串聯(lián)式混合動力車輛輸出解耦方法設計

徐浩軒, 劉春光， 趙其進, 白 華

(陸軍裝甲兵學院 兵器與控制系，北京 100072)

混合動力電傳動車輛多電源聯(lián)合供電有串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)等多種電源組合方式.其中，重型電傳動車輛，特別是一些軍用電傳動車輛主要采用串聯(lián)式混合電源，即由發(fā)動機-發(fā)電機組、蓄電池及其他能量補償裝置并聯(lián)掛接在母線上，聯(lián)合為車載綜合電力系統(tǒng)供電.自二十世紀末以來，串聯(lián)式混合動力電傳動在重型客車、貨車及各類軍用電傳動車輛中得到了廣泛的運用[1]，但隨著能量管理策略開始引入車載綜合電力系統(tǒng)，電源數量增多和類型的多樣性增大了能量管理策略的實施難度[2].能量管理策略為提高燃油經濟性和能量利用率通常需要在給定的負載狀態(tài)下準確控制不同電源的輸出功率，輸出解耦即通過控制車載綜合電力系統(tǒng)中的功率變換裝置解除各電源并聯(lián)到直流母線上產生的電氣耦合，進而為各電源分配功率負荷，通過功率變換裝置的不同控制策略可以得到多種輸出解耦方法.

文中以一種典型的串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)為例，結合各類電源的特性與整車的能量管理策略，設計分析不同電源輸出解耦策略，并通過基于Matlab/Simulink的車輛綜合電力系統(tǒng)仿真驗證其可行性，最終確定采用發(fā)動機-發(fā)電機組功率跟隨控制，蓄電池穩(wěn)壓控制的解耦控制策略可以精準控制混合動力系統(tǒng)各電源的輸出功率，實現多電源輸出解耦，同時相較其它方法有更快的響應速度和更強的穩(wěn)壓能力.

1 串聯(lián)式混合動力車輛的綜合電力系統(tǒng)結構

車載綜合電力系統(tǒng)是指集成了車載發(fā)電、多源能量存儲，大功率電力傳動和脈沖功率電源，以及其它車載用電設備的電力系統(tǒng)[3-4].典型的串聯(lián)式混合動力車輛的綜合電力系統(tǒng)電源以發(fā)動機-發(fā)電機組為主動力源，通過整流裝置連接直流母線[5].文中設計輸出解耦策略的綜合電力系統(tǒng)以蓄電池與超級電容器為輔動力源，其拓撲結構如圖1.

圖1 車載綜合電力系統(tǒng)拓撲結構

這種結構優(yōu)化了發(fā)動機的輸出特性，發(fā)動機軸轉速與驅動電動機轉速的機械解耦提高了發(fā)動機效率和燃油經濟性.為保持發(fā)動機能夠持續(xù)穩(wěn)定的運行在最佳功率-燃油特性曲線附近，發(fā)動機的轉速由能量管理模塊根據需求功率查表給出[6]，發(fā)動機-發(fā)電機組的輸出給定功率通過控制發(fā)電機的電磁轉矩實現.可控整流裝置采用雙向AC/DC，不僅可以控制發(fā)動機-發(fā)電機組輸出到母線的功率，還可以在發(fā)動機啟動過程中，通過蓄電池為發(fā)電機反向充電，發(fā)電機作為電動機拖動發(fā)動機迅速調速.

蓄電池作為輔動力源，彌補了主動力源調節(jié)速度慢的短板，通過調節(jié)蓄電池的輸出可以使發(fā)動機-發(fā)電機組始終工作在高效狀態(tài)，也可以在車輛制動時回收部分能量，提高能源利用率.雙向DC/DC一方面實現了對輸出功率的控制，另一方面也避免了車輛在復雜路況下因頻繁充放電而損壞.蓄電池也可以單獨為母線供電，使車輛擁有短距離的靜默行駛能力.

超級電容器能量密度較小，不能單獨為母線供電，掛接在母線兩端主要起穩(wěn)壓作用，可以補償負載功率需求，吸收回饋制動產生的電能.同時，超級電容器功率密度大，能夠快速響應負載的高頻功率需求，保護其它電源.

與其它混合動力電傳動車輛的綜合電力系統(tǒng)相比，這種綜合電力系統(tǒng)的主要特點在于采用雙向DC/DC控制蓄電池，且直接在母線上掛接了超級電容器.這種結構為制定能量管理策略創(chuàng)造了廣闊的空間，但多種不同特性的電源輸出相互耦合增大了解耦控制的難度[7].

