[工学]混合动力电源控制软件设计最终版.doc

摘 要摘 要超级电容器与蓄电池混合使用，可以充分发挥蓄电池比能量大和超级电容器比功率大、循环寿命长的优点，大大提升混合电源的性能。本文以混合电源为研究对象,在介绍了其组成部分基本原理和混合电源的结构，以及荷电状态的估算方法的基础上，分析了对一种混合电源的改进结构的控制实现方案。文中着重研究了该方案的控制思想和策略，并对控制软件进行了不同工作模式模式的黑盒验证测试和对ZCT-PWM Boost变换器驱动方波的控制仿真测试。关键词：混合电源，超级电容，DC/DC转换器，控制策略57ABSTRACTGood performance can be attained through ultra-capacitor/battery hybrid system, which makes the best of the characteristics of high energy density of battery and high power density and long cycle life of ultra-capacitor. This thesis studies the hybrid electric Power. Based on the introducing of components working principle and hybrid powers structure and state of charge, the control implementation of improved structure is put forward. The strategy of energy management is mainly researched. Black-box testing is made for control software, and the way of controlling drive square wave for ZCT-PWM Boost converter is simulated. Keywords：Hybrid Power Supplies, Ultra-capacitors, DC/DC Power Converter, Control Strategy目录目录摘 要IABSTRACTII目录III第一章 引言11.1 发展混合动力电源的背景11.2 混合动力电源的应用21.2.1混合动力电源的民用概况21.2.2混合动力电源的军事应用21.3 本论文的主要意义及内容31.3.1 混合动力电源控制研究的意义31.3.2 本文的主要研究内容和工作3第二章 电源特性42.1 蓄电池的特性研究42.1.1 蓄电池的充放电特性52.1.2 蓄电池的充放电效率特性62.1.3 蓄电池的容量特性62.1.4 蓄电池的温度特性62.2 超级电容的储电原理和充放电特性62.2.1 超级电容的储电原理72.2.2 超级电容的充放电特性82.2.3 超级电容的充放电效率特性92.2.4 超级电容的温度特性102.2.5 超级电容的循环寿命102.3 蓄电池和超级电容性能对比112.4 本章小结12第三章 混合动力电源系统结构133.1 混合电源模型分析133.2 混合电源的基本结构143.2.1直接并联143.2.2通过电感器并联153.2.3通过功率变换器并联153.2.4通过功率变换器并联的改进163.3 混合电源的工作原理173.4本章小结17第四章 DC/DC功率变换器184.1 DC/DC变换器国内外研究状况184.2 斩波原理194.3 DC/DC变换器的原理和特性204.4 DC/DC变换器的控制原理224.4.1 脉宽调制（PWM）形式的工作原理224.4.2 PWM加相位控制的工作原理224.5 ZCT-PWM Boost变换器234.6 本章小结23第五章 荷电状态SOC的估算245.1 荷电状态245.1.1 荷电状态的概念245.1.2 计算荷电状态的意义245.2 电池荷电状态的估算255.2.1电池荷电状态SOC的特性255.2.2影响电池荷电状态SOC的主要因素265.2.3电池荷电状态SOC的估算方法275.3 