電動汽車混合儲能信息融合能量管理策略研究

吉祥，曾國建，許楊，楊法松，熊珊珊

（安徽銳能科技有限公司，安徽合肥，230009）

0 引言

為解決電動汽車動力性能和續駛里程受電池制造工藝制約的問題，采用動力電池和超級電容的復合電源供電方式已經得到了一定的應用[1]，為避免復合電源增加直流變換系統復雜程度，需要研究橋臂增容式多端口變換器拓展集成技術，進一步減小系統體積和容量[2]。

在電動汽車功率變換系統中，多端口變換器一般應用于復合電源供電場合，如印度理工學院B.G.Fernandes 教授團隊于2018 年提出的電動汽車四端口車載電源[3]，端口分別連接動力電池、超級電容、兩級式充電和驅動的直流母線，能夠實現多自由度功率傳輸，電源功率密度高。文獻[4]提出了一種兼有光伏接口的電動汽車充電機，其中DC/DC 部分即為一種基于Buck/Boost 功率變換單元的隔離型MPC，能夠實現高效雙向運行；在國內，天津理工大學李微博士于2018 年提出了一種隔離型三端口雙向LCLC 多諧振直流變換器[5]，其基本功率變換單元為全橋衍生拓撲，通過多諧振結構降低諧振腔電流應力，提高開關頻率，實現高效能量傳輸。電動汽車充電、行駛、加減速和制動等動作信號繁雜且龐大，變換器運行時需要基于這些動作信號進行工作模式的切換，從而改變相應的端口連接方式[6]。

為了確保能量傳輸效率和工作獨立性，在復合電源供電場合更需要進一步提高系統集成度，本文擬改變傳統基于多繞組變壓器進行變換器集成的思路，采用橋臂復用拓撲集成方案，同時通過降功率重組和機動橋臂聯動增容機制，在保障變換器額定功率的前提下盡可能精簡電路。因此，本文將基于多端口變換器的端口拓展與增容機制，研究電動汽車混合儲能信息融合能量管理策略，提高電動汽車的能量利用效率。

1 直流系統的增容機制

圖1 給出了基本功率變換單元演化過程，根據拓撲演化原則，圖1(a)所示為雙Buck/雙Boost 拓撲，其在全橋拓撲的基礎上增加了四個防直通電感，在工頻交直流變換場合，防直通電感常通過濾波電感實現等效，應用于DC/DC變換器的高頻逆變/整流環節時，防直通電感通常與隔離變壓器進行磁集成，以避免增加額外磁芯。根據圖1(a)可以演化出圖1(b)所示的繞組交錯耦合型功率變換單元，其通過兩繞組在同邊磁芯上交錯繞制，對比全橋拓撲，其原副邊各增加了一路繞組，但兩路繞組共用一個磁芯，不會對體積造成明顯的影響；對比雙Buck/雙Boost 拓撲，繞組交錯耦合型拓撲不需要額外增加四個防直通電感，能夠減小磁集成的難度。

圖1 基本功率變換單元的演化

圖2 給出了基本功率變換單元的拆分方案，其將繞組交錯耦合型拓撲拆分成原副邊各兩路并聯的交錯半橋拓撲，且不改變原本的電氣連接方式，每路交錯半橋都能夠獨立工作，這種拆分方式不僅能夠為系統重構提供最小功率變換單元，也能夠為系統的故障容錯提供可能性，這也是繞組交錯耦合型基本功率變換單元所特有的優勢。對于傳統全橋拓撲，其拆分成兩個半橋時，需要通過電容串聯的形式從直流側中點引出橋臂輸出端口，從而改變電氣連接，反而會增加變換器體積成本，而對于繞組交錯耦合型拓撲，其拆分則無需改變電氣連接。基于圖2 可得到變換器多端口拓展時的最小功率變換單元，即交錯半橋變換單元，這種拓撲目前其實已經出現，被應用于電機驅動場合，稱作“不對稱半橋”，利用繞組電流僅能單向流動的特性進行勵磁，該拓撲之所以未在功率變換場合大量應用，是因為其獨立工作時功率管的電流應力較大，且線圈電流存在直流分量。

