一種簡化級(jí)聯(lián)電動(dòng)汽車復(fù)合電源及其控制方法?

續(xù) 丹，周 歡，王 斌，曹秉剛，汪建林

(西安交通大學(xué)，機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

前言

由于能源危機(jī)，高效節(jié)能的電動(dòng)汽車已成為汽車領(lǐng)域的一種發(fā)展趨勢[1-3]。作為電動(dòng)汽車傳統(tǒng)儲(chǔ)能裝置的電池(Bat)，雖然能量密度高，但功率密度低且循環(huán)壽命短。超級(jí)電容(ultra-capacitor，UC)則功率密度高、循環(huán)壽命長，但能量密度偏低[4-5]。如果將電池和超級(jí)電容組成復(fù)合電源，就能實(shí)現(xiàn)電池和超級(jí)電容互補(bǔ)，既保證了高功率輸出，又實(shí)現(xiàn)了高密度儲(chǔ)能，還能有效延長電池的使用壽命[6]。

設(shè)計(jì)復(fù)合電源結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是充分發(fā)揮電池和超級(jí)電容的優(yōu)勢。通常采用直流變換器(DC-DC)使電池提供低頻和穩(wěn)定的功率，超級(jí)電容提供其余功率以“削峰填谷”，避免電池受高頻和峰值電流沖擊，可有效延長電池的使用壽命[7]。

傳統(tǒng)復(fù)合電源結(jié)構(gòu)可分為被動(dòng)式、主動(dòng)式和級(jí)聯(lián)式。被動(dòng)式結(jié)構(gòu)的電池和超級(jí)電容直接并聯(lián)，不能對能量源進(jìn)行有效控制[8-9]。主動(dòng)式和級(jí)聯(lián)式復(fù)合電源結(jié)構(gòu)見圖1。主動(dòng)式結(jié)構(gòu)的電池和超級(jí)電容分別配置DC-DC后再并聯(lián)，電機(jī)逆變器的母線輸入電壓不穩(wěn)定，控制較為復(fù)雜；而級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)采用串聯(lián)方式，電機(jī)逆變器的輸入電壓相對穩(wěn)定，且可有效增大超級(jí)電容的可用電壓范圍和提高能量利用率，但每級(jí)DC-DC的能量損失較大，由于存在兩個(gè)DC-DC，所以成本也較高[10-14]。為提高級(jí)聯(lián)式復(fù)合電源的性能，降低成本，本文中提出一種簡化級(jí)聯(lián)式電動(dòng)汽車復(fù)合電源。

圖1 傳統(tǒng)復(fù)合電源結(jié)構(gòu)

1 簡化級(jí)聯(lián)式復(fù)合電源結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的簡化級(jí)聯(lián)式復(fù)合電源結(jié)構(gòu)見圖2，電池通過第一級(jí)BUCK/BOOST后，再與超級(jí)電容結(jié)合通過第二級(jí)BUCK/BOOST進(jìn)行工作，形成了簡化級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)共有6種工作模式：UC單獨(dú)驅(qū)動(dòng)(車輛)模式、UC與Bat共同驅(qū)動(dòng)模式、Bat驅(qū)動(dòng)并為UC充電模式、UC驅(qū)動(dòng)并為Bat充電模式、UC單獨(dú)回收模式和UC與Bat共同回收模式。由于有4種驅(qū)動(dòng)模式，可根據(jù)需求功率、超級(jí)電容SOC和電池SOC進(jìn)行模式選擇，使復(fù)合電源以最優(yōu)模式工作，以提高系統(tǒng)效率。制動(dòng)能量回收時(shí)，首先利用超級(jí)電容進(jìn)行回收，并在超級(jí)電容充滿后，將剩余能量降壓后由電池回收，從而更充分地回收制動(dòng)能量，以保證能量利用率。同時(shí)簡化了級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)，減少能量在元器件上的損耗，提高了系統(tǒng)效率。

圖2 簡化級(jí)聯(lián)式復(fù)合電源

1.2 模式分析

1.2.1 UC單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式

UC單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式如圖3所示，它用于超級(jí)電容SOC較高，大功率輸出的工況。開關(guān) SW1，SW2和SW3都關(guān)閉，超級(jí)電容直接提供能量。

