電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力系統(tǒng)Bi-DCDC變流控制器電路設(shè)計(jì),電動(dòng)汽車,輔助,動(dòng)力,系統(tǒng),bi,dcdc,控制器,電路設(shè)計(jì) ……………………. ………………. ………………… 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 畢 業(yè) 論 文 電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力系統(tǒng)Bi-DC/DC變流控制器電路設(shè)計(jì) 院 部 機(jī)械與電子工程學(xué)院 專業(yè)班級電氣工程及其自動(dòng)化2班 屆 次 2015屆 學(xué)生姓名 李松 學(xué) 號 20110745 指導(dǎo)教師 王冉冉 二О一五年五月二十七日 裝 訂 線 ……………….……. …………. …………. ……… i 目 錄 摘要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.1.1 電動(dòng)汽車的歷史和發(fā)展 1 1.2 電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能材料和特性 3 1.2.1 蓄電池 4 1.2.2 超級電容 4 1.2.3 其他儲(chǔ)能方式及特性 6 1.3 論文研究方向 8 2 輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 2.1 輔助動(dòng)力系統(tǒng)的需求分析 8 2.1.1電動(dòng)汽車的運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo) 8 2.1.2蓄電池放電特性 9 2.2電動(dòng)汽車工作模式及其切換策略 10 2.2.1 電動(dòng)汽車、電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力系統(tǒng)、BI-DC/DC變流器設(shè)計(jì)要求 10 2.2.2 輔助系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì) 11 2.2.3 輔助動(dòng)力系統(tǒng)工作模式 12 2.2.4 工作模式的切換 14 2.3 電路圖解析 14 2.3.1 供電模式（boost） 15 2.3.2 能量回收模式（buck模式） 15 3 電路仿真 16 3.1 電路仿真實(shí)驗(yàn) 16 3.1.1 能量補(bǔ)償電路實(shí)驗(yàn) 16 3.1.2 能量回收電路實(shí)驗(yàn) 17 4 總 結(jié) 18 參考文獻(xiàn) 19 致 謝 20 ii Contents Abstract II 1 The introduction 1 1.1 The research background 1 1.1.1 The electric car of the history and development 1 1.2 Energy storage materials and characteristics of electric vehicles 4 1.2.1 battery 4 1.2.2 Super capacitor 4 1.2.3 Other energy storage methods and features 6 1.3 Thesis research direction 8 2 The design of auxiliary system 8 2.1 The demand of the auxiliary power system analysis 8 2.1.1The electric car movement performance index 8 2.1.2Battery discharge characteristics 9 2.2The electric car working mode and the switching strategy 10 2.2.1 Electric cars, electric cars, auxiliary power system, the BI - DC/DC converter design requirements 10 2.2.2 Auxiliary system control strategy design 11 2.2.3 Auxiliary power system work mode 12 2.2.4 Working mode switching 14 2.3 Circuit diagram analytical 14 2.3.1 Power supply mode（boost） 15 2.3.2 Energy recovery mode（buck） 15 3 Energy recovery mode 16 3.1 Circuit simulation 16 3.1.1 The energy compensation circuit experiment 16 3.1.2 Energy recovery circuit experiment 17 4 Total knot 18 reference 19 To thank 20 iv 電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力系統(tǒng) Bi-DC/DC變流控制器電路研究 李松 （山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院 泰安 271018） 摘要：本論文主要研究了電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力系統(tǒng)雙向DC/DC變流控制器的電路。論文由三章組成第一章主要介紹了電動(dòng)汽車的發(fā)展歷史、電動(dòng)汽車與內(nèi)燃機(jī)汽車的能效比較、常見電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能元件及這些元件的比較。