電動汽車復合電源結構的研究

司有譜，孟麗囡，何 柳

（遼寧工業大學，遼寧 錦州 121000）

0 引 言

隨著電動汽車的日益發展，對其電源的要求也越來越高，普通的蓄電池雖然具有高比能量，但較小的比功率不能滿足電動汽車一瞬間的速度提升，而且具有循環壽命短的缺點。超級電容雖具有高比功率，但比能量的限制使其也不能單獨作為汽車電源使用。針對這個問題，有學者便提出了將兩者結合起來構成一種復合電源，發揮蓄電池和超級電容各自的優勢，于是復合電源的結構就成了關鍵。

復合電源的整體結構很多，從并聯方式上可大致分為蓄電池和超級電容器直接并聯、經電感器并聯、經DC/DC變換器并聯3種，即被動式結構、加入電感器被動式結構以及主動式結構[1]。本文分別對這3種結構進行了分析研究，并使用MATLAB對其進行了建模及仿真分析。

1 被動式結構

被動式結構復合電源是由蓄電池和超級電容直接并聯構成，結構簡單，能有效減少蓄電池在脈動負載下的最大電流輸出。蓄電池的充放電是一個發生化學反應的過程，為了簡化分析過程，采用理想的蓄電池等效模型。超級電容器的充放電屬于物理過程，常見的模型包括一階RC模型、二階RC模型以及三分支模型[2]。本文是對復合電源的研究，為了簡化工作量，超級電容器等效模型選用一階RC模型。被動式結構復合電源拓撲如圖1所示。

圖1 被動式結構復合電源拓撲

圖1中B為理想電壓源，C為理想電容器，Rb為蓄電池等效內阻，Rc為超級電容器等效內阻，Load為負載。根據圖1拓撲對被動式復合電源進行MATLAB仿真，蓄電池選取內阻值為10 mΩ的60 V/100 AH鋰電池。超級電容器選用23個2.7 V/2 000 F的單體超級電容器串聯構成，額定容量為86.96 F，總內部電阻為8.05 mΩ[3]。設定脈動電流負載的占空比為0.1，周期為2 s，矩形波的幅值為40 A。

圖2為被動式結構復合電源仿真結果圖，從中可以看出，蓄電池和超級電容端電壓保持一致，略小于60 V，而額定電壓為60 V，這是由蓄電池和超級電容組內阻造成的。當負載脈動時，負載變大，蓄電池和超級電容電壓都有小幅度下降，約為0.3 V。且超級電容器提供了大部分的電流，約為25 A，有效減少了蓄電池的最大電流輸出，對蓄電池起到了保護作用。此外，該結構中蓄電池和超級電容器本身的內部電阻決定了復合電源的功率提升能力，這就大大降低了其設計上的靈活性。同時由于蓄電池和超級電容直接并聯，會致使超級電容和蓄電池之間電能的交換降低了復合電源的總體效率。

圖2 被動式結構復合電源仿真結果圖

2 加入電感器被動式結構

該系統結構是被動式結構基礎上，在蓄電池和超級電容組之間增設一個濾波電感器來實現對蓄電池輸出電流的濾波。加入濾波電感器的被動式結構拓撲如圖3所示。

圖3 加入電感器被動式結構復合電源拓撲

根據圖3對加入電感器被動式結構復合電源進行MATLAB仿真，電感器參數為8 mH，其余仿真參數和被動式結構復合電源相同。圖4為加入電感器被動式結構復合電源仿真的效果圖，從中可以看出蓄電池電壓和超級電容器電壓也是略小于60 V，但蓄電池電壓紋波由0.3 V減小至0.2 V，超級電容器電壓紋波由0.3 V增加到0.4 V。負載脈動時，超級電容器提供大部分電流的輸出，約為27 A，保護了蓄電池。因此在電感器的濾波作用下，負載脈動時，蓄電池受到的電流沖擊相較于被動式結構復合電源進一步減小，脈動性明顯減弱。但只是被動式結構的改進，有著和被動式結構相同的問題。

圖4 加入電感器被動式結構復合電源仿真結果圖

3 主動式結構

主動式結構分為半主動式結構和全主動式結構[4]。半主動式結構又細分為蓄電池型半主動式和超級電容型半主動式。蓄電池型半主動式結構為蓄電池串聯一個DC/DC變換器后與超級電容器并聯，結構如圖5（a）所示。超級電容型半主動式結構為超級電容器串聯一個DC/DC變換器后與蓄電池進行并聯連接，結構如圖5（b）所示。全主動式結構則是由蓄電池和超級電容器分別經一個DC/DC變換器后進行并聯連接到直流母線上而組成，結構如圖5（c）所示。

