软件工程硕士学位论文-电动汽车电气系统的设计与优化.pdf

大连理工大学 硕士学位论文 电动汽车电气系统的设计与优化 姓名：张相军 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：郭禾 20081123 大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 由于近几年世界范围内的能源危机和对环境污染的高度重视，促使世界各国都投入 大量的人力和物力进行电动汽车方面的研究。围绕着电动汽车的技术开发，每年都有大 量的新成果问世。一次充电可连续行驶2 0 0 公里的电动汽车已经投入市场，电动汽车技 术正在蓬勃发展。 作者在从事电力电子技术教学研究的过程中，对电动汽车的电气系统也做了一些尝 试性探索，内容主要包括电动汽车的充放电电路、充放电均衡控制电路和汽车制动动能 的回收技术。 在作出这些探索的过程中，作者一方面仔细查阅了电动汽车电气系统方面的技术论 文；另一方面，努力把最新的电力电子器件应用到电动汽车的电气系统中，反复调试电 路的结构和参数，仔细演算电路的数学方程，为电动汽车寻找更加贴切的数学模型。 根据推算和预测，作者又在山东胜利职业学院的电机与电力拖动实验室、电力电子 技术实验室、变频调速实验室和电工技术实验室作了大量的验证性试验。纠正了理论预 测中的误差，补偿了汽车运行状况给电路带来的偏差，设定了电动汽车电气系统的运行 环境。 本论文对电动汽车的充放电电路、均衡电路、电动汽车制动动能的回收系统、电源 管理系统和超级电容技术外，本论文还兼顾讨论了蓄电池的仿真模型、电动机的仿真模 型和电动汽车整车仿真模型。 相信作者所作的这些探索，将对电动汽车电气系统的发展提供一些有益的帮助。 关键词：电动汽车；电气系统；充放电电路；均衡控制电路；超级电容 电动汽车电气系统的设计与优化 d e s i g na n do p t i m i z a t i o no f e ve l e c t r i cs y s t e m a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r sw o r d - w i d ee n e r g yc r i s e sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nh a sb e c o m eab i g p r o b l e m a sar e s u l t ，m a n yc o u n t r i e sh a v ed e v o t e dm u c hm o n e yt ot h er e s e a r c ho fe l e c t r i c v e h i c l e s ( e v ) e v e r yy e a rl a r g en u m b e rso fn e wa c h i e v e m e n t sh a v e b e e nm a d eo nt h e t e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cv e h i c l e s t h ee l e c t r i cv e h i c l e st h a tc a n r u n2 0 0k m a f t e rc h a r g e do n c eh a v eb e e nl a u n c h e d t h ee l e c t r i cv e h i c l e st e c h n o l o g yh a sb e e nw e l l d e v e l o p e d t h ea u t h o ri sm a i n l ye n g a g e di nt e a c h i n go fe l e c t r i c & e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y s oh eh a s m a d eal o to ft e n t a t i v er e s e a r c ho ne ve l e c t r i cs y s t e m h i sr e s e a r c hi n v o l v e sc h a r g i n g d i s c h a r g i n gc i r c u i t , b a l a n c e dc o n t r o lc i r c u i ta n db r a k i n g k i n e t i ce n e r g yr e c o v e r yt e c h n o l o g y o nt h eo n eh a n d t h ea u t h o rh a sc a r e f u l l yc o n s u l t e dt h et h e s i s e so nt h ee ve l e c t r i c s y s t e mi nh i sr e s e a r c h o nt h eo t h e rh a n d h eh a st r i e dt