電動(dòng)車混合電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董　昭，張瑋瑋

(安陽(yáng)工學(xué)院，河南安陽(yáng)455000)

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電動(dòng)車混合電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董昭*，張瑋瑋

(安陽(yáng)工學(xué)院，河南安陽(yáng)455000)

摘要:設(shè)計(jì)了一種用于電動(dòng)車的混合電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)以蓄電池為主電源，采用具有雙電層結(jié)構(gòu)的超級(jí)電容器為輔助能源。利用單片機(jī)控制電動(dòng)車在不同狀態(tài)選擇不同電源進(jìn)行供電。以200 kg的人與車沿著仰角為30°，落差為6 m的坡度行駛進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可增加130 m的行駛距離。這表明該混合電源有效地增加了電動(dòng)車的行駛里程，同時(shí)可延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，具有很大的現(xiàn)實(shí)推廣意義。

關(guān)鍵詞:單片機(jī);電動(dòng)車;混合電源系統(tǒng);超級(jí)電容器;蓄電池;

電動(dòng)車電源多采用蓄電池，但其存在著使用壽命短、造價(jià)高昂等弱點(diǎn)。超級(jí)電容器是物理電容與電化學(xué)電池的綜合體，兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)異的特性為解決電動(dòng)車傳統(tǒng)電源的固有問題提供了一條有效途徑［1－3］。

1　混合電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。蓄電池與超級(jí)電容器組成混合電源系統(tǒng)，主電路受單片機(jī)控制，因處于不同狀態(tài)而分別給直流電機(jī)供電［4］。當(dāng)重力傳感器檢測(cè)電動(dòng)自行車處于爬坡或下坡狀態(tài)，其內(nèi)部?jī)蓚€(gè)電容發(fā)生變化，電壓信號(hào)經(jīng)單片機(jī)轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)，使得超級(jí)電容器給電機(jī)供電或由電機(jī)對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行電能回饋充電;當(dāng)光電編碼器檢測(cè)到加速或制動(dòng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)發(fā)生變化，經(jīng)單片機(jī)轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)，使得超級(jí)電容器給電機(jī)供電或由電機(jī)對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行電能回饋充電。電動(dòng)自行車處于勻速運(yùn)行時(shí)，由蓄電池給電動(dòng)機(jī)供電。

圖1　混合電源系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)圖

1.1充電器部分

本文采用全橋移相高功率因數(shù)開關(guān)電源作為充電電源，為了滿足對(duì)電源功率因數(shù)的要求，在前級(jí)采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)。采用全橋移相電路作為主功率變換，這樣可通過開關(guān)頻率的提高來提高電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)并縮小電源的體積［5］。采用耦合電感作為輸出濾波電感，極大減小了輸出電壓紋波，從而自動(dòng)限制輸出電流值，提高電源輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這樣即使在負(fù)載突變的情況下，電源也沒有大的輸出電壓過沖。單相交流電網(wǎng)電壓經(jīng)工頻整流濾波電路將交流電壓變換為直流電壓，經(jīng)Boost升壓電路組成的功率因數(shù)校正電路將直流電壓升到2倍左右，使輸入工頻電流為正弦波并和輸入電壓同相位，實(shí)現(xiàn)輸入交流側(cè)功率因數(shù)近似為1，達(dá)到功率因數(shù)校正的目的。全橋移相逆變電路的輸入電壓比原來沒有功率因數(shù)校正時(shí)升高1倍，提高了逆變電路開關(guān)管的耐壓要求。移相全橋逆變電路將直流電壓變換為高頻交流電壓，通過高頻變壓變頻和輸出整流濾波電路變換為穩(wěn)定的直流輸出電壓。開關(guān)電源主電路如圖2所示，包括整流電路Boost升壓斬波電路組成的功率因數(shù)校正電路，移相變壓電路，輸出整流電路。VT1、VT2是電壓傳感器用于檢測(cè)功率因數(shù)校正電路的輸入、輸出端電壓，L1是Boost升壓電感。

圖2　全橋移相高功率因數(shù)開關(guān)電源主電路

1.2電池組部分

1.2.1電池組供電部分

蓄電池與超級(jí)電容器相互配合共同為直流電動(dòng)機(jī)提供電能，二者組成電動(dòng)自行車的混合電源系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中使用4個(gè)12 V/30 Ah鉛蓄電池組模塊給電動(dòng)機(jī)供電。電池組部分供電電路圖如圖3所示，受到單片機(jī)的控制，回路Ⅰ為蓄電池供電電路，電動(dòng)機(jī)勻速運(yùn)行時(shí)接通;回路Ⅱ超級(jí)電容器供電電路，電動(dòng)車啟動(dòng)、爬坡或加速時(shí)接通;回路Ⅲ為電能回饋電路，當(dāng)電動(dòng)車停車、下坡或制動(dòng)時(shí)接通。

