張根嘉, 王淑紅, 任 建, 蘇效琳

(太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引 言

在當(dāng)今石油價(jià)格上漲、環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的背景下，超級(jí)電容、蓄電池和燃料電池等電源的發(fā)展使得電動(dòng)汽車儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究有了多種選擇[1]。目前純電動(dòng)汽車大多使用的是蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。盡管蓄電池的比能量大，但由于其比功率低、循環(huán)壽命短，難以應(yīng)對(duì)電機(jī)瞬時(shí)啟動(dòng)、加速及快速制動(dòng)時(shí)的功率需求。同時(shí)，復(fù)雜工況下儲(chǔ)能裝置頻繁進(jìn)行充放電切換將縮短蓄電池的使用壽命[2-3]。針對(duì)這一問題，通常將比功率更大、循環(huán)壽命更長(zhǎng)的超級(jí)電容(SC)作為輔助能源與蓄電池相結(jié)合構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)(HESS)，并通過相應(yīng)的控制策略合理分配SC和蓄電池之間的功率，充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)來兼顧電動(dòng)汽車對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量需求和功率需求，延長(zhǎng)電池的使用壽命[4-5]。

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)(HESS)功率分配策略設(shè)計(jì)及優(yōu)化主要從系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)學(xué)模型及等效電路三方面來分析[6]。文獻(xiàn)[7]對(duì)目前HESS常用的被動(dòng)式、改進(jìn)型被動(dòng)式和主動(dòng)式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究，通過建模及仿真對(duì)比證明了HESS的主動(dòng)式結(jié)構(gòu)效果更好。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于支持向量機(jī)(SVM)和粒子群算法(PSO)的SC動(dòng)態(tài)建模方法，該方法可以有效預(yù)測(cè)SC輸出電壓。文獻(xiàn)[9]對(duì)HESS進(jìn)行全局建模，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種非線性控制策略，該策略僅以負(fù)載功率分配為目的，并未考慮電源狀態(tài)。文獻(xiàn)[10]以電池和SC的荷電狀態(tài)(SOC)值為控制量，提出一種優(yōu)化的模糊PI控制策略，然而由于電池SOC難以準(zhǔn)確計(jì)算，系統(tǒng)性能會(huì)受到影響。文獻(xiàn)[11]克服了上述問題，以電機(jī)電流、母線電壓和SC電壓為輸入量設(shè)計(jì)模糊邏輯能量管理策略。盡管模糊控制策略控制效果好，但設(shè)計(jì)復(fù)雜，且難以適應(yīng)所有工況。文獻(xiàn)[12]提出一種自適應(yīng)濾波器功率分配控制策略，該方法可以在線調(diào)整濾波器的時(shí)間常數(shù)適應(yīng)不同的負(fù)載功率需求。由于基于濾波的功率分配策略僅以負(fù)載功率分頻為控制目標(biāo)，因此需要結(jié)合其他策略來使用[13]。文獻(xiàn)[14]提出一種基于HESS性能的能量協(xié)調(diào)、互補(bǔ)控制策略，該策略通過低通濾波算法進(jìn)行功率初次分配，并基于電源狀態(tài)對(duì)功率進(jìn)行調(diào)整，本質(zhì)上是一種基于濾波的邏輯門限控制策略，而邏輯門控制算法邏輯復(fù)雜，受路況影響大，參數(shù)精度與門限值設(shè)置將直接決定控制效果[15]。

針對(duì)上述問題，考慮到車載超級(jí)電容運(yùn)行過程中穩(wěn)態(tài)電壓的穩(wěn)定性要求，本文提出了一種基于低通濾波算法的功率分配控制策略，該方法同時(shí)滿足了負(fù)載功率分配和穩(wěn)定電容SOC，且算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，并通過試驗(yàn)平臺(tái)證明了該方法的有效性。

