電動車混合電源系統設計

董　昭，張瑋瑋

(安陽工學院，河南安陽455000)

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電動車混合電源系統設計

董昭*，張瑋瑋

(安陽工學院，河南安陽455000)

摘要:設計了一種用于電動車的混合電源系統。該系統以蓄電池為主電源，采用具有雙電層結構的超級電容器為輔助能源。利用單片機控制電動車在不同狀態選擇不同電源進行供電。以200 kg的人與車沿著仰角為30°，落差為6 m的坡度行駛進行實驗，可增加130 m的行駛距離。這表明該混合電源有效地增加了電動車的行駛里程，同時可延長蓄電池的使用壽命，具有很大的現實推廣意義。

關鍵詞:單片機;電動車;混合電源系統;超級電容器;蓄電池;

電動車電源多采用蓄電池，但其存在著使用壽命短、造價高昂等弱點。超級電容器是物理電容與電化學電池的綜合體，兼有二者的優點，其優異的特性為解決電動車傳統電源的固有問題提供了一條有效途徑［1－3］。

1　混合電源系統設計方案

總體方案設計如圖1所示。蓄電池與超級電容器組成混合電源系統，主電路受單片機控制，因處于不同狀態而分別給直流電機供電［4］。當重力傳感器檢測電動自行車處于爬坡或下坡狀態，其內部兩個電容發生變化，電壓信號經單片機轉化為控制信號，使得超級電容器給電機供電或由電機對超級電容器進行電能回饋充電;當光電編碼器檢測到加速或制動時，單位時間內脈沖信號個數發生變化，經單片機轉化為控制信號，使得超級電容器給電機供電或由電機對超級電容器進行電能回饋充電。電動自行車處于勻速運行時，由蓄電池給電動機供電。

圖1　混合電源系統總體方案設計圖

1.1充電器部分

本文采用全橋移相高功率因數開關電源作為充電電源，為了滿足對電源功率因數的要求，在前級采用有源功率因數校正技術。采用全橋移相電路作為主功率變換，這樣可通過開關頻率的提高來提高電源的動態響應并縮小電源的體積［5］。采用耦合電感作為輸出濾波電感，極大減小了輸出電壓紋波，從而自動限制輸出電流值，提高電源輸出動態響應，這樣即使在負載突變的情況下，電源也沒有大的輸出電壓過沖。單相交流電網電壓經工頻整流濾波電路將交流電壓變換為直流電壓，經Boost升壓電路組成的功率因數校正電路將直流電壓升到2倍左右，使輸入工頻電流為正弦波并和輸入電壓同相位，實現輸入交流側功率因數近似為1，達到功率因數校正的目的。全橋移相逆變電路的輸入電壓比原來沒有功率因數校正時升高1倍，提高了逆變電路開關管的耐壓要求。移相全橋逆變電路將直流電壓變換為高頻交流電壓，通過高頻變壓變頻和輸出整流濾波電路變換為穩定的直流輸出電壓。開關電源主電路如圖2所示，包括整流電路Boost升壓斬波電路組成的功率因數校正電路，移相變壓電路，輸出整流電路。VT1、VT2是電壓傳感器用于檢測功率因數校正電路的輸入、輸出端電壓，L1是Boost升壓電感。

圖2　全橋移相高功率因數開關電源主電路

1.2電池組部分

1.2.1電池組供電部分

蓄電池與超級電容器相互配合共同為直流電動機提供電能，二者組成電動自行車的混合電源系統。本設計中使用4個12 V/30 Ah鉛蓄電池組模塊給電動機供電。電池組部分供電電路圖如圖3所示，受到單片機的控制，回路Ⅰ為蓄電池供電電路，電動機勻速運行時接通;回路Ⅱ超級電容器供電電路，電動車啟動、爬坡或加速時接通;回路Ⅲ為電能回饋電路，當電動車停車、下坡或制動時接通。

圖3　電池組部分供電電路圖

以能量作為選擇依據。超級電容器組的容量配置:對于大多數應用，單只超級電容器無法滿足能量需求，通過儲能量需求確定器件的數量是必要的。對于等效電路模型，忽略弛豫效應相關的參數，只考慮器件的基本電容值C。此時器件在最大允許電壓UM下可以儲存的最大能量WM為