第二章主要介紹了輔助動(dòng)力系統(tǒng)性能需求的分析、電動(dòng)汽車對動(dòng)力系統(tǒng) 輔助動(dòng)力系統(tǒng)的要求、電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力系統(tǒng)的接構(gòu)設(shè)計(jì)、輔助動(dòng)力系統(tǒng)的電路圖設(shè)計(jì)、輔助動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式介紹、輔助動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式切換策略、輔助動(dòng)力系統(tǒng)電路運(yùn)行在不同工作模式下工作基本原理的解析。第三章主要是對整個(gè)論文的總結(jié)。 關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 輔助動(dòng)力系統(tǒng) 雙向DC/DC 模式切換策略 The design of Bi-DC/DC converter for auxiliary power system application of electric vehicle SongLi (Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong 271018) Abstract This thesis mainly studies the electric car auxiliary power system Bi-DC/DC converter controller circuit.Paper consists of three chapters the first chapter mainly introduces the development history of electric vehicles, electric vehicles and the efficiency of internal combustion engine automobile compare common electric vehicles, energy storage components and the comparison of these components. The second chapter mainly introduces the performance requirements of auxiliary power system, electric vehicles for the requirement of auxiliary power system, electric power system auto auxiliary power system structure design, design the circuit diagram of auxiliary power system, the operation mode of the auxiliary power system, auxiliary power system is introduced in this paper the working mode switching circuit, auxiliary power system operation in different work basic principle of analytic work mode. The third chapter mainly summary of the whole paper. Keyword: electric vehicle;auxiliary power system;Bi-direction DC/DC;Mode-switching strategies III 1 緒論 1.1 研究背景 1.1.1 電動(dòng)汽車的歷史和發(fā)展 19世紀(jì)30年代到20世紀(jì)——電動(dòng)車的崛起 電動(dòng)汽車的歷史并不比內(nèi)燃機(jī)汽車短，它也是最古老的汽車之一，甚至比奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(柴油機(jī))和奔馳發(fā)動(dòng)機(jī)(汽油機(jī))還要早。蘇格蘭商人羅伯特-安德森在1832年到1839年之間(準(zhǔn)確時(shí)間不明)研發(fā)出電動(dòng)車. 1835年，荷蘭教授Si brandus Stratingh設(shè)計(jì)了一款小型電動(dòng)車，他的助手克里斯托弗-貝克則負(fù)責(zé)制造。但更具實(shí)用價(jià)值，更成功的電動(dòng)車由美國人托馬斯-達(dá)文波特和蘇格蘭人羅伯特-戴維森在1842年研制，他們首次使用了不可充電電池。 Gaston Plante于1865年在法國研發(fā)出性能更好的蓄電池，其同鄉(xiāng)卡米爾-福爾又在1881年對電池進(jìn)行了改進(jìn)，提高了電池容量，為電動(dòng)車的發(fā)展鋪平了道路。奧地利發(fā)明家Franz Kravogl在1867年的巴黎世界博覽會(huì)推出了一款雙輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車。法國和英國成為第一批支持發(fā)展電動(dòng)汽車發(fā)展的國家。1881年11月，法國發(fā)明家Gustave Trouve在巴黎舉行的國際電力博覽會(huì)上演示了三輪電動(dòng)車，托馬斯-帕克表示電動(dòng)車可在1884年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。 在內(nèi)燃機(jī)汽車興盛之前，電動(dòng)車就創(chuàng)造了許多速度和行駛距離的記錄。例如，Camille Jenatzy在1899年4月29日用自行研發(fā)的電動(dòng)車突破了100 km/h，創(chuàng)造了105.88 km/h的極速。