圖3　電池組部分供電電路圖

以能量作為選擇依據(jù)。超級(jí)電容器組的容量配置:對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，單只超級(jí)電容器無法滿足能量需求，通過儲(chǔ)能量需求確定器件的數(shù)量是必要的。對(duì)于等效電路模型，忽略弛豫效應(yīng)相關(guān)的參數(shù)，只考慮器件的基本電容值C。此時(shí)器件在最大允許電壓UM下可以儲(chǔ)存的最大能量WM為

如果想把儲(chǔ)存于超級(jí)電容器的能量全部釋放出來需要將其電壓從最大值UM降到零，但是在一定的功率輸出情況下，超級(jí)電容器的電流會(huì)隨著電壓降到零而趨于無窮大，這會(huì)使儲(chǔ)能器件的串聯(lián)等效阻抗與功率轉(zhuǎn)換裝置都會(huì)產(chǎn)生很大的損耗［6－9］。

實(shí)際應(yīng)用中為提高系統(tǒng)效率，須將超級(jí)電容器的端電壓變化范圍限制在一定范圍內(nèi)，引入放電系數(shù)d，它等于超級(jí)電容器所允許的最小端電壓除以最大端電壓，并以百分?jǐn)?shù)表示為

由此可見，超級(jí)電容器儲(chǔ)存的總能量WM并不完全被利用，而只有其中的部分能量可以使用，稱為有效能量，用Wu表示，即

例如當(dāng)d=50%時(shí)，超級(jí)電容器可釋放的能量是其總能量的75%，為得到高效率在應(yīng)用中應(yīng)避免d低于50%，于是最終確定提供能量W所需器件的數(shù)量N為可見所需數(shù)量取決于超級(jí)電容器的放電系數(shù)d。

以功率為選擇依據(jù)并兼顧效率。依照等效電路模型超級(jí)電容器，內(nèi)部含有一個(gè)串聯(lián)電阻，這意味著在充放電過程中會(huì)發(fā)生內(nèi)部損耗，若計(jì)入這些損耗就可以得到超級(jí)電容器的效率。圖4給出了參數(shù)為2 600 F/2.5 V/0.7 mΩ的超級(jí)電容器在恒流和恒功率條件下的充放電效率曲線，放電系數(shù)設(shè)為50%。

圖4　恒功率和恒流條件下充放電效率

盡管超級(jí)電容器得到串聯(lián)阻抗很小，但要求使效率大于90%，充電時(shí)必須將電流或功率限制在一定的值之下，放電亦然，也就是說充電時(shí)電流需限制在297 A以下或者功率限制在604 W以下才可以得到90%的效率，放電時(shí)，電流不得超過267 A，功率不得超過423 W。若以允許的最低效率為約束，可以推算出器件的功率密度。由保證器件獲得90%效率的放電功率423 W與器件的質(zhì)量0.525 kg之比得到功率密度為806 W/kg，標(biāo)稱中給出了4 300 W/kg，可見實(shí)際性能與標(biāo)稱有很大的差距，因此進(jìn)行容量計(jì)算時(shí)，必須考慮由器件內(nèi)部串聯(lián)阻抗所導(dǎo)致的效率問題。

How about Dabao entering in the high-end market? 12 4

本設(shè)計(jì)中超級(jí)電容器單體的基本參數(shù)為:電容值為800 F，電壓為2.7 V，串聯(lián)內(nèi)阻為2 mΩ，放電系數(shù)d為50%。則依據(jù)式(1)～式(3)，超級(jí)電容器單體所能提供的有效能量為2.25 kJ。選擇為48 V的電動(dòng)自行車供電，則需要以18個(gè)單體為一組，相互串聯(lián)組成電池組。

1.2.3超級(jí)電容器的DC/DC穩(wěn)壓電路

超級(jí)電容器組的端電壓會(huì)隨著電荷狀態(tài)的變化而變化，因此在超級(jí)電容器組與負(fù)載之間必須有一個(gè)DC/DC穩(wěn)壓電路調(diào)節(jié)輸出電壓的范圍，本文采用升降型有利于濾波的庫(kù)克變換電路。庫(kù)克變換電路又稱Cuk變換電路，屬于升降壓型直流電壓變換電路，即輸出電壓的平均值既能高于輸入電壓，又能低于輸入電壓。庫(kù)克變換電路如圖5所示，圖中L1和L2為儲(chǔ)能電感，VD是快恢復(fù)續(xù)流二極管，C1是傳送能量的耦合電容，C2為濾波電容。電路的特點(diǎn):輸出電壓極性與輸入電壓相反，輸出端電流的交流紋波小，輸出直流電壓平穩(wěn)，降低了對(duì)外部濾波器的要求。

