高效能源系統管理與控制技術

董寶磊，劉 濤，王 霄，吳春瑜，黃 軍，何小斌

（上海空間電源研究所，上海 200245）

0 引言

能源系統是不調節母線大功率飛行器的關鍵技術之一，通常采用太陽能電池與儲能電池組合能源模式，白天太陽電池把光能轉化為電能，并在為推進系統和載荷提供連續電能的同時，對儲能電池進行充電。夜晚儲能電池為推進系統和載荷供電，實現能量產生、存儲和消耗間的動態平衡，從而滿足飛行器長期駐空對循環能源需求［1-5］。

飛行器能源系統性能的優劣對飛行器能否正常飛行及實現預定任務有重要影響。飛行器能源系統由多個能源單元組成，各能源單元既相互獨立，又相互耦合影響。因此，加強能源系統管理與控制技術研究，實現能源系統的全局優化控制及高效傳輸十分有必要［6-9］。

美國、日本、瑞士等國家已分別開展了以太陽能作為能源的低空飛行器計劃。國外具有代表性的是美國的循環能源系統動力飛行器HALE-D，其能源系統采用常規的太陽電池陣、儲能電池組及能源管理器的設計架構，太陽能電池陣功率為15 kW，鋰離子電池為40 kWh；其能源管理器在技術上繼承了空間飛行器的電源設計方案，其控制只是采用了簡單的邏輯切換控制，未能適應飛行器對高效集成化能源管理系統的需求［10］。

國內的諸多高校院所針對不調節母線大功率飛行器的能源管理問題也開展了很多有益的探索。能源系統采用常規的太陽能電池與儲能電池組合的能源模式，采用了不調節母線的形式，動力載荷及平臺載荷直接由母線供電。為最大限度利用太陽電池陣的發電能力，功率傳輸采用了最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制方式，大大減小了太陽電池陣設計尺寸和重量；同時可以減小蓄電池組放電深度，在相同放電深度下可減輕蓄電池組重量，實現飛行器能源的輕質高效設計。國內能源管理與控制技術的研究水平已經達到了國際領先水平，但是采用的MPPT控制策略未考慮百千瓦級大容量儲能電池組接近滿電時的充電功率優化及全局優化控制問題［11-12］。

本文結合分布式能源拓撲架構，介紹了一種集逐級調壓控制、限流充電控制、恒流輸出控制以及MPPT控制為一體的層級梯次控制策略，實現分布式系統的全局優化控制和飛行器能源的功率優化調度。

1 總體方案

飛行器能源系統通常采用太陽電池和儲能電池聯合供電的分布式能源系統架構以及MPPT控制策略，為每個太陽電池陣配備獨立的MPPT優化器，保證每個太陽電池陣工作在各自的峰值功率點，以提高太陽電池陣的能量利用率和系統的發電能力。

本文飛行器能源采用不調節母線方式，太陽電池發出的能量經過MPPT優化器跟蓄電池相連后直接為負載供電，保證太陽電池產生的能量得到最大限度的利用，能量的傳輸損耗最小。其與半調節母線、全調節母線相比，減少了充電單元和放電單元環節的損耗，能量傳輸效率更高。飛行器的最大載荷是推進電機，能適應寬范圍的電壓輸入。分布式能源系統總體方案如圖1所示。

圖1 分布式能源系統總體方案Fig.1 Overall scheme of distributed energy system

本文設計的分布式能源系統架構具備以下幾個特點：1）太陽電池陣共分12路，常值輸出功率為15 kW，峰值輸出功率共18 kW；2）儲能蓄電池組工作電壓范圍234～328 V，采用90串28并設計形式；3）能源管理器由6個MPPT供電模塊并聯組成，每個模塊包含2路MPPT電路，每路對應1個太陽電池陣，單路額定功率1.25 kW，峰值功率1.5 kW，實時跟蹤太陽電池陣最大功率點，充分利用太陽電池陣的能量；4）能源管理器包含1個智能接口單元，采集能源系統的狀態信息，實現與艇務計算機的交互通信。

能源管理器是飛行器能源系統實現控制管理的核心，其主要功能是對飛行器的能源進行合理有效的分配和管理。能源系統工作模式的多樣化，主要表現為能源管理器的多模式控制策略。