1891年，A. L. Ryker研發(fā)出電動(dòng)三輪車，WilliamMorrison制造了六座電動(dòng)廂式客車，電動(dòng)車開始得到美國人的重視。19世紀(jì)90年代到20世紀(jì)初期，電動(dòng)車技術(shù)得到了高速發(fā)展，相對于內(nèi)燃機(jī)汽車的優(yōu)勢逐漸形成。 1897年，美國費(fèi)城電車公司研制的紐約電動(dòng)出租車實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車的商用化。20世紀(jì)初，安東尼電氣、貝克、底特律電氣 (安德森電動(dòng)車公司)、愛迪生、Studebaker和其它公司相繼推出電動(dòng)汽車，電動(dòng)車的銷量全面超越汽油動(dòng)力汽車。電動(dòng)車也逐漸成為上流社會(huì)喜好的城市用車，電動(dòng)車清潔、安靜，并且易于操控的特點(diǎn)，非常適合女性駕駛。由于當(dāng)時(shí)沒有晶體管技術(shù)，因此電動(dòng)車的性能也受到限制，這些早期的電動(dòng)車極速大約只有32 km/h。 在19世紀(jì)末20世紀(jì)初迎來經(jīng)濟(jì)繁榮的美國，人們的收入快速增長，汽車開始流行起來。1899年和1900年，電動(dòng)車銷量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它動(dòng)力的汽車。電動(dòng)汽車相比同時(shí)代的其它動(dòng)力汽車具有非常明顯的優(yōu)勢，它們沒有震動(dòng)，沒有難聞的廢氣，也沒有汽油機(jī)巨大的噪音。汽油機(jī)汽車需要換擋，令其操控起來比較繁雜，而電動(dòng)車不需要切換擋位。雖然蒸汽機(jī)汽車也不需要換擋，但卻需要長達(dá)45分鐘的漫長的預(yù)熱時(shí)間。并且蒸汽機(jī)汽車加一次水的續(xù)航里程，相比電動(dòng)車單次充電的續(xù)航里程更短。由于當(dāng)時(shí)只有城市中才擁有良好路面，大部分時(shí)候汽車都只能在本地使用，因此電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程短的問題并沒有成為阻礙其發(fā)展的原因。 相對于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車，電動(dòng)車不需要人力起動(dòng)和頻繁的換擋，成為大部分人的選擇。當(dāng)時(shí)的基本型電動(dòng)車售價(jià)在1000美元以下，但也發(fā)展出電動(dòng)豪華車，它們的外形被設(shè)計(jì)得非常華貴，擁有寬敞的座艙，座艙內(nèi)則用上價(jià)格不菲的高級材料。在1910年時(shí)，這類電動(dòng)豪華車的均價(jià)達(dá)到了3000美元。 電動(dòng)車最初因?yàn)槿狈Τ潆娕涮自O(shè)施而阻礙了發(fā)展，但是隨著電網(wǎng)的高速發(fā)展，到了1912年，很多美國家庭都已經(jīng)通電，從而能夠在家中完成充電。在世紀(jì)之交，有40%的美國汽車采用蒸汽機(jī)，38%的汽車采用電力驅(qū)動(dòng)，22%的汽車使用汽油動(dòng)力。美國的電動(dòng)車保有量達(dá)到33842輛，電動(dòng)車在19世紀(jì)20年代大獲成功，銷量在1912年達(dá)到了頂峰。 20世紀(jì)20年代到80年代——汽柴油機(jī)成為主流 電動(dòng)車在20世紀(jì)初迎來成功之后，很快又失去了成長的勢頭。從20世紀(jì)20年代開始，電動(dòng)汽車逐漸被內(nèi)燃機(jī)汽車替代，究其原因主要有四點(diǎn)。第一，美國在城市間建立起良好的公路網(wǎng)絡(luò)，需要汽車擁有更長的續(xù)航里程；第二，德克薩斯、俄克拉荷馬和加利福尼亞等大油田的發(fā)現(xiàn)，降低了汽油價(jià)格，令普通消費(fèi)者也能負(fù)擔(dān)燃油費(fèi)用；第三，Charles Kettering在1912年發(fā)明的電力起動(dòng)系統(tǒng)使得汽油機(jī)不再需要人力起動(dòng)；第四，Hiram Percy Maxim在1897發(fā)明的消聲器，大幅降低了內(nèi)燃機(jī)的噪音。而當(dāng)時(shí)的電動(dòng)車速度低，續(xù)航里程短，而內(nèi)燃機(jī)汽車的速度更快，續(xù)航里程更長，并且價(jià)格便宜許多。 偉大的亨利-福特開始在美國大批量生產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)汽車，并且售價(jià)平易近人，例如1915年時(shí)福特汽車的售價(jià)低至440美元(相當(dāng)于今天的9200美元)。與此相反，效率較低的電動(dòng)車卻價(jià)格昂貴，一款1912年的電動(dòng)雙座敞篷車售價(jià)1750美元(相當(dāng)于今天的3.9萬美元)。19世紀(jì)20年代，電動(dòng)車銷量迅速下滑，電動(dòng)汽車在10年后徹底消失。 20世紀(jì)末，隨著石油資源的緊缺危機(jī)、環(huán)境惡化和全球氣候變暖的嚴(yán)峻形勢下，電動(dòng)汽車有開始陸續(xù)出現(xiàn)在人們的視野之中。1996年,通用汽車(GM)的EVI車型率先投入市場,緊接著福特(Ford)的ThinkandRa飛e,本田(Honda)的EVplus,豐田(Toyota)的RAV4和尼桑(Nissan)AltraEv等車型紛紛面世。雖然目前電動(dòng)汽車還有很多技術(shù)上的缺點(diǎn)，但是從大形勢來看，電動(dòng)汽車的發(fā)張仍有非常重要的意義。 目前電動(dòng)汽車主要分為4類：混合電動(dòng)汽車(HybridElectrievehiele)、插電式混合電動(dòng)汽車(Plug一HEv)、蓄電池電動(dòng)(BatteryElectricvehicle)、燃料電池電動(dòng)汽車(FcEv)。現(xiàn)在最主流的電動(dòng)汽車多是混合動(dòng)力汽車這種形式。在2011年以后，以特斯拉為首的幾家公司，已經(jīng)開始生產(chǎn)以蓄電池來提供動(dòng)力的純電動(dòng)汽車（BVE）。 