邱 浩，董鑄榮，賀 萍

(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院，廣東深圳518055)

一種新型電動(dòng)汽車復(fù)合電源電路設(shè)計(jì)

邱 浩，董鑄榮，賀 萍

(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院，廣東深圳518055)

利用超級(jí)電容和蓄電池組成電動(dòng)汽車的復(fù)合電源，設(shè)計(jì)了一種僅采用單個(gè)高頻電力電子器件的電機(jī)傳動(dòng)主電路的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)電路不僅能對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行升壓變換，與蓄電池協(xié)同向電機(jī)供電，而且能夠在電動(dòng)汽車再生制動(dòng)過(guò)程中將發(fā)電電壓升壓后對(duì)超級(jí)電容充電。主電路結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，變流裝置成本低，工作可靠。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該電路能夠提高電動(dòng)汽車的性能和能源利用效率。

電動(dòng)汽車；復(fù)合電源；電力電子器件；超級(jí)電容

電動(dòng)汽車是新能源汽車的代表車型，采用化學(xué)蓄電池或燃料電池作為能量載體，以電機(jī)作為能量變換裝置，具有可用能源多樣、能量轉(zhuǎn)換高效、駕駛控制容易、環(huán)境污染輕微等優(yōu)點(diǎn)，深受當(dāng)今社會(huì)期待。目前，電動(dòng)汽車存在續(xù)駛里程短、電池壽命短和成本高等三大難題，學(xué)界和業(yè)界一直致力于此三個(gè)方向的研究[1]。

超級(jí)電容是一種介于電池和靜電電容器之間的儲(chǔ)能器件，其能量密度比普通電容高得多，而且其功率密度比普通電池高得多，可以作為短時(shí)間的功率輸出源，在電動(dòng)汽車啟動(dòng)、加速等特殊工況下能改善運(yùn)動(dòng)特性。目前發(fā)達(dá)國(guó)家都在抓緊研發(fā)超級(jí)電容，并研究超級(jí)電容在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)中的應(yīng)用，而我國(guó)還處于起步階段[2]。

本文利用超級(jí)電容和蓄電池組成電動(dòng)汽車的復(fù)合電源，并針對(duì)復(fù)合電源設(shè)計(jì)了一個(gè)新型電機(jī)傳動(dòng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明，該電路結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，能夠降低變流裝置成本、增強(qiáng)系統(tǒng)工作可靠性，對(duì)提高電動(dòng)汽車性能和促進(jìn)其市場(chǎng)化發(fā)展具有積極意義。

1 電動(dòng)汽車復(fù)合電源結(jié)構(gòu)

普通電動(dòng)汽車通常采用單一電源 (化學(xué)蓄電池或燃料電池，其中燃料電池成本高，運(yùn)用較少)，車輛加速時(shí)的大電流完全由該電源提供，再生制動(dòng)時(shí)則需要對(duì)該電源進(jìn)行充電，以儲(chǔ)存能量。這種方案雖然簡(jiǎn)易卻有以下不足：頻繁對(duì)化學(xué)蓄電池進(jìn)行充放電將縮短電池壽命；加速和再生制動(dòng)時(shí)，蓄電池大電流工作既低效又有損性能。

而采用超級(jí)電容-蓄電池復(fù)合電源能很好地實(shí)現(xiàn)能量回收，同時(shí)避免對(duì)蓄電池頻繁充放電。功能完備的超級(jí)電容-蓄電池復(fù)合電源結(jié)構(gòu)如圖1所示，蓄電池是主電源，用于儲(chǔ)能和額定功率下的電能釋放，具備高容量和高比容量參數(shù)；超級(jí)電容為輔助電源，用于提高整車電源的短時(shí)功率和再生制動(dòng)能量回收，不要求高容量，具備高比功率和高充放電效率[3-4]。圖1中，模塊間單線代表機(jī)械聯(lián)接，雙線代表直流通路，三線代表交流通路。

圖1 復(fù)合電源結(jié)構(gòu)電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)

