电动汽车混合储能信息融合能量管理策略研究

吉祥，曾国建，许杨，杨法松，熊珊珊

（安徽锐能科技有限公司，安徽合肥，230009）

0 引言

为解决电动汽车动力性能和续驶里程受电池制造工艺制约的问题，采用动力电池和超级电容的复合电源供电方式已经得到了一定的应用[1]，为避免复合电源增加直流变换系统复杂程度，需要研究桥臂增容式多端口变换器拓展集成技术，进一步减小系统体积和容量[2]。

在电动汽车功率变换系统中，多端口变换器一般应用于复合电源供电场合，如印度理工学院B.G.Fernandes 教授团队于2018 年提出的电动汽车四端口车载电源[3]，端口分别连接动力电池、超级电容、两级式充电和驱动的直流母线，能够实现多自由度功率传输，电源功率密度高。文献[4]提出了一种兼有光伏接口的电动汽车充电机，其中DC/DC 部分即为一种基于Buck/Boost 功率变换单元的隔离型MPC，能够实现高效双向运行；在国内，天津理工大学李微博士于2018 年提出了一种隔离型三端口双向LCLC 多谐振直流变换器[5]，其基本功率变换单元为全桥衍生拓扑，通过多谐振结构降低谐振腔电流应力，提高开关频率，实现高效能量传输。电动汽车充电、行驶、加减速和制动等动作信号繁杂且庞大，变换器运行时需要基于这些动作信号进行工作模式的切换，从而改变相应的端口连接方式[6]。

为了确保能量传输效率和工作独立性，在复合电源供电场合更需要进一步提高系统集成度，本文拟改变传统基于多绕组变压器进行变换器集成的思路，采用桥臂复用拓扑集成方案，同时通过降功率重组和机动桥臂联动增容机制，在保障变换器额定功率的前提下尽可能精简电路。因此，本文将基于多端口变换器的端口拓展与增容机制，研究电动汽车混合储能信息融合能量管理策略，提高电动汽车的能量利用效率。

1 直流系统的增容机制

图1 给出了基本功率变换单元演化过程，根据拓扑演化原则，图1(a)所示为双Buck/双Boost 拓扑，其在全桥拓扑的基础上增加了四个防直通电感，在工频交直流变换场合，防直通电感常通过滤波电感实现等效，应用于DC/DC变换器的高频逆变/整流环节时，防直通电感通常与隔离变压器进行磁集成，以避免增加额外磁芯。根据图1(a)可以演化出图1(b)所示的绕组交错耦合型功率变换单元，其通过两绕组在同边磁芯上交错绕制，对比全桥拓扑，其原副边各增加了一路绕组，但两路绕组共用一个磁芯，不会对体积造成明显的影响；对比双Buck/双Boost 拓扑，绕组交错耦合型拓扑不需要额外增加四个防直通电感，能够减小磁集成的难度。

图1 基本功率变换单元的演化

图2 给出了基本功率变换单元的拆分方案，其将绕组交错耦合型拓扑拆分成原副边各两路并联的交错半桥拓扑，且不改变原本的电气连接方式，每路交错半桥都能够独立工作，这种拆分方式不仅能够为系统重构提供最小功率变换单元，也能够为系统的故障容错提供可能性，这也是绕组交错耦合型基本功率变换单元所特有的优势。对于传统全桥拓扑，其拆分成两个半桥时，需要通过电容串联的形式从直流侧中点引出桥臂输出端口，从而改变电气连接，反而会增加变换器体积成本，而对于绕组交错耦合型拓扑，其拆分则无需改变电气连接。基于图2 可得到变换器多端口拓展时的最小功率变换单元，即交错半桥变换单元，这种拓扑目前其实已经出现，被应用于电机驱动场合，称作“不对称半桥”，利用绕组电流仅能单向流动的特性进行励磁，该拓扑之所以未在功率变换场合大量应用，是因为其独立工作时功率管的电流应力较大，且线圈电流存在直流分量。