如果想把儲存于超級電容器的能量全部釋放出來需要將其電壓從最大值UM降到零，但是在一定的功率輸出情況下，超級電容器的電流會隨著電壓降到零而趨于無窮大，這會使儲能器件的串聯等效阻抗與功率轉換裝置都會產生很大的損耗［6－9］。

實際應用中為提高系統效率，須將超級電容器的端電壓變化范圍限制在一定范圍內，引入放電系數d，它等于超級電容器所允許的最小端電壓除以最大端電壓，并以百分數表示為

由此可見，超級電容器儲存的總能量WM并不完全被利用，而只有其中的部分能量可以使用，稱為有效能量，用Wu表示，即

例如當d=50%時，超級電容器可釋放的能量是其總能量的75%，為得到高效率在應用中應避免d低于50%，于是最終確定提供能量W所需器件的數量N為可見所需數量取決于超級電容器的放電系數d。

以功率為選擇依據并兼顧效率。依照等效電路模型超級電容器，內部含有一個串聯電阻，這意味著在充放電過程中會發生內部損耗，若計入這些損耗就可以得到超級電容器的效率。圖4給出了參數為2 600 F/2.5 V/0.7 mΩ的超級電容器在恒流和恒功率條件下的充放電效率曲線，放電系數設為50%。

圖4　恒功率和恒流條件下充放電效率

盡管超級電容器得到串聯阻抗很小，但要求使效率大于90%，充電時必須將電流或功率限制在一定的值之下，放電亦然，也就是說充電時電流需限制在297 A以下或者功率限制在604 W以下才可以得到90%的效率，放電時，電流不得超過267 A，功率不得超過423 W。若以允許的最低效率為約束，可以推算出器件的功率密度。由保證器件獲得90%效率的放電功率423 W與器件的質量0.525 kg之比得到功率密度為806 W/kg，標稱中給出了4 300 W/kg，可見實際性能與標稱有很大的差距，因此進行容量計算時，必須考慮由器件內部串聯阻抗所導致的效率問題。

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本設計中超級電容器單體的基本參數為:電容值為800 F，電壓為2.7 V，串聯內阻為2 mΩ，放電系數d為50%。則依據式(1)～式(3)，超級電容器單體所能提供的有效能量為2.25 kJ。選擇為48 V的電動自行車供電，則需要以18個單體為一組，相互串聯組成電池組。

1.2.3超級電容器的DC/DC穩壓電路

超級電容器組的端電壓會隨著電荷狀態的變化而變化，因此在超級電容器組與負載之間必須有一個DC/DC穩壓電路調節輸出電壓的范圍，本文采用升降型有利于濾波的庫克變換電路。庫克變換電路又稱Cuk變換電路，屬于升降壓型直流電壓變換電路，即輸出電壓的平均值既能高于輸入電壓，又能低于輸入電壓。庫克變換電路如圖5所示，圖中L1和L2為儲能電感，VD是快恢復續流二極管，C1是傳送能量的耦合電容，C2為濾波電容。電路的特點:輸出電壓極性與輸入電壓相反，輸出端電流的交流紋波小，輸出直流電壓平穩，降低了對外部濾波器的要求。

圖5　庫克變換電路及其波形

1.2.4電能回饋電路

圖6為升壓斬波電路，在混合電源系統中作為電能回饋電路，起回收直流電機制動時反饋的電能的作用。電路中的電容C應盡量大，保證輸出電壓在通態期間不變，電感L也應盡量選擇大電感，以盡可能減少斷態期間的電流斷續。其工作原理為:當VT處于導通狀態時，電源向電感充電，電流基本恒定，同時電容向超級電容器充電;當VT處于斷態時，電源和電感共同向電容充電并向超級電容器提供能量［10－12］。

設通態時間為ton，斷態時間為toff，T=ton+toff，則Uo=(T/toff) E(5) T/Toff＞1，則輸出電壓高于電源電壓，調節T/Toff可改變輸出電壓的大小。輸出電流的平均值為

