电动汽车复合电源结构的研究

司有谱，孟丽囡，何 柳

（辽宁工业大学，辽宁 锦州 121000）

0 引 言

随着电动汽车的日益发展，对其电源的要求也越来越高，普通的蓄电池虽然具有高比能量，但较小的比功率不能满足电动汽车一瞬间的速度提升，而且具有循环寿命短的缺点。超级电容虽具有高比功率，但比能量的限制使其也不能单独作为汽车电源使用。针对这个问题，有学者便提出了将两者结合起来构成一种复合电源，发挥蓄电池和超级电容各自的优势，于是复合电源的结构就成了关键。

复合电源的整体结构很多，从并联方式上可大致分为蓄电池和超级电容器直接并联、经电感器并联、经DC/DC变换器并联3种，即被动式结构、加入电感器被动式结构以及主动式结构[1]。本文分别对这3种结构进行了分析研究，并使用MATLAB对其进行了建模及仿真分析。

1 被动式结构

被动式结构复合电源是由蓄电池和超级电容直接并联构成，结构简单，能有效减少蓄电池在脉动负载下的最大电流输出。蓄电池的充放电是一个发生化学反应的过程，为了简化分析过程，采用理想的蓄电池等效模型。超级电容器的充放电属于物理过程，常见的模型包括一阶RC模型、二阶RC模型以及三分支模型[2]。本文是对复合电源的研究，为了简化工作量，超级电容器等效模型选用一阶RC模型。被动式结构复合电源拓扑如图1所示。

图1 被动式结构复合电源拓扑

图1中B为理想电压源，C为理想电容器，Rb为蓄电池等效内阻，Rc为超级电容器等效内阻，Load为负载。根据图1拓扑对被动式复合电源进行MATLAB仿真，蓄电池选取内阻值为10 mΩ的60 V/100 AH锂电池。超级电容器选用23个2.7 V/2 000 F的单体超级电容器串联构成，额定容量为86.96 F，总内部电阻为8.05 mΩ[3]。设定脉动电流负载的占空比为0.1，周期为2 s，矩形波的幅值为40 A。

图2为被动式结构复合电源仿真结果图，从中可以看出，蓄电池和超级电容端电压保持一致，略小于60 V，而额定电压为60 V，这是由蓄电池和超级电容组内阻造成的。当负载脉动时，负载变大，蓄电池和超级电容电压都有小幅度下降，约为0.3 V。且超级电容器提供了大部分的电流，约为25 A，有效减少了蓄电池的最大电流输出，对蓄电池起到了保护作用。此外，该结构中蓄电池和超级电容器本身的内部电阻决定了复合电源的功率提升能力，这就大大降低了其设计上的灵活性。同时由于蓄电池和超级电容直接并联，会致使超级电容和蓄电池之间电能的交换降低了复合电源的总体效率。

图2 被动式结构复合电源仿真结果图

2 加入电感器被动式结构

该系统结构是被动式结构基础上，在蓄电池和超级电容组之间增设一个滤波电感器来实现对蓄电池输出电流的滤波。加入滤波电感器的被动式结构拓扑如图3所示。

图3 加入电感器被动式结构复合电源拓扑

根据图3对加入电感器被动式结构复合电源进行MATLAB仿真，电感器参数为8 mH，其余仿真参数和被动式结构复合电源相同。图4为加入电感器被动式结构复合电源仿真的效果图，从中可以看出蓄电池电压和超级电容器电压也是略小于60 V，但蓄电池电压纹波由0.3 V减小至0.2 V，超级电容器电压纹波由0.3 V增加到0.4 V。负载脉动时，超级电容器提供大部分电流的输出，约为27 A，保护了蓄电池。因此在电感器的滤波作用下，负载脉动时，蓄电池受到的电流冲击相较于被动式结构复合电源进一步减小，脉动性明显减弱。但只是被动式结构的改进，有着和被动式结构相同的问题。