复合电源荷电状态SOC的估算275.4 本章小结28第六章 混合动力电源控制系统方案296.1 总体结构296.2 主要指标306.2.1 功能指标306.2.2 技术指标306.3 各模块硬件结构316.3.1 电池检测模块316.3.2 超级电容检测模块326.3.3 DC/DC控制模块326.3.4 温度检测模块336.3.5 休眠节能336.4 工作模式346.5 控制策略366.5.1 参数说明376.5.2 功率分配策略376.5.3 电池给超级电源充电策略386.5.4 制动能量回收策略386.6 软件流程386.7 本章小结39第七章 测试407.1 Matlab/simulink介绍407.2 混合电源控制软件黑盒测试417.3 DC/DC驱动方波控制仿真测试44第八章 结束语48参考文献49外文资料原文50外文资料译文53第一章 引言第一章 引言1.1 发展混合动力电源的背景本世纪以来，能源问题和环境问题成为了人们广泛关注的焦点。传统燃料能源的日益枯竭和燃料能源产生的衍生物对环境造成的巨大破坏使得各国政府大大力发展新能源和清洁能源。电力作为可再生能源和绿色能源就是解决问题的重要途径之一。电力来源很广泛，但是限制电力作为主要能源的最大限制在于电力存储。蓄电池是目前主要的储存电力的器件。蓄电池的能量密度比较大，漏电流小，端电压变化稳定，但其功率密度低，循环使用寿命短，对充放电过程敏感。不宜用于大功率脉冲放电。近年来超级电容的快速发展让人们看到了解决蓄电池难题的方法。超级电容具有蓄电池所不具备的所有优势，比如:功率密度高，超长的循环使用寿命，可进行大功率快速充放电并且对超级电容寿命的影响很小。但超级电容又缺乏蓄电池所具备的优势,超级电容在能量密度、漏电流、端电压保持等方面不如蓄电池。由于蓄电池和超级电容在性能上有互补性，采用蓄电池和超级电容混合电源可以综合两者的优点。超级电容器通过一定的方式与蓄电池混合使用，可以使储能装置具有很好的负载适应能力，能够提高供电的可靠性，能够缩小储能装置的体积，减轻重量，可以改善储能装置的经济性能。与超级电容器混合使用，可以减小蓄电池的输出电流峰值，降低内部损耗、延长放电时间，还可以优化蓄电池的充放电过程，延缓失效进程。将超级电容器作为功率缓冲器，与蓄电池并联使用，应用于在电动汽车或混合电动汽车，以对蓄电池在汽车加速、减速时所需的输出、输入瞬时大功率进行滤波，这样，可以减小电机对蓄电池的峰值功率需求，以减小蓄电池的安装容量，延长使用寿命。目前，功率具有脉动性的负载日益增多，如移动数字设备、电动汽车、定向能武器等，其典型特征是峰值功率很高，但平均功率较低。比如，一辆轻型客车，在行驶过程中的平均功率约为10kW，但当客车快速加速时，所需的峰值功率约为60kW是平均功率的6倍，持续时间一般为几秒钟。驱动脉动负载时，要求电源具有较高的功率输出能力。可充电蓄电池由于技术成熟、性能可靠，被广泛使用。但正如本文绪论所指出的，蓄电池具有功率密度小的缺点。由于在能量的存储和释放过程中要发生电化学反应，并受到参与反应的离子扩散速度的影响，蓄电池的大功率输出和输入能力不足。如果采用蓄电池作为脉动负载的主电源或备用电源，需要配置很大的容量，才能满足负载的峰值功率需求，造成了较大的容量浪费，并导致蓄电池组过于庞大笨重。以上述的轻型客车为例，如果只采用蓄电池作为电源，则所配置的蓄电池组需要具有60kW的峰值功率输出能力，大幅度地增加了客车的成本。单靠蓄电池或者超级电容都能以满足负载需要，在电池技术没有突破性发展的时期，混合电源联合供电是解决问题的出路之一（文献16）。采用混合动力电源系统具有以下优点：1实现能量和功率要求的分离,电池设计可以集中于对比能量要求的考虑，而不必过多的考虑比功率问题。2超级电容的负载均衡作用，电池的放电电流得到减少从而使电池的可利用能量，使用寿命得到显著提高，生产成本降低。3充分利用了两种能源的优点,比如,蓄电池的技术成熟，成本低廉，燃料电池高比能量，超级电容巨大的比功率和瞬间充/放电能力，不受限制的使用寿命。4由于超级电容可以迅速高效的吸收制动等情况产生的再生动能，节约了能量。