电动汽车混合储能装置三端口功率变换器设计

　　摘要：针对电动汽车混合储能装置功率分流问题，在三端口变换器拓扑结构基础上提出了能量型储能装置采用电流闭环，功率型储能装置采用电压闭环的控制系统。首先以双输入单输出模态建立了该拓扑结构的状态空间模型，分析了功率电路的占空比-电感电流传递函数、占空比-输入电流传递函数和占空比-输出电压传递函数。其次设计了电压闭环控制器和电流闭环控制器，在保证母线电压稳定的前提下，可实现输出功率在功率型储能装置和能量型储能装置之间的精确分配。最后通过实验验证了控制系统在模拟HWFET工况和阶跃负载工况下的输入输出动态响应、电压控制精度和功率分流效果,其结果有利于实现混合储能装置功率精确分流。

　　关键词：电动汽车;混合储能装置;功率分流;三端口变换器;传递函数

　　引言电动汽车的续驶里程主要取决于储能装置容量、变换器效率、动力系统和电动汽车的总质量。电动汽车轻量化和高效紧凑的变换器结构可以有效地提升电动汽车的操控性、可靠性、安全性并降低噪声。车载储能装置通常需要高能量密度、高功率密度以同时保证续驶里程和动力性能。

　　以锂离子电池为代表的能量型储能元件具有能量密度高、输出电压稳定等优点，但是高倍率充放电会导致其容量和寿命衰减;以超级电容为代表的功率型储能装置具有优异的倍率性能，但是能量密度较低，难以满足车辆的续驶里程需求。混合储能装置通过将两种以上类型的储能元件组合在一起，从而兼具不同类型储能元件的优点，是理想的车载储能装置。目前混合储能装置的拓扑结构主要分为以下四种：

　　(1)超级电容与锂离子电池被动并联，该拓扑具有结构简单、成本低、效率高等优点，但是由于锂离子电池与超级电容两者直接并联端电压相同，超级电容仅在锂离子电池大电流放电导致端电压严重下降时才能工作，此外该结构无法避免能量制动回馈状态对锂离子电池的大电流充电;(2)超级电容通过DC/DC变换器后与锂离子电池并联，该拓扑结构具有端电压稳定性好、运行过程中负载端电压波动范围较小的优点，但负载未知情况下对锂离子电池和超级电容实时功率控制困难，并且能量回馈状态下超级电容不能直接吸收制动能量，导致制动能量回收利用率低;(3)锂离子电池通过DC/DC变换器后与超级电并联，该拓扑结构有效弥补了第二种拓扑结构的缺点，但是由于超级电容直接与负载连接，端电压变化范围较大;(4)锂离子电池、超级电容和负载通过多端口功率变换器混合连接，该结构能够灵活控制不同能量源的输出电压与输出功率，可实现复杂的控制策略9,10。

　　通过上述分析可知，采用多端口功率变换器，实现功率流在能量型储能装置、功率型储能装置和负载之间的混合功率分配，进而构成混合储能装置，是克服单一储能装置缺点的一种有效方法11。非隔离多端口功率变换器不需要变压器，具有功率器件较少、结构简单、体积小、效率高的优点，广泛应用于各种结构的混合储能装置。

　　围绕电动汽车混合储能装置多端口功率变换器，文献[1提出了一种三端口变换器，该拓扑结构电能利用效率高，但是由于共用主开关管使得主开关管电压、电流应力较高;文献19提出了一种超级电容与新能源微电源和储能单元串联放电的拓扑结构，储能单元和新能源微电源不能同时工作，功率流向单一;文献20构建了一种高电压增益多端口功率变换器，但储能单元不能单独为负载供电，容错性较差。针对电动汽车混合储能装置功率分流问题，采用多工况三端口变换器结构，该拓扑结构集成能量型储能装置端口、功率型储能装置端口及负载端口。

