混合动力公交车复合储能控制技术研究毕业论文.doc

摘要摘要 混合动力汽车最大的优点是可以利用车载电能储存装置对整车制动时的动 能加以回收 这部分能量可以用于汽车驱动 使整车燃油经济性提高 对于城 市公交车更显得尤为重要 但由于受到电池性能因素的制约 使得整车制动能 量回收效能不佳 现在 混合电动汽车有越来越多的问题出现 没有哪一种单 一的能量存储系统可以满足混合电动车行驶全部要求 而复合储能系统将是一 个可选择的解决方案 对系统中多重结构的 DC DC 变换器使用了控制型软开关技术 达到了提高 效率 减小损耗的目的 搭建了一个基于 DSP 控制复合储能系统小型实验平台 制作了双向 DC DC 变换器主电路 电压 电流的数字采样电路 大功率系统控 制信号的驱动等硬件电路 并对系统中功率转换单元的工作状态进行了仿真研 究 有效地验证了系统控制方案的有效性和可行性 本课题研究的以超级电容为主的复合储能系统 设计新颖 这种能量存储 装置的研究在混合动力汽车的应用中将是一种趋势 关镇词关镇词 超级电容 混合动力 双向 DC DC 变换器 控制型软开关 AbstractAbstract Using on board electrical energy storage device to recover the kinetic energy when vehicle brakes is the biggest advantage of Hybrid vehicle The energy can be used to drive the cars to reduce the cost of vehicles fuel which is particularly important for city buses However because of battery performance factors the efficiency of vehicle braking energy recovery is poor Now more and more problems have been arisen in hybrid electric vehicles HEV and none of any energy sources can solely fulfills all the demands of HEV in some circumstances Hybrid energy sources system become one alternative solution Multiple structures of the system s DC DC converters used to control type soft switching technology to achieve efficiency reduce wear and tear purposes Structures of a DSP based control of complex energy storage system in small experimental platform has produced a bidirectional DC DC converter main circuit voltage current digital sampling circuit high power system control signal drivers and other hardware circuitry And system power conversion unit status job simulation effective system control program to verify the effectiveness and feasibility This topic research by the super electric capacity hybrid stored energy system the modern design this kind of energy storage installment s research in HEV application will be one tendency Key Words Ultra Capacitor Hybrid Power SystemBidirectional DC DC Converter Control Type Soft Switching 目录目录 摘要 1 Abstract 2 目录 3 第一章 绪论 4 1 1 课题背景和意义 4 1 2 本文主要研究内容 6 第二章 混合动力汽车储能电池分析 8 2 1 电驱系统对储能电池的要求 8 2 2 超级电容特性 9 第三章 多相结构 DC DC 变换器 13 3 1 三相交错双向 DC DC 变换器 13 3 2 软开关的工作原理 14 第四章 系统的数字化控制 23 4 1 数字控制系统原理 23 4 2 平均电流模式控制 25 4 3 控制策略 26 4 4 软件设计 28 4 5 硬件电路设计 30 4 5 1 电压电流检测电路 30 4 5 2 驱动电路 31 4 5 3 隔离电源 32 4 5 4 DSP 芯片功能接口电路 