太阳能电动车混合储能系统的能量管理策略研究

熊连松，吴 斌，卓 放，马路遥

（西安交通大学 电气工程学院，西安 710049）

1 引言

近年来，混合动力电动车越来越受到重视，很多著名的汽车生产企业都在此领域进行了大量的投资。原因不仅仅是能源危机的冲击，更重要的是全球都在倡导低碳经济，努力减少碳氧化合物的排放以遏制全球气候变暖。最近各国政府相继提出的鼓励政策也证明了上述观点。文献[1]介绍的系统由引擎发电机、超级电容和蓄电池组成动力源，但仍然不是零排放系统，并且对于复杂的电力电子器件来说，其效率相当有限。文献[2]提出了一种只有超级电容做储能设备的纯电动车。超级电容具有很多的优势，如功率密度高、内阻小、可大电流快速充放电、可以在很大的温度范围内保持良好的工作特性。更重要的是充放电次数大（至少十万次），可深度放电。但也有一个很大的问题：能量密度很低，这就限制了这种车的行驶路程[3，4]。因此，一些科技人员正在研究提高超级电容能量密度的方法，希望能达到蓄电池的水平。然而，最简单有效的方法是在电动车上同时使用蓄电池和超级电容，根据它们各自的特点使其协调工作、各司其职。

有鉴于此，本文提出了一种新的纯电动车的能源系统，采用太阳能电池板、蓄电池、超级电容作为能源，通过电力电子电路来相互连接以及完成能量的传递。晴天的时候，太阳能电池板通过MPPT控制算法最大限度地吸收和转换太阳能，并将能量转移到蓄电池存储，从而实时地补偿蓄电池电能的消耗。本实验所用的负载直流无刷电动机需要48V的直流电源供电，由蓄电池直接供给。当电动车处于巡航状态的时候，消耗的能量不是很大，此时蓄电池的电压跌落可以忽略不计。当处于爬坡或加速状态的时候，电机将会需要很大的冲击性的大电流。这一大的电流冲击可能会导致蓄电池端电压产生较大的跌落，从而严重影响电机的供电质量。此外，大电流冲击性放电会严重缩短蓄电池的使用寿命[5]。因此，我们引入了超级电容，并且通过双向DC/DC变换器使之并联到蓄电池两端。当电动车巡航时，蓄电池在保障负载供电的前提下，给超级电容充电到额定电压。当系统需要瞬时大电流的时候，为了防止蓄电池放电电流超过最佳值范围，此时应该把双向DC/DC变换器控制成电流源，来供给电机所需的额外的电流，即蓄电池超级电容联合供电。这样就可以避免蓄电池电压的明显跌落，改善电动车的动态性能，延长蓄电池的使用寿命。

2 系统原理与构成

太阳能电动车的混合能源系统如图1所示。

图1 太阳能电动车混合储能系统示意图

其中Boost变换器用来实现太阳能给蓄电池充电过程中的MPPT控制算法。在使用MPPT控制算法实时充电的过程中，我们期望蓄电池的电压几乎保持恒定，Boost变换器的占空比只随着太阳能电池板的端电压和输出电流自动调整。与此同时，蓄电池直接向负载无刷直流电机供电。超级电容则作为系统的辅助能源以改善电动车的动态性能。当电动车处于巡航状态时，超级电容充电以存储一定的能量作为备用；当电动车处于加速或者爬坡状态时，超级电容对外放电以提供负载所需要的短时大电流。超级电容与外界之间的能量交换通过双向DC/DC变换器实现。这两种模式下的能量流向如图2所示。

3 能量管理控制算法

3.1 蓄电池充电控制

太阳能车在晴天行驶的时候，随着能量的不断消耗，太阳能充电器同时不断地收集太阳能，并且动态地向蓄电池充电。因此，充电器的设计和控制应当：第一，尽可能多地吸收太阳能；第二，充电的过程中应该防止蓄电池过充电，因为过充电会损毁蓄电池的寿命；第三，充电的过程应该是动态的、稳定的。因此，本文提出了一种迟滞控制方法来满足上述要求，控制流程图如图3所示。

图2 不同工况下的能量流向示意图

工作过程中，蓄电池的电压几乎恒定（本文设定蓄电池的工作范围为下限48 V，上限54 V），因此当boost变换器工作在连续模式的时候，输入电压将按照下式所述的关系自动调整：

其中Vin是boost变换器的输入电压，也就是太阳能板的输出电压，它可以根据boost变换器占空比的动态变化自动地调整到合适的大小，从而实现MPPT控制算法。为了使变换器在启动后快速地工作在连续模式，快速地跟踪最大功率点，MPPT控制算法的选择与优化十分重要。本文实验采用爬山法实现MPPT控制。这种方法实现起来十分容易，能够很好地跟踪太阳能电池板的最大功率输出点。

