吳志偉,張建龍,殷承良

(上海交通大學(xué)，汽車電子控制技術(shù)國家工程實驗室，上海 200240)

前言

隨著混合動力汽車混合度的提高,對能量存儲系統(tǒng)的功率密度要求進一步提高。能量存儲系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r如表1所示。將高功率密度的超級電容與高能量密度的電池結(jié)合起來構(gòu)成混合能量存儲系統(tǒng)，有利于改善系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)循環(huán)壽命。

目前利用直流變換器將超級電容和電池連接的混合能量存儲系統(tǒng)方案是研究熱點[1-4]。超級電容和電池的能量分配通過控制直流變換器來實現(xiàn)。直流變換器的控制技術(shù)主要分為電壓控制和電流控制技術(shù)。相對于電壓控制技術(shù)，峰值電流控制技術(shù)具有優(yōu)越的負(fù)載調(diào)整特性和抗輸入擾動能力，易于實現(xiàn)限流和過流保護等優(yōu)點[5-6]，因而獲得了廣泛應(yīng)用。本文中重點研究了峰值電流控制模式下直流變換器在混合能量存儲系統(tǒng)應(yīng)用中的動力學(xué)行為，在發(fā)生分岔和混沌現(xiàn)象時分析超級電容和電池的電壓關(guān)系。對于分岔和混沌現(xiàn)象，采用斜坡補償峰值電流控制方法，改善直流變換器的控制品質(zhì)。

表1 能量存儲單元發(fā)展?fàn)顩r

1 混合能量存儲系統(tǒng)方案

直流變換器是混合能量存儲系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵部件。文獻[7]中研究寬電壓輸入波動情況下應(yīng)力水平，發(fā)現(xiàn)升降壓半橋雙向直流變換器是該應(yīng)用的最佳選擇。圖1示出主動并聯(lián)混合能量存儲系統(tǒng)方案，超級電容通過該雙向直流變換器連接到直流母線，超級電容電壓可在寬范圍自由變化，所以超級電容能得到充分利用。電池直接連接到直流母線驅(qū)動電機，直流母線電壓相對穩(wěn)定。超級電容選用Maxwell BMOD0165 P048，工作電壓范圍為24～48V。

2 峰值電流控制下的混沌現(xiàn)象

以雙向直流變換器的降壓模式為例，分析開關(guān)電源中的動力學(xué)特性。降壓模式峰值電流控制框圖如圖2所示。

以流過電感的電流作為控制對象，將其與目標(biāo)電流比較的結(jié)果輸入到RS觸發(fā)器的R腳。輸出PWM信號對開關(guān)管S1進行開通和關(guān)斷控制，改變受控電流的大小。

降壓模式下，將峰值電流控制表示為

(1)

其中：M1=(Ub-Uuc)/L；M2=Uuc/L

式中：Ub和Uuc分別為電池和超級電容電壓；M1和M2分別為電流上升和下降的斜率值；Iref為目標(biāo)電流。

定義α為

α=M2/M1

(2)

圖3示出當(dāng)超級電容電壓為36V時，超級電容隨著電池電壓變化的動力學(xué)行為。在每個電壓下，隨機電流初始值經(jīng)過2 000個開關(guān)周期，取最后的500個開關(guān)周期結(jié)果，畫出動力學(xué)行為圖。由圖可見：當(dāng)電池電壓大于72V，即α<1時，迭代結(jié)果為不動點，被控電流穩(wěn)定；當(dāng)電池電壓等于72V，即α=1時，出現(xiàn)分岔現(xiàn)象，迭代結(jié)果出現(xiàn)兩周期點，電流發(fā)生次諧波振蕩；當(dāng)電池電壓小于72V，即α>1時，兩周期點逐漸變?yōu)槿我庵芷邳c，動力學(xué)行為變?yōu)榛煦纭?/p>

