摘要：針對電動汽車混合儲能裝置功率分流問題，在三端口變換器拓撲結構基礎上提出了能量型儲能裝置采用電流閉環，功率型儲能裝置采用電壓閉環的控制系統。首先以雙輸入單輸出模態建立了該拓撲結構的狀態空間模型，分析了功率電路的占空比-電感電流傳遞函數、占空比-輸入電流傳遞函數和占空比-輸出電壓傳遞函數。其次設計了電壓閉環控制器和電流閉環控制器，在保證母線電壓穩定的前提下，可實現輸出功率在功率型儲能裝置和能量型儲能裝置之間的精確分配。最后通過實驗驗證了控制系統在模擬HWFET工況和階躍負載工況下的輸入輸出動態響應、電壓控制精度和功率分流效果,其結果有利于實現混合儲能裝置功率精確分流。

　　關鍵詞：電動汽車;混合儲能裝置;功率分流;三端口變換器;傳遞函數

　　引言電動汽車的續駛里程主要取決于儲能裝置容量、變換器效率、動力系統和電動汽車的總質量。電動汽車輕量化和高效緊湊的變換器結構可以有效地提升電動汽車的操控性、可靠性、安全性并降低噪聲。車載儲能裝置通常需要高能量密度、高功率密度以同時保證續駛里程和動力性能。

　　以鋰離子電池為代表的能量型儲能元件具有能量密度高、輸出電壓穩定等優點，但是高倍率充放電會導致其容量和壽命衰減;以超級電容為代表的功率型儲能裝置具有優異的倍率性能，但是能量密度較低，難以滿足車輛的續駛里程需求。混合儲能裝置通過將兩種以上類型的儲能元件組合在一起，從而兼具不同類型儲能元件的優點，是理想的車載儲能裝置。目前混合儲能裝置的拓撲結構主要分為以下四種：

　　(1)超級電容與鋰離子電池被動并聯，該拓撲具有結構簡單、成本低、效率高等優點，但是由于鋰離子電池與超級電容兩者直接并聯端電壓相同，超級電容僅在鋰離子電池大電流放電導致端電壓嚴重下降時才能工作，此外該結構無法避免能量制動回饋狀態對鋰離子電池的大電流充電;(2)超級電容通過DC/DC變換器后與鋰離子電池并聯，該拓撲結構具有端電壓穩定性好、運行過程中負載端電壓波動范圍較小的優點，但負載未知情況下對鋰離子電池和超級電容實時功率控制困難，并且能量回饋狀態下超級電容不能直接吸收制動能量，導致制動能量回收利用率低;(3)鋰離子電池通過DC/DC變換器后與超級電并聯，該拓撲結構有效彌補了第二種拓撲結構的缺點，但是由于超級電容直接與負載連接，端電壓變化范圍較大;(4)鋰離子電池、超級電容和負載通過多端口功率變換器混合連接，該結構能夠靈活控制不同能量源的輸出電壓與輸出功率，可實現復雜的控制策略9,10。

　　通過上述分析可知，采用多端口功率變換器，實現功率流在能量型儲能裝置、功率型儲能裝置和負載之間的混合功率分配，進而構成混合儲能裝置，是克服單一儲能裝置缺點的一種有效方法11。非隔離多端口功率變換器不需要變壓器，具有功率器件較少、結構簡單、體積小、效率高的優點，廣泛應用于各種結構的混合儲能裝置。

　　圍繞電動汽車混合儲能裝置多端口功率變換器，文獻[1提出了一種三端口變換器，該拓撲結構電能利用效率高，但是由于共用主開關管使得主開關管電壓、電流應力較高;文獻19提出了一種超級電容與新能源微電源和儲能單元串聯放電的拓撲結構，儲能單元和新能源微電源不能同時工作，功率流向單一;文獻20構建了一種高電壓增益多端口功率變換器，但儲能單元不能單獨為負載供電，容錯性較差。針對電動汽車混合儲能裝置功率分流問題，采用多工況三端口變換器結構，該拓撲結構集成能量型儲能裝置端口、功率型儲能裝置端口及負載端口。

