基于改進(jìn)型濾波器功率分流控制的HEV復(fù)合電源*

王 琪 ，孫玉坤 ，2，黃永紅

（1.江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

混合動力汽車屬于實(shí)時(shí)變化的脈沖電流負(fù)載，主要體現(xiàn)在加速和再生制動兩方面。目前，大部分混合動力汽車的能量存儲系統(tǒng)都是基于蓄電池設(shè)計(jì)完成的，由于蓄電池功率低、循環(huán)壽命短且成本高，在很大程度上限制了混合動力汽車的發(fā)展和應(yīng)用[1]。為此，有關(guān)學(xué)者相繼提出了幾種方案來為蓄電池提供均衡負(fù)載，包括飛輪儲能、超導(dǎo)儲能等[2]。其中研究最多的就是引入超級電容器作為混合動力汽車輔助能量存儲系統(tǒng)，從而承擔(dān)蓄電池在頻繁地充放電時(shí)的高功率需求。將蓄電池和超級電容器相結(jié)合構(gòu)成復(fù)合電源，使得蓄電池比能量大和超級電容器比功率大的特點(diǎn)相結(jié)合，同時(shí)最大限度地減少每種電源的不足，這無疑會混合動力汽車能量存儲系統(tǒng)帶來很大的性能提高[3]。

蓄電池-超級電容器復(fù)合電源的結(jié)構(gòu)較多，電路從簡單到復(fù)雜。引入功率變換器后，可將復(fù)合電源分為被動式和主動式兩種[4]。被動式結(jié)構(gòu)蓄電池-超級電容器復(fù)合電源是將蓄電池與超級電容器直接并聯(lián)，而主動式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源是在蓄電池和超級電容器之間配置一個(gè)或者多個(gè)DC-DC變換器[5]。功率變換器的控制目標(biāo)是：(1)限制超級電容器的輸出電壓在指定的范圍之內(nèi)；(2)優(yōu)化蓄電池的輸出電流，使其盡量平滑，從而延長蓄電池的循環(huán)壽命。因此，主動式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源的總體性能要比被動式結(jié)構(gòu)更加優(yōu)越。

本文引入了一種改進(jìn)型濾波器功率分流的控制策略，在MATLAB 7仿真環(huán)境下主動式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源進(jìn)行建模和仿真。由仿真結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，主動式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源的功率輸出能力大大提高了，蓄電池的輸出電流曲線更為平滑；超級電容器在滿足負(fù)載電流不斷變化的同時(shí)能穩(wěn)定工作，起到了輔助電源的作用。

1 主動式結(jié)構(gòu)混合動力汽車用復(fù)合電源

主動式結(jié)構(gòu)混合動力汽車用復(fù)合電源主要有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一種是超級電容器組與功率變換器串聯(lián)構(gòu)成輔助儲能系統(tǒng)，再將輔助儲能系統(tǒng)與蓄電池組并聯(lián)，從而向負(fù)載供電，蓄電池組電壓為直流母線電壓；另一種結(jié)構(gòu)是蓄電池組與功率變換器串聯(lián)后再跟超級電容器并聯(lián)。由于后者不能使得功率變換器和超級電容器組充分吸收峰值功率，因此研究時(shí)選擇前者，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。由于功率變換器的變流作用，可以控制蓄電池的充放電電流，從而提高復(fù)合電源的性能。

圖1 主動式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源

2 改進(jìn)型濾波器功率分流控制策略研究

改進(jìn)型濾波器功率分流控制策略如圖2所示。復(fù)合電源儲能系統(tǒng)中超級電容器主要負(fù)責(zé)負(fù)載電流的脈動分量，從而確保蓄電池工作在穩(wěn)定的電流水平。負(fù)載電流ILoad經(jīng)過一個(gè)高通濾波器產(chǎn)生超級電容器輔助儲能系統(tǒng)的理想 電流(s)，即(s)=-G(s)·ILoad(s)，真實(shí)值為超級電容器的充電電流，也即DC-DC功率變換器的輸出電流，G(s)為線性濾波器的傳遞函數(shù)。線性濾波器單獨(dú)使用并不能確保超級電容器工作在安全的電壓范圍之內(nèi)。因此需要對濾波器控制進(jìn)行改進(jìn)，通過增加一個(gè)非線性電壓控制，實(shí)時(shí)調(diào)整電壓電流控制指令，可有效地保證超級電容器工作在穩(wěn)定的電壓范圍之內(nèi)[6]。完整的控制算法為：