圖4示出當(dāng)電池電壓為74V時，超級電容隨著電壓而變化的動力學(xué)行為。由圖可見：當(dāng)超級電容電壓小于37V，即α<1時，迭代結(jié)果為不動點，被控電流穩(wěn)定；當(dāng)超級電容電壓等于37V，即α=1時，出現(xiàn)分岔現(xiàn)象，迭代結(jié)果出現(xiàn)兩周期點，電流發(fā)生次諧波振蕩；當(dāng)超級電容電壓大于37V，即α>1時，兩周期點逐漸變?yōu)槿我庵芷邳c，動力學(xué)行為變?yōu)榛煦?；?dāng)2Uuc=Ub時，出現(xiàn)分岔，隨著超級電容電壓升高，最終產(chǎn)生混沌現(xiàn)象。

當(dāng)電池電壓為72V，超級電容電壓為36V，直流變換器工作在兩周期點振蕩，電流紋波增大，見圖5。

當(dāng)電池電壓為60V，超級電容電壓為36V，直流變換器工作在多周期振蕩的情況，被控電流不穩(wěn)定，如圖6所示。當(dāng)出現(xiàn)分岔和混沌現(xiàn)象，直流變換器工作不穩(wěn)定，電流紋波大。

升壓模式下的峰值電流控制表示為

(3)

其中：M1=Uuc/L；M2=(Ub-Uuc)/L

按照降壓模式得到結(jié)論，當(dāng)α≥1，即Ub≥2Uuc時，升壓模式出現(xiàn)分岔，最終產(chǎn)生混沌現(xiàn)象。

3 斜坡補償

Mc=(M2-αcM1)/αc

(4)

當(dāng)超級電容電壓為36V,電池電壓為72V時,補償前后電感電流對比如圖7所示。補償后電感電流穩(wěn)定,未發(fā)生次諧波振蕩；未補償時，平均電流為91A,補償后平均電流為90.1A。

當(dāng)超級電容電壓為45V,電池電壓為72V時，電感電流如圖8所示。未補償時，平均電流為88.7A,補償后平均電流為78.8A。斜坡補償?shù)男甭手翟酱?，平均電流下降幅值也越大?/p>

4 結(jié)論

當(dāng)α≥1時,直流變換器工作過程中發(fā)生分岔和混沌現(xiàn)象，電流紋波大，控制品質(zhì)變差。采用斜坡補償方法，可使直流變換器在超級電容和電池電壓變化范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，不再發(fā)生分岔和混沌現(xiàn)象。

當(dāng)α>1時，斜坡補償?shù)男甭手翟酱?，平均電流下降幅值也越大?/p>

針對直流變換器在混合儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用，本文中通過建立直流變換器在峰值電流控制下的動力學(xué)模型，研究在電池和超級電容工作電壓范圍內(nèi)的動力學(xué)形態(tài)，總結(jié)分岔和混沌發(fā)生的規(guī)律。對于分岔和混沌現(xiàn)象，采用斜坡補償方法，使電感電流穩(wěn)定，改善直流變換器控制品質(zhì)，從而保證混合能量存儲系統(tǒng)的能量管理策略按照預(yù)期實施。

參考文獻

[1] Miller J M, Deshpande U, Dougherty T J, et al. Power Electronic Enabled Active Hybrid Energy Storage System and Its Economic Viability[C]. IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition,2009.

[2] Miller J M. Trends in Vehicle Energy Storage Systems: Batteries and Ultracapacitors to Unite[C]. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, VPPC 2008, Harbin.

[3] Jian C, Emadi A. A New Battery/ultra-capacitor Hybrid Energy Storage System for Electric, Hybrid and Plug-in Hybrid Electric Vehicles[C]. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, VPPC 2009:941-946.

[4] Miller J M, Sartorelli G. Battery and Ultracapacitor Combinations-Where Should the Converter Go[C]. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, VPPC 2010.

[5] RonLen.實用開關(guān)電源設(shè)計[M].王正仕,張軍明,譯.北京:人民郵電出版社,2006.

[6] 劉樹林,劉健,鐘久明.峰值電流控制變換器斜坡補償電路的優(yōu)化設(shè)計[J].電力電子技術(shù),2005,5:78-81.

[7] Schupbach R M, Balda J C. 35kW Ultracapacitor Unit for Power Management of Hybrid Electric Vehicles: Bi-directional dc-dc Converter Design[C]. The 35th IEEE Power Electronics Specialists Conference,2004, Aachen, Germany.