oa p p l yt h eu p - t o d a t ee l e c t r i c & e l e c t r o n i cd e v i c et ot h ee ve l e c t r i cs y s t e m ，d e b u g e dt h es t r u c t u r e sa n dp a r a m e t e r so ft h e c i r c u i tt i m ea f t e rt i m e ，f i g u r e do u tt h em a t h e m a t i c a le q u a t i o no ft h ec i r c u i ta t t e n t i v e l ya n d s e a r c h e dt h eb e s ta p p r o p r i a t em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ee v a f t e rt h ec a l c u l a t i o na n df o r e c a s t i n g ，h eh a sa l s om a d eal o to fe x p e r i m e n t si nm a c h i n e & e l e c t r i cp o w e rl a b ，e l e c t r i c & e l e c t r o n i cl a b ，f r e q u e n c yc o n v e r s i o n & t i m i n gl a b ，e l e c t r i c t e c h n i c a ll a bi ns h a n d o n g s h e n g l io c c u p a t i o nc o l l e g e t h ee r r o r sh a sb e e nr e c t i f i e di nt h ef o r e c a s t i n g t h ed e v i a t i o nt ot h ec i r c u i th a sb e e n c o m p e n s a t e db yt h eo p e r a t i o no ft h ev e h i c l e s a n dt h eo p e r a t i n ge n v i r o n m e n to ft h ee v e l e c t r i cs y s t e mh a sb e e ns e t i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o t sr e s e a r c hi n v o l v e st h ec h a r g i n g d i s c h a r g i n gc i r c u i t ，b a l a n c e d c o n t r o lc i r c u i t ，b r a k i n gk i n e t i ce n e r g yr e c o v e r ys y s t e m ，p o w e rm a n a g e m e n ts y s t e ma n d s u p e r c a p a c i t o ，a sw e l la st h es i m u l a t i o nm o d e lo fr e c h a r g e a b l eb a t t e r y , m o t o ra n de l e c t r i c v e h i c l e s t r u s ti t t h e s ea u t h o r sr e s e a r c hw i l lb eb e n e f i c i a lt ot h ed e v e l o p m e n to ft h ee ve l e c t r i c s y s t e m k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e s ；e l e c t r i cs y s t e m ；c h a r g i n g d i s c h a r g i n gc i r c u i t ；b a l a n c e dc o n t r o l c i r c u i t ；s u p e r c a p a c i t o r 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：电边遗奎电氢系统鲍遮让生佐丝 作者签名：j 苇乙聋县善i 一 日期：垃年且月j 晕日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 日期：五亟年_ l 月上互日 日期：釜竺翌年生月2 互日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1研究开发电动汽车的现实意义 研究和开发电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e s ，e v ) 技术在能源、环保和技术创新方面的意义 是重大的。 