1.3.2　系统拓扑结构

复合电源系统中动力电池和超级电容具有不同的电压特性。为了缓解动力电池负荷，主动控制超级电容电流，需要在复合电源系统中增加DC/DC变换器。DC/DC变换器的作用如下。

① 隔离动力电池和超级电容。

② 调节超级电容对外输出电压和制动回馈时充电电压。

③ 控制超级电容的充放电电流，实现复合电源配合工作的目的。

DC/DC变换器按照输入电压与输出电压的关系可分为Buck（降压）、Boost（升压）、Buck-Boost（升降压）等。双向升降压型和变压器隔离型全桥变换器是DC/DC变换器的两种主电路拓扑结构形式，后者由于本身开关数量较多，效率和可靠性较低，因此不适合用于车载复合电源，一般选用双向升降压型拓扑结构形式的DC/DC变换器。

锂离子动力电池、超级电容和DC/DC变换器的不同组合方式形成了多种类型的复合电源拓扑结构，不同的复合电源拓扑结构具有不同的成本、控制方法、适应性、性能表现和能量转换效率等特征。一般可分为三种类型：被动并联结构、全主动结构和半主动结构，如图1-3所示。

图1-3　锂离子动力电池+超级电容的复合电源系统拓扑结构分类

（1）被动并联结构

被动并联结构如图1-4所示，在该结构中，动力电池和超级电容直接并联在一起，然后与直流母线相连。由于其不包含DC/DC变换器，所以形式最为简单，成本也相对较低。超级电容在该结构中主要扮演低通滤波器的角色。与其他拓扑结构相比，动力电池和超级电容的功率分配很大程度上由它们各自的内阻值决定，而非控制系统。由于该复合电源系统不能被有效地控制和管理，导致动力电池承担了加速和制动过程中的部分大电流与高频电流，这不利于动力电池高效、健康地使用。与此同时，由于超级电容电压与动力电池电压需要始终保持一致，所以超级电容电压的变化幅度、频率受到极大的限制，导致超级电容的使用效率不高，不能充分发挥其在高功率方面的优势。

图1-4　被动并联结构

（2）全主动结构

全主动结构是指采用一个或多个DC/DC变换器实现动力电池和超级电容解耦的拓扑结构。它又分为串联结构、并联结构和多输入变换器结构。如图1-5（a）所示，串联结构有两个参数不相同的DC/DC变换器。由于超级电容的电压变化范围较大，将一个DC/DC变换器连接在动力电池与超级电容之间，另一个DC/DC变换器连接在超级电容与直流母线之间，这样的结构更容易稳定动力电池端和母线端的电压。串联结构的另一种形式如图1-5（b）所示，与前者的区别在于将动力电池和超级电容交换位置。该结构的最大问题在于如何克服在恒流负载下单体间的均衡。并联结构的示意图如图1-5（c）所示，动力电池和超级电容分别与DC/DC变换器串联，然后再将这两条支路并联到一起。多输入变换器结构如图1-5（d）所示，它包括了一个多端口输入的DC/DC变换器。该结构下的动力电池和超级电容的电压一般应低于母线电压，因此可能出现的均衡问题相对更少。总之，由于全主动结构通过增加DC/DC变换器实现动力电池和超级电容的完全解耦，可完全控制动力电池和超级电容的功率分配，直流母线电压值也更为稳定。然而整个系统的能量管理策略会更复杂，能量损耗、体积、重量和成本会显著增加。

图1-5　全主动结构

（3）半主动结构

半主动结构主要是指动力电池或者超级电容中的一个能量源通过DC/DC变换器与直流母线实现解耦。它主要包括三种类型：超级电容/动力电池结构、动力电池/超级电容结构和混合二极管结构。超级电容/动力电池结构如图1-6（a）所示，它由动力电池、超级电容和一个双向DC/DC变换器组成。其中DC/DC变换器与超级电容串联，动力电池与直流母线直接相连。因此，这类结构的直流母线不能承受大范围的电压波动，一旦变化过于频繁，将会严重影响动力电池的使用寿命，该结构需要DC/DC变换器具备更快的响应速度和较大的工作功率。动力电池/超级电容结构如图1-6（b）所示，在这种结构中DC/DC变换器与动力电池串联，超级电容与直流母线直接连接。该结构的直流母线电压可以在一定范围内波动，超级电容具有低通滤波器的作用，可吸收由波动引起的高频电流和峰值电流，这有助于提升整个系统的效率。由于动力电池与直流母线实现了解耦，所以动力电池可以承受较大的充放电电流。图1-6（c）所示的混合二极管结构最大特点是通过DC/DC变换器的控制使超级电容的电压始终高于动力电池两端的电压。因此超级电容可以在不需要与DC/DC变换器串联的情况下充分地发挥其功率特性。同时，动力电池的负载曲线更趋于平缓，这有利于延长动力电池的使用寿命。图1-6（d）与图1-6（c）的最大区别是将双向DC/DC变换器变成单向DC/DC变换器，进一步减小了DC/DC变换器的体积和重量，并提高了DC/DC变换器转换效率。

　

　

图1-6　半主动结构