電力汽車儲能系統控制技術研究

逯 云 杰

（濮陽職業技術學院，河南 濮陽 457000）

隨著經濟發展越來越快，汽車已成為必需的交通工具，汽車工業已成為現代經濟的重要支柱產業[1]。在環境污染嚴重、能源短缺現狀下，與傳統汽車相比較，在促進人類與環境和諧發展，對能源危機進行緩解等方面，電動汽車具有一定優勢[2]，是各國汽車制造商、能源企業研究關注的重點。純電動汽車與傳統汽車不同，將電能作為主要能量來源。在錯綜復雜的城市路況條件下，電動汽車需要通過不斷地加速、減速改變汽車行駛狀態，與此同時蓄電池組會隨著電動汽車行駛狀態的轉變形成較大電流，從而給電池組造成一定沖擊和影響，甚至會對電池組應用壽命造成直接影響。由于電動汽車中蓄電池的能量回收能力相對較弱，減速過程中無法實現能量回收[3]。通過運用超級電容等諸多高效混合儲能系統，能夠有效提升電動汽車中蓄電池應用性能。隨著環境、能源問題日趨嚴重，解決能源危機的有效方案之一是推廣純電動汽車。本文基于電動汽車混合儲能系統，對其控制技術進行了研究。

1 混合儲能系統自動協調控制器設計

以自動協調控制器的設計原理為基礎可形成6種不同控制信號，在此將其設定成T1～T6。在6 種不同控制信號中T1～T4為控制變換器對應的狀態信號，其中的T5代表著超級電容器對應的荷電狀態信號，最后一個T6則代表著蓄電池對應的荷電狀態信號。在每一環節，因蓄電池參與，T3=Y；如果超級電容荷電狀態在每種工作情況下滿足要求，則T5=Y，否則T5=N；如果蓄電池荷電狀態滿足要求，則T6=Y，否則T6=N。在輸出控制信號后，最終控制目標需聯合雙向DC/DC控制器實現。

2 電動汽車復合儲能系統硬件設計

2.1 復合儲能系統硬件設計指標

本文基于5 kW 無刷直流電機進行電動汽車復合儲能系統整體設計分析，在設計過程中將電機額定電流設定為124 A，額定轉速設定為3521 r/min，額定電壓設定為51 V；此次設計中運用的蓄電池是由兩塊鋰電池通過串聯形成的蓄電池組，每個鋰電池的標稱容量可達到52 Ah，對應的額定電壓是25.5 V；此次設計中的超級電容器對應的標稱容量是165 F，對應的額定電壓是49 V，其最高峰值電流能夠達到1905 A，其最高峰值電壓能夠達到51 V；設計中的雙向DC/DC 變換器電源效率達到92.5%，對應的額定功率是8.2 kW，在實際運行中可利用CAN 指令實現增壓以及降壓模式間的轉換。在電動汽車處于行駛狀態下對其行駛模式予以檢測分析，可通過定速控制以及剎車控制等來檢測電機控制器能力，利用外圍按鍵了解剎車控制功能，利用電壓傳感器來針對超級電容電壓予以綜合檢測分析，此外通過DSP芯片能夠了解電動汽車內部信號傳遞狀況，將各項信號以及相關指令在電機以及蓄電池間迅速傳遞，并使蓄電池模式隨之發生瞬變，實現對蓄電池工作狀態的實時控制。

2.2 復合儲能電源控制電路設計

2.2.1 主控制芯片最小系統設計

采用主控制芯片為TI公司生產的TMS320F281 2DSP，此芯片主要應用哈佛總線結構，并且具備控制能力、處理能力等多種相關能力，因此在汽車控制系統等系統內應用相對較多。TMS320F2812系統內部分布著晶振、電源電路等。

2.2.2 CAN通信電路設計

在復合儲能電源能量控制系統中，CAN通信功能主要依賴雙向DC/DC 變換器以及DSP 處理器，在控制作用下實現對能量釋放以及回收的實時有效控制；CAN通信對于系統尤為關鍵，已被大量應用到汽車自動化。在CAN的總線接口電路可劃分為接收以及總線控制兩個不同電路，此次主要選擇應用SN65HVD232收發器，主要利用CANL以及CANH實現數據傳輸，其中CAN 總線之中的CANL 利用120 Ω 電阻與CANH 相互并聯，這一電阻在數據收發端尤為關鍵，一旦電阻缺失將會對數據傳輸可靠性以及數據傳輸抗干擾性等性能造成直接影響，甚至會造成通信中斷。詳細可參考圖1。

