超级电容与直流电机组成动能回收系统Word下载.docx
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（二）动能回收系统的结构……………………………………………………6
（三）系统控制单元……………………………………………………………8
1.电机控制方案……………………………………………………………8
2.动能回收系统的主要控制结构…………………………………………8
3.DC/DC变换器……………………………………………………………9
4.控制器的程序框图……………………………………………………11
三、动能回收系制动统控制策略…………………………………………11
（一）并行制动力分配………………………………………………………12
（二）制动策略的优化………………………………………………………13
（三）行驶模式………………………………………………………………16
四、系统的仿真………………………………………………………………17
（一）能量的回收与输出实验………………………………………………17
（二）优化后的制动力仿真…………………………………………………20
参考文献……………………………………………………………………22
附录……………………………………………………………………………23
正文
汽车经过120年的发展和壮大，其性能已日趋完善，在安全、环保、节能和廉价等方面取得了重大的进展。
但是，内燃机汽车的发展面临着环境污染和能源危机的双重挑战，而通过加入了电动机的混合动力车，已逐渐成为人们生活中一种重要的绿色交通工具。
利用电动机的再生制动对汽车制动时的动能进行回收，转换成电能，再通过电动机将这部分能量作为动力输出，从而提高了能量的利用率。
提高了汽车的燃油经济性和电动模式下的行驶里程。
但采用向蓄电池充电来吸收再生制动回馈的能量，难以实现短时间大功率高效率充电，且蓄电池的充放电循环次数有限、成本高。
对此，本文设计了一种动能回收系统，并以超级电容为储能器件作为汽车的辅助电源系统，并针对各种工况，设置了对应的模式，以提高汽车的性能。
一、超级电容
超级电容（Supercapacitors），也被称为电化学电容器（ElectrochemicalCapacitors），是上个世纪7，80年代，研制出一种新型储能装置。
它是一个跨传统电容器和电池之间的特殊电源，并具有特殊的性能，主要依靠双电层和氧化还原假电容的充电储能，所以不同于传统的化学电容。
超级电容器突出的优势是高功率密度，充放电时间短，循环寿命长，工作温度范围宽。
[1]
（一）超级电容特点
1.电容量大，超级电容器的可极化电极是用活性炭和活性碳纤维制成的，这大大增加了电解质的接触面积，根据电容的计算公式，电容量随极板面积的增大而增大，所以，一般超级电容器容量能轻松超过1F，它的诞生使电容器的容量范围猛然提升了3~4个数量级，目前的超级电容最大可达5000F；
充电和放电的寿命长，可达50万次，或9万小时，而电池的充放电寿命很难超过1000次；
3能提供高放电电流（如2700F超级电容器的额定放电电流不小于950A，峰值放电电流可以达到1680A而电池通常不会有这样的大电流放电，即使能提供如此高的放电电流，也会缩短其使用寿命；
4可在几十秒到几分钟内将电充满，快速将电池充满在这么短的时间内将是极其危险的，几乎是不可能的；
5在一个很宽的温度范围（-40-70°
C）之内可正常工作，而电池则难以在高温下，特别是在低温下工作；
6超级电容器的材料是安全和无毒的，铅酸电池，镍镉电池有很强的毒性；
7相对于传统的电容器的等效串联电阻ESR（110mΩ的ESR10F/2.5V）要大；
8可以并联使用，以增加电容量，均压后，也可以串联使用。
（二）超级电容器的性能指标
1额定容量：
在规定的恒定电流（如上述1000F超级电容器充电电流的要求为100A，200F的为3A）充至额定电压后保持2到3分钟，再在规定的恒定电流放电条件下放完电的时间乘以电流再除以电压；
2额定电压：
允许使用的最高端压（2.3V，2.5V，2.7V）；
3额定电流：
5秒内放电到额定电压一半的电流；
4等效串联电阻：
