文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.170462
中文引用格式: 孟彥京,賈娟娟,馬匯海,等. 電動(dòng)教練車的雙電源協(xié)同控制方法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(10):145-148.
英文引用格式: Meng Yanjing,Jia Juanjuan,Ma Huihai,et al. Research on the method of cooperative control for learner-drive vehicle with double-power[J].Application of Electronic Technique,2017,43(10):145-148.
0 引言
將教練車的發(fā)動(dòng)機(jī)更換為電動(dòng)機(jī),其他結(jié)構(gòu)不變使之成為一種電動(dòng)教練車,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。但教練車工作狀態(tài)頻繁切換,導(dǎo)致負(fù)載功率寬范圍變化,蓄電池要滿足負(fù)載需求,其電流就必須具有寬范圍變化的能力,為了不影響電池壽命,瞬時(shí)大電流放電又是不被允許的,因此產(chǎn)生了矛盾。
現(xiàn)有的教練車均采用鉛酸或鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行驅(qū)動(dòng),無法同時(shí)滿足教練車對(duì)蓄電池的高能量密度、高功率密度、較長(zhǎng)循環(huán)壽命、較好經(jīng)濟(jì)性的要求[1-3]。且經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大電流放電嚴(yán)重影響鉛酸動(dòng)力電池的可放出容量,即存在“放不出來”現(xiàn)象。
針對(duì)以上問題,本文擬選用較經(jīng)濟(jì)的鉛酸電池,采用與動(dòng)力電池特性互補(bǔ)的起動(dòng)電池來“削峰”,即利用雙電源協(xié)同驅(qū)動(dòng)電機(jī)。起動(dòng)電池提供電機(jī)峰值功率,且滿足一定時(shí)間峰值助推力需要的能量,在保證整車動(dòng)力性能的前提下,使動(dòng)力電池輸出功率盡可能保持恒定或平滑,避免了大電流放電對(duì)其的損壞,延長(zhǎng)了動(dòng)力電池的使用壽命,增加了教練車的續(xù)航時(shí)間。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
雙電源協(xié)同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中起動(dòng)電池能量密度小,在釋能過程中電壓下降較快[4-5],當(dāng)其電壓小于動(dòng)力電池電壓時(shí),由于電勢(shì)差的存在無法及時(shí)對(duì)系統(tǒng)需要的大功率做出補(bǔ)償。因此,選用的起動(dòng)電池組端電壓應(yīng)大于動(dòng)力電池組端電壓,再通過DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)端電壓的自動(dòng)匹配,保證起動(dòng)電池能隨時(shí)補(bǔ)充負(fù)載需要的大電流,電路設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。
圖中,Ed、Es分別為動(dòng)力電池、起動(dòng)電池的開路電壓,Rd、Rs分別為動(dòng)力電池、起動(dòng)電池的內(nèi)阻。起動(dòng)電池經(jīng)VF2、VD3、L1組成的Buck變換器與動(dòng)力電池并聯(lián),虛線框內(nèi)為逆變器自帶電路,其中C1、R為教練車等效負(fù)載,R1與VF1構(gòu)成等效負(fù)載中電容的預(yù)充電電路,VD1、VD2為防反充二極管,起到防止兩電池之間相互充電的作用。
2 系統(tǒng)控制方案
2.1 功率調(diào)配控制
教練車工作狀態(tài)多變,負(fù)載電流變化范圍大[6]。當(dāng)負(fù)載電流超過動(dòng)力電池的最佳放電電流時(shí),為避免動(dòng)力電池大電流放電受到損壞,以起動(dòng)電池作為“峰值”補(bǔ)充電源,使動(dòng)力電池所提供電流維持在最佳放電電流范圍內(nèi)。對(duì)教練車中關(guān)鍵部分能量源起到管理和保護(hù)作用。設(shè)I1為動(dòng)力電池電流,I2為負(fù)載需求電流,I3為起動(dòng)電池電流,Iset為動(dòng)力電池可接受最佳放電電流,則工作狀態(tài)分為兩種模式:
(1)若I2-Iset≤0,則I1≈I2,I3≈0。即負(fù)載所需電流I2在動(dòng)力電池可接受的最佳放電電流范圍內(nèi),幾乎全部由動(dòng)力電池提供。
