纯电动教练车混合动力电源控制系统设计

2018-07-12孟彦京胡海斌李肖南

陕西科技大学学报 2018年4期

关键词：蓄电池电容电动

孟彦京，胡海斌，李肖南

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安　710021)

0　引言

纯电动教练车是将传统燃油教练车的发动机更换为电动机，并保持其他结构不变，采用蓄电池为其提供能源的一种节能型电动教练车.作为电动教练车的车载能源需要符合如下要求：(1)较高的比能量和比功率；(2)较长的使用寿命和低廉的成本[1,2].

目前，纯电动教练车采用的是价格低廉的铅酸蓄电池，然而若只采用铅酸蓄电池来承担全部功率负荷，则对电池的寿命、电动教练车的性能以及续驶里程等都有着很大的影响，同时可能因电池电量不足而导致电动教练车无法正常行驶，造成能源的浪费[3].

针对上述问题，在满足车载能源的要求下，本文拟采用能量密度高的铅酸电池和功率密度高的超级电容两者并联使用作为纯电动教练车的储能单元[4,5].由于蓄电池受电化学反应速率的限制，功率密度较小，当负载突变时，不能快速的吸收或释放目标功率，较难满足系统的动态要求；超级电容放电时内部发生的是物理变化，可以短时间提供较大功率，为其他设备提供缓存[6-8].因此，利用超级电容与蓄电池性能上的互补性，充分发挥两者的优点，用适当的控制策略，能够有效的延长蓄电池的使用寿命，增加教练车的续驶里程.

1　混合动力电源供电系统结构

混合动力电源系统结构如图1所示.超级电容经过DC/DC变换器与蓄电池并联为电动教练车电机控制器提供动力.DC/DC变换器是双向的，其拓扑结构采用升压斩波器和降压斩波器的反并联[9],可控制超级电容处于充电模式或放电模式.当电动车加速时，负载电流加大而超过某一值时，由超级电容经过DC/DC变换器提供瞬时功率，以便将蓄电池输出电流限制在某一范围内，避免蓄电池大电流放电；正常行驶时，负载电流较小，这时可完全由蓄电池提供负载全部电流；当电动教车制动减速时，电机主要向超级电容回馈制动能量[10].

图1　混合动力电源供电系统结构

在图1中，Ec为超级电容，Ed为蓄电池，当电动教练车加速或者上坡时，需要超级电容进行辅助提供能量，这时双向DC/DC处于BOOST状态，电流由低压侧流向高压侧，开关管G1为主功率元件，采用PWM方式工作，G2保持截止，利用体二极管D2续流，G1与G2开关互补，实现同步整流，以减小导通损耗；当电动教练车制动减速时，需要超级电容吸收制动能量，双向DC/DC处于BUCK状态，G2为主功率元件，采用PWM模式，G1处于关断状态，同样与G2处于互补工作方式.

图1，电流、电压检测电路检测超级电容、蓄电池及直流母线的电压和电流，经过信号调理电路送往DSP转化为数字信号，DSP驱动开关管G1、G2使双向DC/DC处于升压或降压状态.系统在升降压过程中，如果直流母线出现过压或过流情况，将会使得电机无法正常工作，并且会损坏系统硬件，为了保护系统硬件不受到破坏，需要对系统硬件做出保护.

2　混合动力电源工作模式

电动教练车混合动力电源系统有以下3种工作模式：

(1)蓄电池单独驱动模式.当电动教练车运行在怠速状态下时，所需功率较小，电动教练车大部分时间处于这种状态下，由于蓄电池的能量密度高，可完全能够承担长时间的负载需求.同时，蓄电池可在超级电容电压较低的情况下为超级电容充电.

(2)蓄电池和超级电容混合驱动模式.当电动教练车工作在起步、加速、上坡过程中，需要满足电机短时间内的大功率需求.如果由蓄电池单独为电机提供功率需求，过大的放电电流会对蓄电池寿命造成不可逆的影响，同时也会降低蓄电池的放电效率[11,12]，此时应由蓄电池和超级电容共同工作为电动教练车提供功率需求，根据超级电容适合短时间大电流放电的特点，可让超级电容提供部分电流，从而减轻蓄电池的放电压力.

(3)再生制动模式.当电动教练车减速或下坡行驶时，电动教练车处于再生制动模式，电机处于发电状态，当超级电容SOC低于设定SOC下限时，让超级电容回收制动能量.

3　混合动力电源控制策略

本文中的混合动力电源控制系统是基于电流约束条件下的控制策略.由于电动教练车加速、减速、爬坡等情况下，负载电流变化较大[13].当负载电流超过蓄电池最佳放电电流时，为避免蓄电池电流过放影响蓄电池寿命，由超级电容辅助提供部分放电电流，来降低蓄电池的工作电流，起到保护蓄电池的作用[14].