33 第五章 结论 35 参考文献 36 致谢 37 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 1 课题背景和意义课题背景和意义 当今世界 环境和能源问题成为世界各国关心的热点问题 随着环境污染 和能源危机的日益严重 如何采取有效措施提高能源的利用率是解决这些问题 的关键 混合动力就是指汽车使用发动机驱动和电动机驱动两种驱动方式 简单地 说 当车辆起步和低速行驶时 发动机关闭 由电动机驱动汽车行驶 正常行驶 状态中 发动机驱动汽车行驶 并把多余的发动机动力转化为电能储存起来 当 电压不够时 发动机启动 驱动发电机给电池组充电以维持一定的电量 而不 需要像纯电动汽车一样从外部充电 在车辆下坡或者制动减速时 能量回收系统 将多余的动能转化为电能 为电池组进行充电 停车时 发动机自动熄火以避免 不必要的油耗和废气排放 混合动力架构对于执行大量 停走 驱动的大型车辆特别有吸引力 如市 内运输公交车和货运卡车 传统的公交车和卡车的效率很低 产生高度有害的 排放 因为它们硕大的引擎 通常是柴油机 持续不断地给车辆加速和减速一这 是一种效率最低的产生动力的方式 混合动力系统中 当车辆动力暂时需要增 加的时候 如加速期间或爬山时 要从车上由能量储存系统吸取电力 当车辆 的动力需求较低时 该能量储存系统被充电 这样不仅仅能量效率增加了 而 且车辆能够通过再生制动在它减速时重新回收加速时付出的能量 提高汽车的 行驶里程 回馈制动能够回收的惯性能量在不同类型的汽车和不同的运行工况 中差别很大 对于城市公交车来说 在城市交通中有频繁的制动 启动 属于 可回收惯性能量较多的工况 大型载客车制动时消耗的惯性能量可达发动机发 出总能量的 59 理论上可以回收的能量约占发动机发出的总能量的 54 这要求在回馈制动过程中 要对动力电池组的充电特性进行研究 建立起 适当的模型来预测出在电池各种状态下的最大可充电流 得到适当的充电策略 在保证不损伤充电电池的前提下尽可能多地接受回馈充电电流 混合动力汽车 动力电池在加速或爬坡时要进行大电流放电 减速或下坡时要进行快速充电实现 制动能量回收 这就要求电池需具有优良的高倍率快速充放电特性和使用寿命 长且性能稳定 为了缩短启动加速过程 需要对电动机瞬间的大电流驱动 但是普通化 学电池难以达到良好的效果 同时在再生制动过程中将会产生多余的能量 尽 可能多的利用再生制动的能量也成为能量回馈中一个突出的问题 化学电池难 以实现短时间大功率充电 而且充放电循环次数有限 4 超级电容和蓄电池组 成的混合储能系统能充分发挥各自的优势 有利于能量的高效利用 同时可避 免蓄电池大电流充放电 延长其使用寿命这种技术在以电动车为典型代表的众 多方面得到了广泛的研究和应用 混合动力仍是基于石油做燃料 混合动力并没解决能源危机的问题 只是 汽车新能源发展过程中的一个过渡产品 诸多新能源汽车解决方案中 成功实 现了产业化的只有混合动力汽车 第 62 届汉诺威商用车展反映出一种明显趋势 欧洲的客车和卡车生产商已将目光聚焦在混合动力技术上 他们认为 混合动 力是距离市场最近的节能减排解决方案 换句话说 混合动力客车和卡车增加 的成本最少 能够最先达到量产目标 德国奔驰和曼 瑞典沃尔沃 日本日产 波兰索拉丽斯等企业都展出了混合动力车型 混合动力垃圾车使用电动机驱动 时完全没有尾气排放和噪声 该车在瑞典经过两家垃圾收集公司的测试 可节 省燃料 20 并减少二氧化碳排放量 这对垃圾车来说很重要 因为它们通常一 大早就在建筑密集的区域工作 超级电容器 Ultra Capacitor UC 是 20 世纪 60 年代发展起来的一种 新型储能元件 超级电容器是一种比常规电容的电容值大得多的独特电容器 具有优良的脉冲充放电性能以及传统电容器所不具备的大容量储能性能 与其 他储能设备相比 超级电容器具有以下突出的优点 1 超级电容器在充放电过程中 能量形式没有发生转变 其它储能设备都 是由电能转变成化学能 再由化学能转变成电能 二次转变会导致能量损失 2 超级电容器比功率大 超级电容器的内阻很小 并且在电极 溶液界面 和电极材料本体内均能够实现电荷的快速贮存和释放 因而它的输出功率密度 高达数 kW kg 是一般蓄电池的数十倍 3 充放电速度快 充电时间约为 0 3s 15min 温升小 放电时 可以大 电流输出 输出功率大 4 储存寿命长 超级电容器充电之后储存过程中 虽然也有微小的漏电流 存在 但这种发生在电容器内部的离子或质子迁移运动乃是在电场的作用下产 生的 并没有出现化学或电化学反应 没有产生新的物质 另外 所用的电极 材料在相应的电解液中也是稳定的 因而超级电容器的循环使用寿命长 5 超级电容器是绿色能源 物理电池 不污染环境 化学电池对环境有二 次污染 尤其是重金属污染 6 超级电容器充放电效率高 达 95 以上 化学电池的充放电效率低 约 为 70 超级电容器可以充电至其额定值以内的任何电压 并且可以完全放电 后再存储电能而不损坏 电池组如果过度放电就会永久损坏 7 超级电容器彻底免维护 工作温度范围宽 40 50 容量变化小 铅酸电池电动汽车在 40 时 续驶里程减少 90 超级电容器只减少 10 在 超级电容器产业化方面 美国 日本 俄罗斯处于领先地位 几乎占据了整个 市场 与传统汽车工业已经成熟的发达国家相比 