一种电动汽车用的超级电容控制器

发布时间:2008/5/27 0:00:00 访问次数:937

作者：刘龙江白志峰曹秉刚

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dcdc变换器，其主回路拓扑结构如图2所示。

图2dc-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，dcdc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，dcdc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

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