蓄電池與超級(jí)電容復(fù)合電源功率控制研究

劉珺

(華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌330013)

蓄電池與超級(jí)電容復(fù)合電源功率控制研究

劉珺

(華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌330013)

蓄電池高比能量與超級(jí)電容的高功率密度特性可優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)構(gòu)成蓄電池(B)+超級(jí)電容(UC)型復(fù)合電源。由于子電源性能不同，對(duì)此復(fù)合雙電源進(jìn)行瞬時(shí)功率研究，提出對(duì)蓄電池瞬時(shí)功率進(jìn)行高頻響應(yīng)抑制而對(duì)超級(jí)電容功率輸出不予限制的控制方案。系統(tǒng)采用分級(jí)管理解決方案并利用CAN通訊交互信息，進(jìn)行功率分配以及標(biāo)準(zhǔn)工況實(shí)驗(yàn)以證明控制方案正確、可靠。此解決方案計(jì)算開(kāi)銷小易于工程化實(shí)現(xiàn)。

復(fù)合雙電源；超級(jí)電容；功率控制；慣性環(huán)節(jié)；電動(dòng)汽車

復(fù)合電源系統(tǒng)有利于不同電源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，車載復(fù)合電源系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)。復(fù)合電源功率管理決定了系統(tǒng)性能、壽命與成本，其功率分配是電動(dòng)汽車能量管理策略研究的關(guān)鍵。能量型蓄電池(B)比能量較大但它負(fù)擔(dān)沖擊性大功率負(fù)載時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響其使用壽命，超級(jí)電容(UC)具有高功率密度，對(duì)高功率需求場(chǎng)合比蓄電池更有優(yōu)勢(shì)但其比能量過(guò)小，兩者恰恰能相互彌補(bǔ)構(gòu)成B+UC復(fù)合電源從而有利于發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)。

研究人員對(duì)電動(dòng)汽車復(fù)合電源進(jìn)行了廣泛研究。文獻(xiàn)[1]對(duì)電池-超級(jí)電容器復(fù)合脈沖電源系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[2]對(duì)多種能量存儲(chǔ)方法進(jìn)行比較并認(rèn)為有復(fù)合存儲(chǔ)更具優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[3]對(duì)B+UC復(fù)合雙電源系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出了一種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力車中的B+UC復(fù)合雙電源系統(tǒng)進(jìn)行Matlab仿真研究，對(duì)印度的城市工況進(jìn)行了測(cè)試。文獻(xiàn)[4]采用B+UC復(fù)合電源結(jié)構(gòu)并認(rèn)為超級(jí)電容的引入可減少蓄電池的容量，其電源系統(tǒng)拓?fù)浜?jiǎn)單。用等效燃料消耗最小策略對(duì)復(fù)合電源進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[5]利用ADVISOR對(duì)B+UC雙電源混合電動(dòng)車進(jìn)行了建模研究。對(duì)一個(gè)串聯(lián)混合電動(dòng)車的B+UC混合電源進(jìn)行了基于等效燃料最小策略能量研究。對(duì)B+UC雙電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究并提出了一種模型結(jié)構(gòu)而UC與B均與雙向DC/DC變換器聯(lián)結(jié)之后再并聯(lián)進(jìn)行工作。

文獻(xiàn)[6]對(duì)B+UC復(fù)合電源結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)進(jìn)行研究并認(rèn)為雙向DC/DC變換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)具有較好的效果和實(shí)用性。文獻(xiàn)[7]建立了B+UC復(fù)合電源系統(tǒng)模型，對(duì)比復(fù)合電源與單一蓄電池供電在性能與燃油經(jīng)濟(jì)性上的差異，認(rèn)為復(fù)合電源系統(tǒng)提高了混合電動(dòng)車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[8]針對(duì)車載B+UC系統(tǒng)建立了以車輛能量消耗率和加速時(shí)間為目標(biāo)函數(shù)的能量管理問(wèn)題數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真研究。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了B+UC系統(tǒng)，并針對(duì)此系統(tǒng)提出一種控制策略，利用Simulink平臺(tái)搭建了仿真模型，主要利用超級(jí)電容彌補(bǔ)蓄電池大電流充放電能力。文獻(xiàn)[10]建立B+UC系統(tǒng)的Matlab/Simulink的電動(dòng)車輛分析模型，認(rèn)為超級(jí)電容能改善電動(dòng)車性能，并可以保護(hù)蓄電池組，延長(zhǎng)電動(dòng)車輛續(xù)駛里程。

眾多研究關(guān)注角度不同，各有特色，仿真研究方面較多。對(duì)于復(fù)合電源系統(tǒng)，其瞬時(shí)功率控制對(duì)整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，工況往往事先并不確定，本文針對(duì)B+UC電動(dòng)汽車復(fù)合電源系統(tǒng)，關(guān)注各電源子系統(tǒng)的瞬時(shí)功率實(shí)時(shí)分配。

1 復(fù)合電源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

為了研究需要，研制開(kāi)發(fā)了一款按比例縮小的車用復(fù)合電源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)用于研究實(shí)驗(yàn)。B+UC車載復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 B+UC復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

蓄電池及其變換器構(gòu)成蓄電池電源子系統(tǒng)，UC與UC變換器構(gòu)成UC電源子系統(tǒng)，兩個(gè)變換器均為雙向DC-DC結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)。此兩子系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)控制器控制一并構(gòu)成整個(gè)車載復(fù)合電源系統(tǒng)。復(fù)合電源系統(tǒng)采用上下級(jí)控制管理方案，即驅(qū)動(dòng)控制器充當(dāng)上層控制器完成功率分配計(jì)算，以CAN通訊方式發(fā)令，下層電源變換器子系統(tǒng)接收各自的給定量，充當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成最終的功率分配。

