太陽能電動車混合儲能系統的能量管理策略研究

熊連松，吳 斌，卓 放，馬路遙

（西安交通大學 電氣工程學院，西安 710049）

1 引言

近年來，混合動力電動車越來越受到重視，很多著名的汽車生產企業都在此領域進行了大量的投資。原因不僅僅是能源危機的沖擊，更重要的是全球都在倡導低碳經濟，努力減少碳氧化合物的排放以遏制全球氣候變暖。最近各國政府相繼提出的鼓勵政策也證明了上述觀點。文獻[1]介紹的系統由引擎發電機、超級電容和蓄電池組成動力源，但仍然不是零排放系統，并且對于復雜的電力電子器件來說，其效率相當有限。文獻[2]提出了一種只有超級電容做儲能設備的純電動車。超級電容具有很多的優勢，如功率密度高、內阻小、可大電流快速充放電、可以在很大的溫度范圍內保持良好的工作特性。更重要的是充放電次數大（至少十萬次），可深度放電。但也有一個很大的問題：能量密度很低，這就限制了這種車的行駛路程[3，4]。因此，一些科技人員正在研究提高超級電容能量密度的方法，希望能達到蓄電池的水平。然而，最簡單有效的方法是在電動車上同時使用蓄電池和超級電容，根據它們各自的特點使其協調工作、各司其職。

有鑒于此，本文提出了一種新的純電動車的能源系統，采用太陽能電池板、蓄電池、超級電容作為能源，通過電力電子電路來相互連接以及完成能量的傳遞。晴天的時候，太陽能電池板通過MPPT控制算法最大限度地吸收和轉換太陽能，并將能量轉移到蓄電池存儲，從而實時地補償蓄電池電能的消耗。本實驗所用的負載直流無刷電動機需要48V的直流電源供電，由蓄電池直接供給。當電動車處于巡航狀態的時候，消耗的能量不是很大，此時蓄電池的電壓跌落可以忽略不計。當處于爬坡或加速狀態的時候，電機將會需要很大的沖擊性的大電流。這一大的電流沖擊可能會導致蓄電池端電壓產生較大的跌落，從而嚴重影響電機的供電質量。此外，大電流沖擊性放電會嚴重縮短蓄電池的使用壽命[5]。因此，我們引入了超級電容，并且通過雙向DC/DC變換器使之并聯到蓄電池兩端。當電動車巡航時，蓄電池在保障負載供電的前提下，給超級電容充電到額定電壓。當系統需要瞬時大電流的時候，為了防止蓄電池放電電流超過最佳值范圍，此時應該把雙向DC/DC變換器控制成電流源，來供給電機所需的額外的電流，即蓄電池超級電容聯合供電。這樣就可以避免蓄電池電壓的明顯跌落，改善電動車的動態性能，延長蓄電池的使用壽命。

2 系統原理與構成

太陽能電動車的混合能源系統如圖1所示。

圖1 太陽能電動車混合儲能系統示意圖

其中Boost變換器用來實現太陽能給蓄電池充電過程中的MPPT控制算法。在使用MPPT控制算法實時充電的過程中，我們期望蓄電池的電壓幾乎保持恒定，Boost變換器的占空比只隨著太陽能電池板的端電壓和輸出電流自動調整。與此同時，蓄電池直接向負載無刷直流電機供電。超級電容則作為系統的輔助能源以改善電動車的動態性能。當電動車處于巡航狀態時，超級電容充電以存儲一定的能量作為備用；當電動車處于加速或者爬坡狀態時，超級電容對外放電以提供負載所需要的短時大電流。超級電容與外界之間的能量交換通過雙向DC/DC變換器實現。這兩種模式下的能量流向如圖2所示。

3 能量管理控制算法

3.1 蓄電池充電控制

太陽能車在晴天行駛的時候，隨著能量的不斷消耗，太陽能充電器同時不斷地收集太陽能，并且動態地向蓄電池充電。因此，充電器的設計和控制應當：第一，盡可能多地吸收太陽能；第二，充電的過程中應該防止蓄電池過充電，因為過充電會損毀蓄電池的壽命；第三，充電的過程應該是動態的、穩定的。因此，本文提出了一種遲滯控制方法來滿足上述要求，控制流程圖如圖3所示。

圖2 不同工況下的能量流向示意圖

工作過程中，蓄電池的電壓幾乎恒定（本文設定蓄電池的工作范圍為下限48 V，上限54 V），因此當boost變換器工作在連續模式的時候，輸入電壓將按照下式所述的關系自動調整：

其中Vin是boost變換器的輸入電壓，也就是太陽能板的輸出電壓，它可以根據boost變換器占空比的動態變化自動地調整到合適的大小，從而實現MPPT控制算法。為了使變換器在啟動后快速地工作在連續模式，快速地跟蹤最大功率點，MPPT控制算法的選擇與優化十分重要。本文實驗采用爬山法實現MPPT控制。這種方法實現起來十分容易，能夠很好地跟蹤太陽能電池板的最大功率輸出點。