輸出關(guān)系為

式中：Uout為輸出電壓；UUC為超級(jí)電容電壓。

圖3 UC單獨(dú)驅(qū)動(dòng)

1.2.2 UC與Bat共同驅(qū)動(dòng)模式

UC與Bat共同驅(qū)動(dòng)模式是主要的驅(qū)動(dòng)模式，如圖4所示。SW3關(guān)閉，調(diào)節(jié) SW1和SW2，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)能量分配，超級(jí)電容和電池共同供能。

圖4 UC與Bat共同驅(qū)動(dòng)

式中：IL1為通過L1的電流；IL2為通過L2的電流；UBat為電池工作電壓；R為負(fù)載電阻。

1.2.3 Bat驅(qū)動(dòng)并為UC充電模式

Bat驅(qū)動(dòng)并為UC充電模式如圖5所示，主要用于超級(jí)電容SOC偏低的工況。SW1和SW3關(guān)閉，調(diào)節(jié)SW2，形成電池為輸入，負(fù)載和超級(jí)電容為輸出的BOOST電路，使電池升壓輸出，供能并給超級(jí)電容充電。

當(dāng)SW2導(dǎo)通時(shí)：

圖5 Bat驅(qū)動(dòng)并為UC充電

式中：RL1為 L1的內(nèi)阻值；RUC為 UC 的內(nèi)阻值；CUC為

UC的充電電容值。

1.2.4 UC驅(qū)動(dòng)并為Bat充電模式UC驅(qū)動(dòng)并為Bat充電模式如圖6所示，它是不常用的模式，主要用于電池電量過低的極端工況。

SW2和SW3關(guān)閉，調(diào)節(jié)SW1，形成 UC為輸入端，負(fù)載和電池為輸出端的電路。

圖6 UC驅(qū)動(dòng)并為Bat充電

式中RL2為L2的內(nèi)阻值。

1.2.5 UC單獨(dú)回收模式

UC單獨(dú)回收模式如圖7所示，它是制動(dòng)回收的主要模式，充分利用超級(jí)電容的充放電特性，避免對電池直接充放。SW1和SW2關(guān)閉，調(diào)節(jié)SW3，形成逆變器為輸入，超級(jí)電容為輸出的BUCK電路，制動(dòng)能量降壓后，由超級(jí)電容單獨(dú)回收。

圖7 UC單獨(dú)回收

式中Uin為制動(dòng)回收能量的電壓值。

1.2.6 UC與Bat共同回收模式

UC與Bat共同回收模式如圖8所示，主要用于超級(jí)電容SOC趨于飽和，仍為制動(dòng)狀態(tài)的工況。SW2關(guān)閉，SW3導(dǎo)通，調(diào)節(jié) SW1，形成逆變器為輸入，電池為輸出端的BUCK電路，超級(jí)電容直接回收時(shí)，剩余的制動(dòng)能量降壓由電池回收。

當(dāng)SW1導(dǎo)通時(shí)：

式中RBat為電池內(nèi)阻值。

圖8 UC與Bat共同回收

2 模式驗(yàn)證

采用Simulink對簡化級(jí)聯(lián)式復(fù)合電源的6種工作模式進(jìn)行仿真驗(yàn)證。設(shè)定電池工作電壓為16V，初始SOC為50%，超級(jí)電容工作電壓為20V，PWM波頻率為50kHz。驅(qū)動(dòng)時(shí)負(fù)載電阻為4Ω，制動(dòng)回收時(shí)回收電壓為60V。

UC單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，SW1，SW2和SW3的控制占空比均為0，超級(jí)電容直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。仿真結(jié)果見圖9，超級(jí)電容SOC從85.56%下降到82.37%，電池SOC基本不變，只有超級(jí)電容參與供能，驗(yàn)證結(jié)果表明該模式可行。

圖9 UC單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式仿真結(jié)果

UC 與 Bat共同驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，SW1，SW2和 SW3的控制占空比分別為0.5，0.6和0。仿真結(jié)果見圖10，超級(jí)電容SOC從85.56%下降到80.38%，電池SOC從50%下降到49.09%，超級(jí)電容和電池均供能，驗(yàn)證結(jié)果表明該模式可行。

