逯 云 杰

（濮陽職業(yè)技術學院，河南 濮陽 457000）

隨著經(jīng)濟發(fā)展越來越快，汽車已成為必需的交通工具，汽車工業(yè)已成為現(xiàn)代經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)[1]。在環(huán)境污染嚴重、能源短缺現(xiàn)狀下，與傳統(tǒng)汽車相比較，在促進人類與環(huán)境和諧發(fā)展，對能源危機進行緩解等方面，電動汽車具有一定優(yōu)勢[2]，是各國汽車制造商、能源企業(yè)研究關注的重點。純電動汽車與傳統(tǒng)汽車不同，將電能作為主要能量來源。在錯綜復雜的城市路況條件下，電動汽車需要通過不斷地加速、減速改變汽車行駛狀態(tài)，與此同時蓄電池組會隨著電動汽車行駛狀態(tài)的轉(zhuǎn)變形成較大電流，從而給電池組造成一定沖擊和影響，甚至會對電池組應用壽命造成直接影響。由于電動汽車中蓄電池的能量回收能力相對較弱，減速過程中無法實現(xiàn)能量回收[3]。通過運用超級電容等諸多高效混合儲能系統(tǒng)，能夠有效提升電動汽車中蓄電池應用性能。隨著環(huán)境、能源問題日趨嚴重，解決能源危機的有效方案之一是推廣純電動汽車。本文基于電動汽車混合儲能系統(tǒng)，對其控制技術進行了研究。

1 混合儲能系統(tǒng)自動協(xié)調(diào)控制器設計

以自動協(xié)調(diào)控制器的設計原理為基礎可形成6種不同控制信號，在此將其設定成T1～T6。在6 種不同控制信號中T1～T4為控制變換器對應的狀態(tài)信號，其中的T5代表著超級電容器對應的荷電狀態(tài)信號，最后一個T6則代表著蓄電池對應的荷電狀態(tài)信號。在每一環(huán)節(jié)，因蓄電池參與，T3=Y；如果超級電容荷電狀態(tài)在每種工作情況下滿足要求，則T5=Y，否則T5=N；如果蓄電池荷電狀態(tài)滿足要求，則T6=Y，否則T6=N。在輸出控制信號后，最終控制目標需聯(lián)合雙向DC/DC控制器實現(xiàn)。

2 電動汽車復合儲能系統(tǒng)硬件設計

2.1 復合儲能系統(tǒng)硬件設計指標

本文基于5 kW 無刷直流電機進行電動汽車復合儲能系統(tǒng)整體設計分析，在設計過程中將電機額定電流設定為124 A，額定轉(zhuǎn)速設定為3521 r/min，額定電壓設定為51 V；此次設計中運用的蓄電池是由兩塊鋰電池通過串聯(lián)形成的蓄電池組，每個鋰電池的標稱容量可達到52 Ah，對應的額定電壓是25.5 V；此次設計中的超級電容器對應的標稱容量是165 F，對應的額定電壓是49 V，其最高峰值電流能夠達到1905 A，其最高峰值電壓能夠達到51 V；設計中的雙向DC/DC 變換器電源效率達到92.5%，對應的額定功率是8.2 kW，在實際運行中可利用CAN 指令實現(xiàn)增壓以及降壓模式間的轉(zhuǎn)換。在電動汽車處于行駛狀態(tài)下對其行駛模式予以檢測分析，可通過定速控制以及剎車控制等來檢測電機控制器能力，利用外圍按鍵了解剎車控制功能，利用電壓傳感器來針對超級電容電壓予以綜合檢測分析，此外通過DSP芯片能夠了解電動汽車內(nèi)部信號傳遞狀況，將各項信號以及相關指令在電機以及蓄電池間迅速傳遞，并使蓄電池模式隨之發(fā)生瞬變，實現(xiàn)對蓄電池工作狀態(tài)的實時控制。

2.2 復合儲能電源控制電路設計

2.2.1 主控制芯片最小系統(tǒng)設計

采用主控制芯片為TI公司生產(chǎn)的TMS320F281 2DSP，此芯片主要應用哈佛總線結構，并且具備控制能力、處理能力等多種相關能力，因此在汽車控制系統(tǒng)等系統(tǒng)內(nèi)應用相對較多。TMS320F2812系統(tǒng)內(nèi)部分布著晶振、電源電路等。

2.2.2 CAN通信電路設計

在復合儲能電源能量控制系統(tǒng)中，CAN通信功能主要依賴雙向DC/DC 變換器以及DSP 處理器，在控制作用下實現(xiàn)對能量釋放以及回收的實時有效控制；CAN通信對于系統(tǒng)尤為關鍵，已被大量應用到汽車自動化。在CAN的總線接口電路可劃分為接收以及總線控制兩個不同電路，此次主要選擇應用SN65HVD232收發(fā)器，主要利用CANL以及CANH實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，其中CAN 總線之中的CANL 利用120 Ω 電阻與CANH 相互并聯(lián)，這一電阻在數(shù)據(jù)收發(fā)端尤為關鍵，一旦電阻缺失將會對數(shù)據(jù)傳輸可靠性以及數(shù)據(jù)傳輸抗干擾性等性能造成直接影響，甚至會造成通信中斷。詳細可參考圖1。