1.2 混合动力电源的应用1.2.1混合动力电源的民用概况混合动力车和纯电动车：与传统燃料汽车相比，混合电源作为辅助动力源的混合动力汽车可以减少化学燃料使用，降低尾气排放，并且能够实现一定的能量回收利用。而采用混合电源的纯电动车与只有蓄电池供电的纯电动车相比，在续航能力，电池体积，整体性能等方面具有优势。这也是混合电源应用最为广泛的领域，在国内外都已经有成型的产品问世(文献91112)。独立机器人：在没有外界功能的条件下，机器人电源的性能决定了机器人的应用功能。以混合电源供电的机器人因为在比能量和比功率上的优点，在地质探测、环境监测、高危作业都领域都有广泛的应用。电子产品：在手机、数码相机等流行的电子产品中，充分发挥混合电源的优势可以使产品具有更好的电源性能和整体优势，在竞争激烈的市场竞争中抢占先机。此外，混合电源还可以应用到儿童玩具、电梯、不间断电源（UPS）等方面。1.2.2混合动力电源的军事应用进入信息化战争时代，各国“杀手锏”武器和信息战装备的重点是发展远程打击、精确制导、预警防空、反潜反舰、电子对抗和侦察、定位、指挥、通信及夜视装备等。显然，作为重要的支撑技术，军用电能源在推进上述武器装备发展中的需求和作用也越来越大。新型军事武器装备对能源需求的趋势，已经从过去的能量型转化至功率型，即迫切需求轻型大功率甚至超大功率的可移动电源。与此同时，军用卫星发展异常迅速，卫星大功率化则要求电源具有高的输出比功率、高比能量和长寿命的特性；新一代电动鱼雷是用于打击大型水面舰艇及航母的重要作战武器，则要求发展新一代电动鱼雷迫切要求功率达到400-500kw，比能量仍高达150Wh/kg以上的新型动力电能源；此外，小型化、多元化导弹弹头、数字化士兵装备、中小型无人飞机，大功率激光武器和平流层定点气球平台等的发展迫切需要新型电能源。它们对电能源的基本要求是有高比功率和高比能量、宽广的工作温度（特别在低温-40下尚可高电流输出）、更加小型化、使用寿命长、能快速启动等。在军事应用中，将超级电容器和高比能量电池联合组成混合电源使用，这不仅可以提供武器装备所需的高功率甚至超高功率，而且可以提供武器装备所需的高能量。1.3 本论文的主要意义及内容1.3.1 混合动力电源控制研究的意义在国内，虽然对超级电容的研究和生产已经有了很大的发展，但蓄电池超级电容组成的混合电源的设计及控制远落后国际水平。由于混合电源发展时间短，我国与其他先进国家的差距只有五年左右，我们应该抓好这个契机，大力发展混合动力电源。混合电源的控制是协调两种供能源联合工作的过程。控制是否有效决定了混合电源正常工作特性优点的好坏。混合电源控制管理系统，以电池与超级电容的荷电状态为依据，根据“削峰填谷”的设计思想，产生控制信号，对电源模块进行状态优化和控制，以此控制电池和超级电容器的功率和能量分配。通过合理有效地控制复合电源，既可以充分对制动能量进行回收，节约能源；有可以减少瞬时高电流对蓄电池的损耗，延长使用寿命。在以节能和环保为主题的今天，合理地控制复合电源功率分配是复合电源研究领域的重大课题，它对于复合电源的发展和广泛使用有重要的意义。1.3.2 本文的主要研究内容和工作（1） 搜集相关资料，介绍了混合动力电源发展背景、应用领域，以及混合动力电源控制研究的意义。（2） 分析蓄电池、超级电容的工作原理和特性。（3） 分析混合动力电源的结构和工作原理。（4） 研究双向DC/DC变换器的原理和特性。（5） 研究荷电状态SOC的估算方法。（6） 提出一种混合动力电源控制系统的结构和控制策略。 （7） 控制软件黑盒测试和DC/DC驱动方波控制仿真测试。第二章 电源特性第二章 电源特性要了解混合动力电源系统的特性，就得先了解组成混合电源系统的蓄电池和超级电容各自的特性及影响因素。电池和超级电容特性包括充放电特性、温度特性以及容量特性等。可以通过这些研究，得出混合电源系统的特性及影响因素，并且为后文荷电状态计算提供理论模型。2.1 蓄电池的特性研究蓄电池的种类很多，如图2-1所示。图2-1 蓄电池的分类简要介绍使用较多的镍氢电池、铅酸电池和锂电池。镍氢蓄电池属于碱性电池，其特性和镍镐电池相似，不过镍氢电池不含镉、铜，不存在重金属污染问题。