【电动汽车复合电源结构与组成分析5400字】

电动汽车复合电源结构与组成分析目录TOC\o"1-3"\h\u9195电动汽车复合电源结构与组成分析 1325681.1电动汽车基本结构分析 1251221.2复合电源组成与结构 2323511.1.1蓄电池特性分析 3123961.1.2超级电容特性分析 6176431.1.3复合电源结构研究 927301.3双向DC-DC变换器工作原理 131.1电动汽车基本结构分析电动汽车是利用电力作为汽车行驶的主要的驱动力，主要是利用车载的储能系统来提供电动汽车不同运行状态下所需的功率。电动汽车相比于传统的燃油汽车而言具有环保这一大优点。近几年新能源汽车受到了人们极大的关注，许多国家都在大力推动电动汽车的发展。图2-1为现在最常见的电动汽车的基本结构。图2-1电动汽车基本结构图根据图2-1的电动汽车基本结构可知，电动汽车主要由三大子系统构成：动力子系统、能源子系统和低压子系统。各个子系统之间通过能量或通信线进行连接，接入整个系统中。其中动力子系统与能源子系统相互作用共同决定了电动汽车的续航能力和动力输出，而低压子系统主要作为电动汽车的电源。在电动汽车的基本结构中最重要的部分是其动力和储能系统，动力电池是电动汽车的主要能量来源。图2-2是电动汽车动力和储能系统的结构图。由图可知动力电池通过DC-DC变换器向交流电动机提供稳定的电压，驱动交流电动机转动，从而形成电动汽车的驱动力，由此可见电动汽车的动力输出和续航能力受动力电池和DC-DC变换器的特性的限制。图1.2电动汽车的动力和储能系统的结构电动汽车在启动、加速和爬坡等运行状态下需要动力电池瞬时提供很大的功率，而在制动减速和溜车等状态下则会反向提供大量的能量，这使得动力电池的充放电曲线变换较为剧烈，但单一的蓄电池作为电动汽车的能量来源时由于充放电曲线的剧烈变化则会大大缩短电池的使用寿命，且由于蓄电池的比功率值较低从而无法满足电动汽车对峰值功率的需求。因此采用具有高比功率值的超级电容来与蓄电池进行互补形成性能优于蓄电池的复合电源。1.2复合电源组成与结构在电动汽车的储能系统设计中，由于蓄电池是能量密度型器件，充放电电流不能过大，且蓄电池的使用寿命受充放电次数的影响较大，因此仅由单一的蓄电池作为电动汽车的动力电池严重限制了电动汽车的动力输出和续航能力，因此为了解决这一限制，研究者提出了由超级电容与蓄电池结合形成复合电源来为电动汽车提供能量。超级电容具有循环使用寿命长、输出功率高以及大电流充放电等优点，能够在电动汽车处于重载的情况下瞬时提供很大的峰值功率，而且在电动汽车处于减速或制动情况下存储制动能量。由图2-3可知，电动汽车复合电源主要由蓄电池、超级电容、双向DC-DC变换器以及能量管理系统等构成，若要研究复合电源的工作原理，首先需要了解各组成部分的工作特性和影响因素。图1.3电动汽车复合电源组成结构蓄电池特性分析电动汽车在行驶时，为了能够满足电动汽车的各个工况的工作要求，需要对蓄电池充放电过程进行研究，使用实验室中的美国Arbin电池充放电实验设备进行充放电和仿真测试。采用的是的电池是普通容量为200Ah，分别根据在电动汽车中的使用50A、60A和70A的恒定电流进行充放电测试，可以得到如图1.4蓄电池的充放电曲线，（a）蓄电池充电时的电压变化曲线（b）蓄电池放电时的电压变化曲线图2-4蓄电池充放电时的电压变化曲线由图2-4可知，在蓄电池的充放电过程受电流强度的影响。在充电过程中，电流强度越大，相同充电时间下蓄电池的端电压就越大，充电速度快，但能量损失也较为严重。在放电过程中，电流强度越大，蓄电池的端电压下降的就越厉害。如图2-5所示，为蓄电池充放电过程中其荷电状态SOC与充放电时间的关系曲线。荷电状态SOC是用来反映电池的剩余容量，其数值上定义为剩余容量与电池总容量的比值，常用百分数来表示。其取值范围为0~1，即当其值为0时，表示电池放电完全，当其值为1时，表示电池完全充满。由图2-5可知，在蓄电池充电过程中，电流强度越大，充电速度越快；在蓄电池放电过程中，电流强度越大，放电速度越快。（a）充电时SOC变化曲线（b）放电时SOC变化曲线图1.5电池充放电SOC变化曲线超级电容特性分析超级电容又称为法拉电容或黄金电容，其储能的过程是通过极化相应的电解质来进行储能，且储能过程不涉及化学反应，因此其具有使用寿命长、可实现大电流快速充放电和瞬时输出大功率等优点。