我国发展新能源汽车的商业壁 垒要小得多 传统汽车工业的不发达正好是我们发展新型混合动力汽车交通模 式的优势所在 可以更容易轻装上阵 我们应该抓好这个契机 大力发展混合 动力汽车 电源技术是混合动力汽车发展的关键技术 而对复合储能系统的设 计和控制方面的研究将为混合动力汽车在我国的发展及完善奠定基础 1 1 2 2 本文主要研究内容本文主要研究内容 1 分析蓄电池和超级电容的特性 结合蓄电池和超级电容各自的特点 研 究与单一蓄电池相比 复合系统在充放电性能方面的优势 指出复合储能系统 方案对于混合动力汽车电池的保护和提高制动回收能力方面所具有的优势 对 比多种主辅储能系统结构 确定一种合理的方案 能充分发挥两种能源各自的 优势 2 分析比较各种双向 DC DC 变换器的工作特性 确定选用电流双象限电路 拓扑结构 分析其工作原理 根据系统结构特点 对主要元件参数进行设计 主 开关器件采用 IPM 功率模块 工作频率为 l0 kHz 并通过相关实验对功率模块 在大功率场合的应用进行研究 3 控制电路采用 DSP 实现 设计控制策略 有效控制能量流动与功率输入 输出分配以及刹车时制动能量的回收 4 搭建小型实验平台 模拟实际电路验证控制策略的可行性 并对系统中 功率转换单元的工作状态进行仿真研究 验证系统控制方案的有效性和可行性 第二章第二章 混合动力汽车储能电池分析混合动力汽车储能电池分析 2 2 1 1 电驱系统对储能电池的要求电驱系统对储能电池的要求 作为运载工具 汽车的运行工况复杂多变 因此电动汽车用能量源的动力 电池 有着不同于普通电池的特殊要求 1 体积小 重量轻 贮存能量密度高 使电动汽车的一次充电续驶里程 长 2 功率密度高 使电动汽车的加速性能和爬坡性能好 3 能够快速启动和运行 可靠性高 4 循环次数高 使用寿命长 5 环境适应性强 能在一定湿度下正常工作 抗振动冲击性能好 6 环保性能好 无二次污染 并有可再生利用性 7 维修方便 保养费用低 g 安全性好 能够有效防止因泄露或短路引起的起火或爆炸 9 价格低 经济性好 10 燃料储存 处理和输送方便 能够利用现有的燃油加油系统 这些要求不仅是满足电动汽车动力的需要 而且是让电动汽车能够与燃 油汽车相竞争的关键因素 相对于纯电动汽车 EV 混合动力电动汽车 HEV 对电源的要求有所区别 由于燃油发动机或燃油发电机在最大效率区经济运行 输出功率相对稳定 燃油 汽油或柴油 提供了 HEV 运行所需的大部分能量来源 而动力电池对稳定 燃油 汽油或柴油 提供了 HEV 运行所需的大部分能量来源 而动力电池能量 要求具有经常性瞬时放电或充电能力 因此 HEV 需具有适当 能量的高功率电池或超高功率电池 相对而言 对其容量的要求却不高 另外 电池放电循环要远远高于 EV 电池 一般要求循环寿命指标在 30 万次 蓄电池 和超级电容组成的复合系统可以把蓄电池的大比能量和超级电容的大比功率很 好地结合起来 弥补电池和电容的各自的缺点 两部件的优点可以得到充分发 挥 所以复合电源更适合混合动力汽车的性能需求 2 2 2 2 超级电容特性超级电容特性 超级电容器是超级电容器直流储能单元的重要组成部分 其特性直接影响 系统分析设计与控制策略的选择 通过对超级电容器进行特性分析 寻求适合 于超级电容器储 释能的控制规律 有效控制其充放电参数 同时能够提高系 统稳定性和响应性能 由于超级电容器单体储存能量有限 要通过串 并的方 式组成储能阵列 进行扩容 当超级电容器储能阵列中单体电容容量偏差较大 时 在充电过程中 容量最小的电容器将首先达到额定电压 继续充电则有可 能造成超级电容器的过压损坏 通常需要通过增加均压平衡电路进行改善 这 样才可能使构成超级电容器直流储能单元的多只超级电容器表现出较一致的电 压特性 本章为简化分析过程 对超级电容器的特性分析都是在理想条件的前 提下进行的 与超级电容器一致性相关的串 并联均压问题 电荷平衡问题本 文均不涉及 可参阅相关文献 超级电容器的容量很大 可达法拉级甚至数千法拉 超级电容器兼有常规 静电电容器的高功率密度 以及充电电池所具有的高能量密度 几种电池的基 本性能对比见表 2 1 表 2 1 双电层型超级电容器 传统电容器和充电电池的基本性能对比 日本电子曾发布新型电容器 重量能量比达到 50 75 Wh kg 为原来的 10 倍以上据说 电极几乎完全由碳及铝箔构成 降低了因废弃而产生的成本 1 超级电容器电路模型 超级电容器储能是通过吸附作用来转移电荷的 电极上没有发生类似于蓄 电池的化学活化反应 因此具有更快的响应速度 较高的能量转换效率和很好 的循环使用寿命 由于超级电容器存储的能量与端电压具有简单的数学关系 只需通过检测超级电容的端电压 就可以估算出储能量 方便储能单元的能量 管理 简化控制手段 超级电容器可以等效为一个理想的电容器 CF与一个较小阻值的电阻 等效 串联阻抗 RES为几毫欧 相串联 同时与一个较大阻值的电阻 等效并联阻抗 REP 为几百欧 相并联的结构 韩国 Leading Solution 公司生产的一款高电压 系列超级电容器 标称容量 3000F 标称电压 2 8V 直流放电内阻 O 5m 漏 电流 5mA 其等效串联内阻 0 5 m 等效并联内阻 560 超级电容器经典电 路模型如图 2 1 所示 由于 RES的存在 充 