基于Z源变换器的电动汽车超级电容-电池混合储能系统
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
浙江大学电气工程学院的研究人员胡斯登、梁梓鹏、范栋琦、周晶、何湘宁，在2017年第8期《电工技术学报》上撰文指出，Z源变换器具有单级升压、降压、无死区、电压畸变小、可靠性高等优点，在电动汽车领域具有广阔的前景。
提出一种基于Z源变换器的电动汽车超级电容-电池混合储能系统。该结构将储能与驱动系统相融合，减少了电池功率变换器，降低了损耗与成本。
详细分析通过Z源变换器实现混合储能系统不同模式下功率分配的运行机理。此基础上提出功率分频协调控制策略以提高混合储能系统的响应速度并实现各模式的无缝切换。
最后，为了避免短时尺度冲击电流对电池的影响，设计电池瞬态峰值电流估计方法。仿真与实验结果验证了所提出的混合储能系统及控制策略的有效性。
混合储能是提升车载储能系统性能的有效手段之一。超级电容具有功率密度高、循环次数多、充放电倍率大等特点，有利于构成超级电容-电池混合储能系统以改善动态响应、提高能量回馈效率、延长电池使用寿命等[1-3]。
目前，应用较多的被动式混合储能结构将两者直接并联。虽然成本较低但由于电池电压的钳位作用，超级电容能量利用范围有 限[4,5]。离网、并网储能系统中多采用主动式结构，利用分立的双向DC-DC变换器构成两级式系统，该结构具有易模块化应用、控制独立等优点，但是由于变换器需匹配各储能单元的峰值功率，因此存在开关损耗、系统可靠性等方面的弱点，不利于在车载系统中应用[6-8]。
文献[4]综述了六类主动式与被动式混合储能系统，提出了一种利用辅助二极管减小超级电容变换器功率的方案。但在储能单元的电压不匹配情况下，运行模式之间的无缝切换难以得到保障。文献[9]提出了一种隔离型多端口双向混合储能变换器，并通过软开关技术降低开关损耗，但该方法所需器件较多且控制复杂。
目前研究较多的是基于常规的DC-DC变换器，通过在储能系统动态响应、损耗、成本之间折中改善局部效果[8,10-12]。结合整车动力系统进行的研究，国内外仅有少量文献报道。
其中，阻源网络变换器具有将储能与驱动器相结合的特点，因此受到人们的关注。阻源网络通常指包含无源元件的二端口网络，阻源网络变换器主要包络Z源变换器、准Z源变换器、变压器型Z源变换器、Γ型变换器等[13,14]。
该类变换器具有单级升压、降压变换、无死区、电压畸变小，系统可靠性高等特点[15]。通过与混合储能系统结合，有利于提高电动汽车储能系统的整体性能。
文献[16,17]比较了Z源逆变器与传统DC-DC型两级式逆变器在储能应用中的各自优势，在此基础上研究了燃料电池-电池混合储能系统，但缺乏能量回馈与分配等方面的研究，同时单电池供电模式下存在器件应力高等方面的问题。
文献[18]利用非对称Γ型变换器，提升了混合储能系统的电压比。总体而言，此类系统由于燃料电池无法吸收能量，因此回馈模式下效率不佳、性能受到局限。
综合以上分析，本文研究了Z源变换器在电动汽车超级电容-电池混合储能系统中的应用。首先，分析了在牵引与回馈等工况下Z源变换器功率传输路径，实现了无需辅助二极管的电池供电方式。其次，为提高系统动态响应，研究了基于电机矢量控制的功率分频协调控制策略，并对电池瞬态电流的预估进行了数学分析。最后，通过仿真与实验进行验证。
图1 混合储能系统框图
结论
电动汽车复合储能系统具有升压比较低、空间尺寸小、可靠性及效率要求高等特点，因此利用Z-源变换器单级升压、降压的优势，可以扩展超级电容的利用范围并且省去了电池单元功率变换器。为提高混合储能系统的动态响应，在电机矢量控制中嵌入了储能系统功率分频协调控制方法。
同时为了提高电池的安全性能，对短时间尺度中电池峰值电流估计进行了研究。最后，通过仿真与实验验证了本文提出的混合储能系统及控制策略的有效性，该研究同样适用于其他阻源网络功率变换器与混合储能系统。