圖3 充電過程控制流程圖

圖4 雙向DC/DC控制策略

當負載工作時，電能直接從太陽能板傳輸至負載，當電動車停止運行或者處于下坡減速等能量回饋階段的時候，太陽能充電器以很小的電流向蓄電池充電。54 V恒定電壓充電控制模式需要與MPPT式：蓄電池恒流放電模式BCDM（Battery Current Discharging Mode）、超級電容恒流充電模式SCCCM(Super Capacitor Current Charging Mode)以及超級電容恒壓充電模式SCVCM(Super Capacitor Voltage Charging Mode)。各個模式之間根據蓄電池放電電流（或者負載電流）的大小和超級電容電壓的大小自動轉換。具體的邏輯轉換關系如圖5所示。Iload表示負載電流；Vsc表示超級電容的電壓。本文的實驗裝置中，蓄電池輸出電流控制在15 A以內，即使負載所需要的電流超出了15 A這一極限，蓄電池的輸充電控制模式協調起來。當蓄電池充電至54 V的時候,boost變換器自動工作在54 V恒定電壓充電控制模式，使得蓄電池的電壓限制在54 V。當蓄電池電壓低于48 V的時候，重新啟動MPPT充電控制模式。這種控制策略能夠有效地防止蓄電池過充電，使之一直工作在安全的環境下。

3.2 雙向DC-DC變換器的控制

超級電容非常適合大電流的快速充放電，而且充放電的次數長，因此它的主要任務是作為輔助電源，當電機負載處于加速、爬坡等需要瞬時大電流的時候提供短時的大電流放電，與蓄電池一起向負載供電。當負載電流小于蓄電池的最佳放電電流的時候，蓄電池將額外的電流提供給超級電容，使之達到一個合理的值，為下次放電存儲一定的能量。這一控制策略可以表述為圖4。其中，Im大于零時，超級電容充電；Im小于零時，超級電容放電，也就是說Im的正負代表了能量的雙向流向。

圖5 雙向DC/DC各模式之間的邏輯轉換關系

根據控制策略，雙向DC/DC主要有3種工作模出電流也依然被限制在15 A以內。在能量管理控制策略的保障下，超級電容與蓄電池根據各自特性，各施所長、協調有序地工作。

（1）蓄電池恒流放電模式BCDM

如圖6所示，為了限制蓄電池輸出電流，系統工作在蓄電池恒流放電模式BCDM。根據電路學的理論，雙向DC/DC變換器可以十分靈活地調節輸出電流，為了使超級電容來全額補充負載需要的額外電流，從而使蓄電池恒流放電，也即負載電流與雙向DC/DC變換器輸出電流的差值應當被控制成恒定值（15 A），即蓄電池恒流放電模式。這一工作模式的控制目標是：當負載電流超出正常值范圍的時候，控制環的參考值設定為蓄電池期望的輸出電流。同時，將電流傳感器檢測到的蓄電池電流作為反饋。當然，這一設計思想與通用的DC/DC變換器的控制目標明顯不同。

圖6 蓄電池恒流放電模式BCDM

(2)超級電容恒流充電模式SCCCM

當負載所需要的電流小于蓄電池的最佳放電電流值的時候，蓄電池在給負載供電的同時，將多余的電流給超級電容充電。超級電容有兩種充電模式：恒流充電模式、恒壓充電模式。盡管超級電容能夠承受大電流沖擊，但是在超級電容電壓嚴重低于給定電壓的時候不宜使用恒壓充電模式。這種情況應優先考慮使用恒流充電模式。這時候，雙向DC/DC變換器被控制成電流型的Buck電路。實驗裝置中，Buck電路低壓側為超級電容，其值為120 F。圖7所示即為這一工作模式的單環控制回路。根據Buck電路的工作原理，我們采用小信號模型來設計PI調節器的參數，實現系統的穩定工作。

(3)超級電容恒壓充電模式SCVCM

當超級電容充電到設定的最佳電壓值的時候，雙向DC/DC變換器自動切換到恒壓充電模式SCVCM。此時，變換器依然工作在Buck模式，其控制目標則為保持輸出電壓恒定，且為超級電容的最佳電壓值，電路拓撲與控制回路如圖8所示。這一工作模式下，電動車處于巡航模式，超級電容處于涓流充電或者不充電的狀態，電壓始終維持在合適的大小范圍內，以備電機負載發生突變時及時給電動車提供短時的大電流。此外，可以保障超級電容電壓不超過最大極限值。

圖7 超級電容恒流充電模式SCCCM

4 仿真研究

為驗證本文提出的混合儲能系統控制策略的正確性，本文使用PSCAD進行了仿真實驗。模型根據圖1所示的拓撲搭建，電路參數：裝置設計功率3.8 kW，光伏最大輸出功率150 W，開關頻率為20 kHz，4個12 V，60 Ah蓄電池串聯，超級電容120 F，安全工作電壓上限為27 V，設定的工作電壓范圍為10～20 V。蓄電池與超級電容的最佳工作電壓電流范圍應該根據實際產品具體設定，沒有統一的數值，本文的設定主要是為了驗證控制思想的可行性。

