不同结构混合动力汽车用复合电源的比较

王 琪，孙玉坤，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)

混合动力汽车需要一个能量存储系统，目前大部分能量存储系统都是基于蓄电池来设计完成的［1］.由于混合动力汽车的负载属于功率脉动型负载，因此基于蓄电池的能量存储系统面临的一个重要问题就是蓄电池的功率密度要足够高，以满足峰值功率的要求.高功率密度蓄电池的价格远远高于普通蓄电池，针对这一问题，常见的解决方案就是设计一个超大的蓄电池来满足高功率密度的要求，但是这样成本必然会提高，同时造成了蓄电池的容量浪费以及体积过于庞大［2］.另外，蓄电池的循环寿命是评价混合动力汽车能量存储系统的一个重要标准.如果蓄电池的循环寿命不长，电池的电压在很短的时间内就会跌落，电池的容量迅速降低，因此会加快蓄电池的充放电速率.此外，瞬时功率的要求使得蓄电池频繁地充放电，这对其循环寿命也有不利影响［3］.

针对上述问题，本研究引入一种应用于混合动力汽车能量存储系统的蓄电池-超级电容器复合电源.超级电容器作为一种新型的储能装置，凭借其高功率密度、优异的充放电性能、循环寿命长等优点，作为储能元件在脉动性负载的应用方面具有独特的优势［4］.如果将超级电容器与蓄电池结合构成复合电源，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，无疑会给电力储能装置带来明显的性能提高［5］.

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［6］.在实际应用中，蓄电池和超级电容器通常要进行一系列的串联或者并联构成蓄电池组和超级电容器组.被动式结构复合电源是将蓄电池组与超级电容器组直接并联，而主动式结构复合电源是在蓄电池组与超级电容器组之间配置一个或者多个功率变换器后再进行并联.文中拟分别对被动式、改进型被动式和主动式结构复合电源电路进行简要分析，同时在MATLAB仿真环境下，对这3种模型进行建模和仿真.

1 被动式结构

被动式结构蓄电池-超级电容器复合电源结构简单，容易实现，直接将蓄电池组和超级电容器组并联，可有效减少蓄电池组在脉动负载时输出的最大电流，提高了系统的功率输出能力.但是该结构也存在着明显的缺点，如蓄电池组、超级电容器组必须保持端电压一致、设计上缺乏灵活性、端电压随着充放电过程变化较大，影响负载工作性能等［7］.根据文献［8］可以将蓄电池简化为理想电压源与其等效内阻串联，而超级电容器同样可以简化为理想电容器与其内阻串联的结构，主要考虑系统的动态性能，所以两者的并联电阻不予以考虑.被动式结构复合电源拓扑结构如图1所示.

图1 被动式结构复合电源

图1中Batt和UC分别表示理想电压源和理想电容器，Rb为蓄电池的等效串联电阻，Rc为超级电容器的等效串联电阻，Load为负载.根据图1中的拓扑结构，在MATLAB 7仿真环境下对被动式结构蓄电池-超级电容器复合电源进行建模仿真.由于混合动力汽车的负载属于脉动性负载以及根据各个城市循环工况的特征，这里采用脉冲电流负载来模拟混合动力汽车的循环车速，负载幅值是一组-10～40 A均匀分布的随机数，从而来满足循环车速的要求.

蓄电池组选用4个12 V-100 AH的铅酸电池串联，额定电压48 V，总内阻18 mΩ;超级电容器组采用18个2.7 V-1 500 F的单体超级电容器串联，额定容量83.33 F，总内阻18 mΩ.

图2为被动式结构复合电源的仿真结果.从图2中不难发现，被动式结构复合电源中蓄电池组和超级电容组的端电压是一致的，电压幅值约47.4 V，纹波大小为0.4 V，而额定电压为48 V.

图2 被动式结构复合电源仿真结果

原因是蓄电池组内阻分担了这部分差额电压.蓄电池组的平均电流约为15 A，但是波动范围较大，达到18 A;由于负载电流中的动态分量主要由超级电容器组来承担，因此其输出电流的变化范围比较大，幅值为-20～20 A.

2 改进型被动式结构

由于超级电容器组的主要目标是降低蓄电池组在负载电流脉动时的输出电流，从图2中可以发现，在蓄电池组输出电流稳定并且脉冲电流作用时，蓄电池组的输出电流变化范围仍能达到10 A左右，有必要对该拓扑结构进行改进.为此，有关学者提出在蓄电池组和超级电容器组之间配置一电感器L，对蓄电池组的输出电流进行滤波，降低电流纹波，以减小内部发热和能量损耗.改进型被动式复合电源对提高系统的功率输出能力、优化蓄电池的放电过程有着较好的效果.但是与被动式结构类似，也存在着系统配置不灵活和端电压不可调等缺点［9］.改进型被动式结构复合电源的拓扑结构如图3所示，电感的参数值为5 mH，蓄电池组和超级电容器组参数被动式结构复合电源仿真参数相同.

图3 改进型被动式结构复合电源

图4为改进型被动式结构复合电源的仿真结果.从图4a中不难发现，由于电感器的滤波作用，蓄电池组的输出电压仍然在47.4 V左右波动，但是波动幅度有所减小，纹波从原先的0.4 V减小到0.2 V;蓄电池组输出电流的变化范围同样有所下降，从原先的18 A降到10 A.

