《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于改進(jìn)型濾波器功率分流控制的HEV復(fù)合電源
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2014年第3期
王 琪1，孫玉坤1，2，黃永紅1
（1.江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013；2.南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京
摘要： 針對(duì)混合動(dòng)力汽車能量存儲(chǔ)系統(tǒng)需要滿足可變的負(fù)載功率需求以及吸收制動(dòng)時(shí)的可再生功率這一問題，引入蓄電池-超級(jí)電容器復(fù)合電源儲(chǔ)能系統(tǒng)。對(duì)主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源進(jìn)行分析與研究，采用改進(jìn)型濾波器功率分流控制策略，在MATALB 7仿真環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行建模和仿真，結(jié)果表明：由于超級(jí)電容器的加入，復(fù)合電源的功率輸出能力大大提高了；改進(jìn)型濾波器功率分流控制策略使得蓄電池的放電過程得到優(yōu)化。
中圖分類號(hào)： TM912
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)03-0059-03
Design of a hybrid energy source for hybrid electric vehicles based on improved filter power splitting control strategy
Wang Qi1，Sun Yukun1，2，Huang Yonghong1
1.School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013，China；2.School of Electrical Power Engineering, Nanjing institute of Technology, Nanjing 211167，China
Abstract： The energy storage system in hybrid electric vehicles(HEV) should supply variable power levels and take regenerative power from braking. To these two demands, the battery-ultracapacitor hybrid energy source was introduced. The passive and active hybrid energy source have been analyzed and researched respectively, and the active hybrid energy source adopts the improved control strategy of filter power splitting. Model and simulate the two structures of hybrid energy sources under MATLAB 7, the simulation results show that the power capacity of the hybrid energy source is enhanced greatly because of the ultracapacitor，and the discharging process of the battery is optimized due to the control strategy which we proposed.
Key words : filter；battery；ultracapacitor；hybrid energy source

    混合動(dòng)力汽車屬于實(shí)時(shí)變化的脈沖電流負(fù)載，主要體現(xiàn)在加速和再生制動(dòng)兩方面。目前，大部分混合動(dòng)力汽車的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)都是基于蓄電池設(shè)計(jì)完成的，由于蓄電池功率低、循環(huán)壽命短且成本高，在很大程度上限制了混合動(dòng)力汽車的發(fā)展和應(yīng)用[1]。為此，有關(guān)學(xué)者相繼提出了幾種方案來為蓄電池提供均衡負(fù)載，包括飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能等[2]。其中研究最多的就是引入超級(jí)電容器作為混合動(dòng)力汽車輔助能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，從而承擔(dān)蓄電池在頻繁地充放電時(shí)的高功率需求。將蓄電池和超級(jí)電容器相結(jié)合構(gòu)成復(fù)合電源，使得蓄電池比能量大和超級(jí)電容器比功率大的特點(diǎn)相結(jié)合，同時(shí)最大限度地減少每種電源的不足，這無疑會(huì)混合動(dòng)力汽車能量存儲(chǔ)系統(tǒng)帶來很大的性能提高[3]。
    蓄電池-超級(jí)電容器復(fù)合電源的結(jié)構(gòu)較多，電路從簡單到復(fù)雜。引入功率變換器后，可將復(fù)合電源分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種[4]。被動(dòng)式結(jié)構(gòu)蓄電池-超級(jí)電容器復(fù)合電源是將蓄電池與超級(jí)電容器直接并聯(lián)，而主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源是在蓄電池和超級(jí)電容器之間配置一個(gè)或者多個(gè)DC-DC變換器[5]。功率變換器的控制目標(biāo)是：(1)限制超級(jí)電容器的輸出電壓在指定的范圍之內(nèi)；(2)優(yōu)化蓄電池的輸出電流，使其盡量平滑，從而延長蓄電池的循環(huán)壽命。因此，主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源的總體性能要比被動(dòng)式結(jié)構(gòu)更加優(yōu)越。
    本文引入了一種改進(jìn)型濾波器功率分流的控制策略，在MATLAB 7仿真環(huán)境下主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源進(jìn)行建模和仿真。由仿真結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源的功率輸出能力大大提高了，蓄電池的輸出電流曲線更為平滑；超級(jí)電容器在滿足負(fù)載電流不斷變化的同時(shí)能穩(wěn)定工作，起到了輔助電源的作用。
1 主動(dòng)式結(jié)構(gòu)混合動(dòng)力汽車用復(fù)合電源
    主動(dòng)式結(jié)構(gòu)混合動(dòng)力汽車用復(fù)合電源主要有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一種是超級(jí)電容器組與功率變換器串聯(lián)構(gòu)成輔助儲(chǔ)能系統(tǒng)，再將輔助儲(chǔ)能系統(tǒng)與蓄電池組并聯(lián)，從而向負(fù)載供電，蓄電池組電壓為直流母線電壓；另一種結(jié)構(gòu)是蓄電池組與功率變換器串聯(lián)后再跟超級(jí)電容器并聯(lián)。由于后者不能使得功率變換器和超級(jí)電容器組充分吸收峰值功率，因此研究時(shí)選擇前者，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。由于功率變換器的變流作用，可以控制蓄電池的充放電電流，從而提高復(fù)合電源的性能。


