摘要：針對電動汽車混合儲能裝置功率分流問題，在三端口變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了能量型儲能裝置采用電流閉環(huán)，功率型儲能裝置采用電壓閉環(huán)的控制系統(tǒng)。首先以雙輸入單輸出模態(tài)建立了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的狀態(tài)空間模型，分析了功率電路的占空比-電感電流傳遞函數(shù)、占空比-輸入電流傳遞函數(shù)和占空比-輸出電壓傳遞函數(shù)。其次設(shè)計了電壓閉環(huán)控制器和電流閉環(huán)控制器，在保證母線電壓穩(wěn)定的前提下，可實現(xiàn)輸出功率在功率型儲能裝置和能量型儲能裝置之間的精確分配。最后通過實驗驗證了控制系統(tǒng)在模擬HWFET工況和階躍負(fù)載工況下的輸入輸出動態(tài)響應(yīng)、電壓控制精度和功率分流效果,其結(jié)果有利于實現(xiàn)混合儲能裝置功率精確分流。

　　關(guān)鍵詞：電動汽車;混合儲能裝置;功率分流;三端口變換器;傳遞函數(shù)

　　引言電動汽車的續(xù)駛里程主要取決于儲能裝置容量、變換器效率、動力系統(tǒng)和電動汽車的總質(zhì)量。電動汽車輕量化和高效緊湊的變換器結(jié)構(gòu)可以有效地提升電動汽車的操控性、可靠性、安全性并降低噪聲。車載儲能裝置通常需要高能量密度、高功率密度以同時保證續(xù)駛里程和動力性能。

　　以鋰離子電池為代表的能量型儲能元件具有能量密度高、輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點，但是高倍率充放電會導(dǎo)致其容量和壽命衰減;以超級電容為代表的功率型儲能裝置具有優(yōu)異的倍率性能，但是能量密度較低，難以滿足車輛的續(xù)駛里程需求。混合儲能裝置通過將兩種以上類型的儲能元件組合在一起，從而兼具不同類型儲能元件的優(yōu)點，是理想的車載儲能裝置。目前混合儲能裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為以下四種：

　　(1)超級電容與鋰離子電池被動并聯(lián)，該拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高等優(yōu)點，但是由于鋰離子電池與超級電容兩者直接并聯(lián)端電壓相同，超級電容僅在鋰離子電池大電流放電導(dǎo)致端電壓嚴(yán)重下降時才能工作，此外該結(jié)構(gòu)無法避免能量制動回饋狀態(tài)對鋰離子電池的大電流充電;(2)超級電容通過DC/DC變換器后與鋰離子電池并聯(lián)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有端電壓穩(wěn)定性好、運行過程中負(fù)載端電壓波動范圍較小的優(yōu)點，但負(fù)載未知情況下對鋰離子電池和超級電容實時功率控制困難，并且能量回饋狀態(tài)下超級電容不能直接吸收制動能量，導(dǎo)致制動能量回收利用率低;(3)鋰離子電池通過DC/DC變換器后與超級電并聯(lián)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有效彌補(bǔ)了第二種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點，但是由于超級電容直接與負(fù)載連接，端電壓變化范圍較大;(4)鋰離子電池、超級電容和負(fù)載通過多端口功率變換器混合連接，該結(jié)構(gòu)能夠靈活控制不同能量源的輸出電壓與輸出功率，可實現(xiàn)復(fù)雜的控制策略9,10。

　　通過上述分析可知，采用多端口功率變換器，實現(xiàn)功率流在能量型儲能裝置、功率型儲能裝置和負(fù)載之間的混合功率分配，進(jìn)而構(gòu)成混合儲能裝置，是克服單一儲能裝置缺點的一種有效方法11。非隔離多端口功率變換器不需要變壓器，具有功率器件較少、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)的混合儲能裝置。

　　圍繞電動汽車混合儲能裝置多端口功率變換器，文獻(xiàn)[1提出了一種三端口變換器，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電能利用效率高，但是由于共用主開關(guān)管使得主開關(guān)管電壓、電流應(yīng)力較高;文獻(xiàn)19提出了一種超級電容與新能源微電源和儲能單元串聯(lián)放電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，儲能單元和新能源微電源不能同時工作，功率流向單一;文獻(xiàn)20構(gòu)建了一種高電壓增益多端口功率變換器，但儲能單元不能單獨為負(fù)載供電，容錯性較差。針對電動汽車混合儲能裝置功率分流問題，采用多工況三端口變換器結(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)集成能量型儲能裝置端口、功率型儲能裝置端口及負(fù)載端口。

