基于z源变换器的电动汽车超级电容-电池混合储能系统-胡斯登.pdf

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1、2017年4月 电工技术学报 V0132 No8第32卷第8期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Apr 20 1 7茁基于Z源变换器的电动汽车超级电容一电池混合储能系统胡斯登 梁梓鹏 范栋琦 周 晶 何湘宁(浙江大学电气X-程学院 杭州 310027)摘要 z源变换器具有单级升压、降压、无死区、电压畸变小、可靠性高等优点，在电动汽车领域具有广阔的前景。提出一种基于z源变换器的电动汽车超级电容电池混合储能系统。该结构将储能与驱动系统相融合，减少了电池功率变换器，降低了损耗与成本。详细分析通过Z源变换器实现混合储能系统不同模式下功率分配的

2、运行机理。此基础上提出功率分频协调控制策略以提高混合储能系统的响应速度并实现各模式的无缝切换。最后，为了避免短时尺度冲击电流对电池的影响，设计电池瞬态峰值电流估计方法。仿真与实验结果验证了所提出的混合储能系统及控制策略的有效性。关键词：z源变换器 电动汽车 混合储能 频率协调控制中图分类号：TM46Implementation of Z-Source Converter for Ultracapacitor-BatteryHybrid Energy Storage System for Electric VehicleHu Sideng Liang Zipeng Fan Dongqi Zhou

3、 Jing He Xiangning(College of Electrical Engineering Zhejiang University Hangzhou 3 1 0027 China)Abstract The Zsource converter features stepping updown in single stage，none dead_time andhigh reliability,which attaches great significance to electric vehicles(EV)An ultra capacitorbatteryhybrid energy

4、 storage system(HESS)for electric vehicles is proposed based on bidirectional ZsourcetopologyThe HESS is incorporated in the traction inverter system，and the DCDC converter for thebattery is omittedThe steady operation principles for power distribution in HESS modes are analyzedA frequency dividing

5、coordinated control is then employed to enhance the system dynamic responseand the seamless switchingEstimation methods for the battery peak current are also investigated，toavoid the impacts of shorttime inrush current on batteryFinally，the steady performance and transientresponse are verified by si

6、mulation and experimental resultsKeywords：Zsource converter，electric vehicle，hybrid energy storage，frequency dividingcoordjnated control引言混合储能是提升车载储能系统性能的有效手段之一。超级电容具有功率密度高、循环次数多、充国家自然科学基金(51407159)和台达环境与教育基金会电力电子科教发展计划(DREG2016011)资助项目。收稿日期2015-0414 改稿日期201505-14放电倍率大等特点，有利于构成超级电容一电池混合储能系统以改善动态响应、提

7、高能量回馈效率、延长电池使用寿命等卜31。目前，应用较多的被动式混合储能结构将两者直接并联。虽然成本较低但由于电池电压的钳位作用，超级电容能量利用范围有限4，51。离网、并网储能系统中多采用主动式结构，利用分立的双向DCDC变换器构成两级式系统，该结构具有易模块化应用、控制独立等优点，但是万方数据248 电工技术学报 2017年4月由于变换器需匹配各储能单元的峰值功率，因此存在开关损耗、系统可靠性等方面的弱点，不利于在车载系统中应用6-8。文献4综述了六类主动式与被动式混合储能系统，提出了一种利用辅助二极管减小超级电容变换器功率的方案。但在储能单元的电压不匹配情况下，运行模式之间的无缝切换难以

8、得到保障。文献9提出了一种隔离型多端口双向混合储能变换器，并通过软开关技术降低开关损耗，但该方法所需器件较多且控制复杂。目前研究较多的是基于常规的DCDC变换器，通过在储能系统动态响应、损耗、成本之间折中改善局部效果8,10-12】。结合整车动力系统进行的研究，国内外仅有少量文献报道。其中，阻源网络变换器具有将储能与驱动器相结合的特点，因此受到人们的关注。阻源网络通常指包含无源元件的二端口网络，阻源网络变换器主要包络z源变换器、准z源变换器、变压器型Z源变换器、r型变换器等13,141。该类变换器具有单级升压、降压变换、无死区、电压畸变小，系统可靠性高等特点D51。通过与混合储能系统结合，有利