能源系統通常只具備MPPT跟蹤、恒壓充電、儲能蓄電池獨立放電等3個工作模式：1）MPPT跟蹤模式。光照期，當蓄電池組電壓低于設定電壓點時，系統進入MPPT跟蹤模式；若太陽電池陣功率大于負載功率，多余能量為蓄電池組充電；若太陽電池陣功率小于負載功率，不足能量由蓄電池組放電補充。2）浮充模式。光照期時，太陽陣最大輸出功率大于負載和蓄電池的總需求，蓄電池組電壓達到最高電壓點時，對蓄電池組進行浮充。3）蓄電池組獨立放電。陰影期，太陽陣的輸出功率為零，負載所需的功率全部由蓄電池提供。

能源系統的常規控制策略，存在以下兩個主要缺陷：1）浮充模式無限流。能源系統常規控制策略決定了只能單一控制充電電壓或電流，不可能同時控制兩個量。能源系統接近浮充工作模式時，蓄電池組充電電流依然很大；而且能源系統進入浮充模式后，由于充電電路線損的存在，蓄電池組充電電流值雖然慢慢減小，但是減小速度很慢。蓄電池組接近滿電狀態時，依然有很大的充電電流，容易引起蓄電池組不均衡、過充、過溫等問題，還會影響蓄電池組使用壽命。2）MPPT模式下充電電流不可控。MPPT模式下，太陽電池陣發出的能量除了給載荷供電外，其余能量全部用來充電。如果光照條件較好，太陽電池陣發出的能量超過預期，或者由于負載功率較小導致充電電流過大，也會給能源管理器或蓄電池組造成不必要的損傷。尤其是飛行器能源系統功率等級越來越高，這種情況的影響就愈大。

因此，本文針對能源系統的常規控制策略的缺陷，提出一種集逐級調壓控制、限流充電控制、恒流輸出控制以及MPPT控制為一體的層級梯次控制策略，實現分布式系統的全局優化控制和飛行器能源的功率優化調度。

2 控制策略設計

本文提出的層級梯次控制策略框圖如圖2所示，層級梯次控制策略以MPPT模式為核心，通過檢測能源系統的狀態信息，并結合各模式的工作條件自主完成模式切換，實現飛行器能源的功率優化調度。

圖2 層級梯次控制策略框圖Fig.2 Block diagram of hierarchical control strategy

2.1 MPPT模式

能源系統在MPPT模式下存在兩種工作狀態：1）MPPT跟蹤、蓄電池組充電模式。光照期時，太陽陣最大輸出功率大于負載且小于負載和蓄電池充電功率的總需求時，系統進入MPPT充電模式，功率調節器處于MPPT跟蹤狀態，太陽電池陣工作在最大功率點，太陽電池陣提供全部負載功率，剩余能量為蓄電池組充電。2）MPPT跟蹤、蓄電池組放電模式。光照不足時，太陽陣的輸出功率小于負載需求時，太陽電池陣和蓄電池組共同為負載提供功率，功率調節器處于MPPT跟蹤狀態，不足功率由蓄電池組進行補充放電，太陽電池陣工作在最大功率點。以上兩種狀態下，能源管理器均工作在MPPT模式，為能源系統狀態控制的核心。

本文采用交錯擾動法作為MPPT算法方案，其核心思想是“欲右先左、欲上先下”。假設采集到的電壓信號為V，那么擾動電壓信號使得電壓信號變為0.97 V，這個比例是可調節的，電流信號也相應有所變化，其趨勢是向后一小步向前一大步（相對于太陽陣的最大功率點），即電壓電流的變化使得太陽陣的工作點向最大功率點靠近，因此，經過數次擾動，系統會較快地找到最大功率點。

基于電壓電流的擾動思想，本文進行了MPPT算法的電路設計，如何實現電壓電流交錯擾動是算法實現的關鍵，MPPT算法電路包含5個模塊：電壓擾動電路（N1）、電流擾動電路（N2）、復位電路（N3）、邏輯控制電路（N4）、Pi調節電路（Proportional Integral Controller）（N5），如圖3所示。圖中，V1為太陽電池陣電壓的采樣值，I1為太陽電池陣電流的采樣值，I2為功率調節電路的電流采樣值，Vreset為電壓擾動電路的輸出值，Vset為電流擾動電路的輸出值，Vmppt_ref為邏輯控制電路的輸出值。

