毕业论文-电动汽车辅助动力系统Bi-DCDC变流控制器电路设计.docx

. . 山东农业大学毕 业 论 文电动汽车辅助动力系统Bi-DC/DC变流控制器电路设计 院 部 机械与电子工程学院 专业班级电气工程及其自动化2班 届 次 2015届 学生姓名 学 号 指导教师 二一五年五月二十七日装订线. . . i目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 研究背景1 1.1.1 电动汽车的历史和发展11.2 电动汽车的储能材料和特性3 1.2.1 蓄电池4 1.2.2 超级电容4 1.2.3 其他储能方式及特性61.3 论文研究方向82 辅助系统的设计82.1 辅助动力系统的需求分析8 2.1.1电动汽车的运动性能指标8 2.1.2蓄电池放电特性92.2电动汽车工作模式及其切换策略10 2.2.1 电动汽车、电动汽车辅助动力系统、BI-DC/DC变流器设计要求10 2.2.2 辅助系统控制策略设计11 2.2.3 辅助动力系统工作模式12 2.2.4 工作模式的切换142.3 电路图解析14 2.3.1 供电模式（boost）15 2.3.2 能量回收模式（buck模式）153 电路仿真163.1 电路仿真实验16 3.1.1 能量补偿电路实验 16 3.1.2 能量回收电路实验174 总 结18参考文献19致 谢20 i ContentsAbstractII1 The introduction11.1 The research background1 1.1.1 The electric car of the history and development11.2 Energy storage materials and characteristics of electric vehicles4 1.2.1 battery4 1.2.2 Super capacitor4 1.2.3 Other energy storage methods and features61.3 Thesis research direction82 The design of auxiliary system82.1 The demand of the auxiliary power system analysis8 2.1.1The electric car movement performance index8 2.1.2Battery discharge characteristics92.2The electric car working mode and the switching strategy10 2.2.1 Electric cars, electric cars, auxiliary power system, the BI - DC/DC converter design requirements10 2.2.2 Auxiliary system control strategy design11 2.2.3 Auxiliary power system work mode12 2.2.4 Working mode switching142.3 Circuit diagram analytical14 2.3.1 Power supply mode（boost）15 2.3.2 Energy recovery mode（buck）153 Energy recovery mode163.1 Circuit simulation16 3.1.1 The energy compensation circuit experiment16 3.1.2 Energy recovery circuit experiment174 Total knot18reference19To thank20 ii 电动汽车辅助动力系统 Bi-DC/DC变流控制器电路研究李松（山东农业大学 机械与电子工程学院 泰安 271018）摘要：本论文主要研究了电动汽车辅助动力系统双向DC/DC变流控制器的电路。论文由三章组成第一章主要介绍了电动汽车的发展历史、电动汽车与内燃机汽车的能效比较、常见电动汽车的储能元件及这些元件的比较。第二章主要介绍了辅助动力系统性能需求的分析、电动汽车对动力系统 辅助动力系统的要求、电动汽车辅助动力系统的接构设计、辅助动力系统的电路图设计、辅助动力系统的工作模式介绍、辅助动力系统的工作模式切换策略、辅助动力系统电路运行在不同工作模式下工作基本原理的解析。第三章主要是对整个论文的总结。