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(dòng)教練車(chē)是將傳統(tǒng)燃油教練車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)更換為電動(dòng)機(jī)，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(dòng)教練車(chē).作為電動(dòng)教練車(chē)的車(chē)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(zhǎng)的使用壽命和低廉的成本[1,2].

目前，純電動(dòng)教練車(chē)采用的是價(jià)格低廉的鉛酸蓄電池，然而若只采用鉛酸蓄電池來(lái)承擔(dān)全部功率負(fù)荷，則對(duì)電池的壽命、電動(dòng)教練車(chē)的性能以及續(xù)駛里程等都有著很大的影響，同時(shí)可能因電池電量不足而導(dǎo)致電動(dòng)教練車(chē)無(wú)法正常行駛，造成能源的浪費(fèi)[3].

針對(duì)上述問(wèn)題，在滿足車(chē)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(jí)電容兩者并聯(lián)使用作為純電動(dòng)教練車(chē)的儲(chǔ)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(fù)載突變時(shí)，不能快速的吸收或釋放目標(biāo)功率，較難滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)要求；超級(jí)電容放電時(shí)內(nèi)部發(fā)生的是物理變化，可以短時(shí)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(jí)電容與蓄電池性能上的互補(bǔ)性，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)，用適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，能夠有效的延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，增加教練車(chē)的續(xù)駛里程.

1　混合動(dòng)力電源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混合動(dòng)力電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.超級(jí)電容經(jīng)過(guò)DC/DC變換器與蓄電池并聯(lián)為電動(dòng)教練車(chē)電機(jī)控制器提供動(dòng)力.DC/DC變換器是雙向的，其拓?fù)浣Y(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(jí)電容處于充電模式或放電模式.當(dāng)電動(dòng)車(chē)加速時(shí)，負(fù)載電流加大而超過(guò)某一值時(shí)，由超級(jí)電容經(jīng)過(guò)DC/DC變換器提供瞬時(shí)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(shí)，負(fù)載電流較小，這時(shí)可完全由蓄電池提供負(fù)載全部電流；當(dāng)電動(dòng)教車(chē)制動(dòng)減速時(shí)，電機(jī)主要向超級(jí)電容回饋制動(dòng)能量[10].

圖1　混合動(dòng)力電源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在圖1中，Ec為超級(jí)電容，Ed為蓄電池，當(dāng)電動(dòng)教練車(chē)加速或者上坡時(shí)，需要超級(jí)電容進(jìn)行輔助提供能量，這時(shí)雙向DC/DC處于BOOST狀態(tài)，電流由低壓側(cè)流向高壓側(cè)，開(kāi)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(kāi)關(guān)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)同步整流，以減小導(dǎo)通損耗；當(dāng)電動(dòng)教練車(chē)制動(dòng)減速時(shí)，需要超級(jí)電容吸收制動(dòng)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(bǔ)工作方式.

圖1，電流、電壓檢測(cè)電路檢測(cè)超級(jí)電容、蓄電池及直流母線的電壓和電流，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路送往DSP轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，DSP驅(qū)動(dòng)開(kāi)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(guò)程中，如果直流母線出現(xiàn)過(guò)壓或過(guò)流情況，將會(huì)使得電機(jī)無(wú)法正常工作，并且會(huì)損壞系統(tǒng)硬件，為了保護(hù)系統(tǒng)硬件不受到破壞，需要對(duì)系統(tǒng)硬件做出保護(hù).

2　混合動(dòng)力電源工作模式

電動(dòng)教練車(chē)混合動(dòng)力電源系統(tǒng)有以下3種工作模式：

(1)蓄電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式.當(dāng)電動(dòng)教練車(chē)運(yùn)行在怠速狀態(tài)下時(shí)，所需功率較小，電動(dòng)教練車(chē)大部分時(shí)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(zhǎng)時(shí)間的負(fù)載需求.同時(shí)，蓄電池可在超級(jí)電容電壓較低的情況下為超級(jí)電容充電.

