一種基于超級電容器組串并聯切換的儲能系統

任桂周 常思勤

（1.煙臺大學機電汽車工程學院山東省高校先進制造與控制技術重點實驗室 煙臺 264005 2.南京理工大學機械工程學院 南京 210094）

1 引言

內燃-直線發電集成動力系統（Internal Combustion-Linear Generator Integrated Power System，ICLGIPS）主要由四沖程自由活塞式內燃機、永磁直線發電機（Linear Electric Generator，LEG）、儲能系統、電控單元等構成的新型動力裝置[1,2]。LEG的動子與構成四沖程自由活塞式內燃機燃燒室的自由活塞直接相連，運行時作往復直線運動。燃料的化學能通過燃燒膨脹做功，由活塞直接連接LEG輸出電能至負載或儲能系統，也可在需要時輸入電能驅動活塞運動，并通過調節電磁力控制活塞的運動規律。與傳統內燃機的熱力循環相似，但取消了曲柄連桿機構，簡化了結構，消除或減小曲軸不平衡旋轉質量所產生的離心慣性力、連桿運動所產生的慣性力、曲柄連桿機構產生的活塞徑向力等導致的摩擦損失。通過控制活塞運動規律優化內燃機熱力循環，實現了發動機的低壓縮比與高膨脹比運行，提高了內燃機的指示效率；作為混合動力車輛動力裝置工作時，其運行工況與負載無關并可保持在穩定的內燃機經濟性最優的工作區域。該新型動力裝置可用于電動混合動力汽車取代傳統內燃機，實現清潔高效利用能源，儲能系統是其重要的組成部分，需要完成在短時間、大電流、感應電動勢大范圍變化條件下的儲能及電能的高效、雙向流動。ICLGIPS為典型的電機雙向運行的系統，LEG需要在短時間內進行電動模式和發電模式的切換，對應儲能系統在兩個方向上提供能量模式和回饋能量模式的交替運行，對能量流的有效控制提出了更高的要求。

選擇高電壓供電電源通過功率變換模塊降壓為電機供電是常規方法[3,4]，如圖1a所示，這種方法供電電源體積大，成本高；電機本身損耗較大；當系統電壓變化范圍較大時，使得效率降低或不能實現能量回饋。第二代豐田 Prius混合動力汽車 THSⅡ相比第一代THS采用了高電壓可變供電系統[5-8]，如圖1b所示，在不改變THS的電源電壓DC 274V的基礎上，在電源與電機之間增加了直流升壓變換模塊，系統電壓可以達到DC 500V，相比高電壓供電電源，減小了體積，節約了成本，且系統電壓和電源電壓可以獨立變化，隨不同車輛的動力需要而改變。相比常規方法，效率得到了提高，但其系統工作電壓與電源電壓的變壓比小，使得電機速度調節的范圍小，可實現能量回饋的速度范圍小。針對ICLGIPS的工作要求和能量流需要，本文提出了一種新型儲能系統[9]，該儲能系統采用新穎的超級電容器組串并聯切換技術實現了電源電壓分級供電，結合優化設計的BDPC，實現了電壓大范圍變化條件下的BDPC的電壓比被控制在理想的2以內[10,11]，更利于BDPC的控制和其變換效率的提高，增大了可變電壓變換范圍，大大增加了電機的調速范圍，從而更有利于LEG的控制和能量的回饋。

圖1 功率雙向流動的電機能量系統Fig.1 Bi-directional power flow of motor energy system

2 新型儲能系統

新型儲能系統如圖2所示。圖中，VT1、VT2、VT3、VT0為 IGBT 開關管；VD1、VD2、VD3、VD0為對應IGBT開關管的反并聯二極管；S為開關管；i1為超級電容器組輸出電流；i2為 BDPC輸出電流與電容C2輸入電流的電流和；i0為BDPC輸出電流；iM為 LEG電樞電流；U1為超級電容器組端電壓；Ubus為母線電壓；UAB為LEG平均端電壓。系統可劃分為三大部分，即串并聯切換的超級電容器組，優化設計的BDPC和H橋電壓逆變器。選擇兩組初始狀態相同的超級電容器模塊和三個開關，BDPC實現超級電容器組和 LEG之間能量在兩個方向的變換和傳輸[12,13]，通過H橋電壓逆變器的換向和續流功能，使得LEG在兩個方向上運動并保持電流連續。