    另外，通過超級(jí)電容器電壓控制因子f(0<f<1)調(diào)整衰減負(fù)載電流從而進(jìn)一步控制超級(jí)電容器電壓。根據(jù)電流極性，f有兩種不同的作用：當(dāng)超級(jí)電容器電壓接近其最大電壓時(shí)，超級(jí)電容器充電電流需求減弱，放電電流需求相應(yīng)增強(qiáng)；同理，當(dāng)超級(jí)電容器電壓接近其最小電壓時(shí)，超級(jí)電容器放電電流需求減弱，充電電流需求相應(yīng)增強(qiáng)。為了確保超級(jí)電容器電壓不會(huì)偏離其穩(wěn)定電壓范圍，線性修正項(xiàng)a&middot;(Vu-Vmid)會(huì)將電壓拉回到其額定電壓(Vmid)。


    圖5為脈沖電流負(fù)載經(jīng)過高通濾波器的輸出電流圖，負(fù)載電流中的高頻分量主要由超級(jí)電容器輔助儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)，因此該電流也即超級(jí)電容器輔助儲(chǔ)能系統(tǒng)的參考電流。這里要注意的是高通濾波器的輸出電流是未加超級(jí)電容器控制因子f和線性修正項(xiàng)a&middot;(Vu-Vmid)的輸出電流。

    主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源仿真結(jié)果如圖6所示。圖6(a)中蓄電池組電壓約為47.7 V，紋波為0.1 V；圖6(c)中超級(jí)電容器組電壓在24 V附近上下波動(dòng)，紋波達(dá)到2 V；顯然雙向DC-DC變換器的占空比約為0.5，超級(jí)電容器組電壓在滿足動(dòng)態(tài)負(fù)載變換的同時(shí)能穩(wěn)定工作，起到了輔助電源的作用。圖6(b)中蓄電池組電流約為40 A，波動(dòng)范圍5 A；而圖6(d)中超級(jí)電容器組電流變化范圍為-40 A～+40 A。復(fù)合電源蓄電池組的輸出電壓和電流更為平滑，蓄電池組的放電過程得到了優(yōu)化，功率變換器控制效果明顯，蓄電池組的循環(huán)壽命得到延長。超級(jí)電容器組由于承擔(dān)了負(fù)載電流中的脈動(dòng)分量，因此其電流變化范圍比較大。

 

 

    本文對(duì)混合動(dòng)力汽車用復(fù)合電源進(jìn)行了分析與研究，提出一種改進(jìn)型濾波器功率分流控制策略研究。在MATLAB 7仿真環(huán)境下，對(duì)主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源進(jìn)行建模和仿真。仿真結(jié)果表明：(1)超級(jí)電容器在滿足動(dòng)態(tài)負(fù)載變換的同時(shí)能穩(wěn)定工作，起到了輔助電源的作用；(2)在負(fù)載脈動(dòng)的情況下，主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源中蓄電池組的放電電流更為平滑，其放電過程得到了優(yōu)化，循環(huán)壽命得到延長；(3)雙向DC-DC變換器控制效果明顯，有效性高。
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