电动车混合电源系统设计

董　昭，张玮玮

(安阳工学院，河南安阳455000)



电动车混合电源系统设计

董昭*，张玮玮

(安阳工学院，河南安阳455000)

摘要:设计了一种用于电动车的混合电源系统。该系统以蓄电池为主电源，采用具有双电层结构的超级电容器为辅助能源。利用单片机控制电动车在不同状态选择不同电源进行供电。以200 kg的人与车沿着仰角为30°，落差为6 m的坡度行驶进行实验，可增加130 m的行驶距离。这表明该混合电源有效地增加了电动车的行驶里程，同时可延长蓄电池的使用寿命，具有很大的现实推广意义。

关键词:单片机;电动车;混合电源系统;超级电容器;蓄电池;

电动车电源多采用蓄电池，但其存在着使用寿命短、造价高昂等弱点。超级电容器是物理电容与电化学电池的综合体，兼有二者的优点，其优异的特性为解决电动车传统电源的固有问题提供了一条有效途径［1－3］。

1　混合电源系统设计方案

总体方案设计如图1所示。蓄电池与超级电容器组成混合电源系统，主电路受单片机控制，因处于不同状态而分别给直流电机供电［4］。当重力传感器检测电动自行车处于爬坡或下坡状态，其内部两个电容发生变化，电压信号经单片机转化为控制信号，使得超级电容器给电机供电或由电机对超级电容器进行电能回馈充电;当光电编码器检测到加速或制动时，单位时间内脉冲信号个数发生变化，经单片机转化为控制信号，使得超级电容器给电机供电或由电机对超级电容器进行电能回馈充电。电动自行车处于匀速运行时，由蓄电池给电动机供电。

图1　混合电源系统总体方案设计图

1.1充电器部分

本文采用全桥移相高功率因数开关电源作为充电电源，为了满足对电源功率因数的要求，在前级采用有源功率因数校正技术。采用全桥移相电路作为主功率变换，这样可通过开关频率的提高来提高电源的动态响应并缩小电源的体积［5］。采用耦合电感作为输出滤波电感，极大减小了输出电压纹波，从而自动限制输出电流值，提高电源输出动态响应，这样即使在负载突变的情况下，电源也没有大的输出电压过冲。单相交流电网电压经工频整流滤波电路将交流电压变换为直流电压，经Boost升压电路组成的功率因数校正电路将直流电压升到2倍左右，使输入工频电流为正弦波并和输入电压同相位，实现输入交流侧功率因数近似为1，达到功率因数校正的目的。全桥移相逆变电路的输入电压比原来没有功率因数校正时升高1倍，提高了逆变电路开关管的耐压要求。移相全桥逆变电路将直流电压变换为高频交流电压，通过高频变压变频和输出整流滤波电路变换为稳定的直流输出电压。开关电源主电路如图2所示，包括整流电路Boost升压斩波电路组成的功率因数校正电路，移相变压电路，输出整流电路。VT1、VT2是电压传感器用于检测功率因数校正电路的输入、输出端电压，L1是Boost升压电感。

图2　全桥移相高功率因数开关电源主电路

1.2电池组部分

1.2.1电池组供电部分

蓄电池与超级电容器相互配合共同为直流电动机提供电能，二者组成电动自行车的混合电源系统。本设计中使用4个12 V/30 Ah铅蓄电池组模块给电动机供电。电池组部分供电电路图如图3所示，受到单片机的控制，回路Ⅰ为蓄电池供电电路，电动机匀速运行时接通;回路Ⅱ超级电容器供电电路，电动车启动、爬坡或加速时接通;回路Ⅲ为电能回馈电路，当电动车停车、下坡或制动时接通。

图3　电池组部分供电电路图

以能量作为选择依据。超级电容器组的容量配置:对于大多数应用，单只超级电容器无法满足能量需求，通过储能量需求确定器件的数量是必要的。对于等效电路模型，忽略弛豫效应相关的参数，只考虑器件的基本电容值C。此时器件在最大允许电压UM下可以储存的最大能量WM为