圖2 新型儲能系統Fig.2 Proposed novel ESS

2.1 超級電容器組串并聯實時切換

ICLGIPS在毫秒級時間內要求電源提供和回收能量，超級電容器的應用可以使得最大程度地發揮其優勢。超級電容器組串并聯切換技術是一種新穎的技術，日本的Eimei Takahara把該技術應用到純電動汽車的電機驅動系統中[14]，使用了四組超級電容器模塊和三個開關，可實現兩個模式的切換，并進行了實驗，結果表明該技術使得系統的能量效率和工作可靠性得到較大提高，超級電容器組只在回饋制動能量和提供加速能量時工作，四組模塊的電壓值和容量不相同，在串并聯切換工作時會造成模塊間能量的不平衡。文獻[10]中為了使超級電容器組與通過功率變換器并聯的電池之間能量傳遞效率更高，采用三個開關管和兩組超級電容器模塊，實現了超級電容器組串并聯切換技術，其目的是作為輔助能量緩沖器，滿足電池與超級電容器能量流平衡關系，工作要求較低。本文根據LEG的工作要求，電源選擇兩個初始狀態相同的超級電容器組，每組額定工作電壓值為60V，設計了超級電容器組的串并聯切換方案，使用了三個開關，在系統運行過程中，可實現60V和120V兩個電壓值輸出模式的實時切換，超級電容器組的串并聯切換連接如圖2所示。實現了把大范圍變化的電壓劃分成幾個小范圍變化的段，每個小范圍的電壓段對應一個超級電容器組輸出電壓值，利用超級電容器串并聯切換技術縮小了功率變換器的電壓變換范圍。在升壓（Boost）和降壓（Buck）工作模態下，BDPC兩端的變壓比不大于2，滿足BDPC設計的要求。超級電容器組的串并聯切換方式控制如下。

2.1.1 DC 120V輸出模式

當LEG電動運行，且需要的端電壓變化范圍為120～240V 時，VT1、VT2斷開，VT3導通，UC1、UC2串聯向LEG供電，如圖3a所示，超級電容器組輸出端電壓為120V。

當LEG發電運行，且產生的反電動勢大于120V時，VT1、VT2、VT3斷開，UC1、UC2串聯回收 LEG產生的能量，如圖13b所示，超級電容器組輸出端電壓為120V。

2.1.2 DC 60V輸出模式

當LEG電動運行，且需要的端電壓變化范圍為60～120V 時，VT1、VT2、VT3斷開，UC1、UC2并聯向LEG供電，如圖3c所示，超級電容器組輸出端電壓為60V。

當LEG發電運行，且產生的反電動勢變化范圍為60～120V時，VT1、VT2導通，VT3斷開，UC1、UC2并聯回收 LEG產生的能量，如圖3d所示，超級電容器組輸出端電壓為60V。

圖3 串并聯切換的超級電容器組輸出端電壓Fig.3 UC banks output voltage with serial-parallel switchover

本文設計的用于ICLGIPS儲能系統的超級電容器組串并聯切換方案，使得兩組超級電容器可同時充、放電，實現了超級電容器組之間能量的平衡流動，且一個周期內充、放電時間短，流動的能量小，幾乎不會引起超級電容器組輸出端電壓的波動，在實際工作中，運行安全可靠，能量轉換效率高。

基于圖2標出的各變量進行分析，對于串并聯實時切換的超級電容器組，設每個超級電容器組額定工作電壓值為 UC，由三個開關控制其輸出電壓值，得到開關變量組合與輸出的關系。

放電狀態，超級電容器組狀態模型為

式中 VT1=1表示開關管閉合，VT1=0表示開關管斷開；VT2和 VT3開關狀態的表達方式與VT1同，這里省略；R為等效負載。

充電狀態，超級電容器組狀態模型為

2.2 優化設計的BDPC和H橋電壓逆變器

在一個周期內，LEG交替工作于電動模式和發電模式，BDPC實現電源和LEG之間能量在兩個方向的變換和傳輸，兩個方向的工作模態共用一個電感，設升壓模態需要的電感值為Lboost，降壓模態需要的電感值為Lbuck，則非隔離型BDPC的電感設計值 Lmin為