　　本文在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了能量型儲能裝置采用電流閉環(huán)，功率型儲能裝置采用電壓閉環(huán)的控制系統(tǒng)。首先簡要分析了能量型儲能裝置功率bat、功率型儲能裝置功率UC和負(fù)載需求功率load之間能量變換的四種模態(tài)，并以雙輸入單輸出(DoubleInputSingleOut)模態(tài)建立了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的狀態(tài)空間模型，分析了功率電路占空比電感電流傳遞函數(shù)、占空比輸入電流傳遞函數(shù)和占空比輸出電壓傳遞函數(shù)。其次設(shè)計了電流閉環(huán)控制器和電壓閉環(huán)控制器，在保證母線電壓穩(wěn)定的前提下，可實現(xiàn)輸出功率在功率型儲能裝置和能量型儲能裝置之間的精確分配。最后通過模擬HWFET工況驗證，三端口變換器實現(xiàn)了輸出功率在功率型儲能裝置和能量型儲能裝置之間的精確分配，且整個過程中電壓閉環(huán)控制器輸出電壓和電流閉環(huán)控制器輸出電流精度分別達(dá)到0.157%和0.2%;階躍負(fù)載實驗中，電壓超調(diào)量僅為0.25%。

　　三端口功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電動汽車混合儲能裝置多工況三端口功率變換器如圖所示，主要包含電壓閉環(huán)控制器及功率電路、電流閉環(huán)控制器及功率電路以及輸出電容和負(fù)載端斷路器。電流閉環(huán)控制器采用單閉環(huán)控制實現(xiàn)輸出電流的精確控制;電壓閉環(huán)控制器在電流閉環(huán)控制器的基礎(chǔ)上，通過外加電壓閉環(huán)控制，構(gòu)成雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定。該結(jié)構(gòu)中功率型儲能裝置采用雙閉環(huán)控制實現(xiàn)輸出端電壓穩(wěn)定，其內(nèi)環(huán)使用電流閉環(huán)控制、外環(huán)使用電壓閉環(huán)控制可消除Boost電路右半平面零點引起的負(fù)載變化時，占空比不能立刻向穩(wěn)態(tài)值靠近造成的瞬態(tài)響應(yīng)差。能量型儲能裝置只采用電流閉環(huán)控制，其目的為了控制能量型儲能裝置的輸入輸出功率。

　　由于負(fù)載端采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，功率型儲能裝置可保證輸出端電壓穩(wěn)定，所以只需控制能量型儲能裝置輸出電流BAY，即可實現(xiàn)其輸出功率BAT控制(BAT•BAY)。因此該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中部分維持輸出直流母線電壓穩(wěn)定，部分實現(xiàn)能量型儲能元件功率精確輸出。該拓?fù)涔β孰娐钒�含雙電感，相同輸出功率下，與文獻(xiàn)[18]中單電感結(jié)構(gòu)相比，其每個電感電流較小。

　　由電感元件的電壓電流關(guān)系(diuLdt)可知，電感電流較小，開關(guān)器件MOSFET關(guān)斷時刻產(chǎn)生感應(yīng)電動勢較低，所以雙電感結(jié)構(gòu)對開關(guān)器件MOSFET的電壓與電流應(yīng)力較小。三端口變換器與DC/DC雙向變換器相比，其存在多種工作模式，且在不同工作模式下功率流向不同。任意兩個端口之間電能雙向變換，可滿足電動汽車在行駛、充電、再生制動等多工況下的功率變換需求。

　　本節(jié)以電動汽車行駛工況為例，簡要分析能量型儲能裝置功率bat、功率型儲能裝置功率UC和負(fù)載需求功率load之間能量變換的四種模態(tài)，且三端口變換器工作過程中開關(guān)器件和分別互補(bǔ)導(dǎo)通。

　　1)當(dāng)電動汽車負(fù)載需求功率load較大時，能量型儲能裝置功率密度無法滿足負(fù)載需求。此時功率型儲能裝置與能量型儲能裝置共同向負(fù)載提供電能，三端口變換器工作在雙輸入單輸出(DoubleInputSingleOut)模態(tài)。2)當(dāng)電動汽車再生制動時，電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)運行，從而將車輛的動能或位能變換為電能，并存儲在能量型儲能裝置與功率型儲能裝置之中，得以再次利用，且滿足loadbatUC。三端口變換器工作在再生制動(RegenerativeBraking)模態(tài)。

　　3)當(dāng)電動汽車加速或啟動后功率型儲能裝置SOC較低，此時需要依靠該模式對其電能補(bǔ)充。三端口變換器負(fù)載端存在背靠背斷路器和，其可靈活控制負(fù)載端導(dǎo)通或關(guān)斷，即batUCload或batUC。三端口變換器工作在單輸入雙輸出(SingleInputDoubleOut)或單輸入單輸出(SingleInputSingleOut)模態(tài)。4)當(dāng)電動汽車駐車后，為減少功率型儲能裝置自放電，可將功率型儲能裝置電能轉(zhuǎn)移至能量型儲能裝置或者被車載裝置利用。該模式下負(fù)載端背靠背斷路器可調(diào)節(jié)三端口變換器工作在單輸入雙輸出(SingleInputDoubleOut)或單輸入單輸出(SingleInputSingleOut)模態(tài)。

