電力汽車儲(chǔ)能系統(tǒng)控制技術(shù)研究

逯 云 杰

（濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濮陽(yáng) 457000）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來(lái)越快，汽車已成為必需的交通工具，汽車工業(yè)已成為現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)[1]。在環(huán)境污染嚴(yán)重、能源短缺現(xiàn)狀下，與傳統(tǒng)汽車相比較，在促進(jìn)人類與環(huán)境和諧發(fā)展，對(duì)能源危機(jī)進(jìn)行緩解等方面，電動(dòng)汽車具有一定優(yōu)勢(shì)[2]，是各國(guó)汽車制造商、能源企業(yè)研究關(guān)注的重點(diǎn)。純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車不同，將電能作為主要能量來(lái)源。在錯(cuò)綜復(fù)雜的城市路況條件下，電動(dòng)汽車需要通過不斷地加速、減速改變汽車行駛狀態(tài)，與此同時(shí)蓄電池組會(huì)隨著電動(dòng)汽車行駛狀態(tài)的轉(zhuǎn)變形成較大電流，從而給電池組造成一定沖擊和影響，甚至?xí)?duì)電池組應(yīng)用壽命造成直接影響。由于電動(dòng)汽車中蓄電池的能量回收能力相對(duì)較弱，減速過程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)能量回收[3]。通過運(yùn)用超級(jí)電容等諸多高效混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠有效提升電動(dòng)汽車中蓄電池應(yīng)用性能。隨著環(huán)境、能源問題日趨嚴(yán)重，解決能源危機(jī)的有效方案之一是推廣純電動(dòng)汽車。本文基于電動(dòng)汽車混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)其控制技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)自動(dòng)協(xié)調(diào)控制器設(shè)計(jì)

以自動(dòng)協(xié)調(diào)控制器的設(shè)計(jì)原理為基礎(chǔ)可形成6種不同控制信號(hào)，在此將其設(shè)定成T1～T6。在6 種不同控制信號(hào)中T1～T4為控制變換器對(duì)應(yīng)的狀態(tài)信號(hào)，其中的T5代表著超級(jí)電容器對(duì)應(yīng)的荷電狀態(tài)信號(hào)，最后一個(gè)T6則代表著蓄電池對(duì)應(yīng)的荷電狀態(tài)信號(hào)。在每一環(huán)節(jié)，因蓄電池參與，T3=Y；如果超級(jí)電容荷電狀態(tài)在每種工作情況下滿足要求，則T5=Y，否則T5=N；如果蓄電池荷電狀態(tài)滿足要求，則T6=Y，否則T6=N。在輸出控制信號(hào)后，最終控制目標(biāo)需聯(lián)合雙向DC/DC控制器實(shí)現(xiàn)。

2 電動(dòng)汽車復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)指標(biāo)

本文基于5 kW 無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行電動(dòng)汽車復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)分析，在設(shè)計(jì)過程中將電機(jī)額定電流設(shè)定為124 A，額定轉(zhuǎn)速設(shè)定為3521 r/min，額定電壓設(shè)定為51 V；此次設(shè)計(jì)中運(yùn)用的蓄電池是由兩塊鋰電池通過串聯(lián)形成的蓄電池組，每個(gè)鋰電池的標(biāo)稱容量可達(dá)到52 Ah，對(duì)應(yīng)的額定電壓是25.5 V；此次設(shè)計(jì)中的超級(jí)電容器對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱容量是165 F，對(duì)應(yīng)的額定電壓是49 V，其最高峰值電流能夠達(dá)到1905 A，其最高峰值電壓能夠達(dá)到51 V；設(shè)計(jì)中的雙向DC/DC 變換器電源效率達(dá)到92.5%，對(duì)應(yīng)的額定功率是8.2 kW，在實(shí)際運(yùn)行中可利用CAN 指令實(shí)現(xiàn)增壓以及降壓模式間的轉(zhuǎn)換。在電動(dòng)汽車處于行駛狀態(tài)下對(duì)其行駛模式予以檢測(cè)分析，可通過定速控制以及剎車控制等來(lái)檢測(cè)電機(jī)控制器能力，利用外圍按鍵了解剎車控制功能，利用電壓傳感器來(lái)針對(duì)超級(jí)電容電壓予以綜合檢測(cè)分析，此外通過DSP芯片能夠了解電動(dòng)汽車內(nèi)部信號(hào)傳遞狀況，將各項(xiàng)信號(hào)以及相關(guān)指令在電機(jī)以及蓄電池間迅速傳遞，并使蓄電池模式隨之發(fā)生瞬變，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制。

2.2 復(fù)合儲(chǔ)能電源控制電路設(shè)計(jì)

2.2.1 主控制芯片最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用主控制芯片為TI公司生產(chǎn)的TMS320F281 2DSP，此芯片主要應(yīng)用哈佛總線結(jié)構(gòu)，并且具備控制能力、處理能力等多種相關(guān)能力，因此在汽車控制系統(tǒng)等系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用相對(duì)較多。TMS320F2812系統(tǒng)內(nèi)部分布著晶振、電源電路等。

2.2.2 CAN通信電路設(shè)計(jì)

在復(fù)合儲(chǔ)能電源能量控制系統(tǒng)中，CAN通信功能主要依賴雙向DC/DC 變換器以及DSP 處理器，在控制作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)能量釋放以及回收的實(shí)時(shí)有效控制；CAN通信對(duì)于系統(tǒng)尤為關(guān)鍵，已被大量應(yīng)用到汽車自動(dòng)化。在CAN的總線接口電路可劃分為接收以及總線控制兩個(gè)不同電路，此次主要選擇應(yīng)用SN65HVD232收發(fā)器，主要利用CANL以及CANH實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，其中CAN 總線之中的CANL 利用120 Ω 電阻與CANH 相互并聯(lián)，這一電阻在數(shù)據(jù)收發(fā)端尤為關(guān)鍵，一旦電阻缺失將會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性以及數(shù)據(jù)傳輸抗干擾性等性能造成直接影響，甚至?xí)斐赏ㄐ胖袛?。詳?xì)可參考圖1。