　　本文在该拓扑结构基础上提出了能量型储能装置采用电流闭环，功率型储能装置采用电压闭环的控制系统。首先简要分析了能量型储能装置功率bat、功率型储能装置功率UC和负载需求功率load之间能量变换的四种模态，并以双输入单输出(DoubleInputSingleOut)模态建立了该拓扑结构的状态空间模型，分析了功率电路占空比电感电流传递函数、占空比输入电流传递函数和占空比输出电压传递函数。其次设计了电流闭环控制器和电压闭环控制器，在保证母线电压稳定的前提下，可实现输出功率在功率型储能装置和能量型储能装置之间的精确分配。最后通过模拟HWFET工况验证，三端口变换器实现了输出功率在功率型储能装置和能量型储能装置之间的精确分配，且整个过程中电压闭环控制器输出电压和电流闭环控制器输出电流精度分别达到0.157%和0.2%;阶跃负载实验中，电压超调量仅为0.25%。

　　三端口功率变换器拓扑结构电动汽车混合储能装置多工况三端口功率变换器如图所示，主要包含电压闭环控制器及功率电路、电流闭环控制器及功率电路以及输出电容和负载端断路器。电流闭环控制器采用单闭环控制实现输出电流的精确控制;电压闭环控制器在电流闭环控制器的基础上，通过外加电压闭环控制，构成双闭环结构，以实现直流母线电压的稳定。该结构中功率型储能装置采用双闭环控制实现输出端电压稳定，其内环使用电流闭环控制、外环使用电压闭环控制可消除Boost电路右半平面零点引起的负载变化时，占空比不能立刻向稳态值靠近造成的瞬态响应差。能量型储能装置只采用电流闭环控制，其目的为了控制能量型储能装置的输入输出功率。

　　由于负载端采用并联结构，功率型储能装置可保证输出端电压稳定，所以只需控制能量型储能装置输出电流BAY，即可实现其输出功率BAT控制(BAT•BAY)。因此该电路拓扑结构中部分维持输出直流母线电压稳定，部分实现能量型储能元件功率精确输出。该拓扑功率电路包含双电感，相同输出功率下，与文献[18]中单电感结构相比，其每个电感电流较小。

　　由电感元件的电压电流关系(diuLdt)可知，电感电流较小，开关器件MOSFET关断时刻产生感应电动势较低，所以双电感结构对开关器件MOSFET的电压与电流应力较小。三端口变换器与DC/DC双向变换器相比，其存在多种工作模式，且在不同工作模式下功率流向不同。任意两个端口之间电能双向变换，可满足电动汽车在行驶、充电、再生制动等多工况下的功率变换需求。

　　本节以电动汽车行驶工况为例，简要分析能量型储能装置功率bat、功率型储能装置功率UC和负载需求功率load之间能量变换的四种模态，且三端口变换器工作过程中开关器件和分别互补导通。

　　1)当电动汽车负载需求功率load较大时，能量型储能装置功率密度无法满足负载需求。此时功率型储能装置与能量型储能装置共同向负载提供电能，三端口变换器工作在双输入单输出(DoubleInputSingleOut)模态。2)当电动汽车再生制动时，电动机作为发电机运行，从而将车辆的动能或位能变换为电能，并存储在能量型储能装置与功率型储能装置之中，得以再次利用，且满足loadbatUC。三端口变换器工作在再生制动(RegenerativeBraking)模态。

　　3)当电动汽车加速或启动后功率型储能装置SOC较低，此时需要依靠该模式对其电能补充。三端口变换器负载端存在背靠背断路器和，其可灵活控制负载端导通或关断，即batUCload或batUC。三端口变换器工作在单输入双输出(SingleInputDoubleOut)或单输入单输出(SingleInputSingleOut)模态。4)当电动汽车驻车后，为减少功率型储能装置自放电，可将功率型储能装置电能转移至能量型储能装置或者被车载装置利用。该模式下负载端背靠背断路器可调节三端口变换器工作在单输入双输出(SingleInputDoubleOut)或单输入单输出(SingleInputSingleOut)模态。