镍氢电池比能量达75-80Wh/Kg，比功率达160-230W/Kg，循环使用寿命超过600次。铅酸蓄电池己有100多年的历史，广泛用作内燃机汽车的起动动力源。它也是成熟的电动车辆蓄电池，目前约有80%-90%的采用率。它可靠性好，原材料易得，价格便宜。铅酸电池比能量约为30-40Wh/Kg，比功率约为1100-150W/Kg。比功率基本上能满足驱动车辆的动力性要求.但它有两大缺点。一是比能量低，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短；另一个是，使用寿命短，使用成本过高。锂离子电池是1990年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池。其优点是比功率和比功量高,比功率达300-600W/Kg，比能量达100-150Wh/Kg，是当前比能量最高的蓄电池。2.1.1 蓄电池的充放电特性图2-2、图2-3分别为电池的充电特性曲线、放电特性曲线。图2-2 电池的充电特性曲线图2-3 电池的放电特性曲线由电池的充电特性曲线可知，镍氢电池在不同的倍率下充电时，充电电流越大，电池的电压上升越快；而由电池的恒压限流曲线可以看出，电池的充电电流越小，充电时间越长。从电池的放电特性曲线可以看出，放电电流越大，放电时间越短，放出的电量越多。2.1.2 蓄电池的充放电效率特性镍氢电池充电等效内阻随电池工作温度的升高而减小，因而充电效率随电池工作温度的升高而有所提高，但这不表示为了让电池高效充电可以无限制的提高电池的工作温度；电池SOC在0 1区间变化时，电池等效内阻经历一个由大变小再变大的过程，所以电池处于中等电量状态时充电效率最高，一般镍氢电池的SOC控制在0.6 0.8 之间。电池放电等效内阻随电池工作温度的升高也随着减小，因而放电效率随电池工作温度的升高而有所提高；电池SOC在0 1区间变化时，电池等效内阻经历一个由大变小过程，所以电池处于大电量状态时放电效率最高。2.1.3 蓄电池的容量特性电池的容量特性是指电池的容量与充放电电流之间的关系。电池容量随着充电电流或放电电流的增大而大幅下降，表明在大功率放电或充电时，电池的充放电能力下降。各种蓄电池的可用容量随着放电率的增加而有所下降。蓄电池能放出的功率有限，在大电流快速充放电的情况下，电池的内阻迅速增加，充放电的效率明显下降。在电池的SOC0.30.8之间，电池的放电率大于1C，电池的容量明显下降。另外，温度对电池的容量也有影响，随着温度的降低，电池的容量减小。2.1.4 蓄电池的温度特性电解液温度越低则放电时平均电压越低而充电电压越高；反之，电解液温度越高，则放电平均电压越高，充电电压越低。蓄电池在低温放电时电压低，是由于硫酸的粘度增加，流动性差，扩散缓慢，两极极化增加，电池内阻增加，在个别情况下可能是负极钝化所引起。总之，在低温条件下，负极性能可能成为限制容量和电池电压下降的主要原因。低温充电时，充电电压急剧上升，活性物质难于转化。2.2 超级电容的储电原理和充放电特性超级电容器是一种具有高功率密度、大容量、循环寿命长等特性的新型电源。超级电容具有充放电迅速，具有相当于同体积蓄电池10倍的比功率，可实现大电流快速充放电，充放电能力比蓄电池要快100多倍，动态特性好，循环效率高（90%95%），循环寿命在10万次左右，在整个汽车运行期间可以实现免维护，在整个的电压范围内，充放电完全的对称，并且即使在高的放电率下（>1KW/kg）循环效率大于90%，是理想的功率需求装置。还有超级电容的所有材料都是无毒的，在整个的制造工序中都不会对环境产生破坏。与电池相比超级电容具有以下优点：a 控制简单（电压控制，不像电池要由Ah积分控制），但要保证电容不过充放电。b 电容电量可以由电压来反应，电容可以瞬间放电到电压为0；c 放电循环寿命长，工作温度范围宽；d 电容的电压与电流不互相关联，也就是在任何荷电状态值处，超级电容器都可以以满电流方式放电。e 高充电率。只要控制电容器的电压及工作温度不超过标准值，超级电容就可以以放电速率一样的速率迅速充电至满。2.2.1 超级电容的储电原理传统电容器是在相向的金属平板之间夹持介电常数的物质（如云母），当两极间施加电压时可存储符号相反的电荷，并能很快地放出，即以纳秒脉冲方式操作，其储电荷容量很小，每cm²仅为皮至纳法拉级，是一种物理电容器。