串联式混合动力车辆输出解耦方法设计

2020-01-11徐浩轩刘春光赵其进

车辆与动力技术 2019年4期

徐浩轩, 刘春光，赵其进, 白华

(陆军装甲兵学院兵器与控制系，北京 100072)

混合动力电传动车辆多电源联合供电有串联、并联、混联等多种电源组合方式.其中，重型电传动车辆，特别是一些军用电传动车辆主要采用串联式混合电源，即由发动机-发电机组、蓄电池及其他能量补偿装置并联挂接在母线上，联合为车载综合电力系统供电.自二十世纪末以来，串联式混合动力电传动在重型客车、货车及各类军用电传动车辆中得到了广泛的运用[1]，但随着能量管理策略开始引入车载综合电力系统，电源数量增多和类型的多样性增大了能量管理策略的实施难度[2].能量管理策略为提高燃油经济性和能量利用率通常需要在给定的负载状态下准确控制不同电源的输出功率，输出解耦即通过控制车载综合电力系统中的功率变换装置解除各电源并联到直流母线上产生的电气耦合，进而为各电源分配功率负荷，通过功率变换装置的不同控制策略可以得到多种输出解耦方法.

文中以一种典型的串联式混合动力系统为例，结合各类电源的特性与整车的能量管理策略，设计分析不同电源输出解耦策略，并通过基于Matlab/Simulink的车辆综合电力系统仿真验证其可行性，最终确定采用发动机-发电机组功率跟随控制，蓄电池稳压控制的解耦控制策略可以精准控制混合动力系统各电源的输出功率，实现多电源输出解耦，同时相较其它方法有更快的响应速度和更强的稳压能力.

1 串联式混合动力车辆的综合电力系统结构

车载综合电力系统是指集成了车载发电、多源能量存储，大功率电力传动和脉冲功率电源，以及其它车载用电设备的电力系统[3-4].典型的串联式混合动力车辆的综合电力系统电源以发动机-发电机组为主动力源，通过整流装置连接直流母线[5].文中设计输出解耦策略的综合电力系统以蓄电池与超级电容器为辅动力源，其拓扑结构如图1.

图1 车载综合电力系统拓扑结构

这种结构优化了发动机的输出特性，发动机轴转速与驱动电动机转速的机械解耦提高了发动机效率和燃油经济性.为保持发动机能够持续稳定的运行在最佳功率-燃油特性曲线附近，发动机的转速由能量管理模块根据需求功率查表给出[6]，发动机-发电机组的输出给定功率通过控制发电机的电磁转矩实现.可控整流装置采用双向AC/DC，不仅可以控制发动机-发电机组输出到母线的功率，还可以在发动机启动过程中，通过蓄电池为发电机反向充电，发电机作为电动机拖动发动机迅速调速.

蓄电池作为辅动力源，弥补了主动力源调节速度慢的短板，通过调节蓄电池的输出可以使发动机-发电机组始终工作在高效状态，也可以在车辆制动时回收部分能量，提高能源利用率.双向DC/DC一方面实现了对输出功率的控制，另一方面也避免了车辆在复杂路况下因频繁充放电而损坏.蓄电池也可以单独为母线供电，使车辆拥有短距离的静默行驶能力.

超级电容器能量密度较小，不能单独为母线供电，挂接在母线两端主要起稳压作用，可以补偿负载功率需求，吸收回馈制动产生的电能.同时，超级电容器功率密度大，能够快速响应负载的高频功率需求，保护其它电源.

与其它混合动力电传动车辆的综合电力系统相比，这种综合电力系统的主要特点在于采用双向DC/DC控制蓄电池，且直接在母线上挂接了超级电容器.这种结构为制定能量管理策略创造了广阔的空间，但多种不同特性的电源输出相互耦合增大了解耦控制的难度[7].

2 综合电力系统解耦方法设计

电源输出耦合的电气特性主要表现在其能量密度、功率密度及其它自身特性对其输出功率的影响.如果不对功率变换器件施加合理的控制，高压电源在带动负载的同时会为低压电源充电，响应速度快的电源在负载波动时出力快，负担大部分功率需求，响应速度慢的电源不能充分发挥作用.实际上，车辆的主动力源是响应速度最慢的发动机-发电机组[8-9]，而响应最快的超级电容器储存的能量不能承担主要能量源的作用.且行驶过程中，三电源应该联合为负载电机供电，除回馈制动的工作状态外，蓄电池不能工作在充电状态.

各电源输出功率的去耦合主要通过控制功率变换装置来控制各电源输出功率，即控制双向AC/DC和双向DC/DC.双向AC/DC和双向DC/DC均可以控制直流母线侧的输出电压或电流，也可以通过控制电流变化保持功率跟随控制.对于发动机-发电机组来说，如果采用恒定电流控制，则在母线调压过程中限制了发动机的输出能力.对于蓄电池，功率跟随控制往往导致母线电压较低时电池端电流过大.因此，双向AC/DC可以工作在功率跟随控制或稳压控制模式，双向DC/DC可以工作在恒电流控制或稳压控制模式,系统控制结构如图2.

