续 丹，周 欢，王 斌，曹秉刚，汪建林

(西安交通大学，机械制造系统工程国家重点实验室，西安 710049)

前言

由于能源危机，高效节能的电动汽车已成为汽车领域的一种发展趋势[1-3]。作为电动汽车传统储能装置的电池(Bat)，虽然能量密度高，但功率密度低且循环寿命短。超级电容(ultra-capacitor，UC)则功率密度高、循环寿命长，但能量密度偏低[4-5]。如果将电池和超级电容组成复合电源，就能实现电池和超级电容互补，既保证了高功率输出，又实现了高密度储能，还能有效延长电池的使用寿命[6]。

设计复合电源结构的关键是充分发挥电池和超级电容的优势。通常采用直流变换器(DC-DC)使电池提供低频和稳定的功率，超级电容提供其余功率以“削峰填谷”，避免电池受高频和峰值电流冲击，可有效延长电池的使用寿命[7]。

传统复合电源结构可分为被动式、主动式和级联式。被动式结构的电池和超级电容直接并联，不能对能量源进行有效控制[8-9]。主动式和级联式复合电源结构见图1。主动式结构的电池和超级电容分别配置DC-DC后再并联，电机逆变器的母线输入电压不稳定，控制较为复杂；而级联式结构采用串联方式，电机逆变器的输入电压相对稳定，且可有效增大超级电容的可用电压范围和提高能量利用率，但每级DC-DC的能量损失较大，由于存在两个DC-DC，所以成本也较高[10-14]。为提高级联式复合电源的性能，降低成本，本文中提出一种简化级联式电动汽车复合电源。

图1 传统复合电源结构

1 简化级联式复合电源结构

1.1 结构设计

设计的简化级联式复合电源结构见图2，电池通过第一级BUCK/BOOST后，再与超级电容结合通过第二级BUCK/BOOST进行工作，形成了简化级联式结构。此结构共有6种工作模式：UC单独驱动(车辆)模式、UC与Bat共同驱动模式、Bat驱动并为UC充电模式、UC驱动并为Bat充电模式、UC单独回收模式和UC与Bat共同回收模式。由于有4种驱动模式，可根据需求功率、超级电容SOC和电池SOC进行模式选择，使复合电源以最优模式工作，以提高系统效率。制动能量回收时，首先利用超级电容进行回收，并在超级电容充满后，将剩余能量降压后由电池回收，从而更充分地回收制动能量，以保证能量利用率。同时简化了级联式结构，减少能量在元器件上的损耗，提高了系统效率。

图2 简化级联式复合电源

1.2 模式分析

1.2.1 UC单独驱动模式

UC单独驱动模式如图3所示，它用于超级电容SOC较高，大功率输出的工况。开关 SW1，SW2和SW3都关闭，超级电容直接提供能量。

输出关系为

式中：Uout为输出电压；UUC为超级电容电压。

图3 UC单独驱动

1.2.2 UC与Bat共同驱动模式

UC与Bat共同驱动模式是主要的驱动模式，如图4所示。SW3关闭，调节 SW1和SW2，进行驱动能量分配，超级电容和电池共同供能。

图4 UC与Bat共同驱动

式中：IL1为通过L1的电流；IL2为通过L2的电流；UBat为电池工作电压；R为负载电阻。

1.2.3 Bat驱动并为UC充电模式

Bat驱动并为UC充电模式如图5所示，主要用于超级电容SOC偏低的工况。SW1和SW3关闭，调节SW2，形成电池为输入，负载和超级电容为输出的BOOST电路，使电池升压输出，供能并给超级电容充电。

当SW2导通时：

图5 Bat驱动并为UC充电

式中：RL1为 L1的内阻值；RUC为 UC 的内阻值；CUC为

UC的充电电容值。

1.2.4 UC驱动并为Bat充电模式UC驱动并为Bat充电模式如图6所示，它是不常用的模式，主要用于电池电量过低的极端工况。

SW2和SW3关闭，调节SW1，形成 UC为输入端，负载和电池为输出端的电路。

图6 UC驱动并为Bat充电

式中RL2为L2的内阻值。

1.2.5 UC单独回收模式

UC单独回收模式如图7所示，它是制动回收的主要模式，充分利用超级电容的充放电特性，避免对电池直接充放。SW1和SW2关闭，调节SW3，形成逆变器为输入，超级电容为输出的BUCK电路，制动能量降压后，由超级电容单独回收。

图7 UC单独回收

式中Uin为制动回收能量的电压值。

1.2.6 UC与Bat共同回收模式

UC与Bat共同回收模式如图8所示，主要用于超级电容SOC趋于饱和，仍为制动状态的工况。SW2关闭，SW3导通，调节 SW1，形成逆变器为输入，电池为输出端的BUCK电路，超级电容直接回收时，剩余的制动能量降压由电池回收。