目前最长用的超级电容均采用双电层结构，其工作原理如图2-6所示。图1.6双电层超级电容工作原理超级电容由正、负极和电解液构成，当在超级电容正、负电极之间施加一定电压时，超级电容正、负电极之间形成电场，当该施加电压小于电解液分解电压时，电解液中的正、负离子在电场的作用下快速向反方向运动，分别聚集在两电极表面，形成一层紧密的电荷层，即双电层。分析超级电容器的特性，同样可以采用恒流的方式充放电，分析超级电容器的端压与时间的关系，充放电电流大小与时间的关系。对超级电容进行研究，采用如图1.7所示的简化串联RC模型为超级电容的等效模型。其中UC(t)是理想超级电容两端的电压，RS为超级电容的等效内阻，IS1和IS2分别为超级电容处于充放电过程中的电流。由RC等效电路模型可知，由于Rs的存在，在充放电过程中必然伴随着能量的损耗，因此其充放电效率会受到影响，内阻越大，能量损耗也就越大，则充放电效率就越差。图1.7超级电容简化串联RC等效模型在图1.7的超级电容简化串联RC等效模型中，可以对超级电容充放电时的端电压进行计算，假设充电完成后的超级电容的端电压为，放电后的充电容的端电压是，可以得到：(2-1)(2-2)对超级电容的充发电时间可以利用下式计算得到：(2-3)(2-4)在式（2-3）和式（2-4）中，是超级电容在充放电过程端电压的变化，代表的是充放电时间，单位是h。由式（2-1）和式（2-3）联立，令U0=0，即超级电容为零状态时对其进行充电，可得充电电流与充电时间的关系式：(2-5)在充电过程中，超级电容因为内阻产生的充电能量耗损为：(2-6)由式（2-5）和（2-6）可以得到超级电容在充电过程能量损耗ES和充电电流IS之间的关系表达式：(2-7)在式（2-5）、式（2-6）和式（2-7）中，IS为超级电容的充电电流，t为充电时间，U是超级电容的额定电压，当用恒流法对超级电容充电时，超级电容的能量损耗随着充电电流的增大而增大，由此可得在超级电容充电过程中，端电压与充电时间的关系如图2-8，充电电流和充电时间的关系如图2-9。图1.8超级电容恒流充电端电压曲线图1.9超级电容恒流充电电流曲线由图1.8和图1.9可以看出，超级电容充电时，端电压和充电时间呈线性变化，充电电流和充电时间是非线性递减的关系。利用超级电容简化串联RC等效模型可以得到端电压和放电电流的关系为：(2-8)根据上式（2-8）电压和电流的关系，如果在理想的情况下，不考虑超级电容的内阻和忽略超级电容端电压大小受开路电压和放电电流大小的影响，那么就可以得到超级电容端电压随着时间变化时的线性关系，这时获得的关系曲线如图1.10所示。得到的放电时间和放电电流的关系如图1.11所示，可以看出放电时间与放电电流之间是非线关系，在开始阶段是电流快速降低，后面是递减幅度逐步减弱。图1.10超级电容恒流放电端电压曲线图1.11超级电容恒流放电电流曲线复合电源结构研究电动汽车具有多种复杂的运行状态，要求复合电源必须时刻满足电动汽车不同运行状态下对能量的不同要求。为了避免降低蓄电池的使用寿命，因此要求蓄电池能够以恒流的方式输出功率，所以就要求超级电容能够提供电动汽车的峰值功率，且能够最大程度的回收制动能量。由于超级电容和蓄电池这两种储能装置的输出电压不一致，因此引入的双向DC-DC变换器来解决这一问题，从而有效提高存储能量的利用率。根据复合电源中的构成成份及其连接方式的不同，可以将复合电源分为四种拓扑结构，如图2-12所示。图2-12电动汽车复合电源拓扑结构在图2-12（a）所示为蓄电池和超级电容直接并联。由于蓄电池和超级电容直接并联，因此其两端电压被强制相等，但超级电容和蓄电池的充放电特性相差较大，所以该连接方式下超级电容的运行特性受到限制且容量利用率低。在图2-12（b）所示为蓄电池与双向DC-DC变换器串联然后再与超级电容并联。该连接方式相比于图2-12（a）而言可以允许蓄电池和超级电容两端的电压不同，因此其具有能够灵活控制蓄电池的输出功率以及超级电容能够在不同的工况下根据能量的需求快速作出反应。但超级电容的比能量值较小，因此其能够存储的能量较少，在电动汽车所需功率大幅变化时，超级电容两端的电压也会随之大幅变化，从而导致驱动电机由于输入电压的波动而无法正常工作。