《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電動(dòng)教練車的雙電源協(xié)同控制方法研究
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
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
摘要: 采用具有不同性能優(yōu)勢(shì)的兩種蓄電池協(xié)同驅(qū)動(dòng)電機(jī),對(duì)負(fù)載輸出功率進(jìn)行合理調(diào)配,解決了動(dòng)力電池因頻繁大電流放電嚴(yán)重影響其壽命的問題,通過對(duì)兩電池SOC的監(jiān)測(cè)和比較,調(diào)整動(dòng)力電池的最佳放電閾值,使兩電池電量基本在同一時(shí)間放完,提高電能的利用率。使用MATLAB軟件搭建了系統(tǒng)仿真模型,結(jié)果表明,系統(tǒng)可根據(jù)負(fù)載需求及時(shí)調(diào)整工作模式,起動(dòng)電池來滿足系統(tǒng)所需的峰值功率,使動(dòng)力電池的電流基本處于平滑工作區(qū)間,避免了動(dòng)力電池大電流放電,延長(zhǎng)了其使用壽命,容量平衡控制使兩電池電能被充分利用,具有實(shí)用價(jià)值。
中圖分類號(hào): TN86
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.
Research on the method of cooperative control for learner-drive vehicle with double-power
Meng Yanjing,Jia Juanjuan,Ma Huihai,Wu Hui
College of Electrical and Information Engineering,Shaanxi University of Science & Technology,Xi′an 710021,China
Abstract: The batteries with different performance advantage are adopted to cooperative control motor, allocated load output power reasonably,the problem of frequently large current discharge seriously affect the power battery life is solved. And through the monitoring and comparison of the SOC of the two batteries to adjust the optimal discharge threshold of the power battery, so that the battery power of the two batteries is basically used up at the same time. Simulation model is given by using MATLAB software to demonstrate the control system can accord to the load demand to adjust work mode intelligently. Start battery meet the peak power demand, so that power battery work in the smooth power range. The design prolonged the service life of power battery. Capacity balance control enables full utilization of two battery power and has a strong practical value.
Key words : learner-drive vehicle;start battery;power battery;cooperative control;service life

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。

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    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。

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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。

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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。

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    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:

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    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。

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    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。

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    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。

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    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。

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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。

參考文獻(xiàn)

[1] 王福鸞,杜軍,裴金海.全球鋰電池市場(chǎng)狀況和應(yīng)用發(fā)展綜述[J].電源技術(shù),2014(3):564-568.

[2] 許曉雄,邱志軍,官亦標(biāo),等.全固態(tài)鋰電池技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2013(4):331-341.

[3] 馬永泉,劉孝偉,陳體銜,等.新能源汽車用鉛酸蓄電池探究[J].蓄電池,2011(3):99-103.

[4] 呂偉鵬.電動(dòng)車控制器用新型輔助電源設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù),2012(12):1915-1917.

[5] 王云財(cái),李嵐.電動(dòng)車控制器用兩種輔助電源的分析比較[J].通信電源技術(shù),2016(5):13-15.

[6] 劉祖超,張加勝,肖喜鵬,等.基于變頻器的新型預(yù)充電電路的研究[J].電測(cè)與儀表,2015(2);95-98,122.

[7] 鄭茂俊.通訊用鉛酸蓄電池優(yōu)化維護(hù)及修復(fù)方法研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2014.

[8] 郝曉紅,欽建峰,王金都,等.新能源系統(tǒng)儲(chǔ)能用鉛酸電池使用壽命的影響因素分析[J].能源工程,2012(4):10-14.



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)

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