Bat驅(qū)動(dòng)并為UC充電模式時(shí)，SW1，SW2和 SW3的控制占空比為0，0.5和0。仿真結(jié)果見圖11，超級(jí)電容SOC從76.09%上升到76.21%，電池SOC從50%下降到48.94%，電池供能并為超級(jí)電容充電，驗(yàn)證結(jié)果表明該模式可行。

圖10 UC與Bat共同驅(qū)動(dòng)模式仿真結(jié)果

圖11 Bat驅(qū)動(dòng)并為UC充電模式仿真結(jié)果

UC驅(qū)動(dòng)并為Bat充電模式時(shí)，SW1，SW2和SW3的控制占空比為1，0和0。仿真結(jié)果見圖12，超級(jí)電容SOC從85.56%下降到76.85%，電池SOC從50%上升到50.46%，超級(jí)電容供能并為電池充電，驗(yàn)證結(jié)果表明該模式可行。

圖12 UC驅(qū)動(dòng)并為Bat充電模式仿真結(jié)果

UC單獨(dú)回收模式時(shí)，SW1，SW2和SW3的控制占空比為0，0和0.2。仿真結(jié)果見圖13，超級(jí)電容SOC從85.56%上升到86.73%，電池SOC基本不變，制動(dòng)能量降壓后，由超級(jí)電容單獨(dú)回收，驗(yàn)證結(jié)果表明該模式可行。

圖13 UC單獨(dú)回收模式仿真結(jié)果

UC 與 Bat共同回收模式時(shí)，SW1，SW2和 SW3的控制占空比為0.5，0和1。仿真結(jié)果如圖14所示，超級(jí)電容SOC從85.56%上升到100%，電池SOC從50%上升到55.94%，該模式下回收能量部分由超級(jí)電容回收，剩余能量經(jīng)降壓處理由電池回收，驗(yàn)證結(jié)果表明該模式可行。

圖14 UC與Bat共同回收模式仿真結(jié)果

3 穩(wěn)定性控制與驗(yàn)證

為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需要保證系統(tǒng)的電磁兼容性能。復(fù)合電源中的MOSFET和續(xù)流二極管工作頻率為20kHz，由于高頻工作，所以會(huì)存在電磁干擾，是電路系統(tǒng)中的主要干擾源。選擇380μH的電感充分蓄能，在輸出端和電池端并聯(lián)濾波電容以減少對能量源和輸出端的干擾。MOSFET選擇大功率、高電壓型的IRF3815，并為加強(qiáng)MOSFET的電磁兼容性能，減小干擾沖擊，保護(hù)系統(tǒng)正常工作，設(shè)計(jì)了MOSFET的RC吸收電路，如圖15所示。

在提高了系統(tǒng)的電磁兼容性的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)功率輸出時(shí)負(fù)載的波動(dòng)和制動(dòng)回收時(shí)輸入電壓的波動(dòng)，也都會(huì)引起電池不穩(wěn)定工作，縮短電池壽命。因此為有效地延長電池壽命，還需對電池的工作電流進(jìn)行模糊控制?？刂平Y(jié)構(gòu)見圖16。

利用模糊控制思想，將電池工作電流與參考電流比較，通過判斷電流與參考值的誤差e及其變化率ec，調(diào)節(jié)SW1，SW2和SW3的控制占空比，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。涉及到電池的工作模式共有4個(gè)：Bat和UC共同驅(qū)動(dòng)模式、UC驅(qū)動(dòng)并為Bat充電模式、Bat驅(qū)動(dòng)并為UC充電模式和Bat與UC共同回收模式。其中UC驅(qū)動(dòng)并為Bat充電模式使用較少，電池工作電流較小且對負(fù)載變化不敏感，所以沒有進(jìn)行模糊控制。

圖15 RC吸收電路

圖16 控制結(jié)構(gòu)

將e，ec劃分為S，M和B，分別代表小、中和大。SW1，SW2和 SW3的控制占空比劃分為 Z，S，M，B 和O，其中Z和O代表截止和導(dǎo)通，S，M和B分別代表小、中和大。模糊規(guī)則見表1。