1 車載超級(jí)電容工作特性分析

1.1 車載超級(jí)電容工作電壓影響因素

車載超級(jí)電容一般工作于沖擊負(fù)載下，影響其電壓的主要因素有三點(diǎn)：電容充放電、內(nèi)阻壓降及電容的自放電效應(yīng)。

圖1所示為超級(jí)電容等效電路模型，可見超級(jí)電容的一階非線性模型由理想電容C，串聯(lián)電阻RS及漏電阻RP組成，UOC為理想電容電壓，UC為超級(jí)電容外電壓，iC為超級(jí)電容電流。理想電容C表征超級(jí)電容的容量，超級(jí)電容SOC可由UOC直接反映：

(1)

式中：Umax、Umin分別為超級(jí)電容的最大工作電壓和截止工作電壓。

圖1 超級(jí)電容等效電路模型

超級(jí)電容數(shù)學(xué)模型為

UC=UOC-iCRS

(2)

式(2)表明，沖擊負(fù)載下iC突變將導(dǎo)致UC突變，由于UOC不受iC變化的影響，而車載超級(jí)電容工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)iC=0、UC=UOC，故電容穩(wěn)態(tài)電壓可以準(zhǔn)確反映SOC值，iC=0時(shí)電容電壓為

(3)

式中：UC(n)為超級(jí)電容此時(shí)刻的電壓值；UOC(n)和UOC(n-1)分別為理想電容此時(shí)刻和上一時(shí)刻的電壓值。

式(3)表明，受漏電阻RP的影響，超級(jí)電容穩(wěn)態(tài)電壓存在衰減效應(yīng)。

1.2 超級(jí)電容充電過程

超級(jí)電容通常采用分段充電法，整個(gè)充電過程主要分為兩段，如圖2所示。第一階段采用恒電流充電方式進(jìn)行大電流充電，使超級(jí)電容電壓UC快速達(dá)到設(shè)定值，由于內(nèi)阻壓降的存在，此時(shí)，超級(jí)電容內(nèi)部并未完全極化，理想電容電壓并未達(dá)到設(shè)定值；第二階段采用恒壓浮充充電方式進(jìn)行小電流充電，該階段充電電流iC快速下降，理想電容電壓UOC繼續(xù)上升，電容端電壓UC保持不變。最終滿足iC=0、UC=UOC，充電過程結(jié)束。

圖2 超級(jí)電容充電過程

2 HESS控制策略研究

超級(jí)電容-蓄電池混合儲(chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為HESS并聯(lián)型全主動(dòng)式拓?fù)?，由超?jí)電容和蓄電池分別通過半橋型雙向DC/DC變換器和Boost變換器并聯(lián)到同一直流母線上。相比于HESS的其他類型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)雖然變換器數(shù)量多，但是通過對(duì)每個(gè)DC/DC變換器的獨(dú)立控制和統(tǒng)一協(xié)調(diào)可以大大提高整個(gè)控制系統(tǒng)的自由度與可控性。

圖3 HESS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 常規(guī)濾波分配法控制框圖

HESS的直接控制目標(biāo)是維持直流母線電壓穩(wěn)定[16]。圖3中，當(dāng)電機(jī)需求功率大于電源輸出功率時(shí)，母線電壓小于參考值，HESS放電以滿足電機(jī)功率需求、穩(wěn)定母線電壓；當(dāng)電機(jī)再生制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，母線電壓大于參考值，HESS充電吸收回饋能量。考慮到蓄電池的充放電次數(shù)和輸出功率的波動(dòng)大小直接影響其使用壽命，因此HESS功率分配問題一般從減少蓄電池充放電次數(shù)和抑制其功率波動(dòng)的角度出發(fā)。

2.1 基于濾波的功率分配控制策略

圖4為常規(guī)濾波分配法控制框圖。基于濾波的功率分配控制策略又稱濾波分配法，常規(guī)濾波分配法的基本思想是通過一階低通濾波算法對(duì)負(fù)載功率進(jìn)行分頻處理，分別由蓄電池和超級(jí)電容輸出負(fù)載電流的穩(wěn)態(tài)分量iLFC_ref和暫態(tài)分量iHFC_ref。

圖4中蓄電池的參考電流為

ib_ref=iLFC_ref=fLPF(itot_ref)

(4)