圖2 改進(jìn)型濾波器功率分流控制策略

另外，通過超級電容器電壓控制因子 f(0＜f＜1)調(diào)整衰減負(fù)載電流從而進(jìn)一步控制超級電容器電壓。根據(jù)電流極性，f有兩種不同的作用：當(dāng)超級電容器電壓接近其最大電壓時(shí)，超級電容器充電電流需求減弱，放電電流需求相應(yīng)增強(qiáng)；同理，當(dāng)超級電容器電壓接近其最小電壓時(shí)，超級電容器放電電流需求減弱，充電電流需求相應(yīng)增強(qiáng)。為了確保超級電容器電壓不會偏離其穩(wěn)定電壓范圍，線性修正項(xiàng)a·(Vu-Vmid)會將電壓拉回到其額定電壓(Vmid)。

其中，Vu為超級電容器實(shí)際電壓；n為一常數(shù)，定義電壓控制因子的銳度。

3 仿真分析

圖3中功率變換器選用雙向DC-DC變換器，非隔離式半橋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)元器件少，造價(jià)低廉，沒有變壓器損耗，效率高，易于包裝和集成[7]。

根據(jù)圖2和圖3，在MATLAB 7仿真環(huán)境下，對主動式結(jié)構(gòu)混合動力車用復(fù)合電源進(jìn)行建模和仿真。采用脈沖電流作為復(fù)合電源的負(fù)載，從而模擬混合動力汽車的行駛工況，具體如圖4所示。設(shè)置雙向DC-DC變換器的占空比為0.5，高通濾波器截止頻率為10 MHz，具體仿真參數(shù)如表1所示。

圖3 雙向DC-DC變換器

圖4 脈沖電流負(fù)載

表1 主動式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源仿真參數(shù)表

圖5為脈沖電流負(fù)載經(jīng)過高通濾波器的輸出電流圖，負(fù)載電流中的高頻分量主要由超級電容器輔助儲能系統(tǒng)承擔(dān)，因此該電流也即超級電容器輔助儲能系統(tǒng)的參考電流。這里要注意的是高通濾波器的輸出電流是未加超級電容器控制因子f和線性修正項(xiàng)a·(Vu-Vmid)的輸出電流。

圖5 高通濾波器輸出電流

主動式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源仿真結(jié)果如圖6所示。圖6(a)中蓄電池組電壓約為47.7 V，紋波為0.1 V；圖6(c)中超級電容器組電壓在24 V附近上下波動，紋波達(dá)到2 V；顯然雙向DC-DC變換器的占空比約為0.5，超級電容器組電壓在滿足動態(tài)負(fù)載變換的同時(shí)能穩(wěn)定工作，起到了輔助電源的作用。圖6(b)中蓄電池組電流約為40 A，波動范圍5 A；而圖6(d)中超級電容器組電流變化范圍為-40 A～+40 A。復(fù)合電源蓄電池組的輸出電壓和電流更為平滑，蓄電池組的放電過程得到了優(yōu)化，功率變換器控制效果明顯，蓄電池組的循環(huán)壽命得到延長。超級電容器組由于承擔(dān)了負(fù)載電流中的脈動分量，因此其電流變化范圍比較大。

本文對混合動力汽車用復(fù)合電源進(jìn)行了分析與研究，提出一種改進(jìn)型濾波器功率分流控制策略研究。在MATLAB 7仿真環(huán)境下，對主動式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源進(jìn)行建模和仿真。仿真結(jié)果表明：(1)超級電容器在滿足動態(tài)負(fù)載變換的同時(shí)能穩(wěn)定工作，起到了輔助電源的作用；(2)在負(fù)載脈動的情況下，主動式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源中蓄電池組的放電電流更為平滑，其放電過程得到了優(yōu)化，循環(huán)壽命得到延長；(3)雙向DC-DC變換器控制效果明顯，有效性高。

圖6 主動式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源仿真結(jié)果

[1]SALMASI F R.Control strategies for hybrid electric vehicles：evolution，classification，comparison and future trends[J].IEEE Transactions Vehicular Technology，2007，56(5)：2393-2404.

[2]MUETZE A，TAN Y C.Electric bicycles-a performance evaluation[J].IEEE Industry Applications Magazine，2007，13(4)：12-21.

[3]唐西勝，齊智平.超級電容器蓄電池混合電源[J].電源技術(shù)，2006，11(30)：933-936.

[4]NEENU M，MUTHUKUMARAN S.A battery with ultracapacitor hybrid energy storage system in electric vehicles[C].IEEE-International Conference on Advances In Engineering，Science and Management，2012.

[5]Liu Shengyi，DOUGAL R A.Design and analysis of a current mode controlled battery/ultracapacitor hybrid[C].Industry Applications Conference，2004.

[6]SOUSA D M，BRANCO P J C，DENTE J A.Electric bicycle using batteries and supercapacitor[C].Power Electronics and Applications，2007.

[7]楊惠，孫向東，鐘彥儒，等.基于雙向 DC-DC變換器的超級電容器儲能系統(tǒng)研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，27(4)：456-460.