电动汽车回馈制动系统能量缓存装置的研究与设计
电动汽车回馈制动系统能量缓存装置的研究与设计
摘 要 电动汽车制动能量回收系统运行过程中，频繁制动对蓄电池进行往复充电会缩短其使用寿命。本文根据超级电容的工作特点，设计了一种基于双向DC/DC变换器，以超级电容为存储单元的缓存装置。仿真结果表明，双闭环控制下的能量缓存装置可有效进行制动能量的存储与释放。
关键词 回馈制动；超级电容；双向DC/DC变换器；MATLAB/Simulink 0引言
超级电容器是20世纪七八十年代逐渐发展起来一种新兴储能器件，与电池储能相比，具有充放电电流不受限制，响应速度快，循环使用寿命长，环境友好等优点。
随着新能源汽车研究的兴起，制动能量回收作为延长其续驶里程一种可行方法备受人们关注，本文针对如何在不影响蓄电池性能的情况下对制动能量进行储存和释放这一问题，设计了一种基于超级电容器存储，利用单片机控制的制动能量缓存装置。仿真结果表明，该设计可有效实现制动能量的存储与释放。
1超级电容存储单元
超级电容器的单体电压电容值较低，一般需要进行串并联组合才能达到要求的电压与电容等级。但单体器件参数差异，串联单体电容电压在工作过程中的存在不一致现象，导致一部分单体电容电压偏低，容量不能被充分利用，而另一部分电压过高，内部电解液发生分解而失效。因此，需要进行串联均压处理，来提高电容器的容量利用率和安全性。
超级电容串联技术，就其工作原理可大致分为稳压管法、开关电阻法、飞渡电容器电压均衡法和电感储能电压均衡法等方法，各有其优缺点与适用场合。本文采用均衡效果相对较好单飞渡电容器电压均衡法，利用一个小容量的普通电容器作为中间储能单元，将电压高的超级电容器中的能量向电压低的超级电容器中转移，适合在电动汽车等中小功率的应用场合中使用[1]。
2硬件电路设计
2.1双向DC/DC变换器
由于在电机回馈制动系统中没有隔离和绝缘的要求，故采用由IGBT、快恢复二极管与储能电感组成的非隔离型双向半桥DC/DC变换器。它具有开关元件电流电压应力小，有源元器件导通损耗小，元器件数量少及电路结构简单等优点。
2.2缓冲电路
利用电容电压与电感电流不能突变的特性，本文设计了一种缓冲电路，抑制开关元器件在开关瞬间的电压与电流变化率，同时把吸收的能量传递给负载，其原理图如图1所示。电感L1，电容C1、C2以及二极管D1，D2，D3组成缓冲电路，要求电感和电容的谐振频率远远高于开关管频率，二极管反向恢复时间足够小。
2.3控制电路
ATMEGA48作为主控芯片，产生的PWM控制信号，经光耦隔离后，调节开关管S1与S2，并通过电流、电压及温度传感器对装置的瞬态运行状况进行监测。
2.4元器件参数选取
为避免开关元件的损坏，变换器一般工作在连续导电模式下，且开关元器件
的耐压值应是实际峰值的1.5～2倍。因此需确定储能电感的参数，以保证其在升压模式（Boost）与降压模式（Buck）下均能储存足够能量。两种模式下电感计算公式分别为：
与分别为双向DC/DC变换器高压侧和低压侧的电压；（、、）和（、、）分别为Buck与Boost运行模式下的占空比、工作频率及电感脉动电流。
由（1）（2）可得储能电感值：
滤波电容直接影响负载R的电压脉动，以电压的极限脉动量为临界值，选用最大占空比可求得电容极大值为：
3控制策略分析
超级电容存储单元串接在变换器的低压侧，高压侧接入电机驱动电路的直流母线。当电机启动或加速时，开关管S1工作，变换器处于Boost模式，可提供额外功率支持。电机减速或制动时，开关管S2工作，变换器处于Buck模式，超级电容器对制动能量进行吸收存储。同时通过温度传感器对超级电容采取实时温度监测，当大于临界值时，即执行中断程序。
3.1 Buck模式
采用超级电容侧充电电流环和电压环的双闭环PI控制。当电容电压较低时，电压环输出值饱和，此时超级电容处于恒流充电状态；而当超级电容电压达到预定值时，电压环起作用，此时处于恒压充电状态。图2为Buck模式下变换器控制框图。
3.2 Boost模式
采用超级电容侧充电电流环和高压侧输出电压外环的双闭环PI控制。参考电压设置与蓄电池电压同步相同。图3为Boost模式下变换器控制框图。
4实验与仿真
利用MATLAB/Simulink构建电动汽车制动能量缓存装置的仿真模型。其仿真参数为：高压侧为初始电压300V的电容，超级电容容量12.5，串联内阻0.28，并联内阻10，参考充电电压和电流为70V与50A，储能电感0.01H，滤波电容0.001F，输出参考电压200V。
图4为Buck模式下低压侧电压波形，图5为Boost模式高压侧输出电压波形。
5 结论
本文在双向DC/DC变换电路的基础上，设计了一种基于超级电容的制动能量缓存装。仿真结果表明，可有效实现回馈制动能量的存储与释放，具有一定的实际应用价值。
参考文献
[1]李海东.超级电容器模块化技术的研究[D].北京：中国科学院电工研究所博士论文，2006.
[2]吴延平.超级电容器储能系统的直流变换技术研究[D].大连：大连理工大学硕士论文，2011.
[3]王司博，韦统振，齐智平.超级电容器储能的节能系统研究[J].中国电机工程学报，2010，30（9）：105—110.
[4]任炼文，熊佳.电动公交车用超级电容器的研究[J].电池工业，2006，11（4）：237—247.
[5]储军，陈杰，李忠学.电动车用超级电容器充放电性能的实验研究[J].机械，2004，31（3）：20—22.
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