為保證BDPC的電感磁心在正常工作的任何時刻都不會飽和，選取在兩種工作模態下最大的峰值電流作為最大飽和電流值ILP，即

式中 Iboost_LP——升壓模態的峰值電流；

Ibuck_LP——降壓模態的峰值電流。

根據非隔離型BDPC的電感值設計方法，有

式中 f——開關頻率；

ΔIL——電感電流波動值；

Uo——對應模態輸出端電壓；

Io——對應模態輸出電流；

D1——開關管VT1的占空比；

D2——開關管VT2的占空比。

且有

經計算，在兩個方向上經過BDPC電感的峰值電流關系為

由式（7）知，當LEG工作在發電模式向超級電容器組回饋能量時，由于BDPC的變流作用，超級電容器組的充電電流較大，使得BDPC的電感體積較大，對傳統型功率變換器拓撲結構進行了優化設計[15]，如圖2所示。BDPC運行于Boost模態時，開關管VT2和VD1工作，S斷開，與傳統BDPC工作方式相同；當BDPC運行于 Buck模態時，開關管VT1和VD2工作，S閉合，L和VD0被短路，屏蔽掉了降壓濾波電感。該優化設計的主要特點是，按照升壓模態參數設計電感，當BDPC運行于大功率降壓模態向超級電容器組回饋能量時，使用脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）高頻斬波控制，去掉濾波電感后的 PWM波送入超級電容器組時，容量較大的超級電容器組對 PWM波進行了有效的濾波，從而變成平滑電壓波，對輸出量實現了平滑控制。該優化設計有效地減小了功率變換器的體積和成本，提高了功率變換的效率。

BDPC中的開關元件將非線性特性引入了變換器，在不改變電路結構的基礎上，直接對開關元件電壓和電流變量在一個開關周期內求平均，建立平均等效模型，得到BDPC開關平均模型為

當BDPC工作于降壓模態時有

當BDPC工作于升壓模態時有

電動狀態時輸入電壓為超級電容器組的輸出端電壓，輸出電壓為系統母線電壓；發電狀態時輸入電壓為系統母線電壓，輸出電壓為超級電容器組的充電電壓，通過控制BDPC調節系統母線電壓和超級電容器組充電電壓的大小。

通過控制 H橋電壓逆變器調節 LEG電樞電流的大小和方向。設H橋電壓逆變器的一對橋臂的占空比為DH，采用雙極性PWM控制，在一個周期內的LEG平均端電壓為

設LEG電感為LM，內阻為rM，反電動勢為E，電樞電流為iM，對于LEG有

3 能量流控制策略

為精確控制系統的能量高效流動，在儲能系統硬件結構設計的基礎上，提出了一個工作循環內系統實現四種模式運行的能量流控制策略，四種模式為：正向降壓提供能量、正向升壓提供能量、反向降壓回饋能量和反向升壓回饋能量。

LEG正向電動運行，且當產生的反電動勢小于超級電容器組輸出端電壓時，不需控制 BDPC，通過控制H橋電壓逆變器的兩對開關管的導通時間比例調節LEG需要的端電壓；當反電動勢大于超級電容器組輸出端電壓時，BDPC工作于升壓模態，把超級電容器組輸出端電壓升到設置的系統母線電壓，通過H橋電壓逆變器的換向和續流功能，使得LEG在兩個方向上運動并保持電流連續。

LEG反向發電運行，且當反電動勢低于超級電容器組輸出端電壓時，利用LEG自身電感作為升壓電感，通過控制H橋電壓逆變器和BDPC實現升壓，向超級電容器組回饋能量；當反電動勢大于超級電容器組輸出端電壓時，BDPC工作于降壓模態，把反電動勢降壓到超級電容器組輸出端電壓，實現能量回饋，通過控制 H橋電壓逆變器實現 LEG電樞電流的調節和換向。

ICLGIPS能量流原理圖如圖4所示，選用TMS320F2812DSP為能量控制單元，根據系統的工作要求和能量流要求，四種工作模式通過能量流控制算法由控制單元實現，按照設定的控制策略，由DSP的數字控制器計算并處理輸入信號，輸出相應的控制信號給BDPC和H橋電壓逆變器，實現對輸出目標值的精確控制。在工作過程中，控制單元實時監測過電壓、過電流和過溫信號，一旦發生危險，立即中斷系統的運行并發出報警信號。