　　本文在該拓撲結構基礎上提出了能量型儲能裝置采用電流閉環，功率型儲能裝置采用電壓閉環的控制系統。首先簡要分析了能量型儲能裝置功率bat、功率型儲能裝置功率UC和負載需求功率load之間能量變換的四種模態，并以雙輸入單輸出(DoubleInputSingleOut)模態建立了該拓撲結構的狀態空間模型，分析了功率電路占空比電感電流傳遞函數、占空比輸入電流傳遞函數和占空比輸出電壓傳遞函數。其次設計了電流閉環控制器和電壓閉環控制器，在保證母線電壓穩定的前提下，可實現輸出功率在功率型儲能裝置和能量型儲能裝置之間的精確分配。最后通過模擬HWFET工況驗證，三端口變換器實現了輸出功率在功率型儲能裝置和能量型儲能裝置之間的精確分配，且整個過程中電壓閉環控制器輸出電壓和電流閉環控制器輸出電流精度分別達到0.157%和0.2%;階躍負載實驗中，電壓超調量僅為0.25%。

　　三端口功率變換器拓撲結構電動汽車混合儲能裝置多工況三端口功率變換器如圖所示，主要包含電壓閉環控制器及功率電路、電流閉環控制器及功率電路以及輸出電容和負載端斷路器。電流閉環控制器采用單閉環控制實現輸出電流的精確控制;電壓閉環控制器在電流閉環控制器的基礎上，通過外加電壓閉環控制，構成雙閉環結構，以實現直流母線電壓的穩定。該結構中功率型儲能裝置采用雙閉環控制實現輸出端電壓穩定，其內環使用電流閉環控制、外環使用電壓閉環控制可消除Boost電路右半平面零點引起的負載變化時，占空比不能立刻向穩態值靠近造成的瞬態響應差。能量型儲能裝置只采用電流閉環控制，其目的為了控制能量型儲能裝置的輸入輸出功率。

　　由于負載端采用并聯結構，功率型儲能裝置可保證輸出端電壓穩定，所以只需控制能量型儲能裝置輸出電流BAY，即可實現其輸出功率BAT控制(BAT•BAY)。因此該電路拓撲結構中部分維持輸出直流母線電壓穩定，部分實現能量型儲能元件功率精確輸出。該拓撲功率電路包含雙電感，相同輸出功率下，與文獻[18]中單電感結構相比，其每個電感電流較小。

　　由電感元件的電壓電流關系(diuLdt)可知，電感電流較小，開關器件MOSFET關斷時刻產生感應電動勢較低，所以雙電感結構對開關器件MOSFET的電壓與電流應力較小。三端口變換器與DC/DC雙向變換器相比，其存在多種工作模式，且在不同工作模式下功率流向不同。任意兩個端口之間電能雙向變換，可滿足電動汽車在行駛、充電、再生制動等多工況下的功率變換需求。

　　本節以電動汽車行駛工況為例，簡要分析能量型儲能裝置功率bat、功率型儲能裝置功率UC和負載需求功率load之間能量變換的四種模態，且三端口變換器工作過程中開關器件和分別互補導通。

　　1)當電動汽車負載需求功率load較大時，能量型儲能裝置功率密度無法滿足負載需求。此時功率型儲能裝置與能量型儲能裝置共同向負載提供電能，三端口變換器工作在雙輸入單輸出(DoubleInputSingleOut)模態。2)當電動汽車再生制動時，電動機作為發電機運行，從而將車輛的動能或位能變換為電能，并存儲在能量型儲能裝置與功率型儲能裝置之中，得以再次利用，且滿足loadbatUC。三端口變換器工作在再生制動(RegenerativeBraking)模態。

　　3)當電動汽車加速或啟動后功率型儲能裝置SOC較低，此時需要依靠該模式對其電能補充。三端口變換器負載端存在背靠背斷路器和，其可靈活控制負載端導通或關斷，即batUCload或batUC。三端口變換器工作在單輸入雙輸出(SingleInputDoubleOut)或單輸入單輸出(SingleInputSingleOut)模態。4)當電動汽車駐車后，為減少功率型儲能裝置自放電，可將功率型儲能裝置電能轉移至能量型儲能裝置或者被車載裝置利用。該模式下負載端背靠背斷路器可調節三端口變換器工作在單輸入雙輸出(SingleInputDoubleOut)或單輸入單輸出(SingleInputSingleOut)模態。