放电过程中能效不再为 1 充放 电时电流流经 RES 会产生能耗并引起超级电容器发热 在放电过程中由于 RES 电阻的分压作用 降低了放电电压范围 尤其在大电流放电过程中 RES会消 耗较大的功率与能量 降低超级电容器实际可用的有效储能率 等效并联电阻 REP在超级电容器长时间处于静态储能状态时 以静态损耗电流的形式表现其 影响作用 因此处于储能保持态的超级电容器 为了使存储的电能不随时间而 缓慢减少 需要附加能量保持电路 补偿由于 REP引起的静止能量损耗 维持 一定的备用储能量 图 2 1 超级电容器经典电路模型 2 超级电容器充电特性 超级电容器在理论上可以无限次地进行充放电 超级电容器储存的电荷及 能量可以通过检测电压值的方式来近似确定 判断充电储能过程是否结束非常 方便 恒流充电 对超级电容器进行恒流充电 可以看到超级电容器的端电压 随时间按直线规律升高 充电电流选择范围较大 可结合不同应用需求以及超 级电容器自身状态进行优化控制 恒流充电的变型是分段恒流充电 即在充电 初期设定较大的充电电流 而后及时根据检测到的端电压值来变更减少充电电 流设定值 此方法也称为递减电流充电法 浮充充电 超级电容器在静止保持态时 以漏电流的形式自放电 特别是 使用有机电解液的超级电容器自放电率要大一些 浮充电压也不能过高 否则 会过多地增加能量损耗 脉冲充电 由于超级电容器具有可以瞬间快速吸收功率特性 能够平滑高 峰脉冲功率 再生制动过程中 通常以脉冲充电的方式吸收回馈能量进行储能 组合充电 采用灵活的组合充电方式 在低压时采用大电流恒流充电 随 着超级电容器端电压升高改变为递减恒流充电或恒压限流等充电方式 直至超 级电容器的最高额定电压 超级电容器充电电流的选择原则 满足系统时间要求的条件下 充电能效 越高越好 相同能效情况下 充电电流越小 则功率变换电路中的电流应力也 就越低 3 超级电容器放电特性 超级电容器放电时 由于负载等效电阻通常远远小于超级电容器的并联等 效电阻 R 因此在超级电容器放电释能的动态过程中可以忽略表示其静态特性 的 R 的作用 在分析超级电容器放电的工程应用中 超级电容器通常可以简化 为一个理想电容器与等效电阻 R 相串联的模型 如图 2 2 所示 图 2 2 超级电容放电等效电路图 放电时 图 2 2 中超级电容的端电压 U r 放电电流为 Ic t 则 当等效串联电阻 RES上的压降与电容电压相比很小时 表明 RES对电容的放 电输出功率影响很小 可以忽略 若压降与电容电压之比值较大时 则表明 RES 对电容的放电输出功率不可忽略 小电流放电 RES上电压降可以忽略 此时 超级电容器等效为理想电容器 能够按照理想电容的能量公式进行储能容量的 分析 当超级电容器大电流放电时 RES压降较大 如果检测到超级电容器输 出端电压 U t 下降为其规定下限值时 则超级电容器停止放电运行 由式 2 1 可 知 此时超级电容器内部的电容电压 Uc t 值还比较大 即相当于超级电容器 储存的大部分能量并没有释放出来 这表明等效串联电阻 RES的存在影响了超 级电容器的功率输出 降低了超级电容器的有效储能 在这种大电流放电情况 下 不可忽略 RES上的能耗 第三章第三章 多相结构多相结构 DC DCDC DC 变换器变换器 3 3 1 1 三相交错双三相交错双向向 DC DCDC DC 变换变换器器 针对高电压大功率应用场合 通常将转换器主电路设计为多相双向 DC DC 拓扑结构 如图 3 1 所示 多相结构双向 DC 心 C 变换器总电流有如下几个重 要优势 l 在大功率电力电子装置中 通过并联多个电力电子开关管来承担大电流 增大其功率来解决目前单个电力电子器件的电流额定远不能满足大功率 DC DC 变换器要求的矛盾 2 类似电感 变压器 滤波器等组成元件占据电能变换装置很大一部分体 积和重量 而滤波器设计和电流有很大关系 多相结构可减小电流纹波及其谐 波 从而减小滤波器体积和重量 最终达到减小变换装置体积和重量的目的 3 多相结构变换器的各个单元变换电路还有互为备用的功能 一个单元电 路发生故障后其余单元还可继续工作 这又提高了变换器总体可靠性 图 3 1 多相 DC DC 变换器主电路 由于特殊的应用环境 电动汽车的大功率 DC DC 交换器应该具有这样的特 征 体积小 功率密度大 转换效率高 响应速度快 由于储能电感是在大功率双 向 DC DC 转换器其中一个关键部分 占去系统的主要体积和重量 在兼顾储能 电感的体积 重量和系统输出功率的前提下 将主电路设计成隔行交错的三相 双向 DC DC 拓扑结构 如图 3 2 所示 这样会使输出电压的纹波减小 从而改 进电能的输出质量 并且拟在主电路结构中引入软开关技术 以减小功率器件 的开关损耗 提高功率变换器的效率 图 3 2 提出的 DC DC 转换器 隔行交错的三相双向 DC DC 变换器 其电路拓扑结构是在电源巧和胜之间 接 入三个相同的基本变换电路 当功率器件 S11 S12 S13 D10 D20 D30 工 作时 S10 S20 S30 D11 D21 D31 停止 为正向升压功率流模式 当功率 器件 S10 S20 S30 D11 D21 D31 工作 S11 S21 S31 D10 D20 D30 停止时 为反向降压功率流模式 3 3 2 2 软开关的工作原理软开关的工作原理 