復合電源建模及其控制策略研究

摘要：為了優化電動汽車復合電源能量管理及其控制，采用Boost變換器和Buck-Boost變換器相結合的并聯控制系統.通過基于邏輯門限值控制策略分配時刻變化的需求功率、新型趨近律滑模控制策略控制變換器的導通與關斷，實現對電源輸出功率的合理分配和精確控制，減少大電流對蓄電池的沖擊，避免蓄電池頻繁充放電，高效回收制動能量，延長續航里程.通過MATLAB/Simulink和AVL Cruise搭建仿真模型對其加以驗證.

關鍵詞：復合電源；功率分配；新型趨近律；AVL cruise

中圖分類號：U469.72"" 文獻標志碼：A

Research on Modeling and Control Strategy of Composite Power Supply

DING Sheng， ZHANG Xiang

（School of Electrical and Information Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， Anhui， China）

Abstract：In order to optimize the energy management strategy and its control of electric vehicle composite power supply， the parallel control system combining Boost converter and Buck-Boost converter was adopted， and the conduction and shutdown of the converter were controlled by allocating the demand power at any time based on the logic threshold control strategy and the new approach law sliding mode control strategy， so as to realize the reasonable distribution and precise control of the power output power， reduce the impact of large current on the battery， avoid frequent battery charging and discharging， efficiently recover braking energy， and extend the mileage. It was verified by building a simulation model through MATLAB/Simulink and AVL Cruise.

Key words：composite power supply; power distribution; new convergence laws; AVL cruise

0 引言

日益嚴峻的能源危機與環境污染等問題加速了新能源產業的發展.在汽車領域，電動汽車的升級改進也成為了研發人員和學者的重點研究對象.電動汽車的動力主要由蓄電池提供.但由于單一的蓄電池功率密度小，在車輛行駛過程中很難完全滿足車輛所需的能量和功率雙重需求，因此很大程度上限制了電動汽車行業的發展.近年來，因充放電速度快、功率密度大等顯著特點，超級電容得到了快速發展［1］.

將超級電容引入電源系統，用于向電機提供瞬時大功率和回收制動時電機所產生的能量，起到了“削峰填谷”的作用.在保證車輛續航里程的同時，增強了電動汽車的動力性能，避免了蓄電池因頻繁地充放電和瞬時大電流的沖擊而受到損壞，在一定程度上延長了蓄電池的使用壽命.因此，將超級電容引入電源系統，構成復合電源（Hybrid Energy Storage System，HESS），具有較高的研究價值［2］.文獻［3］采用PI電壓電流雙閉環控制方法來實現對電源輸出功率的控制，但系統受擾動影響較大，直流母線抖振較為嚴重.文獻［4］是用傳統的線性控制策略，簡單容易實現，但由于復合電源系統屬于非線性系統，因此該策略不夠穩定.

基于此，本文采用了一種基于車輛運行過程中，車速時刻變化的邏輯門限值控制策略，合理分配需求功率；通過采用一種新型趨近律滑模控制策略來控制電源功率的輸出，減少誤差擾動的影響，提高控制系統的響應速度，抑制抖振.此策略的控制目標為：①車輛啟動加速時由超級電容供電，減少蓄電池瞬時大功率充放電次數；②剎車制動時由超級電容回收制動能量.從而使得HESS能夠更加合理地將需求功率分配給蓄電池和超級電容，根據車輛行駛狀態及時做出動態調整.通過Simulink和AVL cruise搭建的仿真模型，該控制策略的可行性得到了有效驗證.

1 系統結構及工作模式分析

1.1 HESS電路結構

HESS系統由主電源蓄電池、輔助電源超級電容、DC/DC變換器和功率分配其控制系統構成.系統簡化結構如圖1所示.

蓄電池通過Boost變換電路連接至直流母線，超級電容通過Buck-Boost雙向變換器連接至直流母線，兩者并聯連接.功率分配及其控制系統根據實時車速計算出需求功率，同時結合超級電容的荷電狀態（SOCSC）來判斷系統的工作模式，進而調用相應的控制策略來控制兩組變換器開關的導通與關斷，從而實現對電源系統功率輸出的控制.

1.2 HESS工作模式分析

根據路面狀況的實時變化，車輛需要頻繁地加減速，因此，電動汽車的運行狀態可分為驅動和制動兩種狀態.驅動狀態可分為蓄電池單獨供電、超級電容單獨供電兩種狀態；制動狀態可分為電機制動和液壓剎車制動兩種狀態.