由于一次性矿物能源的大量被消耗，近几年来，出现了世界范围内的能源危机。据 统计，2 0 0 0 年我国进口石油为7 0 0 0 万吨，预计2 0 1 0 年后将超过1 5 亿吨，相当于科威 特一年的总产量。 世界各国对环境保护越来越重视。国家环保中心预测：到2 0 1 0 年，我国汽车尾气 排放量将占空气污染源的6 4 t 1 1 。燃油汽车对环境的严重污染，促使世界各国都投入大 量的人力和物力进行电动汽车方面的研究。电动汽车的“零排放“ 特点，使得既要保证 民生又要节能环保的矛盾有了一个新的解决方案。围绕着电动汽车的技术开发，每年都 有大量的新成果问世。 研究和开发电动汽车也是技术创新的需要。传统的内燃机汽车在国外开发的历史已 有百年，中国费了很大的力气却仍然只是跟在后面跑。相比之下，电动汽车还属于产业 化初期，尚未形成新的工业体系，中国和其他国家一样处在同一条起跑线上，因此中国 在电动汽车领域参与世界的竞争是公平的。 “8 6 3 ”电动汽车重大专项规划组组长、同济 大学新能源汽车工程中心主任万钢教授说：“在传统汽车领域，我们与发达国家的差距 是2 0 年，而在电动汽车领域的差距只有5 年”1 2 j 。 目前，电动汽车在充放电技术、充放电均衡控制技术和制动动能回收技术方面还有 很多不完善的地方。本论文主要是围绕这方面的问题作了一些尝试性探索。 1 2电动汽车的发展过程 目前，电动汽车可分为纯电动汽车( p u r ee l e c t r i cv e h i c l e s ，p e v ) 、混合动力汽车 ( h y b r i d e l e c t r i cv e h i c e l h e v ) 和燃料电池汽车( f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c e l ，f c e v ) 。 混合动力汽车有两套驱动系统：燃油驱动系统和电力驱动系统。其动力源主要是燃 油。在低速、启动和加速运行时兼用电力驱动，亦即在不完全燃烧时兼用电力驱动，以 提高燃料的燃烧效率。混合动力汽车技术比较成熟，价格相对便宜，维护方便，符合低 排放的环保要求。估计在1 0 年之内，混合动力汽车会有较大的发展。但是由于混合动 力汽车只是燃油汽车与纯电动汽车之间的过渡产品，一旦纯电动汽车的关键技术( 电气 系统、电池技术、电动机技术) 得以突破，成本下降到具有商业化推广的价值，混合动 力汽车就会很快被淘汰p j 。 电动汽午电气系统的设计与优化 纯电动汽车的原理构造如图l1 所示，主要有蓄电池( r e c h a r g e a b l eb a k e r y ) 、电气系 统( e l e c t r i cs y s t e m ) 、电动机发电机( m o t o r g e n e r a t o r ) 和机械传动系统。蓄电池向电动机提 供电能束驱动汽车行驶。在下坡、制动和自由滑行时，电动机反演为发电机向蓄电池回 馈能量。 纯电动汽车的发展历史很长。自1 9 世纪9 0 年代美国人制造出世界上第一辆纯电动 汽车以来，2 0 世纪初第一次达到生产高峰，占领了4 0 的汽车市场。后来由于电了启 动器的发明以及纯电动汽车动力性差的原因，在3 0 年代中期结束了早期的纯电动汽车 生产，而进入了燃油汽车的黄金时期。1 9 7 4 1 9 7 5 年和1 9 7 9 1 9 8 2 年，畋美的两次能源 危机推动纯电动汽牟的研制重新进入高峰。但是，在当时汽车电力电子学尚未建立，既 没有完善的科学理论作指导，更缺乏高科技含量的汽车电力电子装置可供采用。特别足， 当时仅有铅酸蓄电池可供使用，而铅酸蓄电池体积大、质量重，能量密度小、功率密度 低，充电时间长，每次充足电后续驶里程较短，再加上电力传动系统的制造成本过高等 因素，1 9 9 7 年以后，绝大多数公司对纯电动汽车的研发基本处于停滞状态i ij 。 动力驱动系统 图i1 纯电动汽乍的原理构造示意图 f i g ii i l l u s t r a t i o no f p e vs t r u c t u r e 组 第二代纯电动汽车的出现，是以汽车电力电子学的最新发展为基础的，其技术亮点 包括高能量密度锂离子蓄电池、锂离子电容器等的发明，以及电动轮技术的开发和实用 化等。虽然，纯电动汽车离真正普及化还有一定的距离，但与第一代纯电动汽车相比， 它已经在充电时间、续驶单程、动力性能、快速充放电能力等方面取得了可喜的进展。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2电动汽车电源管理系统( p m s ) 的优化设计 2 1电动汽车电源管理系统( p m s ) 概述 电动汽车的电气系统( e l e c t r i cs y s t e m ，e s ) 如图2 1 所示，主要有电机及其驱动电路、 电机运行状态检测及保护电路、电动机发动机反演控制电路、电池的充放电均衡电路 ( c h a r g i n g d i s c h a r g i n ge q u a l i z e rc i r c u i t ，c d e c ) 、电池温度监控电路、电池剩余电量估算 ( s t a t eo f c h a r g e ，s o c ) 电路、运行状态显示电路、报警提示电路等若干个部分。