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電動汽車新型超級電容能量管理系統(tǒng)設計

作者: 時間:2011-09-07 來源:網(wǎng)絡 收藏

和電池組成的系統(tǒng)兼顧了的高功率密度及電池的高能量密度的優(yōu)點,可以更好地滿足啟動和加速性能的要求,提高制動能量的回收效率,增加續(xù)駛里程。
1 系統(tǒng)總體概述
、電池系統(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。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/197318.htm

圖1中,L、M1、M2組成雙向DC-DC電路,VT1~VT6組成三相逆變器,并采用一個高端負載開關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, 無刷直流電機參數(shù)為72 V/5.5 kW。電機運行時,負載開關M3導通,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)關斷負載開關M3,雙向DC-DC工作在BUCK狀態(tài),超級電容被充電;電機啟動或大轉(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,負載開關M3關斷。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BOOST電路的輸出電壓也會相應降低。當輸出電壓值比母線電壓值小時,高端負載開關M3導通,此時由蓄電池單獨為系統(tǒng)供電并關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行電壓變換,直接采用PWM斬波即可實現(xiàn)。雙向DC-DC結構如圖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所示的電路拓撲。根據(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,這時必須通過負壓可靠關斷M2才能實現(xiàn)電路的可靠運行。設定電路工作在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關斷。設PWM周期為T,占空比為D,則M1開通時間為DT,M1關斷時間為(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,這時必須通過負壓可靠關斷M1才能實現(xiàn)電路的可靠運行。設定電路工作在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關斷。設PWM周期為T,占空比為D,則M2開通時間為DT,M2關斷時間為(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0D1,式(2)表明V1>V2,即V2通過PWM斬波得到滿足電機工作要求的母線電壓V1。


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