圖 1—1 汽車銷量示意圖 在能源利用效率上，電動(dòng)汽車也具有較大的優(yōu)勢。普通汽車的能量浪費(fèi)主要集中在，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速空轉(zhuǎn)、車體的顫抖、剎車片的摩擦。并且在化石燃料轉(zhuǎn)化為熱能，在轉(zhuǎn)化為機(jī)械能時(shí)，能量轉(zhuǎn)化比非常低，大量能量轉(zhuǎn)化為無用熱量。這就造成，一方面使得汽車增加很多冷卻設(shè)施，增加自重，帶來能量消耗;另一方面，也增加了維護(hù)成本。相反，電動(dòng)汽車，沒有怠速空轉(zhuǎn)，電池能量轉(zhuǎn)化效率高（現(xiàn)有技術(shù)可有達(dá)到80%），制動(dòng)時(shí)還可以能量回收。若以現(xiàn)在電廠化石燃料發(fā)電效率、電網(wǎng)輸配電效率、充電樁充電效率的能量傳遞流程來看，電動(dòng)汽車的能量利用效率還是優(yōu)于普通汽車。并且日后，發(fā)電已經(jīng)趨向于環(huán)保方式，電動(dòng)汽車在環(huán)境保護(hù)，能量利用方面的優(yōu)勢將越來越大。 圖1—2 電動(dòng)汽車和普通汽車在能量效率方面的綜合比較 1.2 電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能材料和特性 相比較普通汽車而言，電動(dòng)汽車的核心不是發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力設(shè)備，而是儲(chǔ)能設(shè)備。儲(chǔ)能設(shè)備的優(yōu)劣，技術(shù)的先進(jìn)程度，直接影響電動(dòng)汽車的整體性能。目前對于儲(chǔ)能設(shè)備的要求，主要表現(xiàn)在動(dòng)力、里程、安全性、生產(chǎn)維護(hù)方面。(1)比能量大,相同重量時(shí)存儲(chǔ)能量多,一次充電行駛里程長;(2)比功率大,汽車加減速動(dòng)態(tài)性能好;(3)工作壽命長;(4)安全可靠性高;(5)生產(chǎn)及維護(hù)成本低廉;(6)充電方便快捷,效率高。目前,作為電動(dòng)汽車電源的車載儲(chǔ)能單元主要有動(dòng)力蓄電池、超級電容、飛輪、燃料電池等。下面對各種車載儲(chǔ)能的特性逐一作下簡單介紹。 1.2.1 蓄電池 目前市面上的蓄電池主要有一下幾種：鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、氫電池、鋰電池。每種電池都有各自的優(yōu)勢跟缺點(diǎn)。以最為普通的鉛酸電池為例，鉛酸電池具有技術(shù)成熟安全可靠、成產(chǎn)維護(hù)成本低的優(yōu)勢，又以其型號多種多樣而比較好移植見長。但是其缺點(diǎn)也非常明顯，重量大、比功率低、性能受環(huán)境溫度影響較大、充電速度慢、生產(chǎn)伴隨有高污染物鉛 酸、廢棄后處理難。雖然鎳鎘、鎳氫、鋰電池儲(chǔ)能大、但是較高的生產(chǎn)成本，使其很難應(yīng)用于大型的設(shè)備上。并且鎳鎘電池有毒，鎳氫電池的易爆問題沒有較好的解決辦法。下圖為各種蓄電池的性能比較： 表 1—1 各類蓄電池性能比較 電池類型 比能量wh/kg 比功率W/KG 充/放電次數(shù) 環(huán)保性 成本 鉛酸蓄電池 35～50 150～400 500～1000 有毒、要回收 低 鎳/鋅蓄電池 55～75 170～260 300 毒性較低 較高 鎳/鎘蓄電池 50～60 80～150 800次左右 劇毒、要回收 較高 鎳氫電池 70～95 200～300 1000次左右 綠色環(huán)保 高 鋰電池 80～130 200～300 1200次左右 毒性較低 高 1.2.2 超級電容[3] 超級電容器（Supercapacitors，ultracapacitor），又名電化學(xué)電容器(Electrochemical Capacitors)，雙電層電容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、黃金電容、法拉電容，是從上世紀(jì)七、八十年代發(fā)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能的一種電化學(xué)元件。它不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲(chǔ)存電能。但在其儲(chǔ)能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過程是可逆的，也正因?yàn)榇顺夒娙萜骺梢苑磸?fù)充放電數(shù)十萬次。其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。 突出優(yōu)點(diǎn)是功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬，是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種。 根據(jù)儲(chǔ)能機(jī)理的不同可以分為以下兩類： 雙電層電容：是在電極/溶液界面通過電子或離子的定向排列造成電荷的對峙而產(chǎn)生的。對一個(gè)電極/溶液體系，會(huì)在電子導(dǎo)電的電極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)溶液界面上形成雙電層。當(dāng)在兩個(gè)電極上施加電場后，溶液中的陰、陽離子分別向正、負(fù)電極遷移，在電極表面形成雙電層；撤消電場后，電極上的正負(fù)電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩(wěn)定，在正負(fù)極間產(chǎn)生相對穩(wěn)定的電位差。這時(shí)對某一電極而言，會(huì)在一定距離內(nèi)(分散層)產(chǎn)生與電極上的電荷等量的異性離子電荷，使其保持電中性；當(dāng)將兩極與外電路連通時(shí)，電極上的電荷遷移而在外電路中產(chǎn)生電流，溶液中的離子遷移到溶液中呈電中性，這便是雙電層電容的充放電原理。 