三相互补 PWM 驱动信号和电感电流波形如图 3 3 所示 图 3 3 多相 PWM 驱动信号和电感电流波形 各相信号分别比前一相驱动信号延迟固定时间式 3 1 Delay 3 1 phaes switch N T 不幸的是 越来越高的开关频率将导致更高的损耗 比如栅极驱动器的损耗 特别是开关损耗 在传统的硬开关转换器中 3 2 Pturn on 是由于寄生电容在开关开启充电时的功率损耗 并 Pturn off 是 由于开关关闭期间电压和电流波形重叠带来的损耗 对于具有固定死区的转换器设计 当死区时间长于理想延迟时 不可避免 地受到主体二极管传导损耗 以及死区时间少于理想延迟时带来的电容损耗 这些损耗发生在每一个开关周期 是不可避免的 这是因为固定的死区时间不 能适合所有负载条件 控制型软开关可用于交叉三相双向 DC DC 转换器 只要 死区时间得到调整 实时跟踪负载的变化 就可以减少开关损耗 如果将电感大小按照 3 3 式设计 电感电流将在一个开关周期内正向和 反向的两个方向流动 从而连续导通模式是可以避免的 低端开关关断后电感 电流的逆转使在节点 X 处进行无损谐振 并向寄生电容充电 从而在式 3 2 中 Pturn on 被消除 类似地在理想死区时间内 正向的电感电流无损卸掉寄 生电容的电荷 要 L 值相对较小 使电感电流在正向和反向两方向流动 应符合下列不等 式 可以实现 3 3 该转换器定义输出电压为 v2 输入电压为 v1 开关频率为 FS 脉冲占空比 为 输出电流 I01 T11 和 T10 是理想的死区间隔 转换器有一 Fsons TD 11 定的自身寄生电容和外并分流电容 理想的死区时间不能过于短 它应满足不 等式 3 4 及 3 5 此外 死区时间不希望过大 3 4 3 5 当电感给电容和进行充放时 电感可看作是一个恒流源 该电路拓 11 C 10 C 扑需要使用三相互补的 PWM 方法和各路信号之间相差 2 3 电相位角 稳态运 行时在单个开关周期内有 6 个工作模式 其等效电路如图 3 4 所示 现以其中 一相为例叙述工作原理 转换器其他两相的工作过程与此完全一致 只是在时 间上相差 T 3 T 为开关周期 图 3 4 Buck boost 转换器 图 3 5 为负载瞬时死区误差和开关损耗示意图 图 3 5 负载瞬时死区误差和开关损耗 在 to 到 t3 区间 该转换器工作在降压功率流模式 在 to 时刻 S10 导通 S11 关断 电感电流通过 S10 和 L1 是反向线性增加的 D10 和 C10 两端的电压 降为零 节点 X 处电压是 V2 当 t1 时刻 s10 栅极驱动信号为低电平 s10 和 s11 是关断的 电感电流 反向给 C10 充电给 C11 卸电 理想的死区时间 t11 必须足够长 使节点 X 电压 下降到零 当 t2 时刻 节点 X 电压降为零 电感电流继续流经二极管 D11 S11 的栅 极驱动信号是高电平 此时 S11 是零电压开启 T11 是理想的死区时间 如果 实际的过渡时间短于理想死区时间 该节点电压尚未下降到零 将产生 S11 开 关的电容开关损耗 但是 死区时间亦不能太长 S11 应在电感电流到零之前 导通 当流经 L1 和 D11 的电流伏到零时模式 结吏 当 T4 时刻 S11 的栅极驱动信号是低电平 S10 和 S11 关断 该电感电流 给 C11 充电给 C10 卸电 二极管 D11 反向截至 S11 是零电压关断 当 T5 时刻 节点 X 处电压增加到 V2 电感电流通过 L1 和 D10 开始线性减 少 在 S10 两端的电压降为零 S10 的栅极驱动信号是高电平 S11 是零电压 导通 T10 是理想的死区时间 如果过渡时间短于理想的死区时间 那么该节 点电压尚未下降到零 开关 S10 将产生电容开关损耗 同样 死区时间不能太 长 S10 应该在电感电流为零之前导通 在 T6 到 T7 区间 该转换器工作在降压功率流模式 转换器进入下一个工 作周期 在图 3 5 中理想的死区时间是 T10 和 T11 由充放电荷的电容大小和 电感电流的波峰波谷值大小所决定 在开关频率不变的情况下 对于不同的负载 输出电流是不同的 所以理 想的死区时间的最小值是不同的 也就是说 输出电流的波动对不同的负载总 是不变的 图 3 6 为动态负载下电感电流示意图 如果调整开启频率 使开关 频率随着负载电流的变化而变化 原则是使反向电感电流峰值保持一定 那么 相应的死区时间可以是稳定的 在反向电感电流峰值 I 决定理想的死区时间长 度 根据不同的负载状态 频率的变化是使电感电流波动达到最小的手段 Tk 和 Tk 1 分别是不同负载下的开关周期 最大额定输出电流定义为 I0 图 3 6 动态负载下电感电流 在 Boost 模式下 3 6 3 7 在 Buck 模式下 3 8 3 9 仿真时 对于一个典型的高功率转换器 负载输入电压取 200V 输出 电压取 500V 得到的稳态仿真曲线见图 3 7 图 3 8 和图 3 9 MATLAB 中定义 转换器主要参数 V 200V V2 5OOV FS lOkHz L LZ L3 22 H 图 3 7a 为 三路电感电流波形 各路电感电流均与前一相在时间上相差 Tl3 T 为开关周 期 T 1 FS s 仿真波形与理论分析结果相一致 图 3 7b 为节点 X1 