純電動教練車混合動力電源控制系統(tǒng)設(shè)計

孟彥京， 胡海斌， 李肖南

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安　710021)

0　引言

純電動教練車是將傳統(tǒng)燃油教練車的發(fā)動機更換為電動機，并保持其他結(jié)構(gòu)不變，采用蓄電池為其提供能源的一種節(jié)能型電動教練車.作為電動教練車的車載能源需要符合如下要求：(1)較高的比能量和比功率；(2)較長的使用壽命和低廉的成本[1,2].

目前，純電動教練車采用的是價格低廉的鉛酸蓄電池，然而若只采用鉛酸蓄電池來承擔(dān)全部功率負荷，則對電池的壽命、電動教練車的性能以及續(xù)駛里程等都有著很大的影響，同時可能因電池電量不足而導(dǎo)致電動教練車無法正常行駛，造成能源的浪費[3].

針對上述問題，在滿足車載能源的要求下，本文擬采用能量密度高的鉛酸電池和功率密度高的超級電容兩者并聯(lián)使用作為純電動教練車的儲能單元[4,5].由于蓄電池受電化學(xué)反應(yīng)速率的限制，功率密度較小，當(dāng)負載突變時，不能快速的吸收或釋放目標(biāo)功率，較難滿足系統(tǒng)的動態(tài)要求；超級電容放電時內(nèi)部發(fā)生的是物理變化，可以短時間提供較大功率，為其他設(shè)備提供緩存[6-8].因此，利用超級電容與蓄電池性能上的互補性，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點，用適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，能夠有效的延長蓄電池的使用壽命，增加教練車的續(xù)駛里程.

1　混合動力電源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混合動力電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.超級電容經(jīng)過DC/DC變換器與蓄電池并聯(lián)為電動教練車電機控制器提供動力.DC/DC變換器是雙向的，其拓撲結(jié)構(gòu)采用升壓斬波器和降壓斬波器的反并聯(lián)[9],可控制超級電容處于充電模式或放電模式.當(dāng)電動車加速時，負載電流加大而超過某一值時，由超級電容經(jīng)過DC/DC變換器提供瞬時功率，以便將蓄電池輸出電流限制在某一范圍內(nèi)，避免蓄電池大電流放電；正常行駛時，負載電流較小，這時可完全由蓄電池提供負載全部電流；當(dāng)電動教車制動減速時，電機主要向超級電容回饋制動能量[10].

圖1　混合動力電源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在圖1中，Ec為超級電容，Ed為蓄電池，當(dāng)電動教練車加速或者上坡時，需要超級電容進行輔助提供能量，這時雙向DC/DC處于BOOST狀態(tài)，電流由低壓側(cè)流向高壓側(cè)，開關(guān)管G1為主功率元件，采用PWM方式工作，G2保持截止，利用體二極管D2續(xù)流，G1與G2開關(guān)互補，實現(xiàn)同步整流，以減小導(dǎo)通損耗；當(dāng)電動教練車制動減速時，需要超級電容吸收制動能量，雙向DC/DC處于BUCK狀態(tài)，G2為主功率元件，采用PWM模式，G1處于關(guān)斷狀態(tài)，同樣與G2處于互補工作方式.

圖1，電流、電壓檢測電路檢測超級電容、蓄電池及直流母線的電壓和電流，經(jīng)過信號調(diào)理電路送往DSP轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，DSP驅(qū)動開關(guān)管G1、G2使雙向DC/DC處于升壓或降壓狀態(tài).系統(tǒng)在升降壓過程中，如果直流母線出現(xiàn)過壓或過流情況，將會使得電機無法正常工作，并且會損壞系統(tǒng)硬件，為了保護系統(tǒng)硬件不受到破壞，需要對系統(tǒng)硬件做出保護.

2　混合動力電源工作模式

電動教練車混合動力電源系統(tǒng)有以下3種工作模式：

(1)蓄電池單獨驅(qū)動模式.當(dāng)電動教練車運行在怠速狀態(tài)下時，所需功率較小，電動教練車大部分時間處于這種狀態(tài)下，由于蓄電池的能量密度高，可完全能夠承擔(dān)長時間的負載需求.同時，蓄電池可在超級電容電壓較低的情況下為超級電容充電.

(2)蓄電池和超級電容混合驅(qū)動模式.當(dāng)電動教練車工作在起步、加速、上坡過程中，需要滿足電機短時間內(nèi)的大功率需求.如果由蓄電池單獨為電機提供功率需求，過大的放電電流會對蓄電池壽命造成不可逆的影響，同時也會降低蓄電池的放電效率[11,12]，此時應(yīng)由蓄電池和超級電容共同工作為電動教練車提供功率需求，根據(jù)超級電容適合短時間大電流放電的特點，可讓超級電容提供部分電流，從而減輕蓄電池的放電壓力.