式中：itot_ref為總負(fù)載電流參考值，fLPF為一階低通濾波器。

一階低通濾波器的傳遞函數(shù)為

(5)

式中：T為時(shí)間常數(shù)。

電容參考電流為

(6)

式中：ub為蓄電池的電壓值；usc為超級(jí)電容的電壓值。

2.2 改進(jìn)的功率分配控制策略

在電動(dòng)汽車運(yùn)行過程中，HESS不僅需要根據(jù)電源特性分配負(fù)載功率，還需要監(jiān)測(cè)電源狀態(tài)，保證運(yùn)行安全。超級(jí)電容的正常運(yùn)行需要確保兩點(diǎn)：(1)電機(jī)起動(dòng)、加速、加載條件下存有一定能量?jī)?chǔ)備應(yīng)對(duì)突變的負(fù)載功率需求；(2)制動(dòng)條件下有足夠的儲(chǔ)能空間吸收回饋功率。為了滿足上述條件，通常將濾波分配法作為HESS的功率初次分配與邏輯門控制策略相結(jié)合，通過設(shè)置參數(shù)門限值與實(shí)際參數(shù)作比較來決定電源的運(yùn)行方式。由于門限值固定且實(shí)際工況下需要考慮的門限條件較多，因而該方法算法邏輯比較復(fù)雜，控制效果受路況、參數(shù)精度、門限值設(shè)置的影響大。針對(duì)上述問題，本文改進(jìn)了圖4的控制策略，如圖5所示。

圖5 改進(jìn)的濾波分配法控制框圖

相比于常規(guī)的濾波分配法，改進(jìn)后的控制策略在超級(jí)電容控制回路上新增加了電容電壓外環(huán)，該環(huán)PI輸出信號(hào)經(jīng)過限幅值函數(shù)flim3得到電容充放電電流isc_hold，函數(shù)flim3設(shè)置了電容充放電電流的最大值。電流isc_hold需要由蓄電池來補(bǔ)償，補(bǔ)償值為

(7)

結(jié)合式(4)和式(7)可以計(jì)算出蓄電池參考電流：

ib_ref=flim1(iLFC_ref-ib_comp)

(8)

其中：

(9)

分析式(8)可知，當(dāng)uscusc_ref時(shí)，ib_comp>0，超級(jí)電容放電，承擔(dān)一部分負(fù)載功率，若輕載的狀態(tài)下iLFC_ref-ib_comp<0，則ib_ref=0，蓄電池停止放電，為了使超級(jí)電容在該情況下不會(huì)釋放多余能量，僅承擔(dān)全部負(fù)載功率，需要對(duì)電容的給定放電功率進(jìn)行修正，電流修正值為

(10)

其中：

(11)

結(jié)合式(6)和式(10)可以計(jì)算出超級(jí)電容的參考電流為

(12)

由以上分析可知，圖5所示控制策略遵循以下原則：(1)負(fù)載功率需求按濾波分配法進(jìn)行分頻處理；(2)uscusc_ref時(shí)優(yōu)先由超級(jí)電容承擔(dān)負(fù)載功率，蓄電池承擔(dān)剩余負(fù)載功率。通過簡(jiǎn)單的PI控制，該控制策略可以實(shí)現(xiàn)蓄電池與超級(jí)電容之間的能量交互來達(dá)到穩(wěn)定超級(jí)電容穩(wěn)態(tài)電壓的效果，由于所需參數(shù)比較容易獲取且不需要設(shè)置任何邏輯門限值，因此不存在邏輯門控制中參數(shù)設(shè)計(jì)困難、算法邏輯復(fù)雜等缺點(diǎn)，更容易實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖6 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖7 試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