关键词：电动汽车 辅助动力系统 双向DC/DC 模式切换策略The design of Bi-DC/DC converter for auxiliary power system application of electric vehicleSongLi(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018)Abstract This thesis mainly studies the electric car auxiliary power system Bi-DC/DC converter controller circuit.Paper consists of three chapters the first chapter mainly introduces the development history of electric vehicles, electric vehicles and the efficiency of internal combustion engine automobile compare common electric vehicles, energy storage components and the comparison of these components. The second chapter mainly introduces the performance requirements of auxiliary power system, electric vehicles for the requirement of auxiliary power system, electric power system auto auxiliary power system structure design, design the circuit diagram of auxiliary power system, the operation mode of the auxiliary power system, auxiliary power system is introduced in this paper the working mode switching circuit, auxiliary power system operation in different work basic principle of analytic work mode. The third chapter mainly summary of the whole paper.Keyword: electric vehicle;auxiliary power system;Bi-direction DC/DC;Mode-switching strategies II 1 绪论1.1 研究背景1.1.1 电动汽车的历史和发展19世纪30年代到20世纪电动车的崛起 电动汽车的历史并不比内燃机汽车短，它也是最古老的汽车之一，甚至比奥托循环发动机(柴油机)和奔驰发动机(汽油机)还要早。苏格兰商人罗伯特-安德森在1832年到1839年之间(准确时间不明)研发出电动车.1835年，荷兰教授Si brandus Stratingh设计了一款小型电动车，他的助手克里斯托弗-贝克则负责制造。但更具实用价值，更成功的电动车由美国人托马斯-达文波特和苏格兰人罗伯特-戴维森在1842年研制，他们首次使用了不可充电电池。 Gaston Plante于1865年在法国研发出性能更好的蓄电池，其同乡卡米尔-福尔又在1881年对电池进行了改进，提高了电池容量，为电动车的发展铺平了道路。奥地利发明家Franz Kravogl在1867年的巴黎世界博览会推出了一款双轮驱动电动车。法国和英国成为第一批支持发展电动汽车发展的国家。1881年11月，法国发明家Gustave Trouve在巴黎举行的国际电力博览会上演示了三轮电动车，托马斯-帕克表示电动车可在1884年实现量产。 在内燃机汽车兴盛之前，电动车就创造了许多速度和行驶距离的记录。例如，Camille Jenatzy在1899年4月29日用自行研发的电动车突破了100 km/h，创造了105.88 km/h的极速。1891年，A. L. Ryker研发出电动三轮车，WilliamMorrison制造了六座电动厢式客车，电动车开始得到美国人的重视。19世纪90年代到20世纪初期，电动车技术得到了高速发展，相对于内燃机汽车的优势逐渐形成。 1897年，美国费城电车公司研制的纽约电动出租车实现了电动车的商用化。