电动教练车的双电源协同控制方法研究-AET-电子技术应用

电动教练车的双电源协同控制方法研究

2017年电子技术应用第10期

孟彦京，贾娟娟，马汇海，吴辉

陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安710021

摘要： 采用具有不同性能优势的两种蓄电池协同驱动电机，对负载输出功率进行合理调配,解决了动力电池因频繁大电流放电严重影响其寿命的问题，通过对两电池SOC的监测和比较，调整动力电池的最佳放电阈值，使两电池电量基本在同一时间放完，提高电能的利用率。使用MATLAB软件搭建了系统仿真模型，结果表明，系统可根据负载需求及时调整工作模式，起动电池来满足系统所需的峰值功率，使动力电池的电流基本处于平滑工作区间，避免了动力电池大电流放电，延长了其使用寿命，容量平衡控制使两电池电能被充分利用，具有实用价值。

关键词： 电动教练车起动电池动力电池协同驱动使用寿命

中图分类号： TN86
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170462
中文引用格式： 孟彦京，贾娟娟，马汇海，等. 电动教练车的双电源协同控制方法研究[J].电子技术应用，2017，43(10)：145-148.
英文引用格式： Meng Yanjing，Jia Juanjuan，Ma Huihai，et al. Research on the method of cooperative control for learner-drive vehicle with double-power[J].Application of Electronic Technique，2017，43(10)：145-148.

Research on the method of cooperative control for learner-drive vehicle with double-power

Meng Yanjing，Jia Juanjuan，Ma Huihai，Wu Hui

College of Electrical and Information Engineering，Shaanxi University of Science & Technology，Xi′an 710021，China

Abstract： The batteries with different performance advantage are adopted to cooperative control motor, allocated load output power reasonably,the problem of frequently large current discharge seriously affect the power battery life is solved. And through the monitoring and comparison of the SOC of the two batteries to adjust the optimal discharge threshold of the power battery, so that the battery power of the two batteries is basically used up at the same time. Simulation model is given by using MATLAB software to demonstrate the control system can accord to the load demand to adjust work mode intelligently. Start battery meet the peak power demand, so that power battery work in the smooth power range. The design prolonged the service life of power battery. Capacity balance control enables full utilization of two battery power and has a strong practical value.

Key words : learner-drive vehicle；start battery；power battery；cooperative control；service life

0 引言

将教练车的发动机更换为电动机，其他结构不变使之成为一种电动教练车，实现节能减排。但教练车工作状态频繁切换，导致负载功率宽范围变化，蓄电池要满足负载需求，其电流就必须具有宽范围变化的能力，为了不影响电池寿命，瞬时大电流放电又是不被允许的，因此产生了矛盾。

现有的教练车均采用铅酸或锂离子动力电池进行驱动，无法同时满足教练车对蓄电池的高能量密度、高功率密度、较长循环寿命、较好经济性的要求^[1-3]。且经实验发现大电流放电严重影响铅酸动力电池的可放出容量，即存在“放不出来”现象。

针对以上问题，本文拟选用较经济的铅酸电池，采用与动力电池特性互补的起动电池来“削峰”，即利用双电源协同驱动电机。起动电池提供电机峰值功率，且满足一定时间峰值助推力需要的能量，在保证整车动力性能的前提下，使动力电池输出功率尽可能保持恒定或平滑，避免了大电流放电对其的损坏，延长了动力电池的使用寿命，增加了教练车的续航时间。

1 系统方案设计

双电源协同驱动系统中起动电池能量密度小，在释能过程中电压下降较快^[4-5]，当其电压小于动力电池电压时，由于电势差的存在无法及时对系统需要的大功率做出补偿。因此，选用的起动电池组端电压应大于动力电池组端电压，再通过DC/DC变换器实现端电压的自动匹配，保证起动电池能随时补充负载需要的大电流，电路设计原理图如图1所示。