图2 基本功率变换单元的拆分

因此，同样的功率等级下，相对于绕组交错耦合型拓扑，交错半桥拓扑应用于一体化直流变换系统时存在功率器件电流应力大、变压器易饱和的问题，要解决该问题，必须考虑最小功率变换单元的重组方案，令其仅在小功率情况下单独工作，在大功率情况下仍然重组为绕组交错耦合型基本功率变换单元。因此，本文采用降功率半桥结构和机动桥臂的联动机制，在保障变换器额定功率的前提下尽可能精简电路，对于绕组交错耦合型基本功率变换单元，其性能相对于全桥拓扑具有明显的优势，虽然不可避免增加了绕组数量，但可以通过共用磁芯解决该问题，在之前所讨论的三端口集成系统中，多绕组对电路体积和成本的不利影响并未体现，因此是一种较为先进的方案。然而，在复合电源供电场合，需要进行端口拓展，每增加一个端口，绕组将成倍增加，此时若依然想保留基本功率变换单元无死区和高效率的优势，就必须解决多绕组的缺陷，在不影响系统性能的前提下设计更为精简的电路结构，其首要任务是对基本功率变换单元进行拆分，寻找系统重构的可能性。

图3 给出了基于桥臂联动机制的多端口拓展方法，图3(a)所示电路中，端口1、2 连接动力电池，端口5、6 连接超级电容，端口3、4 对应的半桥为机动桥臂，目的是实现动力电池或超级电容充放电时的增容，图3(b)、图3(c)给出了不同类型电源增容时的端口连接方式，根据电池和超级电容供电的功率需求，对于功率需求大的电源端，通过切入机动桥臂实现增容，由此可以看出，机动桥臂始终处于工作状态，其并非冗余桥臂，此外本项目还将研究拓展端口的功率控制方案，实现各端口间不同功率流向的解耦控制。

图3 基于桥臂联动机制的多端口拓展方法

2 功率分配方案

要实现直流变换系统的多端口拓展，必须实时判断端口连接方式，从而确定系统的工作模式，这又依赖于系统的功率分配方案，其由电动汽车的行驶工况所决定，并受到电池、超级电容本身状态的制约，同时也与系统目前的连接方式有关。对于动力电池和超级电容联合供电模式，电机的需求功率大于动力电池输出的平均功率时，由超级电容输出剩余的峰值功率；当放电电流较大时，会对动力电池产生冲击，造成不可逆转的损害，因此仅由超级电容供电；对于再生制动模式，瞬间制动电流过大也会对动力电池造成，因此优先将制动能量回馈给超级电容。

在多影响因素下，采用基于联合卡尔曼多传感信息融合的功率分配方案，实现多端口变换器基于桥臂联动机制的简化与增容，如图4 所示，该方案算法包括一个主滤波器和四个子滤波器，四个子滤波器并行工作，独立完成电动汽车行驶工况、电池和超级电容状态、直流变换系统桥臂连接状态的量测，从而获得相关因素影响下的局部最优功率分配方案，并输入到主滤波器中进行全局信息融合卡尔曼滤波包括预测和更新两个阶段，在预测阶段，状态预测可表示为：

图4 基于联合卡尔曼多传感信息融合功率分配方案

预测协方差矩阵为：

在更新阶段，误差增益矩阵可表示为：

协方差矩阵更新可表示为：

根据图4，四个子滤波器代表四个子系统，则各子系统的标准卡尔曼滤波模型为：

其中n=1、2、3、4，则整体状态的最优综合可以表示为：

通过采用直接方法进行状态方程和量测方程的建立，以电压电流传感器输出信号、电池和超级电容管理系统的状态估计结果等作为输入数据，确定功率分配方案，从而确定端口连接方式，实现基于降功率半桥功率变换单元多端口拓展的可靠增容。

3 仿真结果分析

搭建MATALB/Simulink 仿真模型，设定图5 所示车辆行驶工况，得到超级电容和动力电池在该工况下的放电电流，可以看出，在匀速运行或缓慢加速、重载起动、加速或爬坡情况下，动力电池出力较大，此时处于动力电池增容状态，当轻载起动或瞬间加速、减速或下坡情况下，超级电容出力增大，此时处于超级电容增容状态，但由于动力电池为主供电电源，因此动力电池的放电电流总体高于超级电容的放电电流。

图5 混合储能仿真结果

通过仿真分析可以得出结论，通过硬件电路的多端口扩容和控制策略的功率分配方案，能够在不增加硬件成本的前提下合理分配复合供电电源的出力方案，电动汽车直流系统的集成度、成本和工作性能都能够得到一定的提升。

4 结束语

本文提出基于电路拆分重构和桥臂联动的桥臂增容式多端口拓展集成方案，在此基础上进行了基于联合卡尔曼滤波的功率分配，实现电动汽车在复合电源供电场合的应用，进一步提高系统的集成度，减小系统的体积和成本。