这是一个 非常复杂的系统。为了保证这个系统的正确运行，必须为其开发一个综合调度管理系统 电动汽车电源管理系统( p o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m ，p m s ) h 。 图2 1电动汽车的电气系统原理框图 f i g 2 1 i l l u s t r a t i o no fp e ve l e c t r i cs y s t e ms t r u c t u r e 电动汽车的电源管理系统( p m s ) 不仅直接检测及管理电池组运行的全过程，而且管 理着整个电气系统的运行过程。这些系统分别运行在不同的工作模式下，电源管理系统 对电动汽车实现不同状况下，各种功能的有机分离与组合垆j 。 比如，在电动汽车正常行驶时，系统要同时完成：( 1 ) 保证电机的正常供电；( 2 ) 实 时等待接受汽车驾驶员的控制指令；( 3 ) 监控电池组的剩余容量( s o c ) ；( 4 ) 断开充电均 衡线路；( 5 ) 实时检测单体电池和电池组的温度；( 6 ) 将各种检测量送到单板机，由单 板机处理后，再送到显示器；( 7 ) 遇到故障及时报警。 当汽车司机踩下刹车时，系统要完成：( 1 ) 断开电机供电线路，接通充电均衡电路； 电动汽车电气系统的设计与优化 ( 2 ) 将电动机反演为发电机；( 3 ) 监控电池组内电池特性是否均衡；( 4 ) 实时检测单体电 池和电池组的温度：( 5 ) 实时等待接受汽车驾驶员的控制指令；( 6 ) 将各种检测量送到 单板机，由单板机处理后，再送到显示器；( 7 ) 遇到故障及时报警。 上述这些功能的切换与实现，完全依靠电动汽车的电源管理系统来完成。因此电动 汽车的电源管理系统是一个具有c p u 功能的、非常重要的系统。 图2 2 是某电动汽车上电源管理系统的通信网络示意图。车上共安装了8 个电池箱， 使用了3 6 0 块蓄电池，每3 块电池串联成一组，共分1 2 0 组，分装在8 个电池箱中。从 整车角度考虑，电源管理系统采用分布式网络控制结构。在每个电池包中设置电池测控 模块，各个电池测控模块通过4 8 5 总线与电源管理系统的中央控制器连接。电源管理系 统的中央控制器同时通过r s 2 3 2 总线将监控信息发送到信息显示器，通过c a n 总线接 口与整车控制系统进行通信。 图2 2电气系统在电动汽车上的布置示意图 f i g 2 2 d i s t r i b u t i o no fe so nac a r 由于篇幅限制，在论文的本部分中，将主要讨论本人在“2 2 电动汽车充电电路的 设计与微机控制的实现“ 和“2 3 电池组充放电过程中的均衡问题及其解决方案”中所 作的一些探索性研究。这些内容也是电动汽车电源管理系统的最主要的部分。 2 2电动汽车充电电路的设计与微机控制的实现 充电电路( c h a 唱i n gc i r c u i t ) 是电动汽车发展的关键技术之一，目前关于这方面已有大 量的研究成果。但是，这些研究成果多数是把重点放在充电电路的精细构思上，而对电 动汽车的运行环境考虑较少。在实际跟踪研究了电动汽车的运行环境后，我发现电动汽 车对充电电路的要求有如下特点：( 1 ) 能够实现大功率快速充电，以减少充电过程中， 大连理工大学专业学位硕士学位论文 汽车的等待时间；( 2 ) 能根据均衡控制电路( b a l a n c e dc o n t r o lc i r c u i t ) 的要求，对不同的电 池箱实现不均衡充电；( 3 ) 能够在汽车行驶过程中，实现短暂快速大电流充电【6 j 。 正是基于上述考虑，在论文的本部分中，为电动汽车设计出了一套充电电路，经实 验台测试和计算机仿真，证明该电路是比较切实可行的。 从图2 1 所示的“电动汽车的电气系统原理框图“ 中可以看出，充电电路由均衡控 制、驱动电路和主充电电路三部分组成。均衡控制和驱动电路将在论文的“2 3 电池组 充放电过程的均衡问题及其解决方案”中讨论，这里仅讨论其主充电电路的设计及参数 分析。 2 2 1充电主电路的拓扑结构 主电路的拓扑结构如图2 3 所示，该电路采用了移相控制z v z c sp w m 全桥变换器。 电路中：v 。是输入的单相或三相交流电经整流滤波后得到的直流电压，s l s 4 是i g b t 功率开关器件，c l 和c 3 为超前桥臂的并联电容，l i k 是变压器原边串联电感，t 为高频 隔离变压器，d 1 d 4 为快速恢复二极管，辅助电路由钳位电容c 。和二极管d 。、d h 构成， l o 为输出滤波电感，c o 为输出滤波电容。 传统的移相控制全桥开关电路，是通过谐振来实现的零电压开关，该谐振是由变压 器漏电感和功率开关管的寄生电容产生的。实践证明，滞后桥臂的变压器漏电感，往往 不易满足零电压开关的条件，电路的工作很不可靠【5 】，本电路在变压器原边串联电感 l i k 保证了串联谐振的可靠性。 