法拉第準(zhǔn)電容：其理論模型是由Conway首先提出，是在電極表面和近表面或體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸脫附和氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。對于法拉第準(zhǔn)電容，其儲(chǔ)存電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲(chǔ)，而且包括電解液離子與電極活性物質(zhì)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。當(dāng)電解液中的離子(如H+、OH-、K+或Li+)在外加電場的作用下由溶液中擴(kuò)散到電極/溶液界面時(shí)，會(huì)通過界面上的氧化還原反應(yīng)而進(jìn)入到電極表面活性氧化物的體相中，從而使得大量的電荷被存儲(chǔ)在電極中。放電時(shí)，這些進(jìn)入氧化物中的離子又會(huì)通過以上氧化還原反應(yīng)的逆反應(yīng)重新返回到電解液中，同時(shí)所存儲(chǔ)的電荷通過外電路而釋放出來，這就是法拉第準(zhǔn)電容的充放電機(jī)理。 優(yōu)點(diǎn) （1）很小的體積下達(dá)到法拉級的電容量； （2）無須特別的充電電路和控制放電電路； （3）和電池相比過充、過放都不對其壽命構(gòu)成負(fù)面影響； （4）從環(huán)保的角度考慮，它是一種綠色能源； （5）器可焊接，因而不存在像電池接觸不牢固等問題； 缺點(diǎn) （1）不當(dāng)會(huì)造成電解質(zhì)泄漏等現(xiàn)象； （2）和鋁電解電容器相比，它內(nèi)阻較大，因而不可以用于交流電路； 圖 1—3 超級電容機(jī)構(gòu)示意圖 突出特點(diǎn) （1）充電速度快，充電10秒～10分鐘可達(dá)到其額定容量的95%以上； （2）循環(huán)使用壽命長，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)1~50萬次，沒有“記憶效應(yīng)”； （3）大電流放電能力超強(qiáng)，能量轉(zhuǎn)換效率高，過程損失小，大電流能量循環(huán)效率≥90%； （4）功率密度高，可達(dá)300W/KG~5000W/KG，相當(dāng)于電池的5~10倍； （5）產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源； （6）充放電線路簡單，無需充電電池那樣的充電電路，安全系數(shù)高，長期使用免維護(hù)； （7）超低溫特性好，溫度范圍寬-40℃～+70℃； （8）檢測方便，剩余電量可直接讀出； （9）容量范圍通常0.1F--1000F ； 1.2.3 其他儲(chǔ)能方式及特性 (1)飛輪 飛輪儲(chǔ)能是利用飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)能儲(chǔ)存動(dòng)能的特性制成的。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力冗余時(shí)，將能量傳遞給飛輪，借助飛輪暫存能量，在發(fā)動(dòng)機(jī)需要時(shí)，在由飛輪帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)一起運(yùn)動(dòng)，將能量釋放。飛輪結(jié)構(gòu)如下: 圖 1—4 飛輪結(jié)構(gòu)示意圖 飛輪具有比功率大的特點(diǎn)，充放電沒有次數(shù)限制，且沒有污染。但由動(dòng)能公式E=1/2*J^2（J為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度）知，飛輪存儲(chǔ)容量大小由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與角速度決定，而質(zhì)量跟半徑?jīng)Q定了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小。直徑越大，速度越快，質(zhì)量越高，所受到的離心力就越大。所以如果飛輪過大就會(huì)因離心力超過飛輪材料耐受程度而發(fā)生破碎，造成安全事故。所以飛輪儲(chǔ)能受限于最大存儲(chǔ)能量，比能量較低。 （2）燃料電池 燃料電池是將反應(yīng)物(如氫氣等)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。其最基本的結(jié)構(gòu)由電解質(zhì)以及連接到電解質(zhì)兩側(cè)的多孔滲水陰極與陽極組成。如 圖 1—5 燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖 圖所示為燃料電池的基本工作原理。在燃料電池中,反應(yīng)物連續(xù)不斷地流向陽極(負(fù)電極),而氧氣則連續(xù)地流向陰極(正電極),在電極表面催化物的作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。帶電的離子通過電解質(zhì)從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一極,電子則通過外電路實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移,形成電流供給負(fù)載。燃料電池從外表上看有正、負(fù)極和電解質(zhì),如同一個(gè)蓄電池,但實(shí)質(zhì)上它不能“儲(chǔ)電”而是一個(gè)“發(fā)電廠”,只要一直提供燃料就能源源不斷地產(chǎn)生電能,因此作為車載電源可以提升電動(dòng)汽車行駛里程。