设计应用

电动教练车的双电源协同控制方法研究

孟彦京,贾娟娟,马汇海,吴  辉

(陕西科技大学 电气与信息工程学院,陕西 西安710021)


    摘  要: 采用具有不同性能优势的两种蓄电池协同驱动电机,对负载输出功率进行合理调配,解决了动力电池因频繁大电流放电严重影响其寿命的问题,通过对两电池SOC的监测和比较,调整动力电池的最佳放电阈值,使两电池电量基本在同一时间放完,提高电能的利用率。使用MATLAB软件搭建了系统仿真模型,结果表明,系统可根据负载需求及时调整工作模式,起动电池来满足系统所需的峰值功率,使动力电池的电流基本处于平滑工作区间,避免了动力电池大电流放电,延长了其使用寿命,容量平衡控制使两电池电能被充分利用,具有实用价值。

    关键词: 电动教练车;起动电池;动力电池;协同驱动;使用寿命

    中图分类号: TN86

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.170462


    中文引用格式: 孟彦京,贾娟娟,马汇海,等. 电动教练车的双电源协同控制方法研究[J].电子技术应用,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.

0 引言

    将教练车的发动机更换为电动机,其他结构不变使之成为一种电动教练车,实现节能减排。但教练车工作状态频繁切换,导致负载功率宽范围变化,蓄电池要满足负载需求,其电流就必须具有宽范围变化的能力,为了不影响电池寿命,瞬时大电流放电又是不被允许的,因此产生了矛盾。

    现有的教练车均采用铅酸或锂离子动力电池进行驱动,无法同时满足教练车对蓄电池的高能量密度、高功率密度、较长循环寿命、较好经济性的要求[1-3]。且经实验发现大电流放电严重影响铅酸动力电池的可放出容量,即存在“放不出来”现象。

    针对以上问题,本文拟选用较经济的铅酸电池,采用与动力电池特性互补的起动电池来“削峰”,即利用双电源协同驱动电机。起动电池提供电机峰值功率,且满足一定时间峰值助推力需要的能量,在保证整车动力性能的前提下,使动力电池输出功率尽可能保持恒定或平滑,避免了大电流放电对其的损坏,延长了动力电池的使用寿命,增加了教练车的续航时间。

1 系统方案设计

    双电源协同驱动系统中起动电池能量密度小,在释能过程中电压下降较快[4-5],当其电压小于动力电池电压时,由于电势差的存在无法及时对系统需要的大功率做出补偿。因此,选用的起动电池组端电压应大于动力电池组端电压,再通过DC/DC变换器实现端电压的自动匹配,保证起动电池能随时补充负载需要的大电流,电路设计原理图如图1所示。

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    图中,Ed、Es分别为动力电池、起动电池的开路电压,Rd、Rs分别为动力电池、起动电池的内阻。起动电池经VF2、VD3、L1组成的Buck变换器与动力电池并联,虚线框内为逆变器自带电路,其中C1、R为教练车等效负载,R1与VF1构成等效负载中电容的预充电电路,VD1、VD2为防反充二极管,起到防止两电池之间相互充电的作用。

2 系统控制方案

2.1 功率调配控制

    教练车工作状态多变,负载电流变化范围大[6]。当负载电流超过动力电池的最佳放电电流时,为避免动力电池大电流放电受到损坏,以起动电池作为“峰值”补充电源,使动力电池所提供电流维持在最佳放电电流范围内。对教练车中关键部分能量源起到管理和保护作用。设I1为动力电池电流,I2为负载需求电流,I3为起动电池电流,Iset为动力电池可接受最佳放电电流,则工作状态分为两种模式:

    (1)若I2-Iset≤0,则I1≈I2,I3≈0。即负载所需电流I2在动力电池可接受的最佳放电电流范围内,几乎全部由动力电池提供。

    (2)若I2-Iset>0,则I1=Iset,I3=I2-Iset。即负载所需电流I2超出动力电池可接受最佳放电电流范围,则动力电池的放电电流基本维持为Iset,剩余部分由起动电池供给。

    两种工作模式中,开关管VF2都处于调节状态。第一种模式下,输出较小的占空比控制VF2,使起动电池只提供很小的电流,目的是使起动电池始终处于动态预备状态,防止其在负载突变时,无法快速对大电流进行补充;第二种模式下,系统采样负载电流I2,与给定电流Iset做差得到误差值,经比例(P)调节后输出占空比信号,控制VF2的通断来对起动电池需补充的电流进行调节,控制框图如图2所示。

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2.2 容量平衡控制

    铅酸动力电池相关参数标准规定,最佳放电率为0.1 C~0.2 C[7],本系统中Iset在0.1 C~0.2 C范围内调节都是合理的,将Iset初始值设置为0.15 C,方便控制。为使动力电池所能持续放电的时间内,起动电池的电量也基本放完,用安时积分法检测两个电池的“荷电状态”(State of Charge,SOC),比较后对Iset进行调节,设SOC1、SOC2分别为动力、起动电池的荷电状态,控制思路为:

    (1)当SOC1>SOC2,提高Iset的设置值,使动力电池多提供能量,SOC1降低,直到与SOC2值接近。

    (2)当SOC1<SOC2,降低Iset的设置值,使起动电池多提供能量,SOC2降低,直到与SOC1值接近。

    铅酸蓄电池放电深度在30%~90%范围内时具有较长寿命且在其生命周期内放出较多容量[8],将蓄电池最低SOC设置为30%,当起动与动力电池中任意一个容量降低到30%时,放电结束,需给蓄电池充电。系统容量平衡控制流程图如图3所示。

