0 引言

    將教練車的發(fā)動機(jī)更換為電動機(jī)，其他結(jié)構(gòu)不變使之成為一種電動教練車，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力電池進(jìn)行驅(qū)動，無法同時滿足教練車對蓄電池的高能量密度、高功率密度、較長循環(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)重影響鉛酸動力電池的可放出容量，即存在“放不出來”現(xiàn)象。

    針對以上問題，本文擬選用較經(jīng)濟(jì)的鉛酸電池，采用與動力電池特性互補(bǔ)的起動電池來“削峰”，即利用雙電源協(xié)同驅(qū)動電機(jī)。起動電池提供電機(jī)峰值功率，且滿足一定時間峰值助推力需要的能量，在保證整車動力性能的前提下，使動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其的損壞，延長了動力電池的使用壽命，增加了教練車的續(xù)航時間。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

    雙電源協(xié)同驅(qū)動系統(tǒng)中起動電池能量密度小，在釋能過程中電壓下降較快^[4-5]，當(dāng)其電壓小于動力電池電壓時，由于電勢差的存在無法及時對系統(tǒng)需要的大功率做出補(bǔ)償。因此，選用的起動電池組端電壓應(yīng)大于動力電池組端電壓，再通過DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)端電壓的自動匹配，保證起動電池能隨時補(bǔ)充負(fù)載需要的大電流，電路設(shè)計原理圖如圖1所示。

    圖中，E_d、E_s分別為動力電池、起動電池的開路電壓，R_d、R_s分別為動力電池、起動電池的內(nèi)阻。起動電池經(jīng)VF₂、VD₃、L₁組成的Buck變換器與動力電池并聯(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)載電流超過動力電池的最佳放電電流時，為避免動力電池大電流放電受到損壞，以起動電池作為“峰值”補(bǔ)充電源，使動力電池所提供電流維持在最佳放電電流范圍內(nèi)。對教練車中關(guān)鍵部分能量源起到管理和保護(hù)作用。設(shè)I₁為動力電池電流，I₂為負(fù)載需求電流，I₃為起動電池電流，I_set為動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－I_set≤0，則I₁≈I₂，I₃≈0。即負(fù)載所需電流I₂在動力電池可接受的最佳放電電流范圍內(nèi)，幾乎全部由動力電池提供。

    (2)若I₂－I_set>0，則I₁=I_set，I₃=I₂－I_set。即負(fù)載所需電流I₂超出動力電池可接受最佳放電電流范圍，則動力電池的放電電流基本維持為I_set，剩余部分由起動電池供給。

    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，使起動電池只提供很小的電流，目的是使起動電池始終處于動態(tài)預(yù)備狀態(tài)，防止其在負(fù)載突變時，無法快速對大電流進(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I_set做差得到誤差值，經(jīng)比例(P)調(diào)節(jié)后輸出占空比信號，控制VF₂的通斷來對起動電池需補(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I_set在0.1 C~0.2 C范圍內(nèi)調(diào)節(jié)都是合理的，將I_set初始值設(shè)置為0.15 C，方便控制。為使動力電池所能持續(xù)放電的時間內(nèi)，起動電池的電量也基本放完，用安時積分法檢測兩個電池的“荷電狀態(tài)”（State of Charge，SOC），比較后對I_set進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)SOC₁、SOC₂分別為動力、起動電池的荷電狀態(tài)，控制思路為：

    (1)當(dāng)SOC₁>SOC₂，提高I_set的設(shè)置值，使動力電池多提供能量，SOC₁降低，直到與SOC₂值接近。

    (2)當(dāng)SOC₁<SOC₂，降低I_set的設(shè)置值，使起動電池多提供能量，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)時具有較長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)起動與動力電池中任意一個容量降低到30%時，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