l o 2譬2 = c c r 【) l 1 ) 2 妻 b q d e ：n 一 _ 2【2 2 互o h 一 c o d ai ) 4 图2 3 主电路的拓扑结构 f i g 2 3t o p o l o g yo fm a i nc i r c u i t 功率开关管i g b t 的驱动信号如附录图a 1 所示。从图中可以看出，s l 首先被触发 灭口 电动汽车电气系统的设计与优化 导通，延迟一个a t 时间后，s 4 被触发导通。在s l 、s 4 同时导通期间，能量从变压器的 原边传递到副边。从s l 的导通到s 3 的导通，有一个时间上的延时，称为死区，这样就 避免了s l 、s 3 同时导通造成的危险，提高了电路的安全性。 在s l 、s 4 同时导通期间，c 3 充电至v s ，钳位电容c 。被充电至最大值。s i 首先关断， 原边电流i p 给c 1 充电，给c 3 放电，由于c l 的存在，s l 为零电压关断( z v s ) ，此时串联 电感l l k 和输出滤波电感l o 串联，共同向负载提供能量，原边电压和副边电压均下降， 当副边电压下降至箝位电容电压u c 。时，由于c 。的作用，使变压器副边电压下降速度比 原边慢，导致电压差，作用于l l k 使原边电流i p 下降。c 3 放电至0 ，为s 3 提供零电压( z v s ) 开通的条件。 二次侧感应电压作用于l l k ，将会加速原边电流i p 的下降，直至i p 完全复位。由箝 位电容c 。继续向负载提供电流，副边电压下降。待c 。放电至零，滤波线圈l o 向负载释 放其能量，二极管d 1 d 4 全部导通续流，在续流期间由于原边电流已经复位，此时关 断s 4 ，开通s 2 ，由于串联电感l l k 的作用原边电流不能突变，s 4 零电流关断( z c s ) ，s z 零电流开通。 2 2 2 充电主电路工作过程分析 分析图2 3 所示z v z c sp w m 全桥变换器在一个周期内的工作过程，发现其前半个 周期和后半个周期的工作波形相同，只是v 曲、i p 的极性由正变负。因此，这里只分析 其前半个周期的工作波形。将前半个周期内的工作过程分成8 种工作状态，分别讨论如 下。 ( 1 ) 在t 1 一t 2 期间，s l 和s 4 导通，原边电流经s 卜l l k 、原边绕组和s 4 形成回路； 副边电流经d l 、l 0 、如、d 4 和副边绕组形成回路，c 。通过d 。、c 。充电，输入侧向输出 侧传递能量。c 3 充电至v s ，c 3 = v a b = v s ，可将电路简化为图2 4 所示的形式，由于输出 滤波电感l o 与l l k 相比较大，可视为恒流源，因此可将图2 4 等效成图2 5 所示的形式。 根据图2 5 所示的等效电路，可列出如下电路方程： k = k nv 船c o + l u 百d p门口f i p + n l c = n l o 。一c c 警口f ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图2 4 输入侧向输出侧传递能量 f i g 2 4 t r a n s f e re n e r g yf r o mi n p u ts i d et oo u t p u ts i d e 图2 5 等效电路 f i g 2 5e q u i v a l e n tc i r c u i t 蛔域得警= 呐七争 亿4 ， 将( 2 4 ) 式代入( 2 3 ) 式l = ，z c ：厶七乏( 2 5 ) 将( 2 5 ) 式代入( 2 2 ) 式 “ ，2 2 e k 争= 帆 解微分方程i d 矿2 l p + i 毛= 瓦1 l 代入初始条件v c c ( t = o ) 2 0 ；i e ( t = o ) 2 0 ，解得： 纵忙案s i n m o t + n l o 似吣志， o 卜i 孝“舯盱丽杀 耐尊 电动汽车电气系统的设计与优化 ，圪一堡 ，。( f ) = ，。一2 = 一_ _ 卫s i n n r 。， 刀 1 口- 1 9t d “ a k 。( r ) = ( “ k k 白) ( 1 一c o s 农r a t ) ( 2 ) 在t 2 时刻，c o s o ) a t = 一l 时，v c 。( t ) = 2 ( n v 。- v c o ) 达到最大值，此时s i n o ) a t = 0 ，i p ( t ) = n i o ， i t ( t ) = 0 ，二极管d 。关断，变压器副边电流经d l 、l o 、c o 、d 4 和次边绕组形成回路。 简化电路如图2 6 所示。此时：v 佗。- - n v 。 v s 图2 6c 。充电至最大值 f i g 2 6c h a r g i n gc ct om a x 置口 ( 3 ) 在t 2 t 3 期间，s l 关断，原边电流从s l 转移至c l 和c 3 ，c l 开始充电，c 3 开始 放电，简化电路如图2 7 所示。由于c l 的存在，s l 是零电压关断( z v s ) 。电感l l k 和l o 串联，l l k 值较小，l o 值较大，可视为原边电流i p 基本不变，i p ( t ) = n i o 。变压器原边电压 v a b 和整流桥输出电压v 佗。