電動(dòng)汽車新型超級(jí)電容能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超級(jí)電容和電池組成的能量管理系統(tǒng)兼顧了超級(jí)電容的高功率密度及電池的高能量密度的優(yōu)點(diǎn),可以更好地滿足電動(dòng)汽車啟動(dòng)和加速性能的要求,提高電動(dòng)汽車制動(dòng)能量的回收效率，增加續(xù)駛里程。
1 系統(tǒng)總體概述
超級(jí)電容、電池能量管理系統(tǒng)主要由BLDCM驅(qū)動(dòng)控制器和雙向DC-DC電路兩部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1中，L、M1、M2組成雙向DC-DC電路，VT1～VT6組成三相逆變器，并采用一個(gè)高端負(fù)載開(kāi)關(guān)M3，在必要的時(shí)候控制母線和蓄電池的通斷。蓄電池母線電壓Vin=72 V，超級(jí)電容額定參數(shù)為165 F/48 V, 無(wú)刷直流電機(jī)參數(shù)為72 V/5.5 kW。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，負(fù)載開(kāi)關(guān)M3導(dǎo)通，三相逆變器正常工作，雙向DC-DC不工作，系統(tǒng)能量來(lái)自蓄電池；電機(jī)能量回饋制動(dòng)時(shí)，母線電壓高于蓄電池電壓，并通過(guò)比較器C1信號(hào)觸發(fā)關(guān)斷負(fù)載開(kāi)關(guān)M3，雙向DC-DC工作在BUCK狀態(tài)，超級(jí)電容被充電；電機(jī)啟動(dòng)或大轉(zhuǎn)矩輸出時(shí)，雙向DC-DC工作在BOOST狀態(tài)，這種情況一般只持續(xù)數(shù)十秒。超級(jí)電容能量充足時(shí)，能保證BOOST輸出電壓高于母線電壓，負(fù)載開(kāi)關(guān)M3關(guān)斷。如果放電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，由于超級(jí)電容不具有恒壓特性，隨著能量的消耗，其端電壓會(huì)不斷降低，對(duì)應(yīng)BOOST電路的輸出電壓也會(huì)相應(yīng)降低。當(dāng)輸出電壓值比母線電壓值小時(shí)，高端負(fù)載開(kāi)關(guān)M3導(dǎo)通，此時(shí)由蓄電池單獨(dú)為系統(tǒng)供電并關(guān)斷超級(jí)電容部分的雙向DC-DC電路。
2 系統(tǒng)工作原理及控制策略
2.1 雙向DC-DC原理
本系統(tǒng)采用雙向DC-DC變換器的原因：(1)超級(jí)電容端電壓和蓄電池電壓不匹配；(2)超級(jí)電容不具有恒壓特性，由于與蓄電池電壓特性不一致，不能直接將兩者并接在一起。系統(tǒng)采用的超級(jí)電容額定電壓為48 V，蓄電池額定電壓為72 V，所以雙向DC-DC變換器的低端電壓為48 V，高端電壓為72 V。由于電壓變換范圍不大，不需要采用變壓器進(jìn)行電壓變換，直接采用PWM斬波即可實(shí)現(xiàn)。雙向DC-DC結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2中的雙向DC-DC變換器本質(zhì)上由基本的BUCK電路和BOOST電路結(jié)合而成[1]，將BUCK電路或者BOOST電路中的功率二極管用功率MOSFET替換即得到圖3所示的電路拓?fù)洹８鶕?jù)能量流向的不同，電路工作在BUCK降壓模式或BOOST升壓模式。
在BUCK降壓模式中，M1管作為開(kāi)關(guān)管使用，驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)自PWM控制芯片；M2管作為二極管使用，且使用的是M2管的寄生體二極管，這時(shí)必須通過(guò)負(fù)壓可靠關(guān)斷M2才能實(shí)現(xiàn)電路的可靠運(yùn)行。設(shè)定電路工作在CCM模式，降壓模式下等效電路如圖3所示。圖3中箭頭表示為電壓、電流的方向，能量從V1流入V2，即超級(jí)電容的充電模式。t0～t1時(shí)間段表示M1開(kāi)通，t1～t2時(shí)間段表示M1關(guān)斷。設(shè)PWM周期為T，占空比為D，則M1開(kāi)通時(shí)間為DT，M1關(guān)斷時(shí)間為（1-D）T。根據(jù)電感伏秒平衡原理，電感L兩端伏秒值在一個(gè)周期中的平均值為0，則電感一個(gè)周期的伏秒平均值可由下式求得：

在BOOST升壓模式中，M2管作為開(kāi)關(guān)管使用，驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)自PWM控制芯片；M1管作為二極管使用，且使用的是M1管的寄生體二極管，這時(shí)必須通過(guò)負(fù)壓可靠關(guān)斷M1才能實(shí)現(xiàn)電路的可靠運(yùn)行。設(shè)定電路工作在CCM模式，升壓模式下等效電路如圖4所示。圖中箭頭表示電壓電流的方向，能量從V2流入V1，即超級(jí)電容的放電模式。t0～t1時(shí)間段表示M2開(kāi)通，t1～t2時(shí)間段表示M2關(guān)斷。設(shè)PWM周期為T，占空比為D，則M2開(kāi)通時(shí)間為DT，M2關(guān)斷時(shí)間為（1-D）T。根據(jù)電感伏秒平衡原理，電感L兩端伏秒值在一個(gè)周期中的平均值為0，則電感一個(gè)周期的伏秒平均值可由下式求得：

由于占空比0D1，式（2）表明V1>V2，即V2通過(guò)PWM斬波得到滿足電機(jī)工作要求的母線電壓V1。