电压 4 10 波形 图 3 8 是开关管和二极管电压与电流的仿真曲线 图 3 8a 3 8c 为开 关管 S10 和 S11 的电压电流波形 图 3 8b 3 8d 分别为二极管 D10 和 D10 的电 压电流波形 图 3 9 为输入输出的仿真曲线 其中图 3 9a 为输出电压波形 图 3 9b 为输入电流波形 图 3 9c 为输出电流波形 a 三路电感电流 b 节点 Xl 电压 图 3 7 电感电流和节点电压 a 开关管 s10 电压和电流 b 二极管 D10 电压和电流 c 开关管 S11 电压和电流 d 二极管 D11 电压和电流 图 3 8 开关管和二极管仿真曲线 在图 3 8a 3 8c 中 开关管 S10 和 S11 的电流波形为蓝色曲线 在每一个开 关周期中 电流总是在电压波形降为零后才开始上升 实现零电压导通 a 输出电压波形 b 输入电流波形 C 输出电流波形 图 3 9 输出电压 电流和输入电流仿真曲线 由图 3 7a 3 9b 可得 电感电流脉动量为 480A 三相交错结构总电流脉动量 为 150A 在相同的调制方式下 多相结构双向 DC DC 变换器与单个 DC DC 变换 器相比 电流纹波明显减小 选择多相结构作为大功率 DC DC 变换器的拓扑具 有明显优势 此类转换器优点是低的稳态开关损耗 减少电感量 降低总的输 出电流纹波 易于实现大功率 针对混合动力汽车的应用 采用多相结构拓扑 可以进一步提高系统的重量比功率密度和体积比功率密度 采用多相 PWM 技术 可以减少电流纹波 改善电路波形 三相交错的双向 DC DC 转换器结合改善的 控制型软开关技术将具有广阔的应用发展前景 第四章第四章 系统的数字化控制系统的数字化控制 4 4 1 1 数字控制系统原理数字控制系统原理 数字控制技术能降低控制系统硬件设计 提高系统的可靠性 随着微处理 器价格的降低和技术的成熟 数字控制技术必将是大功率 高性能 智能化功 率变换器研究领域的发展方向 f381 数字控制系统结构原理如图 4 1 所示 图 4 1 数字控制系统结构原理图 1 DSP 芯片介绍 在全数字化电机控制系统中 高性能控制芯片是至关重要的 现代电机控 制中应用的复杂的控制算法和丰富控制功能的实现都依赖于一个强大的微处理 器 目前 采用 DSP 实现高性能的电机控制己经是业界的主流 在 DSP 领域中 德州仪器公司 TI 的产品及开发工具等配套技术最有强大的竞争力 业已占据 现有市场的 50 左右 39 目前 TI 公司 C2000 系列的 F28X 是继 F240 后在 DSP 中最主流一级的 DSP 控制芯片 采用了 32 位的定点处理器 流水线结构也由前者的 4 级增至 8 级 其性能已经可以胜任相当复杂的控制算法以及很高的采样频率 因此非常适合 实时控制领域 其在外设模块以及 CPU 性能上比前两个系列的芯片都有了很多 的改进和提高 而且 C C 编译效率很高 用户不再局限于繁琐的汇编程序 但是由于工作频率很高 为了降低功耗 F2812 采用了内核 1 8V 和 I O 口 3 3V 的双电压结构 增加了电压转换的工作 尽管如此 可以预见未来控制领 域的主导 DSP 芯片非 F2812 莫属 目前其国内价格也下降为一百多元 因此 综合考虑后本系统最终采用了 TMS320F2812 作为控制核心 2 TMS320F2812 功能模块 TMS320F2812 是目前国际上最先进 功能最强大的 32 位定点 DSP 芯片 既具有数字信号处理能力 也具有强大的事件管理能力 它具有以下一些基本 特征 40 41J 1 采用高性能静态 CMOS 技术 内核电压 1 8V 和 I O 口电压 3 3V 降低 了功耗 1 SOMIPS 的执行速度使得指令周期缩短到 6 67ns 从而提高了控制器 的实时控制能力 硬件乘法器可以完成 32 位 x32 位的二进制补码乘法运算 获得 64 位的乘积 2 片内高达 12 K 字的 FLASH 程序存储器 18K 字的数据 程序 RAM 可扩展 的外部存储器达 1M 字 3 两个事件管理器模块 EVA 和 EVB 每个包括 两个 16 位通用定时器 8 个 16 位的脉宽调制 PWM 通道 3 个捕获单元 1 个正交编码脉冲电路 它们 能够实现 PWM 的对称和非对称波形 当外部引脚 PDP1NTx 出现低电平时快速关 闭 PWM 通道 可编程的 PWM 死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲 4 12 位 A D 转换器 最小转换时间为 80ns 可选择由两个事件管理器来 触发的两个 8 通道输入 A D 转换器或一个 16 通道输入的 A D 转换器 5 3 个 32 位的 CPU 定时器 56 个可单独编程或复用的通用输入 输出引脚 GPIO 增强型控制器局域网络 eCAN 模块 两个串行通信接口 SCIs 16 位的 串行外设接口模块 SPI 多通道缓冲串行接口 McBSP 6 支持 个外设中断扩展 当前仅使用了 45 个 支持 3 个外部可屏蔽中断 其中 TMS320F2812 片内集成的 A D 转换电路 脉宽调制 PWM 生成电路 正交 编码脉冲 QEP 电路等外设模块是专门为电机控制而设计的 其优异的处理器 性能及丰富的外设功能使它非常适合本系统控制核心的重任 