以相同的斜率线性下降： “ ， ( r ) = 圪一孑等f 图2 7s 。关断，c - 开始充电，c 。开始放电 f i g 2 7 s lo f f , c ib e g i nt oc h a r g e ，c 3b e g i nt od i s c h a r g e - 8 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 【4 ) 仕t 3 t 4 期1 日j ，整况桥锕出电压v r c c 线任陴芏，描位电压v c c 2 2 ( n v s v o ) ，d h 升贻 导通，简化电路如附录图a 2 所示。由于c 。远远大于c l + c 3 ，则c 。两端电压下降缓慢， 使整流桥输出电压比原边电压下降得慢，导致电压差作用于l i k ，使原边电流i p 开始下 降，等效电路如附录图a 3 所示。 根据附录图a 3 所示的等效电路，可列出如下电路方程： - - z l k 鲁= i v c c ( 一警= 行孥d t 哪。等) ( 2 6 ) d fn( t fd t i p + n l e = n i o ( 2 7 ) 一警c c c q = c l 煽，c 一警：一乏， 亿8 ， ，。：一c c 孥 ( 2 9 ) 将( 2 6 ) 式和( 2 8 ) 式代入( 2 9 ) 式，得 _ e 乏棚七争 亿 腻2 1 0 m ( 2 7 廊得”，z 2 乏“七争= 力l 解微分方程可d 2 i p + 9 1 2 c c 4 t - f c q n 2 c c c c o l , k ，p = n c j c l l k l解微分方程 可+ p = 。 代入初始条件i c ( t _ o ) 2 0 ；t = o 时，n v a b 2 v c c 解方程，得 o ) - 儿( 1 一焘o s 引+ 矗薏儿 嗽，= 篆鬻筹s i n m b t g 蠹+ 燮 以归瓦而n 2 i os i n 吼，一去m ( 行k 一 其中矾= ( 5 ) 在t 4 时刻，c 3 放电到o v ，由于l l k 和变压器原边中电流不能突变，其中的感 应电动势将使得s 4 继续导通，同时在正向电压作用下，与c 3 并联的二极管导通，简化 电动汽车电气系统的设计与优化 电路如图2 8 所示。此时，s 3 得到触发脉冲，为零电压开通( z v s ) 。在t 扯t 5 期间，原 边电压保持为v a b = o 。等效电路如图2 9 所示。 a 图2 8 与c 。并联的二极管导通 f i g 2 8 d i o d e w h i c hp a r a l l e lw i t hc 3t u r no n 图2 9 等效电路 f i g 2 9e q u i v a l e n tc i r c u i t n l o 等- - - z l ki d i p ( 2 1 1 ) i p + n i c = n i o ( 2 12 ) t = 一c 警 ( 2 1 3 ) 将( 2 1 1 ) 式代入( 2 1 3 ) 式，得，。= 一胛c 。厶。i d 2 厂i p ，再代入( 2 1 2 ) 式，得 ”n 2 c c k 每i n l o 大连理工大学专业学位硕士学位论文 解得，p ( f ) = ( l 一村。) c 。s 万。卜，芴s i n m o t + 帆 其中吼= k 。( ，) = n l l k 万。( ，。一n i 。) s i n t o “ 。f + 圪c o s 刁“ 。， 此状态结束时，原边电流i p 降为0 ，整流侧电压为v b 。 ( 6 ) 在t 5 时刻，原边电流i p 复位到零，c 。向负载提供电流，简化电路如图2 1 0 所 示。在t 5 _ t 6 期间，c 。提供负载电流，二次侧整流桥输出电压迅速下降，等效电路如图 2 1 l 所示。此时，( ，) = 一芑f + c 图2 1 0 原边电流i ，复位到零 f i g 2 1 0 c u r r e n tl pr e s e tt o0 r o v c c i o 图2 1 l 等效电路 f i g 2 11e q u i v a l e n tc i r c u i t ( 7 ) 在t 6 时刻，c 。被放电到o ，储存在输出滤波电感l o 中的磁场能以电流的形式， 通过d l d 4 释放给负载。在t 仁t 7 期间，d l d 4 全部导通，工作在续流状态，简化电 路如附录图a 4 所示。在续流期间关断s 4 ，此时s 4 为零电流关断( z c s ) 。 ( 8 ) 等待一个死区时间后，在时刻t 8 开通s 2 ，简化电路如附录图a 5 所示。此时为 零电流开通( z c s ) ，由于漏感l l k 的存在，原边电流不能突变，i p 反方向线性增加， 1矿 ，。( ，) = 一i 甜出= 一j ，在此时间内，整流电压v 佗。仍然为o 。 2 2 3 充电电路的微机控制系统 ( 1 )微机控制充电系统的硬件实现 为了实现图2 3 所示充电电路的智能化管理，论文本部分开发了一套微机控制系统， 如图2 1 2 所示。该系统采用的单片机芯片是a t m e l 公司的8 9 c 5 2 1 6 j 。 