圖6　升降壓斬波電路圖及工作波形

2　檢測部分與控制部分

檢測部分由傾角檢測部分和轉速檢測部分組成，共同監測電車所處的狀態，將電車的物理狀態轉變為電信號經后續放大與整形，傳遞給單片機。

2.1傾角檢測部分

傾角檢測部分，由重力傳感器來感應爬坡或下坡時電動車所處的傾角狀態，將傾角狀態轉化為電壓信號，經放大和整形將電平信號傳入單片機，重力傳感器的測量電路如圖7所示。

圖7　重力傳感器的測量電路

2.2轉速檢測部分

該部分由開關式光電傳感器及其測量電路組成，其結構如圖8所示，包括光源、光柵、碼盤、光敏元件和處理電路。碼盤兩側分別裝有光源和準直裝置、狹縫盤和光敏元件。一旦碼盤與狹縫盤發生相對運動，那么光源發出的光線就會被切割調制成明暗相間的摩爾條紋，經光敏元件將其轉換為電信號后，再通過電路系統進行放大、整形、譯碼等處理，最后以數字量的形式輸出。

圖8　開關式光電傳感器結構簡圖

圖9　光電脈沖放大整形電路

光電脈沖放大整形電路如圖9所示。當有光時間，光敏二極管產生光電流，使得R2上壓降增大到晶體管VT1導通，作用到由VT2、VT3組成的射極低耦合觸發器，使其輸出Uo為高電位，反之Uo為低電位。脈沖信號Uo可送到單片機進行測量。

2.3控制部分

控制部分由單片機、電源電路中的開關器件IGBT及其驅動電路組成。

使用51單片機接受來自重力傳感器和開關式光電傳感器的信號，通過對這些信號的判斷來決定哪一個電源給直流電動機提供電能。程序流程圖如圖10所示。

圖10　程序流程圖

單片機P3.5腳接受開關式光電傳感器輸入的信號，通過比較讀取固定脈沖所用時間來判斷電動機是處于加速還是減速，從而決定超級電容器是輸出電能還是回收電能，或判斷電動機處于勻速運行時，使得蓄電池輸出電能。P1.0腳和P1.1腳接受重力傳感器的信號，P1.0腳為高電平，說明電車處于下坡狀態，使超級電容器回收電能; P1.0為低電平時，說明電車處于平地，由蓄電池輸出電能; P1.1為高電平時說明電車處于爬坡狀態，由超級電容器輸出電能。

3　電動車混合電源系統測試及分析

根據計算，200 kg的人與車沿著仰角為30°，落差為6 m的坡度勻速行駛，至少需要12 kJ的能量。電動車從0加速至3 m/s至少需要900 J的能量。電動車的滾動摩擦為0.05時，電動車行駛每米須克服摩擦所做功為98 J。從此可見電動車啟動、加速、爬坡將消耗電池的大部分能量，而處于勻速時，電池所提供的能量主要用來克服摩擦，且消耗能量遠少于啟動、加速和爬坡所用的能量。

若忽略摩擦損耗且下坡時完全回收上坡時存儲的勢能，則由勢能轉化成為的電能足以使電動車勻速行駛120 m;從減速回收的電能也足以保證勻速行駛10 m，則體現了使用電能較于使用化石能源的優勢。出于安全考慮，電能回收的時間必須很短，鉛蓄電池無法在短時間內回收電能，具有高功率密度的超級電容器則適合回收這樣的電能，體現了其作為輔助電源的優勢。此外高功率密度使得超級電容器能快速充電，彌補了其能量密度低的不足。

4　結論

超級電容器作為輔助電源，配合鉛蓄電池供能，蓄電池能長時間供應的且穩定的電能只被用于勻速行駛，增加了電動車的行程，同時蓄電池充電周期延長，增加了蓄電池的使用壽命，具有很大的現實推廣意義。

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董　昭(1980－)，男，漢族，河南駐馬店人，碩士研究生，安陽工學院講師，主要研究方向為智能控制、自動控制、網絡技術等，dongzhao991@ 163.com。

Power Management and Control Strategy of a Hybrid Energy Storage in Wind-Solar Hybrid Generation System

SUN Yunquan*，ZHANG Yunxin，LI Yajie
(College of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China)

Abstract:The application of energy storage technology ensures the stability and security of the system and the improvement of the efficiency and life span.By integrating the advantage of storage battery in high energy density with that of super capacitor in high power density，a kind of mixed energy-storage structure with storage battery and super capacitor is proved.The sliding filter is applied to energy distribution，and the DC/DC changer is used to control those energy storage models in a real-time way，so as to improve the flexibility and widen the application fields of the whole system.

Key words:wind-solar hybrid; hybrid energy storage; sliding filter; control technologies

中圖分類號:TM53; TP27

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0682－06

收稿日期:2014－07－01修改日期: 2014－07－26

doi:EEACC: 8110B10.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.043