CN109921503B - 车载高集成度混合电源、能量管理与控制系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车载高集成度混合电源、能量管理与控制系统及其方法，其中，车载高集成度混合电源中包括：蓄电池、电感器、超级电容器、常规电容器及NPC三电平逆变器，电感器与蓄电池串联连接形成第一支路，蓄电池的正极通过电感器连接至直流母线；超级电容器与常规电容器串联连接形成第二支路，与第一支路并联连接；NPC三电平逆变器与第二支路并联连接，NPC三电平逆变器中包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管及第二二极管。其将超级电容器完全集成在NPC三电平逆变器的直流母线内，通过NPC三电平逆变器将蓄电池和超级电容器耦合，以此实现直流母线电压VDC与电容器(包括超级电容器和常规电容器)能量分量EDC的解耦。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种车载高集成度混合电源及其能量管理控制方法。
背景技术
目前，混合动力汽车和电动汽车中一般使用蓄电池，如铅酸电池、锂离子电池、钠基电池等作为储能电源。虽然蓄电池在能量密度方面具备优势，但其功率密度较低，无法满足电动汽车运行过程中负载的高功率需求。飞轮、超导和超级电容器等储能电源虽然具备高功率密度特性，能够在短时间内提供较大的功率，但是能量密度较低，无法持续充放电。可见，单个储能电源不能同时满足能量和功率的应用需求，是以采用混合储能技术使储能电源同时具备高能量密度和高功率密度成为了一种可行的解决方案。在现有的组合中，由蓄电池和超级电容器组成的混合电源最通用且最具前景，其完美地结合了蓄电池和超级电容器的储能特性，满足电动汽车运行过程中负载的功率需求。
由蓄电池和超级电容器组成的混合电源的拓扑结构可分为被动式结构和主动式结构两种，其中，被动式结构混合电源中蓄电池和超级电容器直接并联，虽然其结构简单且易于实现，但是灵活性和能量管理性能较差。主动式结构混合电源包括半主动结构和全主动式结构，其中，半主动结构混合电源中包括1个与超级电容器串联连接的DC/DC变换器，全主动结构混合电源中包括分别与蓄电池和超级电容器串联连接的2个DC/DC变换器，虽然随着DC/DC变换器数量的增加，能量管理性能得到增强，但是系统的复杂性、成本和重量也随之提高。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种车载高集成度混合电源、能量管理与控制系统及其方法，有效解决了现有混合电源管理与控制系统复杂、成本较高等技术问题。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种车载高集成度混合电源，包括：蓄电池、电感器、超级电容器、常规电容器及NPC(Neutral-Point-Clamped，中点箝位)三电平逆变器，其中，
所述电感器与蓄电池串联连接形成第一支路，蓄电池的正极通过电感器连接至直流母线；
所述超级电容器与常规电容器串联连接形成第二支路，与所述第一支路并联连接，且满足CV-CuVu≠0，其中，C为常规电容器容量，V为常规电容器电压，Cu为超级电容器容量，Vu为超级电容器电压；
所述NPC三电平逆变器与所述第二支路并联连接，且所述NPC三电平逆变器中包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管及第二二极管，其中，
第一开关管的集电极与超级电容器的第一端连接、发射极与第二开关管的集电极连接，第二开关管的发射极与第三开关管的集电极连接，第三开关管的发射极与第四开关管的集电极连接，第四开关管的发射极与常规电容器的第二端连接，常规电容器的第一端与超级电容器的第二端连接，超级电容器的第一端与电感器连接，第一二极管的正极分别与第二二极管的负极和超级电容器的第二端连接、负极与第一开关管的发射极连接，第二二极管的正极与第三开关管的发射极连接，第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管的基极为开关管控制端、与外界控制信号连接，第二开关管的发射极作为NPC三电平逆变器的输出端。
一种车载高集成度混合电源能量管理与控制系统，包括上述车载高集成度混合电源，还包括管理模块、控制模块及脉冲宽度调制模块，其中，
所述管理模块与负载连接，用于根据负载需求功率得到蓄电池电流参考值，所述负载中包括电机；
所述控制模块与管理模块连接，用于根据所述蓄电池电流参考值得到直流母线电流参考值；