　　模拟HWFET工况试验为验证三端口变换器的性能，采用美国环境保护局制定的经典的模拟公路行驶的燃油经济性测试循环(HWFET)，该循环共有765秒[21]。所设计的实验流程如下：1)根据模拟HWFET工况的车辆状态计算出车辆需求功率，将需求功率导入可编程电子负载DL3021;2)设置直流母线电压40V、能量型储能装置以9.93A恒电流输出;3)使用示波器电流钳分别测量负载电流、三端口变换器中电压控制器和电流控制器输出电流，并测量电池、超级电容和负载端电压;4)启动可编程电子负载，记录模拟HWFET工况实验数据;为模拟HWFET工况共384步，每步持续时间秒，共持续768秒实验数据。整个过程中电流闭环控制器以恒功率提供负载需求低频分量;电压闭环控制器跟随负载实时功率需求做出快速响应，并维持负载端电压为40V。

　　可编程电子负载记录的三端口变换器输出电压数据，可知整个模拟HWFET工况中输出电压最大误差仅为0.157%。可知功率型储能装置电压为20V、能量型储能装置电压为12V，可保证负载端电压为40V、端电流4A状态下运行，但是功率型储能装置与能量型储能装置的端电流差异较大，且两者输出功率不可控。

　　为了进一步验证所设计三端口功率变换器在阶跃负载时的性能，设计如下两个实验：1)将可编程电子负载设置为变化的阶跃负载，负载需求电压为40V，运行中能量型储能装置由放电状态转换为充电状态;使用示波器电流钳分别测量负载电流、三端口变换器中电压控制器和电流控制器输出电流，并测量负载端电压;2)设置可编程电子负载需求功率瞬间为180W，测量三端口变换器输出端电压及输出电流。

　　为阶跃负载持续50秒内能量型储能装置与功率型储能装置实验数据。实验0~19秒电压闭环控制器与电流闭环控制器根据负载变化共同提供负载需求功率，2050秒功率型储能装置在向阶跃负载提供能量的同时还向能量型储能装置充电，过渡过程中三端口变换器输出端电压未出现明显变化，整个过程中负载端电压始终维持在40V。

　　三端口变换器效率实验为了验证三端口功率变换器在模拟HWFET工况下效率，设计如下实验：

　　1)根据模拟HWFET工况的车辆状态计算出车辆需求功率，将需求功率导入可编程电子负载DL3021;2)设置直流母线电压40V，能量型储能装置以低频稳态分量输出，功率型储能装置输出需求功率高频成分;3)使用示波器电压探头和电流钳分别测量三端口变换器三端口电压与电流;4)启动可编程电子负载，记录模拟HWFET工况实验数据;

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　　结论

　　理论分析和实验结果表明，针对电动汽车多工况运行状态所提出的三端口功率变换器的有效性体现在：

　　1)能够实现电能在功率型储能装置、能量型储能装置和负载之间的双向流动，有效的满足电动汽车在行驶、充电和再生制动等多工况运行;

　　2)模拟HWFET工况实验中三端口功率变换器中电压闭环控制器输出电压和电流闭环控制器输出电流精度分别达到0.157%和0.2%;阶跃负载实验中，电压超调量仅为0.25%，实现了功率型储能装置与能量型储能装置之间的高精度功率分流;三端口变换器模拟HWFET工况下平均效率约为91%，瞬时最高效率约为95%。

　　参考文献：

　　[1]施天灵汪飞张圣祺,等.直流船舶综合电力系统中混合储能的精确功率分配策略研究[J].电源学报020,18(6):1219.ShiTianling,WangFei,ZhangShengqi,etal.ResearchonaccuratepowerdistributionstrategyforhybridenergystorageinDCshipboardintegratedpowersystem[J]JournalofPowerSuply2020,18(6):1219(inChinese)

　　[2]陈维荣,黄锐森,陈隆,等.电动汽车电池技术发展综述[J].电源学报,2018,16(6):166–178henWeirong,uangRuisen,henLong,etal.Reviewofdevelopmentofbatterytechnologyforelectricvehicles[J]JournalofPowerSuply,2018,16(6):166–178(inChinese).

　　作者：申永鹏1，孙建彬1，杨小亮1，刘普1，李会仙2