蓄电池与超级电容复合电源功率控制研究

刘珺

(华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌330013)

蓄电池与超级电容复合电源功率控制研究

刘珺

(华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌330013)

蓄电池高比能量与超级电容的高功率密度特性可优势互补构成蓄电池(B)+超级电容(UC)型复合电源。由于子电源性能不同，对此复合双电源进行瞬时功率研究，提出对蓄电池瞬时功率进行高频响应抑制而对超级电容功率输出不予限制的控制方案。系统采用分级管理解决方案并利用CAN通讯交互信息，进行功率分配以及标准工况实验以证明控制方案正确、可靠。此解决方案计算开销小易于工程化实现。

复合双电源；超级电容；功率控制；惯性环节；电动汽车

复合电源系统有利于不同电源优势互补，车载复合电源系统作为电动汽车的一项关键技术已成为研究热点。复合电源功率管理决定了系统性能、寿命与成本，其功率分配是电动汽车能量管理策略研究的关键。能量型蓄电池(B)比能量较大但它负担冲击性大功率负载时会严重影响其使用寿命，超级电容(UC)具有高功率密度，对高功率需求场合比蓄电池更有优势但其比能量过小，两者恰恰能相互弥补构成B+UC复合电源从而有利于发挥各自优势。

研究人员对电动汽车复合电源进行了广泛研究。文献[1]对电池-超级电容器复合脉冲电源系统进行了试验研究。文献[2]对多种能量存储方法进行比较并认为有复合存储更具优势。文献[3]对B+UC复合双电源系统进行研究，提出了一种新的拓扑结构。对并联式混合动力车中的B+UC复合双电源系统进行Matlab仿真研究，对印度的城市工况进行了测试。文献[4]采用B+UC复合电源结构并认为超级电容的引入可减少蓄电池的容量，其电源系统拓扑简单。用等效燃料消耗最小策略对复合电源进行研究。文献[5]利用ADVISOR对B+UC双电源混合电动车进行了建模研究。对一个串联混合电动车的B+UC混合电源进行了基于等效燃料最小策略能量研究。对B+UC双电源结构进行研究并提出了一种模型结构而UC与B均与双向DC/DC变换器联结之后再并联进行工作。

文献[6]对B+UC复合电源结构选型与设计进行研究并认为双向DC/DC变换器的并联结构具有较好的效果和实用性。文献[7]建立了B+UC复合电源系统模型，对比复合电源与单一蓄电池供电在性能与燃油经济性上的差异，认为复合电源系统提高了混合电动车的动力性和燃油经济性。文献[8]针对车载B+UC系统建立了以车辆能量消耗率和加速时间为目标函数的能量管理问题数学模型进行仿真研究。文献[9]设计了B+UC系统，并针对此系统提出一种控制策略，利用Simulink平台搭建了仿真模型，主要利用超级电容弥补蓄电池大电流充放电能力。文献[10]建立B+UC系统的Matlab/Simulink的电动车辆分析模型，认为超级电容能改善电动车性能，并可以保护蓄电池组，延长电动车辆续驶里程。

众多研究关注角度不同，各有特色，仿真研究方面较多。对于复合电源系统，其瞬时功率控制对整个系统至关重要。实际运行时，工况往往事先并不确定，本文针对B+UC电动汽车复合电源系统，关注各电源子系统的瞬时功率实时分配。

1 复合电源驱动系统

为了研究需要，研制开发了一款按比例缩小的车用复合电源系统实验台用于研究实验。B+UC车载复合电源系统结构如图1所示。

图1 B+UC复合电源系统结构

蓄电池及其变换器构成蓄电池电源子系统，UC与UC变换器构成UC电源子系统，两个变换器均为双向DC-DC结构，以实现能量双向流动。此两子系统由驱动控制器控制一并构成整个车载复合电源系统。复合电源系统采用上下级控制管理方案，即驱动控制器充当上层控制器完成功率分配计算，以CAN通讯方式发令，下层电源变换器子系统接收各自的给定量，充当执行机构完成最终的功率分配。

直流母线电压稳定有利于电机的控制，保持母线电压在一定范围内变化。能量型蓄电池不适于冲击性负载而加以限制，引入一阶惯性滤波环节能有效地抑制其响应变化率使蓄电池变换器只响应低频负荷需求，算法采用PI控制算法。

2 瞬时功率控制

蓄电池变换器控制目标为恒定直流母线电压，对其功率输出加入一阶惯性滤波环节以抑制其响应高频负载，使其平稳提供能量。UC变换器控制目标为跟踪给定电流，其对所有负载均响应，不限制其功率输出变化率。

图2 B+UC复合电源系统转速转矩参考值

B+UC复合电源系统进行变功率运行其转速转矩参考值如图2所示，B+UC复合电源系统匀速驱动电源功率分配如图3所示，图3中实线为蓄电池变换器输出功率，虚线为总的功率需求。从图3中可见当功率需求增加时，蓄电池变换器以惯性曲线形式增加功率提供给负载，因此可以避免其响应高频负载。当减速时，蓄电池仅用于提供小量功率维持自己运行。

实验结果显示在此控制方案下当功率变化时，蓄电池变换器按照控制方式变化，因此可以抑制其响应高频负载，满足系统控制目标要求。

将此控制算法用于进行ECE+EUDC工况运行的功率控制以测试其效果。B+UC复合电源系统ECE工况测试如图4所示，EUDC工况测试如图5所示，图中虚线为参考值而实线为跟踪值。

图3 B+UC复合电源系统变功率电源功率分配

图4 B+UC复合电源系统ECE工况测试

图5 B+UC复合电源系统EUDC工况测试

实验结果表明此电源系统可以正常工作完成对车辆运行时的转速与转矩模拟。系统对车速的模拟基本一致，在一定车辆转速下系统可以很好地完成对转矩的跟踪模拟，误差较小。当加速和匀速的时候能提供正向转矩，减速的时候也能满足反向转矩运行的需求，正反向切换平稳。

实验结果表明对于B+UC复合电源系统，该控制方案下能稳定的工作并且此系统能有效跟踪车辆对功率的需求。在此控制方案下当功率变化时，蓄电池变换器的功率变化按照惯性延迟滤波特性进行跟踪变化，以有效抑制其响应高频负载，从而满足系统控制目标要求。

3 结论

本文针对能量型蓄电池(B)+超级电容(UC)复合电源构型进行瞬时功率研究，加入一阶惯性延迟滤波环节对蓄电池进行瞬时功率抑制使它仅响应低频负载的解决方案，考虑到UC具有很好的功率响应特性，对其负载响应特性未加限制。复合电源系统采用上下级的两级控制方案，即驱动控制器充当上层控制器完成功率的分配计算，通过CAN通讯的方式发令，下层的各个电源变换器子系统收到各自的给定量，充当执行机构完成最终的功率分配。此方案可有效抑制蓄电池高频响应，对蓄电池进行保护并确保它能平稳工作并提高其工作效率与使用寿命，此方案对控制器的计算能力要求不高，有利于工程化实现。

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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

江西省科技厅自然科学基金资助项目(20142BAB-206025)

刘珺(1975—)，男，江西省人，博士，讲师，主要研究方向为电力电子技术应用、电动汽车技术等。