8 9 c 5 2 内置有8 kf l a s h 和2 5 6 字节r a m ，有3 2 条可编程i o 口线，3 个1 6 位 定时器计数器，8 级中断源，有一个通用串行接口。外围器件主要有s d 2 0 0 0 d ，内置 电动汽车电气系统的设计与优化 6 4 k b i tn v s r a m ，晶振、电池，时钟。选用a d 5 7 4 作为a d 转换器件，d a c 0 8 3 2 用 作d a 转换。这是一款新一代先进的b i c m o s 移相式p w m 控制器，具有控制逻辑、 自适应延时设定及关断等性能。 8 9 c 5 2 还自带显示驱动电路，具有字符显示功能。显示设定参数时具有提示输入参 数范围功能。 8 9 c 5 2 预留了c a n 总线接口电路，拟采用p h i l i p s 8 2 c 2 0 0c a n 总线控制器、8 2 c 2 5 0 c a n 总线收发器。 8 9 c 5 2 利用两个半桥开关之间相对应的相移来实现全桥功率级的控制。在高频率条 件下，利用稳定频率脉宽调制和谐振零电压开关技术使它具有很高的效率。8 9 c 5 2 既可 作电压模式控制器，也可作电流模式控制器，具有输出开通延时可编程，自适应延时设 定，可工作在电压电流模式，软启动软停止可编程，0 1 0 0 的占空比可调，1 m 的最 大时钟频率等特性。 在8 9 c 5 2 外围，本系统主要设置了电池电压检测电路、充电电流检测电路、单体电 池与电池组温度检测电路、输出直流控制信号和p w m 脉冲信号输出电路。在8 9 c 5 2 内 部，通过编程为其储存了电池故障分析程序、s o c 估算程序和电池电能计量程序。此外， 还有操作指令扫描和液晶显示辅助电路。 充电 充电 充电 图2 1 2 微机控制充电系统 f i g 2 12c h a r g i n gs y s t e mc o n t r o l l e db yc o m p u t e r ( 2 ) 微机控制充电系统的软件实现 电动汽车一经启动，电池的运行状况就在电源管理系统的监控之下。如果需要补充 电能，系统将及时给出提示。汽车司机给出充电指令，电源管理系统变换为充电模式， 大连理工大学专业学位硕士学位论文 启动微机控制充电系统，然后在8 9 c 5 2 控制下按图2 1 3 所示的流程，完成对充电电路 的驱动控制。 每次充电开始，系统首先将端口初始化，然后运行充电程序。 许多蓄电池当被过度放电后，会出现极性颠倒的情况。因此充电程序的第一步是判 断电池的极性是否接反，如果经操作者确认不是极性接反，而是由于电池的过度放电出 现了极性颠倒现象。那么程序将转入电池类型的识别1 7 j 。 ( b ) 图2 1 3 充电控制流程图 f i g 2 13 f l o wc h a r to fc h a r g i n gc o n t r o l 最近几年除铅酸蓄电池外，镍氢电池和锂离子电池也在电动汽车上有了普遍的应 用。它们的充电特性是有差别的，这一差别将以u t 变化曲线和i - t 变化曲线的形式保存 在微机控制充电系统的r o m 中。充电程序只需从r o m 中读取出相应的数据就可以。 在读取了电池的充电特性曲线后，系统开始检测电池和电池组的电压、温度、剩余 电量s o c 和充电内阻等参数，判断电池是否有故障。如果发现某个电池的性能已经下 降到不可再用的地步，系统将给出提示。在电池性能可正常使用的情况下，如果电池电 电动汽车电气系统的设计与优化 压过低，为了保护电池在充电过程中不受损害，应先使用小电流给电池预充电，使电压 达到常态水平。 充电时单片机检测充电电流、充电电压和电池温度，与预先设置的电压、电流和温 度比较后，输出误差控制信号，通过移相控制芯片来改变p w m 值，从而改变功率管i g b t 的导通时间，达到在不同阶段有不同充电电流的目的，使这些参数在设定的范围内。 如果电池电压正常，则直接进入正常充电阶段。本系统设定一次完整的充电过程需 要经过恒压限流、恒流限压和涓流充电三个分过程。 恒流限压充电：在恒流限压充电阶段，本系统设定的充电电流小于0 6c ，一般 取3 c 0 4c 。根据现场需要，如果是快速充电，可将充电电流提高到3 c 。但是电压的 上升将受上限值和u - t 变化曲线双重限制。不同电池，这一变化曲线是不同的。随着电 压的缓慢上升，电池电量逐渐增加。当充电电压达到程序设定值后，系统自动转换为恒 压限流充电。 恒压限流充电：在恒压限流充电阶段，充电电压维持恒定不变，随着充电过程的进 行，充电电流会逐渐减小，电池内阻也会逐渐增大。当充电电流下降到程序设定的较小 值时，充电电路维持这个设定的小电流继续进行恒定小电流充电，即为涓流充电阶段。 在恒压限流阶段，微机控制充电系统通过温度检测电路，实时检测电池组内各个电 池的温度，如果检测到单体电池温度高于4 5 。c ，或电池组温度高于4 0 。c ，系统将自动 打开散热风扇，同时转入涓流充电状态，待温度下降到3 5 。c 以下后，系统再返回到恒 压限流充电状态。 涓流充电：涓流充电电流一般取o 3 c ，在此阶段电池电压会减小，当充电电流小 于0 0 1c 时，即可认为电池已充满。 