(3)再生制動模式.當(dāng)電動教練車減速或下坡行駛時，電動教練車處于再生制動模式，電機處于發(fā)電狀態(tài)，當(dāng)超級電容SOC低于設(shè)定SOC下限時，讓超級電容回收制動能量.

3　混合動力電源控制策略

本文中的混合動力電源控制系統(tǒng)是基于電流約束條件下的控制策略.由于電動教練車加速、減速、爬坡等情況下，負載電流變化較大[13].當(dāng)負載電流超過蓄電池最佳放電電流時，為避免蓄電池電流過放影響蓄電池壽命，由超級電容輔助提供部分放電電流，來降低蓄電池的工作電流，起到保護蓄電池的作用[14].

控制策略流程圖如圖2所示.圖2中Preq為電動教練車的需求功率，Preq>0表示負載吸收能量，Preq<0表示負載回饋能量，Pbat和Puc分別表示蓄電池和超級電容輸出功率，Pbat_set表示蓄電池最佳放電電流情況下的輸出功率，SOCuc和SOCbat分別表示超級電容和蓄電池荷電狀態(tài)；如果回饋的能量不超過超級電容的飽和狀態(tài)SOCuc_max，則回饋的能量由超級電容回收；如果電動教練車負載需求功率Preq

圖2　控制策略流程圖

4　系統(tǒng)設(shè)計及仿真

4.1　電源參數(shù)計算

(1)蓄電池選型

為了降低電動教練車的使用成本，選擇價格便宜的鉛酸動力電池作為電動教練車的主要能量來源，要滿足電機平均功率7.5 kW的要求.根據(jù)選擇的電機驅(qū)動器的電壓要求，選擇6個額定電壓為12 V動力蓄電池串聯(lián)，組成72 V電壓，根據(jù)蓄電池特性，蓄電池平均放電電流為0～2 C范圍內(nèi)[15]，按平均放電電流1 C，通過計算得到蓄電池容量應(yīng)滿足：

1C*72≥7 500

(1)

可以得到蓄電池的容量約為105AH.

(2)超級電容選型

超級電容用來配合蓄電池在短時間內(nèi)所需要的大功率需求.根據(jù)表1實際測得的電動車電流數(shù)據(jù)可知，在爬坡和換擋加速行駛時直流母線電流可達36 A左右，假設(shè)超級電容提供大電流的時間為10 s，根據(jù)鉛酸動力電池相關(guān)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，蓄電池的最佳放電電流為0.1～0.2 C[16]，即最佳放電電流為10.5～21 A，選擇蓄電池的最佳放電電流為15 A，則蓄電池的額定功率大約為1 100 W.本設(shè)計采用12 V超級電容作為基本單元，單節(jié)超級電容的放電區(qū)間設(shè)為6～12 V，由此可得超級電容能量計算式：

(2)

式(2)中：Nc為超級電容節(jié)數(shù)；Cc為超級電容容量；Vmax為超級電容單節(jié)最大電壓，取12 V；Vmin為超級電容單節(jié)最小電壓，取6 V；Pmax為負載峰值功率.

選擇12 V超級電容模塊為單體，Nc為4，計算可得超級電容的容量要在69 F以上.

表1　電動車運行電流參數(shù)表

4.2　系統(tǒng)仿真

在Matlab/Simulink中建立混合電源控制系統(tǒng)模型，仿真參數(shù)如下：

蓄電池額定電壓72 V，內(nèi)阻0.06 Ω，額定容量105 Ah，超級電容電壓24～48 V，額定容量90 F，DC/DC變換器中儲能電感100×10-6H，開關(guān)頻率20 KHz.系統(tǒng)仿真如圖3所示.

(1)超級電容預(yù)充電模式

當(dāng)電動教練車電機工作在小功率狀態(tài)下，且超級電容SOC較低時，這時蓄電池對超級電容充電，假設(shè)超級電容初始電壓為24 V，蓄電池初始電壓為72 V，初始SOC為80%.蓄電池最佳放電電流為0.1～0.2 C之間，則放電電流為10.5～21 A，取蓄電池額定放電電流為15 A，電動教練車1檔行駛的平均電流為12 A，根據(jù)功率守恒可得超級電容的充電電流為9 A，對系統(tǒng)進行仿真可得超級電容的充電電流、電壓和SOC波形,如圖4所示.

