電動(dòng)汽車混合儲(chǔ)能信息融合能量管理策略研究

吉祥，曾國建，許楊，楊法松，熊珊珊

（安徽銳能科技有限公司，安徽合肥，230009）

0 引言

為解決電動(dòng)汽車動(dòng)力性能和續(xù)駛里程受電池制造工藝制約的問題，采用動(dòng)力電池和超級電容的復(fù)合電源供電方式已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用[1]，為避免復(fù)合電源增加直流變換系統(tǒng)復(fù)雜程度，需要研究橋臂增容式多端口變換器拓展集成技術(shù)，進(jìn)一步減小系統(tǒng)體積和容量[2]。

在電動(dòng)汽車功率變換系統(tǒng)中，多端口變換器一般應(yīng)用于復(fù)合電源供電場合，如印度理工學(xué)院B.G.Fernandes 教授團(tuán)隊(duì)于2018 年提出的電動(dòng)汽車四端口車載電源[3]，端口分別連接動(dòng)力電池、超級電容、兩級式充電和驅(qū)動(dòng)的直流母線，能夠?qū)崿F(xiàn)多自由度功率傳輸，電源功率密度高。文獻(xiàn)[4]提出了一種兼有光伏接口的電動(dòng)汽車充電機(jī)，其中DC/DC 部分即為一種基于Buck/Boost 功率變換單元的隔離型MPC，能夠?qū)崿F(xiàn)高效雙向運(yùn)行；在國內(nèi)，天津理工大學(xué)李微博士于2018 年提出了一種隔離型三端口雙向LCLC 多諧振直流變換器[5]，其基本功率變換單元為全橋衍生拓?fù)?，通過多諧振結(jié)構(gòu)降低諧振腔電流應(yīng)力，提高開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)高效能量傳輸。電動(dòng)汽車充電、行駛、加減速和制動(dòng)等動(dòng)作信號(hào)繁雜且龐大，變換器運(yùn)行時(shí)需要基于這些動(dòng)作信號(hào)進(jìn)行工作模式的切換，從而改變相應(yīng)的端口連接方式[6]。

為了確保能量傳輸效率和工作獨(dú)立性，在復(fù)合電源供電場合更需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)集成度，本文擬改變傳統(tǒng)基于多繞組變壓器進(jìn)行變換器集成的思路，采用橋臂復(fù)用拓?fù)浼煞桨福瑫r(shí)通過降功率重組和機(jī)動(dòng)橋臂聯(lián)動(dòng)增容機(jī)制，在保障變換器額定功率的前提下盡可能精簡電路。因此，本文將基于多端口變換器的端口拓展與增容機(jī)制，研究電動(dòng)汽車混合儲(chǔ)能信息融合能量管理策略，提高電動(dòng)汽車的能量利用效率。

1 直流系統(tǒng)的增容機(jī)制

圖1 給出了基本功率變換單元演化過程，根據(jù)拓?fù)溲莼瓌t，圖1(a)所示為雙Buck/雙Boost 拓?fù)?，其在全橋拓?fù)涞幕A(chǔ)上增加了四個(gè)防直通電感，在工頻交直流變換場合，防直通電感常通過濾波電感實(shí)現(xiàn)等效，應(yīng)用于DC/DC變換器的高頻逆變/整流環(huán)節(jié)時(shí)，防直通電感通常與隔離變壓器進(jìn)行磁集成，以避免增加額外磁芯。根據(jù)圖1(a)可以演化出圖1(b)所示的繞組交錯(cuò)耦合型功率變換單元，其通過兩繞組在同邊磁芯上交錯(cuò)繞制，對比全橋拓?fù)?，其原副邊各增加了一路繞組，但兩路繞組共用一個(gè)磁芯，不會(huì)對體積造成明顯的影響；對比雙Buck/雙Boost 拓?fù)洌@組交錯(cuò)耦合型拓?fù)洳恍枰~外增加四個(gè)防直通電感，能夠減小磁集成的難度。