圖5　庫(kù)克變換電路及其波形

1.2.4電能回饋電路

圖6為升壓斬波電路，在混合電源系統(tǒng)中作為電能回饋電路，起回收直流電機(jī)制動(dòng)時(shí)反饋的電能的作用。電路中的電容C應(yīng)盡量大，保證輸出電壓在通態(tài)期間不變，電感L也應(yīng)盡量選擇大電感，以盡可能減少斷態(tài)期間的電流斷續(xù)。其工作原理為:當(dāng)VT處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電源向電感充電，電流基本恒定，同時(shí)電容向超級(jí)電容器充電;當(dāng)VT處于斷態(tài)時(shí)，電源和電感共同向電容充電并向超級(jí)電容器提供能量［10－12］。

設(shè)通態(tài)時(shí)間為ton，斷態(tài)時(shí)間為toff，T=ton+toff，則Uo=(T/toff) E(5) T/Toff＞1，則輸出電壓高于電源電壓，調(diào)節(jié)T/Toff可改變輸出電壓的大小。輸出電流的平均值為

圖6　升降壓斬波電路圖及工作波形

2　檢測(cè)部分與控制部分

檢測(cè)部分由傾角檢測(cè)部分和轉(zhuǎn)速檢測(cè)部分組成，共同監(jiān)測(cè)電車所處的狀態(tài)，將電車的物理狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)經(jīng)后續(xù)放大與整形，傳遞給單片機(jī)。

2.1傾角檢測(cè)部分

傾角檢測(cè)部分，由重力傳感器來感應(yīng)爬坡或下坡時(shí)電動(dòng)車所處的傾角狀態(tài)，將傾角狀態(tài)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)放大和整形將電平信號(hào)傳入單片機(jī)，重力傳感器的測(cè)量電路如圖7所示。

圖7　重力傳感器的測(cè)量電路

2.2轉(zhuǎn)速檢測(cè)部分

該部分由開關(guān)式光電傳感器及其測(cè)量電路組成，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，包括光源、光柵、碼盤、光敏元件和處理電路。碼盤兩側(cè)分別裝有光源和準(zhǔn)直裝置、狹縫盤和光敏元件。一旦碼盤與狹縫盤發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么光源發(fā)出的光線就會(huì)被切割調(diào)制成明暗相間的摩爾條紋，經(jīng)光敏元件將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，再通過電路系統(tǒng)進(jìn)行放大、整形、譯碼等處理，最后以數(shù)字量的形式輸出。

圖8　開關(guān)式光電傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖9　光電脈沖放大整形電路

光電脈沖放大整形電路如圖9所示。當(dāng)有光時(shí)間，光敏二極管產(chǎn)生光電流，使得R2上壓降增大到晶體管VT1導(dǎo)通，作用到由VT2、VT3組成的射極低耦合觸發(fā)器，使其輸出Uo為高電位，反之Uo為低電位。脈沖信號(hào)Uo可送到單片機(jī)進(jìn)行測(cè)量。

2.3控制部分

控制部分由單片機(jī)、電源電路中的開關(guān)器件IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路組成。

使用51單片機(jī)接受來自重力傳感器和開關(guān)式光電傳感器的信號(hào)，通過對(duì)這些信號(hào)的判斷來決定哪一個(gè)電源給直流電動(dòng)機(jī)提供電能。程序流程圖如圖10所示。

圖10　程序流程圖

單片機(jī)P3.5腳接受開關(guān)式光電傳感器輸入的信號(hào)，通過比較讀取固定脈沖所用時(shí)間來判斷電動(dòng)機(jī)是處于加速還是減速，從而決定超級(jí)電容器是輸出電能還是回收電能，或判斷電動(dòng)機(jī)處于勻速運(yùn)行時(shí)，使得蓄電池輸出電能。P1.0腳和P1.1腳接受重力傳感器的信號(hào)，P1.0腳為高電平，說明電車處于下坡狀態(tài)，使超級(jí)電容器回收電能; P1.0為低電平時(shí)，說明電車處于平地，由蓄電池輸出電能; P1.1為高電平時(shí)說明電車處于爬坡狀態(tài)，由超級(jí)電容器輸出電能。

3　電動(dòng)車混合電源系統(tǒng)測(cè)試及分析

根據(jù)計(jì)算，200 kg的人與車沿著仰角為30°，落差為6 m的坡度勻速行駛，至少需要12 kJ的能量。電動(dòng)車從0加速至3 m/s至少需要900 J的能量。電動(dòng)車的滾動(dòng)摩擦為0.05時(shí)，電動(dòng)車行駛每米須克服摩擦所做功為98 J。從此可見電動(dòng)車啟動(dòng)、加速、爬坡將消耗電池的大部分能量，而處于勻速時(shí)，電池所提供的能量主要用來克服摩擦，且消耗能量遠(yuǎn)少于啟動(dòng)、加速和爬坡所用的能量。

