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[導(dǎo)讀]設(shè)計了一種應(yīng)用于電動汽車的新型能量管理系統(tǒng),分析了基于超級電容的雙向DC-DC變換器原理。在分析電動汽車運行特性的基礎(chǔ)上設(shè)計了該能量管理系統(tǒng)的控制策略。系統(tǒng)在電機(jī)控制部分采用相電流閉環(huán)控制,在雙向DC-DC變換器部分采用電壓、電流雙閉環(huán)控制。

超級電容和電池組成的能量管理系統(tǒng)兼顧了超級電容的高功率密度及電池的高能量密度的優(yōu)點,可以更好地滿足電動汽車啟動和加速性能的要求,提高電動汽車制動能量的回收效率,增加續(xù)駛里程。
1 系統(tǒng)總體概述
    超級電容、電池能量管理系統(tǒng)主要由BLDCM驅(qū)動控制器和雙向DC-DC電路兩部分組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    圖1中,L、M1、M2組成雙向DC-DC電路,VT1~VT6組成三相逆變器,并采用一個高端負(fù)載開關(guān)M3,在必要的時候控制母線和蓄電池的通斷。蓄電池母線電壓Vin=72 V,超級電容額定參數(shù)為165 F/48 V, 無刷直流電機(jī)參數(shù)為72 V/5.5 kW。電機(jī)運行時,負(fù)載開關(guān)M3導(dǎo)通,三相逆變器正常工作,雙向DC-DC不工作,系統(tǒng)能量來自蓄電池;電機(jī)能量回饋制動時,母線電壓高于蓄電池電壓,并通過比較器C1信號觸發(fā)關(guān)斷負(fù)載開關(guān)M3,雙向DC-DC工作在BUCK狀態(tài),超級電容被充電;電機(jī)啟動或大轉(zhuǎn)矩輸出時,雙向DC-DC工作在BOOST狀態(tài),這種情況一般只持續(xù)數(shù)十秒。超級電容能量充足時,能保證BOOST輸出電壓高于母線電壓,負(fù)載開關(guān)M3關(guān)斷。如果放電時間過長,由于超級電容不具有恒壓特性,隨著能量的消耗,其端電壓會不斷降低,對應(yīng)BOOST電路的輸出電壓也會相應(yīng)降低。當(dāng)輸出電壓值比母線電壓值小時,高端負(fù)載開關(guān)M3導(dǎo)通,此時由蓄電池單獨為系統(tǒng)供電并關(guān)斷超級電容部分的雙向DC-DC電路。
2 系統(tǒng)工作原理及控制策略
2.1 雙向DC-DC原理

    本系統(tǒng)采用雙向DC-DC變換器的原因:(1)超級電容端電壓和蓄電池電壓不匹配;(2)超級電容不具有恒壓特性,由于與蓄電池電壓特性不一致,不能直接將兩者并接在一起。系統(tǒng)采用的超級電容額定電壓為48 V,蓄電池額定電壓為72 V,所以雙向DC-DC變換器的低端電壓為48 V,高端電壓為72 V。由于電壓變換范圍不大,不需要采用變壓器進(jìn)行電壓變換,直接采用PWM斬波即可實現(xiàn)。雙向DC-DC結(jié)構(gòu)如圖2所示。
    圖2中的雙向DC-DC變換器本質(zhì)上由基本的BUCK電路和BOOST電路結(jié)合而成[1],將BUCK電路或者BOOST電路中的功率二極管用功率MOSFET替換即得到圖3所示的電路拓?fù)?。根?jù)能量流向的不同,電路工作在BUCK降壓模式或BOOST升壓模式。
    在BUCK降壓模式中,M1管作為開關(guān)管使用,驅(qū)動信號來自PWM控制芯片;M2管作為二極管使用,且使用的是M2管的寄生體二極管,這時必須通過負(fù)壓可靠關(guān)斷M2才能實現(xiàn)電路的可靠運行。設(shè)定電路工作在CCM模式,降壓模式下等效電路如圖3所示。圖3中箭頭表示為電壓、電流的方向,能量從V1流入V2,即超級電容的充電模式。t0~t1時間段表示M1開通,t1~t2時間段表示M1關(guān)斷。設(shè)PWM周期為T,占空比為D,則M1開通時間為DT,M1關(guān)斷時間為(1-D)T。根據(jù)電感伏秒平衡原理,電感L兩端伏秒值在一個周期中的平均值為0,則電感一個周期的伏秒平均值可由下式求得:
  