9、于提高电动汽车储能系统的整体性能。文献16，17比较了Z源逆变器与传统DCDC型两级式逆变器在储能应用中的各自优势，在此基础上研究了燃料电池一电池混合储能系统，但缺乏能量回馈与分配等方面的研究，同时单电池供电模式下存在器件应力高等方面的问题。文献f18禾tJ用非对称r型变换器，提升了混合储能系统的电压比。总体而言，此类系统由于燃料电池无法吸收能量，因此回馈模式下效率不佳、性能受到局限。综合以上分析，本文研究了z源变换器在电动汽车超级电容电池混合储能系统中的应用。首先，分析了在牵引与回馈等工况下z源变换器功率传输路径，实现了无需辅助二极管的电池供电方式。其次，为提高系统动态响应，研究了基于电机矢

10、量控制的功率分频协调控制策略，并对电池瞬态电流的预估进行了数学分析。最后，通过仿真与实验进行验证。1 基于Z源变换器的混合储能系统工作原理11基本原理图l是本文提出的混合储能系统框图。系统包括三种电源和负载，即电池组、超级电容和驱动电机。无源网络由电感三1、三2与电容Cl、c2组成。车辆控制器负责协同控制参数，包括功率分配比例、运行响应带宽等。超级电容通过S，实现功率双向流幽l 混台储自E糸统性图Fig1 Proposed hybrid energy storage system动，电池组提供超级电容和电机之间的差额功率。对于z源变换器的基本原理和工作特性已有深入的研究1 5-21。输出线电压

11、、母线电压、电容电压分别为巧i。：圪。了M：(2VcK。)等 (1)Vbus 2高c )Vc-嵩 (3)式中，M为输出电压的调制比；D为直通占空比；为电容C。两端电压。由于c=zi。且Vc=吮，可以得到超级电容与电池的电压关系为c：11-2百D (4)式(1)中非直通状态下母线电压。=2一c。由于电池电压受电荷状态变化的影响较小，因此，与超级电容作为母线的结构相比【4，母线电压更稳定，同时c造成的输出电压变化可通过M快速补偿。12 运行模式与功率传输路径为了适应复杂工况，混合储能系统需具备多种运行模式。例如，功率需求较低时，由电池与电机进行能量交换；功率需求发生突变时，由超级电容与电池共同负担

12、1，41。表1中列出了主要的运行模式，其中O代表电源释放能量，I代表吸收能量。(1)低功率牵引、回馈模式：电机所需功率由电池提供，电机通过模式1与2同电池进行能量交换。(2)高功率牵引、回馈模式：电机功率由电池组与超级电容提供。在加速过程中，超级电容通过模式3输出峰值功率以提升响应速度。减速或刹车万方数据第32卷第8期 胡斯登等 基于Z源变换器的电动汽车超级电容电池混合储能系统 249时的能量通过模式6回馈到超级电容。(3)超级电容能量恢复模式：为了维持母线电压稳定，Tab1通过模式4与5对超级电容进行恢复。表1 混合储能系统工作模式Operation modes of proposed hy

13、brid energystorage system图2中给出了模式1、3、6下阻抗网络的功率传输路径，其他模式的分析类似。图2a与图2b展示了模式3的情形，即超级电容与电池向电机输出功率。直通状态下，C2对三。睦(e)模式I直通状念第一阶段(b)模式3 m“通状态Lfj模武l非直通状态第一阶段(g)模式1直通状态 (h)模式1非直通状态第二阶段 第二阶段图2不同模式下的功率传输路径Fig2 Power transfer in different operation modes充电，电池与cl对三2充电，1、上2储存能量；非直通时，电池与：构成功率输出回路，超级电容通过三1与三2输出功率。图2c