所述脉冲宽度调制模块分别与控制模块和NPC三电平逆变器中第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管的基极连接，用于根据所述直流母线电流参考值产生PWM控制信号，进而控制第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管的通断。
一种车载高集成度混合电源能量管理与控制方法，应用于上述车载高集成度混合电源能量管理与控制系统，包括：
S10建立车载高集成度混合电源的数学模型；
S20在管理模块中建立PI调节器RE，在控制模块中建立PI调节器Rb及PI调节器Rv；
S30实时获取负载需求功率，所述负载中包括电机；
S40管理模块中的PI调节器RE根据负载需求功率得到蓄电池电流参考值；
S50控制模块中的PI调节器Rb及PI调节器Rv根据所述蓄电池电流参考值得到直流母线电流参考值；
S60脉冲宽度调制模块根据所述直流母线电流参考值产生PWM(Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制)控制信号，进而控制NPC三电平逆变器中第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管的通断，实现对车载高集成度混合电源的能量管理与控制。
本发明提供的车载高集成度混合电源、能量管理与控制系统及其方法，至少能够带来以下有益效果：
在车载高集成度混合电源中配置蓄电池、电感器、超级电容器、常规电容器及NPC三电平逆变器，其将超级电容器完全集成在NPC三电平逆变器的直流母线内，通过NPC三电平逆变器将蓄电池和超级电容器耦合，以此在不配置DC/DC变换器的情况下实现直流母线电压VDC与电容器(包括超级电容器和常规电容器)能量分量EDC的解耦。该车载高集成度混合电源同时具备了被动式结构混合电源和主动式结构混合电源的优势，简单易于实现的同时通过能量管理与控制系统及其方法有效实现混合电源中的能量管理。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1为本发明中高集成度混合电源的拓扑结构图；
图2为本发明中高集成度混合电源能量管理与控制系统框图；
图3为本发明中高集成度混合电源能量管理模块和控制模块图；
图4为本发明中高集成度混合电源能量管理与控制方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
针对现有混合电源管理与控制系统中存在的系统复杂、成本较高等技术问题，本发明提出了一种全新的车载高集成度混合电源，如图1所示，在该混合电源中包括：蓄电池(等效为理想电压源与等效电阻串联)、电感器、超级电容器、常规电容器及NPC三电平逆变器，其中，电感器与蓄电池串联连接形成第一支路，蓄电池的正极通过电感器连接至直流母线；超级电容器与常规电容器串联连接形成第二支路；NPC三电平逆变器与第二支路并联连接，且NPC三电平逆变器中包括：第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第一二极管D1及第二二极管D2，其中，第一开关管T1的集电极与超级电容器的第一端连接、发射极与第二开关管T2的集电极连接，第二开关管T2的发射极与第三开关管T3的集电极连接，第三开关管T3的发射极与第四开关管T4的集电极连接，第四开关管T4的发射极与常规电容器的第二端连接，常规电容器的第一端与超级电容器的第二端连接，超级电容器的第一端与电感器连接，第一二极管D1的正极分别与第二二极管D2的负极和超级电容器的第二端连接、负极与第一开关管T1的发射极连接，第二二极管D2的正极与第三开关管T3的发射极连接，第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3及第四开关管T4的基极为开关管控制端、与外界控制信号连接，第二开关管T2的发射极作为NPC三电平逆变器的输出端。
在该车载高集成度混合电源中，直流母线由NPC三电平逆变器而分为高电平侧和低电平侧，其中，高电平侧由超级电容器组成，低电平侧则由常规电容器组成，其将超级电容器完全集成在NPC三电平逆变器的直流母线内，通过NPC三电平逆变器将蓄电池和超级电容器耦合，以此在不配置DC/DC变换器的情况下实现直流母线电压VDC与电容器(包括超级电容器和常规电容器)能量分量EDC的解耦。
车载高集成度混合电源的数学模型如式(1)～(4)：
VDC＝Vu+V(2)
