纯电动汽车复合电源系统优化管理路径探析

摘 要：纯电动汽车是新能源汽车中一个重要的发展发向，增大续航里程一直是发展纯电动汽车需要解决的重大问题。本文就目前新能源汽车的发展现状进行分析，总结大力发展纯电动汽车的必要性。针对纯电动汽车续航里程存在的问题，提出在复合电源系统优化过程中的可行性方案。

关键词：纯电动汽车；电源系统；优化管理

1 新能源汽车发展现状

目前，由纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车、其他新能源等构成的新能源汽车得到了飞速的发展，电动汽车产业发生了巨大的变化。传统汽车主要是使用汽油柴油等燃料，而新能源汽车是指采使用非传统的车用燃料作为动力来源或着是使用传统的车用燃料、但是采用的是新型车载动力装置，新能源汽车能够综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。

以车载电源为动力的纯电动汽车，主要工作原理是用电机驱动车轮行驶，纯电动汽车符合道路交通、安全法规各项要求。我们常说的纯电动汽车，它是完全由可充电电池提供动力源的汽车。现在市场上主要的新能源汽车类型是纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。

1.1 新能源补贴逐年退坡，引导技术提升

2017年，中国财政部、科技部、工业和信息化部、国家发展和改革委员会公布了《关于调整新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》，该通知强调了国家从2017年1月1日起，将调整完善新能源汽车补贴标准。此次调整，最主要的目的就是明确中央和地方对于新能源汽车的补贴上限，要求汽车企业要增加核心技术提升的能力，降低生产成本，不断提高产业化水平。

2017年新的补贴标准中，中央补贴较之前下滑20%，且地方补贴不得高于中央补贴的50%。同时对动力电池比能量密度提出补贴要求，对高于120Wh/kg的车型给予1.1倍补贴，以促使关键技术的提升，引导新能源市场更好的发展，见图1。

1.2 双倍积分管理办法落实，加大新能源汽车的推广力度

2017年6月，工信部公布《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分进行管理办法（征求意见稿）》建立推动新能源汽车发展的长效机制，促进新能源汽车研发和推广。

随着2018年积分方案的实施，将对新能源汽车行业出现两个比较大的影响：（1）促进现有传统汽车车企加大新能源汽车的推广力度，新产品数量将明显加快。（2）对于前期新能源汽车布局较早的车企将获得积分受益，减少补贴退坡的影响，见图2。

1.3 新能源汽车快速发展，乘用车占据主要市场

新能源市场发展迅速，2011年到2016年年复合增长率达137%；2016年其销量实现60.7万辆，乘用车占比达到68%，占据主流。BEV占据新能源市场的主要份额，且市场份额逐年提升。随着新能源市场的发展，以及消费者对SUV的青睐，纯电动SUV 市场份额逐步扩大；PHEV车型中，SUV车型占据主要市场份额。在汽车市场中，知豆D2和荣威eRX5分别获得BEV和PHEV车型TOP1。BEV车型中，2017年上半年中知豆D2销量最高，达到18693台，其次为北汽EC系列和比亚迪e5，其他车型累计销量均低于1万台。PHEV车型中，荣威eRX5销量最高，达到9205台；TOP5车型均来自上汽乘用车和比亚迪两家企业，见图3。

1.4 新能源市场即将迎来爆发期

随着居民收入水平的提升，以及城镇化率的逐步推进，中国乘用车市场仍有增长的潜力；预计在2021年中国乘用车市场将达到3000万辆。随着双积分政策的确立实施，新能源市场将取得爆发；预计在2018年，新能源市场将突破100万辆，2020年将突破200万辆，见图4。

电动汽车产业发展出现了新的变化，全球各国和各大企业已经将重心转移到以电动汽车为核心的新型技术路线。

2 纯电动汽车复合电源系统的优势

我国的新能源汽车产业发展进入了成长期，新能源汽车的产量得到了大幅的增长，在汽车性能，成本，安全等方面取得了一定的进步。我国在以锂离子动力电池为代表的核心技术上取得了重大的突破，从2015年全球排名前十名中占据四位到2016年六个企业进入前十强；在纯电驱动的动力系统集成技术上取得了快速发展；插电式混合动力技术逐步成熟；燃料电池开始起步发展。目前，以纯电动汽车复合电源系统的发展趋势最为明显，主要体现在：

2.1 氢燃料电池技术不成熟

氢燃料电池汽车加氢时间3-5分钟，续驶里程达到800公里，零下30℃可以顺利启动，适合在寒冷地区使用，各方面性能都超过了传统内燃机汽车。目前，我国在燃料电池轿车和燃料电池城市客车动力系统方面已经基本建立了具有自主知识产权的技术平台，据中国汽车技术研究中心北京工作部新能源汽車技术服务中心主任朱成介绍，与国外的技术相比，我国在燃料电池的关键基础材料，包括零部件、整个高端的集成、电池的寿命、成本、批量制备能力等方面，还存在比较大的差距。燃料电池汽车的推广应用，从终端客户角度来说，第一是购买成本太高，第二是使用成本太高，第三是维护方面的难题。受限于技术发展阶段，我国燃料电池汽车整车制造及使用成本仍然较高，远不如纯电动汽车的优势大。

