电动汽车新型超级电容能量管理系统设计

作者：时间：2011-09-07来源：网络收藏

2.2 能量管理系统控制策略及工作模式
2.2.1 设计要求
电动汽车能量管理系统对安全性有很高的要求，应满足以下条件：
(1)满足刹车及加速的安全要求，符合驾驶员的习惯。通过找到电子刹车和机械刹车的最佳覆盖区间，在确保安全的前提下，最大限度回收能量，具有能量回收系统的电刹车过程应尽可能地与传统刹车过程相似；在加速过程中，尽可能多释放能量，保证汽车所需要的加速性能。
(2)考虑能量管理系统及电机的性能，确保超级电容、电感、电机等元件在能量回馈及释放过程中的安全，避免充电、放电电流过大或充电电压过高而损害元件。
2.2.2 控制策略
(1)能量回馈控制策略
在满足设计要求(1)的情况下，根据要求(2)的限制值确定最优制动力，使回收能量达到最大，即电流对时间的积分达到最大。为了与平常的刹车习惯相符合，采用电制动操纵与机械制动操纵复用制动踏板。整个制动踏板行程分为两段，第一段行程为电制动控制段，随踏板下行，电制动强度逐渐加强；第二段行程为机械制动控制段，随踏板下行，机械制动强度逐渐加强。
将各限制因素量化为当前最大允许制动力矩，并以此来限定电机的制动力矩，从而保护系统的正常运行。电制动的限制因素主要来源电机及能量管理系统两个方面，包括电机最大允许制动转矩，电机最大允许制动功率，能量管理系统最大允许充电功率及能量管理系统最大允许充电电流。这些限定因素转化为电机转矩限制的具体策略为：

式中，各物理量均为正值；min()表示取最小值；max()表示取最大值，Pmmax表示电机最大允许制动功率；Pbmax表示能量管理系统最大允许充电功率；Ibmax表示能量管理系统最大允许充电电流；Vb表示当前能量管理系统的端电压。能量管理系统的两个限制因素及端电压为可变量，取系统运行的当前瞬态值，由能量管理系统给出；电机发电效率及当前电机转速为可变量，取电机运行当前瞬态值，由电机控制系统给出。
(2)能量释放控制策略
能量释放控制策略的具体描述与能量回馈控制策略类似，将各限制因素量化为当前最大允许驱动力矩，并以此来限定电机的驱动力矩，从而保证系统的正常运行。
3 双向DC-DC控制方法
双向DC-DC控制方法采用电压、电流双闭环控制[2]，其中电压环是外环，通过TL431和光耦实现对电压的闭环控制；电流环是内环，采用对峰值电流进行闭环控制的方法。峰值电流控制不仅响应速度快，而且具备限流保护功能，可以提高系统的可靠性。峰值电流控制的基本原理如图5所示。图5(a)所示为BUCK模式下峰值电流控制原理，而BOOST模式下峰值电流控制原理与其类似。图中，参考电压Vref与变换器输出电压V(t)相减所得的误差信号经补偿网络放大后作为PWM调制器的调制信号，将电流取样信号is(t)Rf作为载波信号。每个开关周期之初，由时钟脉冲置位RS触发器，开关器件M1导通，之后电感电流逐渐增加，如图5(b)所示。当检测到电流信号is(t)Rf大于调制信号ic(t)Rf时，比较器反转并复位RS触发器，使得功率管开关被关断，电感电流通过续流管续流。图5(b)所示为两种电感、电流增长斜率情况下的PWM占空比变化波形。图中波形表明，当电感、电流增长快（斜率大），即大负载输出时（对超级电容充电而言，是充电初始时刻，电路近于短路状态），电流很快达到峰值，电路也很快进入峰值电流控制状态，表现在PWM输出波形的占空比变小；反之，PWM输出波形占空比变大。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/197318.htm

4 双向DC-DC的硬件设计
本设计中采用双闭环的结构实现电流、电压的控制，控制芯片使用TI公司的UCC3803A。UCC3803A内部的一个误差放大器和电流放大器，可以方便组建电流、电压双闭环。在实际使用中，为了具有更快的响应速度，可略去误差放大器，使用电压调整器TL431和光耦PC817构成电压反馈。电流环通过使用LEM公司的电流传感器LAH 100-P来组建。BUCK控制电路如图6所示，而BOOST控制电路原理与其类似，只是电流方向和开关管的位置有所改变。IS1是来自LEM霍尔电流传感器LAH 100-P输出的电压测量信号，该电流信号进入电流反馈端，即图6中的ISEN端。V48来自功率部分的输出，由于TL431最大只能稳压到36 V，故需要对经典TL431稳压电路进行部分修改，使其能满足48 V稳压要求，故在TL431的3脚(即K极)引入24 V稳压管，TL431的端电压约为24 V，在安全工作区内，能正常起稳压作用。PC817实现电气上的隔离，并通过输出电压Vce稳压，当超级电容电压接近48 V时，PC817输出电流Ic增大，则Vce减小，进入UCC3803的2脚VFB补偿端的信号也会减小，相应地PWM输出占空比也减小；当超级电容电压超过48 V时，UCC3803补偿端1脚拉低，PWM关断，起到过压保护的作用，这时电路将在48 V维持动态平衡。