太陽能電動車混合儲能系統(tǒng)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(xué) 電氣工程學(xué)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(chǎn)企業(yè)都在此領(lǐng)域進(jìn)行了大量的投資。原因不僅僅是能源危機(jī)的沖擊，更重要的是全球都在倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟(jì)，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(xiàn)[1]介紹的系統(tǒng)由引擎發(fā)電機(jī)、超級電容和蓄電池組成動力源，但仍然不是零排放系統(tǒng)，并且對于復(fù)雜的電力電子器件來說，其效率相當(dāng)有限。文獻(xiàn)[2]提出了一種只有超級電容做儲能設(shè)備的純電動車。超級電容具有很多的優(yōu)勢，如功率密度高、內(nèi)阻小、可大電流快速充放電、可以在很大的溫度范圍內(nèi)保持良好的工作特性。更重要的是充放電次數(shù)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(dá)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(jù)它們各自的特點使其協(xié)調(diào)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(tǒng)，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(zhuǎn)換太陽能，并將能量轉(zhuǎn)移到蓄電池存儲，從而實時地補(bǔ)償蓄電池電能的消耗。本實驗所用的負(fù)載直流無刷電動機(jī)需要48V的直流電源供電，由蓄電池直接供給。當(dāng)電動車處于巡航狀態(tài)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(dāng)處于爬坡或加速狀態(tài)的時候，電機(jī)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(dǎo)致蓄電池端電壓產(chǎn)生較大的跌落，從而嚴(yán)重影響電機(jī)的供電質(zhì)量。此外，大電流沖擊性放電會嚴(yán)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(lián)到蓄電池兩端。當(dāng)電動車巡航時，蓄電池在保障負(fù)載供電的前提下，給超級電容充電到額定電壓。當(dāng)系統(tǒng)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(yīng)該把雙向DC/DC變換器控制成電流源，來供給電機(jī)所需的額外的電流，即蓄電池超級電容聯(lián)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(tài)性能，延長蓄電池的使用壽命。

2 系統(tǒng)原理與構(gòu)成

太陽能電動車的混合能源系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 太陽能電動車混合儲能系統(tǒng)示意圖

其中Boost變換器用來實現(xiàn)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(diào)整。與此同時，蓄電池直接向負(fù)載無刷直流電機(jī)供電。超級電容則作為系統(tǒng)的輔助能源以改善電動車的動態(tài)性能。當(dāng)電動車處于巡航狀態(tài)時，超級電容充電以存儲一定的能量作為備用；當(dāng)電動車處于加速或者爬坡狀態(tài)時，超級電容對外放電以提供負(fù)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(xiàn)。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(tài)地向蓄電池充電。因此，充電器的設(shè)計和控制應(yīng)當(dāng)：第一，盡可能多地吸收太陽能；第二，充電的過程中應(yīng)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(yīng)該是動態(tài)的、穩(wěn)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(shè)定蓄電池的工作范圍為下限48 V，上限54 V），因此當(dāng)boost變換器工作在連續(xù)模式的時候，輸入電壓將按照下式所述的關(guān)系自動調(diào)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(jù)boost變換器占空比的動態(tài)變化自動地調(diào)整到合適的大小，從而實現(xiàn)MPPT控制算法。為了使變換器在啟動后快速地工作在連續(xù)模式，快速地跟蹤最大功率點，MPPT控制算法的選擇與優(yōu)化十分重要。本文實驗采用爬山法實現(xiàn)MPPT控制。這種方法實現(xiàn)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(dāng)負(fù)載工作時，電能直接從太陽能板傳輸至負(fù)載，當(dāng)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(jù)蓄電池放電電流（或者負(fù)載電流）的大小和超級電容電壓的大小自動轉(zhuǎn)換。具體的邏輯轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖5所示。Iload表示負(fù)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(nèi)，即使負(fù)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(xié)調(diào)起來。當(dāng)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(dāng)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(huán)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(shù)長，因此它的主要任務(wù)是作為輔助電源，當(dāng)電機(jī)負(fù)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(fù)載供電。當(dāng)負(fù)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(dá)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(fù)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(zhuǎn)換關(guān)系