20世纪初，安东尼电气、贝克、底特律电气 (安德森电动车公司)、爱迪生、Studebaker和其它公司相继推出电动汽车，电动车的销量全面超越汽油动力汽车。电动车也逐渐成为上流社会喜好的城市用车，电动车清洁、安静，并且易于操控的特点，非常适合女性驾驶。由于当时没有晶体管技术，因此电动车的性能也受到限制，这些早期的电动车极速大约只有32 km/h。 在19世纪末20世纪初迎来经济繁荣的美国，人们的收入快速增长，汽车开始流行起来。1899年和1900年，电动车销量远远超过其它动力的汽车。电动汽车相比同时代的其它动力汽车具有非常明显的优势，它们没有震动，没有难闻的废气，也没有汽油机巨大的噪音。汽油机汽车需要换挡，令其操控起来比较繁杂，而电动车不需要切换挡位。虽然蒸汽机汽车也不需要换挡，但却需要长达45分钟的漫长的预热时间。并且蒸汽机汽车加一次水的续航里程，相比电动车单次充电的续航里程更短。由于当时只有城市中才拥有良好路面，大部分时候汽车都只能在本地使用，因此电动车续航里程短的问题并没有成为阻碍其发展的原因。 相对于汽油发动机汽车，电动车不需要人力起动和频繁的换挡，成为大部分人的选择。当时的基本型电动车售价在1000美元以下，但也发展出电动豪华车，它们的外形被设计得非常华贵，拥有宽敞的座舱，座舱内则用上价格不菲的高级材料。在1910年时，这类电动豪华车的均价达到了3000美元。 电动车最初因为缺乏充电配套设施而阻碍了发展，但是随着电网的高速发展，到了1912年，很多美国家庭都已经通电，从而能够在家中完成充电。在世纪之交，有40%的美国汽车采用蒸汽机，38%的汽车采用电力驱动，22%的汽车使用汽油动力。美国的电动车保有量达到33842辆，电动车在19世纪20年代大获成功，销量在1912年达到了顶峰。20世纪20年代到80年代汽柴油机成为主流 电动车在20世纪初迎来成功之后，很快又失去了成长的势头。从20世纪20年代开始，电动汽车逐渐被内燃机汽车替代，究其原因主要有四点。第一，美国在城市间建立起良好的公路网络，需要汽车拥有更长的续航里程；第二，德克萨斯、俄克拉荷马和加利福尼亚等大油田的发现，降低了汽油价格，令普通消费者也能负担燃油费用；第三，Charles Kettering在1912年发明的电力起动系统使得汽油机不再需要人力起动；第四，Hiram Percy Maxim在1897发明的消声器，大幅降低了内燃机的噪音。而当时的电动车速度低，续航里程短，而内燃机汽车的速度更快，续航里程更长，并且价格便宜许多。 伟大的亨利-福特开始在美国大批量生产内燃机汽车，并且售价平易近人，例如1915年时福特汽车的售价低至440美元(相当于今天的9200美元)。与此相反，效率较低的电动车却价格昂贵，一款1912年的电动双座敞篷车售价1750美元(相当于今天的3.9万美元)。19世纪20年代，电动车销量迅速下滑，电动汽车在10年后彻底消失。20世纪末，随着石油资源的紧缺危机、环境恶化和全球气候变暖的严峻形势下，电动汽车有开始陆续出现在人们的视野之中。1996年,通用汽车(GM)的EVI车型率先投入市场,紧接着福特(Ford)的ThinkandRa飞e,本田(Honda)的EVplus,丰田(Toyota)的RAV4和尼桑(Nissan)AltraEv等车型纷纷面世。虽然目前电动汽车还有很多技术上的缺点，但是从大形势来看，电动汽车的发张仍有非常重要的意义。目前电动汽车主要分为4类：混合电动汽车(HybridElectrievehiele)、插电式混合电动汽车(Plug一HEv)、蓄电池电动(BatteryElectricvehicle)、燃料电池电动汽车(FcEv)。现在最主流的电动汽车多是混合动力汽车这种形式。在2011年以后，以特斯拉为首的几家公司，已经开始生产以蓄电池来提供动力的纯电动汽车（BVE）。图 11 汽车销量示意图 在能源利用效率上，电动汽车也具有较大的优势。普通汽车的能量浪费主要集中在，发动机怠速空转、车体的颤抖、刹车片的摩擦。并且在化石燃料转化为热能，在转化为机械能时，能量转化比非常低，大量能量转化为无用热量。这就造成，一方面使得汽车增加很多冷却设施，增加自重，带来能量消耗;另一方面，也增加了维护成本。相反，电动汽车，没有怠速空转，电池能量转化效率高（现有技术可有达到80%），制动时还可以能量回收。若以现在电厂化石燃料发电效率、电网输配电效率、充电桩充电效率的能量传递流程来看，电动汽车的能量利用效率还是优于普通汽车。并且日后，发电已经趋向于环保方式，电动汽车在环境保护，能量利用方面的优势将越来越大。