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3 系统参数设计

3.1 电池选型

    已改装的电动教练车所配电机的额定电压为48VAC,考虑到电池的性价比和车辆使用情况,选用型号为6-DG-120B的6节12 V的铅酸动力蓄电池串联使用,其额定容量为105 Ah。经测量电动教练车运行过程中负载所需电流参数如表1所示。

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    由表1可以看出,车辆在起步、转弯和加速状况下电池需大电流放电,将动力电池工作中的电流平均为15 A,则动力电池可持续工作时间为:

    105 Ah×0.7÷15 A=4.9 h

    为满足学员一天的练车要求,教练车电源提供能量的时间应达到5.5小时左右,将起动电池工作中的电流平均为35 A,则所选起动电池额定容量应为:

    0.6 h×35 A÷0.7=30 Ah

    选取型号为6-QWLZ-36的7节起动电池串联,对系统大电流进行补充,其额定电压为12 V,额定容量为36 Ah,起动电流达280 A,满足系统要求。

3.2 系统设计中L1、C2的参数计算与选择

    起动电池端连接Buck变换器,输入电压为70 V~96.6 V,由表1可知系统负载最大需求电流为60 A,除去动力电池提供的,起动电池应补充40 A左右的电流,将其输出电流最大值定为45 A,开关频率为5 kHz,对于Buck变换器按最大输入电压(96.6 V)计算电感,过程如下:

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    设负载突变瞬间,允许动力电池电流波动5 A,动力电池内阻为0.06 Ω,则输出纹波电压为:

    ΔU=0.06 Ω×5 A=0.3 V

    假设输出纹波电压的大部分分量由电容的ESR(Rc)产生,可以选择电容使得ESR满足纹波电压要求,则有:

    Rc=ΔU/(Iload-Id)=0.3 V/(60 A-25 A)=0.008 6 Ω

    由经典ESR/电容值关系:RcC0=50×10-6 ΩF,计算得到C0=5.8×10-3 F。

    此电容由两部分组成,分别为电机控制器内部电容C1和Buck变换器并联电容C2,本教练车电机控制器中电容C1为14个180 μF电解电容并联,总容量为2.52×10-3 F,

则Buck变换器并联电容C2容量为2.28×10-3 F,其最高工作电压在83 V左右,选用7个容量为330 μF,ESR为20 mΩ、耐压值为160 V的电解电容并联,降额51.8%使用,满足设计要求。

4 仿真与结果分析

    为验证本设计的合理和有效性,利用MATLAB软件搭建了系统的仿真模型,如图4所示。

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    仿真模型中的器件参数设置如下:

    动力电池:内阻0.06 Ω,额定电压72 V,额定容量105 Ah;起动电池:内阻0.01 Ω,额定电压84 V,额定容量36 Ah;

    L2电感量为8×10-5 H,C2容量为2.3×10-3 F;电阻R2、R3、R4来模拟电动车负载,由给定信号G2、G2来控制VF1、VF2的通断,当VF1、VF2依次闭合,系统负载逐渐增大。仿真结果如图5所示。

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    图中Vc1、Vc2分别为电容器C1、C2的端电压,i2为负载需求电流、i1为动力电池所提供电流、i3为起动电池所提供电流。由图可以看出,0~0.15 s内,电容器C1端电压升高,处于充电状态,而电容器C2在起动电池作用下逐渐被充满;0.2 s时负载接入,系统开始工作,0.2 s~0.5 s内,负载所需的电流较小,仅为14 A,小于Iset设置值,此阶段动力电池几乎提供了负载所需的全部能量;0.5 s时负载突变,需求功率增大,所需电流增加到34 A,大于Iset的设置值,此时动力电池提供了15 A电流,起动电池提供19 A电流;1 s时负载再次突变,所需电流增加到60 A,动力电池仍提供15 A电流,起动电池提供剩余电流。

    因仿真时间较短,电源SOC变化不明显,无法看出容量平衡控制效果,采用信号发生器给定变化的SOC1、SOC2信号进行模拟,仿真模型如图6。

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    模拟中Iset初始设置值为16 A,间隔时间设置为0.5 s,图7为模拟仿真波形,由图可以看出,在1.5 s、2 s时,Iset值均增加了2 A,观察SOC1、SOC2的变化发现在1.5 s、2 s时SOC1、SOC2的关系满足SOC1>SOC2,|SOC1-SOC2|=a,a>10%且有增大趋势,为使SOC1、SOC2接近,提高了Iset的设定值,让动力电池多提供能量,在2.5 s时,也满足此关系,但Iset已增加到动力电池最佳放电电流的阈值,则不再增加,在4.5 s、5 s时,Iset值均减少了2 A,此时SOC1、SOC2的关系满足SOC1<SOC2,|SOC2-SOC1|=a,a>10%且有增大趋势,为使SOC1、SOC2接近,减小了Iset的设定值,让起动电池多提供能量,仿真结果与控制策略一致,验证了方案的可行性与正确性。

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5 结语

    改进后的电源系统具有以下特点:

    (1)在负载突变的情况下可及时调整工作模式,使动力电池输出功率尽可能保持恒定或平滑,通过起动电池来满足系统峰值功率需求;

    (2)连接起动电池的Buck变换器始终处于工作状态,通过改变占空比控制起动电池输出电流的大小,使起动电池可根据负载需求快速补充电流;

    (3)通过比较两个电池的SOC,根据控制策略改变Iset的设置值,达到平衡两个电池SOC的目的,使两个电池电量基本同时放完。

    本设计充分发挥了两种电池的性能优势,通过控制对双电源输出功率进行管理和调配,保护了动力电池,延长其使用寿命,具有一定的实用价值。

参考文献

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[8] 郝晓红,钦建峰,王金都,等.新能源系统储能用铅酸电池使用寿命的影响因素分析[J].能源工程,2012(4):10-14.

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