此外,燃料電池還具有發(fā)電效率高,環(huán)境污染小,噪音低,模塊化強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是燃料電池作為車載電源的缺點(diǎn)有價(jià)格偏高,體積偏大,尤其是動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢,嚴(yán)重影響電動(dòng)汽車的加減速動(dòng)力性能,在某些特殊情況下,如電動(dòng)汽車負(fù)載快速加載,可能因?yàn)槎虝r(shí)間內(nèi)電池堆中反應(yīng)物耗盡而使得負(fù)載掉電,不能滿足電動(dòng)汽車的負(fù)載供電需求。 各種儲(chǔ)能方式特性以圖方式概括為下： 圖 1—6 各種儲(chǔ)能方式特性示意圖 1.3 論文研究方向 本文研究方向是電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力系統(tǒng)的電路圖設(shè)計(jì)及工作模式切換策略。從電動(dòng)汽車的性能需要來分析，我們需要做一個(gè)輔助動(dòng)力系統(tǒng)，該動(dòng)力系統(tǒng)主要完成動(dòng)力補(bǔ)償和回收制動(dòng)能量。在此我們只涉及電路結(jié)構(gòu)及其可行性分析，以及輔助動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式，及其切換策略。 2 輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.1 輔助動(dòng)力系統(tǒng)的需求分析 2.1.1電動(dòng)汽車的運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo) （1） 最大行駛里程 汽車的最大形式里程與汽車電源的儲(chǔ)能能力有關(guān)，根據(jù)有關(guān)調(diào)查顯示目前，最好的電池也僅能支持汽車行駛100-200km。并且不可無限制的擴(kuò)大電池的安裝數(shù)量。單位重量的電池相比化石燃料而言其在所蘊(yùn)含的能量差距非常大。即使考慮到，發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換比較低，但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，化石燃料所提供的能量仍遠(yuǎn)大于電池。所以通過增加電池?cái)?shù)量來增大最大里程的方式，是不科學(xué)的，也是自相矛盾的。所以只能考研究更好的能量存儲(chǔ)方法來改善。 （2） 最高車速 汽車在道路上行駛，達(dá)到勻速行駛的條件是，牽引力等于汽車行駛阻力。當(dāng)電動(dòng)汽車的電機(jī)達(dá)到最大功率后，牽引力達(dá)到最大值，此時(shí)空氣等各方面阻力等于牽引力。所以汽車的最高行駛速度是由汽車的電源的額定功率。 （3） 汽車加速性能 汽車的加速度由公式F=m*a。其中F為汽車收到的牽引力與阻力的合力。M為汽車重量。A為加速度。所以當(dāng)質(zhì)量不變時(shí)，增加合力F大小就可以增大加速度。汽車行駛過程中阻力主要來源于空氣阻力，而空氣阻力跟汽車的速度有關(guān)。在加速的一瞬間，阻力可以視為恒力。所以只要怎加功率即可增大加速度。但此時(shí)的功率指的是汽車所能提供的峰值功率，不是額定功率。這就要考驗(yàn)汽車供能器件的功率輸出能力。 綜合以上的敘述，我們可以得出結(jié)論汽車對車載能源系統(tǒng)的要求是，比能量高，比功率高，瞬時(shí)放電功率大。 2.1.2蓄電池放電特性 圖 2—1 蓄電池放電端電壓性能圖 圖 2—2 蓄電池充放電深度性能 從上圖可以看出，電池端電壓與放電倍率的關(guān)系，如果放電倍率大于1c那么端電壓在一小時(shí)的放電過程中有明顯的下降，這就說明，如果在汽車加速或者爬坡過程中，由蓄電池直接供電，那么峰值功率下，蓄電池兩端的電壓會(huì)明顯下降。這對于汽車的整體運(yùn)行性能來說是巨大的破壞。并且隨著蓄電池充放電次數(shù)的增加，蓄電池的放電深度會(huì)有明顯的下降。這就導(dǎo)致電池的壽命減短，汽車需要頻繁的更換車載儲(chǔ)能電池。這對于汽車的生產(chǎn)，平時(shí)的保養(yǎng)來說是巨大的困難。經(jīng)濟(jì)上，環(huán)境上來說都不是可行之計(jì)。這就需要我們能夠找到一種在頻繁充放電、峰值功率功能方面表現(xiàn)優(yōu)秀的儲(chǔ)能元件來取代蓄電池。根據(jù)前面我們對各種儲(chǔ)能元件的分析，我們可以看出，飛輪儲(chǔ)能受自身限制較為嚴(yán)重，極低的能量與質(zhì)量比，使得他無法應(yīng)用在電動(dòng)汽車上。而超級電容就可以很好解決這些問題。前面的數(shù)據(jù)顯示超級電容的輸出電流，輸出功率均能滿足要求。所以，動(dòng)力輔助系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件由超級電容組成。 2.2電動(dòng)汽車工作模式及其切換策略 2.2.1 電動(dòng)汽車、電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力系統(tǒng)、BI-DC/DC變流器設(shè)計(jì)要求 電動(dòng)汽車、電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力系統(tǒng)、BI-DC/DC變流器設(shè)計(jì)要求如表： 表 2—1 電動(dòng)汽車、電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力系統(tǒng)、BI-DC/DC變流器設(shè)計(jì)要求 電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)要求 電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 Bi-DC/DC變流器設(shè)計(jì)要求 良好的動(dòng)力性能 高的瞬時(shí)功率 大功率、良好的動(dòng)態(tài)性能 適應(yīng)多變的加減速要求 效率高 不同工作模式下效率高 汽車內(nèi)部空間有限 體積小、高功率密度 體積小、高功率密度 實(shí)現(xiàn)能量高效率回收 可實(shí)現(xiàn)高效率能量回收 能量雙向流動(dòng)、效率高 整車的智能化控制 高效的與汽車總控制上位機(jī)通訊 CAN通訊協(xié)議和硬件接口 安全、可靠和耐用 安全、可靠和耐用 安全、可靠和耐用 合理的價(jià)格 合理的價(jià)格 合理的價(jià)格 基于這些要求目前輔助系統(tǒng)的有三種結(jié)構(gòu)： 圖 2—3 輔助動(dòng)力系統(tǒng)常見的結(jié)構(gòu) 方式一雖然結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是由于超級電容的利用率很低，所有不實(shí)用。