其中，Vb为蓄电池中理想电压源电压，rb为蓄电池中等效电阻阻值，ib为蓄电池输出电流，L为电感器的电感量，VDC为直流母线电压，iH为NPC三电平逆变器中第一开关管集电极输入电流(高电平侧电流)，iL为NPC三电平逆变器中第四开关管发射极输出电流(低电平侧电流)，C为常规电容器容量，V为常规电容器电压，Cu为超级电容器容量，Vu为超级电容器电压。
直流母线中电容器的能量分量EDC不仅要考虑超级电容器容量Cu，同时要考虑考虑常规电容器容量C，如式(5)：
基于式(1)～(4)的车载高集成度混合电源数学模型，直流母线电压的动态方程可描述为式(6)～(8)：
其中，CDC为直流母线的等效电容，iDC为直流母线等效电流。
结合式(3)～(5)，直流母线中电容器能量分量EDC的时间导数如式(9)和(10)：
从式(9)和式(10)中可以看出，直流母线中电容器的能量分量EDC依赖于蓄电池输出电流ib和如式(10)中的电流ip。但是，电流ip会根据应用要求的变化而变化，因此直流母线中电容器的能量分量EDC只能通过蓄电池输出电流ib进行调节。参照公式(6)～(8)，直流母线电压VDC除了需要通过蓄电池输出电流ib驱动，同时需要通过直流母线等效电流iDC驱动。以此，只要直流母线等效电流iDC和电流ip不同，即可实现直流母线电压VDC和直流母线中电容器能量分量EDC的独立控制，否则直流母线电压VDC和直流母线中电容器能量分量EDC关于时间的导数都将与蓄电池输出电流ib和电流ip之差成正比，无法实现直流母线中电容器能量分量EDC和直流母线电压VDC的解耦。基于此，式(6)～(10)可归纳为式(11)和(12)：
其中，A必须为非奇异矩阵，即满足如式(13)的约束条件：
CV-CuVu≠0(13)
也就是说，在车载高集成度混合电源中，只要满足了如式(13)的不等式，确保直流母线等效电流iDC和电流ip不同，即可实现直流母线中电容器能量分量EDC和直流母线电压VDC之间的解耦。
本发明还提供了一种车载高集成度混合电源能量管理与控制系统，如图2所示，在该管理与控制系统中，除了包括上述车载高集成度混合电源之外，还包括管理模块、控制模块及PWM模块，其中，管理模块与负载连接，用于根据负载需求功率得到蓄电池电流参考值，负载中包括电机；控制模块与管理模块连接，用于根据蓄电池电流参考值得到直流母线电流参考值；PWM模块分别与控制模块和NPC三电平逆变器中第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管的基极连接，用于根据直流母线电流参考值产生PWM控制信号，进而控制第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管的通断。
在该车载高集成度混合电源能量管理与控制系统中，主要的目的在于管理并控制超级电容器满足汽车超加速和再生制动状态下的高功率需求，故其根据负载需求进行能量的管理与控制，其中，管理模块用于通过预先设定的管理方法得到蓄电池电流参考值
控制模块跟踪管理模块得到的蓄电池电流参考值
进一步得到直流母线电流参考值
最后送入PWM模块，产生相应的PWM信号控制NPC三电平逆变器中的开关管，实现对车载高集成度混合电源能量的管理与控制。
对于电容器的能量分量EDC，根据电机转速wm进行设定(负载需求功率与电机转速成比例关系)，保证超级电容器能够在加速期间逐渐释放其能量分量的同时，在再生制动期间将能量存储回来。如图3所示，在设定好了电容器的能量分量参考值
之后，通过管理模块中的PI调节器RE对电容器的能量分量EDC进行跟踪，具体，PI调节器RE如式(14)～(16)：
Pb＝VDCib(15)
Pp＝VDCip(16)
其中，Pb为蓄电池输出功率，Pp为电容器功率。
为了克服蓄电池输出功率Pb与直流母线电压VDC的相关性，将公式(1)乘以蓄电池输出电流ib后并带入式(14)-(16)，得到式(17)：
当电感器的电感量L相对较低时，忽略与电感器相关的磁能变化，得到如式(18)的蓄电池电流参考值
其中，
为蓄电池输出功率的参考值。
对于控制模块，由两个嵌套的控制环路组成，其中，外环通过PI调节器Rb调节蓄电池输出电流ib得到直流母线电压VDC，具体可以基于公式(1)对该调节器进行设计，实现了直流母线电压参考值
的计算；内环通过PI调节器Rv得到直流母线电流参考值
该调节器可根据式(6)～(8)进行设计。
得到直流母线电流参考值
之后，PWM模块随即根据该直流母线电流参考值
产生相应的PWM控制信号，进而控制NPC三电平逆变器中第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3及第四开关管T4的通断，实现对车载高集成度混合电源的能量管理与控制。