另外，蓄电池组的输出电压和电流的纹波明显减少，输出电能质量有所提高.蓄电池组的输出电压和电流的改善伴随着图4b中的超级电容器组放电深度的加深，超级电容器组电压纹波大小从0.4 V上升到0.6 V，其输出电流从原先的-20～20 A变化到-25～25 A.尽管电感器能对蓄电池组的输出电流进行滤波，延长了蓄电池组的放电时间，但是并没有从根本上解决问题，蓄电池组的输出电流仍然不够平滑.

图4 改进型被动式结构复合电源的仿真结果

3 主动式结构

主动式结构蓄电池-超级电容器复合电源的拓扑结构主要有3种，如图5所示.

图5a中蓄电池组经过一个功率变换器与超级电容器组并联，这种连接结构便于超级电容器组快速提供起动/加速时的功率输出和制动时的能量快速回馈，充分发挥超级电容器组瞬间大电流充放电的特性，蓄电池组通过DC-DC与负载相连，可以改善电池组的输出特性.图5b中超级电容器组经过一个功率变换器与蓄电池组并联.这种结构形式由蓄电池组直接对外输出功率，能量转换效率较高;超级电容器组作为辅助能源通过DC-DC跟踪检测电池组端电压，并调节自身电压与电池组匹配工作，进而保护电池组;由于蓄电池组端电压变化比超级电容器组端电压平缓，因而电压调控容易实现.图5c中蓄电池组和超级电容器组各自经过一个功率变换器后再进行并联.这种结构形式综合了上述两种的优点，具有更高的灵活性和电压调控范围，但是采用双变换器结构加重了系统的复杂性和控制的难度.

综上所述，从系统稳定性、电路的复杂性以及经济性这3个要素来权衡这3种不同结构复合电源，文中采用图5b中的拓扑结构，系统主要电路如图6所示.

图5 3种不同结构复合电源

图6 主动式结构复合电源

由于蓄电池容量较大，电压特性较硬，而超级电容器容量较小，电压特性较软，因此在图6中采用双向DC-DC变换器来实现超级电容器与蓄电池组的并联.双向DC-DC变换器拓扑为非隔离半桥结构，该结构元器件数量少，造价低廉，没有变压器损耗，效率高，易于包装和集成.蓄电池组端并联一个小电容C，其目的是防止蓄电池组的输出电流超过其最大放电电流.

双向DC-DC变换器能够实现两象限运行，即变换器两端电压方向不变，电流方向改变，在功能上相当于buck变换器和boost变换器的组合.当开关管S1以一定占空比开关，D2为续流二极管时，变换器等效为buck变换器.同理，当开关管S2以一定占空比开关，D1为续流二极管时，变换器等效为boost变换器［10］.

双向DC-DC变换器的控制目标是使得变换器的输出电流等于负载的平均电流，进而确保蓄电池组通过功率变换器以恒流输出方式工作.图7为双向DC-DC变换器控制原理图，ILoad和IB分别是负载的输出电流和功率变换器的输出电流，在仿真时间内对负载电流ILoad进行积分、平均，以此作为功率变换器输出电流的参考量，并与实际输出电流IB比较，产生误差信号，经过PI调节器得到控制量，继而产生控制功率变换器的脉冲调制信号(PWM).

图7 双向DC-DC变换器控制原理

根据图6和7在MATLAB 7仿真环境下对主动式结构的蓄电池-超级电容器复合电源进行建模和仿真，蓄电池组电压取48 V，双向DC-DC变换器设置为升压模式，占空比为0.5，因此在升压模式下超级电容器组电压为24 V，蓄电池组同样选用4个12 V-100 AH的铅酸电池串联，额定电压48 V，总内阻18 mΩ;而超级电容器组只需9个2.7 V-1 500 F的单体超级电容器串联即可，额定容量166.66 F，总内阻9 mΩ;DC-DC变换器中电感参数为5 mH，开关频率2 kHz，电容量为470 μF.

主动式结构复合电源仿真结果如图8所示.由图8可见，图8a中蓄电池组电压约为47.7 V，纹波为0.2 V;图8b中超级电容器组电压在24 V左右波动，纹波达到0.8 V，显然双向DC-DC变换器的占空比约为0.5，超级电容器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.另外，从图8a可发现蓄电池组电流约为15 A，波动范围1 A;而图8b中超级电容器组电流为-28～28 A.对比被动式和改进型被动式结构复合电源的仿真结果，不难发现，主动式结构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，原因是功率变换器是以恒流输出方式工作，从而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.

图8 主动式结构复合电源仿真结果

4 结论

文中对不同结构混合动力汽车用蓄电池-超级电容器复合电源进行了分析与研究，在MATLAB 7仿真环境下，分别对被动式、改进型被动式以及主动式结构复合电源进行建模和仿真，得到如下结论:

1)由于超级电容器组的比功率高，减小了蓄电池组在负载功率脉动时的输出峰值电流，提高了复合电源的功率输出能力.

2)超级电容器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.

3)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，蓄电池组通过双向DC-DC变换器以恒流方式工作，其放电过程得到了优化，循环寿命得到延长.

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