復(fù)合電源電動(dòng)汽車的電機(jī)主電路可使蓄電池和超級(jí)電容協(xié)同對(duì)電機(jī)供電。再生制動(dòng)時(shí)，要求由超級(jí)電容儲(chǔ)存回收的能量；正常行駛時(shí)，蓄電池處在額定功率范圍內(nèi)工作，保證車輛平穩(wěn)行駛；加速或者爬坡時(shí)，則由蓄電池和超級(jí)電容共同工作，提高車輛的加速或爬坡能力。

電機(jī)主電路是電動(dòng)汽車的基本裝置，通常由電力電子器件構(gòu)成并工作在高電壓、大電流、快開(kāi)關(guān)的工況下，是易損器件[5]。合理的電機(jī)主電路對(duì)提高電動(dòng)汽車性能、增強(qiáng)車輛可靠性、降低成本具有重要意義。為設(shè)計(jì)合理的電機(jī)主電路，要求結(jié)合電動(dòng)汽車特點(diǎn)簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，減少受控電力電子器件使用數(shù)量，尤其是減少高開(kāi)關(guān)頻率全控電力電子器件(例如IGBT、Power MOSFET，簡(jiǎn)稱高頻器件)數(shù)量。

圖2是一種功能完善的復(fù)合電源電動(dòng)汽車H橋電機(jī)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]，Q1～Q5是全控型電力電子器件，L是雙向DCDC的蓄能電感，除了電機(jī)和逆變器之間是三相交流連接外，其余元器間都是直流連接。

圖2 電動(dòng)汽車H橋電機(jī)主電路原理

圖2所示的電路功能狀態(tài)見(jiàn)表1，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)逆變器側(cè)和超級(jí)電容側(cè)之間的雙向升/降壓直流變換(DC-DC)，且保證蓄電池只能放電。電機(jī)處于發(fā)電模式時(shí)，逆變器可轉(zhuǎn)換為整流器。器件Q2和Q3上的反并聯(lián)二極管充當(dāng)DC-DC升壓工作時(shí)Boost電路中的止逆二極管。蓄電池單獨(dú)輸出對(duì)應(yīng)電動(dòng)車平穩(wěn)行駛的工作狀態(tài)，蓄電池和超級(jí)電容協(xié)同輸出對(duì)應(yīng)起步或急加速的工作狀態(tài)。電力電子器件的“PWM”狀態(tài)表示其受高頻脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)控制。

表1 電路功能狀態(tài)

圖2所示電路中除逆變器外，另需1個(gè)低頻電力電子器件(簡(jiǎn)稱低頻器件)Q1與4個(gè)高頻器件Q2～Q5，使用高頻器件較多；Q2和Q3是高側(cè)開(kāi)關(guān)，各需獨(dú)立電源驅(qū)動(dòng)電路[7]；蓄電池輸出電流經(jīng)過(guò)Q1，增加損耗和發(fā)熱。

2 改進(jìn)的電機(jī)主電路

2.1 減少高頻器件數(shù)量

針對(duì)電動(dòng)汽車實(shí)際構(gòu)造，行駛時(shí)表1中“超級(jí)電容降壓輸出”和“超級(jí)電容降壓充電”兩種情形極少出現(xiàn)，原因是：其一，超級(jí)電容的運(yùn)行電壓幾乎不會(huì)高于蓄電池的額定電壓；其二，車輛在正常行駛時(shí)，發(fā)電電壓遠(yuǎn)低于蓄電池的額定電壓，通常也低于超級(jí)電容的運(yùn)行電壓。

圖3是不具備圖2中降壓功能的簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，Q2和Q3僅需使用低頻器件(如晶閘管、GTO等)，但Q2和Q3上的反并聯(lián)二極管D1和D2須采用快恢復(fù)型。

圖3 升壓型電動(dòng)汽車電機(jī)主電路原理

圖3中除電機(jī)和逆變器之間是三相交流連接外，其余元器間是直流連接，兩個(gè)高頻器件Q4和Q5相連，且不同時(shí)工作于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可利用一路PWM控制信號(hào)經(jīng)切換后分時(shí)驅(qū)動(dòng)Q4或Q5，以簡(jiǎn)化控制裝置的結(jié)構(gòu)。