圖1 基本功率變換單元的演化

圖2 給出了基本功率變換單元的拆分方案，其將繞組交錯(cuò)耦合型拓?fù)洳鸱殖稍边吀鲀陕凡⒙?lián)的交錯(cuò)半橋拓?fù)?，且不改變原本的電氣連接方式，每路交錯(cuò)半橋都能夠獨(dú)立工作，這種拆分方式不僅能夠?yàn)橄到y(tǒng)重構(gòu)提供最小功率變換單元，也能夠?yàn)橄到y(tǒng)的故障容錯(cuò)提供可能性，這也是繞組交錯(cuò)耦合型基本功率變換單元所特有的優(yōu)勢。對于傳統(tǒng)全橋拓?fù)?，其拆分成兩個(gè)半橋時(shí)，需要通過電容串聯(lián)的形式從直流側(cè)中點(diǎn)引出橋臂輸出端口，從而改變電氣連接，反而會(huì)增加變換器體積成本，而對于繞組交錯(cuò)耦合型拓?fù)洌洳鸱謩t無需改變電氣連接?；趫D2 可得到變換器多端口拓展時(shí)的最小功率變換單元，即交錯(cuò)半橋變換單元，這種拓?fù)淠壳捌鋵?shí)已經(jīng)出現(xiàn)，被應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)場合，稱作“不對稱半橋”，利用繞組電流僅能單向流動(dòng)的特性進(jìn)行勵(lì)磁，該拓?fù)渲晕丛诠β首儞Q場合大量應(yīng)用，是因?yàn)槠洫?dú)立工作時(shí)功率管的電流應(yīng)力較大，且線圈電流存在直流分量。

圖2 基本功率變換單元的拆分

因此，同樣的功率等級下，相對于繞組交錯(cuò)耦合型拓?fù)?，交錯(cuò)半橋拓?fù)鋺?yīng)用于一體化直流變換系統(tǒng)時(shí)存在功率器件電流應(yīng)力大、變壓器易飽和的問題，要解決該問題，必須考慮最小功率變換單元的重組方案，令其僅在小功率情況下單獨(dú)工作，在大功率情況下仍然重組為繞組交錯(cuò)耦合型基本功率變換單元。因此，本文采用降功率半橋結(jié)構(gòu)和機(jī)動(dòng)橋臂的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，在保障變換器額定功率的前提下盡可能精簡電路，對于繞組交錯(cuò)耦合型基本功率變換單元，其性能相對于全橋拓?fù)渚哂忻黠@的優(yōu)勢，雖然不可避免增加了繞組數(shù)量，但可以通過共用磁芯解決該問題，在之前所討論的三端口集成系統(tǒng)中，多繞組對電路體積和成本的不利影響并未體現(xiàn)，因此是一種較為先進(jìn)的方案。然而，在復(fù)合電源供電場合，需要進(jìn)行端口拓展，每增加一個(gè)端口，繞組將成倍增加，此時(shí)若依然想保留基本功率變換單元無死區(qū)和高效率的優(yōu)勢，就必須解決多繞組的缺陷，在不影響系統(tǒng)性能的前提下設(shè)計(jì)更為精簡的電路結(jié)構(gòu)，其首要任務(wù)是對基本功率變換單元進(jìn)行拆分，尋找系統(tǒng)重構(gòu)的可能性。

圖3 給出了基于橋臂聯(lián)動(dòng)機(jī)制的多端口拓展方法，圖3(a)所示電路中，端口1、2 連接動(dòng)力電池，端口5、6 連接超級電容，端口3、4 對應(yīng)的半橋?yàn)闄C(jī)動(dòng)橋臂，目的是實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池或超級電容充放電時(shí)的增容，圖3(b)、圖3(c)給出了不同類型電源增容時(shí)的端口連接方式，根據(jù)電池和超級電容供電的功率需求，對于功率需求大的電源端，通過切入機(jī)動(dòng)橋臂實(shí)現(xiàn)增容，由此可以看出，機(jī)動(dòng)橋臂始終處于工作狀態(tài)，其并非冗余橋臂，此外本項(xiàng)目還將研究拓展端口的功率控制方案，實(shí)現(xiàn)各端口間不同功率流向的解耦控制。