图12 电动汽车和普通汽车在能量效率方面的综合比较1.2 电动汽车的储能材料和特性 相比较普通汽车而言，电动汽车的核心不是发动机等动力设备，而是储能设备。储能设备的优劣，技术的先进程度，直接影响电动汽车的整体性能。目前对于储能设备的要求，主要表现在动力、里程、安全性、生产维护方面。(1)比能量大,相同重量时存储能量多,一次充电行驶里程长;(2)比功率大,汽车加减速动态性能好;(3)工作寿命长;(4)安全可靠性高;(5)生产及维护成本低廉;(6)充电方便快捷,效率高。目前,作为电动汽车电源的车载储能单元主要有动力蓄电池、超级电容、飞轮、燃料电池等。下面对各种车载储能的特性逐一作下简单介绍。1.2.1 蓄电池目前市面上的蓄电池主要有一下几种：铅酸蓄电池、镍镉电池、氢电池、锂电池。每种电池都有各自的优势跟缺点。以最为普通的铅酸电池为例，铅酸电池具有技术成熟安全可靠、成产维护成本低的优势，又以其型号多种多样而比较好移植见长。但是其缺点也非常明显，重量大、比功率低、性能受环境温度影响较大、充电速度慢、生产伴随有高污染物铅 酸、废弃后处理难。虽然镍镉、镍氢、锂电池储能大、但是较高的生产成本，使其很难应用于大型的设备上。并且镍镉电池有毒，镍氢电池的易爆问题没有较好的解决办法。下图为各种蓄电池的性能比较： 表 11 各类蓄电池性能比较电池类型比能量wh/kg比功率W/KG充/放电次数环保性成本铅酸蓄电池35501504005001000有毒、要回收低镍/锌蓄电池5575170260300毒性较低较高镍/镉蓄电池506080150800次左右剧毒、要回收较高镍氢电池70952003001000次左右绿色环保高锂电池801302003001200次左右毒性较低高1.2.2 超级电容3超级电容器（Supercapacitors，ultracapacitor），又名电化学电容器(Electrochemical Capacitors)，双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。 根据储能机理的不同可以分为以下两类：双电层电容：是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙而产生的。对一个电极/溶液体系，会在电子导电的电极和离子导电的电解质溶液界面上形成双电层。当在两个电极上施加电场后，溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移，在电极表面形成双电层；撤消电场后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。这时对某一电极而言，会在一定距离内(分散层)产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷，使其保持电中性；当将两极与外电路连通时，电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流，溶液中的离子迁移到溶液中呈电中性，这便是双电层电容的充放电原理。法拉第准电容：其理论模型是由Conway首先提出，是在电极表面和近表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸脱附和氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。对于法拉第准电容，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，而且包括电解液离子与电极活性物质发生的氧化还原反应。当电解液中的离子(如H+、OH-、K+或Li+)在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极/溶液界面时，会通过界面上的氧化还原反应而进入到电极表面活性氧化物的体相中，从而使得大量的电荷被存储在电极中。放电时，这些进入氧化物中的离子又会通过以上氧化还原反应的逆反应重新返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路而释放出来，这就是法拉第准电容的充放电机理。