基于Z源變換器的電動汽車超級電容-電池混合儲能系統(tǒng)
2017-5-23 11:39:54??????點(diǎn)擊：
浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員胡斯登、梁梓鵬、范棟琦、周晶、何湘寧，在2017年第8期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文指出，Z源變換器具有單級升壓、降壓、無死區(qū)、電壓畸變小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在電動汽車領(lǐng)域具有廣闊的前景。
提出一種基于Z源變換器的電動汽車超級電容-電池混合儲能系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)將儲能與驅(qū)動系統(tǒng)相融合，減少了電池功率變換器，降低了損耗與成本。
詳細(xì)分析通過Z源變換器實(shí)現(xiàn)混合儲能系統(tǒng)不同模式下功率分配的運(yùn)行機(jī)理。此基礎(chǔ)上提出功率分頻協(xié)調(diào)控制策略以提高混合儲能系統(tǒng)的響應(yīng)速度并實(shí)現(xiàn)各模式的無縫切換。
最后，為了避免短時尺度沖擊電流對電池的影響，設(shè)計(jì)電池瞬態(tài)峰值電流估計(jì)方法。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的混合儲能系統(tǒng)及控制策略的有效性。
混合儲能是提升車載儲能系統(tǒng)性能的有效手段之一。超級電容具有功率密度高、循環(huán)次數(shù)多、充放電倍率大等特點(diǎn)，有利于構(gòu)成超級電容-電池混合儲能系統(tǒng)以改善動態(tài)響應(yīng)、提高能量回饋效率、延長電池使用壽命等[1-3]。
目前，應(yīng)用較多的被動式混合儲能結(jié)構(gòu)將兩者直接并聯(lián)。雖然成本較低但由于電池電壓的鉗位作用，超級電容能量利用范圍有 限[4,5]。離網(wǎng)、并網(wǎng)儲能系統(tǒng)中多采用主動式結(jié)構(gòu)，利用分立的雙向DC-DC變換器構(gòu)成兩級式系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)具有易模塊化應(yīng)用、控制獨(dú)立等優(yōu)點(diǎn)，但是由于變換器需匹配各儲能單元的峰值功率，因此存在開關(guān)損耗、系統(tǒng)可靠性等方面的弱點(diǎn)，不利于在車載系統(tǒng)中應(yīng)用[6-8]。
文獻(xiàn)[4]綜述了六類主動式與被動式混合儲能系統(tǒng)，提出了一種利用輔助二極管減小超級電容變換器功率的方案。但在儲能單元的電壓不匹配情況下，運(yùn)行模式之間的無縫切換難以得到保障。文獻(xiàn)[9]提出了一種隔離型多端口雙向混合儲能變換器，并通過軟開關(guān)技術(shù)降低開關(guān)損耗，但該方法所需器件較多且控制復(fù)雜。
目前研究較多的是基于常規(guī)的DC-DC變換器，通過在儲能系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)、損耗、成本之間折中改善局部效果[8,10-12]。結(jié)合整車動力系統(tǒng)進(jìn)行的研究，國內(nèi)外僅有少量文獻(xiàn)報道。
其中，阻源網(wǎng)絡(luò)變換器具有將儲能與驅(qū)動器相結(jié)合的特點(diǎn)，因此受到人們的關(guān)注。阻源網(wǎng)絡(luò)通常指包含無源元件的二端口網(wǎng)絡(luò)，阻源網(wǎng)絡(luò)變換器主要包絡(luò)Z源變換器、準(zhǔn)Z源變換器、變壓器型Z源變換器、Γ型變換器等[13,14]。
該類變換器具有單級升壓、降壓變換、無死區(qū)、電壓畸變小，系統(tǒng)可靠性高等特點(diǎn)[15]。通過與混合儲能系統(tǒng)結(jié)合，有利于提高電動汽車儲能系統(tǒng)的整體性能。
文獻(xiàn)[16,17]比較了Z源逆變器與傳統(tǒng)DC-DC型兩級式逆變器在儲能應(yīng)用中的各自優(yōu)勢，在此基礎(chǔ)上研究了燃料電池-電池混合儲能系統(tǒng)，但缺乏能量回饋與分配等方面的研究，同時單電池供電模式下存在器件應(yīng)力高等方面的問題。
文獻(xiàn)[18]利用非對稱Γ型變換器，提升了混合儲能系統(tǒng)的電壓比。總體而言，此類系統(tǒng)由于燃料電池?zé)o法吸收能量，因此回饋模式下效率不佳、性能受到局限。
綜合以上分析，本文研究了Z源變換器在電動汽車超級電容-電池混合儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用。首先，分析了在牽引與回饋等工況下Z源變換器功率傳輸路徑，實(shí)現(xiàn)了無需輔助二極管的電池供電方式。其次，為提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)，研究了基于電機(jī)矢量控制的功率分頻協(xié)調(diào)控制策略，并對電池瞬態(tài)電流的預(yù)估進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析。最后，通過仿真與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
圖1 混合儲能系統(tǒng)框圖
結(jié)論
電動汽車復(fù)合儲能系統(tǒng)具有升壓比較低、空間尺寸小、可靠性及效率要求高等特點(diǎn)，因此利用Z-源變換器單級升壓、降壓的優(yōu)勢，可以擴(kuò)展超級電容的利用范圍并且省去了電池單元功率變換器。為提高混合儲能系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，在電機(jī)矢量控制中嵌入了儲能系統(tǒng)功率分頻協(xié)調(diào)控制方法。
同時為了提高電池的安全性能，對短時間尺度中電池峰值電流估計(jì)進(jìn)行了研究。最后，通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出的混合儲能系統(tǒng)及控制策略的有效性，該研究同樣適用于其他阻源網(wǎng)絡(luò)功率變換器與混合儲能系統(tǒng)。
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