電動(dòng)汽車新型超級(jí)電容能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
2.2 能量管理系統(tǒng)控制策略及工作模式
2.2.1 設(shè)計(jì)要求
電動(dòng)汽車能量管理系統(tǒng)對(duì)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(jí)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(jì)要求(1)的情況下，根據(jù)要求(2)的限制值確定最優(yōu)制動(dòng)力，使回收能量達(dá)到最大，即電流對(duì)時(shí)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(dòng)操縱與機(jī)械制動(dòng)操縱復(fù)用制動(dòng)踏板。整個(gè)制動(dòng)踏板行程分為兩段，第一段行程為電制動(dòng)控制段，隨踏板下行，電制動(dòng)強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)；第二段行程為機(jī)械制動(dòng)控制段，隨踏板下行，機(jī)械制動(dòng)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(dòng)力矩，并以此來限定電機(jī)的制動(dòng)力矩，從而保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。電制動(dòng)的限制因素主要來源電機(jī)及能量管理系統(tǒng)兩個(gè)方面，包括電機(jī)最大允許制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)最大允許制動(dòng)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(dòng)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(gè)限制因素及端電壓為可變量，取系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)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(dòng)力矩，并以此來限定電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，從而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的閉環(huán)控制；電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，采用對(duì)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(hào)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(hào)，將電流取樣信號(hào)is(t)Rf作為載波信號(hào)。每個(gè)開關(guān)周期之初，由時(shí)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(cè)到電流信號(hào)is(t)Rf大于調(diào)制信號(hào)ic(t)Rf時(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)快（斜率大），即大負(fù)載輸出時(shí)（對(duì)超級(jí)電容充電而言，是充電初始時(shí)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??；反之，PWM輸出波形占空比變大。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/197318.htm
4 雙向DC-DC的硬件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中采用雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)實(shí)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(gè)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(shí)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(cè)量信號(hào)，該電流信號(hào)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(duì)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(shí)現(xiàn)電氣上的隔離，并通過輸出電壓Vce穩(wěn)壓，當(dāng)超級(jí)電容電壓接近48 V時(shí)，PC817輸出電流Ic增大，則Vce減小，進(jìn)入U(xiǎn)CC3803的2腳VFB補(bǔ)償端的信號(hào)也會(huì)減小，相應(yīng)地PWM輸出占空比也減?。划?dāng)超級(jí)電容電壓超過48 V時(shí)，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(shí)電路將在48 V維持動(dòng)態(tài)平衡。
本系統(tǒng)目前正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，運(yùn)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.
評(píng)論