0 引言

    將教練車的發(fā)動機更換為電動機,，其他結構不變使之成為一種電動教練車,，實現(xiàn)節(jié)能減排。但教練車工作狀態(tài)頻繁切換,，導致負載功率寬范圍變化,，蓄電池要滿足負載需求，其電流就必須具有寬范圍變化的能力,，為了不影響電池壽命,，瞬時大電流放電又是不被允許的，因此產(chǎn)生了矛盾,。

    現(xiàn)有的教練車均采用鉛酸或鋰離子動力電池進行驅動,，無法同時滿足教練車對蓄電池的高能量密度、高功率密度,、較長循環(huán)壽命,、較好經(jīng)濟性的要求^[1-3]。且經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)大電流放電嚴重影響鉛酸動力電池的可放出容量,，即存在“放不出來”現(xiàn)象,。

    針對以上問題，本文擬選用較經(jīng)濟的鉛酸電池,，采用與動力電池特性互補的起動電池來“削峰”,，即利用雙電源協(xié)同驅動電機。起動電池提供電機峰值功率,，且滿足一定時間峰值助推力需要的能量,，在保證整車動力性能的前提下，使動力電池輸出功率盡可能保持恒定或平滑,，避免了大電流放電對其的損壞，延長了動力電池的使用壽命,，增加了教練車的續(xù)航時間,。

1 系統(tǒng)方案設計

    雙電源協(xié)同驅動系統(tǒng)中起動電池能量密度小,，在釋能過程中電壓下降較快^[4-5]，當其電壓小于動力電池電壓時,，由于電勢差的存在無法及時對系統(tǒng)需要的大功率做出補償,。因此，選用的起動電池組端電壓應大于動力電池組端電壓,，再通過DC/DC變換器實現(xiàn)端電壓的自動匹配,，保證起動電池能隨時補充負載需要的大電流，電路設計原理圖如圖1所示,。

    圖中,，E_d、E_s分別為動力電池,、起動電池的開路電壓,，R_d、R_s分別為動力電池,、起動電池的內(nèi)阻,。起動電池經(jīng)VF₂、VD₃,、L₁組成的Buck變換器與動力電池并聯(lián),，虛線框內(nèi)為逆變器自帶電路，其中C₁,、R為教練車等效負載,，R₁與VF₁構成等效負載中電容的預充電電路，VD₁,、VD₂為防反充二極管,，起到防止兩電池之間相互充電的作用。

2 系統(tǒng)控制方案

2.1 功率調配控制

    教練車工作狀態(tài)多變,，負載電流變化范圍大^[6],。當負載電流超過動力電池的最佳放電電流時，為避免動力電池大電流放電受到損壞,，以起動電池作為“峰值”補充電源,，使動力電池所提供電流維持在最佳放電電流范圍內(nèi)。對教練車中關鍵部分能量源起到管理和保護作用,。設I₁為動力電池電流,，I₂為負載需求電流，I₃為起動電池電流,，I_set為動力電池可接受最佳放電電流,，則工作狀態(tài)分為兩種模式：

    (1)若I₂－I_set≤0，則I₁≈I₂，I₃≈0,。即負載所需電流I₂在動力電池可接受的最佳放電電流范圍內(nèi),，幾乎全部由動力電池提供。

    (2)若I₂－I_set>0,，則I₁=I_set,，I₃=I₂－I_set。即負載所需電流I₂超出動力電池可接受最佳放電電流范圍,，則動力電池的放電電流基本維持為I_set,，剩余部分由起動電池供給。

    兩種工作模式中,，開關管VF₂都處于調節(jié)狀態(tài),。第一種模式下，輸出較小的占空比控制VF₂,，使起動電池只提供很小的電流,，目的是使起動電池始終處于動態(tài)預備狀態(tài)，防止其在負載突變時,，無法快速對大電流進行補充,；第二種模式下，系統(tǒng)采樣負載電流I₂,，與給定電流I_set做差得到誤差值,，經(jīng)比例(P)調節(jié)后輸出占空比信號，控制VF₂的通斷來對起動電池需補充的電流進行調節(jié),，控制框圖如圖2所示,。