　　模擬HWFET工況試驗為驗證三端口變換器的性能，采用美國環(huán)境保護(hù)局制定的經(jīng)典的模擬公路行駛的燃油經(jīng)濟(jì)性測試循環(huán)(HWFET)，該循環(huán)共有765秒[21]。所設(shè)計的實驗流程如下：1)根據(jù)模擬HWFET工況的車輛狀態(tài)計算出車輛需求功率，將需求功率導(dǎo)入可編程電子負(fù)載DL3021;2)設(shè)置直流母線電壓40V、能量型儲能裝置以9.93A恒電流輸出;3)使用示波器電流鉗分別測量負(fù)載電流、三端口變換器中電壓控制器和電流控制器輸出電流，并測量電池、超級電容和負(fù)載端電壓;4)啟動可編程電子負(fù)載，記錄模擬HWFET工況實驗數(shù)據(jù);為模擬HWFET工況共384步，每步持續(xù)時間秒，共持續(xù)768秒實驗數(shù)據(jù)。整個過程中電流閉環(huán)控制器以恒功率提供負(fù)載需求低頻分量;電壓閉環(huán)控制器跟隨負(fù)載實時功率需求做出快速響應(yīng)，并維持負(fù)載端電壓為40V。

　　可編程電子負(fù)載記錄的三端口變換器輸出電壓數(shù)據(jù)，可知整個模擬HWFET工況中輸出電壓最大誤差僅為0.157%。可知功率型儲能裝置電壓為20V、能量型儲能裝置電壓為12V，可保證負(fù)載端電壓為40V、端電流4A狀態(tài)下運行，但是功率型儲能裝置與能量型儲能裝置的端電流差異較大，且兩者輸出功率不可控。

　　為了進(jìn)一步驗證所設(shè)計三端口功率變換器在階躍負(fù)載時的性能，設(shè)計如下兩個實驗：1)將可編程電子負(fù)載設(shè)置為變化的階躍負(fù)載，負(fù)載需求電壓為40V，運行中能量型儲能裝置由放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換為充電狀態(tài);使用示波器電流鉗分別測量負(fù)載電流、三端口變換器中電壓控制器和電流控制器輸出電流，并測量負(fù)載端電壓;2)設(shè)置可編程電子負(fù)載需求功率瞬間為180W，測量三端口變換器輸出端電壓及輸出電流。

　　為階躍負(fù)載持續(xù)50秒內(nèi)能量型儲能裝置與功率型儲能裝置實驗數(shù)據(jù)。實驗0~19秒電壓閉環(huán)控制器與電流閉環(huán)控制器根據(jù)負(fù)載變化共同提供負(fù)載需求功率，2050秒功率型儲能裝置在向階躍負(fù)載提供能量的同時還向能量型儲能裝置充電，過渡過程中三端口變換器輸出端電壓未出現(xiàn)明顯變化，整個過程中負(fù)載端電壓始終維持在40V。

　　三端口變換器效率實驗為了驗證三端口功率變換器在模擬HWFET工況下效率，設(shè)計如下實驗：

　　1)根據(jù)模擬HWFET工況的車輛狀態(tài)計算出車輛需求功率，將需求功率導(dǎo)入可編程電子負(fù)載DL3021;2)設(shè)置直流母線電壓40V，能量型儲能裝置以低頻穩(wěn)態(tài)分量輸出，功率型儲能裝置輸出需求功率高頻成分;3)使用示波器電壓探頭和電流鉗分別測量三端口變換器三端口電壓與電流;4)啟動可編程電子負(fù)載，記錄模擬HWFET工況實驗數(shù)據(jù);

　　新能源論文范例： 電動汽車無線充電的啟動階段控制策略

　　結(jié)論

　　理論分析和實驗結(jié)果表明，針對電動汽車多工況運行狀態(tài)所提出的三端口功率變換器的有效性體現(xiàn)在：

　　1)能夠?qū)崿F(xiàn)電能在功率型儲能裝置、能量型儲能裝置和負(fù)載之間的雙向流動，有效的滿足電動汽車在行駛、充電和再生制動等多工況運行;

　　2)模擬HWFET工況實驗中三端口功率變換器中電壓閉環(huán)控制器輸出電壓和電流閉環(huán)控制器輸出電流精度分別達(dá)到0.157%和0.2%;階躍負(fù)載實驗中，電壓超調(diào)量僅為0.25%，實現(xiàn)了功率型儲能裝置與能量型儲能裝置之間的高精度功率分流;三端口變換器模擬HWFET工況下平均效率約為91%，瞬時最高效率約為95%。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　作者：申永鵬1，孫建彬1，楊小亮1，劉普1，李會仙2