14、与图2d展示了模式6的情形，即电机向储能系统回馈能量，可视为模式3的逆过程。直通状态下，三1对C2充电，2对电池及C1充电；非直通时，电池通过三2吸收功率，超级电容通过三，与2吸收功率。图2e图2h展示了模式1的情形，即电机功率由电池单独提供，超级电容输出功率为零。此时，直通分为两个阶段，第一阶段如图2e所示，厶对电容c2充电，厶l下降。当厶1减小至零后进入第二阶段，如图29所示，厶1电流反向增加。而由于电池电压不变，因此直通状态下2的电流方向不变。非直通状态也分为两个阶段，第一阶段如图2f所示，超级电容通过。与三2构成的回路放电，丘，下降。当厶。减小至零后进入第二阶段，电池通过。对超级电容充

15、电如图2h所示。在非直通中，电池始终保持通过电感：向母线输出功率，而超级电容在其第一与第二阶段分别输出与吸收功率，若两阶段功率相消，超级电容可实现对外功率为零，与文献17相比，不再需要辅助二极管。忽略能量损失，可以得到各储能单元功率的理论关系为c知c+Ib=。Ib。 (5)式中，7；虻和瓦分别为超级电容和电池组电流的平均值；元。为母线电流平均值。将式(2)式(4)代入式(5)得(12D)Iuc+(1一D)Ib=Ib。 (6)式(6)表明不同储能单元的功率分配可以通过直通占空比D进行调节。万方数据250 电工技术学报 2017年4月综合以上分析及永磁电机矢量控制，可以设计得到混合储能系统整体控制

16、框图如图3所示。图3 系统整体控制榧图Fig3 Control scheme of proposed HESS图3中定子电流的交轴分量f。控制输出转矩，直轴分量i蚰控制电机励磁。永磁电机非弱磁运行时fsd=o，因此瓦，。与i。q成正比【211。电池与超级电容的电流根据式(6)实现稳态控制。为了进一步提升系统动态性能，图3中嵌入了功率分频协调控制器，将在第2节中讨论。2 功率分频协调控制根据小信号建模分析211，设计z源混合储能系统频率协调控制器原理，如图4所示。I冬I 4 Z源；昆合储能糸纡c删!：铲忉、“月托制JlI单Fig4 Frequency dividing coordinated c

17、ontrol scheme forproposed HESS图4左侧为分频控制器，G1为频率协调单元，G2为超级电容电流控制器，G3为超级电容电压控制器。分频响应完成后，超级电容电压由G2与G3恢， 。复到设定值。由于图4中超级电容环节专rvcCUCS十l造成其电流内环存在零点，引起低频增益降低，影响系统稳定。G2采用串联补偿结构以消除零点的影响，其表达式为(7)(8)式中，岛2、K2及峰3、K3分别为G2、G3的比例与积分环节系数。由式(7)、式(8)可以得到超级电容电流内环和电压外环的传递函数为q嘞(，+争志丽Cu丽c G咚(争)品 ，当电压环带宽远小于频率协调控制带宽时，可忽略电压环对频

18、率协调控制的影响22,231。此时，母线上对应的电池电流与总电流关系为cf=_bus2=1一G1 GfFguc (11)若Gf采用二阶低通滤波器，则Gf：了坠丛1 (12)铲万赢恭币万 2式中，fo为Gf的带宽，可得G1=等(1一Gf) (13)1 c Gf、根据式(12)、式(13)绘出超级电容与电池对母线功率波动的响应曲线，如图5所示。其中石表示各储存单元响应曲线的交点，可得到J1一cf(j29ft)I=lGf(j2nfl)I (14)105O兰罩沼一)妥一10一152010，I|7图5超级电容与电池对母线功率波动的响应Fig5 Response of UCs and batteries