优点（1）很小的体积下达到法拉级的电容量；（2）无须特别的充电电路和控制放电电路；（3）和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；（4）从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；（5）器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题；缺点（1）不当会造成电解质泄漏等现象；（2）和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路； 图 13 超级电容机构示意图突出特点（1）充电速度快，充电10秒10分钟可达到其额定容量的95%以上；（2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达150万次，没有“记忆效应”；（3）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率90%；（4）功率密度高，可达300W/KG5000W/KG，相当于电池的510倍；（5）产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；（6）充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；（7）超低温特性好，温度范围宽-40+70；（8）检测方便，剩余电量可直接读出；（9）容量范围通常0.1F-1000F ；1.2.3 其他储能方式及特性 (1)飞轮飞轮储能是利用飞轮旋转时能储存动能的特性制成的。当发动机动力冗余时，将能量传递给飞轮，借助飞轮暂存能量，在发动机需要时，在由飞轮带动发动机一起运动，将能量释放。飞轮结构如下: 图 14 飞轮结构示意图飞轮具有比功率大的特点，充放电没有次数限制，且没有污染。但由动能公式E=1/2*J2（J为飞轮转动惯量；为飞轮转动角速度）知，飞轮存储容量大小由转动惯量与角速度决定，而质量跟半径决定了转动惯量的大小。直径越大，速度越快，质量越高，所受到的离心力就越大。所以如果飞轮过大就会因离心力超过飞轮材料耐受程度而发生破碎，造成安全事故。所以飞轮储能受限于最大存储能量，比能量较低。 （2）燃料电池燃料电池是将反应物(如氢气等)的化学能直接转化为电能的电化学装置。其最基本的结构由电解质以及连接到电解质两侧的多孔渗水阴极与阳极组成。如图 15 燃料电池结构示意图图所示为燃料电池的基本工作原理。在燃料电池中,反应物连续不断地流向阳极(负电极),而氧气则连续地流向阴极(正电极),在电极表面催化物的作用下发生电化学反应。带电的离子通过电解质从一个电极转移到另一极,电子则通过外电路实现转移,形成电流供给负载。燃料电池从外表上看有正、负极和电解质,如同一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”,只要一直提供燃料就能源源不断地产生电能,因此作为车载电源可以提升电动汽车行驶里程。此外,燃料电池还具有发电效率高,环境污染小,噪音低,模块化强等优点。但是燃料电池作为车载电源的缺点有价格偏高,体积偏大,尤其是动态响应比较慢,严重影响电动汽车的加减速动力性能,在某些特殊情况下,如电动汽车负载快速加载,可能因为短时间内电池堆中反应物耗尽而使得负载掉电,不能满足电动汽车的负载供电需求。各种储能方式特性以图方式概括为下： 图 16 各种储能方式特性示意图1.3 论文研究方向本文研究方向是电动汽车辅助动力系统的电路图设计及工作模式切换策略。从电动汽车的性能需要来分析，我们需要做一个辅助动力系统，该动力系统主要完成动力补偿和回收制动能量。在此我们只涉及电路结构及其可行性分析，以及辅助动力系统的工作模式，及其切换策略。2 辅助系统的设计2.1 辅助动力系统的需求分析2.1.1电动汽车的运动性能指标（1） 最大行驶里程 汽车的最大形式里程与汽车电源的储能能力有关，根据有关调查显示目前，最好的电池也仅能支持汽车行驶100-200km。并且不可无限制的扩大电池的安装数量。单位重量的电池相比化石燃料而言其在所蕴含的能量差距非常大。即使考虑到，发动机能量转换比较低，但在实际运行时，化石燃料所提供的能量仍远大于电池。所以通过增加电池数量来增大最大里程的方式，是不科学的，也是自相矛盾的。所以只能考研究更好的能量存储方法来改善。（2） 最高车速 汽车在道路上行驶，达到匀速行驶的条件是，牵引力等于汽车行驶阻力。当电动汽车的电机达到最大功率后，牵引力达到最大值，此时空气等各方面阻力等于牵引力。所以汽车的最高行驶速度是由汽车的电源的额定功率。（3） 汽车加速性能 汽车的加速度由公式F=m*a。其中F为汽车收到的牵引力与阻力的合力。M为汽车重量。A为加速度。所以当质量不变时，增加合力F大小就可以增大加速度。汽车行驶过程中阻力主要来源于空气阻力，而空气阻力跟汽车的速度有关。在加速的一瞬间，阻力可以视为恒力。所以只要怎加功率即可增大加速度。