　　模擬HWFET工況試驗為驗證三端口變換器的性能，采用美國環境保護局制定的經典的模擬公路行駛的燃油經濟性測試循環(HWFET)，該循環共有765秒[21]。所設計的實驗流程如下：1)根據模擬HWFET工況的車輛狀態計算出車輛需求功率，將需求功率導入可編程電子負載DL3021;2)設置直流母線電壓40V、能量型儲能裝置以9.93A恒電流輸出;3)使用示波器電流鉗分別測量負載電流、三端口變換器中電壓控制器和電流控制器輸出電流，并測量電池、超級電容和負載端電壓;4)啟動可編程電子負載，記錄模擬HWFET工況實驗數據;為模擬HWFET工況共384步，每步持續時間秒，共持續768秒實驗數據。整個過程中電流閉環控制器以恒功率提供負載需求低頻分量;電壓閉環控制器跟隨負載實時功率需求做出快速響應，并維持負載端電壓為40V。

　　可編程電子負載記錄的三端口變換器輸出電壓數據，可知整個模擬HWFET工況中輸出電壓最大誤差僅為0.157%。可知功率型儲能裝置電壓為20V、能量型儲能裝置電壓為12V，可保證負載端電壓為40V、端電流4A狀態下運行，但是功率型儲能裝置與能量型儲能裝置的端電流差異較大，且兩者輸出功率不可控。

　　為了進一步驗證所設計三端口功率變換器在階躍負載時的性能，設計如下兩個實驗：1)將可編程電子負載設置為變化的階躍負載，負載需求電壓為40V，運行中能量型儲能裝置由放電狀態轉換為充電狀態;使用示波器電流鉗分別測量負載電流、三端口變換器中電壓控制器和電流控制器輸出電流，并測量負載端電壓;2)設置可編程電子負載需求功率瞬間為180W，測量三端口變換器輸出端電壓及輸出電流。

　　為階躍負載持續50秒內能量型儲能裝置與功率型儲能裝置實驗數據。實驗0~19秒電壓閉環控制器與電流閉環控制器根據負載變化共同提供負載需求功率，2050秒功率型儲能裝置在向階躍負載提供能量的同時還向能量型儲能裝置充電，過渡過程中三端口變換器輸出端電壓未出現明顯變化，整個過程中負載端電壓始終維持在40V。

　　三端口變換器效率實驗為了驗證三端口功率變換器在模擬HWFET工況下效率，設計如下實驗：

　　1)根據模擬HWFET工況的車輛狀態計算出車輛需求功率，將需求功率導入可編程電子負載DL3021;2)設置直流母線電壓40V，能量型儲能裝置以低頻穩態分量輸出，功率型儲能裝置輸出需求功率高頻成分;3)使用示波器電壓探頭和電流鉗分別測量三端口變換器三端口電壓與電流;4)啟動可編程電子負載，記錄模擬HWFET工況實驗數據;

　　新能源論文范例： 電動汽車無線充電的啟動階段控制策略

　　結論

　　理論分析和實驗結果表明，針對電動汽車多工況運行狀態所提出的三端口功率變換器的有效性體現在：

　　1)能夠實現電能在功率型儲能裝置、能量型儲能裝置和負載之間的雙向流動，有效的滿足電動汽車在行駛、充電和再生制動等多工況運行;

　　2)模擬HWFET工況實驗中三端口功率變換器中電壓閉環控制器輸出電壓和電流閉環控制器輸出電流精度分別達到0.157%和0.2%;階躍負載實驗中，電壓超調量僅為0.25%，實現了功率型儲能裝置與能量型儲能裝置之間的高精度功率分流;三端口變換器模擬HWFET工況下平均效率約為91%，瞬時最高效率約為95%。

　　參考文獻：

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　　作者：申永鵬1，孫建彬1，楊小亮1，劉普1，李會仙2