图3 充电过程控制流程图

图4 双向DC/DC控制策略

当负载工作时，电能直接从太阳能板传输至负载，当电动车停止运行或者处于下坡减速等能量回馈阶段的时候，太阳能充电器以很小的电流向蓄电池充电。54 V恒定电压充电控制模式需要与MPPT式：蓄电池恒流放电模式BCDM（Battery Current Discharging Mode）、超级电容恒流充电模式SCCCM(Super Capacitor Current Charging Mode)以及超级电容恒压充电模式SCVCM(Super Capacitor Voltage Charging Mode)。各个模式之间根据蓄电池放电电流（或者负载电流）的大小和超级电容电压的大小自动转换。具体的逻辑转换关系如图5所示。Iload表示负载电流；Vsc表示超级电容的电压。本文的实验装置中，蓄电池输出电流控制在15 A以内，即使负载所需要的电流超出了15 A这一极限，蓄电池的输充电控制模式协调起来。当蓄电池充电至54 V的时候,boost变换器自动工作在54 V恒定电压充电控制模式，使得蓄电池的电压限制在54 V。当蓄电池电压低于48 V的时候，重新启动MPPT充电控制模式。这种控制策略能够有效地防止蓄电池过充电，使之一直工作在安全的环境下。

3.2 双向DC-DC变换器的控制

超级电容非常适合大电流的快速充放电，而且充放电的次数长，因此它的主要任务是作为辅助电源，当电机负载处于加速、爬坡等需要瞬时大电流的时候提供短时的大电流放电，与蓄电池一起向负载供电。当负载电流小于蓄电池的最佳放电电流的时候，蓄电池将额外的电流提供给超级电容，使之达到一个合理的值，为下次放电存储一定的能量。这一控制策略可以表述为图4。其中，Im大于零时，超级电容充电；Im小于零时，超级电容放电，也就是说Im的正负代表了能量的双向流向。

图5 双向DC/DC各模式之间的逻辑转换关系

根据控制策略，双向DC/DC主要有3种工作模出电流也依然被限制在15 A以内。在能量管理控制策略的保障下，超级电容与蓄电池根据各自特性，各施所长、协调有序地工作。

（1）蓄电池恒流放电模式BCDM

如图6所示，为了限制蓄电池输出电流，系统工作在蓄电池恒流放电模式BCDM。根据电路学的理论，双向DC/DC变换器可以十分灵活地调节输出电流，为了使超级电容来全额补充负载需要的额外电流，从而使蓄电池恒流放电，也即负载电流与双向DC/DC变换器输出电流的差值应当被控制成恒定值（15 A），即蓄电池恒流放电模式。这一工作模式的控制目标是：当负载电流超出正常值范围的时候，控制环的参考值设定为蓄电池期望的输出电流。同时，将电流传感器检测到的蓄电池电流作为反馈。当然，这一设计思想与通用的DC/DC变换器的控制目标明显不同。

图6 蓄电池恒流放电模式BCDM

(2)超级电容恒流充电模式SCCCM

当负载所需要的电流小于蓄电池的最佳放电电流值的时候，蓄电池在给负载供电的同时，将多余的电流给超级电容充电。超级电容有两种充电模式：恒流充电模式、恒压充电模式。尽管超级电容能够承受大电流冲击，但是在超级电容电压严重低于给定电压的时候不宜使用恒压充电模式。这种情况应优先考虑使用恒流充电模式。这时候，双向DC/DC变换器被控制成电流型的Buck电路。实验装置中，Buck电路低压侧为超级电容，其值为120 F。图7所示即为这一工作模式的单环控制回路。根据Buck电路的工作原理，我们采用小信号模型来设计PI调节器的参数，实现系统的稳定工作。

(3)超级电容恒压充电模式SCVCM

当超级电容充电到设定的最佳电压值的时候，双向DC/DC变换器自动切换到恒压充电模式SCVCM。此时，变换器依然工作在Buck模式，其控制目标则为保持输出电压恒定，且为超级电容的最佳电压值，电路拓扑与控制回路如图8所示。这一工作模式下，电动车处于巡航模式，超级电容处于涓流充电或者不充电的状态，电压始终维持在合适的大小范围内，以备电机负载发生突变时及时给电动车提供短时的大电流。此外，可以保障超级电容电压不超过最大极限值。

图7 超级电容恒流充电模式SCCCM

4 仿真研究

为验证本文提出的混合储能系统控制策略的正确性，本文使用PSCAD进行了仿真实验。模型根据图1所示的拓扑搭建，电路参数：装置设计功率3.8 kW，光伏最大输出功率150 W，开关频率为20 kHz，4个12 V，60 Ah蓄电池串联，超级电容120 F，安全工作电压上限为27 V，设定的工作电压范围为10～20 V。蓄电池与超级电容的最佳工作电压电流范围应该根据实际产品具体设定，没有统一的数值，本文的设定主要是为了验证控制思想的可行性。