双电层电容器与传统电容器相比，其物理现象和组成材料明显不同，原理如图2-4所示，一对固体电极泡在电解质溶液中，当施加低于溶液的分解电压时，在固体电极与电解质溶液的不同两相间，电荷会在极短距离内分布、排列。图2-4 双电层电容器的储能原理作为补偿，带正电的正极会吸引溶液中的负离子（相反，负极就会吸引正离子），从而形成紧密的电双层，在电极和电解液界面存储电荷，但电荷不通过界面转移，过程中电流基本上是由电荷重排而产生的位移电流，伴随电双层的形成，在电极界面形成的电容被称为电双层电容。能量以电荷或浓缩的电子存储在电极材料的表面，充电时电子通过外电源从正极传到负极，同时电解质本题中的正负离子分开移动到电极表面；放电时电子通过负载从负载移至正极，正负离子则从电极表面释放并移动返回电解质本体中。双电层电容器可用最简单的平行板电容器（Helmholtz模型）来表示，其静电电容量C与电极表面积S成正比，与平板电极间距离成反比。在双电层电容中电极表面至离子中心的距离d即所谓电双层厚度，它取决于电解质的浓度以及离子的大小，对于高浓度电解质则在0.5nm1.0nm范围。若电解质的介电率为，则其静电容量为式2-1： 双层可视为两个串联的电容器，故所存储的电量q与施加电极间电压V和静电容量C有如式（2-2）存储在电容器中的电能则为：显然，为了使双电层电容器有效地存储更多电荷，要求极化电极应该有尽可能大的比表面积且电解液中的离子能完全接近，从而形成更大面积的双电层。正因为如此，采用高表面积活性炭做电极比一般陶瓷或铝电解电容器存储的电荷多得多，所积存的电量也比后者大10万至100万倍。目前讨论得比较多的也是由活性炭作电极的碳-碳双电层电容器。2.2.2 超级电容的充放电特性图2-5是容量为1200F和2400F两种电容单体的放电特性，可见两种电容在电压下降到额定电压一半之前，都可以维持100A电流恒定放电10秒钟以上。由于电容的内阻非常小，一般只有1到2个m，所以电容的充电过程与放电过程基本是可逆的，库仑效率可以达到0.99以上。混合动力汽车应用超级电容的目的就是快速充放电，以减缓电池的大电流冲击，所以电容的容量在满足一定的充放电时段的基础上，对电压下降影响较大的内阻要足够小，大容量电容内阻小，但价格上涨很多。图2-5 两种超级电容的放电曲线2.2.3 超级电容的充放电效率特性电容组假设以恒定的电流I充放电，经时间t，电容器的电量从Q1到Q2，电压从U1到U2，则电容器组储存/释放的能量E为：（2-4） 此时电容器组的内阻RC消耗的能量ER为： （2-5）定义超级电容的时间常数=RCC，充放电深度=U1/U2（充电）或=U2/U1（放电），由式（2-4）、（2-5）得充电效率c和放电效率d关系式：（2-6）（2-7）对于相同的放电时间常数，放电时间越长，放电的效率越高；对于相同的充放电时间，放电时间常数越小，充放电效率就越高。在选择超级电容器时，要综合考虑效率和时间常数之间的匹配关系，根据电容器的成本随着时间常数的增大而增大，所以，在不影响使用要求的前提下，应尽可能的使用时间常数小的超级电容器。2.2.4 超级电容的温度特性图2-6是某超级电容器组件的温度特性,在50A和250A恒流放电情况下电容器容量的变化是工作温度的函数，如图所示电容器在-4060很大温度范围内变化，内阻只有很小的的变化。说明电容的温度特性好。图2-6 超级电容的温度特性2.2.5 超级电容的循环寿命电容器的循环寿命特性如图2-7所示，实验是在25下恒流充放电的情况下完成的。每个循环包括一个20秒的恒流充电和一个20秒的恒流放电，每个充电和放电之间有一个10秒种的间歇时间。100，000次循环后电容的容量仅仅减少了6.5%，而内阻仅仅增加了12%。证明电容器有出色的循环寿命特性。图2-7 超级电容的循环寿命特性2.3 蓄电池和超级电容性能对比电池放电过程中，当负载电阻等于电源等效串联内阻时，这时的负载电阻叫做“等效电阻”,这时放出的能量只有一半转化成电能，另一半将转化成了热能，以热量的形式散失。该点最大功率值为：（2-8）其中Voc是开路电压，R是电容本身内阻。