電動(dòng)汽車回饋制動(dòng)系統(tǒng)能量緩存裝置的研究與設(shè)計(jì)
電動(dòng)汽車回饋制動(dòng)系統(tǒng)能量緩存裝置的研究與設(shè)計(jì)
摘 要 電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，頻繁制動(dòng)對(duì)蓄電池進(jìn)行往復(fù)充電會(huì)縮短其使用壽命。本文根據(jù)超級(jí)電容的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于雙向DC/DC變換器，以超級(jí)電容為存儲(chǔ)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(jìn)行制動(dòng)能量的存儲(chǔ)與釋放。
關(guān)鍵詞 回饋制動(dòng)；超級(jí)電容；雙向DC/DC變換器；MATLAB/Simulink 0引言
超級(jí)電容器是20世紀(jì)七八十年代逐漸發(fā)展起來(lái)一種新興儲(chǔ)能器件，與電池儲(chǔ)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(zhǎng)，環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。
隨著新能源汽車研究的興起，制動(dòng)能量回收作為延長(zhǎng)其續(xù)駛里程一種可行方法備受人們關(guān)注，本文針對(duì)如何在不影響蓄電池性能的情況下對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行儲(chǔ)存和釋放這一問題，設(shè)計(jì)了一種基于超級(jí)電容器存儲(chǔ)，利用單片機(jī)控制的制動(dòng)能量緩存裝置。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)可有效實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的存儲(chǔ)與釋放。
1超級(jí)電容存儲(chǔ)單元
超級(jí)電容器的單體電壓電容值較低，一般需要進(jìn)行串并聯(lián)組合才能達(dá)到要求的電壓與電容等級(jí)。但單體器件參數(shù)差異，串聯(lián)單體電容電壓在工作過(guò)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(guò)高，內(nèi)部電解液發(fā)生分解而失效。因此，需要進(jìn)行串聯(lián)均壓處理，來(lái)提高電容器的容量利用率和安全性。
超級(jí)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(chǔ)能電壓均衡法等方法，各有其優(yōu)缺點(diǎn)與適用場(chǎng)合。本文采用均衡效果相對(duì)較好單飛渡電容器電壓均衡法，利用一個(gè)小容量的普通電容器作為中間儲(chǔ)能單元，將電壓高的超級(jí)電容器中的能量向電壓低的超級(jí)電容器中轉(zhuǎn)移，適合在電動(dòng)汽車等中小功率的應(yīng)用場(chǎng)合中使用[1]。
2硬件電路設(shè)計(jì)
2.1雙向DC/DC變換器
由于在電機(jī)回饋制動(dòng)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(chǔ)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
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(jì)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(shí)把吸收的能量傳遞給負(fù)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于開關(guān)管頻率，二極管反向恢復(fù)時(shí)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(hào)，經(jīng)光耦隔離后，調(diào)節(jié)開關(guān)管S1與S2，并通過(guò)電流、電壓及溫度傳感器對(duì)裝置的瞬態(tài)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
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(shí)際峰值的1.5～2倍。因此需確定儲(chǔ)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(chǔ)存足夠能量。兩種模式下電感計(jì)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(yùn)行模式下的占空比、工作頻率及電感脈動(dòng)電流。
由（1）（2）可得儲(chǔ)能電感值：
濾波電容直接影響負(fù)載R的電壓脈動(dòng)，以電壓的極限脈動(dòng)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(jí)電容存儲(chǔ)單元串接在變換器的低壓側(cè)，高壓側(cè)接入電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的直流母線。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)或加速時(shí)，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(jī)減速或制動(dòng)時(shí)，開關(guān)管S2工作，變換器處于Buck模式，超級(jí)電容器對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行吸收存儲(chǔ)。同時(shí)通過(guò)溫度傳感器對(duì)超級(jí)電容采取實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，當(dāng)大于臨界值時(shí)，即執(zhí)行中斷程序。
3.1 Buck模式
采用超級(jí)電容側(cè)充電電流環(huán)和電壓環(huán)的雙閉環(huán)PI控制。當(dāng)電容電壓較低時(shí)，電壓環(huán)輸出值飽和，此時(shí)超級(jí)電容處于恒流充電狀態(tài)；而當(dāng)超級(jí)電容電壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)，電壓環(huán)起作用，此時(shí)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(jí)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(shí)驗(yàn)與仿真
利用MATLAB/Simulink構(gòu)建電動(dòng)汽車制動(dòng)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(jí)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(chǔ)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(jì)了一種基于超級(jí)電容的制動(dòng)能量緩存裝。仿真結(jié)果表明，可有效實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)能量的存儲(chǔ)與釋放，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
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