(2)若I2-Iset>0,則I1=Iset,I3=I2-Iset。即負(fù)載所需電流I2超出動(dòng)力電池可接受最佳放電電流范圍,則動(dòng)力電池的放電電流基本維持為Iset,剩余部分由起動(dòng)電池供給。
兩種工作模式中,開關(guān)管VF2都處于調(diào)節(jié)狀態(tài)。第一種模式下,輸出較小的占空比控制VF2,使起動(dòng)電池只提供很小的電流,目的是使起動(dòng)電池始終處于動(dòng)態(tài)預(yù)備狀態(tài),防止其在負(fù)載突變時(shí),無法快速對(duì)大電流進(jìn)行補(bǔ)充;第二種模式下,系統(tǒng)采樣負(fù)載電流I2,與給定電流Iset做差得到誤差值,經(jīng)比例(P)調(diào)節(jié)后輸出占空比信號(hào),控制VF2的通斷來對(duì)起動(dòng)電池需補(bǔ)充的電流進(jìn)行調(diào)節(jié),控制框圖如圖2所示。
2.2 容量平衡控制
鉛酸動(dòng)力電池相關(guān)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,最佳放電率為0.1 C~0.2 C[7],本系統(tǒng)中Iset在0.1 C~0.2 C范圍內(nèi)調(diào)節(jié)都是合理的,將Iset初始值設(shè)置為0.15 C,方便控制。為使動(dòng)力電池所能持續(xù)放電的時(shí)間內(nèi),起動(dòng)電池的電量也基本放完,用安時(shí)積分法檢測(cè)兩個(gè)電池的“荷電狀態(tài)”(State of Charge,SOC),比較后對(duì)Iset進(jìn)行調(diào)節(jié),設(shè)SOC1、SOC2分別為動(dòng)力、起動(dòng)電池的荷電狀態(tài),控制思路為:
(1)當(dāng)SOC1>SOC2,提高Iset的設(shè)置值,使動(dòng)力電池多提供能量,SOC1降低,直到與SOC2值接近。
(2)當(dāng)SOC1<SOC2,降低Iset的設(shè)置值,使起動(dòng)電池多提供能量,SOC2降低,直到與SOC1值接近。
鉛酸蓄電池放電深度在30%~90%范圍內(nèi)時(shí)具有較長(zhǎng)壽命且在其生命周期內(nèi)放出較多容量[8],將蓄電池最低SOC設(shè)置為30%,當(dāng)起動(dòng)與動(dòng)力電池中任意一個(gè)容量降低到30%時(shí),放電結(jié)束,需給蓄電池充電。系統(tǒng)容量平衡控制流程圖如圖3所示。
3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)
3.1 電池選型
已改裝的電動(dòng)教練車所配電機(jī)的額定電壓為48VAC,考慮到電池的性價(jià)比和車輛使用情況,選用型號(hào)為6-DG-120B的6節(jié)12 V的鉛酸動(dòng)力蓄電池串聯(lián)使用,其額定容量為105 Ah。經(jīng)測(cè)量電動(dòng)教練車運(yùn)行過程中負(fù)載所需電流參數(shù)如表1所示。
由表1可以看出,車輛在起步、轉(zhuǎn)彎和加速狀況下電池需大電流放電,將動(dòng)力電池工作中的電流平均為15 A,則動(dòng)力電池可持續(xù)工作時(shí)間為:
105 Ah×0.7÷15 A=4.9 h
為滿足學(xué)員一天的練車要求,教練車電源提供能量的時(shí)間應(yīng)達(dá)到5.5小時(shí)左右,將起動(dòng)電池工作中的電流平均為35 A,則所選起動(dòng)電池額定容量應(yīng)為:
0.6 h×35 A÷0.7=30 Ah
選取型號(hào)為6-QWLZ-36的7節(jié)起動(dòng)電池串聯(lián),對(duì)系統(tǒng)大電流進(jìn)行補(bǔ)充,其額定電壓為12 V,額定容量為36 Ah,起動(dòng)電流達(dá)280 A,滿足系統(tǒng)要求。
3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中L1、C2的參數(shù)計(jì)算與選擇
起動(dòng)電池端連接Buck變換器,輸入電壓為70 V~96.6 V,由表1可知系統(tǒng)負(fù)載最大需求電流為60 A,除去動(dòng)力電池提供的,起動(dòng)電池應(yīng)補(bǔ)充40 A左右的電流,將其輸出電流最大值定為45 A,開關(guān)頻率為5 kHz,對(duì)于Buck變換器按最大輸入電壓(96.6 V)計(jì)算電感,過程如下:
設(shè)負(fù)載突變瞬間,允許動(dòng)力電池電流波動(dòng)5 A,動(dòng)力電池內(nèi)阻為0.06 Ω,則輸出紋波電壓為:
ΔU=0.06 Ω×5 A=0.3 V
假設(shè)輸出紋波電壓的大部分分量由電容的ESR(Rc)產(chǎn)生,可以選擇電容使得ESR滿足紋波電壓要求,則有:
Rc=ΔU/(Iload-Id)=0.3 V/(60 A-25 A)=0.008 6 Ω
由經(jīng)典ESR/電容值關(guān)系:RcC0=50×10-6 ΩF,計(jì)算得到C0=5.8×10-3 F。
