太阳能电动车混合电路设计

太阳能电动汽车的电路设计

摘要

根据超级电容器（UC）和铅酸电池的特性，设计了一种新颖且简单的混合动力系统（HPS）电路，该系统由超级电容组和电池组构成，旨在实现以下基本策略：利用超级电容组处理全部太阳能以及大部分峰值电流。然而，由于电池组的能量密度远高于超级电容组，因此在车辆以巡航速度行驶时由电池组供电。在车辆启动、加速和爬坡时，超级电容组和电池组共同提供驱动功率。仿真结果表明，所提出的由超级电容组和电池组并联组成的新颖简单电路能够实现车辆的合理能源利用。

1. 引言

交通运输领域大规模部署电动汽车（EV）有望减少温室气体排放，提高可再生能源渗透率，并为驾驶员节省燃料成本[1]。因此，未来智能电网在能源使用方面的两大主要趋势是：1. 通过光伏（PV）系统实现大规模分布式可再生能源生产；2. 电池电动汽车作为未来交通方式的兴起[2,3]。太阳能电动车（SEV）是一种理想的“零排放”车辆，可节约石油资源，提高非石油资源的利用率，无疑是解决石油短缺和环境问题的有效途径。

在参考文献[4‐8]中，对超级电容组或混合动力系统已开展了一些研究，并取得了相关进展。例如，在参考文献[9]中开发了一种新型经济实用的混合动力系统电动汽车控制系统，基于直流有刷电机的混合动力系统在参考文献[10]中进行了设计，并开展了相关实验。

超级电容组和电池组通过接口电路连接到直流母线。当车辆启动、加速和爬坡时，由超级电容组和电池组并联供电。当车辆制动时，电机能量被反馈并存储在超级电容组中。目前超级电容‐电池组混合动力系统尚未形成公认的最优组合拓扑。为了优化混合动力系统的能量管理，实现最佳充放电控制，仍需对某些方面进行深入研究。目前，混合动力系统的设计与控制仍处于初级阶段。

2. 混合动力系统的结构

太阳能电动车（SEV）的混合动力系统（HPS）主要由光伏板、最大功率追踪器（MPPT）、超级电容组、铅酸电池组、电机驱动控制器和电机组成。其结构如图1所示，超级电容器/电池连接是太阳能电动车的主要电路之一。

在太阳能电动车中，车辆的主电源由电池组提供，而启动、加速和爬坡时的瞬时高功率则由超级电容组提供。这样可以充分利用太阳能，并使电池组经常处于大电流放电状态。

3. 混合动力系统电路仿真

图2被选为连接电路。在图2中，D1是防反充电二极管，用于在没有太阳辐射时防止光伏板被超级电容组或电池组损坏。当太阳能充足时，可阻止电池组被充电，使光伏板产生的电能全部被超级电容组吸收。当车辆以巡航速度行驶时，驱动车辆所需的电能由电池组单独提供，开关 S2断开，超级电容组由光伏板充电；当车辆启动加速需要峰值功率时，开关S3迅速闭合，车辆的驱动功率由超级电容组和电池组共同提供。当车辆停止时，光伏板对电池组进行充电，开关 S1闭合。为了保护开关S1，通过开关S2和电阻R将超级电容组放电至其电压与电池组电压相等。

超级电容器在满足峰值功率需求后电压会大幅下降。为了充分利用太阳能，避免将电池组的能量反向充入超级电容器，在设计电路中增加了二极管D3。仅在无阳光且需要电池组向超级电容器充电时，才闭合开关S4。太阳能电动车的能量流策略如图3所示。

图4显示了光伏板无功率输出时，在闭合开关S3的情况下，电池组向电机负载供电并向超级电容器供电的等效电路图。

电路中的组件参数如图4所示。无阳光时等效电路中组件的参数如表1所示。图5显示了无阳光时恒定电流脉冲输出的仿真。

表1. 无太阳能时等效电路中的参数。

参数	电流 (A)	容量 (F)	内阻 UC (Ω)	电阻 R (Ω)	内阻 电池组 (Ω)	初始电压 UC (V)	原始电压 电池组 (V)
值	150	50	0.1218	0.1802	48	48	48

在图5中，(a)图显示了电路输出的恒定电流脉冲，(b)图显示了超级电容器提供的电流，(c)图显示了电池组提供的电流，以及超级电容组的电压变化特性曲线。

从图5可以看出，电池组的放电电流随着超级电容组放电电流的减小而增大。超级电容组在 t1到t2时间段内放电，同时超级电容器在此期间由电池组充电。在时间段内，超级电容器的电流可表示如下：

$$
i_{UC}(t) = \frac{V_B - V_{UC}}{R_{ESR} + R_B} e^{-t/\tau} + \frac{R_B}{R_{ESR} + R_B} I_0
$$

其中：
- $ V_{UC} $ —— 超级电容组的初始电压值（V）
- $ V_B $ —— 电池组电压值（V）
- $ I_0 $ —— 输出矩形电流（A）
- $ \tau $ —— 时间常数，$ \tau = C(R_{ESR} + R_B) $
- $ C $ —— 超级电容器组容量（F）
- $ R_B $ —— 电池组内阻（Ω）