2.2 纯电动汽车单电源的不足

纯电动汽车是由可充电电池提供动力源的汽车，常用的可充电电池就是像铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池之类。虽然纯电动汽车的发展已有一百多年的历史，但一直发展规模有限，市场占有较小。归其原因主要是：（1）蓄电池价格高、寿命短（2）电池电源外形尺寸和重量大（3）充电时间长。电源系统的问题阻碍了纯电动汽车的发展。纯电动汽车是新能源汽车中一个重要的发展发向，增大续航里程一直是发展纯电动汽车需要解决的重大问题。

2.3 纯电动汽车复合电源系统的优势

目前国外对蓄电池加超级电容组成的复合电源已有了初步研究，但是国内对于蓄电池加超级电容方面研究成果较少。由于超级电容和蓄电池组合成复合电源是目前广受青睐的车载电源，对其研究也逐渐得到重视。

超级电容的比功率高，充放电寿命长，在短时间内非常适合作为功率输出源，能够实现在电动车起动、加速、爬坡等工况下的大功率放电，同时在车辆下坡制工况下迅速吸收制动能量。不仅能够实现不同工况下充放电，也极大地保护了蓄电池不受大电流的冲击而损坏。

通过对动力蓄电池和超级电容的复合使用，能够同时具备大比能量和高比功率，这样的复合电源系统的使用解决了电源系统的功率问题，不仅降低了对蓄电池的使用数量的要求，也降低使电源系统的体积和重量，通过合理的结构组合，解决了单一储能装置的纯电动汽车性能上的缺陷，也可以延长蓄电池的使用寿命，降低纯电动汽车的生产成本，极大的提升了纯电动车辆电源系统的性能。

3 复合电源系统优化过程中存在的问题

目前，复合电源的控制策略主要可以分为四类：（1）逻辑门限控制（2）实时优化控制（3）全局优化控制（4）模糊控制。

逻辑门限值控制法的优点：操作简单，技术成熟，缺点：控制参数困难，需要累积和调试大量的实验数据，该方法因为门限值的存在，由于车辆在行驶过程中工况复杂，变化较多，该方法对于微小变化的控制能力不足，因此在整个过程中控制性不稳定。

实时优化控制方法能够解决复杂工况；该方法结合回路控制与过程运行，采用两层结构：（1）上层通过计划调度优化经济性能指标，产生底层控制回路的设定值；（2）底层通过控制器使被控变量跟踪设定值，从而尽可能使过程运行在经济优化状态。优化和控制的好坏依赖基础层控制品质的。如果实时优化单回路都控制不稳定，实时优化也无从谈起。一切的根本都指向了底层的基础控制。而在汽车车况行驶过程中，不稳定性也就决定了实时优化控制存在很大的难度。

全局优化控制方法能够在汽车行驶过程中实现全局最优，但是由于实际车辆在行驶过程中工况复杂，很难能够在全过程中实现很好的控制。

模糊控制方法主要原理是利用模糊数学的基本思想。模糊控制是属于智能控制的范畴，实际上它的实质是一种非线性控制。模糊控制既有系统化的理论，又有实际应用背景。在解决复合电源系统能量分配过程中不需要建立数学模型，操作过程简单。

4 复合电源系统优化管理路径

复合电源系统由蓄电池、超级电容和电机构成。根据能量流动方向，将复合电源的主要工作模式归纳为以下种：蓄电池单独驱动模式；电池-超级电容混合驱动模式；超级电容单独提供驱动功率模式；再生制动模式。

（1）大部分时间，车辆属于在匀速行驶过程中，此时电源电机的需求功率不高，在电机平均功率范围内。蓄电池因能量密度较高，同时具有可以承担电机需求功率的能力，能够在均速行驶过程中单独提供驱动功率。

（2）在加速时，如果由蓄电池单独驱动电机，往往会损伤蓄电池，而此时复合电源系统需要为电机提供高功率。因此，在加速时超级电容和蓄电池配需要共同驱动电机，使得蓄电池组工作在正常功率的范围内，超级电容承担剩余的功率。

（3）在负载较轻时启动或短暂加速过程中，一旦超级电容的荷电状态较高，就可以通过超级电容放电，并且能够在之后制动过程中由超级电容来吸收能量。在此工况下，超级电容为车辆提供功率，蓄电池组不工作。

（4）当汽车减速行驶或下坡行驶时，汽车电源电机处在发电状态，电机向复合电源系统充电。在此工况下，电源系统对制动能量进行回收。

城市道路交通狀况复杂，电动车在道路上行驶过程中，不断相互转换起步、匀速行驶、加速、减速制动等工况，复杂的工况切换过程要求复合电源能够根据不同的工况在上述四种模式做出快速准确的切换，从而能够不断优化，提高复合电源效果。

5 结语

随着石油和天然气等不可再生资源的枯竭，纯电动汽车比能够将其节能环保的优势不断发挥出来，作为新能源汽车中的一部分，纯电动汽车以其独有的优势不断增加市场份额，国内的纯电动汽车技术会越来越成熟，续航里程也会不断增大，通过超级电容和锂电池相互作用的复合电源系统的优化也会得到进一步的提升。

基金项目：本文系作者个人的2016 年上海市优秀青年教师资助项目（项目编号：220001-16-44（AAYQ1645））《纯电动汽车复合电源系统有关管理研究》的部分研究成果。

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