車載超級電容器儲能系統新型變流器

胡繼勝，馬杰，都業林

(大連交通大學交通運輸工程學院，遼寧大連116028)*

0 引言

超級電容器再生制動儲能系統已經被廣泛地應用于城市軌道車輛、新能源汽車等領域.雙向直流斬波變流器是實現系統能量雙向傳輸的關鍵部件，其結構和控制方式是否合理直接影響著整個車載超級電容器儲能系統的性能.目前車載超級電容器儲能系統主變流器多數采用BUCKBOOST拓撲結構，其基本結構如圖1所示.

該電路變流器的容積功率為

其中，VDe為直流母線標稱電壓;k為電流脈動系數;Vcmin為超級電容器的最低工作電壓;PZmax為儲能系統所要吸收的最大功率.

圖1 常規變流器結構

為衡量超級電容器儲能能力的利用程度，超級電容器容量利用率定義為:

其中，Vcmax為超級電容器的最高工作電壓，一般由超級電容器的額定電壓和安全余量確定.

提高超級電容器容量利用率可以減少超級電容器組中的單元個數，在減小重量和體積的同時，降低了成本.減小超級變流器的容積功率可以減弱電流脈動量、提高系統的電磁兼容性和工作的可靠性.但從式(1)和(2)可以得出，提高超級電容器容量利用率λ需要降低Vcmin，而這樣卻增大了變流器容積功率PC.

為了緩解提高超級電容器的容量利用率和降低變流器容積功率的矛盾，本文提出了一種新型變流器作為車載超級電容器儲能系統的主變流器.

1 新型變流器簡介

1.1 基本結構

在采用新型變流器的儲能系統中，超級電容器組C1、C2只是將原有儲能系統中超級電容器單元重新組合，并未增加單元個數.若原采用BUCK-BOOST結構的系統中的超級電容器容量為C0，最高工作電壓為V0max.則在新型變流器系統中，C1=C2=1/2C0，V1max=V2max=V0max.其結構如圖2所示.

圖2 新型變流器結構

1.2 控制方式

新型車載超級電容器儲能系統，依據直流環節電壓的變化控制變流器進入充電或放電工況，而對儲能系統超級電容器的充放電過程各分成兩個階段進行控制.

1.2.1 超級電容器充電過程

(1)工作方式一

若2Vcmin＜Vc1+Vc2＜VDe時，T10一致導通，T20、T21、T12、T22一直關斷.對 T11實施 PWM 控制，則此時 T11、L1、C1、T10、L2、C2及 D12組成了一個與常規儲能再生制動變流器等效的BUCK電路進行充電過程.

(2)工作方式二

若 Vc1+Vc2＞ VDe時，T10、T12、T22一直關斷、T20一直導通，分別對T11、T21實施PWM控制，而且保證PWM控制相位錯開半個周期，此時T11、L1、C1、T20及 D12，T21、L2、C2及 D22組成兩個獨立的與常規儲能再生制動變流器等效的BUCK電路進行充電過程.

1.2.2 超級電容器放電過程

(1)工作方式三

若 Vc1+Vc2＞ VDe時，T20一直導通，T10、T11、T21一直關斷，分別對T12、T22實施PWM控制，而且保證PWM控制相位錯開半個周期，此時T12、L1、C1、T20及 D11，T22、L2、C2及 D21組成兩個獨立的實施錯相控制的且與常規儲能再生制動變流器等效的BOOST電路，從而完成C1、C2的放電過程.

(2)工作方式四

若 2Vcmin＜ Vc1+Vc2＜ VDe時，T20、T22、T11、T21一直關斷，T10一直導通，對T12實施PWM控制，則D11、L1、C1、T10、L2、C2及 T12組成了一個與常規儲能再生制動變流器等效的BOOST電路對C1、C2進行放電.

2 新型變流器性能分析

2.1 主要性能參數

現以某型號燃料電池車為參考對象，需要設計的超級電容器再生制動儲能系統的參數為:儲能系統所要吸收的總制動能量W=396 kJ;儲能系統所要求吸收的最大功率P=50 kW;直流母線標稱電壓為420 V.

以容量為60 F，額定電壓為48 V的超級電容器單元為基礎組合成超級電容器組.參照文獻［2］的計算方法，確定采用常規變流器的儲能系統的電容器單元組合方式、超級電容器組的電壓工作范圍和電抗器的電感值等參數值如下:組合方式為單組;電容器容量/額定電壓 =24 F/240 V;電壓范圍(Ucmin;Ucmax)=(150，224)V;峰值電流 Icmax=433.3 A;電感值LN=0.1 mH(＞0.05);容積功率 PC=181 986 W.

如果采用新型變流器，超級電容器組采用與常規變流器儲能系統相同的工作電壓范圍，充電電流的峰值出現在工作方式一超級電容器工作電壓最低時，但由于此時相當于超級電容器組C1、C2兩者串聯，最低工作電壓較常規變流器儲能系統提高了一倍，因此充電電流峰值為BUCK-BOOST電路的一半.根據計算，得到結果如下:組合方式為雙組;電容器容量 /額定電壓=12 F/240 V;電壓范圍(Ucmin;Ucmax)=(150，224)V;峰值電流 Icmax=216.7 A;電感值LN=0.1 mH(＞0.04);容積功率PC=91 014 W.其中電抗器的電感值應滿足:

其中，UFmax為直流母電壓最大值為超級電容器平均充電電流.

