基于改进型滤波器功率分流控制的HEV复合电源*

王 琪 ，孙玉坤 ，2，黄永红

（1.江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江 212013；2.南京工程学院 电力工程学院，江苏 南京 211167）

混合动力汽车属于实时变化的脉冲电流负载，主要体现在加速和再生制动两方面。目前，大部分混合动力汽车的能量存储系统都是基于蓄电池设计完成的，由于蓄电池功率低、循环寿命短且成本高，在很大程度上限制了混合动力汽车的发展和应用[1]。为此，有关学者相继提出了几种方案来为蓄电池提供均衡负载，包括飞轮储能、超导储能等[2]。其中研究最多的就是引入超级电容器作为混合动力汽车辅助能量存储系统，从而承担蓄电池在频繁地充放电时的高功率需求。将蓄电池和超级电容器相结合构成复合电源，使得蓄电池比能量大和超级电容器比功率大的特点相结合，同时最大限度地减少每种电源的不足，这无疑会混合动力汽车能量存储系统带来很大的性能提高[3]。

蓄电池-超级电容器复合电源的结构较多，电路从简单到复杂。引入功率变换器后，可将复合电源分为被动式和主动式两种[4]。被动式结构蓄电池-超级电容器复合电源是将蓄电池与超级电容器直接并联，而主动式结构复合电源是在蓄电池和超级电容器之间配置一个或者多个DC-DC变换器[5]。功率变换器的控制目标是：(1)限制超级电容器的输出电压在指定的范围之内；(2)优化蓄电池的输出电流，使其尽量平滑，从而延长蓄电池的循环寿命。因此，主动式结构复合电源的总体性能要比被动式结构更加优越。

本文引入了一种改进型滤波器功率分流的控制策略，在MATLAB 7仿真环境下主动式结构复合电源进行建模和仿真。由仿真结果不难发现，主动式结构复合电源的功率输出能力大大提高了，蓄电池的输出电流曲线更为平滑；超级电容器在满足负载电流不断变化的同时能稳定工作，起到了辅助电源的作用。

1 主动式结构混合动力汽车用复合电源

主动式结构混合动力汽车用复合电源主要有两种拓扑结构，一种是超级电容器组与功率变换器串联构成辅助储能系统，再将辅助储能系统与蓄电池组并联，从而向负载供电，蓄电池组电压为直流母线电压；另一种结构是蓄电池组与功率变换器串联后再跟超级电容器并联。由于后者不能使得功率变换器和超级电容器组充分吸收峰值功率，因此研究时选择前者，其拓扑结构如图1所示。由于功率变换器的变流作用，可以控制蓄电池的充放电电流，从而提高复合电源的性能。

图1 主动式结构复合电源

2 改进型滤波器功率分流控制策略研究

改进型滤波器功率分流控制策略如图2所示。复合电源储能系统中超级电容器主要负责负载电流的脉动分量，从而确保蓄电池工作在稳定的电流水平。负载电流ILoad经过一个高通滤波器产生超级电容器辅助储能系统的理想 电流(s)，即(s)=-G(s)·ILoad(s)，真实值为超级电容器的充电电流，也即DC-DC功率变换器的输出电流，G(s)为线性滤波器的传递函数。线性滤波器单独使用并不能确保超级电容器工作在安全的电压范围之内。因此需要对滤波器控制进行改进，通过增加一个非线性电压控制，实时调整电压电流控制指令，可有效地保证超级电容器工作在稳定的电压范围之内[6]。完整的控制算法为：

图2 改进型滤波器功率分流控制策略

另外，通过超级电容器电压控制因子 f(0＜f＜1)调整衰减负载电流从而进一步控制超级电容器电压。根据电流极性，f有两种不同的作用：当超级电容器电压接近其最大电压时，超级电容器充电电流需求减弱，放电电流需求相应增强；同理，当超级电容器电压接近其最小电压时，超级电容器放电电流需求减弱，充电电流需求相应增强。为了确保超级电容器电压不会偏离其稳定电压范围，线性修正项a·(Vu-Vmid)会将电压拉回到其额定电压(Vmid)。