圖1 CAN通信電路Fig.1 CAN communication circuit

2.2.3 電壓采集調(diào)理電路設計

本文利用萊姆電壓傳感器DVL50進行超級電容的兩端電壓測量分析，在應用過程中其測量精度以及額定電壓、供電電壓分別為0.5%以及50 V、±15 V，在超級電容兩端進行±HV 的連接，選擇電阻為50 Ω 的R22，在傳送信號進DSP 處理器前，經(jīng)信號電壓、低通濾波跟隨電路需連接與鉗位電路，鉗位電路含有兩個穩(wěn)壓管、電阻、電容，在0～3.3 V之間輸出穩(wěn)定電平是鉗位電路的目的。圖2為電壓采集調(diào)理電路。

圖2 電壓采集調(diào)理電路Fig.2 Voltage acquisition and conditioning circuit

2.3 復合儲能控制系統(tǒng)程序總體設計

結合此次設計中提出的能量控制策略，在設計過程中將加速踏板的輸出信號電壓設定成1～4 V，若此電壓值超出1.8 V，與此同時對應的超級電容電壓達到28.8 V 以上，則利用雙向DC/DC 變換器可實現(xiàn)電動汽車內(nèi)部CAN 通信，從而使DC/DC 變換器之中的DSP主控制器開始控制，同時可切斷蓄電池內(nèi)的S1 電路回路，換言之在控制開關的控制作用下，使Q3 處于關閉狀態(tài)，使Q4 處于運行狀態(tài)；若油門踏板輸出電壓的數(shù)值在1.8 V 以下，或者路線超級電容之中的SOC 值達到28.8 V 以下，則蓄電池內(nèi)的S1 電路處于運行狀態(tài)，且在芯片控制下實現(xiàn)DSP 運行，信息傳遞至DC/DC 變換器并且通過指令使其處于不工作狀態(tài)。若DSP汽車被設定為巡航模式，則蓄電池內(nèi)的S1 電路回路處于運行狀態(tài)，DC/DC 變換器不工作通過CAN 通信進行控制。

3 結果與分析

HCAPM 為實驗室超級電容模組型號，其中機箱外殼配置電源正負極插頭、風扇、開關等，超級電容容量為10 F、額定電壓200 V。蓄電池模塊由17 塊鉛酸蓄電池單體串聯(lián)組成，單體額定容量36 Ah，額定電壓12 V，冷啟動電流280 A?；旌蟽δ芟到y(tǒng)實驗平臺主要涉及蓄電池、超級電容等。在應用過程中需要將兩臺雙向DC/DC變換器的高壓以及低壓兩端分別和其他設備相互連接。利用采樣電路獲得兩端電流信號，同時將信號傳遞給上位機以及控制器，最終達到觀測和控制的目的。電壓傳感器通過多年發(fā)展其技術已相對成熟并且應用較多，傳感器類型多樣例如霍爾電壓傳感器等。此次主要選擇應用HAV100-750 型號的傳感器，結合歐姆原理使傳感器能夠獲得輸出電壓，通過計算分析能夠獲取實測電壓。若電動汽車中電機需要的功率值在平均功率值以內(nèi)，同時存在超級電容內(nèi)能量存儲相對不足狀態(tài)時，蓄電池需要給電機以及超級電容同時供電。在實驗中，充電電流隨著充電時間的延長逐漸減小，蓄電池能夠?qū)崿F(xiàn)恒流放電，同時超級電容的充電電流將逐步提升，且對應的電壓水質(zhì)提升，而增長斜率在電流不斷提升過程中有所增長。

4 結 論

（1）在探討蓄電池特性的基礎上，根據(jù)其不同特性開展此次設計分析，為電動汽車復合儲能系統(tǒng)提供科學合理性參數(shù)選型和匹配。

（2）儲能系統(tǒng)硬件設計涉及CAN通信電路設計等；此次設計中的復合儲能系統(tǒng)內(nèi)主控制芯片選擇型號為DSPTMS320F2812 的芯片，在軟件設計中包含超級電容電壓采集程序設計等多個環(huán)節(jié)。

（3）通過實驗測試分析發(fā)現(xiàn)，在各種模式開展放電試驗過程中，對電機轉(zhuǎn)速予以有效控制能夠使超級電容以及蓄電池分別轉(zhuǎn)換為相應工作模式，最終驗證了此次系統(tǒng)設計特性。