圖1 CAN通信電路Fig.1 CAN communication circuit

2.2.3 電壓采集調(diào)理電路設(shè)計(jì)

本文利用萊姆電壓傳感器DVL50進(jìn)行超級(jí)電容的兩端電壓測(cè)量分析，在應(yīng)用過程中其測(cè)量精度以及額定電壓、供電電壓分別為0.5%以及50 V、±15 V，在超級(jí)電容兩端進(jìn)行±HV 的連接，選擇電阻為50 Ω 的R22，在傳送信號(hào)進(jìn)DSP 處理器前，經(jīng)信號(hào)電壓、低通濾波跟隨電路需連接與鉗位電路，鉗位電路含有兩個(gè)穩(wěn)壓管、電阻、電容，在0～3.3 V之間輸出穩(wěn)定電平是鉗位電路的目的。圖2為電壓采集調(diào)理電路。

圖2 電壓采集調(diào)理電路Fig.2 Voltage acquisition and conditioning circuit

2.3 復(fù)合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)程序總體設(shè)計(jì)

結(jié)合此次設(shè)計(jì)中提出的能量控制策略，在設(shè)計(jì)過程中將加速踏板的輸出信號(hào)電壓設(shè)定成1～4 V，若此電壓值超出1.8 V，與此同時(shí)對(duì)應(yīng)的超級(jí)電容電壓達(dá)到28.8 V 以上，則利用雙向DC/DC 變換器可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車內(nèi)部CAN 通信，從而使DC/DC 變換器之中的DSP主控制器開始控制，同時(shí)可切斷蓄電池內(nèi)的S1 電路回路，換言之在控制開關(guān)的控制作用下，使Q3 處于關(guān)閉狀態(tài)，使Q4 處于運(yùn)行狀態(tài)；若油門踏板輸出電壓的數(shù)值在1.8 V 以下，或者路線超級(jí)電容之中的SOC 值達(dá)到28.8 V 以下，則蓄電池內(nèi)的S1 電路處于運(yùn)行狀態(tài)，且在芯片控制下實(shí)現(xiàn)DSP 運(yùn)行，信息傳遞至DC/DC 變換器并且通過指令使其處于不工作狀態(tài)。若DSP汽車被設(shè)定為巡航模式，則蓄電池內(nèi)的S1 電路回路處于運(yùn)行狀態(tài)，DC/DC 變換器不工作通過CAN 通信進(jìn)行控制。

3 結(jié)果與分析

HCAPM 為實(shí)驗(yàn)室超級(jí)電容模組型號(hào)，其中機(jī)箱外殼配置電源正負(fù)極插頭、風(fēng)扇、開關(guān)等，超級(jí)電容容量為10 F、額定電壓200 V。蓄電池模塊由17 塊鉛酸蓄電池單體串聯(lián)組成，單體額定容量36 Ah，額定電壓12 V，冷啟動(dòng)電流280 A?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要涉及蓄電池、超級(jí)電容等。在應(yīng)用過程中需要將兩臺(tái)雙向DC/DC變換器的高壓以及低壓兩端分別和其他設(shè)備相互連接。利用采樣電路獲得兩端電流信號(hào)，同時(shí)將信號(hào)傳遞給上位機(jī)以及控制器，最終達(dá)到觀測(cè)和控制的目的。電壓傳感器通過多年發(fā)展其技術(shù)已相對(duì)成熟并且應(yīng)用較多，傳感器類型多樣例如霍爾電壓傳感器等。此次主要選擇應(yīng)用HAV100-750 型號(hào)的傳感器，結(jié)合歐姆原理使傳感器能夠獲得輸出電壓，通過計(jì)算分析能夠獲取實(shí)測(cè)電壓。若電動(dòng)汽車中電機(jī)需要的功率值在平均功率值以內(nèi)，同時(shí)存在超級(jí)電容內(nèi)能量存儲(chǔ)相對(duì)不足狀態(tài)時(shí)，蓄電池需要給電機(jī)以及超級(jí)電容同時(shí)供電。在實(shí)驗(yàn)中，充電電流隨著充電時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減小，蓄電池能夠?qū)崿F(xiàn)恒流放電，同時(shí)超級(jí)電容的充電電流將逐步提升，且對(duì)應(yīng)的電壓水質(zhì)提升，而增長(zhǎng)斜率在電流不斷提升過程中有所增長(zhǎng)。

4 結(jié) 論

（1）在探討蓄電池特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)其不同特性開展此次設(shè)計(jì)分析，為電動(dòng)汽車復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)提供科學(xué)合理性參數(shù)選型和匹配。

（2）儲(chǔ)能系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)涉及CAN通信電路設(shè)計(jì)等；此次設(shè)計(jì)中的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)主控制芯片選擇型號(hào)為DSPTMS320F2812 的芯片，在軟件設(shè)計(jì)中包含超級(jí)電容電壓采集程序設(shè)計(jì)等多個(gè)環(huán)節(jié)。

（3）通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，在各種模式開展放電試驗(yàn)過程中，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速予以有效控制能夠使超級(jí)電容以及蓄電池分別轉(zhuǎn)換為相應(yīng)工作模式，最終驗(yàn)證了此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)特性。