圖4 內燃-直線發電集成動力系統能量流原理圖Fig.4 Principle of ICLGIPS energy train flow

4 仿真研究與實驗驗證

在 Matlab/Simulink環境中對新型儲能系統進行了仿真研究，驗證系統設計和控制策略的有效性，LEG電樞電流屬于頻繁升降的場合，選用微分先行比例積分微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）數字控制算法進行調節，只對輸出電流進行微分，在改變給定參考值時，輸出電流不會立即改變，避免或大大減小了超調量。直流母線電壓采用增量式PID數字控制算法進行控制，根據制定的能量控制策略分別對BDPC和H橋電壓逆變器進行控制，使得滿足系統能量流的要求。

LEG電樞電流跟蹤如圖5所示，進氣沖程時根據需要電磁力的大小，設置電流值為40A，當進氣沖程快結束時，LEG做減速運動，不需要電磁力，設置電流值為 0。進入壓縮沖程時，由于底座彈簧力的作用，LEG做反向加速運動，此時不需要電磁力調節，電流值仍為 0，當加速到一定程度，彈簧力比較小時，設置電流值為-33A，負值表示已經換向，做減速運動直到該沖程結束。進入做功沖程，活塞膨脹做功使得LEG動子運動發出功率，產生的反電動勢較大，此時控制電流值為-60A，該沖程電流為制動電流，限制動子的運動速率變化，在排氣沖程發出功率相對較小，設置制動電流值為21A，該工況電流值的設置使得 LEG動子的運動滿足系統要求，仿真結果表明控制電流能夠較好地跟蹤給定參考值。

圖5 LEG電樞電流跟蹤曲線Fig.5 The tracking curve of LEG current

超級電容器組隨 LEG端電壓的變化串并聯實時切換輸出端電壓如圖6所示，分別對應LEG一個循環中四個沖程，前兩個沖程為進氣沖程和壓縮沖程，超級電容器組放電提供能量給LEG電動運行，后兩個沖程為做功沖程和排氣沖程，LEG發電運行，產生的能量經過BDPC向超級電容器組回饋，電動模式的端電壓和發電模式的反電動勢方向不同，圖中電壓為換向后的電壓。由仿真結果得到系統能量流效率可達 93.5%，較好地滿足了系統的效率要求。

圖6 超級電容器組輸出端電壓隨LEG端電壓的切換圖Fig.6 Switchover diagram of UC banks output voltage with LEG voltage changing

為驗證本文提出的能量控制方案的有效性，在實驗室完成了基于 TMS320F2812DSP的部分驗證性實驗。試制了功率為250W的BDPC原理樣機，樣機的主要參數如下：輸入電壓范圍為：0～15V；輸出電壓范圍為：0～25V；濾波電感168μH/50V；濾波電容2200μF/50V。由兩個超級電容器模塊和三個功率開關管組成可串并聯切換的超級電容器組，每個超級電容器模塊有兩支型號為 BCAP0650_P270的超級電容器單體串聯組成。兩個超級電容器模塊并聯時輸出端電壓為 5V，串聯時輸出端電壓為10V；H橋電壓逆變器由四個功率開關管組成，實驗系統中的功率開關管均為IRF540N。由于本驗證性實驗不需要換向的連續性和瞬時響應，開關S用繼電器896H—1CH—C代替，實驗電流波形數據由電流傳感器 SMI±10DCE采集，電壓波形數據由電壓傳感器SMIV50DCE采集。對某小型永磁直流電機兩個方向運行模式分別進行原理性驗證實驗，模擬ICLGIPS中LEG電樞電流輸出工況，永磁直流電機額定電壓 24V，額定功率 250W，額定轉速1500r/min。永磁直流電機負載為制動慣量圓盤，其質量為6.94kg。由于超級電容器模塊不足以提供永磁直流電機起動及運行的能量，當永磁直流電機電動運行時，由電源與超級電容器并聯升壓向永磁直流電機提供能量，當永磁直流電機發電運行時，只向超級電容器中回饋能量。