方式三雖然對于電路的控制到位，但是有與需要兩套設(shè)備，且兩套折本間的配合處理較為復(fù)雜，所以在經(jīng)濟(jì)方面不是很有效益。所以本文選取方式二來設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)。由于超級電容的一般工作電壓在25v到50v，出于安全考慮，電壓不能太高，但是由于蓄電池給電機(jī)供電時(shí)的端電壓要高此值(75v)，所以要求，在超級電容輸出時(shí)要對電壓進(jìn)行升壓變換，能量回收要進(jìn)行降壓處理。最終我對于這要求的電路設(shè)計(jì)如圖： 圖 2—4 輔助電路的設(shè)計(jì) 2.2.2 輔助系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì) 電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力系統(tǒng)主要用在，汽車快速加速及爬坡和汽車下坡及減速階段。在汽車的快速加速階段及爬坡階段。所以超級電容在這個(gè)階段的作用主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面，在汽車快速加速、爬坡階段，為了保持電池能工作在最優(yōu)的電流值，所以需要超級電容來補(bǔ)償蓄電池不能提供的功率。另一方面，在汽車下坡及減速時(shí)，蓄電池不需要提供能量，而這個(gè)時(shí)候汽車減速必將導(dǎo)致動(dòng)能的下降。如果動(dòng)能不能回收，則動(dòng)能只能轉(zhuǎn)化為熱能。這樣就造成了能量的浪費(fèi)，如果將這部分能量回收，就能最大程度的減少浪費(fèi)，間接地減輕蓄電池的負(fù)擔(dān)。但是在減速時(shí)，由于制動(dòng)造成的電流過大，如果直接用來給蓄電池充電，會(huì)造成蓄電池壽命的縮短。如果能將反饋的能量給傳輸給超級電容，則可以順利將這部分能量回收再利用。所動(dòng)力以輔助系統(tǒng)可以對能量起到削峰平谷的作用。過程如圖所示： 圖 2—5 電動(dòng)汽車能量補(bǔ)償和能量回收示意圖 2.2.3 輔助動(dòng)力系統(tǒng)工作模式 電動(dòng)汽車在工作時(shí)有三種不同的工作的模式：睡眠模式、供電模式（boost）、回收能量模式（buck）。 在汽車勻速行駛時(shí)，輔助動(dòng)力系統(tǒng)工作在睡眠模式，既不向復(fù)核供電也不從負(fù)荷那里吸收能量。此時(shí)的能量由蓄電池單獨(dú)供應(yīng)。 在汽車的負(fù)荷增加時(shí)（如汽車起步、加速、爬坡時(shí)），蓄電池需要大電流來供電，以保證汽車的運(yùn)行。但是由于蓄電池的最優(yōu)放電電流，所以在蓄電池放電流大于一定值以后就會(huì)由輔助系統(tǒng)補(bǔ)償供電，以限制電池電流低于最優(yōu)放電電流。 在汽車的負(fù)荷減少時(shí)（如汽車制動(dòng)、下坡時(shí)），汽車電動(dòng)機(jī)會(huì)反向向電池供電。此時(shí)為了保護(hù)蓄電池，則需要輔助系統(tǒng)來將這部分的能量來回收。以備將來再次利用。 同時(shí)，在輔助系統(tǒng)中，超級電容低于某一值，則無法向外補(bǔ)償能量供應(yīng)。此時(shí)需要蓄電池需要向輔助系統(tǒng)供電，積蓄能量，以備峰值功率時(shí)，電動(dòng)汽車能有效運(yùn)行過程如圖： 圖 2—6 工作模式示意圖 2.2.4 工作模式的切換 圖 2—7 工作模式切換示意圖 2.3 電路圖解析 根據(jù)圖來分析不同工作模式下電路的結(jié)構(gòu)，及電路的工作方式。 電容通多L1、L2兩個(gè)電感分別供電，并且，兩路電路完全相同。所以我們僅分析一路就可以。下面只分析L1、S1、S2路。 圖 2—8 超級電容等效電路 2.3.1 供電模式（boost）： 供電模式下，電容向電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)供電。此時(shí)電路等效為 圖 2—9 boost模式電路等效圖 當(dāng)在此模式時(shí)，L、S1、D2工作。則電路即為升壓斬波電路。 Iload=Iout+Ib。假設(shè)Ib的最大值設(shè)定為Ib_max,當(dāng)檢測到Ib>Ib_max時(shí)，既可以進(jìn)行補(bǔ)償供電。工作原理：圖中S1位MOSFET全控器件，D2為二極管。先假設(shè)電感L很大，電容C0很大，以便于分析電路原理。當(dāng)S1 導(dǎo)通時(shí)，電容向電感充電，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，電感電流基本穩(wěn)定在I1，同時(shí)電容C0向負(fù)載供電。由于電容值很大，所以可視電容兩端的電壓不變?yōu)閂bat。設(shè)S1的導(dǎo)通時(shí)間為Ton，此階段電感L上積蓄的能量為Vsc*I1*Ton。當(dāng)S1 關(guān)斷時(shí)，電感L、超級電容Esc通過二極管D2向電容C0、及負(fù)載Rbat供電。設(shè)S1處于斷態(tài)的時(shí)間為Toff，則在此期間電感釋放的能量為（Vbat-Vsc）*I1*T。當(dāng)電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)電感吸收的能量與放出的能量相同。