此電容由兩部分組成,分別為電機(jī)控制器內(nèi)部電容C1和Buck變換器并聯(lián)電容C2,本教練車電機(jī)控制器中電容C1為14個(gè)180 μF電解電容并聯(lián),總?cè)萘繛?.52×10-3 F,
則Buck變換器并聯(lián)電容C2容量為2.28×10-3 F,其最高工作電壓在83 V左右,選用7個(gè)容量為330 μF,ESR為20 mΩ、耐壓值為160 V的電解電容并聯(lián),降額51.8%使用,滿足設(shè)計(jì)要求。
4 仿真與結(jié)果分析
為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的合理和有效性,利用MATLAB軟件搭建了系統(tǒng)的仿真模型,如圖4所示。
仿真模型中的器件參數(shù)設(shè)置如下:
動(dòng)力電池:內(nèi)阻0.06 Ω,額定電壓72 V,額定容量105 Ah;起動(dòng)電池:內(nèi)阻0.01 Ω,額定電壓84 V,額定容量36 Ah;
L2電感量為8×10-5 H,C2容量為2.3×10-3 F;電阻R2、R3、R4來模擬電動(dòng)車負(fù)載,由給定信號(hào)G2、G2來控制VF1、VF2的通斷,當(dāng)VF1、VF2依次閉合,系統(tǒng)負(fù)載逐漸增大。仿真結(jié)果如圖5所示。
圖中Vc1、Vc2分別為電容器C1、C2的端電壓,i2為負(fù)載需求電流、i1為動(dòng)力電池所提供電流、i3為起動(dòng)電池所提供電流。由圖可以看出,0~0.15 s內(nèi),電容器C1端電壓升高,處于充電狀態(tài),而電容器C2在起動(dòng)電池作用下逐漸被充滿;0.2 s時(shí)負(fù)載接入,系統(tǒng)開始工作,0.2 s~0.5 s內(nèi),負(fù)載所需的電流較小,僅為14 A,小于Iset設(shè)置值,此階段動(dòng)力電池幾乎提供了負(fù)載所需的全部能量;0.5 s時(shí)負(fù)載突變,需求功率增大,所需電流增加到34 A,大于Iset的設(shè)置值,此時(shí)動(dòng)力電池提供了15 A電流,起動(dòng)電池提供19 A電流;1 s時(shí)負(fù)載再次突變,所需電流增加到60 A,動(dòng)力電池仍提供15 A電流,起動(dòng)電池提供剩余電流。
因仿真時(shí)間較短,電源SOC變化不明顯,無法看出容量平衡控制效果,采用信號(hào)發(fā)生器給定變化的SOC1、SOC2信號(hào)進(jìn)行模擬,仿真模型如圖6。
模擬中Iset初始設(shè)置值為16 A,間隔時(shí)間設(shè)置為0.5 s,圖7為模擬仿真波形,由圖可以看出,在1.5 s、2 s時(shí),Iset值均增加了2 A,觀察SOC1、SOC2的變化發(fā)現(xiàn)在1.5 s、2 s時(shí)SOC1、SOC2的關(guān)系滿足SOC1>SOC2,|SOC1-SOC2|=a,a>10%且有增大趨勢(shì),為使SOC1、SOC2接近,提高了Iset的設(shè)定值,讓動(dòng)力電池多提供能量,在2.5 s時(shí),也滿足此關(guān)系,但I(xiàn)set已增加到動(dòng)力電池最佳放電電流的閾值,則不再增加,在4.5 s、5 s時(shí),Iset值均減少了2 A,此時(shí)SOC1、SOC2的關(guān)系滿足SOC1<SOC2,|SOC2-SOC1|=a,a>10%且有增大趨勢(shì),為使SOC1、SOC2接近,減小了Iset的設(shè)定值,讓起動(dòng)電池多提供能量,仿真結(jié)果與控制策略一致,驗(yàn)證了方案的可行性與正確性。
5 結(jié)語
改進(jìn)后的電源系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):
(1)在負(fù)載突變的情況下可及時(shí)調(diào)整工作模式,使動(dòng)力電池輸出功率盡可能保持恒定或平滑,通過起動(dòng)電池來滿足系統(tǒng)峰值功率需求;
(2)連接起動(dòng)電池的Buck變換器始終處于工作狀態(tài),通過改變占空比控制起動(dòng)電池輸出電流的大小,使起動(dòng)電池可根據(jù)負(fù)載需求快速補(bǔ)充電流;
(3)通過比較兩個(gè)電池的SOC,根據(jù)控制策略改變Iset的設(shè)置值,達(dá)到平衡兩個(gè)電池SOC的目的,使兩個(gè)電池電量基本同時(shí)放完。
本設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了兩種電池的性能優(yōu)勢(shì),通過控制對(duì)雙電源輸出功率進(jìn)行管理和調(diào)配,保護(hù)了動(dòng)力電池,延長(zhǎng)其使用壽命,具有一定的實(shí)用價(jià)值。
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作者信息:
孟彥京,賈娟娟,馬匯海,吳 輝
(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,陜西 西安710021)