文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)03-0059-03
混合動力汽車屬于實時變化的脈沖電流負載，主要體現在加速和再生制動兩方面。目前，大部分混合動力汽車的能量存儲系統都是基于蓄電池設計完成的，由于蓄電池功率低、循環壽命短且成本高，在很大程度上限制了混合動力汽車的發展和應用[1]。為此，有關學者相繼提出了幾種方案來為蓄電池提供均衡負載，包括飛輪儲能、超導儲能等[2]。其中研究最多的就是引入超級電容器作為混合動力汽車輔助能量存儲系統，從而承擔蓄電池在頻繁地充放電時的高功率需求。將蓄電池和超級電容器相結合構成復合電源，使得蓄電池比能量大和超級電容器比功率大的特點相結合，同時最大限度地減少每種電源的不足，這無疑會混合動力汽車能量存儲系統帶來很大的性能提高[3]。
蓄電池-超級電容器復合電源的結構較多，電路從簡單到復雜。引入功率變換器后，可將復合電源分為被動式和主動式兩種[4]。被動式結構蓄電池-超級電容器復合電源是將蓄電池與超級電容器直接并聯，而主動式結構復合電源是在蓄電池和超級電容器之間配置一個或者多個DC-DC變換器[5]。功率變換器的控制目標是：(1)限制超級電容器的輸出電壓在指定的范圍之內；(2)優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壽命。因此，主動式結構復合電源的總體性能要比被動式結構更加優越。
本文引入了一種改進型濾波器功率分流的控制策略，在MATLAB 7仿真環境下主動式結構復合電源進行建模和仿真。由仿真結果不難發現，主動式結構復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；超級電容器在滿足負載電流不斷變化的同時能穩定工作，起到了輔助電源的作用。
1 主動式結構混合動力汽車用復合電源
主動式結構混合動力汽車用復合電源主要有兩種拓撲結構，一種是超級電容器組與功率變換器串聯構成輔助儲能系統，再將輔助儲能系統與蓄電池組并聯，從而向負載供電，蓄電池組電壓為直流母線電壓；另一種結構是蓄電池組與功率變換器串聯后再跟超級電容器并聯。由于后者不能使得功率變換器和超級電容器組充分吸收峰值功率，因此研究時選擇前者，其拓撲結構如圖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，從而提高復合電源的性能。
另外，通過超級電容器電壓控制因子f(0<f<1)調整衰減負載電流從而進一步控制超級電容器電壓。根據電流極性，f有兩種不同的作用：當超級電容器電壓接近其最大電壓時，超級電容器充電電流需求減弱，放電電流需求相應增強；同理，當超級電容器電壓接近其最小電壓時，超級電容器放電電流需求減弱，充電電流需求相應增強。為了確保超級電容器電壓不會偏離其穩定電壓范圍，線性修正項a·(Vu-Vmid)會將電壓拉回到其額定電壓(Vmid)。
圖5為脈沖電流負載經過高通濾波器的輸出電流圖，負載電流中的高頻分量主要由超級電容器輔助儲能系統承擔，因此該電流也即超級電容器輔助儲能系統的參考電流。這里要注意的是高通濾波器的輸出電流是未加超級電容器控制因子f和線性修正項a·(Vu-Vmid)的輸出電流。
主動式結構復合電源仿真結果如圖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)中超級電容器組電壓在24 V附近上下波動，紋波達到2 V；顯然雙向DC-DC變換器的占空比約為0.5，超級電容器組電壓在滿足動態負載變換的同時能穩定工作，起到了輔助電源的作用。圖6(b)中蓄電池組電流約為40 A，波動范圍5 A；而圖6(d)中超級電容器組電流變化范圍為-40 A～+40 A。復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化，功率變換器控制效果明顯，蓄電池組的循環壽命得到延長。超級電容器組由于承擔了負載電流中的脈動分量，因此其電流變化范圍比較大。
本文對混合動力汽車用復合電源進行了分析與研究，提出一種改進型濾波器功率分流控制策略研究。在MATLAB 7仿真環境下，對主動式結構復合電源進行建模和仿真。仿真結果表明：(1)超級電容器在滿足動態負載變換的同時能穩定工作，起到了輔助電源的作用；(2)在負載脈動的情況下，主動式結構復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化，循環壽命得到延長；(3)雙向DC-DC變換器控制效果明顯，有效性高。
參考文獻
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