2 綜合電力系統(tǒng)解耦方法設計

電源輸出耦合的電氣特性主要表現在其能量密度、功率密度及其它自身特性對其輸出功率的影響.如果不對功率變換器件施加合理的控制，高壓電源在帶動負載的同時會為低壓電源充電，響應速度快的電源在負載波動時出力快，負擔大部分功率需求，響應速度慢的電源不能充分發(fā)揮作用.實際上，車輛的主動力源是響應速度最慢的發(fā)動機-發(fā)電機組[8-9]，而響應最快的超級電容器儲存的能量不能承擔主要能量源的作用.且行駛過程中，三電源應該聯(lián)合為負載電機供電，除回饋制動的工作狀態(tài)外，蓄電池不能工作在充電狀態(tài).

各電源輸出功率的去耦合主要通過控制功率變換裝置來控制各電源輸出功率，即控制雙向AC/DC和雙向DC/DC.雙向AC/DC和雙向DC/DC均可以控制直流母線側的輸出電壓或電流，也可以通過控制電流變化保持功率跟隨控制.對于發(fā)動機-發(fā)電機組來說，如果采用恒定電流控制，則在母線調壓過程中限制了發(fā)動機的輸出能力.對于蓄電池，功率跟隨控制往往導致母線電壓較低時電池端電流過大.因此，雙向AC/DC可以工作在功率跟隨控制或穩(wěn)壓控制模式，雙向DC/DC可以工作在恒電流控制或穩(wěn)壓控制模式,系統(tǒng)控制結構如圖2.

圖2 綜合電力系統(tǒng)控制結構

能量管理模塊通過車速預測車輛負載功率并控制雙向DC/DC與雙向AC/DC為動力電池與發(fā)動機-發(fā)電機組分配功率，車載綜合電力系統(tǒng)通過控制功率變換裝置可以產生4種控制組合.

(1)雙向AC/DC功率跟隨控制和雙向DC/DC恒電流控制

在雙向AC/DC功率跟隨控制模式下，雙向AC/DC通過監(jiān)控母線電壓調節(jié)給定電流變化，結合控制發(fā)動機調速，就能控制發(fā)動機-發(fā)電機組的輸出功率.雙向DC/DC恒電流控制能夠根據能量管理模塊分配的功率控制動力電池的輸出電流，控制動力電池輸出功率.當負載需求發(fā)生變化時，通過控制發(fā)動機-發(fā)電機組和動力電池輸出電流變化就能實時滿足負載需要，超級電容器起到穩(wěn)壓作用，承擔負載的高頻分量.

這種解耦可以準確控制每個電源的功率，將負載的高頻分量完全由超級電容器承擔，是制定能量管理策略的理想解耦方式.但這種方法依賴超級電容器的穩(wěn)壓能力來調節(jié)母線電壓，電壓偏離給定值時，沒有反饋環(huán)節(jié)調整電壓，此時控制蓄電池輸出電流不再能準確控制電源輸出功率，會使電壓偏差不斷擴大.

(2)雙向AC/DC功率跟隨控制和雙向DC/DC穩(wěn)壓控制

與(1)中的方法類似，雙向AC/DC功率跟隨控制仍由能量管理模塊決定其輸出的功率，動力電池通過雙向DC/DC調節(jié)輸出功率配合超級電容器將電壓穩(wěn)定在母線的額定電壓附近.由于母線電壓維持穩(wěn)定，超級電容器起到穩(wěn)壓作用，負載的需求功率依靠發(fā)動機-發(fā)電機組和動力電池滿足.

動力電池電流隨負載的變化而變化，由于超級電容器的功率密度高，負載中的高頻分量大部分還是被超級電容器吸收，也有一部分被電池吸收.在這種解耦策略下，沒有充分發(fā)揮新型綜合電力系統(tǒng)多電源配合的優(yōu)勢，電池壽命有所下降.但是母線電壓不再依賴超級電容器的穩(wěn)壓作用，車輛電力系統(tǒng)運行在相對安全穩(wěn)定的工況，對能量分配預測精度和器件功率分配精度要求較低.