其中，Vu为超级电容器实际电压；n为一常数，定义电压控制因子的锐度。

3 仿真分析

图3中功率变换器选用双向DC-DC变换器，非隔离式半桥结构，该结构元器件少，造价低廉，没有变压器损耗，效率高，易于包装和集成[7]。

根据图2和图3，在MATLAB 7仿真环境下，对主动式结构混合动力车用复合电源进行建模和仿真。采用脉冲电流作为复合电源的负载，从而模拟混合动力汽车的行驶工况，具体如图4所示。设置双向DC-DC变换器的占空比为0.5，高通滤波器截止频率为10 MHz，具体仿真参数如表1所示。

图3 双向DC-DC变换器

图4 脉冲电流负载

表1 主动式结构复合电源仿真参数表

图5为脉冲电流负载经过高通滤波器的输出电流图，负载电流中的高频分量主要由超级电容器辅助储能系统承担，因此该电流也即超级电容器辅助储能系统的参考电流。这里要注意的是高通滤波器的输出电流是未加超级电容器控制因子f和线性修正项a·(Vu-Vmid)的输出电流。

图5 高通滤波器输出电流

主动式结构复合电源仿真结果如图6所示。图6(a)中蓄电池组电压约为47.7 V，纹波为0.1 V；图6(c)中超级电容器组电压在24 V附近上下波动，纹波达到2 V；显然双向DC-DC变换器的占空比约为0.5，超级电容器组电压在满足动态负载变换的同时能稳定工作，起到了辅助电源的作用。图6(b)中蓄电池组电流约为40 A，波动范围5 A；而图6(d)中超级电容器组电流变化范围为-40 A～+40 A。复合电源蓄电池组的输出电压和电流更为平滑，蓄电池组的放电过程得到了优化，功率变换器控制效果明显，蓄电池组的循环寿命得到延长。超级电容器组由于承担了负载电流中的脉动分量，因此其电流变化范围比较大。

本文对混合动力汽车用复合电源进行了分析与研究，提出一种改进型滤波器功率分流控制策略研究。在MATLAB 7仿真环境下，对主动式结构复合电源进行建模和仿真。仿真结果表明：(1)超级电容器在满足动态负载变换的同时能稳定工作，起到了辅助电源的作用；(2)在负载脉动的情况下，主动式结构复合电源中蓄电池组的放电电流更为平滑，其放电过程得到了优化，循环寿命得到延长；(3)双向DC-DC变换器控制效果明显，有效性高。

图6 主动式结构复合电源仿真结果

[1]SALMASI F R.Control strategies for hybrid electric vehicles：evolution，classification，comparison and future trends[J].IEEE Transactions Vehicular Technology，2007，56(5)：2393-2404.

[2]MUETZE A，TAN Y C.Electric bicycles-a performance evaluation[J].IEEE Industry Applications Magazine，2007，13(4)：12-21.

[3]唐西胜，齐智平.超级电容器蓄电池混合电源[J].电源技术，2006，11(30)：933-936.

[4]NEENU M，MUTHUKUMARAN S.A battery with ultracapacitor hybrid energy storage system in electric vehicles[C].IEEE-International Conference on Advances In Engineering，Science and Management，2012.

[5]Liu Shengyi，DOUGAL R A.Design and analysis of a current mode controlled battery/ultracapacitor hybrid[C].Industry Applications Conference，2004.

[6]SOUSA D M，BRANCO P J C，DENTE J A.Electric bicycle using batteries and supercapacitor[C].Power Electronics and Applications，2007.

[7]杨惠，孙向东，钟彦儒，等.基于双向 DC-DC变换器的超级电容器储能系统研究[J].西安理工大学学报，2011，27(4)：456-460.