一种电动汽车用的超级电容控制器 |
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一种电动汽车用的超级电容控制器 刘龙江，白志峰，曹秉刚 （西安交通大学，陕西西安710049）
1引言
再生制动在电动汽车的能量回收中占有突出的地位，在电动汽车的能量管理系统中，要求能尽可能多的利用再生制动回馈的能量。通常多采用向蓄电池充电来吸收再生制动回馈的能量[1]，其缺点是蓄电池难以实现短时间大功率充电且充放电循环次数有限，成本高。超级电容器是1种介于电池和静电电容器之间的储能元件，具有比静电电容器高得多的能量密度和比电池高得多的功率密度，适合用作短时间功率输出源[2]，它具有诸如比功率（单位质量或体积输出的功率）高、比能量（单位质量或体积输出的电量）大、1次储能多等优点，因此能大大提高电动汽车的1次续驶里程数并能在汽车启动、加速和爬坡时有效改善电动汽车的运动特性。另外，在电动车上使用超级电容器后能够平滑动力电池的充放电电流，动力电池的使用寿命亦可有较大延长，甚至可延长1.5倍。据此，文中提出1种利用超级电容器作为电动汽车储能装置，以期寻求获得高水平的能量回收的方法，并对超级电容器的控制器的设计作了简要的介绍。
2系统概述
2.1再生制动实验方案设计
再生制动是将车辆的动能依靠电机的发电机储存在电动汽车的储能装置中重新加以回收利用。实验中采用了国内生产的1台永磁直流电机（18kW/288V）和两只并联的超级电容器（350V/0.7F/400A，400V/0.58F/400A），设计了1种小功率斩波器(DC/DC变换器)对超级电容器的充放电进行控制。再生制动控制系统实验台示意简图见图1所示。图中，交流电源通过AC/DC整流为直流电，是实验中的动力源，实际上，它就相当于电动汽车的主电源——动力电池，负责拖动电机并在必要时向超级电容器充电。图1 再生制动控制系统实验台的示意图
电动汽车的驱动电机应具有宽的调速范围和高的转速，足够大的启动扭矩，效率高且有动态制动强和能量回馈的性能。永磁直流电机用作驱动电机具有这种特点且其驱动控制系统比较简单。斩波器(DC/DC变换器)是直流电源和负载之间的一个周期性通断的开关控制装置，它的作用是改变供给电机或超级电容器的电压，实际上是作为1个电压调节系统而工作。由于采用斩去输入电压而变成在时间上断续的脉冲输出，这类调节器因此而得名，可用晶闸管、GTO、GTR或IGBT等功率半导体器件作为电子开关。在上述实验方案中，超级电容器和直流电机分别依次作为直流电源或负载使用。电动汽车在起动、加速和恒速运行时，超级电容器放电,供给电机电能,电机处在电动状态，实现电能到机械能的变换，驱动车辆前进。当电动汽车减速时，要求直流电机处在发电制动状态，即处于再生制动状态，给作为电源的储能装置超级电容器充电，实现机械能到电能的转换，实现再生能量回收。
2.2DC-DC主回路设计
为了实现上述控制要求,设计了1种双向升、降压变换的DCDC变换器，其主回路拓扑结构如图2所示。 图2 DC-DC变换器主回路的拓扑结构
控制方案如下所述：
（1）电动升压
Smdw完全导通，Smup斩波；Sbdw、Sbup关断。超级电容器此时工作在放电方式下，其电压大于负载（电动机）要求的额定电压，DCDC变换器只能进行电动升压变换，向负载提供电能。
(2)电动降压
Smup完全截止，Smdw斩波；Sbdw、Sbup关断。超级电容器此时工作在放电方式下，其电压小于负载（电动机）要求的额定电压，DCDC变换器只能进行电动降压变换，向负载提供电能。
（3）电动直输
Smup完全截止，Smdw完全导通；Sbdw、Sbup关断。超级电容器此时工作在放电方式下，其电压约等于负载（电动机）要求的额定电压，DCDC变换器不进行升、降压变换，由超级电容器输入的电压直接输出给负载（电动机）。
（4）制动升压
Sbdw完全导通，Sbup斩波；Smdw，Smup关断。超级电容器此时工作在充电方式下，其要求的额定电压大于负载（电动机）供给的电压，DCDC变换器只能进行制动升压变换，向超级电容器提供电能。
（5）制动降压
Sbup完全截止，Sbdw斩波；Smdw，Smup关断。超级电容器此时工作在充电方式下，其要求的额定电压小于负载（电动机）供给的电压，DCDC变换器只能进行制动降压变换，向超级电容器提供电能。
