儲(chǔ)開(kāi)斌, 郭俊俊, 馮成濤, 王 赟
(常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇常州213016)
電動(dòng)汽車、數(shù)字式移動(dòng)設(shè)備和醫(yī)學(xué)移植等系統(tǒng)具有脈沖負(fù)載的特性,其特點(diǎn)是瞬時(shí)的脈沖功率較高而平均功率較低,通常要求供電電源具有比能量高及比功率大的特點(diǎn)[1-2]。蓄電池是一種比功率小、比能量大的儲(chǔ)能元件,超級(jí)電容器具有比功率大的特征,將蓄電池與超級(jí)電容復(fù)合使用,利用蓄電池比容量大,超級(jí)電容比功率大的特點(diǎn),很好地滿足了脈沖負(fù)載對(duì)供電電源的要求,是目前應(yīng)用較為廣泛的一種供電方式[3]。
為幫助電氣專業(yè)學(xué)生掌握電力電子技術(shù),本文設(shè)計(jì)了一個(gè)蓄電池-超級(jí)電容復(fù)合電源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),作為電氣類專業(yè)的課程設(shè)計(jì)及綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目,該項(xiàng)目體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的工程性、實(shí)現(xiàn)方法的多樣性、知識(shí)結(jié)構(gòu)的綜合性、實(shí)踐過(guò)程的探索性。同時(shí),該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容還涵蓋了已學(xué)課程、拓展未學(xué)知識(shí),實(shí)現(xiàn)跨課程知識(shí)融合,已有知識(shí)與拓展知識(shí)融合。
蓄電池-超級(jí)電容復(fù)合電源系統(tǒng)中,蓄電池與超級(jí)電容的連接方式有:①被動(dòng)式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是將蓄電池與超級(jí)電容直接并聯(lián)使用,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn),但該結(jié)構(gòu)需蓄電池電壓與超級(jí)電容電壓相等,且超級(jí)電容對(duì)蓄電池的能量補(bǔ)償效果較差[4];②全主動(dòng)式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是將超級(jí)電容及蓄電池均通過(guò)DC/DC變換后與供電母線相連,該結(jié)構(gòu)靈活性強(qiáng),但需采集及控制的參數(shù)較多,且兩個(gè)DC/DC變換器同步控制較難,電源響應(yīng)較差[5];③半主動(dòng)式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將蓄電池直接與供電母線相連,超級(jí)電容經(jīng)DC/DC變換后接到母線中,該方法只要調(diào)節(jié)單個(gè)DC/DC,合理設(shè)計(jì)控制參數(shù)及算法,可以滿足復(fù)合電源對(duì)脈沖負(fù)載供電時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)要求[6]。
本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用半主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源如圖1所示。圖中將蓄電池及超級(jí)電容均進(jìn)行理想化,分別由理想電壓源與內(nèi)阻串聯(lián)等效[7-8]。圖中:E表示為蓄電池;UC表示為超級(jí)電容;R1表示蓄電池內(nèi)阻;R2表示超級(jí)電容的內(nèi)阻。
圖1 復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
在蓄電池-超級(jí)電容復(fù)合電源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,為滿足脈沖負(fù)載對(duì)復(fù)合電源的要求,提出了一種基于電流-電壓的雙環(huán)PID控制策略[9],結(jié)構(gòu)如圖2所示??刂圃?當(dāng)負(fù)載工作于脈沖瞬時(shí)大功率輸出時(shí),電流采樣器檢測(cè)到負(fù)載電流的大幅變化并送到PID控制器,PID控制器通過(guò)控制雙向DC/DC變換器能量補(bǔ)償規(guī)模,將超級(jí)電容的能量輸送給負(fù)載,達(dá)到補(bǔ)償作用;由于蓄電池自身特點(diǎn)及內(nèi)阻的影響,當(dāng)輸出較大的瞬態(tài)峰值功率時(shí),負(fù)載兩端電壓會(huì)大幅下降,系統(tǒng)同時(shí)將電壓取樣信號(hào)送到PID控制器模塊,輔助系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié),達(dá)到對(duì)蓄電池輸出功率進(jìn)行高質(zhì)量補(bǔ)償?shù)淖饔茫?0]。在負(fù)載間隙期,雙向DC/DC通過(guò)蓄電池對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行反向充電,以補(bǔ)充因動(dòng)態(tài)功率輸出而造成的能量損失。由于該控制策略的增益帶寬大,電流電壓調(diào)整率高,對(duì)輸出電流電壓瞬態(tài)變化的響應(yīng)快,所以輸出也相對(duì)穩(wěn)定,補(bǔ)償效果較好。
圖2 PID控制結(jié)構(gòu)框圖
蓄電池在不同的荷電下,母線電壓并不相同,因此,簡(jiǎn)單地依賴電壓變化無(wú)法進(jìn)行合理能量補(bǔ)償。本文將母線電壓變化與負(fù)載電流變化相結(jié)合,兼顧蓄電池的荷電對(duì)能量進(jìn)行分配,大大提高了超級(jí)電容對(duì)蓄電池能量的補(bǔ)償精度。