2.2 容量平衡控制

    鉛酸動力電池相關參數(shù)標準規(guī)定，最佳放電率為0.1 C~0.2 C^[7],，本系統(tǒng)中I_set在0.1 C~0.2 C范圍內(nèi)調節(jié)都是合理的,，將I_set初始值設置為0.15 C，方便控制,。為使動力電池所能持續(xù)放電的時間內(nèi),，起動電池的電量也基本放完，用安時積分法檢測兩個電池的“荷電狀態(tài)”（State of Charge,，SOC）,，比較后對I_set進行調節(jié)，設SOC₁,、SOC₂分別為動力,、起動電池的荷電狀態(tài)，控制思路為：

    (1)當SOC₁>SOC₂,，提高I_set的設置值,，使動力電池多提供能量，SOC₁降低，直到與SOC₂值接近,。

    (2)當SOC₁<SOC₂,，降低I_set的設置值,，使起動電池多提供能量,，SOC₂降低，直到與SOC₁值接近,。

    鉛酸蓄電池放電深度在30%~90%范圍內(nèi)時具有較長壽命且在其生命周期內(nèi)放出較多容量^[8],，將蓄電池最低SOC設置為30%，當起動與動力電池中任意一個容量降低到30%時,，放電結束,，需給蓄電池充電。系統(tǒng)容量平衡控制流程圖如圖3所示,。

3 系統(tǒng)參數(shù)設計

3.1 電池選型

    已改裝的電動教練車所配電機的額定電壓為48VAC,，考慮到電池的性價比和車輛使用情況，選用型號為6-DG-120B的6節(jié)12 V的鉛酸動力蓄電池串聯(lián)使用,，其額定容量為105 Ah,。經(jīng)測量電動教練車運行過程中負載所需電流參數(shù)如表1所示。

    由表1可以看出,，車輛在起步,、轉彎和加速狀況下電池需大電流放電，將動力電池工作中的電流平均為15 A,，則動力電池可持續(xù)工作時間為：

    105 Ah×0.7÷15 A=4.9 h

    為滿足學員一天的練車要求,，教練車電源提供能量的時間應達到5.5小時左右,將起動電池工作中的電流平均為35 A，則所選起動電池額定容量應為：

    0.6 h×35 A÷0.7=30 Ah

    選取型號為6-QWLZ-36的7節(jié)起動電池串聯(lián),，對系統(tǒng)大電流進行補充,，其額定電壓為12 V，額定容量為36 Ah,，起動電流達280 A,，滿足系統(tǒng)要求。

3.2 系統(tǒng)設計中L₁,、C₂的參數(shù)計算與選擇

    起動電池端連接Buck變換器,，輸入電壓為70 V~96.6 V，由表1可知系統(tǒng)負載最大需求電流為60 A,，除去動力電池提供的,，起動電池應補充40 A左右的電流，將其輸出電流最大值定為45 A,，開關頻率為5 kHz,，對于Buck變換器按最大輸入電壓（96.6 V）計算電感，過程如下：

    設負載突變瞬間，允許動力電池電流波動5 A,，動力電池內(nèi)阻為0.06 Ω,，則輸出紋波電壓為：

    ΔU=0.06 Ω×5 A=0.3 V

    假設輸出紋波電壓的大部分分量由電容的ESR(R_c)產(chǎn)生，可以選擇電容使得ESR滿足紋波電壓要求,，則有：

    R_c=ΔU/(I_load－I_d)=0.3 V/(60 A-25 A)=0.008 6 Ω

    由經(jīng)典ESR/電容值關系：R_cC₀=50×10^-6 ΩF,，計算得到C₀=5.8×10^-3 F。

    此電容由兩部分組成,，分別為電機控制器內(nèi)部電容C₁和Buck變換器并聯(lián)電容C₂,，本教練車電機控制器中電容C₁為14個180 μF電解電容并聯(lián)，總容量為2.52×10^-3 F,，

則Buck變換器并聯(lián)電容C₂容量為2.28×10^-3 F,，其最高工作電壓在83 V左右，選用7個容量為330 μF,，ESR為20 mΩ,、耐壓值為160 V的電解電容并聯(lián)，降額51.8%使用,，滿足設計要求,。