但此时的功率指的是汽车所能提供的峰值功率，不是额定功率。这就要考验汽车供能器件的功率输出能力。 综合以上的叙述，我们可以得出结论汽车对车载能源系统的要求是，比能量高，比功率高，瞬时放电功率大。2.1.2蓄电池放电特性图 21 蓄电池放电端电压性能图 图 22 蓄电池充放电深度性能从上图可以看出，电池端电压与放电倍率的关系，如果放电倍率大于1c那么端电压在一小时的放电过程中有明显的下降，这就说明，如果在汽车加速或者爬坡过程中，由蓄电池直接供电，那么峰值功率下，蓄电池两端的电压会明显下降。这对于汽车的整体运行性能来说是巨大的破坏。并且随着蓄电池充放电次数的增加，蓄电池的放电深度会有明显的下降。这就导致电池的寿命减短，汽车需要频繁的更换车载储能电池。这对于汽车的生产，平时的保养来说是巨大的困难。经济上，环境上来说都不是可行之计。这就需要我们能够找到一种在频繁充放电、峰值功率功能方面表现优秀的储能元件来取代蓄电池。根据前面我们对各种储能元件的分析，我们可以看出，飞轮储能受自身限制较为严重，极低的能量与质量比，使得他无法应用在电动汽车上。而超级电容就可以很好解决这些问题。前面的数据显示超级电容的输出电流，输出功率均能满足要求。所以，动力辅助系统的储能元件由超级电容组成。2.2电动汽车工作模式及其切换策略2.2.1 电动汽车、电动汽车辅助动力系统、BI-DC/DC变流器设计要求电动汽车、电动汽车辅助动力系统、BI-DC/DC变流器设计要求如表：表 21 电动汽车、电动汽车辅助动力系统、BI-DC/DC变流器设计要求电动汽车设计要求电动汽车辅助动力系统设计要求Bi-DC/DC变流器设计要求良好的动力性能高的瞬时功率大功率、良好的动态性能适应多变的加减速要求效率高不同工作模式下效率高汽车内部空间有限体积小、高功率密度体积小、高功率密度实现能量高效率回收可实现高效率能量回收能量双向流动、效率高整车的智能化控制高效的与汽车总控制上位机通讯CAN通讯协议和硬件接口安全、可靠和耐用安全、可靠和耐用安全、可靠和耐用合理的价格合理的价格合理的价格基于这些要求目前辅助系统的有三种结构： 图 23 辅助动力系统常见的结构方式一虽然结构简单，成本低。但是由于超级电容的利用率很低，所有不实用。方式三虽然对于电路的控制到位，但是有与需要两套设备，且两套折本间的配合处理较为复杂，所以在经济方面不是很有效益。所以本文选取方式二来设计辅助系统。由于超级电容的一般工作电压在25v到50v，出于安全考虑，电压不能太高，但是由于蓄电池给电机供电时的端电压要高此值(75v)，所以要求，在超级电容输出时要对电压进行升压变换，能量回收要进行降压处理。最终我对于这要求的电路设计如图： 图 24 辅助电路的设计2.2.2 辅助系统控制策略设计电动汽车辅助动力系统主要用在，汽车快速加速及爬坡和汽车下坡及减速阶段。在汽车的快速加速阶段及爬坡阶段。所以超级电容在这个阶段的作用主要表现在两个方面。一方面，在汽车快速加速、爬坡阶段，为了保持电池能工作在最优的电流值，所以需要超级电容来补偿蓄电池不能提供的功率。另一方面，在汽车下坡及减速时，蓄电池不需要提供能量，而这个时候汽车减速必将导致动能的下降。如果动能不能回收，则动能只能转化为热能。这样就造成了能量的浪费，如果将这部分能量回收，就能最大程度的减少浪费，间接地减轻蓄电池的负担。但是在减速时，由于制动造成的电流过大，如果直接用来给蓄电池充电，会造成蓄电池寿命的缩短。如果能将反馈的能量给传输给超级电容，则可以顺利将这部分能量回收再利用。所动力以辅助系统可以对能量起到削峰平谷的作用。过程如图所示：图 25 电动汽车能量补偿和能量回收示意图2.2.3 辅助动力系统工作模式电动汽车在工作时有三种不同的工作的模式：睡眠模式、供电模式（boost）、回收能量模式（buck）。在汽车匀速行驶时，辅助动力系统工作在睡眠模式，既不向复核供电也不从负荷那里吸收能量。此时的能量由蓄电池单独供应。在汽车的负荷增加时（如汽车起步、加速、爬坡时），蓄电池需要大电流来供电，以保证汽车的运行。但是由于蓄电池的最优放电电流，所以在蓄电池放电流大于一定值以后就会由辅助系统补偿供电，以限制电池电流低于最优放电电流。在汽车的负荷减少时（如汽车制动、下坡时），汽车电动机会反向向电池供电。此时为了保护蓄电池，则需要辅助系统来将这部分的能量来回收。以备将来再次利用。同时，在辅助系统中，超级电容低于某一值，则无法向外补偿能量供应。此时需要蓄电池需要向辅助系统供电，积蓄能量，以备峰值功率时，电动汽车能有效运行过程如图： 图 26 工作模式示意图2.2.4 工作模式的切换 图 27 工作模式切换示意图2.3 电路图解析根据图来分析不同工作模式下电路的结构，及电路的工作方式。