若忽略摩擦損耗且下坡時(shí)完全回收上坡時(shí)存儲(chǔ)的勢(shì)能，則由勢(shì)能轉(zhuǎn)化成為的電能足以使電動(dòng)車勻速行駛120 m;從減速回收的電能也足以保證勻速行駛10 m，則體現(xiàn)了使用電能較于使用化石能源的優(yōu)勢(shì)。出于安全考慮，電能回收的時(shí)間必須很短，鉛蓄電池?zé)o法在短時(shí)間內(nèi)回收電能，具有高功率密度的超級(jí)電容器則適合回收這樣的電能，體現(xiàn)了其作為輔助電源的優(yōu)勢(shì)。此外高功率密度使得超級(jí)電容器能快速充電，彌補(bǔ)了其能量密度低的不足。

4　結(jié)論

超級(jí)電容器作為輔助電源，配合鉛蓄電池供能，蓄電池能長(zhǎng)時(shí)間供應(yīng)的且穩(wěn)定的電能只被用于勻速行駛，增加了電動(dòng)車的行程，同時(shí)蓄電池充電周期延長(zhǎng)，增加了蓄電池的使用壽命，具有很大的現(xiàn)實(shí)推廣意義。

參考文獻(xiàn):

［1］程立文，汪繼強(qiáng)，譚玲生.超級(jí)電容器的技術(shù)與應(yīng)用市場(chǎng)發(fā)展簡(jiǎn)評(píng)［J］.電源技術(shù)，2007(11) : 921－925.

［2］唐鵬，周玉柱.超級(jí)電容在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用探討［J］.移動(dòng)電源與車輛，2012(1) : 31－35.

［3］曹秉剛，曹建波，李軍偉.超級(jí)電容在電動(dòng)車中的應(yīng)用研究［J］.西安交通大學(xué)報(bào)，2008(11) : 1317－1322.

［4］許愛國(guó)，謝少軍，姚遠(yuǎn)，等.基于超級(jí)電容的城市軌道交通車輛再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25(3) : 117－123.

［5］王勝德，張平.高壓開關(guān)電源在X－射線探傷中的應(yīng)用［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào):理學(xué)版，2004，36(4) : 48－50.

［6］李琛，張莉，王凱.雙電層超級(jí)電容器的矩陣式模型研究［J］.電子元件與材料，2011(4) : 41－44.

［7］趙洋，梁海泉，張逸成.電化學(xué)超級(jí)電容器建模研究現(xiàn)狀與展望［J］.電工技術(shù)報(bào)，2012，27(3) : 188－193.

［8］強(qiáng)國(guó)斌，李忠學(xué)，陳杰.混合電動(dòng)車用超級(jí)電容能量源建模［J］.能源技術(shù)，2005(2) : 58－61.

［9］田華亭，張勇.容量偏差對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能的影響及解決方案［J］.電子元件與材料，2009，28(9) : 30－33.

［10］楊威，楊世彥，郭偉峰.基于FPGA的超級(jí)電容器組均衡充電系統(tǒng)監(jiān)控單元的研究［J］.電子器件，2006，29(3) : 755－758.

［11］周揚(yáng)，王曉峰，張高飛.基于聚吡咯微電極的MEMS微型超級(jí)電容器的研究［J］.電子器件，2011，34(1) : 1－5.

［12］孟彥京，張商州，陳景文，等.充電方式對(duì)超級(jí)電容能量效率的影響［J］.電子器件，2014(1) : 13－16.

董　昭(1980－)，男，漢族，河南駐馬店人，碩士研究生，安陽(yáng)工學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂?、自?dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，dongzhao991@ 163.com。

Power Management and Control Strategy of a Hybrid Energy Storage in Wind-Solar Hybrid Generation System

SUN Yunquan*，ZHANG Yunxin，LI Yajie
(College of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China)

Abstract:The application of energy storage technology ensures the stability and security of the system and the improvement of the efficiency and life span.By integrating the advantage of storage battery in high energy density with that of super capacitor in high power density，a kind of mixed energy-storage structure with storage battery and super capacitor is proved.The sliding filter is applied to energy distribution，and the DC/DC changer is used to control those energy storage models in a real-time way，so as to improve the flexibility and widen the application fields of the whole system.

Key words:wind-solar hybrid; hybrid energy storage; sliding filter; control technologies

中圖分類號(hào):TM53; TP27

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015) 03－0682－06

收稿日期:2014－07－01修改日期: 2014－07－26

doi:EEACC: 8110B10.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.043