车载超级电容器储能系统新型变流器

胡继胜，马杰，都业林

(大连交通大学交通运输工程学院，辽宁大连116028)*

0 引言

超级电容器再生制动储能系统已经被广泛地应用于城市轨道车辆、新能源汽车等领域.双向直流斩波变流器是实现系统能量双向传输的关键部件，其结构和控制方式是否合理直接影响着整个车载超级电容器储能系统的性能.目前车载超级电容器储能系统主变流器多数采用BUCKBOOST拓扑结构，其基本结构如图1所示.

该电路变流器的容积功率为

其中，VDe为直流母线标称电压;k为电流脉动系数;Vcmin为超级电容器的最低工作电压;PZmax为储能系统所要吸收的最大功率.

图1 常规变流器结构

为衡量超级电容器储能能力的利用程度，超级电容器容量利用率定义为:

其中，Vcmax为超级电容器的最高工作电压，一般由超级电容器的额定电压和安全余量确定.

提高超级电容器容量利用率可以减少超级电容器组中的单元个数，在减小重量和体积的同时，降低了成本.减小超级变流器的容积功率可以减弱电流脉动量、提高系统的电磁兼容性和工作的可靠性.但从式(1)和(2)可以得出，提高超级电容器容量利用率λ需要降低Vcmin，而这样却增大了变流器容积功率PC.

为了缓解提高超级电容器的容量利用率和降低变流器容积功率的矛盾，本文提出了一种新型变流器作为车载超级电容器储能系统的主变流器.

1 新型变流器简介

1.1 基本结构

在采用新型变流器的储能系统中，超级电容器组C1、C2只是将原有储能系统中超级电容器单元重新组合，并未增加单元个数.若原采用BUCK-BOOST结构的系统中的超级电容器容量为C0，最高工作电压为V0max.则在新型变流器系统中，C1=C2=1/2C0，V1max=V2max=V0max.其结构如图2所示.

图2 新型变流器结构

1.2 控制方式

新型车载超级电容器储能系统，依据直流环节电压的变化控制变流器进入充电或放电工况，而对储能系统超级电容器的充放电过程各分成两个阶段进行控制.

1.2.1 超级电容器充电过程

(1)工作方式一

若2Vcmin＜Vc1+Vc2＜VDe时，T10一致导通，T20、T21、T12、T22一直关断.对 T11实施 PWM 控制，则此时 T11、L1、C1、T10、L2、C2及 D12组成了一个与常规储能再生制动变流器等效的BUCK电路进行充电过程.

(2)工作方式二

若 Vc1+Vc2＞ VDe时，T10、T12、T22一直关断、T20一直导通，分别对T11、T21实施PWM控制，而且保证PWM控制相位错开半个周期，此时T11、L1、C1、T20及 D12，T21、L2、C2及 D22组成两个独立的与常规储能再生制动变流器等效的BUCK电路进行充电过程.

1.2.2 超级电容器放电过程

(1)工作方式三

若 Vc1+Vc2＞ VDe时，T20一直导通，T10、T11、T21一直关断，分别对T12、T22实施PWM控制，而且保证PWM控制相位错开半个周期，此时T12、L1、C1、T20及 D11，T22、L2、C2及 D21组成两个独立的实施错相控制的且与常规储能再生制动变流器等效的BOOST电路，从而完成C1、C2的放电过程.

(2)工作方式四

若 2Vcmin＜ Vc1+Vc2＜ VDe时，T20、T22、T11、T21一直关断，T10一直导通，对T12实施PWM控制，则D11、L1、C1、T10、L2、C2及 T12组成了一个与常规储能再生制动变流器等效的BOOST电路对C1、C2进行放电.

2 新型变流器性能分析

2.1 主要性能参数

现以某型号燃料电池车为参考对象，需要设计的超级电容器再生制动储能系统的参数为:储能系统所要吸收的总制动能量W=396 kJ;储能系统所要求吸收的最大功率P=50 kW;直流母线标称电压为420 V.

以容量为60 F，额定电压为48 V的超级电容器单元为基础组合成超级电容器组.参照文献［2］的计算方法，确定采用常规变流器的储能系统的电容器单元组合方式、超级电容器组的电压工作范围和电抗器的电感值等参数值如下:组合方式为单组;电容器容量/额定电压 =24 F/240 V;电压范围(Ucmin;Ucmax)=(150，224)V;峰值电流 Icmax=433.3 A;电感值LN=0.1 mH(＞0.05);容积功率 PC=181 986 W.

如果采用新型变流器，超级电容器组采用与常规变流器储能系统相同的工作电压范围，充电电流的峰值出现在工作方式一超级电容器工作电压最低时，但由于此时相当于超级电容器组C1、C2两者串联，最低工作电压较常规变流器储能系统提高了一倍，因此充电电流峰值为BUCK-BOOST电路的一半.根据计算，得到结果如下:组合方式为双组;电容器容量 /额定电压=12 F/240 V;电压范围(Ucmin;Ucmax)=(150，224)V;峰值电流 Icmax=216.7 A;电感值LN=0.1 mH(＞0.04);容积功率PC=91 014 W.其中电抗器的电感值应满足:

其中，UFmax为直流母电压最大值为超级电容器平均充电电流.