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（6）制动直输
Sbup完全截止，Sbdw完全导通；Smdw，Smup关断。超级电容器此时工作在放电方式下，其要求的额定电压约等于负载（电动机）供给的电压，DC-DC变换器不进行升、降压变换，由负载（电动机）供给的输入电压直接输出给超级电容器。
3 DC-DC控制器的设计
3.1基于CAN总线的DC-DC控制器及CAN总线的特点
电动汽车能量管理系统需检测和交换大量数据，采用硬接信号线的方式难以解决问题，且成本较高，采用CAN总线来实现其内部的数据通信则是1种有效的方法。设计的电动汽车超级电容控制器是基于CAN总线的全分布式控制系统。
CAN（ControllerAreaNetwork）总线是德国Bosch公司为汽车监测、控制系统而设计的，具有卓越的性能和高可靠性，可以以多主方式工作，能使系统的各模块实现多主通信，在多主方式工作下，网络上任1节点均可在任意时刻主动向其他节点发送信息，不分主从，通信方式灵活。CAN网络上的节点信息分为不同的优先级，可满足不同的实时要求。CAN协议的最大特点是打破了传统的节点地址编码方式，而是对通信数据块进行编码，这种方法可使不同的节点同时接收到相同的数据，可定义211或229个不同的数据类型，网络容量巨大，同时，避免发生总线“冲突”[3]。
3.2DC-DC控制器硬件系统设计
根据双向升、降压DC-DC变换器的控制方案，本文研发的基于CAN总线的DC-DC控制器实质上就是1个CAN节点。其硬件原理如图3所示。主要功能模块有以下几种。
图3 DC-DC控制器硬件原理图
（1）测量和控制模块
CPU采用80C196KC单片机。电压、电流信号经传感器、信号调理电路整定至适合单片机A/D转换器采集的信号。主要是对电动汽车的加、减速状态，主回路电压、电流及超级电容的电压、电流等信号进行测量及故障监测。
（2）存储信息模块
扩展EPROM32K×8位的紫外线擦除电可编程的只读存储器27256。
（3）信号输出模块
本系统要求输出4路PWM波形。采用可编程逻辑器件GAL16V8与80C196KC的PWM口直接连接，实现4路PWM输出，分时控制主回路的4个IGBT管的开关占空比，进行电压调节。
（4）通信接口模块
控制器扩展的通信接口是CAN总线接口，CAN总线接口扩展采用CAN通信控制器SJA1000＋高速光耦6N137＋CAN总线收发器82C250电路，并可通过MAX232电路与主计算机的RS232C串行口连接，实现主计算机与控制器的双向通信，其电路原理如图4所示。另外，由于以上介绍的CAN总线特点，在CAN网络中可方便地增加或减少CAN节点，任1节点均可在任意时刻主动向其他节点发送信息，不分主从，实现多主通信，这样就能把能量管理系统中的多个控制单元变成网络接点，构成1个网络集成式全分布式控制系统。 图4 CAN总线接口电路原理图
3.3软件设计[4]
系统软件的功能是对电动汽车的运行状态进行判断。若汽车油门踏板踩下，则超级电容器工作在放电方式，调电动升、降压子程序；若汽车刹车踏板踩下，则超级电容器工作在充电方式，调制动升、降压子程序。
为了便于软件的编写和调试、控制算法的改变和分析使用，软件采用了模块化结构。系统软件由主程序、子程序、中断服务程序组成，其主程序及中断服务程序软件框图如图5、图6、图7所示。初始化中应设初始值及设定全局变量、初始化各中断服务程序用到的中断向量，并设置软件结构，重置优先级顺序。A/D采样中断服务程序利用80C196KC的高速输出器HSO的CAM锁定位，定时启动ACH0通道。中断服务程序4中使用了80C196KC的高速输入器HIS记录某一外部事件发生的时间，用于判断油门踏板和刹车踏板信号，仅用几个判断语句就可完成功能描述，使得程序的编写非常简明。
4结论
在电动汽车再生制动实验研究中，由于超级电容控制器的使用，使得超级电容器的储能能力得到充分利用，对实现高水平的能量回收意义很大。本系统的软硬件采用了模块化设计，通用性较好、灵活性强，不仅可以实现DCDC变换的功能，而且可作为开发平台，便于扩展,能够应用于多种控制器的设计，有着较为广泛的应用前景，是1个开放式的分布式控制系统。 电子元器件应用
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