本文所使用的試驗(yàn)平臺(tái)整體分為兩部分，分別為基于TMS320F2812控制的混合儲(chǔ)能裝置和基于半實(shí)物仿真的2.2 kW永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖6所示，實(shí)物圖如圖7所示，電機(jī)參數(shù)見表1。蓄電池使用電池模擬器，額定電壓En為156 V、容量Qn為25 Ah、初始荷電狀態(tài)SOC為80%。超級(jí)電容額定容量0.83 F，內(nèi)阻2.16 Ω，額定電壓320 V。永磁同步電機(jī)使用最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA)控制策略進(jìn)行起動(dòng)與調(diào)速控制，分別對(duì)常規(guī)節(jié)濾波分配法和本文提出的功率分配控制策略進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。其中，直流母線電壓控制為330 V，設(shè)置圖5中電容充放電電流isc_hold限幅值為±1.2 A，超級(jí)電容電壓參考值usc_ref為180 V。

表1 電機(jī)參數(shù)

電機(jī)空載起動(dòng)與調(diào)速試驗(yàn)的結(jié)果如圖8所示，2.5 s電機(jī)起動(dòng)至轉(zhuǎn)速1 000 r/min，8.2 s與13.8 s分別調(diào)速至500 r/min和1 000 r/min。由試驗(yàn)結(jié)果可知，常規(guī)濾波分配法控制下超級(jí)電容僅在電機(jī)起動(dòng)、加速、制動(dòng)時(shí)工作，穩(wěn)態(tài)時(shí)電流為0，蓄電池僅提供電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的功率，超級(jí)電容穩(wěn)態(tài)電壓隨著電容充放電運(yùn)行而變化，同時(shí)受自放電電阻的影響而緩慢衰減；使用改進(jìn)的控制策略控制下電機(jī)啟動(dòng)與加速時(shí)由于超級(jí)電容瞬時(shí)大電流放電導(dǎo)致uscusc_ref，此時(shí)超級(jí)電容優(yōu)先承擔(dān)穩(wěn)態(tài)負(fù)載功率，由于負(fù)載較小，電池電流為0，超級(jí)電容輸出全部負(fù)載功率，電容電壓接近設(shè)定值時(shí)轉(zhuǎn)為恒壓浮充狀態(tài)，蓄電池電流回升至穩(wěn)態(tài)值。系統(tǒng)運(yùn)行過程中超級(jí)電容的穩(wěn)態(tài)電壓基本穩(wěn)定在180 V。

圖8 空載起動(dòng)與調(diào)速試驗(yàn)結(jié)果

圖9 帶載起動(dòng)與調(diào)速試驗(yàn)結(jié)果

電機(jī)帶載起動(dòng)與調(diào)速試驗(yàn)的結(jié)果如圖9所示，2.5 s電機(jī)起動(dòng)至轉(zhuǎn)速900 r/min，8.2 s與13.8 s分別調(diào)速至400 r/min和900 r/min，轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)穩(wěn)態(tài)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為5 N·m，400 r/min時(shí)為2.5 N·m。由試驗(yàn)結(jié)果可知，使用常規(guī)濾波分配法控制下系統(tǒng)運(yùn)行過程中超級(jí)電容穩(wěn)態(tài)電壓隨著充放電運(yùn)行而變化，且存在衰減問題而無法穩(wěn)定；使用改進(jìn)的控制策略控制下電機(jī)帶載運(yùn)行時(shí)HESS功率分配規(guī)則與電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)基本一致，運(yùn)行過程中超級(jí)電容的穩(wěn)態(tài)電壓可以穩(wěn)定在180 V。

4 結(jié) 語

針對(duì)車載超級(jí)電容運(yùn)行狀態(tài)的要求，本文分析了電動(dòng)汽車運(yùn)行過程中超級(jí)電容的工作特性，改進(jìn)了常規(guī)的基于濾波的HESS功率分配控制策略，并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，本文所提出的控制策略可以達(dá)到如下控制效果：(1)對(duì)負(fù)載功率需求分頻處理，降低電池充放電倍率；(2)自動(dòng)調(diào)節(jié)超級(jí)電容充放電狀態(tài)，保持其SOC處于安全值；(3)克服了超級(jí)電容自放電效應(yīng)對(duì)電容穩(wěn)態(tài)電壓的影響。由于不需要設(shè)置邏輯門限值，在濾波分配法作為功率初次分配的HESS能量管理策略中，該控制策略可以大大減少整個(gè)控制系統(tǒng)算法邏輯的復(fù)雜程度。