19、to power fluctuation根据式(14)得石：7夏巩。功率波动中，频率低于部分由电池响应，其余由超级电容响应。1一S，J、2一BKs墨一s+，、，、2好q=呸q万方数据第32卷第8期 胡斯登等 基于z源变换器的电动汽车超级电容电池混合储能系统 2513 电池瞬态电流估计式(6)阐释了各储能单元稳态电流关系，本节将讨论电池的瞬态电流及其估计方法，从而为图1中车辆控制器参数提供参考，以避免瞬时冲击电流对电池的损害17,18。图6给出了模式1中直通与非直通状态下的换流情况。由于电池钳位作用，bb，。在图6a中的非直通状态下，电池电流厶满足b=L1也。图6b中的直通状态下，电池和并联的电

20、容C，共同对电感上1充电，得到b=-h2。ls(a)非直通状态 (b)直通状态图6 电池电流分析Fig6 Analysis of battery current根据伏秒平衡原理，得到电感三。及三：的电流分别为耻毕rn争(r一割0f如岛ft4 (15)瓦。+毕(即)撺l瓦：一半r珏譬(r一割五：+毕(即)一L1=瓦c珏等竽0ft3岛ft4 (16)表2 输出电压矢量与母线电流的关系Tab2 Relationship of DC-link current and voltage vector输出电压矢量组合z b。_，(的将表2中的厶。代入式(15)式(18)可以得到开关周期内的电流波形，如图7所

21、示。图7 开关岗期内各电流波形示意图Fig7 Demonstration of current waveforms in oneswitching period开关周期内，电池电流表达式为t4(tl b 2(17)(18)式中，疋为开关周期；L为电感。母线电流厶。随输出相电流及电压矢量而变化，见表2。7一坠里ff(X1)1UC 1一=_一f一瓦c一笙鳖卜f(X2)瓦c一坠錾，一弦*刎0tt1tt2乞tt3岛tt4瓦c+笙鳖(正一f)t4tt5元c+vb-Vuc(1一f)一f(X2)tst、t6Iuc qVb-Vuc(gf)一f(X1)t6tTs置，X2(墨，s2，s3)l墨，2，3o，1)f

22、1 9)o比如也厶也也oO1O1OO11叭叭m万方数据252 电工技术学报 2017年4月式(19)中f(a3定义见表3，表明通过稳态电流设定值和电压矢量以及储能单元电压可以估计出电池瞬态电流峰值。4仿真及实验为验证本文提出的混合储能系统的运行机理及数学推导，采用PSIM软件进行了不同功率下的仿真比较。仿真参数如下：超级电容电压为50V，电池组电压为100V，非均衡功率情况下阻抗网络电流仿真如图8所示。功率突变前后，厶2均不等于厶1，理论计算和仿真结果的比较见表3。一甚!。等已一漆。乏!o一。漳毒乏!一=S肇毒兰毒肇童乏、=三=g昌o， 篁!坠 ；， 篁!兰坚 d一L、 ，!。1【 ；： 一L

23、=：PTab3 Comparison of theory analysis andsimulation results其中，超级电容与电池电流的理论值己c。，。由式(4)得到，电感l与三2的电流理论值由式(15)、式(16)得到。结果表明阻抗网络的理论分析与仿真验证结果一致。接下来，在按比例缩小的实验平台上对混合储能系统进行不同工况下的牵引与能量回馈实验。实验平台主要参数见表4。表4实验平台参数Tab4 Parameters of scaledown experimental platform参 数 数 值电机额定功率kW电机额定电压V电机额定电流A电机额定转速(rmin)电池电压V超级电容电