为了改善系统的动态品质 并减小系统的静态误差 采用比例积分 PI 调 节的闭环控制来实现对整个系统的电流闭环 3 DSP 的主要功能如下 1 产生 PWM 驱动信号 用于对双向变换电路中 IGBT 的驱动 根据输出的采 样 设定和调整定时器中周期寄存器的值和比较寄存器的值来设定输出 PWM 波 的周期和改变脉冲宽度 2 实时采样 IR2175 输出的 PWM 信号输给 DSP 计数器 由微控制器时钟将 脉宽信号转变为数字码 通过软件程序计算占空比并将其转换成等效电压 电 流值 3 实时检测蓄电池 超级电容电压 电感电流信号 在出现异常情况时及 时产生保护动作和显示故障来源 4 4 2 2 平均电流模式控制平均电流模式控制 DC DC 变换器以输出电压作为反馈信号构成电压环型控制系统 在电压闭 环的基础上进行状态反馈校正 以输入电感的电流为反馈量 构成电流内环 由于电流反馈网络积分环节的存在 可以控制电感电流平均值等于电流给定值 从而精确控制输出电流 平均电流模式控制的系统特性 其结构图如图 5 2 所示 图 4 2 电流模式控制系统框图 电流调节器 CR 为 PI 环节 传递幽数为 电流内环的开环传递函数为 电流内环的闭环传递函数为 其中 由于开环传递函数中有两个零点 使幅频特性展宽 开环截止频率较大 使得电流闭环是一个快速的电流跟随器 而且在稳态时无差 电流环的截止频 率其时间常数对于电压环而言可以忽略 因此电流环等效为一个比例环节 简化后的电压环等效结构图如图 5 3 所示 图 4 3 电压闭环等效结构图 电压调节器 VR 为 P1 坏节 传递函数为 电压开环传递函数 电压闭环传递函数 由于被控对象是一阶惯性环节 闭环系统等效为二阶模型 当 Kv 二 0 时 电压环的相角稳定裕量接近 90 度 系统响应快 电流跟踪能力强 由上可知 电流型控制系统有以下几个特点 系统稳定性强 稳定范围宽 系统具有快速电 流限制能力 有效降低了开关元件 电感等关键元气件的电流冲击 保障系统 安全工作 系统动态特性好 响应速度快 输出电压中由输入电压引入的低频 纹波可以完全消除 由于采用电流模式控制 系统具有电压和电流两个闭环 可以分别对输出 电压和输出电流进行精确的控制 因此通过适当的策略组合改变闭环结构和电 压 电流环参考给定信号 Use 和 ISet 可以方便地实现恒压 恒流 恒功率等 多种控制功能 有效地应用于充放电的控制 4 4 3 3 控制策略控制策略 汽车在启动及正常行驶条件下 超级电容通过功率变换器向电动机提供电 能 为了使超级电容时刻都具有高功率输出能力 在车辆轻载行驶条件下 或 检测超级电容电压低于阐值时 发动机启动工作 在车辆加速或爬坡行驶时 由超级电容和发动机同时供能 当车辆制动或下坡行驶时 电动机作发电机模 式 再生能量通过功率变换器为超级电容充电 超级电容根据电容的开环电压 和等效串联内阻计算电容的最大充 放电功率 当有放电需求时 若电容的 SOC 大于规定的最小值 电容可向外放电 根据电容充放电的计算公式 此处忽略漏电影响 电容的放电功率为 如果电容可达到的最大电流为小于理想峰值功率对应电流 则 电容最大放电功率为 如果电容可达到的最大电流为大于理 想峰值功率对应电流 则电容最大放电功率为理想峰值功率 若电容 的 5OC 小于规定的最小值 则电容不能对外放电 放电功率为 O 当有充电需求时 若电容的 SOC 小于规定的最大值 可向电容充电 充 电时计算为 若电容的 5OC 小于规定的最小值 外界可对电 容充电的最大功率为 若电容的 5OC 达到最大值 则不能再 对其充电 充电功率为 0 图 4 4 为不同工况时能量流动示意图 图 4 4 能量流动示意图 控制策略可以总结为以下几条 I 超级电容容量高于阐值时 超级电容通过变换器提供启动 正常行驶 的动力 发动机不工作 2 超级电容容量低于阐值或加速时发动机工作 并为超级电容或镍氢电 池充电 发动机工作在高效率区间 3 车载电子系统由镍氢电池单独提供电 镍氢电池在发动机工作时进行 充电 4 再生制动时 反向电流对超级电容充电 仅用超级电容接受所有的再 生能量 直到发动机再次工作之前 超级电容是充不满的 无需辅助电池进行 回收 5 因超级电容自身存在的自放电现象 有可能使超级电容电量过低 不 能提供汽车启动所需功率 此时需要辅助电池给超级电容充电 同时辅助电池 为空调等其它车载电子供电稳定电源 这充分利用了镍氢电池具有高的比能量 密度特点 其体积和重量无需很大即可满足要求 4 4 4 4 软件设计软件设计 电压 电流检测转换电路检测电感电流 镍氢电池电压 超级电容电压转 化后输出给 DSP 通过程序处理 经数字 PI 调节器控制输出一对互补 PWM 脉冲 和两路单独 PWM 波形脉宽 从而控制变换器合理工作 当有异常情况发生时 通过相应的程序封锁 PWM 波形输出 使转换器停止工作 保护整个系统的安全 图 4 5 主程序流程图 程序包括主程序和中断处理程序两个部分 主程序用来进行变量的定义以 及初始化 初始化结束后 开启采样中断 进入主程序循环 等待中断的发生 一旦中断发生 DSP 自动执行中断服务子程序 中断处理子程序用来完成闭环 给定值的计算 PI 控制 PWM 输出 处理完成后返回主程序循环 等待下一次 中断的发生 DSP 系统的初始化主要完成 DSP 系统控制 包括系统时钟 