本文分两种情况对电动车的工作模式进行了仿真研究。第一种情况主要是针对超级电容在充电的过程中，两种充电模式之间转换的仿真。第二种情况主要是验证蓄电池恒流放电工作模式下的控制算法。

4.1 SCCCM与SCVCM之间的切换

当负载电流很小的时候，蓄电池同时向负载和超级电容供电。超级电容的充电电流设定为10 A，仿真结果如图9所示。因为电感L2直接与超级电容串联，所以我们可以通过观察电感L2的电流来判断超级电容的电流情况。从图9我们可以清楚地看到刚开始的一段时间内（电压达到20 V之前），双向DC/DC变换器以10 A的恒定电流向超级电容充电。这一段时间内，超级电容的电压线性地升高。当接近设定电压值20 V的时候，变换器开始工作在恒压充电模式以控制超级电容的端电压维持在20 V。因此，充电电流相应地逐步减少到零。这一结果表明：电路能根据实际需要，在SCCCM与SCVCM之间平滑自动地切换。

图8 超级电容恒压充电模式SCVCM

图9 超级电容充电模式的切换

4.2 BCDM的仿真

负载电流发生阶跃性地突变，从5 A跳变到20 A。根据控制算法，假定蓄电池电流应当限制在 15 A以内。因此，当负载电流大于15 A的时候，超级电容通过双向DC/DC变换器开始放电。无论负载怎么变化，蓄电池电流始终限制在15 A。仿真结果如图10、图11所示。

图10 双向DC/DC变换器电流的变化情况

图11 蓄电池电流的变化情况

图12 实验装置的主电路

图13 双向DC/DC变换器电流的变化情况

在图10中，当电流指令从5 A突变到20 A的时候，负载消耗的固定功率超出了设计的蓄电池的最佳输出功率。此时，超级电容通过双向DC/DC变换器释放出能量以提供负载所需的额外的功率。随着放电过程的不断进行，超级电容的电压逐步降低。为了维持一个固定的放电功率，电容电流逐渐增加。当负载电流再次发生阶跃，回落到5 A的时候，电感L2的电流变成负的 10 A，这就意味着蓄电池又开始对超级电容充电了。图11仿真的是当负载变成20 A的时候，蓄电池的输出电流被控制在期望的15 A左右。仿真结果表明了BCDM控制策略的正确性和有效性。

5 实验结果

本文还从实验的角度对控制算法进行了验证。使用的试验样机如图12所示，器件的参数根据表1进行选择。与仿真相比，负载不再是一个能发生精确阶跃变化的理想电流源了，而是换成了直流无刷电机。这也就意味着实验更准确地模拟了电动车的实际情况。

与图9、图10和图11中所示的仿真结果相对应的实验结果如图13、图14和图15所示。仿真结果与实验结果十分地吻合，因为二者使用了同样的控制算法和电路参数。

图14 超级电容充电模式的切换

图15 蓄电池电流的变化情况

实验结果有力地证明了混合能源系统控制策略的正确性和有效性。图13表明：超级电容充电直到20 V，这一期间双向DC/DC变换器的工作模式从SCCCM过渡到 SCVCM，最终使超级电容电压稳定在20 V。图14表明：当电机负载从重载变化到轻载的时候，超级电容逐渐从放电模式切换到充电模式。图15表明：即使负载处于重载的时候，蓄电池的输出电流也始终限制在15 A以内。实验同时表明：BCDM，SCCCM，SCVCM这三种工作模式之间可以根据运行工况的需要，很容易地进行平滑切换。瞬态过程证明了每一种工作模式的控制器设计的十分良好、有效。

需要说明的是，本实验重点关注了双向DC/DC变换器，因为这一电路才是混合能源系统实现能量管理控制的关键部分。通过boost电路实现太阳能的最大功率输出这一技术相对而言已比较成熟了，实现起来十分简单，因此本文没有过多考虑boost电路的设计和控制。但作为一个完整的试验系统，由太阳能电池板转换的能量，并且传递给了蓄电池或者负载 ，其对整个系统的运行十分重要。

6 结论

本文首先给出了一种纯电动车的设计方案——含太阳能、蓄电池、超级电容的混合能源系统方案，并且给出了连接与协调这三种电源的电路拓扑和控制策略。这一电路拓扑能够实现最小的变换器损耗，显著改善电动车的动态性能，延长蓄电池的使用寿命。文章深入研究并提出了各电源协调工作的能量管理控制算法，仔细分析了电路的三种典型工作模式，并且设计了各工作模式下的控制方法。研究了各种工作模式之间切换的逻辑关系。最后通过仿真与实验论证了控制算法的正确性、有效性，即蓄电池能够实现输出电流的控制，避免了频繁的、冲击性的充放电。超级电容能够快速、平滑地实现充放电，显著地改善了电动车的动态性能。

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