基于Z源變換器的電動汽車超級電容-電池混合儲能系統
2017-5-23 11:39:54??????點擊：
浙江大學電氣工程學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《電工技術學報》上撰文指出，Z源變換器具有單級升壓、降壓、無死區、電壓畸變小、可靠性高等優點，在電動汽車領域具有廣闊的前景。
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。該結構將儲能與驅動系統相融合，減少了電池功率變換器，降低了損耗與成本。
詳細分析通過Z源變換器實現混合儲能系統不同模式下功率分配的運行機理。此基礎上提出功率分頻協調控制策略以提高混合儲能系統的響應速度并實現各模式的無縫切換。
最后，為了避免短時尺度沖擊電流對電池的影響，設計電池瞬態峰值電流估計方法。仿真與實驗結果驗證了所提出的混合儲能系統及控制策略的有效性。
混合儲能是提升車載儲能系統性能的有效手段之一。超級電容具有功率密度高、循環次數多、充放電倍率大等特點，有利于構成超級電容-電池混合儲能系統以改善動態響應、提高能量回饋效率、延長電池使用壽命等[1-3]。
目前，應用較多的被動式混合儲能結構將兩者直接并聯。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、并網儲能系統中多采用主動式結構，利用分立的雙向DC-DC變換器構成兩級式系統，該結構具有易模塊化應用、控制獨立等優點，但是由于變換器需匹配各儲能單元的峰值功率，因此存在開關損耗、系統可靠性等方面的弱點，不利于在車載系統中應用[6-8]。
文獻[4]綜述了六類主動式與被動式混合儲能系統，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，運行模式之間的無縫切換難以得到保障。文獻[9]提出了一種隔離型多端口雙向混合儲能變換器，并通過軟開關技術降低開關損耗，但該方法所需器件較多且控制復雜。
目前研究較多的是基于常規的DC-DC變換器，通過在儲能系統動態響應、損耗、成本之間折中改善局部效果[8,10-12]。結合整車動力系統進行的研究，國內外僅有少量文獻報道。
其中，阻源網絡變換器具有將儲能與驅動器相結合的特點，因此受到人們的關注。阻源網絡通常指包含無源元件的二端口網絡，阻源網絡變換器主要包絡Z源變換器、準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、電壓畸變小，系統可靠性高等特點[15]。通過與混合儲能系統結合，有利于提高電動汽車儲能系統的整體性能。
文獻[16,17]比較了Z源逆變器與傳統DC-DC型兩級式逆變器在儲能應用中的各自優勢，在此基礎上研究了燃料電池-電池混合儲能系統，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力高等方面的問題。
文獻[18]利用非對稱Γ型變換器，提升了混合儲能系統的電壓比。總體而言，此類系統由于燃料電池無法吸收能量，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-電池混合儲能系統中的應用。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，實現了無需輔助二極管的電池供電方式。其次，為提高系統動態響應，研究了基于電機矢量控制的功率分頻協調控制策略，并對電池瞬態電流的預估進行了數學分析。最后，通過仿真與實驗進行驗證。
圖1 混合儲能系統框圖
結論
電動汽車復合儲能系統具有升壓比較低、空間尺寸小、可靠性及效率要求高等特點，因此利用Z-源變換器單級升壓、降壓的優勢，可以擴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的動態響應，在電機矢量控制中嵌入了儲能系統功率分頻協調控制方法。
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進行了研究。最后，通過仿真與實驗驗證了本文提出的混合儲能系統及控制策略的有效性，該研究同樣適用于其他阻源網絡功率變換器與混合儲能系統。
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