这时电源放电的效率只有50%，汽车上用的电源系统的效率会直接影响到整车的循环效率，因此电源系统的应用应限制在其充放电的高效区。充放电功率可以用效率来表示如下式： (2-9) EF就是功率为时的效率。当EF=0.90时，。所以实际应用中为了使效率较高，电容的放电功率会远远小于其可以达到的峰值功率。但是电池充放电的效率很少有电容的那么高，一般只有6070%，所以电池的实际放电功率不会比峰值功率小很多。在电容的应用中，放电电压是从V0到V0/2，其中V0是电容器的额定电压，这期间的峰值功率由下式表示：(2-10) 其中是电容器的内阻。下图2-8是几个主要的超级电容生产商的产品与高功率电池之间的性能对比，表中后两列数据就是依据上述公式计算出来的。从表中很明显的可以看出，在95%效率相同处Maxwell的2700F超级电容的比功率会达到593 W/kg，而Panasonic公司的镍氢电池的比功率仅仅为46W/kg，可见超级的在高效区的比功率明显的高于蓄电池在此效率区的比功率；但从表中还可以看出超级电容的比能量只有46Wh/kg，而比能量较低铅酸电池也可以达到29Wh/kg，是超级电容比能量的7倍；大容量超级电容的内阻会达到0.5 m远远小于镍氢电池的8.5 m和铅酸电池的15 m，这也决定了超级电容可以高效地瞬间充放大电流。图2-8 不同厂商超级电容、蓄电池性能对比从以上电池和超级电容特性分析及性能对比结果可知，温度、充放电速率为电池的影响较大，电池只有在适合自己本身的温度范围内，以适当的速率进行充放电时，电池的效率和电压以及容量才能达到理想的效果；而超级电容则表现出较好的温度和循环寿命特性，并且由于内阻较小以及高效充放电时的大比功率，使得它比电池更适合作为功率源而应用于整车电源系统；但由于超级电容的比能量低。2.4 本章小结本章主要分别分析了镍氢电池和超级电容的充放电特性，为研究混合电源的特性和控制策略提供理论基础。第三章 混合动力电源系统结构第三章 混合动力电源系统结构混合动力电源由蓄电池和超级电容器组成，同时具有了蓄电池的高比能量和超级电容器的高比功率的特性。蓄电池和超级电容器组合成复合电源有多种结构，本章建立了超级电容器和蓄电池并联的数学模型，并分析了超级电容器对蓄电池峰值功率的改善作用及其影响因素。当蓄电池与超级电容器并联时，蓄电池支路的最大输出电流值小于脉动负载的电流幅值，这部分负载电流由超级电容器支路分担。由于超级电容器的比功率很高，输出电流能力很强，因此，电源的功率输出能力提高了。而且增加超级电容器的并联数，可以增强复合电源的功率输出能力。得出结论是，通过并联超级电容器，降低了蓄电池在脉动负载时的输出电流峰值，抑制了蓄电池的电压跌落，相当于蓄电池等效内阻的降低。而等效内阻的降低，提高了蓄电池的动态响应能力，使蓄电池在脉动负载时内部损耗降低，放电效率提高，放电时间延长，并能有效防止蓄电池的不正常关断。超级电容器与蓄电池的并联结构一般有三种，包括直接并联结构，通过电感器并联，以及通过功率变换器并联。3.1 混合电源模型分析图3-1 并联等效电路图 图3-2 戴维宁简化模型图为了简化分析过程，可以将蓄电池的模型简化为理想电压源与等效内阻的串联结构，将超级电容器模型简化为理想电容器与等效内阻的串联结构，由于主要考虑系统的动态性能，对并联内阻可以不予考虑。超级电容器蓄电池的直接并联储能模型如图3-1所示。图中，为超级电容器的等效串联内阻，为蓄电池的等效串联内阻。为超级电容器支路的电流，为蓄电池支路的电流，为负载电流。将图3-1中的电路模型进行拉氏变换，并利用戴维宁定理简化（文献3），可以得到图3-2所示的简化模型。由参考文献2的详细数学模型分析可知，稳态情况下，在负载功率脉动期间，蓄电池和超级电容器均输出电流，共同向负载供电，但蓄电池的放电电流较小；在负载停止工作期间，蓄电池继续输出电流，给超级电容器充电。采用混合储能，可以大幅度减小蓄电池在负载功率脉动时的输出电流峰值。由以上分析可见，超级电容器蓄电池混合储能系统非常适宜于峰值功率很高但平均功率较低的脉动功率应用场合，而且脉动频率越高，功率增强能力越大。超级电容器的等效串联内阻越小，对混合储能系统的功率增强能力就越大。