图中，E_d、E_s分别为动力电池、起动电池的开路电压，R_d、R_s分别为动力电池、起动电池的内阻。起动电池经VF₂、VD₃、L₁组成的Buck变换器与动力电池并联，虚线框内为逆变器自带电路，其中C₁、R为教练车等效负载，R₁与VF₁构成等效负载中电容的预充电电路，VD₁、VD₂为防反充二极管，起到防止两电池之间相互充电的作用。

2 系统控制方案

2.1 功率调配控制

教练车工作状态多变，负载电流变化范围大^[6]。当负载电流超过动力电池的最佳放电电流时，为避免动力电池大电流放电受到损坏，以起动电池作为“峰值”补充电源，使动力电池所提供电流维持在最佳放电电流范围内。对教练车中关键部分能量源起到管理和保护作用。设I₁为动力电池电流，I₂为负载需求电流，I₃为起动电池电流，I_set为动力电池可接受最佳放电电流，则工作状态分为两种模式：

(1)若I₂－I_set≤0，则I₁≈I₂，I₃≈0。即负载所需电流I₂在动力电池可接受的最佳放电电流范围内，几乎全部由动力电池提供。

(2)若I₂－I_set>0，则I₁=I_set，I₃=I₂－I_set。即负载所需电流I₂超出动力电池可接受最佳放电电流范围，则动力电池的放电电流基本维持为I_set，剩余部分由起动电池供给。

两种工作模式中，开关管VF₂都处于调节状态。第一种模式下，输出较小的占空比控制VF₂，使起动电池只提供很小的电流，目的是使起动电池始终处于动态预备状态，防止其在负载突变时，无法快速对大电流进行补充；第二种模式下，系统采样负载电流I₂，与给定电流I_set做差得到误差值，经比例(P)调节后输出占空比信号，控制VF₂的通断来对起动电池需补充的电流进行调节，控制框图如图2所示。

2.2 容量平衡控制

铅酸动力电池相关参数标准规定，最佳放电率为0.1 C~0.2 C^[7]，本系统中I_set在0.1 C~0.2 C范围内调节都是合理的，将I_set初始值设置为0.15 C，方便控制。为使动力电池所能持续放电的时间内，起动电池的电量也基本放完，用安时积分法检测两个电池的“荷电状态”（State of Charge，SOC），比较后对I_set进行调节，设SOC₁、SOC₂分别为动力、起动电池的荷电状态，控制思路为：

(1)当SOC₁>SOC₂，提高I_set的设置值，使动力电池多提供能量，SOC₁降低，直到与SOC₂值接近。

(2)当SOC₁<SOC₂，降低I_set的设置值，使起动电池多提供能量，SOC₂降低，直到与SOC₁值接近。

铅酸蓄电池放电深度在30%~90%范围内时具有较长寿命且在其生命周期内放出较多容量^[8]，将蓄电池最低SOC设置为30%，当起动与动力电池中任意一个容量降低到30%时，放电结束，需给蓄电池充电。系统容量平衡控制流程图如图3所示。

3 系统参数设计

3.1 电池选型

已改装的电动教练车所配电机的额定电压为48VAC，考虑到电池的性价比和车辆使用情况，选用型号为6-DG-120B的6节12 V的铅酸动力蓄电池串联使用，其额定容量为105 Ah。经测量电动教练车运行过程中负载所需电流参数如表1所示。

由表1可以看出，车辆在起步、转弯和加速状况下电池需大电流放电，将动力电池工作中的电流平均为15 A，则动力电池可持续工作时间为：

105 Ah×0.7÷15 A=4.9 h

为满足学员一天的练车要求，教练车电源提供能量的时间应达到5.5小时左右,将起动电池工作中的电流平均为35 A，则所选起动电池额定容量应为：

0.6 h×35 A÷0.7=30 Ah

选取型号为6-QWLZ-36的7节起动电池串联，对系统大电流进行补充，其额定电压为12 V，额定容量为36 Ah，起动电流达280 A，满足系统要求。

3.2 系统设计中L₁、C₂的参数计算与选择

起动电池端连接Buck变换器，输入电压为70 V~96.6 V，由表1可知系统负载最大需求电流为60 A，除去动力电池提供的，起动电池应补充40 A左右的电流，将其输出电流最大值定为45 A，开关频率为5 kHz，对于Buck变换器按最大输入电压（96.6 V）计算电感，过程如下：

