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(dòng)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(dòng)兩方面。目前，大部分混合動(dòng)力汽車的能量存儲(chǔ)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(dòng)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(lái)為蓄電池提供均衡負(fù)載，包括飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能等[2]。其中研究最多的就是引入超級(jí)電容器作為混合動(dòng)力汽車輔助能量存儲(chǔ)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(jí)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(jí)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(wú)疑會(huì)混合動(dòng)力汽車能量存儲(chǔ)系統(tǒng)帶來(lái)很大的性能提高[3]。

蓄電池-超級(jí)電容器復(fù)合電源的結(jié)構(gòu)較多，電路從簡(jiǎn)單到復(fù)雜。引入功率變換器后，可將復(fù)合電源分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種[4]。被動(dòng)式結(jié)構(gòu)蓄電池-超級(jí)電容器復(fù)合電源是將蓄電池與超級(jí)電容器直接并聯(lián)，而主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源是在蓄電池和超級(jí)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(jí)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(zhǎng)蓄電池的循環(huán)壽命。因此，主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源的總體性能要比被動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jí)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(dòng)式結(jié)構(gòu)混合動(dòng)力汽車用復(fù)合電源

主動(dòng)式結(jié)構(gòu)混合動(dòng)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(jí)電容器組與功率變換器串聯(lián)構(gòu)成輔助儲(chǔ)能系統(tǒng)，再將輔助儲(chǔ)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(jí)電容器并聯(lián)。由于后者不能使得功率變換器和超級(jí)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(dòng)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(chǔ)能系統(tǒng)中超級(jí)電容器主要負(fù)責(zé)負(fù)載電流的脈動(dòng)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(guò)一個(gè)高通濾波器產(chǎn)生超級(jí)電容器輔助儲(chǔ)能系統(tǒng)的理想 電流(s)，即(s)=-G(s)·ILoad(s)，真實(shí)值為超級(jí)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(jí)電容器工作在安全的電壓范圍之內(nèi)。因此需要對(duì)濾波器控制進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)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(jí)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(guò)超級(jí)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(jí)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(jí)電容器電壓接近其最大電壓時(shí)，超級(jí)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(jí)電容器電壓接近其最小電壓時(shí)，超級(jí)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(jí)電容器電壓不會(huì)偏離其穩(wěn)定電壓范圍，線性修正項(xiàng)a·(Vu-Vmid)會(huì)將電壓拉回到其額定電壓(Vmid)。

其中，Vu為超級(jí)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(méi)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(duì)主動(dòng)式結(jié)構(gòu)混合動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(guò)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(jí)電容器輔助儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)，因此該電流也即超級(jí)電容器輔助儲(chǔ)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(jí)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(dòng)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(jí)電容器組電壓在24 V附近上下波動(dòng)，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(jí)電容器組電壓在滿足動(dòng)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(dòng)范圍5 A；而圖6(d)中超級(jí)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(guò)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(zhǎng)。超級(jí)電容器組由于承擔(dān)了負(fù)載電流中的脈動(dòng)分量，因此其電流變化范圍比較大。

本文對(duì)混合動(dòng)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(duì)主動(dòng)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(jí)電容器在滿足動(dòng)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(dòng)的情況下，主動(dòng)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(guò)程得到了優(yōu)化，循環(huán)壽命得到延長(zhǎng)；(3)雙向DC-DC變換器控制效果明顯，有效性高。

圖6 主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源仿真結(jié)果

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