3.2 混合电源的基本结构3.2.1直接并联如图3-3，在此结构（文献8），由于蓄电池组和超级电容器组的端电压被强制相等，因而在设计中对超级电容器的组合方式要求较为严格，应根据蓄电池的电压等级，合理配置超级电容器组的结构参数。图3-3 直接并联结构该电路的特点是结构简单、成本低廉，可有效减小蓄电池在脉动负载时输出的最大电流，提高系统功率输出能力。在同等功率输出条件下，直接并联结构与蓄电池单独供电相比，更具可靠性和经济性。但直接并联结构存在如下明显的缺点：超级电容器组与蓄电池组必须保持端电压一致，而超级电容器与电池的充放电特性相差极大。导致了超级电容器组合方式的受限和容量利用率的降低；由于混合系统的功率提升能力只取决于超级电容器和蓄电池的自身结构（主要是内阻），故在设计上缺乏灵活性，且当温度降低时，蓄电池的电解液粘度增大，向极板的渗透能力下降，导致内阻增加。同时，起动时会产生很大的电流，使蓄电池端电压明显下降；端电压随着充放电过程变化较大，影响了负载工作性能；脉动负载时蓄电池输出电流纹波较大，并在脉冲结束时达到最大值。3.2.2通过电感器并联该结构建立在直接并联的基础上，在蓄电池和超级电容器间配置电感器，对蓄电池的输出电流进行滤波，降低电流纹波，以减小内部发热和能量损耗。该结构对提高系统的功率输出能力、优化蓄电池的放电过程有较好的效果。但与直接并联结构类似，也存在着系统配置不灵活和端电压不可调等缺点。不过，由于电感器的滤波作用，蓄电池在负载脉动时的输出电流纹波降低了，进一步提高了蓄电池的放电效率，减小了内部能量损失，延长了放电时间。3.2.3通过功率变换器并联蓄电池与超级电容器之间可以通过功率变换器（DC/DC）实现并联，结构如图3-4所示。能起变流作用的功率变换器可以控制蓄电池的放电电流，以提高复合电源的性能。根据超级电容器和蓄电池的电压，功率变换器可以采用升压式或降压式，以对两者的端电压进行匹配。而根据能量的流动方向，功率变换器可以分为单向功率变换器和双向功率变换器。采用单向功率变换器时，能量从蓄电池组流向超级电容器组和负载；采用双向功率变换器时，能量可以在蓄电池组和超级电容组之间双向流动。图3-4 通过功率变换器并联结构在该结构中，蓄电池组通过功率变换器以恒流输出方式工作，负载瞬时脉动功率由超级电容器组提供。输出恒定电流等于脉动负载电流的平均值。这种结构与前面两种结构相比有较大的优势。第一，蓄电池组和超级电容器组两者之间的端电压可以不同，因而大大提高了设计的灵活性；第二，蓄电池的输出电流可以通过功率变换器限定到安全可靠的范围，因而系统的功率输出能力能够得到很大提高；第三，蓄电池基本上以恒流输出方式工作，可以避免大电流放电，延长了蓄电池的使用寿命。通过功率变换器的并联结构也存在缺点。第一，由于使用了功率变换器，使得系统控制变得更复杂；第二，功率变换器本身会消耗一部分能量，随着技术的发展，尤其是软开关技术的发展，这个缺点将得以改善；第三，在该结构中，只对蓄电池组采用功率变换器对其输出电流进行调节，使得超级电容器必须和负载进行较好的匹配，降低了系统配置的灵活性。3.2.4通过功率变换器并联的改进图3-5 通过功率变换器并联的改进结构针对上面小节介绍的结构存在的问题，本文对这种结构进行了改进，根据实际需求提出了一种通过功率变换器并联的改进型结构，如图3-5所示。在该结构中，蓄电池组和超级电容组分别独立通过双向功率变换器连接到负载，蓄电池组通过功率变换器给超级电容器组充电。各个功率变换器也可以根据配置选择升压式或降压式。通过控制功率变换器使蓄电池为负载提供恒定电流，超级电容为负载提供大的脉冲电流，同时蓄电池给超级电容提供充电电流。在这种结构中，可以根据需求让蓄电池组和超级电容组单独工作或者同时工作，可以根据负载脉冲电流的大小和脉冲电流出现频率来灵活配置电池和超级电容器的数量以及系统的工作方式。在该结构中，可以根据负载不同的工况，灵活配置系统参数而且能够很好的适应负载的变化。这种结构也存在一些不足，首先，同样存在功率变换器损耗能量，采用的DC/DC较多损耗的能量也较大；其次，由于采用了多个DC/DC来提高系统的灵活性，但也带来了系统控制更复杂的问题；但该结构对于高电压大电流的高功率应用场合，能有效减少蓄电池组和超级电容器组的数量以及提高电池或电容组合方式的灵活性，从而减小电源系统的重量和体积。