圖5 主動式復合電源結構

在蓄電池型半主動式結構中，超級電容器未經DC/DC變換器連接至負載，可以快速實現充放電，在工作效率上相較于串聯DC/DC變換器時更為高效。當負載發生脈動時，電流直接流出入超級電容，從而減少了蓄電池受到的電流沖擊。超級電容型半主動式結構中蓄電池決定功率總線電壓，直接對外輸出功率，能量轉換效率高，但是雙向DC/DC變換器需控制超級電容器工作時產生的大電流，所需的容量相對增加，成本更高。全主動式結構具備兩種半主動式結構的所有優點，但連線方式過于復雜，兩個雙向DC/DC變換器的協調也較困難，且成本過高。因此，選取蓄電池型半主動式結構作為本文研究對象。

圖6為蓄電池型半主動式結構復合電源系統圖，其中雙向DC/DC變換器選用非隔離半橋的拓撲結構，具體如圖7所示。該結構轉換效果好，所用的元件數量少且價格便宜。雙向DC/DC變換器能夠實現兩象限運行，具有升降壓雙向變換功能。當開關管S1處于導通，開關管S2被關斷，D2作為續流二極管工作時，電路為Buck電路[5]。當開關管S2處于導通，開關管S1被關斷，D1作為續流二極管工作時，電路為Boost電路。

圖6 蓄電池型半主動式結構復合電源拓撲

圖7 雙向DC/DC變換器拓撲

該復合電源系統中雙向DC/DC變換器的主要控制目標之一就是使變換器的輸出電流等于負載的平均電流，從而使蓄電池經變換器后能得到平滑的電流[6]。其控制原理如圖8所示，在模擬工作時間內對負載電流Io進行積分，求得負載平均值Ioav，與蓄電池通過雙向DC/DC變換器的電流Ic作差得到一個偏差信號，偏差信號再經PI控制器計算得到一定的控制量，從而最終得到PWM信號，對開關管的工作狀態進行控制，實現升降壓模式的切換。

圖8 DC/DC變換器控制原理圖

根據圖6、圖7以及圖8對蓄電池型半主動式復合電源進行MATLAB仿真，調節雙向DC/DC變換器工作在降壓模式，占空比為0.5，開關的工作頻率設定為20 kHz。蓄電池選取60 V/100 AH鋰電池，內阻為10 mΩ，超級電容器仿真參數與被動式復合電源相同。

DC/DC變換器的工作效果與電感和電容的大小密切相關，式（1）為電感紋波電流△I的計算公式，其中f為頻率，D為占空比。實際要求中紋波低于5%為宜，過大會引起干擾甚至損壞元器件。這里取電感L為6 mH。而電容的電流變化量與電感大小相同，將電容的大小設置為625 μF。具體公式為：

圖9為主動式結構復合電源仿真結果圖，從仿真結果可以清楚地看出，蓄電池的工作電壓約為60 V，超級電容器的工作電壓約為30 V，從而知道占空比約為0.5。蓄電池和超級電容器電壓等級的不一致給復合電源的設計帶來了更多的靈活性。蓄電池通過雙向DC/DC變換器作用后的電流最終穩定在10 A左右，超級電容器的電流則是在-5～30 A變化。盡管負載處于脈動狀態，但蓄電池經DC/DC變換器后的電流幾乎恒定，曲線很平滑。同時該結構中的超級電容相較于上述兩種結構，在負載處于脈動時承擔了更多的電流，對蓄電池的保護效果更好。

圖9 主動式復合電源仿真結果圖

4 結 論

本文研究分析了電動汽車復合電源被動式結構、加入電感器被動式結構以及主動式結構，并進行了MATLAB仿真，從中得出以下結論。一是相較與單一電源，復合電源中超級電容很好地分擔了負載脈沖下對蓄電池的電流沖擊，延長了蓄電池的使用壽命。二是相較于加入電感器的被動式結構，主動式結構具有更好的效果。三是超級電容器在復合電源系統中起到了輔助電源的效果，使復合電源的輸出功率更大。