根據(jù)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(nèi)。在能量管理控制策略的保障下，超級電容與蓄電池根據(jù)各自特性，各施所長、協(xié)調(diào)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(tǒng)工作在蓄電池恒流放電模式BCDM。根據(jù)電路學(xué)的理論，雙向DC/DC變換器可以十分靈活地調(diào)節(jié)輸出電流，為了使超級電容來全額補(bǔ)充負(fù)載需要的額外電流，從而使蓄電池恒流放電，也即負(fù)載電流與雙向DC/DC變換器輸出電流的差值應(yīng)當(dāng)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(biāo)是：當(dāng)負(fù)載電流超出正常值范圍的時候，控制環(huán)的參考值設(shè)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(dāng)然，這一設(shè)計思想與通用的DC/DC變換器的控制目標(biāo)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(dāng)負(fù)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(fù)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(yán)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(yīng)優(yōu)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(cè)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(huán)控制回路。根據(jù)Buck電路的工作原理，我們采用小信號模型來設(shè)計PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

(3)超級電容恒壓充電模式SCVCM

當(dāng)超級電容充電到設(shè)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(biāo)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?fù)渑c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(tài)，電壓始終維持在合適的大小范圍內(nèi)，以備電機(jī)負(fù)載發(fā)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(tǒng)控制策略的正確性，本文使用PSCAD進(jìn)行了仿真實驗。模型根據(jù)圖1所示的拓?fù)浯罱?，電路參?shù)：裝置設(shè)計功率3.8 kW，光伏最大輸出功率150 W，開關(guān)頻率為20 kHz，4個12 V，60 Ah蓄電池串聯(lián)，超級電容120 F，安全工作電壓上限為27 V，設(shè)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(yīng)該根據(jù)實際產(chǎn)品具體設(shè)定，沒有統(tǒng)一的數(shù)值，本文的設(shè)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(jìn)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(zhuǎn)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(dāng)負(fù)載電流很小的時候，蓄電池同時向負(fù)載和超級電容供電。超級電容的充電電流設(shè)定為10 A，仿真結(jié)果如圖9所示。因為電感L2直接與超級電容串聯(lián)，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(nèi)（電壓達(dá)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(nèi)，超級電容的電壓線性地升高。當(dāng)接近設(shè)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(yīng)地逐步減少到零。這一結(jié)果表明：電路能根據(jù)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(fù)載電流發(fā)生階躍性地突變，從5 A跳變到20 A。根據(jù)控制算法，假定蓄電池電流應(yīng)當(dāng)限制在 15 A以內(nèi)。因此，當(dāng)負(fù)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(fù)載怎么變化，蓄電池電流始終限制在15 A。仿真結(jié)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(dāng)電流指令從5 A突變到20 A的時候，負(fù)載消耗的固定功率超出了設(shè)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(fù)載所需的額外的功率。隨著放電過程的不斷進(jìn)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(dāng)負(fù)載電流再次發(fā)生階躍，回落到5 A的時候，電感L2的電流變成負(fù)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(dāng)負(fù)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(jié)果表明了BCDM控制策略的正確性和有效性。

5 實驗結(jié)果

本文還從實驗的角度對控制算法進(jìn)行了驗證。使用的試驗樣機(jī)如圖12所示，器件的參數(shù)根據(jù)表1進(jìn)行選擇。與仿真相比，負(fù)載不再是一個能發(fā)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(jī)。這也就意味著實驗更準(zhǔn)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(jié)果相對應(yīng)的實驗結(jié)果如圖13、圖14和圖15所示。仿真結(jié)果與實驗結(jié)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(shù)。

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(jié)果有力地證明了混合能源系統(tǒng)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(wěn)定在20 V。圖14表明：當(dāng)電機(jī)負(fù)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(fù)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(nèi)。實驗同時表明：BCDM，SCCCM，SCVCM這三種工作模式之間可以根據(jù)運行工況的需要，很容易地進(jìn)行平滑切換。瞬態(tài)過程證明了每一種工作模式的控制器設(shè)計的十分良好、有效。

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

6 結(jié)論

本文首先給出了一種純電動車的設(shè)計方案——含太陽能、蓄電池、超級電容的混合能源系統(tǒng)方案，并且給出了連接與協(xié)調(diào)這三種電源的電路拓?fù)浜涂刂撇呗?。這一電路拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)最小的變換器損耗，顯著改善電動車的動態(tài)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(xié)調(diào)工作的能量管理控制算法，仔細(xì)分析了電路的三種典型工作模式，并且設(shè)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(guān)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?qū)崿F(xiàn)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(xiàn)充放電，顯著地改善了電動車的動態(tài)性能。

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