当SW1导通时：

式中RBat为电池内阻值。

图8 UC与Bat共同回收

2 模式验证

采用Simulink对简化级联式复合电源的6种工作模式进行仿真验证。设定电池工作电压为16V，初始SOC为50%，超级电容工作电压为20V，PWM波频率为50kHz。驱动时负载电阻为4Ω，制动回收时回收电压为60V。

UC单独驱动模式时，SW1，SW2和SW3的控制占空比均为0，超级电容直接进行驱动。仿真结果见图9，超级电容SOC从85.56%下降到82.37%，电池SOC基本不变，只有超级电容参与供能，验证结果表明该模式可行。

图9 UC单独驱动模式仿真结果

UC 与 Bat共同驱动模式时，SW1，SW2和 SW3的控制占空比分别为0.5，0.6和0。仿真结果见图10，超级电容SOC从85.56%下降到80.38%，电池SOC从50%下降到49.09%，超级电容和电池均供能，验证结果表明该模式可行。

Bat驱动并为UC充电模式时，SW1，SW2和 SW3的控制占空比为0，0.5和0。仿真结果见图11，超级电容SOC从76.09%上升到76.21%，电池SOC从50%下降到48.94%，电池供能并为超级电容充电，验证结果表明该模式可行。

图10 UC与Bat共同驱动模式仿真结果

图11 Bat驱动并为UC充电模式仿真结果

UC驱动并为Bat充电模式时，SW1，SW2和SW3的控制占空比为1，0和0。仿真结果见图12，超级电容SOC从85.56%下降到76.85%，电池SOC从50%上升到50.46%，超级电容供能并为电池充电，验证结果表明该模式可行。

图12 UC驱动并为Bat充电模式仿真结果

UC单独回收模式时，SW1，SW2和SW3的控制占空比为0，0和0.2。仿真结果见图13，超级电容SOC从85.56%上升到86.73%，电池SOC基本不变，制动能量降压后，由超级电容单独回收，验证结果表明该模式可行。

图13 UC单独回收模式仿真结果

UC 与 Bat共同回收模式时，SW1，SW2和 SW3的控制占空比为0.5，0和1。仿真结果如图14所示，超级电容SOC从85.56%上升到100%，电池SOC从50%上升到55.94%，该模式下回收能量部分由超级电容回收，剩余能量经降压处理由电池回收，验证结果表明该模式可行。

图14 UC与Bat共同回收模式仿真结果

3 稳定性控制与验证

为保证系统稳定运行，需要保证系统的电磁兼容性能。复合电源中的MOSFET和续流二极管工作频率为20kHz，由于高频工作，所以会存在电磁干扰，是电路系统中的主要干扰源。选择380μH的电感充分蓄能，在输出端和电池端并联滤波电容以减少对能量源和输出端的干扰。MOSFET选择大功率、高电压型的IRF3815，并为加强MOSFET的电磁兼容性能，减小干扰冲击，保护系统正常工作，设计了MOSFET的RC吸收电路，如图15所示。

在提高了系统的电磁兼容性的基础上，系统功率输出时负载的波动和制动回收时输入电压的波动，也都会引起电池不稳定工作，缩短电池寿命。因此为有效地延长电池寿命，还需对电池的工作电流进行模糊控制。控制结构见图16。

利用模糊控制思想，将电池工作电流与参考电流比较，通过判断电流与参考值的误差e及其变化率ec，调节SW1，SW2和SW3的控制占空比，实现闭环控制。涉及到电池的工作模式共有4个：Bat和UC共同驱动模式、UC驱动并为Bat充电模式、Bat驱动并为UC充电模式和Bat与UC共同回收模式。其中UC驱动并为Bat充电模式使用较少，电池工作电流较小且对负载变化不敏感，所以没有进行模糊控制。

图15 RC吸收电路

图16 控制结构

将e，ec划分为S，M和B，分别代表小、中和大。SW1，SW2和 SW3的控制占空比划分为 Z，S，M，B 和O，其中Z和O代表截止和导通，S，M和B分别代表小、中和大。模糊规则见表1。

制定模糊控制规则的主要依据如下：

(1)Bat和UC共同驱动模式时，SW3始终截止。当输出电流偏大，e为B时，相应地调整SW1和SW2以减小电流；当输出电流偏小，e为S时，相应地调整SW1和SW2以增大电流，从而保证电池以参考电流值进行驱动。

(2)Bat驱动并为UC充电模式时，SW3始终截止，SW1始终导通。当输出电流偏大，e为B时，相应地减小SW2占空比为S以减小电流，当输出电流偏小，e为S时，相应地增大SW2的占空比为B以增大电流，从而保证电池以参考电流值进行驱动。