4 仿真與結果分析

    為驗證本設計的合理和有效性，利用MATLAB軟件搭建了系統(tǒng)的仿真模型,，如圖4所示,。

    仿真模型中的器件參數(shù)設置如下：

    動力電池：內(nèi)阻0.06 Ω，額定電壓72 V,，額定容量105 Ah,；起動電池：內(nèi)阻0.01 Ω，額定電壓84 V,，額定容量36 Ah,；

    L₂電感量為8×10^-5 H，C₂容量為2.3×10^-3 F,；電阻R₂,、R₃、R₄來模擬電動車負載,，由給定信號G₂,、G₂來控制VF₁、VF₂的通斷,，當VF₁,、VF₂依次閉合，系統(tǒng)負載逐漸增大,。仿真結果如圖5所示,。

    圖中V_c1,、V_c2分別為電容器C₁、C₂的端電壓,，i₂為負載需求電流,、i₁為動力電池所提供電流、i₃為起動電池所提供電流,。由圖可以看出,，0~0.15 s內(nèi)，電容器C₁端電壓升高,，處于充電狀態(tài),，而電容器C₂在起動電池作用下逐漸被充滿,；0.2 s時負載接入,，系統(tǒng)開始工作，0.2 s～0.5 s內(nèi),，負載所需的電流較小,，僅為14 A，小于I_set設置值,，此階段動力電池幾乎提供了負載所需的全部能量,；0.5 s時負載突變，需求功率增大,，所需電流增加到34 A,，大于I_set的設置值，此時動力電池提供了15 A電流,，起動電池提供19 A電流,；1 s時負載再次突變，所需電流增加到60 A,，動力電池仍提供15 A電流,，起動電池提供剩余電流。

    因仿真時間較短,，電源SOC變化不明顯,，無法看出容量平衡控制效果，采用信號發(fā)生器給定變化的SOC₁,、SOC₂信號進行模擬,，仿真模型如圖6。

    模擬中I_set初始設置值為16 A,，間隔時間設置為0.5 s,，圖7為模擬仿真波形，由圖可以看出,，在1.5 s,、2 s時,，I_set值均增加了2 A，觀察SOC₁,、SOC₂的變化發(fā)現(xiàn)在1.5 s,、2 s時SOC₁、SOC₂的關系滿足SOC₁>SOC₂,，|SOC₁－SOC₂|=a,，a>10%且有增大趨勢，為使SOC₁,、SOC₂接近,，提高了I_set的設定值，讓動力電池多提供能量,，在2.5 s時,，也滿足此關系，但I_set已增加到動力電池最佳放電電流的閾值,，則不再增加,，在4.5 s、5 s時,，I_set值均減少了2 A,，此時SOC₁、SOC₂的關系滿足SOC₁<SOC₂,，|SOC₂－SOC₁|=a,，a>10%且有增大趨勢，為使SOC₁,、SOC₂接近,，減小了I_set的設定值，讓起動電池多提供能量,，仿真結果與控制策略一致,，驗證了方案的可行性與正確性。

5 結語

    改進后的電源系統(tǒng)具有以下特點：

    (1)在負載突變的情況下可及時調整工作模式,，使動力電池輸出功率盡可能保持恒定或平滑,，通過起動電池來滿足系統(tǒng)峰值功率需求；

    (2)連接起動電池的Buck變換器始終處于工作狀態(tài),，通過改變占空比控制起動電池輸出電流的大小,，使起動電池可根據(jù)負載需求快速補充電流；

    (3)通過比較兩個電池的SOC,，根據(jù)控制策略改變Iset的設置值,，達到平衡兩個電池SOC的目的，使兩個電池電量基本同時放完,。

    本設計充分發(fā)揮了兩種電池的性能優(yōu)勢,，通過控制對雙電源輸出功率進行管理和調配,，保護了動力電池，延長其使用壽命,，具有一定的實用價值,。

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作者信息：

孟彥京,，賈娟娟，馬匯海,，吳  輝

（陜西科技大學 電氣與信息工程學院,，陜西 西安710021）