微机控制充电系统通过电压检测电路和电流检测电路，实时检测电池组内各个电池 的充电状态，当发现某一个电池的充电电流达到或接近时0 0 1 c 时，就自动将该电池从 充电电路中断开。其它没有达到o 0 1 c 的电池将继续充电。 ( 3 ) 微机控制充电系统的检测电路 电压检测电路：电压采样电路由精密电阻和可调电阻构成，由于单片机的a d 测量 最大设定范围为5 v 。所以要使电池组电压成比例的缩小在5v 范围内，然后利用 a t m e g a 8 内部的a d 转换功能进行转换，其精度可以达到o 1v 。单片机在内部通过 相减计算出电池电压，该电路采用单片机内部自带1 0 位a d 转换，减少了设计电路的 复杂性，并提高了可靠性和精度，为了抵抗电磁干扰和高压电击，该电路采用高速p c 8 1 7 实现光藕隔离。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 电流检测电路：一般进行电流采集时，在电路中串联一个阻值很小的取样电阻，把 取样电阻上的电压输入单片机转换通道，进行a d 转换，再通过计算把电压值转换为电 流值。由于本电路中电池充电电流较大，因而必须采用的阻值小、精度高、温度稳定性 好的测量电阻。对电流变化率的检测，本电路采用的是串联电流互感器的方法。 温度检测电路：温度检测采用a d 5 9 0 型集成温度传感器，可以长距离传输信号。 它与系统的连接有两种方法，一种是采用寄生电源方式，一种是外接电源驱动方式。本 测量电路采用的是后者。 2 2 。4 软件编程与仿真结果分析 微机控制充电系统的软件部分用c + + 语言来实现，分为主函数、端口初始化函数、 定时器函数、p w m 控制函数、控制对象选择函数、电池电压电流温度测量函数、 p i d ( p r o p p o r t i o n a li n t e g r a t i n gd i f f e r e n t i a t i o n ) 计算函数、电池放电函数、电池充电设置函 数、充电模式和流程控制函数、充电特性曲线函数。由于论文篇幅的限制，下面只给出 了软件中主函数的源代码，附录b 中又给出了“充电模式和流程控制函数”的源代码， 其余函数的源代码由于篇幅太大，不适合在论文中一一罗列，因此在论文外另作保存备 用。 v o i dm a i n ( v o i d ) 充电软件主函数 d e c l a r el o c a lv a r i a b l e sh e r e i n t l 6 ui ； d e l a ym s ( 1 0 0 0 ) ；上电延时1s ，保证m c u 正常工作 l n i t c p u o ； 初始化c p u l c d - i n i t c g r a m o ； p i d f l a g = 1 ； p i d l n i t ( k _ p 丰s c a l i n g f a c t o r ，k i s c a l i n g f a c t o r ，k d s c a l i n g f a c t o r ， & p i d d a t a ) ； i c d _ i o c a t e ( 0 ，o ) ； l c d _ p r i n t _ s t r i n g f ( ”o u r o u r ，c h a r g e r ”) ； l e d l = 1 ： l e d 2 = 1 ； l e d 3 = 1 ； l e d 4 = i ： e n a b l e ( ) ； g l o b a le n a b l ei n t e r r u p t s 电动汽车电气系统的设计与优化 群i f n d e fd e b u g d e l a y _ m s ( 2 0 0 ) ； d e l a y _ m s ( 2 0 0 ) ； d e l a y _ m s ( 2 0 0 ) , d e l a y _ m s ( 2 0 0 ) ； d e l a y _ m s ( 2 0 0 ) ； # e n d i f 严 第一次探测，探知电池是否就位 f o r ( i = o ；i c 2 c n ，其平均电容量为c a = ( ci + c 2 + c n ) n ，设第k 只单体电池的容量最接近平均值， 即c k = c a ，则均衡控制的目标是从c 1 ，c 2 , - - - , c k 1 取出能量转移到c k + l ，c k + 2 , “ - , c n 。 这种均衡方法具有最佳的均衡效率，当然实现难度也较大【9 】。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 匝圈 图2 1 4 分时控制均衡充电原理图 f i g 2 14t i m e s h a r i n gc o n t r o li ne q u i l i b r i ac h a r g i n g ( 4 ) 以相邻电池的电压为均衡对象，当检测到两相邻电池的电压不均衡时，通过能 量传递的方式，从电压高的电池取出能量，转移到电压低的电池中去，最终实现电压的 平衡。 在论文的本部分中，以此均衡策略为指导，设计出了一款概念清晰结构严谨动态跟 踪速度快的均衡电路，如附录图a 7 所示。 该电路以相邻电池的电压为均