圖2 基本功率變換單元的拆分

因此，同樣的功率等級下，相對于繞組交錯耦合型拓撲，交錯半橋拓撲應用于一體化直流變換系統時存在功率器件電流應力大、變壓器易飽和的問題，要解決該問題，必須考慮最小功率變換單元的重組方案，令其僅在小功率情況下單獨工作，在大功率情況下仍然重組為繞組交錯耦合型基本功率變換單元。因此，本文采用降功率半橋結構和機動橋臂的聯動機制，在保障變換器額定功率的前提下盡可能精簡電路，對于繞組交錯耦合型基本功率變換單元，其性能相對于全橋拓撲具有明顯的優勢，雖然不可避免增加了繞組數量，但可以通過共用磁芯解決該問題，在之前所討論的三端口集成系統中，多繞組對電路體積和成本的不利影響并未體現，因此是一種較為先進的方案。然而，在復合電源供電場合，需要進行端口拓展，每增加一個端口，繞組將成倍增加，此時若依然想保留基本功率變換單元無死區和高效率的優勢，就必須解決多繞組的缺陷，在不影響系統性能的前提下設計更為精簡的電路結構，其首要任務是對基本功率變換單元進行拆分，尋找系統重構的可能性。

圖3 給出了基于橋臂聯動機制的多端口拓展方法，圖3(a)所示電路中，端口1、2 連接動力電池，端口5、6 連接超級電容，端口3、4 對應的半橋為機動橋臂，目的是實現動力電池或超級電容充放電時的增容，圖3(b)、圖3(c)給出了不同類型電源增容時的端口連接方式，根據電池和超級電容供電的功率需求，對于功率需求大的電源端，通過切入機動橋臂實現增容，由此可以看出，機動橋臂始終處于工作狀態，其并非冗余橋臂，此外本項目還將研究拓展端口的功率控制方案，實現各端口間不同功率流向的解耦控制。

圖3 基于橋臂聯動機制的多端口拓展方法

2 功率分配方案

要實現直流變換系統的多端口拓展，必須實時判斷端口連接方式，從而確定系統的工作模式，這又依賴于系統的功率分配方案，其由電動汽車的行駛工況所決定，并受到電池、超級電容本身狀態的制約，同時也與系統目前的連接方式有關。對于動力電池和超級電容聯合供電模式，電機的需求功率大于動力電池輸出的平均功率時，由超級電容輸出剩余的峰值功率；當放電電流較大時，會對動力電池產生沖擊，造成不可逆轉的損害，因此僅由超級電容供電；對于再生制動模式，瞬間制動電流過大也會對動力電池造成，因此優先將制動能量回饋給超級電容。

在多影響因素下，采用基于聯合卡爾曼多傳感信息融合的功率分配方案，實現多端口變換器基于橋臂聯動機制的簡化與增容，如圖4 所示，該方案算法包括一個主濾波器和四個子濾波器，四個子濾波器并行工作，獨立完成電動汽車行駛工況、電池和超級電容狀態、直流變換系統橋臂連接狀態的量測，從而獲得相關因素影響下的局部最優功率分配方案，并輸入到主濾波器中進行全局信息融合卡爾曼濾波包括預測和更新兩個階段，在預測階段，狀態預測可表示為：

圖4 基于聯合卡爾曼多傳感信息融合功率分配方案

預測協方差矩陣為：

在更新階段，誤差增益矩陣可表示為：

協方差矩陣更新可表示為：

根據圖4，四個子濾波器代表四個子系統，則各子系統的標準卡爾曼濾波模型為：

其中n=1、2、3、4，則整體狀態的最優綜合可以表示為：

通過采用直接方法進行狀態方程和量測方程的建立，以電壓電流傳感器輸出信號、電池和超級電容管理系統的狀態估計結果等作為輸入數據，確定功率分配方案，從而確定端口連接方式，實現基于降功率半橋功率變換單元多端口拓展的可靠增容。

3 仿真結果分析

搭建MATALB/Simulink 仿真模型，設定圖5 所示車輛行駛工況，得到超級電容和動力電池在該工況下的放電電流，可以看出，在勻速運行或緩慢加速、重載起動、加速或爬坡情況下，動力電池出力較大，此時處于動力電池增容狀態，當輕載起動或瞬間加速、減速或下坡情況下，超級電容出力增大，此時處于超級電容增容狀態，但由于動力電池為主供電電源，因此動力電池的放電電流總體高于超級電容的放電電流。

圖5 混合儲能仿真結果

通過仿真分析可以得出結論，通過硬件電路的多端口擴容和控制策略的功率分配方案，能夠在不增加硬件成本的前提下合理分配復合供電電源的出力方案，電動汽車直流系統的集成度、成本和工作性能都能夠得到一定的提升。

4 結束語

本文提出基于電路拆分重構和橋臂聯動的橋臂增容式多端口拓展集成方案，在此基礎上進行了基于聯合卡爾曼濾波的功率分配，實現電動汽車在復合電源供電場合的應用，進一步提高系統的集成度，減小系統的體積和成本。