在控制的过程中，若判断出混合电源向负载供电，即电流由混合电源流向负载，则PWM模块控制第一开关管T1和第二开关管T2导通、第三开关管T3和开关管T4关闭，此时，第一开关管T1和第二开关管T2的PWM控制信号均由PWM模块根据直流母线电流参考值
产生；若判断出负载向混合电源供电，即电流由负载流向混合电源，则PWM模块控制第一开关管T1和第二开关管T2关闭、第三开关管T3和开关管T4导通，此时，第三开关管T3和开关管T4的PWM控制信号均由PWM模块根据直流母线电流参考值
产生。
本发明还提供了一种车载高集成度混合电源能量管理与控制方法，应用于上述车载高集成度混合电源能量管理与控制系统，如图4所示，在该车载高集成度混合电源能量管理与控制方法中包括：
S10建立车载高集成度混合电源的数学模型；
S20在管理模块中建立PI调节器RE，在控制模块中建立PI调节器Rb及PI调节器Rv；
S30实时获取负载需求功率，负载中包括电机；
S40管理模块中的PI调节器RE根据负载需求功率得到蓄电池电流参考值；
S50控制模块中的PI调节器Rb及PI调节器Rv根据蓄电池电流参考值得到直流母线电流参考值；
S60脉冲宽度调制模块根据直流母线电流参考值产生PWM控制信号，进而控制NPC三电平逆变器中第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管的通断，实现对车载高集成度混合电源的能量管理与控制。
具体，在步骤S10中，车载高集成度混合电源的数学模型如式(1)～(4)，且在该载高集成度混合电源中满足式(13)的约束条件。在步骤S40中，管理模块由预先根据电机转速设定的电容器能量分量EDC，通过根据式(14)～(16)设计的PI调节器RE得到如式(18)的蓄电池电流参考值
在步骤S50中，首先，控制模块通过根据式(1)设计的PI调节器Rb得到直流母线电压参考值
之后，控制模块通过根据式(6)～(8)进行设计的PI调节器Rv得到直流母线电流参考值
得到直流母线电流参考值
之后，在步骤S60中，PWM模块随即根据该直流母线电流参考值
产生相应的PWM控制信号，进而控制NPC三电平逆变器中第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3及第四开关管T4的通断，实现对车载高集成度混合电源的能量管理与控制。
在控制的过程中，若判断出混合电源向负载供电，即电流由混合电源流向负载，则PWM模块控制第一开关管T1和第二开关管T2导通、第三开关管T3和开关管T4关闭，此时，第一开关管T1和第二开关管T2的PWM控制信号均由PWM模块根据直流母线电流参考值
产生；若判断出负载向混合电源供电，即电流由负载流向混合电源，则PWM模块控制第一开关管T1和第二开关管T2关闭、第三开关管T3和开关管T4导通，此时，第三开关管T3和开关管T4的PWM控制信号均由PWM模块根据直流母线电流参考值
产生。
Claims (4)
1.一种车载高集成度混合电源能量管理与控制系统，其特征在于，包括车载高集成度混合电源，还包括管理模块、控制模块及脉冲宽度调制模块，其中，
所述管理模块与负载连接，用于根据负载需求功率得到蓄电池电流参考值，所述负载中包括电机；
所述控制模块与管理模块连接，用于根据所述蓄电池电流参考值得到直流母线电流参考值；
所述脉冲宽度调制模块分别与控制模块和NPC三电平逆变器中第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管的基极连接，用于根据所述直流母线电流参考值产生PWM控制信号，进而控制第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管的通断；
车载高集成度混合电源包括：蓄电池、电感器、超级电容器、常规电容器及NPC三电平逆变器，其中，
所述电感器与蓄电池串联连接形成第一支路，蓄电池的正极通过电感器连接至直流母线；
所述超级电容器与常规电容器串联连接形成第二支路，与所述第一支路并联连接，且满足CV-CuVu≠0，其中，C为常规电容器容量，V为常规电容器电压，Cu为超级电容器容量，Vu为超级电容器电压；
所述NPC三电平逆变器与所述第二支路并联连接，且所述NPC三电平逆变器中包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管及第二二极管，其中，