看门狗设置等 事件管理器 EVA 和 EVB 初始化 I O 端口的初始化 ADC 模块初始化 CAN 模 块初始化以及寄存器 常量 变量定义及赋初值等工作 图 4 6 为中断处理子程序流程图 图 4 6 中断服务子程序流程图 当系统进入中断处理子程序后 将中断的入口地址保存在寄存器中 进行 保存现场 随后转向采样中断服务程序 此服务程序的作用是配置事件管理器 配置 I O 捕获引脚作 初始化事件管理器 配置控制寄存器 CAPCON 并启动捕 获操作 而后对捕获的数字脉冲处理 计算占空比并将其转换成等效电压 电 流值 并判断工作模式 当放电模式进行恒压 PI 调节算法 当充电模式进行恒 流 PI 调节算法 由 PWM1 脚和 PWM2 脚生成互补驱动信号 当故障报警时 POPINT 引脚被拉为低电平 DSP 内部定时器立即停止工作 所有 PWM 输出呈高 阻态 同时产生停止保护信号 此时从寄存器中取出地址 恢复现场退出子程 序 回到主程序 图 4 7 为 F2812 产生的互补 DPWM 脉冲信号波形 图 4 7 互补 DPWM 脉冲 4 4 5 5 硬件电路设计硬件电路设计 4 4 5 5 1 1 电压电流检测电路电压电流检测电路 为了满足系统输出控制精度和电压纹波要求 AD 采样器的最小分辨率应小 于系统的允许电压纹波 采用 IR2175 可以避免解决 AD 转换器位数不高引起的 误差 电流和电压检测电路见图 5 8 0 IR2175 具有以下显著功能特点 1 IR2175 高速频率 130kHz 输出 能满足要求严格的伺服电机应用 如 高速打印 包装机械 机器人和定位平台等自动化应用 2 IR2175 具有 2 Ous 过电流关断信号输出 可以直接与微处理器或数字 信号处理器进行连接 现有线性电流传感的光学或霍尔效应系统的关断时间一 般长达 3 4us 通常需要两个外置比较器和一个电平转换运算放大器才能达到与 此相同的功能 3 IR2175 无需设置光祸合器 确保了系统性能的持久稳定 有助于提高 系统可靠性 因为随着光祸合器老化 发光管和接收器件之间的电流传输比将 逐渐减弱 有可能造成系统故障 4 IR2175 采用 PWM 数字信号输出 并用自举电源取代了专用辅助电源 从而有效减小了器件尺寸 减少了零件数目 5 电机驱动器电路采用 IR2175 可省去外置光学或霍尔效应传感器 从而 进一步缩小电路尺寸 简化设计并提高可靠性 图 4 8a 给出了电流检测电路 图 4 8b 给出了电压检测电路 在进行低端 电流检测时还有严重的问题 接地通路中的电阻意味着负载 地 将随着电流 的变化而变化 这可能引起系统共模误差 并在与需要相同地电平的其他系统 连接时出现问题 这种方法只能以 地噪声 换取分辨率的提高 通过在电源 和电感之间放置电流检测电阻 可以避免地电平变化问题 a 电流检测原理图 b 电压检测原理图 图 4 8 检测电路原理图 4 4 5 5 2 2 驱动电路驱动电路 驱动电路就是将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求 转换为相应 的驱号 采用厚膜专用驱动芯片 M57962 可按默认值直接使用 也可根据需要 调节死区时间 软关断的速度 故障后再次启动的时间 驱动电路原理图如图 4 9 所示 图 4 9 IGBT 驱动原理图 该驱动电路最大可驱动 IGBT 300A 1200V 或 600A 600V 一只单管大功率 IGBT 模块 驱动器已顺利应用于小功率 IGBT 单元驱动 驱动性能稳定 具有 过流保护功能 每一路驱动需要工作电源 15V 和 lOV 各路电源之间需要隔离 4 4 5 5 3 3 隔离电源隔离电源 本文以低成本的电流型控制芯 TL3842 电流型 PWM 控制芯片为核心构成开 关频率 1OOkHz 宽电压输入双闭环电流控制 5 路隔离稳定输出的 40W 开关电 源电路 已经调试成功 并已用作实验室 IPM 模块的驱动电源 驱动电路原理图如图 4 10 所示 图 4 10 隔离电源原理图 4 4 5 5 4 4 DSPDSP 芯片功能接口电路芯片功能接口电路 1 DSP 电源电路 本系统中使用的是电源芯片系列 TLV1117 它是固定低压差稳压电源 可 提供 1 8V 和 3 3V 稳压电源 输入电压 SV 输出电流可达 800mA DSP 电源原理图如图 5 11 所示 a 内核 1 8V 供电电路 b 外设 3 3 V 供电电路 图 4 11 DSP 芯片供电电路图 2 CAN 接口电路设计 TMS320F2812 与 CAN 驱动芯片 UC5350 的接口电路如图 5 12 所示 电阻 R14 作为 CAN 终端的匹配电阻 电路应用非门芯片 74LVC04 作为电平转换器 以实 与 F2812 的信号连接 图 4 12 CAN 总线接口电路设计图 图 4 12 中 CANRXA 和 CANTXA 分别代表 TMS320F2812 的接收发送引脚 集成芯片 UC5350 是一个高速 CAN 收发器 通信速率可达 1 Mbps 通过上面的 硬件电路 可实现本系统用与整车控制器的可靠通信 第五章第五章 结论结论 本文重点围绕复合储能系统结构拓扑 针对大功率应用的特点 通过大量 的理论分析 仿真和实验的手段 深入研究了大功率双向 DC DC 变换器的拓扑