后文中的复合电源控制系统也是基于这种改进型蓄电池组和超级电容器组的并联结构。3.3 混合电源的工作原理上节中图3-3给出了本文采用的复合电源结构，其工作的基本原理是：检测电路对负载的电压和电流、超级电容器组的电压、蓄电池组的电压和电流以及温度进行检测，检测参数上传给控制电路。控制电路根据检测的系统参数判断系统的工作状态，进而给出相应的响应。根据负载的电压和电流参数，一方面调节PWM信号的占空比，从而控制DC/DC变换器的升降压比率使得输出电压恒定；另一方面对工作模式进行选择，即是否启动超级电容器组给负载提供功率；再者判断电路是否过流或过载，并采取相应的保护措施。根据超级电容器组的电压参数判断其荷电状态，从而决定是否启动DC/DC变换器对其进行充电，在整个充电过程中实时检测超级电容器组的状态，调节充电状态以达到安全有效地充电，防止过充。根据蓄电池组的电压、电流和温度参数，得知电池组的荷电状态，发出更换电池或者对电池进行充电的信号，以满足系统工作的连续性；限制电池组大电流放电，对电池组进行保护以延长电池的使用寿命；当电池的温度超过一定值时启动降温装置，使电池组能够安全地工作。3.4本章小结本章首先分析了蓄电池和超级电容并联系统的数学模型，然后分别介绍了三种蓄电池与超级电容混合动力电源的连接方式以及改进方式，最后说明介绍了复合电源的工作原理。本章还指出，在混合电源中，DC/DC功率转化器是重要的组成部分。第四章 DC/DC功率变换器第四章 DC/DC功率变换器DC/DC功率变换器是在混合动力电源控制系统的核心部分，它可以在保持输出端口直流特性的情况下，按控制需要完成能量的双向流动。复合电源对DC/DC变换器有如下几点要求：（1）稳定输出电压，负载要求的电压比较稳定，但超级电容在放电过程中压降比较大，所以需要DC/DC转换器在宽输入电压范围内输出稳定电压；蓄电池的输出电压虽然比较稳定，但是在负载电压较高时，难以满足负载电压，否则电池的体积和重量较大，所以需要DC/DC转换器把低电压转换为高电压。（2）动态响应快，超级电容器能够提供瞬时大电流，能够提高电源系统的动态响应速度，以弥补蓄电池的动态响应慢的不足。但超级电容器要通过DC/DC转换器给负载提供电能，所以要求DC/DC转换器的动态响应速度要快。（3）转换效率高，作为电池供电的电源系统，要求DC/DC变换器的转换效率高，以提高电源的能量利用效率，延长电源系统的工作时间。（4）重量轻，体积小，作为便携的可移动电源，对重量和体积都较敏感，DC/DC转换器作为复合电源的一部分也要求其重量轻，体积小。（5）在负载需求瞬时大功率时，超级电容会为其提供峰值功率，电流较大，所以要求DC/DC转换器能够承受高压大电流。（6）负载与电源间能量的双向流动，即负载功率要求高时，能量正向流动，负载有能量回流时，电源回收能量。4.1 DC/DC变换器国内外研究状况20世纪80年代初，为了减轻人造卫星太阳能电源系统的体积和重量，美国学者提出双向直流变换器代替蓄电池充电器和放电器，实现汇流条电压稳定。此后，1994年香港大学陈清泉教授开展了电动车用双向直流变换器的研究和试验工作。1998年美国弗吉尼亚大学的李择元教授开始从事与燃料电池配套的双向直流变换器研究。1994年澳大利亚Felix A. Himmelstoss在PESC94上发表文章，总结了不隔离双向直流变换器的种拓扑结构。隔离式双向直流变换器有正激、反激、推挽和桥式等电路拓扑结构。2001年浙江大学陈刚博士在双向反激式直流变换器基础上提出有源箝位双向反激式直流变换器，变压器原副边箝位电路的引入，消除了普通反激变换器中的电压尖峰和振荡，实现了所有开关管的零点流开关，减少了开关器件的电压应力。虽然复合有源箝位电路实现了软开关，箝住了关断电压尖峰，但是由于箝位电容CC的引入，使得个器件的电压增益增加了VCc，VCc是箝位电容上的电压。推挽式直流变换器也有对称的电路结构，1989年就有学者提出了双向推挽直流变换器的电路。推挽变换器的结构简单，但变压器的偏磁和漏磁限制了这种变换器的应用。在输入输出电压相差较大的场合，一种由