24、压V电机定子频率Hzz源拓扑电感mHz一源拓扑电容IaF开关频率kHz图9展示了在牵引模式(模式1、3、4)下的稳态波形。其中，厶h。表示电机相电流。正向电流代表释放能量，反向电流代表吸收能量。为了获得平均值，图9中充放电电流经过低通滤波(100Hz)。图9表明各主要工况均可稳态运行，同时输出电流平稳，不受模式切换的影响。2 7 b。，：，。le洲州蝴W3W蛳粼16揪4w腓黼黼W晰恻粼，L( 一、。一一廿、 一一 1“r一 4 ，h2 3 4 5 6 7 8 9ts图9 主要牵引模式下系统运行实验波形Fig9 Experimental waveforms under main traction

25、 modes为了验证功率分频协调控制效果，利用电机突加减速进行混合储能系统动态响应验证。分频控制器的带宽设置A=5Hz，对应图5中的Z=322Hz。图10a中，由超级电容快速响应暂态变化，电池响应稳态功率。图10b中可以看到，完成响应后，超级电容进入模式4，恢复自身的能量与设定电压。图10表明功率分频控制避免时域切换造成的暂态过程，切换更平滑。图11中给出了图10a所对应的超级电容与电池弛姗眦如m啪5万方数据第32卷第8期 胡斯登等 基于Z源变换器的电动汽车超级电容一电池混合储能系统 253*萎毒蚕c歪一。茎 。毒薹基一薹r二o*_麦一岜；兰矗己。辇一善。一2。望、怒2(b)超级rU容IU J

26、j、恢复劁10 频率协渊托j制吱验结粜Fig1 0 Frequency dividing coordinated controexperiment results，l衄11囹，I(粤唑L，鼍，Hz、 h、图1 1 频率协调控制的FFT分析Fig1 1 FFT analysis for frequency dividingcoordinated control功率实验的FFT分析结果，可以看出两者功率在2535Hz的区间接近并出现更替，表明分频点位于此区间内，这与图5中Z=322Hz设置值相一致。通过仿真与实验验证不同功率下电池瞬态电流估计效果，如图12和图13所示。为了便于观察与比较，实验采取

27、了能引起较明显电流峰值的一组系统参数。图13a中给出了稳态运行时电池平均电流与实际电流，图13b中控制器根据式(19)计算开关周期内电池电流峰值九。，并通过模数转换芯片输出示波器，与实际电流进行比较。图12与图13表明，式(19)理论计算结果与仿真及实验结果吻合。 毛一?屯一；禹0二?高7145 j、二jj LJJJJ0 l 0 2 0 3 04 0 5tms(b)J部细1，劁图12 电池电流估计仿真j理论计算结果Fig1 2 Simulation of battery current estimation andtheoretjcal calculation毒0。+on：0墨=0o，(1 s

28、格)a)系统运仃例，忙n、*)L bj耋Ii|甘幽图13 电池瞬态电流估计实验Fig1 3 Experiment of battery current estimation5 结论电动汽车复合储能系统具有升压比较低、空间尺寸小、可靠性及效率要求高等特点，因此利用z一源变换器单级升压、降压的优势，可以扩展超级电嘲_一5居运系la警繁皿_r一_眦二，虻一I蚁jl响驯驯驯驯训删耻u万方数据254 电工技术学报 2017年4月容的利用范围并且省去了电池单元功率变换器。为提高混合储能系统的动态响应，在电机矢量控制中嵌入了储能系统功率分频协调控制方法。同时为了提高电池的安全性能，对短时间尺度中电池峰值电流

29、估计进行了研究。最后，通过仿真与实验验证了本文提出的混合储能系统及控制策略的有效性，该研究同样适用于其他阻源网络功率变换器与混合储能系统。参考文献Xiang C，Wang Y，Hu S，et a1A new topology andcontrol strategy for a hybrid battery-ultracapacitorenergy storage systemJEnergies，2014，7(5)：2874-2896Emadi A，Williamson S，Khaligh APower elec-tronics intensive solutions for advanced

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