图4 加入电感器被动式结构复合电源仿真结果图

3 主动式结构

主动式结构分为半主动式结构和全主动式结构[4]。半主动式结构又细分为蓄电池型半主动式和超级电容型半主动式。蓄电池型半主动式结构为蓄电池串联一个DC/DC变换器后与超级电容器并联，结构如图5（a）所示。超级电容型半主动式结构为超级电容器串联一个DC/DC变换器后与蓄电池进行并联连接，结构如图5（b）所示。全主动式结构则是由蓄电池和超级电容器分别经一个DC/DC变换器后进行并联连接到直流母线上而组成，结构如图5（c）所示。

图5 主动式复合电源结构

在蓄电池型半主动式结构中，超级电容器未经DC/DC变换器连接至负载，可以快速实现充放电，在工作效率上相较于串联DC/DC变换器时更为高效。当负载发生脉动时，电流直接流出入超级电容，从而减少了蓄电池受到的电流冲击。超级电容型半主动式结构中蓄电池决定功率总线电压，直接对外输出功率，能量转换效率高，但是双向DC/DC变换器需控制超级电容器工作时产生的大电流，所需的容量相对增加，成本更高。全主动式结构具备两种半主动式结构的所有优点，但连线方式过于复杂，两个双向DC/DC变换器的协调也较困难，且成本过高。因此，选取蓄电池型半主动式结构作为本文研究对象。

图6为蓄电池型半主动式结构复合电源系统图，其中双向DC/DC变换器选用非隔离半桥的拓扑结构，具体如图7所示。该结构转换效果好，所用的元件数量少且价格便宜。双向DC/DC变换器能够实现两象限运行，具有升降压双向变换功能。当开关管S1处于导通，开关管S2被关断，D2作为续流二极管工作时，电路为Buck电路[5]。当开关管S2处于导通，开关管S1被关断，D1作为续流二极管工作时，电路为Boost电路。

图6 蓄电池型半主动式结构复合电源拓扑

图7 双向DC/DC变换器拓扑

该复合电源系统中双向DC/DC变换器的主要控制目标之一就是使变换器的输出电流等于负载的平均电流，从而使蓄电池经变换器后能得到平滑的电流[6]。其控制原理如图8所示，在模拟工作时间内对负载电流Io进行积分，求得负载平均值Ioav，与蓄电池通过双向DC/DC变换器的电流Ic作差得到一个偏差信号，偏差信号再经PI控制器计算得到一定的控制量，从而最终得到PWM信号，对开关管的工作状态进行控制，实现升降压模式的切换。

图8 DC/DC变换器控制原理图

根据图6、图7以及图8对蓄电池型半主动式复合电源进行MATLAB仿真，调节双向DC/DC变换器工作在降压模式，占空比为0.5，开关的工作频率设定为20 kHz。蓄电池选取60 V/100 AH锂电池，内阻为10 mΩ，超级电容器仿真参数与被动式复合电源相同。

DC/DC变换器的工作效果与电感和电容的大小密切相关，式（1）为电感纹波电流△I的计算公式，其中f为频率，D为占空比。实际要求中纹波低于5%为宜，过大会引起干扰甚至损坏元器件。这里取电感L为6 mH。而电容的电流变化量与电感大小相同，将电容的大小设置为625 μF。具体公式为：

图9为主动式结构复合电源仿真结果图，从仿真结果可以清楚地看出，蓄电池的工作电压约为60 V，超级电容器的工作电压约为30 V，从而知道占空比约为0.5。蓄电池和超级电容器电压等级的不一致给复合电源的设计带来了更多的灵活性。蓄电池通过双向DC/DC变换器作用后的电流最终稳定在10 A左右，超级电容器的电流则是在-5～30 A变化。尽管负载处于脉动状态，但蓄电池经DC/DC变换器后的电流几乎恒定，曲线很平滑。同时该结构中的超级电容相较于上述两种结构，在负载处于脉动时承担了更多的电流，对蓄电池的保护效果更好。

图9 主动式复合电源仿真结果图

4 结 论

本文研究分析了电动汽车复合电源被动式结构、加入电感器被动式结构以及主动式结构，并进行了MATLAB仿真，从中得出以下结论。一是相较与单一电源，复合电源中超级电容很好地分担了负载脉冲下对蓄电池的电流冲击，延长了蓄电池的使用寿命。二是相较于加入电感器的被动式结构，主动式结构具有更好的效果。三是超级电容器在复合电源系统中起到了辅助电源的效果，使复合电源的输出功率更大。