本文分兩種情況對電動車的工作模式進行了仿真研究。第一種情況主要是針對超級電容在充電的過程中，兩種充電模式之間轉換的仿真。第二種情況主要是驗證蓄電池恒流放電工作模式下的控制算法。

4.1 SCCCM與SCVCM之間的切換

當負載電流很小的時候，蓄電池同時向負載和超級電容供電。超級電容的充電電流設定為10 A，仿真結果如圖9所示。因為電感L2直接與超級電容串聯，所以我們可以通過觀察電感L2的電流來判斷超級電容的電流情況。從圖9我們可以清楚地看到剛開始的一段時間內（電壓達到20 V之前），雙向DC/DC變換器以10 A的恒定電流向超級電容充電。這一段時間內，超級電容的電壓線性地升高。當接近設定電壓值20 V的時候，變換器開始工作在恒壓充電模式以控制超級電容的端電壓維持在20 V。因此，充電電流相應地逐步減少到零。這一結果表明：電路能根據實際需要，在SCCCM與SCVCM之間平滑自動地切換。

圖8 超級電容恒壓充電模式SCVCM

圖9 超級電容充電模式的切換

4.2 BCDM的仿真

負載電流發生階躍性地突變，從5 A跳變到20 A。根據控制算法，假定蓄電池電流應當限制在 15 A以內。因此，當負載電流大于15 A的時候，超級電容通過雙向DC/DC變換器開始放電。無論負載怎么變化，蓄電池電流始終限制在15 A。仿真結果如圖10、圖11所示。

圖10 雙向DC/DC變換器電流的變化情況

圖11 蓄電池電流的變化情況

圖12 實驗裝置的主電路

圖13 雙向DC/DC變換器電流的變化情況

在圖10中，當電流指令從5 A突變到20 A的時候，負載消耗的固定功率超出了設計的蓄電池的最佳輸出功率。此時，超級電容通過雙向DC/DC變換器釋放出能量以提供負載所需的額外的功率。隨著放電過程的不斷進行，超級電容的電壓逐步降低。為了維持一個固定的放電功率，電容電流逐漸增加。當負載電流再次發生階躍，回落到5 A的時候，電感L2的電流變成負的 10 A，這就意味著蓄電池又開始對超級電容充電了。圖11仿真的是當負載變成20 A的時候，蓄電池的輸出電流被控制在期望的15 A左右。仿真結果表明了BCDM控制策略的正確性和有效性。

5 實驗結果

本文還從實驗的角度對控制算法進行了驗證。使用的試驗樣機如圖12所示，器件的參數根據表1進行選擇。與仿真相比，負載不再是一個能發生精確階躍變化的理想電流源了，而是換成了直流無刷電機。這也就意味著實驗更準確地模擬了電動車的實際情況。

與圖9、圖10和圖11中所示的仿真結果相對應的實驗結果如圖13、圖14和圖15所示。仿真結果與實驗結果十分地吻合，因為二者使用了同樣的控制算法和電路參數。

圖14 超級電容充電模式的切換

圖15 蓄電池電流的變化情況

實驗結果有力地證明了混合能源系統控制策略的正確性和有效性。圖13表明：超級電容充電直到20 V，這一期間雙向DC/DC變換器的工作模式從SCCCM過渡到 SCVCM，最終使超級電容電壓穩定在20 V。圖14表明：當電機負載從重載變化到輕載的時候，超級電容逐漸從放電模式切換到充電模式。圖15表明：即使負載處于重載的時候，蓄電池的輸出電流也始終限制在15 A以內。實驗同時表明：BCDM，SCCCM，SCVCM這三種工作模式之間可以根據運行工況的需要，很容易地進行平滑切換。瞬態過程證明了每一種工作模式的控制器設計的十分良好、有效。

需要說明的是，本實驗重點關注了雙向DC/DC變換器，因為這一電路才是混合能源系統實現能量管理控制的關鍵部分。通過boost電路實現太陽能的最大功率輸出這一技術相對而言已比較成熟了，實現起來十分簡單，因此本文沒有過多考慮boost電路的設計和控制。但作為一個完整的試驗系統，由太陽能電池板轉換的能量，并且傳遞給了蓄電池或者負載 ，其對整個系統的運行十分重要。

6 結論

本文首先給出了一種純電動車的設計方案——含太陽能、蓄電池、超級電容的混合能源系統方案，并且給出了連接與協調這三種電源的電路拓撲和控制策略。這一電路拓撲能夠實現最小的變換器損耗，顯著改善電動車的動態性能，延長蓄電池的使用壽命。文章深入研究并提出了各電源協調工作的能量管理控制算法，仔細分析了電路的三種典型工作模式，并且設計了各工作模式下的控制方法。研究了各種工作模式之間切換的邏輯關系。最后通過仿真與實驗論證了控制算法的正確性、有效性，即蓄電池能夠實現輸出電流的控制，避免了頻繁的、沖擊性的充放電。超級電容能夠快速、平滑地實現充放電，顯著地改善了電動車的動態性能。

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