PID控制算法并不要求受控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,具有靈活性和適用性,采用雙環(huán)PID控制器,不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性,而且對(duì)于干擾回復(fù)迅速,提高了系統(tǒng)的魯棒性。電流-電壓雙環(huán)PID控制策略如圖3所示。電壓作為內(nèi)環(huán)控制,電流為外環(huán)控制,分別以電流和電壓作為反饋量進(jìn)行雙環(huán)PID控制,PID控制關(guān)系式為:
圖3 電流-電壓雙環(huán)PID控制策略
電流環(huán)作為PID控制外環(huán),通過(guò)電流傳感器采集母線中的負(fù)載電流變化量,利用PID外環(huán)電流控制策略,用超級(jí)電容補(bǔ)償大部分脈沖負(fù)載所需的瞬時(shí)能量,該控制策略具有反應(yīng)速度快的特點(diǎn),滿足脈沖負(fù)載的瞬時(shí)變化要求。電壓環(huán)作為PID控制內(nèi)環(huán),通過(guò)電壓采樣電路采集負(fù)載兩端電壓變化量,利用PID內(nèi)環(huán)電壓控制策略輔助調(diào)節(jié)超級(jí)電容對(duì)脈沖負(fù)載的能量補(bǔ)償,提高補(bǔ)償精度[11]。同時(shí),該控制策略還弱化蓄電池的電流波動(dòng),改善蓄電池的放電狀態(tài),延長(zhǎng)蓄電池的放電時(shí)間,達(dá)到提高蓄電池壽命的作用。
電流-電壓雙環(huán)PID控制策略的程序流程圖如圖4所示。
圖4 程序控制流程圖
為了驗(yàn)證復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略的可行性,在MATLAB仿真環(huán)境下,對(duì)圖1所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及圖3所示的控制策略進(jìn)行仿真,觀察蓄電池及超級(jí)電容的電壓與電流波形[12-13]。仿真參數(shù)如表1所示。
表1 半主動(dòng)式復(fù)合電源仿真數(shù)據(jù)表
在對(duì)脈沖負(fù)載供電時(shí),蓄電池及超級(jí)電容兩端電壓波形如圖5所示。由圖5可以觀察到,在脈沖負(fù)載處于間隙期時(shí),蓄電池兩端電壓約為25 V。負(fù)載脈沖期時(shí),蓄電池兩端電壓最低為24.4 V,電壓波動(dòng)0.6 V。而超級(jí)電容在脈沖負(fù)載間隙期兩端電壓為14 V,負(fù)載脈沖期最低電壓僅為10.1 V,電壓波動(dòng)為3.9 V。由此可知,由于超級(jí)電容在負(fù)載脈沖期提供了大部分的脈沖能量,使蓄電池兩端電壓波動(dòng)明顯減小。
圖5 復(fù)合電源的電壓
圖6所示為蓄電池與超級(jí)電容中的電流波形。由圖6可知,去除0~0.005 s的不穩(wěn)定期,蓄電池最大輸出電流僅為0.7 A,而超級(jí)電容提供的最大脈沖電流幅度達(dá)到3.5 A,超級(jí)電容在負(fù)載脈沖期提供了大部分補(bǔ)充能量,使蓄電池提供的電流波動(dòng)較小。
因此,從仿真結(jié)果來(lái)看,超級(jí)電容器在脈沖負(fù)載發(fā)生變化時(shí)能提供大電流能量補(bǔ)充,讓蓄電池只承受小部分電流,從而起到輔助電源的作用。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略能對(duì)脈沖負(fù)載提供合適的能量補(bǔ)償,滿足了脈沖負(fù)載對(duì)復(fù)合電源的要求。同時(shí),超級(jí)電容補(bǔ)償了大部分的脈沖能量,使蓄電池的電流波動(dòng)較小,優(yōu)化了蓄電池的負(fù)載特性,達(dá)到保護(hù)蓄電池的作用。
圖6 復(fù)合電源的電流
采用電流型脈寬調(diào)制電源芯片UC3842構(gòu)成Boost升壓DC/DC變換器[14-15],電路如圖7所示。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,采用STM32單片機(jī)作為電壓、電流的采樣及PID控制器,蓄電池由2只12 V—20 A·h的單體鉛酸電池串聯(lián)而成,額定輸出電壓為24 V。超級(jí)電容由5只2.7 V—650 F的單體電容串聯(lián)而成,其額定電壓為13.5 V。
圖7 DC/DC變換器電路
蓄電池-超級(jí)電容復(fù)合電源給脈沖負(fù)載供電時(shí)的電壓波形如圖8所示。由圖8(a)可知,在脈沖負(fù)載的作用下,超級(jí)電容電壓最低為9 V,較輕載電壓12.1 V下降了3.1 V;由圖8(b)可知,蓄電池電壓最小為24.4 V,較輕載電壓24.9 V 下降 0.5 V。蓄電池電壓在負(fù)載脈沖變化過(guò)程中,電壓變化較小,而超級(jí)電容電壓變化較大,與仿真結(jié)果一致。
圖9所示為復(fù)合電源中蓄電池及超級(jí)電容的電流波形。由圖9(a)可知,超級(jí)電容電流最大值為3.5 A,而輕載時(shí)電流幾乎為0 A,在負(fù)載脈沖期提供了較大的能量。由圖9(b)可知,蓄電池電流最大值僅為0.8 A,遠(yuǎn)小于超級(jí)電容提供的能量,驗(yàn)證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略的可行性。
圖8 復(fù)合電源電壓波形
圖9 復(fù)合電源電流波形
本文在分析了復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了一種基于半主動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及電壓-電流雙環(huán)PID控制策略的復(fù)合電源。在MATLAB環(huán)境下對(duì)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略進(jìn)行仿真,并搭建實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用蓄電池和超級(jí)電容同時(shí)向脈沖負(fù)載供電,負(fù)載大部分脈沖電流由超級(jí)電容提供,蓄電池只需要提供較小的負(fù)載電流。該方法滿足了脈沖負(fù)載對(duì)電源提出的比功率大、比能量大的特點(diǎn)。同時(shí),明顯減輕蓄電池在大電流時(shí)的放電壓力,改善了蓄電池的電壓紋波,從而延長(zhǎng)了蓄電池的放電時(shí)間,增加蓄電池的循環(huán)使用壽命,具有很好的應(yīng)用前景。