    在BOOST升壓模式中,M2管作為開關(guān)管使用,驅(qū)動信號來自PWM控制芯片;M1管作為二極管使用,且使用的是M1管的寄生體二極管,這時必須通過負(fù)壓可靠關(guān)斷M1才能實現(xiàn)電路的可靠運行。設(shè)定電路工作在CCM模式,升壓模式下等效電路如圖4所示。圖中箭頭表示電壓電流的方向,能量從V2流入V1,即超級電容的放電模式。t0~t1時間段表示M2開通,t1~t2時間段表示M2關(guān)斷。設(shè)PWM周期為T,占空比為D,則M2開通時間為DT,M2關(guān)斷時間為(1-D)T。根據(jù)電感伏秒平衡原理,電感L兩端伏秒值在一個周期中的平均值為0,則電感一個周期的伏秒平均值可由下式求得:
    

    由于占空比0<D<1,式(2)表明V1>V2,即V2通過PWM斬波得到滿足電機(jī)工作要求的母線電壓V1。[!--empirenews.page--]
2.2 能量管理系統(tǒng)控制策略及工作模式
2.2.1 設(shè)計要求

    電動汽車能量管理系統(tǒng)對安全性有很高的要求,應(yīng)滿足以下條件:
    (1)滿足剎車及加速的安全要求,符合駕駛員的習(xí)慣。通過找到電子剎車和機(jī)械剎車的最佳覆蓋區(qū)間,在確保安全的前提下,最大限度回收能量,具有能量回收系統(tǒng)的電剎車過程應(yīng)盡可能地與傳統(tǒng)剎車過程相似;在加速過程中,盡可能多釋放能量,保證汽車所需要的加速性能。
    (2)考慮能量管理系統(tǒng)及電機(jī)的性能,確保超級電容、電感、電機(jī)等元件在能量回饋及釋放過程中的安全,避免充電、放電電流過大或充電電壓過高而損害元件。
2.2.2 控制策略
    (1)能量回饋控制策略
    在滿足設(shè)計要求(1)的情況下,根據(jù)要求(2)的限制值確定最優(yōu)制動力,使回收能量達(dá)到最大,即電流對時間的積分達(dá)到最大。為了與平常的剎車習(xí)慣相符合,采用電制動操縱與機(jī)械制動操縱復(fù)用制動踏板。整個制動踏板行程分為兩段,第一段行程為電制動控制段,隨踏板下行,電制動強(qiáng)度逐漸加強(qiáng);第二段行程為機(jī)械制動控制段,隨踏板下行,機(jī)械制動強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)。
    將各限制因素量化為當(dāng)前最大允許制動力矩,并以此來限定電機(jī)的制動力矩,從而保護(hù)系統(tǒng)的正常運行。電制動的限制因素主要來源電機(jī)及能量管理系統(tǒng)兩個方面,包括電機(jī)最大允許制動轉(zhuǎn)矩,電機(jī)最大允許制動功率,能量管理系統(tǒng)最大允許充電功率及能量管理系統(tǒng)最大允許充電電流。這些限定因素轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)矩限制的具體策略為:

