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浙江大學電氣工程學院的研究人員胡斯登、梁梓鵬、范棟琦、周晶、何湘寧，在2017年第8期《電工技術學報》上撰文指出，Z源變換器具有單級升壓、降壓、無死區(qū)、電壓畸變小、可靠性高等優(yōu)點，在電動汽車領域具有廣闊的前景。

提出一種基于Z源變換器的電動汽車超級電容-電池混合儲能系統(tǒng)。該結構將儲能與驅動系統(tǒng)相融合，減少了電池功率變換器，降低了損耗與成本。

詳細分析通過Z源變換器實現(xiàn)混合儲能系統(tǒng)不同模式下功率分配的運行機理。此基礎上提出功率分頻協(xié)調(diào)控制策略以提高混合儲能系統(tǒng)的響應速度并實現(xiàn)各模式的無縫切換。

最后，為了避免短時尺度沖擊電流對電池的影響，設計電池瞬態(tài)峰值電流估計方法。仿真與實驗結果驗證了所提出的混合儲能系統(tǒng)及控制策略的有效性。

混合儲能是提升車載儲能系統(tǒng)性能的有效手段之一。超級電容具有功率密度高、循環(huán)次數(shù)多、充放電倍率大等特點，有利于構成超級電容-電池混合儲能系統(tǒng)以改善動態(tài)響應、提高能量回饋效率、延長電池使用壽命等[1-3]。

目前，應用較多的被動式混合儲能結構將兩者直接并聯(lián)。雖然成本較低但由于電池電壓的鉗位作用，超級電容能量利用范圍有  限[4,5]。離網(wǎng)、并網(wǎng)儲能系統(tǒng)中多采用主動式結構，利用分立的雙向DC-DC變換器構成兩級式系統(tǒng)，該結構具有易模塊化應用、控制獨立等優(yōu)點，但是由于變換器需匹配各儲能單元的峰值功率，因此存在開關損耗、系統(tǒng)可靠性等方面的弱點，不利于在車載系統(tǒng)中應用[6-8]。

文獻[4]綜述了六類主動式與被動式混合儲能系統(tǒng)，提出了一種利用輔助二極管減小超級電容變換器功率的方案。但在儲能單元的電壓不匹配情況下，運行模式之間的無縫切換難以得到保障。文獻[9]提出了一種隔離型多端口雙向混合儲能變換器，并通過軟開關技術降低開關損耗，但該方法所需器件較多且控制復雜。

目前研究較多的是基于常規(guī)的DC-DC變換器，通過在儲能系統(tǒng)動態(tài)響應、損耗、成本之間折中改善局部效果[8,10-12]。結合整車動力系統(tǒng)進行的研究，國內(nèi)外僅有少量文獻報道。

其中，阻源網(wǎng)絡變換器具有將儲能與驅動器相結合的特點，因此受到人們的關注。阻源網(wǎng)絡通常指包含無源元件的二端口網(wǎng)絡，阻源網(wǎng)絡變換器主要包絡Z源變換器、準Z源變換器、變壓器型Z源變換器、Γ型變換器等[13,14]。

該類變換器具有單級升壓、降壓變換、無死區(qū)、電壓畸變小，系統(tǒng)可靠性高等特點[15]。通過與混合儲能系統(tǒng)結合，有利于提高電動汽車儲能系統(tǒng)的整體性能。

文獻[16,17]比較了Z源逆變器與傳統(tǒng)DC-DC型兩級式逆變器在儲能應用中的各自優(yōu)勢，在此基礎上研究了燃料電池-電池混合儲能系統(tǒng)，但缺乏能量回饋與分配等方面的研究，同時單電池供電模式下存在器件應力高等方面的問題。

文獻[18]利用非對稱Γ型變換器，提升了混合儲能系統(tǒng)的電壓比。總體而言，此類系統(tǒng)由于燃料電池無法吸收能量，因此回饋模式下效率不佳、性能受到局限。

綜合以上分析，本文研究了Z源變換器在電動汽車超級電容-電池混合儲能系統(tǒng)中的應用。首先，分析了在牽引與回饋等工況下Z源變換器功率傳輸路徑，實現(xiàn)了無需輔助二極管的電池供電方式。其次，為提高系統(tǒng)動態(tài)響應，研究了基于電機矢量控制的功率分頻協(xié)調(diào)控制策略，并對電池瞬態(tài)電流的預估進行了數(shù)學分析。最后，通過仿真與實驗進行驗證。

圖1  混合儲能系統(tǒng)框圖

結論

電動汽車復合儲能系統(tǒng)具有升壓比較低、空間尺寸小、可靠性及效率要求高等特點，因此利用Z-源變換器單級升壓、降壓的優(yōu)勢，可以擴展超級電容的利用范圍并且省去了電池單元功率變換器。為提高混合儲能系統(tǒng)的動態(tài)響應，在電機矢量控制中嵌入了儲能系統(tǒng)功率分頻協(xié)調(diào)控制方法。

同時為了提高電池的安全性能，對短時間尺度中電池峰值電流估計進行了研究。最后，通過仿真與實驗驗證了本文提出的混合儲能系統(tǒng)及控制策略的有效性，該研究同樣適用于其他阻源網(wǎng)絡功率變換器與混合儲能系統(tǒng)。