圖4　超級電容預(yù)充電波形圖

由圖4可以看出，當(dāng)超級電容電壓過低時，蓄電池超級電容充電時，充電電流為9 A，超級電容電壓Uc從初始的24 V逐漸增大，SOCc也從開始的44.4%逐漸變大，而蓄電池SOCd從初始的80%逐漸降低.

(2)混合電源供電模式

電動教練車行駛工況復(fù)雜，負載電流變化范圍較大，將電機及電控制器等效成負載.仿真圖3中iL為負載電流，i1為蓄電池提供的電流，i2為超級電容輸入DC/DC變換器的電流，io2為DC/DC變換器輸出的電流.根據(jù)表1可知，電動教練車在1檔怠速運行時，負載電流最大為10 A，2檔加速行駛時最大為30 A，上坡及3檔加速行駛時電流最大為36 A，仿真中用斷路器切電阻來模擬電動教練車負載電流變化情況.

系統(tǒng)中負載電流、超級電容和蓄電池電流變化波形如圖5所示.由圖5可知，負載電流iL初始值為10 A，0.5 s時負載電流變化為30 A，1 s時負載電流變化為36 A；在0.5 s之前，負載電流小于設(shè)定15 A，蓄電池i1提供負載全部電流，超級電容不提供電流；0.5 s后負載電流大于設(shè)定值15 A，蓄電池電流i1隨負載電流變大也突然變大，后經(jīng)過0.5 s逐漸降低穩(wěn)定為設(shè)定15 A大小，剩余電流由超級電容電流io2提供，而超級電容提供電流io2也逐漸升高；1 s后負載電流再次變化為36 A，此時蓄電池仍然能夠穩(wěn)定提供15 A電流，超級電容提供剩余21 A電流.可見，仿真系統(tǒng)驗證了上述控制策略的可行性.

圖5　復(fù)合能源電流波形圖

(3)制動模式

理論上，當(dāng)電動教練車剎車時，電機有回饋能量，此時電動教練車工作在制動模式，將超級電容側(cè)給定的電流反向，就得到制動模式仿真，實際上，制動時，電機回饋的能量微弱，幾乎可以忽略不計.

5　充電與放電實驗

在仿真實驗的基礎(chǔ)設(shè)計系統(tǒng)硬件電路，系統(tǒng)硬件主要部分是DC/DC變換器，包括主電路、開關(guān)管驅(qū)動電路、繼電器驅(qū)動電路、系統(tǒng)過壓過流保護電路、電壓電流采集及調(diào)理電路，實物圖如圖6所示.

(a)主電路　　　　　　(b)驅(qū)動電路

(c)采集電路　　　　　(d)系統(tǒng)接線圖6　系統(tǒng)硬件圖

將采集到的超級電容和蓄電池的電壓、電量、充放電電流等數(shù)據(jù)通過RS-485通訊模塊傳送到PC機，得到預(yù)充電模式下的超級電容電壓、SOC變化曲線和蓄電池放電電流和電壓變化曲線分別如圖7(a)、圖7(b)所示，混合供電模式下超級電容的電壓和SOC變化曲線如圖7(c)所示.

(a)超級電容充電變化曲線

(c)超級電容放電變化曲線圖7　超級電容和蓄電池變化曲線

用電阻模擬電動教練車負載，對蓄電池單獨供電情況下和與超級電容混合供電狀況下的放電電流數(shù)據(jù)進行測試，單獨供電情況下，蓄電池放電電流31 A，混合狀態(tài)下蓄電池放電電流為15 A，分別得到蓄電池充滿電情況下15 A和31 A放電狀態(tài)下的放電時間和放電效率數(shù)據(jù)，如表2所示.

表2　蓄電池充放電數(shù)據(jù)

蓄電池單獨供電時，放電電流大，采用超級電容-蓄電池混合供電時可減小蓄電池放電電流的輸出；從表2可知，混合電源供電時蓄電池的放電時長和效率均高出蓄電池單獨放電時的放電時長和效率，從而在一定程度上保護了蓄電池的使用壽命，增加電動教練車?yán)m(xù)駛里程.

6　結(jié)論

根據(jù)電動教練車的工作特性，分析電動教練采用蓄電池單一供電的不足以及應(yīng)用超級電容的優(yōu)點，將蓄電池和超級電容組合成電動教練車混合電源供電系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

(1)整個系統(tǒng)具有高能量密度和高功率密度的特點；

(2)解決了電動教練車運行時間短的問題；

(3)超級電容的補充減輕了蓄電池持續(xù)大電流放電的壓力，保證了蓄電池始終工作在最佳狀態(tài)，可延長蓄電池的工作壽命.