设负载突变瞬间，允许动力电池电流波动5 A，动力电池内阻为0.06 Ω，则输出纹波电压为：

ΔU=0.06 Ω×5 A=0.3 V

假设输出纹波电压的大部分分量由电容的ESR(R_c)产生，可以选择电容使得ESR满足纹波电压要求，则有：

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

由经典ESR/电容值关系：R_cC₀=50×10^-6 ΩF，计算得到C₀=5.8×10^-3 F。

此电容由两部分组成，分别为电机控制器内部电容C₁和Buck变换器并联电容C₂，本教练车电机控制器中电容C₁为14个180 μF电解电容并联，总容量为2.52×10^-3 F，

则Buck变换器并联电容C₂容量为2.28×10^-3 F，其最高工作电压在83 V左右，选用7个容量为330 μF，ESR为20 mΩ、耐压值为160 V的电解电容并联，降额51.8%使用，满足设计要求。

4 仿真与结果分析

为验证本设计的合理和有效性，利用MATLAB软件搭建了系统的仿真模型，如图4所示。

仿真模型中的器件参数设置如下：

动力电池：内阻0.06 Ω，额定电压72 V，额定容量105 Ah；起动电池：内阻0.01 Ω，额定电压84 V，额定容量36 Ah；

L₂电感量为8×10^-5 H，C₂容量为2.3×10^-3 F；电阻R₂、R₃、R₄来模拟电动车负载，由给定信号G₂、G₂来控制VF₁、VF₂的通断，当VF₁、VF₂依次闭合，系统负载逐渐增大。仿真结果如图5所示。

图中V_c1、V_c2分别为电容器C₁、C₂的端电压，i₂为负载需求电流、i₁为动力电池所提供电流、i₃为起动电池所提供电流。由图可以看出，0~0.15 s内，电容器C₁端电压升高，处于充电状态，而电容器C₂在起动电池作用下逐渐被充满；0.2 s时负载接入，系统开始工作，0.2 s～0.5 s内，负载所需的电流较小，仅为14 A，小于I_set设置值，此阶段动力电池几乎提供了负载所需的全部能量；0.5 s时负载突变，需求功率增大，所需电流增加到34 A，大于I_set的设置值，此时动力电池提供了15 A电流，起动电池提供19 A电流；1 s时负载再次突变，所需电流增加到60 A，动力电池仍提供15 A电流，起动电池提供剩余电流。

因仿真时间较短，电源SOC变化不明显，无法看出容量平衡控制效果，采用信号发生器给定变化的SOC₁、SOC₂信号进行模拟，仿真模型如图6。

模拟中I_set初始设置值为16 A，间隔时间设置为0.5 s，图7为模拟仿真波形，由图可以看出，在1.5 s、2 s时，I_set值均增加了2 A，观察SOC₁、SOC₂的变化发现在1.5 s、2 s时SOC₁、SOC₂的关系满足SOC₁>SOC₂，|SOC₁－SOC₂|=a，a>10%且有增大趋势，为使SOC₁、SOC₂接近，提高了I_set的设定值，让动力电池多提供能量，在2.5 s时，也满足此关系，但I_set已增加到动力电池最佳放电电流的阈值，则不再增加，在4.5 s、5 s时，I_set值均减少了2 A，此时SOC₁、SOC₂的关系满足SOC₁<SOC₂，|SOC₂－SOC₁|=a，a>10%且有增大趋势，为使SOC₁、SOC₂接近，减小了I_set的设定值，让起动电池多提供能量，仿真结果与控制策略一致，验证了方案的可行性与正确性。