电容通多L1、L2两个电感分别供电，并且，两路电路完全相同。所以我们仅分析一路就可以。下面只分析L1、S1、S2路。 图 28 超级电容等效电路2.3.1 供电模式（boost）：供电模式下，电容向电动汽车动力系统供电。此时电路等效为图 29 boost模式电路等效图当在此模式时，L、S1、D2工作。则电路即为升压斩波电路。Iload=Iout+Ib。假设Ib的最大值设定为Ib_max,当检测到IbIb_max时，既可以进行补偿供电。工作原理：图中S1位MOSFET全控器件，D2为二极管。先假设电感L很大，电容C0很大，以便于分析电路原理。当S1 导通时，电容向电感充电，当达到稳定时，电感电流基本稳定在I1，同时电容C0向负载供电。由于电容值很大，所以可视电容两端的电压不变为Vbat。设S1的导通时间为Ton，此阶段电感L上积蓄的能量为Vsc*I1*Ton。当S1 关断时，电感L、超级电容Esc通过二极管D2向电容C0、及负载Rbat供电。设S1处于断态的时间为Toff，则在此期间电感释放的能量为（Vbat-Vsc）*I1*T。当电路工作在稳定状态时，一个周期内电感吸收的能量与放出的能量相同。即可得等式Vsc*I1*Ton=（Vbat-Vsc）*I1*Toff。对等式进行处理后，可得Vbat=（Ton+Toff）*Vsc/Toff。所以得出结论输出的电压大于电容器电压，所以这可以将电容器内的能量传输到负载两端补偿蓄电池供电，以限制蓄电池两端的电流在限制值以下。而且电容器两端的电压仅取决于占空比。以上电路的两个关键是，电感跟电容。电感储能后对电压具有泵升的作用，从而可以将低电压的电容器内能量送到高电压的负载两端，只需要对开关器件进行控制既可以得到合适的电压波形。电容主要是稳定输出电压为Vbat。由于电容器不可能为无穷大，所以输出端的电压仍会波动，但由于电容的缓冲作用，波动幅度较缓，只要器件选取合适，可以保证波形满足要求。2.3.2 能量回收模式（buck模式）此模式下，是器件L、D1、S2，工作。等效的电路图可以视为降压斩波电路。此时的能量流向则是，从负载即电机向电容Esc。当S2导通时，电流通过S2向电容Sc、电感L充电。这时，流经电感的电流程指数型的方式增加，这段时间记为Ton，此时V1即为Vbat。然后S2关断由于电感的存在仍有加在电容两端的电动势，电路中提供了D1的续流回路，所以存在I10（即有电流流向电容器）。当电感足够大时，电感中的电流不会断流，那么就可以根据电路运行情况确定，加在电容器两端的电压，及Vc=Ton*Vbat/（Ton+Toff）。即在电容两端的电压平均值。且可知电压平均值仅有占空比确定。还可以用运算法进一步确定此时的电流。图 210 buck模式电路等效图3 电路仿真3.1 电路仿真实验3.1.1 能量补偿电路实验图 31 能量补偿模式仿真电路图图 32 能量补偿模式仿真电路图波形3.1.2 能量回收电路实验图 33 能量回收模式仿真电路图图 34 能量回收模式仿真电路波形图图 35 能量回收模式仿真电路波形图4 总 结本文的主要目标设计电动汽车辅助动力系统的电路设计。其核心是Bi一DC变流器的控制方法和不同工作模式切换策略。首先根据电动汽车的需求分析了电动汽车辅助动力系统的需求,具体设计了电动汽车辅助动力系统的结构和功能:主要包括动力补偿和再生制动能量回收两方面功能,并提出了电动汽车辅助动力系统整体工作模式切换策略,以实现动力补偿、能量回收两种功能的有效工作和平滑切换。然后对电路的可行性进行了分析与论证，介绍了其工作原理。电路主要有两部分组成，一部分是用于动力补偿的boost电路部分，通过升压控制，实现对能量的输出。另一部分为能量回收的buck电路部分，通过降压控制，实现能量的回收利用。两个电路有机结合，实现的拓扑结构的组合，成为一个电路。使得控制更易于实现。电动汽车辅助动力系统的应用,意义在于它将电动汽车车载电源的比能量和比功率的要求区分开来,蓄电池的设计上主要集中在提高比能量和增强安全性、可靠性,不必再为了提高瞬时充、放电电流而一味地提高蓄电池容量,增加体积、重量和成本;电动汽辅助动力系统则利用超级电容的高比功率特性和具有快速动态响应的Bi一DC/DC变流器及其控制、切换策略来实现提升电动汽车动态性能、节能、延长蓄电池使用寿命等功能。总之,电动汽车辅助动力系统增强了电动汽车的经济性和实用性,有着广阔的应用和发展前景。由于时间关系，本文的研究工作有限，还需要进一步研究的方面有： （1）如何通过pwm实现对电路开关器件的控制，主要包括根据控制原理画出控制流程图，设计相关的程序。 （2）根据计算算出pwm控