图2-12（c）所示为超级电容与双向DC-DC变换器串联再与蓄电池并联。该图的连接方式与图2-12（b）一样均采用了双向DC-DC变换器，但该图能够提高驱动电机输入电压的稳定性。因为蓄电池的端电压变化比较平缓，且DC-DC变换器能够改善超级电容两端的电压，因此该连接方式能够提高驱动电机输入电压的稳定性。图2-12（d）所示为蓄电池和超级电容分别串联双向DC-DC变换器然后再并联。该连接方式相比于前两种连接方式能够更加灵活的调节端电压。但由于使用了两个双向DC-DC变换器，因此其成本高且运行维护较为复杂，功率损耗也有所增加，降低了能源的利用率。根据电动汽车在不同运行状态下对功率的需求，根据控制策略分配蓄电池和超级电容分别应提供的功率，从而调节蓄电池和超级电容的输出电流。因此，根据运行状态的不同，复合电源的工作模式可以分为以下四种方式：(1)蓄电池单独供电模式当电动汽车处于匀速运行或缓慢的加速运行状态时，不需要超级电容提供能量，仅有蓄电池单独提供能量就可以满足电动汽车对功率的需求。但当超级电容的S0C较低时，为了能够使电动汽车在所需功率较大时电源所提供的能量仍能满足要求，此时要求蓄电池在能满足电动汽车运行所需功率的前提下同时给超级电容充电。能量流动框图如图2-13所示。图2-13蓄电池单独供电模式能量流动框图（2）仅超级电容供电模式当电动汽车处于轻载起动或瞬时加速的运行状态时，由于在这种运行状态下电动汽车所需的功率瞬时增大，若由蓄电池供电，则会产生较大的冲击电流，会缩短蓄电池的使用寿命。而超级电容可以瞬时提供较大的功率且可以大电流充放电，因此可以仅由超级电容对电动汽车进行供电。能量流动框图如图2-14所示。图2-14仅超级电容供电模式能量流动框图（3）蓄电池和超级电容配合供电模式当电动汽车处于重载起动、加速或爬坡运行状态时，电动汽车所需的功率很大，仅由蓄电池供电不能满足要求，因此需要蓄电池和超级电容共同作用为电动汽车供电，由超级电容提供峰值功率。能量流动框图如同2-15所示。图2-15蓄电池和超级电容配合供电模式能量流动框图（4）电动汽车制动能回收模式当电动汽车处于减速或下坡的运行状态时，驱动电机向外发出能量反向流回复合电源中，由超级电容优先吸收回馈能量，当超级电容的SOC达到上限值时，剩余的能量由蓄电池吸收。能量流动框图如图2-16所示。图1.17电动汽车制动能回收模式能量流动图双向DC-DC变换器工作原理DC-DC变换器通过控制功率开关器件，将给定直流电压转换成所需的另一种直流电压，是完成电能和电压变换最基础的一类功率变换器。根据电路中是否包含隔离变压器，可分为隔离型和非隔离型2大基本类。基本非隔离型DC-DC变换器有3种：降压(Buck)、升压(Boost)和升降压(Buck-Boost)变换器，除这3种基本DC-DC变换器拓扑外，其余所有的隔离、非隔离型DC-DC变换器都能通过基本DC-DC变换器进行等效、级联、变换、演化和隔离等技术手段得到，基本原理也可以用Buck，Boost和Buck-Boost电路的基本理论进行描述，因此需要首先研究基本DC-DC变换器原理，才能将其理论拓展到其他功率变换器中。（1）Buck工作模式在Buck模式下，为了降低电路的输出纹波值，Buck变换器在输出侧增加了LC滤波电路，并使用续流二极管保持电感支路的电流连续。当电路开关器件的工作频率很高、电感L值很大时，其输出电压可认为是稳定的。基本Buck变换器拓扑结构和Buck变换器的典型波形分别如图1.18和图1.19所示。图1.18Buck变换器的基本拓扑结构图1.19Buck变换器的典型波形（2）Boost工作模式Boost变换器能将输入的直流电压抬升，得到更高输出电压。根据电路原理，同一回路中的电流会从高压侧流向低压侧，为了防止Boost电路输出电流回流到低压输入侧的，需要利用二极管阻止电流自然流动方向，故称此管为阻塞二极管。二极管虽可阻止电流反向流动，但仍无法改变其流向，因此要在回路中建立附加感生电势“e”，使输入电压“高于”输出电压。由电感性质可知，在不改变其电流方向的前提下，电感储能和释能过程都能感生出电势，因此可以通过增加和减少电感储能改变感生电势的极性。当电感电流减小时，输入电压会叠加“+e”