圖1 CAN通信電路Fig.1 CAN communication circuit

2.2.3 電壓采集調理電路設計

本文利用萊姆電壓傳感器DVL50進行超級電容的兩端電壓測量分析，在應用過程中其測量精度以及額定電壓、供電電壓分別為0.5%以及50 V、±15 V，在超級電容兩端進行±HV 的連接，選擇電阻為50 Ω 的R22，在傳送信號進DSP 處理器前，經信號電壓、低通濾波跟隨電路需連接與鉗位電路，鉗位電路含有兩個穩壓管、電阻、電容，在0～3.3 V之間輸出穩定電平是鉗位電路的目的。圖2為電壓采集調理電路。

圖2 電壓采集調理電路Fig.2 Voltage acquisition and conditioning circuit

2.3 復合儲能控制系統程序總體設計

結合此次設計中提出的能量控制策略，在設計過程中將加速踏板的輸出信號電壓設定成1～4 V，若此電壓值超出1.8 V，與此同時對應的超級電容電壓達到28.8 V 以上，則利用雙向DC/DC 變換器可實現電動汽車內部CAN 通信，從而使DC/DC 變換器之中的DSP主控制器開始控制，同時可切斷蓄電池內的S1 電路回路，換言之在控制開關的控制作用下，使Q3 處于關閉狀態，使Q4 處于運行狀態；若油門踏板輸出電壓的數值在1.8 V 以下，或者路線超級電容之中的SOC 值達到28.8 V 以下，則蓄電池內的S1 電路處于運行狀態，且在芯片控制下實現DSP 運行，信息傳遞至DC/DC 變換器并且通過指令使其處于不工作狀態。若DSP汽車被設定為巡航模式，則蓄電池內的S1 電路回路處于運行狀態，DC/DC 變換器不工作通過CAN 通信進行控制。

3 結果與分析

HCAPM 為實驗室超級電容模組型號，其中機箱外殼配置電源正負極插頭、風扇、開關等，超級電容容量為10 F、額定電壓200 V。蓄電池模塊由17 塊鉛酸蓄電池單體串聯組成，單體額定容量36 Ah，額定電壓12 V，冷啟動電流280 A?；旌蟽δ芟到y實驗平臺主要涉及蓄電池、超級電容等。在應用過程中需要將兩臺雙向DC/DC變換器的高壓以及低壓兩端分別和其他設備相互連接。利用采樣電路獲得兩端電流信號，同時將信號傳遞給上位機以及控制器，最終達到觀測和控制的目的。電壓傳感器通過多年發展其技術已相對成熟并且應用較多，傳感器類型多樣例如霍爾電壓傳感器等。此次主要選擇應用HAV100-750 型號的傳感器，結合歐姆原理使傳感器能夠獲得輸出電壓，通過計算分析能夠獲取實測電壓。若電動汽車中電機需要的功率值在平均功率值以內，同時存在超級電容內能量存儲相對不足狀態時，蓄電池需要給電機以及超級電容同時供電。在實驗中，充電電流隨著充電時間的延長逐漸減小，蓄電池能夠實現恒流放電，同時超級電容的充電電流將逐步提升，且對應的電壓水質提升，而增長斜率在電流不斷提升過程中有所增長。

4 結 論

（1）在探討蓄電池特性的基礎上，根據其不同特性開展此次設計分析，為電動汽車復合儲能系統提供科學合理性參數選型和匹配。

（2）儲能系統硬件設計涉及CAN通信電路設計等；此次設計中的復合儲能系統內主控制芯片選擇型號為DSPTMS320F2812 的芯片，在軟件設計中包含超級電容電壓采集程序設計等多個環節。

（3）通過實驗測試分析發現，在各種模式開展放電試驗過程中，對電機轉速予以有效控制能夠使超級電容以及蓄電池分別轉換為相應工作模式，最終驗證了此次系統設計特性。