图2 综合电力系统控制结构

能量管理模块通过车速预测车辆负载功率并控制双向DC/DC与双向AC/DC为动力电池与发动机-发电机组分配功率，车载综合电力系统通过控制功率变换装置可以产生4种控制组合.

(1)双向AC/DC功率跟随控制和双向DC/DC恒电流控制

在双向AC/DC功率跟随控制模式下，双向AC/DC通过监控母线电压调节给定电流变化，结合控制发动机调速，就能控制发动机-发电机组的输出功率.双向DC/DC恒电流控制能够根据能量管理模块分配的功率控制动力电池的输出电流，控制动力电池输出功率.当负载需求发生变化时，通过控制发动机-发电机组和动力电池输出电流变化就能实时满足负载需要，超级电容器起到稳压作用，承担负载的高频分量.

这种解耦可以准确控制每个电源的功率，将负载的高频分量完全由超级电容器承担，是制定能量管理策略的理想解耦方式.但这种方法依赖超级电容器的稳压能力来调节母线电压，电压偏离给定值时，没有反馈环节调整电压，此时控制蓄电池输出电流不再能准确控制电源输出功率，会使电压偏差不断扩大.

(2)双向AC/DC功率跟随控制和双向DC/DC稳压控制

与(1)中的方法类似，双向AC/DC功率跟随控制仍由能量管理模块决定其输出的功率，动力电池通过双向DC/DC调节输出功率配合超级电容器将电压稳定在母线的额定电压附近.由于母线电压维持稳定，超级电容器起到稳压作用，负载的需求功率依靠发动机-发电机组和动力电池满足.

动力电池电流随负载的变化而变化，由于超级电容器的功率密度高，负载中的高频分量大部分还是被超级电容器吸收，也有一部分被电池吸收.在这种解耦策略下，没有充分发挥新型综合电力系统多电源配合的优势，电池寿命有所下降.但是母线电压不再依赖超级电容器的稳压作用，车辆电力系统运行在相对安全稳定的工况，对能量分配预测精度和器件功率分配精度要求较低.

(3)双向AC/DC稳压控制和双向DC/DC恒电流控制

该模式通过控制动力电池的电流控制其输出功率，当母线电压下降至额定电压时，双向AC/DC稳压输出，发动机-发电机组的输出功率受负载需求影响，发电机电流随负载的变换而变化，这也给发动机调速带来困难，使发动机很难在最佳燃油特性曲线附近工作.

发动机作为车辆主动力源，稳压能力较蓄电池更强，但发动机调速响应较慢，在发动机调速过程中母线电压可能跌落较大，此时，由于蓄电池采用恒流控制，输出功率随母线电压降低而降低.负载需求功率较大时，母线电压跌落后难以回升到额定电压.当行驶路况复杂时，负载中的高频分量可能导致发电机损耗增加，发动机频繁切换到不同的转速点，油耗增加.

(4)双向AC/DC稳压控制和双向DC/DC稳压控制

双稳压控制下，电源分配的功率理论上可以通过调节各电源支路的等效内阻来调节，但调节等效内阻实现难度大，对器件要求精度高且产生不必要的内耗.实际上的功率分配与各电源特性有关，无法有效控制，也无法实施能量分配策略.

综上所述，双向AC/DC功率跟随控制，双向DC/DC恒电流控制，理论上效果比较理想，但运行条件较为苛刻，需要与有电压校正功能的能量管理策略配合使用；蓄电池稳压控制、发动机—发电机组功率跟随控制与蓄电池恒流控制、发动机—发电机组稳压控制都可以完成能量分配策略，但无法避免负载高频分量对电源的损坏；双稳压控制难以实施能量分配策略.

3 仿真试验

由前面的分析可知，4种解耦策略均存在自己的短板，其中蓄电池稳压控制，发动机-发电机组功率跟随控制相对较为稳定，适应于大多数能量管理策略，在实际运用中可能更具有优势，下面根据某种电传动车辆建立基于Matlab/Simulink的仿真模型，并对几种解耦策略设计仿真试验进行简单的验证.

解耦策略应该满足能量管理的需要，可以准确将功率需求分配到各电源.制订简单的能量分配策略来检验不同解耦策略是否能够在车辆运行中满足能量分配的需求.根据发动机-发电机组的输出能力，设定能量分配策略为发动机-发电机组与蓄电池的输出功率之比为3∶2.假定在负载需求功率为135 kW时，发动机最优工作点在1 300 r/min，负载为180 kW时，发动机最佳工作点在1 600 r/min.初始负载需求总功率为225 kW,5秒时，将负载需求功率提升为300 kW.不同策略下的电流变化如图3所示.

图3 不同解耦策略下的电流变化

双稳压控制下各电源输出电流无法控制，负载需求功率无法按照能量管理策略进行分配，不适宜作为综合电力系统的解耦策略.其他3种解耦策略在负载需求功率变化前后，电流比值分别为180A∶120A、240A∶160A,由于母线电压稳定在750 V,各电源输出功率始终满足预定的3∶2能量分配策略.同时，双恒流控制和蓄电池稳压控制的输出响应速度较快，其中，双恒流控制在实际应用中由于缺少稳压手段，可能造成母线电能质量较差.蓄电池稳压控制，发动机-发电机组恒功率控制更适宜作为该综合电力系统的电源解耦方法.