圖3 MPPT算法電路Fig.3 MPPT algorithm circuit

交錯擾動法簡單可靠，魯棒性好，追蹤速度快，容易用硬件電路來實現。

能源系統在一定條件下可從MPPT模式轉換為另外3種工作模式：1）當母線電壓達到設定值時，能源系統轉為逐級調壓控制模式，限制充電電壓和電流；2）當母線電流達到設定值時，能源系統轉為恒流輸出模式，限制能源管理器的輸出功率；3）當母線電流與負載電流的差，即充電電流值達到設定值時，能源系統轉為限流充電模式，限制充電電流。

2.2 逐級調壓控制模式

能源管理器功率輸出接口與儲能電池組功率接口通過線纜直接相連，能源管理器與蓄電池連接示意圖如圖4所示。一般線纜上的阻抗很小（毫歐級），能源管理器輸出電壓V1和儲能蓄電池電壓V2滿足

式中：I為充電電流。一般能源管理器只設置恒壓充電模式，即V1固定一個最高電壓值，當V2足夠接近V1時，充電電流I才能逐漸減小。

圖4 能源管理器與蓄電池連接示意圖Fig.4 Schematic diagram of energy manager and battery connection

當能源管理器以MPPT模式充電，且電壓值V1接近恒壓點時，蓄電池組的充電電流依然很大，為了解決這個問題，本文提出了逐級調壓控制模式，即能源管理器恒壓控制點V1不再是一個固定值，而是隨著控制策略的變化隨動改變，從而改變充電電流值。逐級調壓控制流程圖如圖5所示。

圖5 逐級調壓控制流程圖Fig.5 Flow chart of step by step voltage regulation control

假設儲能蓄電池組最高可達到的電壓值為V1max，ΔV1和ΔV2是可調微小變量。設置能源管理器輸出電壓值V1初始量為V1max-ΔV1，結合能源管理器與儲能電池組連接線纜阻抗R，合理設置ΔV1，確保恒壓點為V1max-ΔV1時的充電電流在0.1 C（蓄電池組容量的1/10）左右。檢測當前充電電流值I，當I小于0.1 C時，主動設置恒壓點在當前值的基礎上增加ΔV2，然后依次恒壓點充電，直至充電電流小于0.1 C后，再次調整恒壓點。以此類推，直至恒壓點V1達到V1max。蓄電池電壓達到V1max后，如果充電電流值為0或者檢測到蓄電池組放電，立刻將恒壓點初始化，即設置為V1max-ΔV1，以保證新的恒壓充電循環正常工作。逐級調壓控制策略解決了蓄電池組電壓浮充時充電電流很大的難題，避免了蓄電池組可能發生的過充、過溫等問題，有效延長了蓄電池組的使用壽命。能源系統在逐級調壓控制策略下，蓄電池處于接近滿電或者滿電狀態，只有蓄電池組放電才能改變其狀態，而蓄電池放電，能源系統即轉為MPPT狀態。因此，逐級調壓控制模式，只能轉為MPPT模式。

2.3 限流充電模式

能源系統充電電流達到設定值時，即轉入限流充電模式。由于MPPT供電電路輸出電流可能既包含充電電流又包含負載供電電流，因此，不可能像恒壓充電那樣通過蓄電池充電電流采樣進行統一控制。另外，蓄電池組充、放電電流方向不一致，對其進行電流采樣并直接用于充電恒流控制也較為困難。本文采用了總負載電流各自限流的方法，即以Iout作為每路MPPT供電電路輸出的最大電流：

式中：IL為負載電流；ICmax為蓄電池組充電電流上限值；n為MPPT供電電路的路數。

本文研制的能源管理器，ICmax的值為50 A，n是12路，以此動態控制各MPPT電路的電流輸出，確保在不影響負載供電的前提下，限制充電電流。限流充電控制框圖如圖6所示。