2.2 降低蓄電池輸出通道損耗

為降低蓄電池輸出通道上的損耗，要求去掉蓄電池和逆變器間的開(kāi)關(guān)器件Q1。采取在電機(jī)的交流線路上并聯(lián)三相半控整流橋，對(duì)再生制動(dòng)發(fā)電進(jìn)行整流的方法。電路如圖4所示，除電機(jī)和逆變器、整流橋是三相交流連接外，其余元器間為直流連接，其中三相半控整流橋包含3個(gè)低頻器件和3個(gè)整流二極管，兼起圖3電路中Q2的作用，圖4僅比圖3電路增加了一個(gè)低頻器件Q6和3個(gè)整流二極管。

圖4 采用半控整流橋的電機(jī)主電路原理

電機(jī)發(fā)電進(jìn)行升壓變換時(shí)，利用電機(jī)繞組自感作蓄能電感，則圖4中電感L僅用于對(duì)超級(jí)電容輸出的升壓過(guò)程，可省去Q6，電路演變成圖5中形式。

圖5 利用繞組自感的電機(jī)主電路原理

圖5中除電機(jī)和逆變器、整流橋是三相交流連接外，其余元器間是直流連接。其使用的電力電子器件僅比圖3電路多三相半控整流橋內(nèi)的3個(gè)整流二極管；三相整流橋內(nèi)每個(gè)器件通過(guò)的電流有效值不足圖3中低頻器件Q1～Q3所通過(guò)的三分之一。圖5比圖3電路簡(jiǎn)潔、運(yùn)行效率提高、可靠性增強(qiáng)。

3 單高頻器件電機(jī)主電路

電能變換裝置中諸如IGBT等高頻器件模塊是關(guān)鍵元件，要盡量減少使用數(shù)量?；趫D5電路，在實(shí)現(xiàn)其所有功能的基礎(chǔ)上，僅采用單高頻器件，簡(jiǎn)化電路并維持裝置成本基本不變，所設(shè)計(jì)的電機(jī)主電路見(jiàn)圖6。

圖6 單高頻器件電機(jī)主電路原理

Q5和Q6是低頻器件，僅Q4為高頻器件，超級(jí)電容升壓充放電過(guò)程都由其進(jìn)行斬波控制，電路功能和各器件工作狀態(tài)見(jiàn)表2。

表2 單高頻器件電機(jī)主電路功能

當(dāng)超級(jí)電容升壓輸出時(shí)，Q5導(dǎo)通，為防止電感L被短路，Q6需截止，構(gòu)成的Boost電路為：

(1)Q4截止時(shí)，超級(jí)電容—L—D1—逆變器—電機(jī)—逆變器回路流過(guò)電流；

(2)Q4導(dǎo)通時(shí)，超級(jí)電容—L—Q5—Q4回路流過(guò)電流。

超級(jí)電容運(yùn)行電壓低于蓄電池額定電壓，超級(jí)電容充電電流不會(huì)通過(guò)D1而對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。

當(dāng)超級(jí)電容升壓充電時(shí)，構(gòu)成的Boost電路為：

(1)Q4截止時(shí)，電機(jī)—整流橋—Q6—D2—超級(jí)電容—整流橋回路流過(guò)電流；

(2)Q4導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)—整流橋—Q4—整流橋回路流過(guò)電流。

當(dāng)蓄電池單獨(dú)輸出時(shí)，Q5的狀態(tài)對(duì)電路無(wú)影響，設(shè)置為“導(dǎo)通”使電機(jī)在“電動(dòng)”模式時(shí)Q5狀態(tài)一致，從表2知整流橋、Q5和Q6可共用一個(gè)數(shù)字信號(hào)控制。

圖6電路雖較圖5電路增加了電力電子器件總數(shù)，略顯復(fù)雜，但因?yàn)闇p少了高頻開(kāi)關(guān)數(shù)量，反而會(huì)使裝置成本有所降低。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖6所示電路就是采用單個(gè)高頻器件的電動(dòng)汽車電機(jī)主電路，將其應(yīng)用于微型低速電動(dòng)汽車上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證它的有效性。車輛滿載質(zhì)量1 000 kg，電機(jī)額定功率7 kW，主電源為蓄電池(72 V，80 Ah)，副電源為超級(jí)電容器(72 V，66 F)。實(shí)驗(yàn)中測(cè)試車輛速度v，電機(jī)逆變器直流母線電流I(簡(jiǎn)稱電機(jī)電流)，蓄電池電流Im(簡(jiǎn)稱主電流)，超級(jí)電容電流Is(簡(jiǎn)稱副電流)和超級(jí)電容器端電壓U，并根據(jù)操作信號(hào)控制電路中的電力電子器件[8]。