在规定的恒定电流和频率（直流和大容量的100Hz或小容量的kHz）下的等效串联电阻；
5漏电流：
典型值为10μA/F；
6寿命：
使用寿命在25℃的环境温度下通常在9万小时，在60℃的环境温度下为4000小时，铝电解电容器有类似的温度寿命关系。
温度上升，电解液蒸发，导致寿命随环境温度上升而缩短。
结束寿命标准：
电容量小于额定容量的20％，ESR增大至额定值的1.5倍；
7循环寿命：
以规定的方法进行循环充放电，一般可达50万次。
8功率密度（千瓦/千克）和能量密度（千瓦时/千克）。
（三）超级电容与蓄电池的比较
1.有较低串联等效电阻，功率密度可达电池的几十倍，适合大电流放电，（比如一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上）；
2.超长的寿命，充放电大于50万次，是锂电池的500倍，是镍镉和镍氢电池的1000倍，如果对超级电容每天充放电20次，则可连续使用多达70年；
3.可以进行大电流充电，充放电时间短，对充电电路要求简单，无记忆效应，免维护，可密封；
4.温度范围宽-40℃～+70℃，而普通电池是-10℃～50℃；
5.超级电容可在额定电压之内进行任意充放电，并且可以完全放出。
而电池则因自身的结构只能工作在一定电压范围内，若过放则可能会损坏；
6.超级电容的荷电状态（SOC）与电压成简单函数关系，而电池的荷电状态则复杂得多；
7.超级电容不会因反复的脉冲能量而受损，而电池的寿命则会明显缩短；
8.超级电容可快速充电，电池则不行；
9.超级电容充电次数可达几十万次，而电池则只有几百次；
10.超级电容功率密度比电池高，但能量密度却不如电池。
但有时可将两者结合起来，将超级电容器的功率特性和电池的高能量存储进行优势互补，不失为一种更好的途径；
（四）超级电容的应用
1.超级电容器两个主要应用：
高功率脉冲应用和瞬时功率保持；
2.高功率脉冲应用特征：
瞬时对负载提供大电流；
3.瞬时功率保持应用特征：
要求持续向负载提供功率，持续时间一般为几秒或者几分钟；
4.高功率脉冲应用是利用超电容较小的内阻（R），而瞬时功率保持是利用超电容大的静电容量（C）；
5.超电容容量的近似计算公式：
能量需求=超电容输出能量；
保持期间所需能量=1/2I（Uw+Umin）t；
超电容输出能量=1/2C（Uw2-Umin2），
因此，可得其容量（忽略由IR引起的压降）C=I（Uw+Umin）t/（Uw2-Umin2）。
二、动能回收系统设计
直流电机特性曲线优良，且调速性能好，过载能力大，启动转矩大，并且在制动的状态下能处于发电状态，产生制动力矩，并将动能转化为电能，将发出的电能存储起来，并在汽车起动，加速，行驶时释放，让直流电机处于电动状态，单独驱动或与内燃机共同驱动，已达到节能或增加汽车的性能。
（一）直流电机的运行分析
1.直流电机的结构和原理
直流电机主要由定子，转子和换向器构成。
定子的主要作用是产生磁场，支撑电机。
转子的作用是产生电磁转矩和感应电动势，进行能量转换。
直流电机的工作原理：
电枢线圈通电后在磁场中成为载流导体，载流导体在磁场中受到电磁力作用产生电磁转矩T，电枢在电磁转矩T作用下旋转，旋转的电枢线圈又切割磁力线，从而产生感应电动势E，由于换向器的作用，感应电动势E总是与外加电压的方向相反，称为反电动势。
直流发电机的工作原理：
原动机驱动电枢在磁场中旋转，电枢线圈的有效边切割磁力线，电枢线圈中产生感应电动势e，交变的感应电动势在换向器的作用下变换成电刷之间的直流电动势E，接负载后，电枢中产生电流I，载流导体在磁场中受到电磁力作用产生电磁转矩T，原动机克服T的作用将机械能转变成电能。
2.直流电机的选用及机械特性
对于电动汽车，针对其运行特性，故将电机选用为串励式直流电机。
串励直流电机是将励磁绕组与电枢绕组串联，电枢电流
即为励磁电流
，电枢电流
（即负载）变化将引起主磁通的变化。
串励直流电机的机械特性如图1.1所示。
图1.1
在轻载磁路不饱和时串励直流动机的机械特性为：
该式表明转速n与
成反比，其机械特性如图1.1中AB段。
当
较大，磁路饱和时，
基本保持不变，此时机械特性与他励直流电动机的机械特性相似，为较“硬”的直线特性，如图1.1中BC段。
