能量效率。

然而，由于锂离子电池优异的能量密度，大多数在BEV和PHEV应用的研究都集中在能量优化的锂离子电池（HE）与EDC系统的结合。在[15] - [17]中，作者发现，加入EDC系统的的锂离子电池将导致RESS功率能力和能源效率提高以及电池循环寿命提高。然而EDLC的低能量密度和电池电压的特性迫使采用大量串联连接的结构，从而导致该模块的体积大，重量大和成本高。

含有HE电池和优化（HP）锂离子电池的双源RESS的性能是目前欧洲FP7超级图库项目^[18]-[19]的主题。其在HE-EDLC拓扑的优点是最高的电池电压和会导致更小和更轻的PPS模块的HP电池。但是，HP电池的循环寿命比EDLC电池显著降低。

最近的锂离子电容器（LiCaps）的商业化还推出了其作为PPS在混合RESS的调查。LiCap电池含有一个多孔活性碳的正极，作为常规的EDLC，并包含预掺杂锂离子的负碳电极，如锂离子电池（参见图1）^[22]-[26]。其结果是在锂离子电池和双电层电容器之间的特性的混合存储设备。其相对于的EDLC的主要优点是其较高的能量密度（10 - 15瓦时/千克与5 - 7瓦时/千克）和较高的工作电压（3.8V时比2.7 V），这意味着在串联连接的用于某些高功率应用时它能够降低电池的量^[27]-[30]。

在本文中，在Matlab/ Simulink环境中提出了一个PHEV串联混合动力系统的拓扑结构模型。该模型是用来分析和比较不同RESS架构的性能：HE（非混合动力）电池的独立系统，HE-EDLC，HE-HP和HELiCap。对RESS性能分析的重点在于能源含量，电源容量，节能，循环寿命，体积和重量。案例研究及系列PHEV的模型提出在第2节和第3节，同时对于建模的注意事项在第4节中给出。

1. 案例研究

如图2所示分析一系列PHEV传动系拓扑的RESS的性能，电池的所有电荷消耗（CD）模式的PHEV驱动器只要其在ICE开始和车辆在充电维持（CS）模式下运行之后充电状态（SOC）的足够高。串联式混合动力结构的优点是在ICE的从车轮脱钩，这意味着它可以在它的最有效的操作区不断运行。额外能量从ICE到电力在DC总线的机械动力转换但是降低了传动系的效率^[2]。

一个具有混合RACE系列PHEV的传动系示于图2（b）。当驾驶CD模式下，PPS提供/时加速/减速的吸收功率，HE电池作为主要能量来源。在DC总线和MPS之间引入直流/直流转换器为了允许通过调节PPS的功率/电流相对于直流母线的电压。

在这项研究中所考虑的车辆雪佛兰Volt。这种车辆电子示于表2，其中m是所述车辆（Kg）的质量，C_d 阻力系数（ - ），A_f 前表面（m²），C_r 滚动阻力系数（ - ），Sj 转动惯量系数（％），n_t的输气的效率（％）， P_aux机械辅助功率（W）和 P_HVAC 供暖，通风和空调的功率（W）。

1. PHEV系列型号

关于车辆的建模，可以根据文献中功率计算的方向区分两种不同的方法：逆向或结果原因的方法来计算牵引动力物理方向上的力。它从特定驾驶循环的速度分布和逆向计算传动系的传动比开始的。逆向方法的主要优点是简单和快速计算。正向或因果方法计算是根据功率流动的物理方向，从通过传动系向车轮传送的功率开始的。它使用一个来跟随一个驾驶循环的控制器（比照驱动程序）用于实时模拟，因为可以获得最真实的数据^[32]-[35]。

由于这种现象，我们建立一个有效的逆向正向模型来模拟上述系列PHEV。程序的主要部分是逆向的方法即为了简便和计算时间从通过传动系（蓝色）到能量源（黄色）的驱动周期（绿色）开始，并通过控制策略控制（红色）。纵向动力学被用来计算车轮速度和转矩。电动机传输和转换器的效率图，发电机和ICE常用来表征传动系的部件。为了在结构中得到组件的最高性能建立正向模型，正向子系统仅在动力传动系统一个部件性能被限制的时刻激活，使得其对计算时间的影响是有限的。

图4是模拟前方部分影响的一个例子。在1110秒左右，电池单机系统不能提供足够的功率来达到驾驶循环的速度。计算得到PHEV的可以达到的最大速度。从1120秒左右开始，车辆的实际实现的速度比驱动周期的高一些。