如果想把储存于超级电容器的能量全部释放出来需要将其电压从最大值UM降到零，但是在一定的功率输出情况下，超级电容器的电流会随着电压降到零而趋于无穷大，这会使储能器件的串联等效阻抗与功率转换装置都会产生很大的损耗［6－9］。

实际应用中为提高系统效率，须将超级电容器的端电压变化范围限制在一定范围内，引入放电系数d，它等于超级电容器所允许的最小端电压除以最大端电压，并以百分数表示为

由此可见，超级电容器储存的总能量WM并不完全被利用，而只有其中的部分能量可以使用，称为有效能量，用Wu表示，即

例如当d=50%时，超级电容器可释放的能量是其总能量的75%，为得到高效率在应用中应避免d低于50%，于是最终确定提供能量W所需器件的数量N为可见所需数量取决于超级电容器的放电系数d。

以功率为选择依据并兼顾效率。依照等效电路模型超级电容器，内部含有一个串联电阻，这意味着在充放电过程中会发生内部损耗，若计入这些损耗就可以得到超级电容器的效率。图4给出了参数为2 600 F/2.5 V/0.7 mΩ的超级电容器在恒流和恒功率条件下的充放电效率曲线，放电系数设为50%。

图4　恒功率和恒流条件下充放电效率

尽管超级电容器得到串联阻抗很小，但要求使效率大于90%，充电时必须将电流或功率限制在一定的值之下，放电亦然，也就是说充电时电流需限制在297 A以下或者功率限制在604 W以下才可以得到90%的效率，放电时，电流不得超过267 A，功率不得超过423 W。若以允许的最低效率为约束，可以推算出器件的功率密度。由保证器件获得90%效率的放电功率423 W与器件的质量0.525 kg之比得到功率密度为806 W/kg，标称中给出了4 300 W/kg，可见实际性能与标称有很大的差距，因此进行容量计算时，必须考虑由器件内部串联阻抗所导致的效率问题。

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本设计中超级电容器单体的基本参数为:电容值为800 F，电压为2.7 V，串联内阻为2 mΩ，放电系数d为50%。则依据式(1)～式(3)，超级电容器单体所能提供的有效能量为2.25 kJ。选择为48 V的电动自行车供电，则需要以18个单体为一组，相互串联组成电池组。

1.2.3超级电容器的DC/DC稳压电路

超级电容器组的端电压会随着电荷状态的变化而变化，因此在超级电容器组与负载之间必须有一个DC/DC稳压电路调节输出电压的范围，本文采用升降型有利于滤波的库克变换电路。库克变换电路又称Cuk变换电路，属于升降压型直流电压变换电路，即输出电压的平均值既能高于输入电压，又能低于输入电压。库克变换电路如图5所示，图中L1和L2为储能电感，VD是快恢复续流二极管，C1是传送能量的耦合电容，C2为滤波电容。电路的特点:输出电压极性与输入电压相反，输出端电流的交流纹波小，输出直流电压平稳，降低了对外部滤波器的要求。

图5　库克变换电路及其波形

1.2.4电能回馈电路

图6为升压斩波电路，在混合电源系统中作为电能回馈电路，起回收直流电机制动时反馈的电能的作用。电路中的电容C应尽量大，保证输出电压在通态期间不变，电感L也应尽量选择大电感，以尽可能减少断态期间的电流断续。其工作原理为:当VT处于导通状态时，电源向电感充电，电流基本恒定，同时电容向超级电容器充电;当VT处于断态时，电源和电感共同向电容充电并向超级电容器提供能量［10－12］。

设通态时间为ton，断态时间为toff，T=ton+toff，则Uo=(T/toff) E(5) T/Toff＞1，则输出电压高于电源电压，调节T/Toff可改变输出电压的大小。输出电流的平均值为

图6　升降压斩波电路图及工作波形

2　检测部分与控制部分

检测部分由倾角检测部分和转速检测部分组成，共同监测电车所处的状态，将电车的物理状态转变为电信号经后续放大与整形，传递给单片机。

2.1倾角检测部分

倾角检测部分，由重力传感器来感应爬坡或下坡时电动车所处的倾角状态，将倾角状态转化为电压信号，经放大和整形将电平信号传入单片机，重力传感器的测量电路如图7所示。

图7　重力传感器的测量电路

2.2转速检测部分

该部分由开关式光电传感器及其测量电路组成，其结构如图8所示，包括光源、光栅、码盘、光敏元件和处理电路。码盘两侧分别装有光源和准直装置、狭缝盘和光敏元件。一旦码盘与狭缝盘发生相对运动，那么光源发出的光线就会被切割调制成明暗相间的摩尔条纹，经光敏元件将其转换为电信号后，再通过电路系统进行放大、整形、译码等处理，最后以数字量的形式输出。