(2)蓄電池和超級(jí)電容混合驅(qū)動(dòng)模式.當(dāng)電動(dòng)教練車(chē)工作在起步、加速、上坡過(guò)程中，需要滿足電機(jī)短時(shí)間內(nèi)的大功率需求.如果由蓄電池單獨(dú)為電機(jī)提供功率需求，過(guò)大的放電電流會(huì)對(duì)蓄電池壽命造成不可逆的影響，同時(shí)也會(huì)降低蓄電池的放電效率[11,12]，此時(shí)應(yīng)由蓄電池和超級(jí)電容共同工作為電動(dòng)教練車(chē)提供功率需求，根據(jù)超級(jí)電容適合短時(shí)間大電流放電的特點(diǎn)，可讓超級(jí)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(dòng)模式.當(dāng)電動(dòng)教練車(chē)減速或下坡行駛時(shí)，電動(dòng)教練車(chē)處于再生制動(dòng)模式，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，當(dāng)超級(jí)電容SOC低于設(shè)定SOC下限時(shí)，讓超級(jí)電容回收制動(dòng)能量.

3　混合動(dòng)力電源控制策略

本文中的混合動(dòng)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(dòng)教練車(chē)加速、減速、爬坡等情況下，負(fù)載電流變化較大[13].當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)蓄電池最佳放電電流時(shí)，為避免蓄電池電流過(guò)放影響蓄電池壽命，由超級(jí)電容輔助提供部分放電電流，來(lái)降低蓄電池的工作電流，起到保護(hù)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(dòng)教練車(chē)的需求功率，Preq>0表示負(fù)載吸收能量，Preq<0表示負(fù)載回饋能量，Pbat和Puc分別表示蓄電池和超級(jí)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(jí)電容和蓄電池荷電狀態(tài)；如果回饋的能量不超過(guò)超級(jí)電容的飽和狀態(tài)SOCuc_max，則回饋的能量由超級(jí)電容回收；如果電動(dòng)教練車(chē)負(fù)載需求功率Preq

圖2　控制策略流程圖

4　系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

4.1　電源參數(shù)計(jì)算

(1)蓄電池選型

為了降低電動(dòng)教練車(chē)的使用成本，選擇價(jià)格便宜的鉛酸動(dòng)力電池作為電動(dòng)教練車(chē)的主要能量來(lái)源，要滿足電機(jī)平均功率7.5 kW的要求.根據(jù)選擇的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電壓要求，選擇6個(gè)額定電壓為12 V動(dòng)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(guò)計(jì)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(jí)電容選型

超級(jí)電容用來(lái)配合蓄電池在短時(shí)間內(nèi)所需要的大功率需求.根據(jù)表1實(shí)際測(cè)得的電動(dòng)車(chē)電流數(shù)據(jù)可知，在爬坡和換擋加速行駛時(shí)直流母線電流可達(dá)36 A左右，假設(shè)超級(jí)電容提供大電流的時(shí)間為10 s，根據(jù)鉛酸動(dòng)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(jì)采用12 V超級(jí)電容作為基本單元，單節(jié)超級(jí)電容的放電區(qū)間設(shè)為6～12 V，由此可得超級(jí)電容能量計(jì)算式：

(2)

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

選擇12 V超級(jí)電容模塊為單體，Nc為4，計(jì)算可得超級(jí)電容的容量要在69 F以上.

表1　電動(dòng)車(chē)運(yùn)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(jí)電容電壓24～48 V，額定容量90 F，DC/DC變換器中儲(chǔ)能電感100×10-6H，開(kāi)關(guān)頻率20 KHz.系統(tǒng)仿真如圖3所示.

(1)超級(jí)電容預(yù)充電模式

當(dāng)電動(dòng)教練車(chē)電機(jī)工作在小功率狀態(tài)下，且超級(jí)電容SOC較低時(shí)，這時(shí)蓄電池對(duì)超級(jí)電容充電，假設(shè)超級(jí)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(dòng)教練車(chē)1檔行駛的平均電流為12 A，根據(jù)功率守恒可得超級(jí)電容的充電電流為9 A，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真可得超級(jí)電容的充電電流、電壓和SOC波形,如圖4所示.