第一开关管的集电极与超级电容器的第一端连接、发射极与第二开关管的集电极连接，第二开关管的发射极与第三开关管的集电极连接，第三开关管的发射极与第四开关管的集电极连接，第四开关管的发射极与常规电容器的第二端连接，常规电容器的第一端与超级电容器的第二端连接，超级电容器的第一端与电感器连接，第一二极管的正极分别与第二二极管的负极和超级电容器的第二端连接、负极与第一开关管的发射极连接，第二二极管的正极与第三开关管的发射极连接，第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管的基极为开关管控制端、与外界控制信号连接，第二开关管的发射极作为NPC三电平逆变器的输出端；
所述蓄电池等效为理想电压源与等效电阻串联，所述车载高集成度混合电源的数学模型为：
VDC＝Vu+V
其中，Vb为蓄电池中理想电压源电压，rb为蓄电池中等效电阻阻值，ib为蓄电池输出电流，L为电感器的电感量，VDC为直流母线电压，iH为NPC三电平逆变器中第一开关管集电极输入电流，iL为NPC三电平逆变器中第四开关管发射极输出电流；
在管理模块中，由预先根据电机转速设定的电容器能量分量EDC，通过PI调节器RE得到蓄电池电流参考值
其中，
为蓄电池输出功率的参考值；
所述PI调节器RE为：
Pb＝VDCib
Pp＝VDCip
其中，Pb为蓄电池输出功率，Pp为电容器功率，
2.如权利要求1所述的车载高集成度混合电源能量管理与控制系统，其特征在于，在控制模块中：
通过PI调节器Rb得到直流母线电压参考值
所述PI调节器Rb为：
通过PI调节器Rv得到直流母线电流参考值
所述PI调节器Rv为：
其中，CDC为直流母线等效电容，iDC为直流母线等效电流。
3.一种车载高集成度混合电源能量管理与控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1或2所述的车载高集成度混合电源能量管理与控制系统，包括：
S10建立车载高集成度混合电源的数学模型；
S20在管理模块中建立PI调节器RE，在控制模块中建立PI调节器Rb及PI调节器Rv；
S30实时获取负载需求功率，所述负载中包括电机；
S40管理模块中的PI调节器RE根据负载需求功率得到蓄电池电流参考值；
S50控制模块中的PI调节器Rb及PI调节器Rv根据所述蓄电池电流参考值得到直流母线电流参考值；
S60脉冲宽度调制模块根据所述直流母线电流参考值产生PWM控制信号，进而控制NPC三电平逆变器中第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管的通断，实现对车载高集成度混合电源的能量管理与控制；
车载高集成度混合电源中的蓄电池等效为理想电压源与等效电阻串联，在步骤S10中，车载高集成度混合电源的数学模型为：
VDC＝Vu+V
其中，Vb为蓄电池中理想电压源电压，rb为蓄电池中等效电阻阻值，ib为蓄电池输出电流，L为电感器的电感器量，VDC为直流母线电压，iH为NPC三电平逆变器中第一开关管集电极输入电流，iL为NPC三电平逆变器中第四开关管发射极输出电流；
在步骤S40中，管理模块由预先根据电机转速设定的电容器能量分量EDC，通过PI调节器RE得到蓄电池电流参考值
其中，
为蓄电池输出功率的参考值；
所述管理模块中的PI调节器RE为：
Pb＝VDCib
Pp＝VDCip
其中，Pb为蓄电池输出功率，Pp为电容器功率，
4.如权利要求3所述的车载高集成度混合电源能量管理与控制方法，其特征在于，在步骤S50中包括：
S51控制模块通过PI调节器Rb得到直流母线电压参考值
所述PI调节器Rb为：
S52控制模块通过PI调节器Rv得到直流母线电流参考值
所述PI调节器Rv为：
其中，CDC为直流母线等效电容，iDC为直流母线等效电流。
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Non-Patent Citations (1)
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| Operational limits of four wires three levels NPC topology for power quality improvement in weak grids;Ionel Vechiu等;《2016 IEEE 16th International Conference on Environment and Electrical Engineering》;20160901;全文 * |
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