3.1 電池選型

    已改裝的電動教練車所配電機(jī)的額定電壓為48VAC，考慮到電池的性價比和車輛使用情況，選用型號為6-DG-120B的6節(jié)12 V的鉛酸動力蓄電池串聯(lián)使用，其額定容量為105 Ah。經(jīng)測量電動教練車運(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，將動力電池工作中的電流平均為15 A，則動力電池可持續(xù)工作時間為：

    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間應(yīng)達(dá)到5.5小時左右,將起動電池工作中的電流平均為35 A，則所選起動電池額定容量應(yīng)為：

    0.6 h×35 A÷0.7=30 Ah

    選取型號為6-QWLZ-36的7節(jié)起動電池串聯(lián)，對系統(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，起動電流達(dá)280 A，滿足系統(tǒng)要求。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計中L₁、C₂的參數(shù)計算與選擇

    起動電池端連接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，除去動力電池提供的，起動電池應(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，對于Buck變換器按最大輸入電壓（96.6 V）計算電感，過程如下：

    設(shè)負(fù)載突變瞬間，允許動力電池電流波動5 A，動力電池內(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(R_c)產(chǎn)生，可以選擇電容使得ESR滿足紋波電壓要求，則有：

    R_c=ΔU/(I_load－I_d)=0.3 V/(60 A-25 A)=0.008 6 Ω

    由經(jīng)典ESR/電容值關(guān)系：R_cC₀=50×10^-6 ΩF，計算得到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)計要求。

4 仿真與結(jié)果分析

    為驗(yàn)證本設(shè)計的合理和有效性，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：

    動力電池：內(nèi)阻0.06 Ω，額定電壓72 V，額定容量105 Ah；起動電池：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來模擬電動車負(fù)載，由給定信號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V_c1、V_c2分別為電容器C₁、C₂的端電壓，i₂為負(fù)載需求電流、i₁為動力電池所提供電流、i₃為起動電池所提供電流。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在起動電池作用下逐漸被充滿；0.2 s時負(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I_set設(shè)置值，此階段動力電池幾乎提供了負(fù)載所需的全部能量；0.5 s時負(fù)載突變，需求功率增大，所需電流增加到34 A，大于I_set的設(shè)置值，此時動力電池提供了15 A電流，起動電池提供19 A電流；1 s時負(fù)載再次突變，所需電流增加到60 A，動力電池仍提供15 A電流，起動電池提供剩余電流。

    因仿真時間較短，電源SOC變化不明顯，無法看出容量平衡控制效果，采用信號發(fā)生器給定變化的SOC₁、SOC₂信號進(jìn)行模擬，仿真模型如圖6。

    模擬中I_set初始設(shè)置值為16 A，間隔時間設(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，I_set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SOC₁、SOC₂的關(guān)系滿足SOC₁>SOC₂，|SOC₁－SOC₂|=a，a>10%且有增大趨勢，為使SOC₁、SOC₂接近，提高了I_set的設(shè)定值，讓動力電池多提供能量，在2.5 s時，也滿足此關(guān)系，但I(xiàn)_set已增加到動力電池最佳放電電流的閾值，則不再增加，在4.5 s、5 s時，I_set值均減少了2 A，此時SOC₁、SOC₂的關(guān)系滿足SOC₁<SOC₂，|SOC₂－SOC₁|=a，a>10%且有增大趨勢，為使SOC₁、SOC₂接近，減小了I_set的設(shè)定值，讓起動電池多提供能量，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調(diào)整工作模式，使動力電池輸出功率盡可能保持恒定或平滑，通過起動電池來滿足系統(tǒng)峰值功率需求；

    (2)連接起動電池的Buck變換器始終處于工作狀態(tài)，通過改變占空比控制起動電池輸出電流的大小，使起動電池可根據(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)到平衡兩個電池SOC的目的，使兩個電池電量基本同時放完。

    本設(shè)計充分發(fā)揮了兩種電池的性能優(yōu)勢，通過控制對雙電源輸出功率進(jìn)行管理和調(diào)配，保護(hù)了動力電池，延長其使用壽命，具有一定的實(shí)用價值。

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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）