在電壓工作范圍(超級電容器的利用率)相同的情況下，從上述參數可以看出，變流器的容積功率及電流脈動顯著減小.同樣也可以得出，在保持變流器原容積功率的條件下，采用新型變流器能可以提高儲能系統的超級電容器的利用率.或者兩個參數同時得到改善.

2.2 工作過程分析

以上文中計算計算得電路參數為依據，采用SIMULINK對常規儲能變流器和新型變流器在進行充電過程進行仿真，如圖3所示.

圖3 兩種變流器充電電流

通過與給出的參數值對照，充電電流的仿真結果與計算值基本一致.觀察仿真波形的包絡線可以看出，新型變流器對電容器的充電峰值電流較常規變流器小很多，即變流器的容積功率也得到減小.通過FFT變換得出，充電過程中的直流母線的電流諧波比采用BUCK-BOOST斬波器的儲能系統的電流諧波大為減弱.

3 新型變流器控制的實現

3.1 基于DSP的新型變流器控制系統

為了保證能按上文所述方式對新型車載超級電容器儲能系統進行實時控制，開發了以TMS320F2812 DSP為核心的控制系統.控制系統應用了DSP的事件管理器EVA和EVB和ADC等外設資源.基于DSP的新型變流器控制系統如圖4所示.

在變流器的工作于方式一時，可以根據斬波頻率的要求，初始化定時器 T1的周期寄存器T1PR，并根據控制要求實時運算得到T1CMPR的值，依據超級電容器充電電流的要求調節PWM信號的占空比.通過設定通用定時器全局控制寄存器 GPTCONA的 T2PIN位為 0，使 T2PWM_T2CMP引腳強制輸出低電平，此時功率管T12處于一直關斷的狀態.通過對通用定時器T2周期寄存器的設定來設置數字控制系統的采樣周期.

圖4 新型變流器DSP控制的系統結構

由于在控制中，功率開關T10和T20僅僅起到開關作用，可以通過DSP多路復用引腳GPIOA0控制T10，GPIOA1控制T20在工作方式一時，分別使GPIOA0在寄存器GPACLEAR和GPIOA1在寄存器GPASET的對應位置位.

變流器工作于其它的工作方式與工作方式一得設置方式基本相同，只是按照各自要求開關管的工作方式不同，重新設定相關寄存器.

變流器工作方式的是依據系統直流母線和超級電容器組兩端電壓變化進行的.電壓傳感器的輸出信號需要經過采集電路處理.以通道ADCINA0采樣直流母線電壓，以通道ADCINB0和ADCINA1分別采用超級電容器組C1和C2端電壓.

3.2 不同工作方式控制的實現

用途不同的車載超級電容器儲能系統進入充電工況和放電工況的切換模式有所不同.若系統要求當VD＞(1+m)VDe時系統進入充電工作狀態;當VD＜(1-n)VDe時系統進入放電工作狀態;當(1-n)VDe＜VD＜(1+m)VDe時系統停止工作;其中m和n的值由設計者按系統要求設定，本設計中m=n=0.25.

如當直流母線電壓為標稱電壓時，電壓測量電路的輸出值為1.6 V;(1+m)VDe的電壓測量電路輸出值為2 V;(1-n)VDe的電壓測量電路輸出值為1.2 V.由于新型變流器的工作方式之間切換時，變流器中6個IGBT的狀態不同.實驗中所采用的示波器僅有2個通道，為了獲得6路信號的狀態信息，可以通過CCS軟件觀察DSP寄存器的方法實現.

附表 新型變流器控制電路DSP相關寄存器狀態

在充電過程中，示波器顯示T11和T21的控制信號，通道一為T11的控制信號;通道二為T21的控制信號.實驗結果，如圖5所示.

圖5 新型變流器充電的控制信號輸出

在放電過程中，示波器顯示T12和T22的控制信號，通道一為T12的控制信號;通道二為T22的控制信號.實驗結果如圖6所示.

圖6 新型變流器放電的控制信號輸出

4 結論

與目前車載超級電容器儲能系統常用的變流系統相比，本文提出的車載超級電容器儲能系統新型變流器，緩解了提高超級電容器容量利用率和減小變流器容積功率之間的矛盾.減小了直流環節的電流脈動，提高了系統的電磁兼容性.本文針對新型變流器設計的控制系統能夠有效地對新型變流器進行實時控制.

［1］HU JIN SHENG，ZHAN WEN YAN，DU YE LIN，et al.Investigation of the Improvement and Control Strategy of the Energy-Storage Regeneration Braking on Metro Vehicle［J］.Advances in Electrical Engieering＆Electrical Machines，2011，134:205-212.

［2］馬勇.城市軌道車輛超級電容儲再生制動技術研究［D］.大連:大連交通大學，2010.

［3］胡繼勝，馬勇，王寧.輕軌車儲能再生制動系統電路型式及主要技術參數的確定［J］.大連交通大學學報，2011，32(2):69-73.

［4］許愛國.城市軌道交通再生制動能量利用技術研究［D］.南京:南京航空航天大學，2009.

［5］張慧妍.超級電容器直流儲能系統分析與控制技術的研究［D］.北京:中國科學院，2006.