由机械特性曲线可以看出：
特性曲线是一条非线性的软特性，随着负载转矩的增大（减小），转速自动减小（增大），保持功率基本不变，即有很好的牵引性能，起动转矩大，过载能力强，且与汽车行驶特性相似，因此适合于汽车的牵引。
串励直流电动机同样可以采用电枢回路串电阻、改变输入电压和改变励磁磁通的方法来获得各种人为特性，如图1.2所示。
[2]
图1.2
对于串励直流电动机，由于理想空载转速为无穷大，所以它不可能有回馈制动运转状态，因此可将其把励磁绕组由串励形式改接成他励形式，即把励磁绕组单独接到电源上，其制动曲线如图1.3所示。
图1.3
（二）动能回收系统的结构
如图2.1所示，动能回收系统由直流电机（动力模块），超级电容和蓄电池（储能模块），双向DC/DC转换器（电能传输模块），传感器组（信号接受模块），处理单元（控制模块）等组成。
车辆行驶过程中，驾驶员通过踩下制动踏板或加速踏板，使传感器接受到信号，传感器信号通过处理单元，向控制器发出指令，控制直流电机的运行状态和超级电容与蓄电池的充放电。
通过加速度和速度传感器，可判断汽车的运行状态，通过控制励磁电流与电枢电压，调节直流电机力矩，已到达不同的模式，用来适应日常的使用状况。
动能回收系统可置于汽车的后桥，电机通过一组减速器联接到后轴，各模块间的通信通过CAN总线，连接到ECU，从而实现信号和指令的处理。
图2.1
由于超级电容和蓄电池的各自特点，结合使用进行优势互补，针对不同的工况，分别进行供，蓄电。
在汽车正常行驶的工况下，由控制器控制蓄电池对直流电机供电，在汽车处于制动状态的情况下，控制器采集直流电机的制动信号，通过程序计算控制双向DC/DC变换器，将回收的动能最大效率的充给超级电容，在汽车起动、加速、上坡时，控制器采集加速信号，控制双向DC/DC变换器，对超级电容进行升压，预先驱动直流电机，并在电机转速达到设定值后交由蓄电池对电机供电。
[3]
几种情况下的工作方式：
1.正常行驶情况下，由蓄电池单独供电，超级电容不参与工作。
如图2.2a。
2.起动，加速，上坡等大负荷情况下，先由超级电容单独供电，当电机转速达到设定值时交由蓄电池供电，如图2.2b。
3.制动情况下，由于蓄电池在能量密度以及使用寿命等性能上存在劣势，因此动能回收时，发电机发出的电能全部交由超级电容进行存储，蓄电池不参与工作，如图2.2c。
图2.2a
图2.2b
图2.2c
由图2.2可以看出，这种超级电容与蓄电池组成的复合电源系统有如下优点：
可以在再生制动工况下实现大电流高效率充电，从而提高能量回收效率以延长汽车的续驶里程；
可在汽车启动、加速、爬坡工况下预先驱动电机，避免蓄电池大电流放电，提高蓄电池的寿命；
可提高汽车的制动力矩，改善制动系统的可靠性。
[4]
（三）系统控制器单元
1.电机的控制方案
根据直流电机的机械特性，在加速过程中，为了保持电机的输出力矩和加速踏板的位置保持线性，且获得与内燃机相似的操控感觉，使得驾驶员能够更好的对汽车进行操控，因此对电机采取通过改变电枢电压U，对电机进行调速。
此方法有机械特性硬度不变，速度稳定度较高，调速范围较大，能进行恒转矩调速等特点。
根据加速踏板的开度大小，ECU会选择转矩的大小，转矩的大小和加速踏板的开度成正比，然后通过调节双向DC/DC变换器，对超级电容或电池的输出电压进行调节，从而改变直流电机的转矩，以满足不同的行驶需求。
当驾驶员不需要再继续加速时，可松开踏板，即可减小输出转矩，从而保证汽车的平稳行驶。
在制动时，将串励直流电机改接成他励形式，由于励磁回路需要的电流较小，因此励磁回路用蓄电池进行供电，电枢回路对超级电容进行充电。
制动过程中，根据需要的制动力的大小，对励磁电流进行控制，但是这样的制动力矩并不是恒定的，制动转矩会随着速度的减小而减小。
因此需要和机械制动一起配合，以最终使汽车停止。
2.动能回收系统的主要控制结构
动能回收系统的控制器是以ATMEL公司mega16单片机为控制核心，控制系统由双向DC/DC变换器、CAN总线接口、信号检测电路、执行机构等组成，如图3.1所示，需要进行采样的信号有超级电容和蓄电池的端压及其充放电电流、经DC/DC变换后的电压、电机在制动时的发电电压、电机的转速以及踏板的加减速信号，控制器输出2路PWM信号，对双向DC/DC变换器进行控制。