制定模糊控制規(guī)則的主要依據(jù)如下：

(1)Bat和UC共同驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，SW3始終截止。當(dāng)輸出電流偏大，e為B時(shí)，相應(yīng)地調(diào)整SW1和SW2以減小電流；當(dāng)輸出電流偏小，e為S時(shí)，相應(yīng)地調(diào)整SW1和SW2以增大電流，從而保證電池以參考電流值進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

(2)Bat驅(qū)動(dòng)并為UC充電模式時(shí)，SW3始終截止，SW1始終導(dǎo)通。當(dāng)輸出電流偏大，e為B時(shí)，相應(yīng)地減小SW2占空比為S以減小電流，當(dāng)輸出電流偏小，e為S時(shí)，相應(yīng)地增大SW2的占空比為B以增大電流，從而保證電池以參考電流值進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

(3)Bat和UC共同回收模式時(shí)，SW3始終導(dǎo)通，SW1始終截止，超級(jí)電容直接回收，形成逆變器為輸入，電池為輸出的BUCK電路。當(dāng)回收電流過大，e為B時(shí)，相應(yīng)地減小SW1占空比為S以減小電流，當(dāng)回收電流過小，e為S時(shí)，相應(yīng)地增大SW1占空比為B以增大電流，從而保證電池以參考電流值進(jìn)行回收。

表1 模糊控制規(guī)則表

當(dāng)復(fù)合電源工作在UC與Bat共同驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，設(shè)定L2的參考電流為20A，負(fù)載在2～6Ω之間變化，試驗(yàn)結(jié)果見圖17(a)。由圖可知，模糊控制能使電池輸出電流穩(wěn)定時(shí)間縮短0.75s，并使輸出穩(wěn)定后的波動(dòng)幅值減小。

當(dāng)復(fù)合電源工作在Bat驅(qū)動(dòng)并為UC充電模式，設(shè)定的L2參考電流為20A，負(fù)載在2～6Ω之間變化時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果見圖17(b)。由圖可知，模糊控制能使電池輸出電流穩(wěn)定時(shí)間縮短0.6s，并使輸出穩(wěn)定后的波動(dòng)幅值減小。

當(dāng)復(fù)合電源工作在Bat與UC共同回收模式時(shí)，設(shè)定的L2參考回收電流為20A，回收輸入電壓在50～70V之間變化，運(yùn)行結(jié)果見圖17(c)。由圖可知，未加控制時(shí)，電池回收電流持續(xù)增大，特別在超級(jí)電容充滿后，回收電流會(huì)瞬間增大到200A以上，對電池產(chǎn)生極大沖擊。而模糊控制能使電流較快趨近并穩(wěn)定到20A。

圖17 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種簡化級(jí)聯(lián)式電動(dòng)汽車復(fù)合電源結(jié)構(gòu)。該簡化級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)的電池通過第一級(jí)BUCK/BOOST后，再與超級(jí)電容結(jié)合通過第二級(jí)BUCK/BOOST進(jìn)行工作。且可通過控制MOSFET實(shí)現(xiàn)6種工作模式。

(2)對各模式的原理和過程進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，搭建了簡化級(jí)聯(lián)式復(fù)合電源仿真模型進(jìn)行仿真，結(jié)果證明了6種工作模式的可行性。

(3)為提高電池工作時(shí)的穩(wěn)定性，延長電池使用壽命，對電池的工作電流進(jìn)行了模糊控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，在UC與Bat共同驅(qū)動(dòng)模式和Bat驅(qū)動(dòng)并為UC充電模式時(shí)，采用模糊控制分別縮短了調(diào)整時(shí)間0.75和0.6s，并降低了電池電流波動(dòng)幅度。在Bat與UC共同回收模式時(shí)，模糊控制可使電池工作電流較快趨近并穩(wěn)定在參考值附近，有效保證了電池安全。

在模糊穩(wěn)定性控制的穩(wěn)定階段，控制精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)仍有提升空間，后續(xù)研究將對穩(wěn)定性控制方法進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)更好的控制效果。

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