控制策略流程图如图2所示.图2中Preq为电动教练车的需求功率，Preq>0表示负载吸收能量，Preq<0表示负载回馈能量，Pbat和Puc分别表示蓄电池和超级电容输出功率，Pbat_set表示蓄电池最佳放电电流情况下的输出功率，SOCuc和SOCbat分别表示超级电容和蓄电池荷电状态；如果回馈的能量不超过超级电容的饱和状态SOCuc_max，则回馈的能量由超级电容回收；如果电动教练车负载需求功率Preq

图2　控制策略流程图

4　系统设计及仿真

4.1　电源参数计算

(1)蓄电池选型

为了降低电动教练车的使用成本，选择价格便宜的铅酸动力电池作为电动教练车的主要能量来源，要满足电机平均功率7.5 kW的要求.根据选择的电机驱动器的电压要求，选择6个额定电压为12 V动力蓄电池串联，组成72 V电压，根据蓄电池特性，蓄电池平均放电电流为0～2 C范围内[15]，按平均放电电流1 C，通过计算得到蓄电池容量应满足：

1C*72≥7 500

(1)

可以得到蓄电池的容量约为105AH.

(2)超级电容选型

超级电容用来配合蓄电池在短时间内所需要的大功率需求.根据表1实际测得的电动车电流数据可知，在爬坡和换挡加速行驶时直流母线电流可达36 A左右，假设超级电容提供大电流的时间为10 s，根据铅酸动力电池相关参数标准规定，蓄电池的最佳放电电流为0.1～0.2 C[16]，即最佳放电电流为10.5～21 A，选择蓄电池的最佳放电电流为15 A，则蓄电池的额定功率大约为1 100 W.本设计采用12 V超级电容作为基本单元，单节超级电容的放电区间设为6～12 V，由此可得超级电容能量计算式：

(2)

式(2)中：Nc为超级电容节数；Cc为超级电容容量；Vmax为超级电容单节最大电压，取12 V；Vmin为超级电容单节最小电压，取6 V；Pmax为负载峰值功率.

选择12 V超级电容模块为单体，Nc为4，计算可得超级电容的容量要在69 F以上.

表1　电动车运行电流参数表

4.2　系统仿真

在Matlab/Simulink中建立混合电源控制系统模型，仿真参数如下：

蓄电池额定电压72 V，内阻0.06 Ω，额定容量105 Ah，超级电容电压24～48 V，额定容量90 F，DC/DC变换器中储能电感100×10-6H，开关频率20 KHz.系统仿真如图3所示.

(1)超级电容预充电模式

当电动教练车电机工作在小功率状态下，且超级电容SOC较低时，这时蓄电池对超级电容充电，假设超级电容初始电压为24 V，蓄电池初始电压为72 V，初始SOC为80%.蓄电池最佳放电电流为0.1～0.2 C之间，则放电电流为10.5～21 A，取蓄电池额定放电电流为15 A，电动教练车1档行驶的平均电流为12 A，根据功率守恒可得超级电容的充电电流为9 A，对系统进行仿真可得超级电容的充电电流、电压和SOC波形,如图4所示.

图4　超级电容预充电波形图

由图4可以看出，当超级电容电压过低时，蓄电池超级电容充电时，充电电流为9 A，超级电容电压Uc从初始的24 V逐渐增大，SOCc也从开始的44.4%逐渐变大，而蓄电池SOCd从初始的80%逐渐降低.

(2)混合电源供电模式

电动教练车行驶工况复杂，负载电流变化范围较大，将电机及电控制器等效成负载.仿真图3中iL为负载电流，i1为蓄电池提供的电流，i2为超级电容输入DC/DC变换器的电流，io2为DC/DC变换器输出的电流.根据表1可知，电动教练车在1档怠速运行时，负载电流最大为10 A，2档加速行驶时最大为30 A，上坡及3档加速行驶时电流最大为36 A，仿真中用断路器切电阻来模拟电动教练车负载电流变化情况.

系统中负载电流、超级电容和蓄电池电流变化波形如图5所示.由图5可知，负载电流iL初始值为10 A，0.5 s时负载电流变化为30 A，1 s时负载电流变化为36 A；在0.5 s之前，负载电流小于设定15 A，蓄电池i1提供负载全部电流，超级电容不提供电流；0.5 s后负载电流大于设定值15 A，蓄电池电流i1随负载电流变大也突然变大，后经过0.5 s逐渐降低稳定为设定15 A大小，剩余电流由超级电容电流io2提供，而超级电容提供电流io2也逐渐升高；1 s后负载电流再次变化为36 A，此时蓄电池仍然能够稳定提供15 A电流，超级电容提供剩余21 A电流.可见，仿真系统验证了上述控制策略的可行性.