混合动力电动汽车的复合电源功率分配控制策略

江苏理工学院电气信息工程学院、南京工程学院电力工程学院的研究人员王琪、孙玉坤、罗印升，在2017年第18期《电工技术学报》上撰文，提出一种混合动力电动汽车的复合电源功率分配控制策略。复合电源中蓄电池作为主电源，超级电容器作为辅助电源，主电源和辅助电源各自经过一个升压变换器和升降压变换器连接至直流母线端，两种电源之间的能量转换由功率变换器实现。

控制策略的控制目标为：①稳定直流母线电压；②精确跟踪超级电容器电流参考值；③控制系统实现全局渐近稳定。在MatlabAdvisor仿真环境下对复合电源以及所提控制策略进行建模与仿真，并搭建了试验样机进行试验。

仿真和试验结果表明：所提复合电源功率分配控制策略能较好地满足以上三个控制目标，充分发挥复合电源中蓄电池和超级电容器的优势。

石油危机和环境问题一直是汽车制造商长期以来所担心的问题。在不改变汽车动力性能的前提下，国内外学者们展开了未来汽车技术的研究。在这些技术中，混合动力电动汽车（Hybrid ElectricVehicles, HEV）是一个有效且具有发展前景的解决方案[1]。

混合动力电动汽车顾名思义是由多种动力源组成的电动汽车，通常情况下多种动力源主要分为两类：一是具有高能量存储能力的主电源，一般采用蓄电池；二是具有高功率存储能力和高可逆性的辅助电源，目前研究得较多的是超级电容器（Ultra-Capacitor,UC）。主电源保证了汽车的行驶里程，而辅助电源则保持了汽车具有良好的加速和制动性能。

若将蓄电池作为汽车的单一电源，汽车在行驶过程中，蓄电池并不总能满足负载能量和功率的双重需求[2]。例如，汽车在起动、加速以及再生制动状态下，蓄电池很难提供负载所需的高功率需求以及快速回收再生制动能量。而超级电容器凭借其功率密度大，充放电速度快等优点，可以瞬时对蓄电池进行功率补偿，同时充分回收再生制动能量[3]。因此，将蓄电池和超级电容器相结合构成多动力源，具有较强的研究意义和实用价值。

为了确保蓄电池、超级电容器和负载三者之间的能量和功率动态流动，通常会将蓄电池和超级电容器各自串联一个功率变换器后再并联，通过主动控制功率变换器，使得蓄电池和超级电容器及时出力，随时满足负载的能量和功率需求[4]。所以，将蓄电池、超级电容器和功率变换器三者组合，称之为复合电源（Hybrid EnergyStorage System, HESS）。

复合电源控制策略即控制功率变换器，文献[5,6]采用了传统的线性控制技术对复合电源进行了控制，但是无论是功率变换器还是超级电容器都属于非线性器件，所以采用线性控制策略，系统稳定性有待提高。非线性控制包括逻辑门限控制[7]和模糊逻辑控制[8]和滤波控制等。

文献[9]指出，逻辑门限控制和模糊逻辑控制都是基于规则的控制策略，只是模糊逻辑控制策略中的门限值被模糊化了，这两种控制策略的控制思想大致相同，规则集也基本类似，控制规则比较固定，不能及时在线调整。而对于滤波控制基本上都是以控制超级电容器的电压来对蓄电池和超级电容器进行功率分配，不能很好地适应工况的变化[10,11]。

文献[12]提出了一种基于四因子法的功率分配策略，四因子即电机需求功率电量消耗模式、电量维持模式切换时动力电池的荷电状态、超级电容补电上限、动力电池恒放电功率，要对四个因子进行协调控制，控制难度很大，不易实现。

本文设计了一种复合电源功率分配控制策略，其控制目标为：①稳定直流母线电压；②精确跟踪超级电容器电流参考值；③控制系统实现全局渐近稳定。在Matlab仿真环境下对复合电源以及控制策略进行建模和仿真，同时搭建了复合电源系统试验样机进行试验。仿真和试验结果均验证了该控制策略的有效性。

图1 复合电源在混合动力电动汽车中的电路结构

图7 复合电源试验样机

结论

本文在分析混合动力电动汽车复合电源拓扑结构的基础上，提出了一种复合电源功率分配控制策略。建立了复合电源系统模型，并对该控制策略进行设计与分析。

在Matlab仿真环境下对复合电源及其功率分配控制策略进行建模和仿真，并搭建复合电源样机进行试验研究，得到如下结论：1）本文中建立的复合电源系统模型可行，能准确地反映出复合电源的固有特性；2）功率分配控制策略设计合理，控制目标可以实现；3）在所提出的控制策略下，蓄电池和超级电容器各自能发挥所长，优势互补。