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。
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。
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。
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。
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：
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。
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。
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。
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。
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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[2] 许晓雄，邱志军，官亦标，等.全固态锂电池技术的研究现状与展望[J].储能科学与技术，2013(4)：331-341.
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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.
作者信息：
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）