1. RESS模型

4.1.HE和HP电池

对电池建模，选择电荷（SoC）内部电阻和电流的状态函数（见图5（a））.在HE和HP电池系统的主要参数在表3说明。高能量（HE）和高功率（HP）电池都是磷酸铁锂（LFP）电池。能量优化LFP电池具有45安培小时的容量和138瓦时/千克的能量密度。HE电池的供电能力是由最大充电和放电分别2C和3C的电流率限制的。功率优化电池的特征是低得多的基准容量（7Ah），但较高的充放电电流率达20C。在HE和HP电池系统中包含100个串联连接的电池，产生330V的电压以及HE电池系统14.8千瓦时的电量和HP电池系统2.3千瓦时的电量，由于放电的最大深度（DOD）的限制，其中电量10.4千瓦时和1.8千瓦时是可用的。

4.2.EDLC模型

等效电路在图5（c）中，EDLP电池和EDLC系统的参数在表4中。等效串联电阻（ESR）表示SDLC系统的电阻，而等效并联电阻（EPR）需要将自放电的静态损耗考虑在内。

基于[16]控制策略的SDLC系统的尺寸如图6所示,它是基于Maxwell 125V重型运输模块^[36]。上述EDLC系统的数据指从120公里/小时到0公里/小时全制动时可以存储在PPS中的动能，且将驱动损失考虑在内：

EDLC电池控制使得它们的电压可以从到，这意味着该EDLC电池在运转时可以释放或存储他们的总能含量的75％：

上述EDLC系统所需的总电容可以根据公式（2）计算。理想情况，电池的电容都是相同的，使得：

如果电池不能提供所需的电流，该方法应再次并联一个额外的堆栈平行执行。以下的解释方法导致两个125 V模块串联连接。

4.3.LiCap型号

Omar et al.^【30】提出LiCap系统模型示于图5（c）。他们提出为JSR微型3300F棱形LiCap电池设计的自由CAR模型，分离充电和放电的欧姆电阻和极化电路已经将滞后考虑在内。

为了比较系列PHEV的HELiCap和HE-EDLC配置的性能，该LiCap系统的参数如能量含量与SDLC系统是相同的：

等式（5）说明了59 LiCap电池的串联使用，为了以获得模块的质量和体积，基于一个和15个电池模块数据使用分别是0.63和0.37的填充率，该LiCap系统的参数示于表5中。

1. 混合RESS控制

5.1.混合RESS控制

逆向混合RESS的思路是通过添加能量存储系统加在加速期间提供峰值功率来减少HE电池的压力。PPS提供峰值功率和由电池供给的移动平均功率之间的区别是低通滤波器（LPF）（见图7）。低通滤波器导致移动平均电源Pdc的高频分量，其有HE电池提供：

其中t表示LPF的时间常数（s）。峰值功率被定义为所需的和移动平均功率之间的差：

高电平控制器调节速度函数下PPS的SoC来保证PPS高效运行。对于PPS而言SOC是必须的，例如PHEV在高的速度下，允许可能的制动事件且吸收所有的制动能量，同时它必须是高速的情况，以便在下一个加速期间提供电力。比例控制器区别于SoC及PPS实际的SoC，并产生需要被供给/由PPS吸收的功率差。该SoC控制器被略微调整为HE-HP混合架构，且HP电池的能量含量比EDLC和LiCap系统显著更高。因为这个原因在PHEV的速度中它选择了不涉及HP电池的SOC，而是在CD模式下部分耗尽HP电池，以延长车辆的AER。这就意味着如果在HP的SOC低于30％或90％以上时控制器激活。这种限制是为了确保电池的安全使用和提高其循环寿命。

5.2.优化时间常数

控制策略的主要设计参数是LPF的时间常数。为实现一个大的时间时间常量来减少HE电池恒应力同时也需要一个更大的PPS。选定用于HE-EDLC壳体的时间常数，SDLC系统允许的电压范围如图9中所示，并且与Cheng et al.使用类似的配置得到的时间常数一致^[14]。相同的时间常数也用于HE-LiCap结构是因为该LiCap系统的参数使得其能量与EDLC系统相同。

该HE-HP配置的最佳时间常数是由时间常数的函数分析获得。它是在图8中所示该46秒的时间常数导致在NEDC下模拟PHEV的最高AER为47.9Km.

1. 讨论与结果

我们已经进行了三种不同的驾驶循环的模拟：新欧洲行驶循环（NEDC），联邦测试程序行驶循环（FTP-75）和公路燃油经济性驾驶时间表（HWFET）。FTP-75驾驶循环代表低速具有很多加速度的典型的城市驾驶行为，而HWFET描述高速公路驾驶条件。NEDC是将重复实施四次ECE-15驾驶循环的驾驶条件与一次额外城市驾驶循环结合。表6和图9中的仿真结果显示PPS的SoC级和功率在考虑NEDC的混合RESS下的分布情况。

可以在图9（a）和图9（b）中观察到，HE-EDLC和HELiCap RESS的行为是类似的，这由于其使用相同的时间常数。由HE电池提供的功率

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