式中,各物理量均為正值;min()表示取最小值;max()表示取最大值,Pmmax表示電機(jī)最大允許制動功率;Pbmax表示能量管理系統(tǒng)最大允許充電功率;Ibmax表示能量管理系統(tǒng)最大允許充電電流;Vb表示當(dāng)前能量管理系統(tǒng)的端電壓。能量管理系統(tǒng)的兩個限制因素及端電壓為可變量,取系統(tǒng)運行的當(dāng)前瞬態(tài)值,由能量管理系統(tǒng)給出;電機(jī)發(fā)電效率及當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速為可變量,取電機(jī)運行當(dāng)前瞬態(tài)值,由電機(jī)控制系統(tǒng)給出。
    (2)能量釋放控制策略
    能量釋放控制策略的具體描述與能量回饋控制策略類似,將各限制因素量化為當(dāng)前最大允許驅(qū)動力矩,并以此來限定電機(jī)的驅(qū)動力矩,從而保證系統(tǒng)的正常運行。
3 雙向DC-DC控制方法
    雙向DC-DC控制方法采用電壓、電流雙閉環(huán)控制[2],其中電壓環(huán)是外環(huán),通過TL431和光耦實現(xiàn)對電壓的閉環(huán)控制;電流環(huán)是內(nèi)環(huán),采用對峰值電流進(jìn)行閉環(huán)控制的方法。峰值電流控制不僅響應(yīng)速度快,而且具備限流保護(hù)功能,可以提高系統(tǒng)的可靠性。峰值電流控制的基本原理如圖5所示。圖5(a)所示為BUCK模式下峰值電流控制原理,而BOOST模式下峰值電流控制原理與其類似。圖中,參考電壓Vref與變換器輸出電壓V(t)相減所得的誤差信號經(jīng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)放大后作為PWM調(diào)制器的調(diào)制信號,將電流取樣信號is(t)Rf作為載波信號。每個開關(guān)周期之初,由時鐘脈沖置位RS觸發(fā)器,開關(guān)器件M1導(dǎo)通,之后電感電流逐漸增加,如圖5(b)所示。當(dāng)檢測到電流信號is(t)Rf大于調(diào)制信號ic(t)Rf時,比較器反轉(zhuǎn)并復(fù)位RS觸發(fā)器,使得功率管開關(guān)被關(guān)斷,電感電流通過續(xù)流管續(xù)流。圖5(b)所示為兩種電感、電流增長斜率情況下的PWM占空比變化波形。圖中波形表明,當(dāng)電感、電流增長快(斜率大),即大負(fù)載輸出時(對超級電容充電而言,是充電初始時刻,電路近于短路狀態(tài)),電流很快達(dá)到峰值,電路也很快進(jìn)入峰值電流控制狀態(tài),表現(xiàn)在PWM輸出波形的占空比變小;反之,PWM輸出波形占空比變大。

4 雙向DC-DC的硬件設(shè)計
    本設(shè)計中采用雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電流、電壓的控制,控制芯片使用TI公司的UCC3803A。UCC3803A內(nèi)部的一個誤差放大器和電流放大器,可以方便組建電流、電壓雙閉環(huán)。在實際使用中,為了具有更快的響應(yīng)速度,可略去誤差放大器,使用電壓調(diào)整器TL431和光耦PC817構(gòu)成電壓反饋。電流環(huán)通過使用LEM公司的電流傳感器LAH 100-P來組建。BUCK控制電路如圖6所示,而BOOST控制電路原理與其類似,只是電流方向和開關(guān)管的位置有所改變。IS1是來自LEM霍爾電流傳感器LAH 100-P輸出的電壓測量信號,該電流信號進(jìn)入電流反饋端,即圖6中的ISEN端。V48來自功率部分的輸出,由于TL431最大只能穩(wěn)壓到36 V,故需要對經(jīng)典TL431穩(wěn)壓電路進(jìn)行部分修改,使其能滿足48 V穩(wěn)壓要求,故在TL431的3腳(即K極)引入24 V穩(wěn)壓管,TL431的端電壓約為24 V,在安全工作區(qū)內(nèi),能正常起穩(wěn)壓作用。PC817實現(xiàn)電氣上的隔離,并通過輸出電壓Vce穩(wěn)壓,當(dāng)超級電容電壓接近48 V時,PC817輸出電流Ic增大,則Vce減小,進(jìn)入UCC3803的2腳VFB補(bǔ)償端的信號也會減小,相應(yīng)地PWM輸出占空比也減??;當(dāng)超級電容電壓超過48 V時,UCC3803補(bǔ)償端1腳拉低,PWM關(guān)斷,起到過壓保護(hù)的作用,這時電路將在48 V維持動態(tài)平衡。

      本系統(tǒng)目前正在進(jìn)行實驗驗證,運行穩(wěn)定、能量回饋及釋放性能良好。

參考文獻(xiàn)
[1] 賀益康,潘再平.電力電子技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2004.
[2] 徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

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