即可得等式Vsc*I1*Ton=（Vbat-Vsc）*I1*Toff。對等式進(jìn)行處理后，可得Vbat=（Ton+Toff）*Vsc/Toff。所以得出結(jié)論輸出的電壓大于電容器電壓，所以這可以將電容器內(nèi)的能量傳輸?shù)截?fù)載兩端補(bǔ)償蓄電池供電，以限制蓄電池兩端的電流在限制值以下。而且電容器兩端的電壓僅取決于占空比。以上電路的兩個(gè)關(guān)鍵是，電感跟電容。電感儲(chǔ)能后對電壓具有泵升的作用，從而可以將低電壓的電容器內(nèi)能量送到高電壓的負(fù)載兩端，只需要對開關(guān)器件進(jìn)行控制既可以得到合適的電壓波形。電容主要是穩(wěn)定輸出電壓為Vbat。由于電容器不可能為無窮大，所以輸出端的電壓仍會(huì)波動(dòng)，但由于電容的緩沖作用，波動(dòng)幅度較緩，只要器件選取合適，可以保證波形滿足要求。 2.3.2 能量回收模式（buck模式） 此模式下，是器件L、D1、S2，工作。等效的電路圖可以視為降壓斬波電路。此時(shí)的能量流向則是，從負(fù)載即電機(jī)向電容Esc。當(dāng)S2導(dǎo)通時(shí)，電流通過S2向電容Sc、電感L充電。這時(shí)，流經(jīng)電感的電流程指數(shù)型的方式增加，這段時(shí)間記為Ton，此時(shí)V1即為Vbat。然后S2關(guān)斷由于電感的存在仍有加在電容兩端的電動(dòng)勢，電路中提供了D1的續(xù)流回路，所以存在I1<0（即有電流流向電容器）。當(dāng)電感足夠大時(shí)，電感中的電流不會(huì)斷流，那么就可以根據(jù)電路運(yùn)行情況確定，加在電容器兩端的電壓，及Vc=Ton*Vbat/（Ton+Toff）。即在電容兩端的電壓平均值。且可知電壓平均值僅有占空比確定。 還可以用運(yùn)算法進(jìn)一步確定此時(shí)的電流。 圖 2—10 buck模式電路等效圖 3 電路仿真 3.1 電路仿真實(shí)驗(yàn) 3.1.1 能量補(bǔ)償電路實(shí)驗(yàn) 圖 3—1 能量補(bǔ)償模式仿真電路圖 圖 3—2 能量補(bǔ)償模式仿真電路圖波形 3.1.2 能量回收電路實(shí)驗(yàn) 圖 3—3 能量回收模式仿真電路圖 圖 3—4 能量回收模式仿真電路波形圖 圖 3—5 能量回收模式仿真電路波形圖 4 總 結(jié) 本文的主要目標(biāo)設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。其核心是Bi一DC變流器的控制方法和不同工作模式切換策略。首先根據(jù)電動(dòng)汽車的需求分析了電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力系統(tǒng)的需求,具體設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能:主要包括動(dòng)力補(bǔ)償和再生制動(dòng)能量回收兩方面功能,并提出了電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力系統(tǒng)整體工作模式切換策略,以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力補(bǔ)償、能量回收兩種功能的有效工作和平滑切換。 然后對電路的可行性進(jìn)行了分析與論證，介紹了其工作原理。電路主要有兩部分組成，一部分是用于動(dòng)力補(bǔ)償?shù)腷oost電路部分，通過升壓控制，實(shí)現(xiàn)對能量的輸出。另一部分為能量回收的buck電路部分，通過降壓控制，實(shí)現(xiàn)能量的回收利用。兩個(gè)電路有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組合，成為一個(gè)電路。使得控制更易于實(shí)現(xiàn)。 電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用,意義在于它將電動(dòng)汽車車載電源的比能量和比功率的 要求區(qū)分開來,蓄電池的設(shè)計(jì)上主要集中在提高比能量和增強(qiáng)安全性、可靠性,不必再為了提高瞬時(shí)充、放電電流而一味地提高蓄電池容量,增加體積、重量和成本;電動(dòng)汽輔助動(dòng)力系統(tǒng)則利用超級電容的高比功率特性和具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的Bi一DC/DC變流器及其控制、切換策略來實(shí)現(xiàn)提升電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)性能、節(jié)能、延長蓄電池使用壽命等功能。總之,電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力系統(tǒng)增強(qiáng)了電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性,有著廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。 由于時(shí)間關(guān)系，本文的研究工作有限，還需要進(jìn)一步研究的方面有： （1）如何通過pwm實(shí)現(xiàn)對電路開關(guān)器件的控制，主要包括根據(jù)控制原理畫出控制流程圖，設(shè)計(jì)相關(guān)的程序。 （2）根據(jù)計(jì)算算出pwm控制時(shí)的控制參數(shù)，作出系統(tǒng)的仿真，并對其進(jìn)行 真實(shí)驗(yàn)。 參考文獻(xiàn) [1]李貴遠(yuǎn)，陳勇.動(dòng)力電池與超級電容混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué) 報(bào).2007(1)101-105. 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