圖7是再生制動(dòng)過(guò)程中，控制電機(jī)電流基本恒定的效果(對(duì)應(yīng)車輛等減速)，可知：當(dāng)車輛速度比較高時(shí)，電機(jī)電流基本保持在85 A左右，直到速度過(guò)低便無(wú)法繼續(xù)維持。在此制動(dòng)初速下，電機(jī)發(fā)電開(kāi)路電壓低于30 V，而實(shí)驗(yàn)前后超級(jí)電容器端電壓有明顯上升(36 V→40 V)，可知發(fā)電電壓被升壓且有再生電能被回收存儲(chǔ)。

圖7 恒電機(jī)電流再生制動(dòng)實(shí)驗(yàn)

圖8是電動(dòng)汽車起步時(shí)，在此期間的一段使蓄電池和超級(jí)電容協(xié)同輸出的實(shí)驗(yàn)曲線，超級(jí)電容初始電壓為36 V。在超級(jí)電容有副電流Is輸出的位置，主電流Im有相應(yīng)下降，明顯觀察到超級(jí)電容輸出經(jīng)升壓后對(duì)蓄電池的補(bǔ)充作用。

5 結(jié)論

以H橋型雙向DC-DC變換器電路為基礎(chǔ)，結(jié)合電動(dòng)汽車實(shí)際結(jié)構(gòu)特征及使用要求，對(duì)電機(jī)主電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了只使用一個(gè)高頻器件的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

通過(guò)微型電動(dòng)汽車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了為復(fù)合電源電動(dòng)汽車所設(shè)計(jì)的單高頻器件電機(jī)主電路功能正常，能夠滿足車輛運(yùn)行時(shí)的工作要求。該主電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)電路能對(duì)超級(jí)電容輸出電壓進(jìn)行升壓變換，并協(xié)同蓄電池一起向電機(jī)供電，有利于改善蓄電池工作條件，延長(zhǎng)其使用壽命。

圖8 復(fù)合電源協(xié)調(diào)向電機(jī)供電實(shí)驗(yàn)

(2)電路能進(jìn)行功能切換，在電動(dòng)汽車再生制動(dòng)過(guò)程中，將電機(jī)發(fā)電電壓升壓后對(duì)超級(jí)電容充電，提高能源利用效率，有利于節(jié)能環(huán)保、增加電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程。

(3)電路具有結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)；降低變流裝置成本、增強(qiáng)系統(tǒng)工作可靠性對(duì)提高電動(dòng)汽車性能和促進(jìn)其市場(chǎng)化發(fā)展具有積極意義。

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A new circuit design of hybrid power supply for EV

QIU Hao,DONG Zhu-rong,HE Ping
(School of Automotive and Transportation Engineering,Shenzhen Polytechnic,Shenzhen Guangdong 518055,China)

The hybrid power supply of electric vehicles (EV) was composed of the super capacitor and battery. Applying only one high frequency power electronic device,a new circuit topology of main power circuit was proposed based on operating characteristics of EV's driving system.The circuit boosts auxiliary power supply(APS)to power up the motor together with the main battery. The circuit also recharges APS via boosting output voltage during regenerative braking.Low-cost and long-reliability are guaranteed by structure simplicity and control convenience of the main circuit.Experiments prove the circuit is effective to improve energy efficiency and performance of EV.

EV;hybrid power supply;power electronic device;super capacitor

TM 91

A

1002-087 X(2015)08-1726-03

2015-01-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(51175050)；廣東省自然科學(xué)基金(S2013010013931)；深圳市技術(shù)創(chuàng)新研究課題(CXZZ201206171430-11586)

邱浩(1976—)，男，江蘇省人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車機(jī)電一體化控制。