電動(dòng)汽車(chē)新型超級電容能量管理系統設計

超級電容和電池組成的能量管理系統兼顧了超級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(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)啟動(dòng)和加速性能的要求,提高電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量的回收效率，增加續駛里程。
1 系統總體概述
超級電容、電池能量管理系統主要由BLDCM驅動(dòng)控制器和雙向DC-DC電路兩部分組成，系統框圖如圖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)高端負載開(kāi)關(guān)M3，在必要的時(shí)候控制母線(xiàn)和蓄電池的通斷。蓄電池母線(xiàn)電壓Vin=72 V，超級電容額定參數為165 F/48 V, 無(wú)刷直流電機參數為72 V/5.5 kW。電機運行時(shí)，負載開(kāi)關(guān)M3導通，三相逆變器正常工作，雙向DC-DC不工作，系統能量來(lái)自蓄電池；電機能量回饋制動(dòng)時(shí)，母線(xiàn)電壓高于蓄電池電壓，并通過(guò)比較器C1信號觸發(fā)關(guān)斷負載開(kāi)關(guān)M3，雙向DC-DC工作在BUCK狀態(tài)，超級電容被充電；電機啟動(dòng)或大轉矩輸出時(shí)，雙向DC-DC工作在BOOST狀態(tài)，這種情況一般只持續數十秒。超級電容能量充足時(shí)，能保證BOOST輸出電壓高于母線(xiàn)電壓，負載開(kāi)關(guān)M3關(guān)斷。如果放電時(shí)間過(guò)長(cháng)，由于超級電容不具有恒壓特性，隨著(zhù)能量的消耗，其端電壓會(huì )不斷降低，對應BOOST電路的輸出電壓也會(huì )相應降低。當輸出電壓值比母線(xiàn)電壓值小時(shí)，高端負載開(kāi)關(guān)M3導通，此時(shí)由蓄電池單獨為系統供電并關(guān)斷超級電容部分的雙向DC-DC電路。
2 系統工作原理及控制策略
2.1 雙向DC-DC原理
本系統采用雙向DC-DC變換器的原因：(1)超級電容端電壓和蓄電池電壓不匹配；(2)超級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。系統采用的超級電容額定電壓為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。雙向DC-DC結構如圖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所示的電路拓撲。根據能量流向的不同，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，驅動(dòng)信號來(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)負壓可靠關(guān)斷M2才能實(shí)現電路的可靠運行。設定電路工作在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PWM周期為T(mén)，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，驅動(dòng)信號來(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)負壓可靠關(guān)斷M1才能實(shí)現電路的可靠運行。設定電路工作在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PWM周期為T(mén)，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(mǎn)足電機工作要求的母線(xiàn)電壓V1。