圖6 限流充電控制框圖Fig.6 Block diagram of current limiting charging control

對于每路MPPT供電電路，其輸出電流最大（按照整機最大18 kW）為6.25 A，因此，選用10 A霍爾電流傳感器對其進行輸出電流采樣，霍爾輸出電壓VHALL，Iout與檢測電流Iout的線性關系為VHALL，Iout=0.4Iout。對該電壓再進行分壓，并與利用加法電路以及電阻分壓得到的恒流充電動態參考值共同組成恒流充電PI控制環，最終實現以總負載電流各自限流的方法達到恒流充電目的。

能源系統在一定條件下可從限流充電模式轉換為另外3種工作模式：1）當母線電壓采樣達到設定值時，能源系統轉為逐級調壓控制模式，限制充電電壓和電流；2）當母線電流采樣達到設定值時，能源系統轉為恒流輸出模式，限制能源管理器的輸出功率；3）當母線電流采樣與充電電流均小于設定值，母線電壓未達到設定值時，能源系統轉為MPPT模式。

2.4 恒流輸出模式

能源系統的全局優化控制，需要各單機互相配合協同工作。太陽電池陣發出的功率需要跟MPPT供電電路相匹配，然而飛行器太陽電池陣臨空條件決定了其峰值功率只可能是瞬間或者短時功率，因此，無需按照峰值功率設計MPPT供電電路。但是，為了防止峰值功率對MPPT供電電路造成損壞，需要限制太陽電池陣發出的最大功率。限流充電模式下，能源管理器只限制了充電電流，并不能限制MPPT供電電路的輸出電流，而且限流充電值遠小于MPPT供電電路可能的最大輸出電流。

本文采用了MPPT供電電路恒流輸出控制模式，當MPPT供電電路輸出電流達到設定值時，限制其輸出電流，從而達到限制太陽電池陣輸出功率的目的。恒流輸出控制框圖如圖7所示。

圖7 恒流輸出控制框圖Fig.7 Block diagram of constant current output control

能源系統在一定條件下也可從恒流輸出模式轉換為另外3種工作模式，轉換過程類似于限流充電轉換過程，本文不再詳述。

3 實驗結果與分析

通過以上研究最終研制完成了飛行器15 kW能源管理器樣機，能源管理系統（Power Control Unite，PCU）共有8個模塊，包含1個PIU模塊、6個MPPT功率模塊和1個功率分配模塊。圖8為能源管理器樣機實物圖。

圖8 能源管理器樣機實物圖Fig.8 Physical picture of energy manager prototype

能源管理器效率曲線如圖9所示，滿載效率≥97%。能源管理器質量不大于20 kg，比功率大于750 W/kg，滿足高比功率的要求。

圖9 能源管理器效率曲線Fig.9 Efficiency curves of energy manager

圖10為能源管理器母線動態響應測試圖。當負載發生突變時，能源管理器能夠在較短的時間內恢復母線電壓的穩定，動態響應測試性能良好。圖10（a）中，綠色為母線紋波（峰-峰值200 mV），黃色為負載電流（7 A→9 A）；圖10（b）中，綠色為母線紋波（峰-峰值184 mV），黃色為負載電流（9 A→7 A）。

圖10 能源管理器母線動態響應測試圖Fig.10 Test patterns for the dynamic responses of energy manager bus

4 結束語

本文針對飛行器能源系統管理與控制技術進行了研究，主要以實現分布式能源系統的全局優化控制為目的，研究了一種集逐級調壓控制、限流充電控制、恒流輸出控制以及MPPT控制為一體的層級梯次控制策略，極大地改善了飛行器能源的功率優化調度能力，適應了飛行器工礦復雜多變的應用需求。本文研制的15 kW的PCU工程樣機，實驗結果表明具有良好的性能及較高的重量比功率，為不調節母線大功率飛行器提供高效集成化能源管理系統。本文采用了常規的模擬電路來實現控制策略的驗證，限制了控制策略發揮其最大性能，同時又限制了能源管理器功率密度的提升。后續工作將考慮采用數字控制及寬禁帶功率器件來改善此控制策略的性能。