根據前面分析的能量流控制策略進行實驗研究，降壓提供能量模式和升壓回饋能量模式，與常規方法相同，本實驗驗證升壓提供能量模式和降壓回饋能量模式，在實驗中超級電容器的串并聯切換信號來自于定時時間，如在升壓提供能量模式中，初始的 0～5ms時間段內為并聯，在 t=5ms時，控制器給出切換信號，控制功率開關管使超級電容器變為串聯，在t=15ms時，控制器再次給出切換信號，控制功率開關管使超級電容器變為并聯。在降壓回饋能量模式中，控制功率開關管使超級電容器一直為并聯狀態。

升壓提供能量模式的超級電容器組輸出端電壓與母線電壓變化曲線如圖7所示，控制小功率BDPC的升壓比為2，使得輸出電壓為輸入電壓的 2倍。永磁直流電機電流跟蹤如圖8所示，電流脈動如圖9所示，由圖知，當永磁直流電機供電電壓變化時，通過控制H橋電壓逆變器調節永磁直流電機電流幾乎不受影響，可以實現永磁直流電機供電電壓與電流的相互獨立控制。升壓提供能量模式的效率曲線如圖10所示，可達86.5%。

圖7 升壓提供能量模式的超級電容器輸出端電壓與母線電壓變化曲線Fig.7 The curves of UC banks output voltage and bus voltage in forward-boost provide energy mode

圖8 升壓提供能量模式的永磁直流電機電流跟蹤曲線Fig.8 The tracking curve of LEG current in forward-boost provide energy mode

圖9 升壓提供能量模式的永磁直流電機電流脈動曲線Fig.9 The curve of LEG current ripple in forward-boost provide energy mode

圖10 升壓提供能量模式的效率曲線Fig.10 The curve of efficiency in forward-boost provide energy mode

降壓回饋能量模式的超級電容器輸出端電壓如圖11所示，超級電容器為并聯回饋能量，由于時間較短，回饋能量較少，超級電容器的電壓波動較小，永磁直流電機電流跟蹤如圖12所示，電流脈動如圖13所示。降壓回饋能量模式的效率曲線如圖14所示，可達87.7%。

實驗結果表明，由于超級電容器釋放能量和回饋能量的瞬時響應特性，且對控制參數進行合理地設置，被控電流幾乎沒有超調和偏差，能夠較好地跟蹤參考電流值。因小功率實驗中的損耗功率與輸出功率的比值相對于大輸出功率時較大，工作效率相對較低。

圖11 降壓回饋能量模式的超級電容器組輸出端電壓與母線電壓變化曲線Fig.11 The curves of UC banks output voltage in reverse-buck recovery energy mode

圖12 降壓回饋能量模式的永磁直流電機電流跟蹤曲線Fig.12 The tracking curve of LEG current in reverse-buck recovery energy mode

圖13 降壓回饋能量模式的永磁直流電機電流脈動曲線Fig.13 The curve of LEG current ripple in reverse-buck recovery energy mode

圖14 降壓回饋能量模式的效率曲線Fig.14 The curve of efficiency in reverse-buck recovery energy mode

5 結論

本文研究設計的應用于ICLGIPS的儲能系統及其控制方案具有以下優點：

（1）可實現雙向升、降壓變換四種運行模式，滿足電能量雙向流動的系統中高效率的能量變換和存儲要求，且可實現大范圍電壓的變換。

（2）實現了低電壓值等級電源供電的可變電壓系統的設計，減小了電源體積，節約了成本，根據系統電壓變化范圍設計電源可變等級，且電源電壓和系統電壓可以獨立變化，使得在一定范圍內系統電壓可隨不同動力裝置的需要而改變。

（3）優化設計的BDPC解決了功率變換器中電感體積大、成本高、損耗大的問題，特別適合大功率流向瞬時功率緩沖器回饋能量的場合。

（4）利用超級電容器組串并聯切換技術實現了寬電壓變換范圍條件下功率變換器的電壓比始終被控制在2以內，更有利于變換器的控制和效率的提高。

（5）提出的能量流控制策略大大增加了電機的調速范圍和可實現能量回饋的速度范圍，從而提高了能量回饋效率。

仿真結果和部分實驗結果驗證了儲能系統設計的正確性和控制策略的有效性，具有比較好的實用價值和應用前景。

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