（1） 當車輛處于啟動加速或者急加速時，由超級電容單獨供電；當車輛運行較為平穩，未出現急加速情況時，由蓄電池單獨供電.

（2） 當車輛處于減速制動狀態、SOCSC未達上限時，優先由電機制動提供制動力，回收制動能量，所產生的能量由超級電容回收；當車輛處于減速制動狀態，超級電容荷電狀態已達上限時，為了避免超級電容過沖，由液壓制動系統單獨提供制動力，有良好的制動效果.

2 系統電路分析與建模

2.1 系統電路分析

復合電源等效電路如圖2所示.蓄電池是車輛的能量來源.Boost變換器主要負責將蓄電池輸出電壓升至直流母線電壓參考值.其中，μ1為全控性開關器件IGBT S1的開關驅動信號.超級電容主要用于向電機提供瞬時大功率和回收制動時電機所產生的能量.Buck-Boost變換器負責當超級電容輸出功率時將輸出電壓升至直流母線電壓參考值，當超級電容回收制動能量時將電壓降至超級電容兩端目標電壓值.μ2和μ3分別為全控性開關器件IGBT S2和S3的開關驅動信號.負載系統由全控性開關器件IGBT S4-S9和電機M構成.

為了充分發揮HESS的優勢，本文研究的HESS結構采用了一種新型趨近律滑模控制策略.

圖2中采用目標電壓，電流雙閉環控制策略對Boost變換器控制，這樣既能穩定直流母線的電壓，又能控制蓄電池的輸出電流；采用參考電流控制策略對Buck-Boost變換器控制.

4 仿真分析

通過MATLAB/simulink和AVL cruise搭建控制和整車模型進行仿真實驗.基本參數見表1.由于電動汽車大多使用于城市道路，故選擇新歐洲循環工況NEDC（The New European Driving Cycle）進行仿真實驗.在NEDC下，車輛的速度見圖4.

圖4中，行駛過程分為3個部分：0 ～ 30 km/h為低速行駛狀態；gt;30 ～ 70 km/h為中速行駛狀態；gt;70 ～ 120 km/h為加速至高速行駛狀態，基本包含了車輛的不同運行狀態.結合式（7），求得車輛在工況下的需求功率，如圖5所示.

圖5中，由于在低速行駛狀態下，車速只有小幅度的變化，因此車輛的需求功率變化幅度較小.但當車輛在從靜止加速到高速狀態時，由于車輛的加速度以及加速時間的不同，車輛的需求功率變化更加復雜.因此可以更好地檢驗控制系統在復雜環境下的有效性.

在圖4和圖5的運行環境下運行仿真系統，從而驗證控制系統的有效性.圖6 ～8為仿真運行結果.

圖6為整個仿真時間內電源輸出能量的波形變化曲線，其中虛線為單一蓄電池為電源時蓄電池輸出能量曲線，實線為復合電源中蓄電池輸出能量變化曲線.由圖可知，在加入超級電容后，蓄電池輸出能量在一個NEDC工況下減少了近一半.

圖7為復合電源電流波形變化曲線.其中虛線為蓄電池電流變化曲線，實線為超級電容電流變化曲線.結合圖4車速變化圖可知，當車輛啟動加速或急加速時，超級電容單獨供電，當車輛較為平穩運行時，由蓄電池供電.當車輛制動時，制動能量由超級電容回收，此控制策略避免了瞬時啟動加速大電流對蓄電池的沖擊，同時減少了蓄電池的充放電次數，一定程度上保護了蓄電池.

如圖8所示，虛線為蓄電池SOC變化曲線，實線為超級電容SOC變化曲線.由于超級電容能量密度低，并且提供瞬時大功率，因此超級電容荷電狀態下降明顯；而蓄電池能量密度高，同時有超級電容提供瞬時大功率，蓄電池提供的功率有所減少，因此荷電狀態變化比較平緩.當車輛剎車減速時，此時，超級電容回收制動所產生的電能，因而超級電容的荷電狀態有所上升.

5 結論

本文詳細分析了HESS的工作模式，并提出了一種基于車輛需求功率變化的邏輯門限值分配策略和新型趨近律控制方法相結合的混合控制策略.通過仿真實驗，得出以下結論.

（1） 相較于蓄電池單獨工作，超級電容的加入避免了大電流對蓄電池造成損壞，高效回收制動能量，從而延長了電池的使用壽命，增強了車輛的續航能力.

（2） 邏輯門限值控制方法能夠較好地解決蓄電池與超級電容之間的功率分配問題：蓄電池提供相對較小的平均功率，瞬時大功率則由超級電容組提供.

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［責任編輯：趙慧霞］