直流母線電壓穩(wěn)定有利于電機(jī)的控制，保持母線電壓在一定范圍內(nèi)變化。能量型蓄電池不適于沖擊性負(fù)載而加以限制，引入一階慣性濾波環(huán)節(jié)能有效地抑制其響應(yīng)變化率使蓄電池變換器只響應(yīng)低頻負(fù)荷需求，算法采用PI控制算法。

2 瞬時(shí)功率控制

蓄電池變換器控制目標(biāo)為恒定直流母線電壓，對(duì)其功率輸出加入一階慣性濾波環(huán)節(jié)以抑制其響應(yīng)高頻負(fù)載，使其平穩(wěn)提供能量。UC變換器控制目標(biāo)為跟蹤給定電流，其對(duì)所有負(fù)載均響應(yīng)，不限制其功率輸出變化率。

圖2 B+UC復(fù)合電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩參考值

B+UC復(fù)合電源系統(tǒng)進(jìn)行變功率運(yùn)行其轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩參考值如圖2所示，B+UC復(fù)合電源系統(tǒng)勻速驅(qū)動(dòng)電源功率分配如圖3所示，圖3中實(shí)線為蓄電池變換器輸出功率，虛線為總的功率需求。從圖3中可見(jiàn)當(dāng)功率需求增加時(shí)，蓄電池變換器以慣性曲線形式增加功率提供給負(fù)載，因此可以避免其響應(yīng)高頻負(fù)載。當(dāng)減速時(shí)，蓄電池僅用于提供小量功率維持自己運(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在此控制方案下當(dāng)功率變化時(shí)，蓄電池變換器按照控制方式變化，因此可以抑制其響應(yīng)高頻負(fù)載，滿足系統(tǒng)控制目標(biāo)要求。

將此控制算法用于進(jìn)行ECE+EUDC工況運(yùn)行的功率控制以測(cè)試其效果。B+UC復(fù)合電源系統(tǒng)ECE工況測(cè)試如圖4所示，EUDC工況測(cè)試如圖5所示，圖中虛線為參考值而實(shí)線為跟蹤值。

圖3 B+UC復(fù)合電源系統(tǒng)變功率電源功率分配

圖4 B+UC復(fù)合電源系統(tǒng)ECE工況測(cè)試

圖5 B+UC復(fù)合電源系統(tǒng)EUDC工況測(cè)試

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此電源系統(tǒng)可以正常工作完成對(duì)車輛運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩模擬。系統(tǒng)對(duì)車速的模擬基本一致，在一定車輛轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)可以很好地完成對(duì)轉(zhuǎn)矩的跟蹤模擬，誤差較小。當(dāng)加速和勻速的時(shí)候能提供正向轉(zhuǎn)矩，減速的時(shí)候也能滿足反向轉(zhuǎn)矩運(yùn)行的需求，正反向切換平穩(wěn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于B+UC復(fù)合電源系統(tǒng)，該控制方案下能穩(wěn)定的工作并且此系統(tǒng)能有效跟蹤車輛對(duì)功率的需求。在此控制方案下當(dāng)功率變化時(shí)，蓄電池變換器的功率變化按照慣性延遲濾波特性進(jìn)行跟蹤變化，以有效抑制其響應(yīng)高頻負(fù)載，從而滿足系統(tǒng)控制目標(biāo)要求。

3 結(jié)論

本文針對(duì)能量型蓄電池(B)+超級(jí)電容(UC)復(fù)合電源構(gòu)型進(jìn)行瞬時(shí)功率研究，加入一階慣性延遲濾波環(huán)節(jié)對(duì)蓄電池進(jìn)行瞬時(shí)功率抑制使它僅響應(yīng)低頻負(fù)載的解決方案，考慮到UC具有很好的功率響應(yīng)特性，對(duì)其負(fù)載響應(yīng)特性未加限制。復(fù)合電源系統(tǒng)采用上下級(jí)的兩級(jí)控制方案，即驅(qū)動(dòng)控制器充當(dāng)上層控制器完成功率的分配計(jì)算，通過(guò)CAN通訊的方式發(fā)令，下層的各個(gè)電源變換器子系統(tǒng)收到各自的給定量，充當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成最終的功率分配。此方案可有效抑制蓄電池高頻響應(yīng)，對(duì)蓄電池進(jìn)行保護(hù)并確保它能平穩(wěn)工作并提高其工作效率與使用壽命，此方案對(duì)控制器的計(jì)算能力要求不高，有利于工程化實(shí)現(xiàn)。

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Research on power control of hybrid power of battery and ultra-capacitor

LIU Jun

Battery(B)and ultra-capacitor(UC)can complement each other to constitute a hybrid power supply system due to high special energy of battery and high power density of ultra-capacitor.For the different properties of the two powers,instantaneous power of the dual power was studied,and a scheme was put forward that the battery's instantaneous power was suppressed but the power output of ultra-capacitor was not be restricted.An upper-lower layer management method was adopted and the two layers communicated through CAN.A series of experiments had been carried on to prove the correctness of the solution.Low computing cost is required with the solution,and the scheme is easy to realize engineering.

hybrid dual power;ultra-capacitor;instantaneous power control;inertia link;electric vehicle

TM53

A

1002-087 X(2015)04-0795-03

2014-09-06

江西省科技廳自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20142BAB-206025)

劉珺(1975—)，男，江西省人，博士，講師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)應(yīng)用、電動(dòng)汽車技術(shù)等。