图8　开关式光电传感器结构简图

图9　光电脉冲放大整形电路

光电脉冲放大整形电路如图9所示。当有光时间，光敏二极管产生光电流，使得R2上压降增大到晶体管VT1导通，作用到由VT2、VT3组成的射极低耦合触发器，使其输出Uo为高电位，反之Uo为低电位。脉冲信号Uo可送到单片机进行测量。

2.3控制部分

控制部分由单片机、电源电路中的开关器件IGBT及其驱动电路组成。

使用51单片机接受来自重力传感器和开关式光电传感器的信号，通过对这些信号的判断来决定哪一个电源给直流电动机提供电能。程序流程图如图10所示。

图10　程序流程图

单片机P3.5脚接受开关式光电传感器输入的信号，通过比较读取固定脉冲所用时间来判断电动机是处于加速还是减速，从而决定超级电容器是输出电能还是回收电能，或判断电动机处于匀速运行时，使得蓄电池输出电能。P1.0脚和P1.1脚接受重力传感器的信号，P1.0脚为高电平，说明电车处于下坡状态，使超级电容器回收电能; P1.0为低电平时，说明电车处于平地，由蓄电池输出电能; P1.1为高电平时说明电车处于爬坡状态，由超级电容器输出电能。

3　电动车混合电源系统测试及分析

根据计算，200 kg的人与车沿着仰角为30°，落差为6 m的坡度匀速行驶，至少需要12 kJ的能量。电动车从0加速至3 m/s至少需要900 J的能量。电动车的滚动摩擦为0.05时，电动车行驶每米须克服摩擦所做功为98 J。从此可见电动车启动、加速、爬坡将消耗电池的大部分能量，而处于匀速时，电池所提供的能量主要用来克服摩擦，且消耗能量远少于启动、加速和爬坡所用的能量。

若忽略摩擦损耗且下坡时完全回收上坡时存储的势能，则由势能转化成为的电能足以使电动车匀速行驶120 m;从减速回收的电能也足以保证匀速行驶10 m，则体现了使用电能较于使用化石能源的优势。出于安全考虑，电能回收的时间必须很短，铅蓄电池无法在短时间内回收电能，具有高功率密度的超级电容器则适合回收这样的电能，体现了其作为辅助电源的优势。此外高功率密度使得超级电容器能快速充电，弥补了其能量密度低的不足。

4　结论

超级电容器作为辅助电源，配合铅蓄电池供能，蓄电池能长时间供应的且稳定的电能只被用于匀速行驶，增加了电动车的行程，同时蓄电池充电周期延长，增加了蓄电池的使用寿命，具有很大的现实推广意义。

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董　昭(1980－)，男，汉族，河南驻马店人，硕士研究生，安阳工学院讲师，主要研究方向为智能控制、自动控制、网络技术等，dongzhao991@ 163.com。

Power Management and Control Strategy of a Hybrid Energy Storage in Wind-Solar Hybrid Generation System

SUN Yunquan*，ZHANG Yunxin，LI Yajie
(College of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China)

Abstract:The application of energy storage technology ensures the stability and security of the system and the improvement of the efficiency and life span.By integrating the advantage of storage battery in high energy density with that of super capacitor in high power density，a kind of mixed energy-storage structure with storage battery and super capacitor is proved.The sliding filter is applied to energy distribution，and the DC/DC changer is used to control those energy storage models in a real-time way，so as to improve the flexibility and widen the application fields of the whole system.

Key words:wind-solar hybrid; hybrid energy storage; sliding filter; control technologies

中图分类号:TM53; TP27

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015) 03－0682－06

收稿日期:2014－07－01修改日期: 2014－07－26

doi:EEACC: 8110B10.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.043