圖3 基于橋臂聯(lián)動(dòng)機(jī)制的多端口拓展方法

2 功率分配方案

要實(shí)現(xiàn)直流變換系統(tǒng)的多端口拓展，必須實(shí)時(shí)判斷端口連接方式，從而確定系統(tǒng)的工作模式，這又依賴于系統(tǒng)的功率分配方案，其由電動(dòng)汽車的行駛工況所決定，并受到電池、超級電容本身狀態(tài)的制約，同時(shí)也與系統(tǒng)目前的連接方式有關(guān)。對于動(dòng)力電池和超級電容聯(lián)合供電模式，電機(jī)的需求功率大于動(dòng)力電池輸出的平均功率時(shí)，由超級電容輸出剩余的峰值功率；當(dāng)放電電流較大時(shí)，會(huì)對動(dòng)力電池產(chǎn)生沖擊，造成不可逆轉(zhuǎn)的損害，因此僅由超級電容供電；對于再生制動(dòng)模式，瞬間制動(dòng)電流過大也會(huì)對動(dòng)力電池造成，因此優(yōu)先將制動(dòng)能量回饋給超級電容。

在多影響因素下，采用基于聯(lián)合卡爾曼多傳感信息融合的功率分配方案，實(shí)現(xiàn)多端口變換器基于橋臂聯(lián)動(dòng)機(jī)制的簡化與增容，如圖4 所示，該方案算法包括一個(gè)主濾波器和四個(gè)子濾波器，四個(gè)子濾波器并行工作，獨(dú)立完成電動(dòng)汽車行駛工況、電池和超級電容狀態(tài)、直流變換系統(tǒng)橋臂連接狀態(tài)的量測，從而獲得相關(guān)因素影響下的局部最優(yōu)功率分配方案，并輸入到主濾波器中進(jìn)行全局信息融合卡爾曼濾波包括預(yù)測和更新兩個(gè)階段，在預(yù)測階段，狀態(tài)預(yù)測可表示為：

圖4 基于聯(lián)合卡爾曼多傳感信息融合功率分配方案

預(yù)測協(xié)方差矩陣為：

在更新階段，誤差增益矩陣可表示為：

協(xié)方差矩陣更新可表示為：

根據(jù)圖4，四個(gè)子濾波器代表四個(gè)子系統(tǒng)，則各子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波模型為：

其中n=1、2、3、4，則整體狀態(tài)的最優(yōu)綜合可以表示為：

通過采用直接方法進(jìn)行狀態(tài)方程和量測方程的建立，以電壓電流傳感器輸出信號(hào)、電池和超級電容管理系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)結(jié)果等作為輸入數(shù)據(jù)，確定功率分配方案，從而確定端口連接方式，實(shí)現(xiàn)基于降功率半橋功率變換單元多端口拓展的可靠增容。

3 仿真結(jié)果分析

搭建MATALB/Simulink 仿真模型，設(shè)定圖5 所示車輛行駛工況，得到超級電容和動(dòng)力電池在該工況下的放電電流，可以看出，在勻速運(yùn)行或緩慢加速、重載起動(dòng)、加速或爬坡情況下，動(dòng)力電池出力較大，此時(shí)處于動(dòng)力電池增容狀態(tài)，當(dāng)輕載起動(dòng)或瞬間加速、減速或下坡情況下，超級電容出力增大，此時(shí)處于超級電容增容狀態(tài)，但由于動(dòng)力電池為主供電電源，因此動(dòng)力電池的放電電流總體高于超級電容的放電電流。

圖5 混合儲(chǔ)能仿真結(jié)果

通過仿真分析可以得出結(jié)論，通過硬件電路的多端口擴(kuò)容和控制策略的功率分配方案，能夠在不增加硬件成本的前提下合理分配復(fù)合供電電源的出力方案，電動(dòng)汽車直流系統(tǒng)的集成度、成本和工作性能都能夠得到一定的提升。

4 結(jié)束語

本文提出基于電路拆分重構(gòu)和橋臂聯(lián)動(dòng)的橋臂增容式多端口拓展集成方案，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了基于聯(lián)合卡爾曼濾波的功率分配，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車在復(fù)合電源供電場合的應(yīng)用，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的集成度，減小系統(tǒng)的體積和成本。