在电压工作范围(超级电容器的利用率)相同的情况下，从上述参数可以看出，变流器的容积功率及电流脉动显著减小.同样也可以得出，在保持变流器原容积功率的条件下，采用新型变流器能可以提高储能系统的超级电容器的利用率.或者两个参数同时得到改善.

2.2 工作过程分析

以上文中计算计算得电路参数为依据，采用SIMULINK对常规储能变流器和新型变流器在进行充电过程进行仿真，如图3所示.

图3 两种变流器充电电流

通过与给出的参数值对照，充电电流的仿真结果与计算值基本一致.观察仿真波形的包络线可以看出，新型变流器对电容器的充电峰值电流较常规变流器小很多，即变流器的容积功率也得到减小.通过FFT变换得出，充电过程中的直流母线的电流谐波比采用BUCK-BOOST斩波器的储能系统的电流谐波大为减弱.

3 新型变流器控制的实现

3.1 基于DSP的新型变流器控制系统

为了保证能按上文所述方式对新型车载超级电容器储能系统进行实时控制，开发了以TMS320F2812 DSP为核心的控制系统.控制系统应用了DSP的事件管理器EVA和EVB和ADC等外设资源.基于DSP的新型变流器控制系统如图4所示.

在变流器的工作于方式一时，可以根据斩波频率的要求，初始化定时器 T1的周期寄存器T1PR，并根据控制要求实时运算得到T1CMPR的值，依据超级电容器充电电流的要求调节PWM信号的占空比.通过设定通用定时器全局控制寄存器 GPTCONA的 T2PIN位为 0，使 T2PWM_T2CMP引脚强制输出低电平，此时功率管T12处于一直关断的状态.通过对通用定时器T2周期寄存器的设定来设置数字控制系统的采样周期.

图4 新型变流器DSP控制的系统结构

由于在控制中，功率开关T10和T20仅仅起到开关作用，可以通过DSP多路复用引脚GPIOA0控制T10，GPIOA1控制T20在工作方式一时，分别使GPIOA0在寄存器GPACLEAR和GPIOA1在寄存器GPASET的对应位置位.

变流器工作于其它的工作方式与工作方式一得设置方式基本相同，只是按照各自要求开关管的工作方式不同，重新设定相关寄存器.

变流器工作方式的是依据系统直流母线和超级电容器组两端电压变化进行的.电压传感器的输出信号需要经过采集电路处理.以通道ADCINA0采样直流母线电压，以通道ADCINB0和ADCINA1分别采用超级电容器组C1和C2端电压.

3.2 不同工作方式控制的实现

用途不同的车载超级电容器储能系统进入充电工况和放电工况的切换模式有所不同.若系统要求当VD＞(1+m)VDe时系统进入充电工作状态;当VD＜(1-n)VDe时系统进入放电工作状态;当(1-n)VDe＜VD＜(1+m)VDe时系统停止工作;其中m和n的值由设计者按系统要求设定，本设计中m=n=0.25.

如当直流母线电压为标称电压时，电压测量电路的输出值为1.6 V;(1+m)VDe的电压测量电路输出值为2 V;(1-n)VDe的电压测量电路输出值为1.2 V.由于新型变流器的工作方式之间切换时，变流器中6个IGBT的状态不同.实验中所采用的示波器仅有2个通道，为了获得6路信号的状态信息，可以通过CCS软件观察DSP寄存器的方法实现.

附表 新型变流器控制电路DSP相关寄存器状态

在充电过程中，示波器显示T11和T21的控制信号，通道一为T11的控制信号;通道二为T21的控制信号.实验结果，如图5所示.

图5 新型变流器充电的控制信号输出

在放电过程中，示波器显示T12和T22的控制信号，通道一为T12的控制信号;通道二为T22的控制信号.实验结果如图6所示.

图6 新型变流器放电的控制信号输出

4 结论

与目前车载超级电容器储能系统常用的变流系统相比，本文提出的车载超级电容器储能系统新型变流器，缓解了提高超级电容器容量利用率和减小变流器容积功率之间的矛盾.减小了直流环节的电流脉动，提高了系统的电磁兼容性.本文针对新型变流器设计的控制系统能够有效地对新型变流器进行实时控制.

［1］HU JIN SHENG，ZHAN WEN YAN，DU YE LIN，et al.Investigation of the Improvement and Control Strategy of the Energy-Storage Regeneration Braking on Metro Vehicle［J］.Advances in Electrical Engieering＆Electrical Machines，2011，134:205-212.

［2］马勇.城市轨道车辆超级电容储再生制动技术研究［D］.大连:大连交通大学，2010.

［3］胡继胜，马勇，王宁.轻轨车储能再生制动系统电路型式及主要技术参数的确定［J］.大连交通大学学报，2011，32(2):69-73.

［4］许爱国.城市轨道交通再生制动能量利用技术研究［D］.南京:南京航空航天大学，2009.

［5］张慧妍.超级电容器直流储能系统分析与控制技术的研究［D］.北京:中国科学院，2006.