(3)雙向AC/DC穩(wěn)壓控制和雙向DC/DC恒電流控制

該模式通過控制動力電池的電流控制其輸出功率，當母線電壓下降至額定電壓時，雙向AC/DC穩(wěn)壓輸出，發(fā)動機-發(fā)電機組的輸出功率受負載需求影響，發(fā)電機電流隨負載的變換而變化，這也給發(fā)動機調速帶來困難，使發(fā)動機很難在最佳燃油特性曲線附近工作.

發(fā)動機作為車輛主動力源，穩(wěn)壓能力較蓄電池更強，但發(fā)動機調速響應較慢，在發(fā)動機調速過程中母線電壓可能跌落較大，此時，由于蓄電池采用恒流控制，輸出功率隨母線電壓降低而降低.負載需求功率較大時，母線電壓跌落后難以回升到額定電壓.當行駛路況復雜時，負載中的高頻分量可能導致發(fā)電機損耗增加，發(fā)動機頻繁切換到不同的轉速點，油耗增加.

(4)雙向AC/DC穩(wěn)壓控制和雙向DC/DC穩(wěn)壓控制

雙穩(wěn)壓控制下，電源分配的功率理論上可以通過調節(jié)各電源支路的等效內阻來調節(jié)，但調節(jié)等效內阻實現難度大，對器件要求精度高且產生不必要的內耗.實際上的功率分配與各電源特性有關，無法有效控制，也無法實施能量分配策略.

綜上所述，雙向AC/DC功率跟隨控制，雙向DC/DC恒電流控制，理論上效果比較理想，但運行條件較為苛刻，需要與有電壓校正功能的能量管理策略配合使用；蓄電池穩(wěn)壓控制、發(fā)動機—發(fā)電機組功率跟隨控制與蓄電池恒流控制、發(fā)動機—發(fā)電機組穩(wěn)壓控制都可以完成能量分配策略，但無法避免負載高頻分量對電源的損壞；雙穩(wěn)壓控制難以實施能量分配策略.

3 仿真試驗

由前面的分析可知，4種解耦策略均存在自己的短板，其中蓄電池穩(wěn)壓控制，發(fā)動機-發(fā)電機組功率跟隨控制相對較為穩(wěn)定，適應于大多數能量管理策略，在實際運用中可能更具有優(yōu)勢，下面根據某種電傳動車輛建立基于Matlab/Simulink的仿真模型，并對幾種解耦策略設計仿真試驗進行簡單的驗證.

解耦策略應該滿足能量管理的需要，可以準確將功率需求分配到各電源.制訂簡單的能量分配策略來檢驗不同解耦策略是否能夠在車輛運行中滿足能量分配的需求.根據發(fā)動機-發(fā)電機組的輸出能力，設定能量分配策略為發(fā)動機-發(fā)電機組與蓄電池的輸出功率之比為3∶2.假定在負載需求功率為135 kW時，發(fā)動機最優(yōu)工作點在1 300 r/min，負載為180 kW時，發(fā)動機最佳工作點在1 600 r/min.初始負載需求總功率為225 kW,5秒時，將負載需求功率提升為300 kW.不同策略下的電流變化如圖3所示.

圖3 不同解耦策略下的電流變化

雙穩(wěn)壓控制下各電源輸出電流無法控制，負載需求功率無法按照能量管理策略進行分配，不適宜作為綜合電力系統(tǒng)的解耦策略.其他3種解耦策略在負載需求功率變化前后，電流比值分別為180A∶120A、240A∶160A,由于母線電壓穩(wěn)定在750 V,各電源輸出功率始終滿足預定的3∶2能量分配策略.同時，雙恒流控制和蓄電池穩(wěn)壓控制的輸出響應速度較快，其中，雙恒流控制在實際應用中由于缺少穩(wěn)壓手段，可能造成母線電能質量較差.蓄電池穩(wěn)壓控制，發(fā)動機-發(fā)電機組恒功率控制更適宜作為該綜合電力系統(tǒng)的電源解耦方法.

4 結 論

通過對4種解耦策略的理論分析及仿真驗證，采用發(fā)動機-發(fā)電機組功率跟隨控制，蓄電池穩(wěn)壓控制的解耦控制模式穩(wěn)壓能力強、響應速度快，對比其他解耦策略優(yōu)勢明顯，可以適用于大多數采用新型綜合電力系統(tǒng)的車輛.電源輸出解耦策略的選定也為制定整車的能量管理策略奠定了基礎.