电池组的电流表达式为：

$$
i_B(t) = I_0 - i_{UC}(t)
$$

从t1到t2，假设超级电容组的电压等于电池组的电压，表达式变为：

$$
i_{UC}(t) = \frac{R_B}{R_{ESR} + R_B} I_0 e^{-t/\tau}
$$

从t2到t3，表达式为：

$$
i_{UC}(t) = \frac{V_{UC}(t_1) - V_B}{R_{ESR}} e^{-(t-t_1)/\tau}
$$

这里，$ V_{UC}(t_1) $ 是超级电容组在该时刻的电压。

当阳光充足时，等效电路如图6所示，其中各元件的参数见表2。图7是此种情况下恒定电流脉冲输出的仿真结果。

表2. 太阳能等效电路的参数。

参数	电流 (A)	容量 (F)	内阻 UC (Ω)	电阻 R (Ω)	内阻 电池组 (Ω)	初始电压 UC (V)	原始电压 电池组 (V)
值	150	50	0.0609	0.1802	57	48	48

如图7所示，只要超级电容组的电压大于电池组的电压，从图7的仿真结果可以看出，随着超级电容组放电电流的减小，电池的放电电流逐渐增加。

从t1到t2，光伏板为超级电容组充电的同时超级电容器处于放电状态；从t2到t3，光伏板为超级电容组充电。在各个时间段内，超级电容组的电流随时间变化如下：

$$
i_{UC}(t) = \frac{V_B - V_{UC}}{R_{ESR} + R_B} e^{-t/\tau_g} + \frac{R_B}{R_{ESR} + R_B} (I_0 - i_{PV})
$$

此处，$ i_{PV} $ 来自光伏板的电流，由于使用了最大功率跟踪装置，在天气条件变化不大的情况下，光伏板的输出电流被视为恒定值，而电池的电流表达式为：

$$
i_B(t) = I_0 - i_{UC}(t) - i_{PV}
$$

从t1到t2，假设超级电容组充电后的电压等于电池组的电压，表达式变为：

$$
i_{UC}(t) = \frac{R_B}{R_{ESR} + R_B} (I_0 - i_{PV}) e^{-t/\tau_g}
$$

从t2到t3，超级电容组由光伏板充电，表达式为：

$$
i_{UC}(t) = \frac{i_{PV} - V_{UC}/R_{ESR}}{R_{PV} + R_{ESR}} e^{-(t-t_2)/\tau_{PV}}
$$

这里，$ V_{UC} = V_B $，以及 $ \tau_{PV} = R_{PV} C $。

从上述仿真结果可以看出，与仅由储能电池组满足负载需求的情况相比，在超级电容组和电池组并联的混合动力系统中，即使没有阳光，当负载达到峰值功率时，超级电容组也能提供接近1/3的电流。

4. 混合动力系统的应用

混合动力系统电路的设计应用于广州东方电动车生产的EVG‐222电动汽车，主要包括三个实验：纯电动汽车的启动加速测试、太阳能电动车的启动加速测试以及阳光充足条件下太阳能电动车的实验。

增程式电动车样车的基本参数总结如下：
- 车辆满载质量：630kg；
- 滚动阻力系数：0.015；
- 空气阻力系数：0.20；
- 迎风面积：1.94 m²；
- 车轮半径：0.24m；
- 电机：3kW；
- 串励直流电机的最大输出功率：10.5 kW；
- 电池组：68V 铅酸电池组，型号：8V×145Ah×8；
- 最大速度：35km/h；
- 平均车速：14km/h；
- 总传动效率：80%；
- 光伏板升压电路后的输出电压：60伏特；
- 系统电压：48伏特。

如果电池组的最小充电状态为30%，则电池组正常工作的充电范围是：[0.3, 1]。这里，$ Q_{nom} $ 是电池组的额定电量。当太阳辐射较小时，光伏板必须克服内部损耗，输出功率值为负；在实际使用过程中，为了避免在无光照或辐射强度非常小的情况下，光伏板被超级电容组反向充电，在光伏板的输出电路中连接了一个反向二极管。此时光伏板的输出功率为零。

实验的目的是验证优化结果在太阳能电动车车辆启动加速性能提升中的应用。

图8是实验期间的太阳辐射强度（数据每0.004秒采样一次），由于实验时间少于15分钟，温度变化的影响可以忽略不计，即T=21(°C)。

图9显示了无光伏板和超级电容组时的启动加速测试结果。

图10显示了在太阳辐射下车辆启动加速的实验结果。

图11是实验车辆的实物图。

图12展示了使用超级电容器和电池组的启动加速试验结果。

根据图9、图10、图11和图12的结果，可以得出以下结论：

1) 当单独使用电池组时，其最大电流可达180 A，因此电池组的寿命损耗和可用容量较大，且电压降在初期下降较多，随后逐渐恢复；

2) 当阳光充足时，光伏板可以充满超级电容组的容量。实验结果表明，在峰值功率到来时，超级电容组的电压下降超过140A，且电池组的最大放电电流大大降低。为了保护电池组免受盐酸硫化等现象引起的高电流放电；

3) 当光伏板关闭时，可理解为没有阳光或阳光不足，此时电池组为超级电容组充电。因为在本发明中，为了简化电路并降低电路损耗，电池组与超级电容组之间未设置升压变换装置，使得超级电容组的最大放电电流约为40A，这也在一定程度上保护了铅酸电池组免受大电流放电的冲击。

5. 结论

本文将太阳能电动车的随机负载分解为平均负载和动态负载两种。根据超级电容组和铅酸电池组的特性，建立了太阳能电动车的能量利用策略。为了充分利用实验资源，并结合太阳能电动车的特点，本文提出并设计了一种简单的超级电容组/电池组并联电路结构。该结构不仅能够充分利用太阳能，还能避免铅酸电池组的大电流放电，显著提高了复合能源系统的经济性能和实用性。