電動汽車回饋制動系統(tǒng)能量緩存裝置的研究與設(shè)計
電動汽車回饋制動系統(tǒng)能量緩存裝置的研究與設(shè)計
摘 要 電動汽車制動能量回收系統(tǒng)運行過程中，頻繁制動對蓄電池進行往復(fù)充電會縮短其使用壽命。本文根據(jù)超級電容的工作特點，設(shè)計了一種基于雙向DC/DC變換器，以超級電容為存儲單元的緩存裝置。仿真結(jié)果表明，雙閉環(huán)控制下的能量緩存裝置可有效進行制動能量的存儲與釋放。
關(guān)鍵詞 回饋制動；超級電容；雙向DC/DC變換器；MATLAB/Simulink 0引言
超級電容器是20世紀七八十年代逐漸發(fā)展起來一種新興儲能器件，與電池儲能相比，具有充放電電流不受限制，響應(yīng)速度快，循環(huán)使用壽命長，環(huán)境友好等優(yōu)點。
隨著新能源汽車研究的興起，制動能量回收作為延長其續(xù)駛里程一種可行方法備受人們關(guān)注，本文針對如何在不影響蓄電池性能的情況下對制動能量進行儲存和釋放這一問題，設(shè)計了一種基于超級電容器存儲，利用單片機控制的制動能量緩存裝置。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計可有效實現(xiàn)制動能量的存儲與釋放。
1超級電容存儲單元
超級電容器的單體電壓電容值較低，一般需要進行串并聯(lián)組合才能達到要求的電壓與電容等級。但單體器件參數(shù)差異，串聯(lián)單體電容電壓在工作過程中的存在不一致現(xiàn)象，導(dǎo)致一部分單體電容電壓偏低，容量不能被充分利用，而另一部分電壓過高，內(nèi)部電解液發(fā)生分解而失效。因此，需要進行串聯(lián)均壓處理，來提高電容器的容量利用率和安全性。
超級電容串聯(lián)技術(shù)，就其工作原理可大致分為穩(wěn)壓管法、開關(guān)電阻法、飛渡電容器電壓均衡法和電感儲能電壓均衡法等方法，各有其優(yōu)缺點與適用場合。本文采用均衡效果相對較好單飛渡電容器電壓均衡法，利用一個小容量的普通電容器作為中間儲能單元，將電壓高的超級電容器中的能量向電壓低的超級電容器中轉(zhuǎn)移，適合在電動汽車等中小功率的應(yīng)用場合中使用[1]。
2硬件電路設(shè)計
2.1雙向DC/DC變換器
由于在電機回饋制動系統(tǒng)中沒有隔離和絕緣的要求，故采用由IGBT、快恢復(fù)二極管與儲能電感組成的非隔離型雙向半橋DC/DC變換器。它具有開關(guān)元件電流電壓應(yīng)力小，有源元器件導(dǎo)通損耗小，元器件數(shù)量少及電路結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。
2.2緩沖電路
利用電容電壓與電感電流不能突變的特性，本文設(shè)計了一種緩沖電路，抑制開關(guān)元器件在開關(guān)瞬間的電壓與電流變化率，同時把吸收的能量傳遞給負載，其原理圖如圖1所示。電感L1，電容C1、C2以及二極管D1，D2，D3組成緩沖電路，要求電感和電容的諧振頻率遠遠高于開關(guān)管頻率，二極管反向恢復(fù)時間足夠小。
2.3控制電路
ATMEGA48作為主控芯片，產(chǎn)生的PWM控制信號，經(jīng)光耦隔離后，調(diào)節(jié)開關(guān)管S1與S2，并通過電流、電壓及溫度傳感器對裝置的瞬態(tài)運行狀況進行監(jiān)測。
2.4元器件參數(shù)選取
為避免開關(guān)元件的損壞，變換器一般工作在連續(xù)導(dǎo)電模式下，且開關(guān)元器件
的耐壓值應(yīng)是實際峰值的1.5～2倍。因此需確定儲能電感的參數(shù)，以保證其在升壓模式（Boost）與降壓模式（Buck）下均能儲存足夠能量。兩種模式下電感計算公式分別為：
與分別為雙向DC/DC變換器高壓側(cè)和低壓側(cè)的電壓；（、、）和（、、）分別為Buck與Boost運行模式下的占空比、工作頻率及電感脈動電流。
由（1）（2）可得儲能電感值：
濾波電容直接影響負載R的電壓脈動，以電壓的極限脈動量為臨界值，選用最大占空比可求得電容極大值為：
3控制策略分析
超級電容存儲單元串接在變換器的低壓側(cè)，高壓側(cè)接入電機驅(qū)動電路的直流母線。當電機啟動或加速時，開關(guān)管S1工作，變換器處于Boost模式，可提供額外功率支持。電機減速或制動時，開關(guān)管S2工作，變換器處于Buck模式，超級電容器對制動能量進行吸收存儲。同時通過溫度傳感器對超級電容采取實時溫度監(jiān)測，當大于臨界值時，即執(zhí)行中斷程序。
3.1 Buck模式
采用超級電容側(cè)充電電流環(huán)和電壓環(huán)的雙閉環(huán)PI控制。當電容電壓較低時，電壓環(huán)輸出值飽和，此時超級電容處于恒流充電狀態(tài)；而當超級電容電壓達到預(yù)定值時，電壓環(huán)起作用，此時處于恒壓充電狀態(tài)。圖2為Buck模式下變換器控制框圖。
3.2 Boost模式
采用超級電容側(cè)充電電流環(huán)和高壓側(cè)輸出電壓外環(huán)的雙閉環(huán)PI控制。參考電壓設(shè)置與蓄電池電壓同步相同。圖3為Boost模式下變換器控制框圖。
4實驗與仿真
利用MATLAB/Simulink構(gòu)建電動汽車制動能量緩存裝置的仿真模型。其仿真參數(shù)為：高壓側(cè)為初始電壓300V的電容，超級電容容量12.5，串聯(lián)內(nèi)阻0.28，并聯(lián)內(nèi)阻10，參考充電電壓和電流為70V與50A，儲能電感0.01H，濾波電容0.001F，輸出參考電壓200V。
圖4為Buck模式下低壓側(cè)電壓波形，圖5為Boost模式高壓側(cè)輸出電壓波形。
5 結(jié)論
本文在雙向DC/DC變換電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于超級電容的制動能量緩存裝。仿真結(jié)果表明，可有效實現(xiàn)回饋制動能量的存儲與釋放，具有一定的實際應(yīng)用價值。
參考文獻
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