(3)Bat和UC共同回收模式时，SW3始终导通，SW1始终截止，超级电容直接回收，形成逆变器为输入，电池为输出的BUCK电路。当回收电流过大，e为B时，相应地减小SW1占空比为S以减小电流，当回收电流过小，e为S时，相应地增大SW1占空比为B以增大电流，从而保证电池以参考电流值进行回收。

表1 模糊控制规则表

当复合电源工作在UC与Bat共同驱动模式时，设定L2的参考电流为20A，负载在2～6Ω之间变化，试验结果见图17(a)。由图可知，模糊控制能使电池输出电流稳定时间缩短0.75s，并使输出稳定后的波动幅值减小。

当复合电源工作在Bat驱动并为UC充电模式，设定的L2参考电流为20A，负载在2～6Ω之间变化时，试验结果见图17(b)。由图可知，模糊控制能使电池输出电流稳定时间缩短0.6s，并使输出稳定后的波动幅值减小。

当复合电源工作在Bat与UC共同回收模式时，设定的L2参考回收电流为20A，回收输入电压在50～70V之间变化，运行结果见图17(c)。由图可知，未加控制时，电池回收电流持续增大，特别在超级电容充满后，回收电流会瞬间增大到200A以上，对电池产生极大冲击。而模糊控制能使电流较快趋近并稳定到20A。

图17 试验结果

4 结论

(1)设计了一种简化级联式电动汽车复合电源结构。该简化级联式结构的电池通过第一级BUCK/BOOST后，再与超级电容结合通过第二级BUCK/BOOST进行工作。且可通过控制MOSFET实现6种工作模式。

(2)对各模式的原理和过程进行了分析。在此基础上，搭建了简化级联式复合电源仿真模型进行仿真，结果证明了6种工作模式的可行性。

(3)为提高电池工作时的稳定性，延长电池使用寿命，对电池的工作电流进行了模糊控制。试验结果表明，在UC与Bat共同驱动模式和Bat驱动并为UC充电模式时，采用模糊控制分别缩短了调整时间0.75和0.6s，并降低了电池电流波动幅度。在Bat与UC共同回收模式时，模糊控制可使电池工作电流较快趋近并稳定在参考值附近，有效保证了电池安全。

在模糊稳定性控制的稳定阶段，控制精度和动态品质仍有提升空间，后续研究将对稳定性控制方法进行改进，以实现更好的控制效果。

[1] 王斌，徐俊，曹秉刚，等.电动汽车的多模式复合电源能量管理自适应优化[J].西安交通大学学报，2015，49(12)：130-136.

[2] 王斌，徐俊，曹秉刚，等.采用模拟退火算法的电动汽车复合电源能量管理系统优化[J].西安交通大学学报，2015，49(8)：90-96.

[3] 王斌，徐俊，曹秉刚，等.一种新型电动汽车复合电源结构及其功率分配策略[J].汽车工程，2015，37(9)：1053-1058.

[4] PARK T，KIM T.Novel energy conversion system based on amultimode single-leg power converter[J].IEEE Transactionson Power Electronics，2013，28(1)：213-220.

[5] 王庆年，曲晓冬，于远彬，等.复合电源式混合动力公交车功率分配策略研究[J].汽车工程，2014，36(4)：389-393.

[6] 吴志伟，张建龙，殷承良.混合动力汽车用混合能量存储系统的设计[J].汽车工程，2012，34(3)：190-196.

[7] ZHAO B，SONG Q，LIUW.Power characterization of isolated bidirectional dual-active-bridge DC-DC converter with dual-phaseshift control[J].Power Electronics， IEEE Transactions on，2012，27(9)：4172-4176.

[8] 王琪，孙玉坤，黄永红.不同结构混合动力汽车用复合电源的比较[J].江苏大学学报(自然科学版)，2014，35(5)：578-582.

[9] 王琪，孙玉坤，黄永红.一种蓄电池 超级电容器复合电源型混合动力汽车制动力分配策略研究[J].电工技术学报，2014，(S1)：155-163.

[10] HSIEH Y P，CHEN JF，YANG LS，etal.High-conversion-ratio bidirectional dc-dc converter with coupled inductor[J].Industrial Electronics， IEEE Transactions on，2013，61(1)：210-222.

[11] DUAN R Y，LEE JD.High-efficiency bidirectional DC-DC converter with coupled inductor[J].Power Electronics， IET，2012，5(1)：115-123.

[12] WAIR J，LIAW J J.High-efficiency-isolated single-inputmultiple-output bidirectional converter[J].Power Electronics，IEEE Transactions on，2015，30(9)：4914-4930.

[13] SONG Z， ZHA F， FU P， et al.RC snubber circuit design for ITER PF convertermodule[J].Journal of Fusion Energy，2015，34(2)：427-434.

[14] 张逸成，韩新春，沈玉琢，等.电动汽车用直流 直流变换器中电磁干扰与抑制[J].同济大学学报(自然科学版)，2005，33(1)：108-111.