圖4　超級(jí)電容預(yù)充電波形圖

由圖4可以看出，當(dāng)超級(jí)電容電壓過(guò)低時(shí)，蓄電池超級(jí)電容充電時(shí)，充電電流為9 A，超級(jí)電容電壓Uc從初始的24 V逐漸增大，SOCc也從開(kāi)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(dòng)教練車(chē)行駛工況復(fù)雜，負(fù)載電流變化范圍較大，將電機(jī)及電控制器等效成負(fù)載.仿真圖3中iL為負(fù)載電流，i1為蓄電池提供的電流，i2為超級(jí)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(dòng)教練車(chē)在1檔怠速運(yùn)行時(shí)，負(fù)載電流最大為10 A，2檔加速行駛時(shí)最大為30 A，上坡及3檔加速行駛時(shí)電流最大為36 A，仿真中用斷路器切電阻來(lái)模擬電動(dòng)教練車(chē)負(fù)載電流變化情況.

系統(tǒng)中負(fù)載電流、超級(jí)電容和蓄電池電流變化波形如圖5所示.由圖5可知，負(fù)載電流iL初始值為10 A，0.5 s時(shí)負(fù)載電流變化為30 A，1 s時(shí)負(fù)載電流變化為36 A；在0.5 s之前，負(fù)載電流小于設(shè)定15 A，蓄電池i1提供負(fù)載全部電流，超級(jí)電容不提供電流；0.5 s后負(fù)載電流大于設(shè)定值15 A，蓄電池電流i1隨負(fù)載電流變大也突然變大，后經(jīng)過(guò)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(jí)電容電流io2提供，而超級(jí)電容提供電流io2也逐漸升高；1 s后負(fù)載電流再次變化為36 A，此時(shí)蓄電池仍然能夠穩(wěn)定提供15 A電流，超級(jí)電容提供剩余21 A電流.可見(jiàn)，仿真系統(tǒng)驗(yàn)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(dòng)模式

理論上，當(dāng)電動(dòng)教練車(chē)剎車(chē)時(shí)，電機(jī)有回饋能量，此時(shí)電動(dòng)教練車(chē)工作在制動(dòng)模式，將超級(jí)電容側(cè)給定的電流反向，就得到制動(dòng)模式仿真，實(shí)際上，制動(dòng)時(shí)，電機(jī)回饋的能量微弱，幾乎可以忽略不計(jì).

5　充電與放電實(shí)驗(yàn)

在仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、系統(tǒng)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路、電壓電流采集及調(diào)理電路，實(shí)物圖如圖6所示.

(a)主電路　　　　　　(b)驅(qū)動(dòng)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(jí)電容和蓄電池的電壓、電量、充放電電流等數(shù)據(jù)通過(guò)RS-485通訊模塊傳送到PC機(jī)，得到預(yù)充電模式下的超級(jí)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(jí)電容的電壓和SOC變化曲線如圖7(c)所示.

(a)超級(jí)電容充電變化曲線

(c)超級(jí)電容放電變化曲線圖7　超級(jí)電容和蓄電池變化曲線

用電阻模擬電動(dòng)教練車(chē)負(fù)載，對(duì)蓄電池單獨(dú)供電情況下和與超級(jí)電容混合供電狀況下的放電電流數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，單獨(dú)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(shí)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(dú)供電時(shí)，放電電流大，采用超級(jí)電容-蓄電池混合供電時(shí)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(shí)蓄電池的放電時(shí)長(zhǎng)和效率均高出蓄電池單獨(dú)放電時(shí)的放電時(shí)長(zhǎng)和效率，從而在一定程度上保護(hù)了蓄電池的使用壽命，增加電動(dòng)教練車(chē)?yán)m(xù)駛里程.

6　結(jié)論

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

(1)整個(gè)系統(tǒng)具有高能量密度和高功率密度的特點(diǎn)；

(2)解決了電動(dòng)教練車(chē)運(yùn)行時(shí)間短的問(wèn)題；

(3)超級(jí)電容的補(bǔ)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(zhǎng)蓄電池的工作壽命.