图3.1
3.双向DC/DC变换器
DC/DC变换器的结构为带隔离的双向全桥式，该拓扑结构的主要特点有：
主变压器各只有一个一次绕组和二次绕组，通过正反向的电压获得正反向的磁通，变压器铁心和绕组得到最佳利用。
功率开关器件因全桥结构使得最大反向压降减半。
其缺点是所需的功率器件比较多，效率比较低，损耗也稍高。
[5]
双向全桥DC/DC变换器的主电路结构如图3.2所示，输入的直流电压通过全桥逆变为高频的交流电压，再经过中间隔离变压器将该高频的交流电压变压，之后通过全桥整流成直流电压进行输出，通过PWM调节开关管的开关时间，以改变占空比，从而对直流变压比进行调节。
图3.2
DC/DC变换器的系统结构框图如图3.3所示，该结构主要包括高频整流/逆变单元，隔离式变压器，功率开关器件的驱动电路，保护电路，信号的采样电路，PWM控制电路。
图3.3
信号采集单元主要包括电压、电流信号采集电路，速度、转速信号采集电路，加速、制动信号采集电路等，经过调理后成为适合于单片机内部进行A/D转换的信号。
主要对超级电容的电压，电机的电流及转速，踏板的开度进行采集。
其中电流使用霍耳电流传感器检测，电压使用分压电路检测，速度信号采集由霍耳信号引出，为避免对霍耳信号产生影响，用光耦进行隔离，并通过mega16定时器输入捕捉功能实现。
电机速度信号采集电路如图3.4所示。
图3.4
DC/DC变换器采用IGBT作为开关管，其驱动电路由集成电路TLP250构成。
[6]TLP250内部的隔离电压可达2500V，上升和下降时间均小于0.5μs，输出电流达0.5A，可直接驱动50A/1200V以内的IGBT。
外加推挽电路后，可驱动更大的IGBT。
如图3.5所示。
图3.5
4.控制器的程序框图
此程序的功能是判断汽车的运行情况，对超级电容的充放电进行控制。
当检测到汽车处于制动状态时，超级电容为充电状态，电路切换至再生制动回路，并启动升压程序，对能量进行最大限度的回收；
当检测到汽车处于起动、加速状态时，超级电容为放电状态，电路同样切换至再生制动回路，启动升压程序，预先驱动电机，当电机转速达到预定值后切换至蓄电池向电机供电，软件控制框图如图3.6所示。
图3.6
三、动能回收系统的控制策略
（一）并行制动力分配
对于附着条件的利用，和使汽车在制动过程中保持稳定性的条件是汽车的前、后轮同时抱死。
[7]对于普通轿车来说，只需要用比例阀分配制动力就可以实现前、后轮同时抱死和对附着条件有较高的利用率，对于混合动力车，根据其特点，需要一种特殊的分配控制策略——并行制动。
所谓并行制动是指电机再生制动和机械制动共同作用，作为汽车的制动力。
并行制动结构如图4.1所示。
图4.1
也就是说，车轮的制动力等于再生制动过程中电机的电磁阻力加上机械制动过程中制动器的摩擦力，其控制策略如图4.2所示。
图4.2
当汽车不需要太大的制动力时，仅靠再生制动作用，其中包括模拟发动机的制动效果。
当汽车所需的制动力增大时，机械制动将介入工作，再生制动所占的百分比将逐渐减小。
当汽车所需制动力大于某值（本文为0.7g）时，表明这是一个紧急制动的过程，再生制动将不再作用，制动力全部由机械制动提供。
当所需的制动力介于两者之间时，两种制动将共同作用。
图4.3为再生制动强度—制动加速度的对应关系。
这是再生制动控制的基础，其中再生制动强度为再生制动力与汽车自重的比值。
[8]
图4.3
（二）制动策略的优化
并行制动控制策略的控制曲线如图4.4所示，根据再生制动与机械制动在不同的制动强度下对应的关系，选取A，B，C，D，4个节点作为变量，对再生制动进行最优的控制。
图4.4
因此，选择4个点作为变量的坐标
即X={
}
再生制动是为了尽可能多地回收制动能量，这也是控制策略的设计目标。
选取平均再生制动力做为目标函数，在一定的循环工况下，优化控制策略。
目标函数可表示为
式中A（z）是制动强度对某循环的分布函数，通过对汽车在一段时间内的行驶工况进行分析而得到。
图4.5为欧洲的ECE循环的分析结果。
[9]图中显示制动强度基本分布在0.8m/s2左右，即0.08g左右。
由此，A（z）可定义为
图4.5
并行控制策略的原则是，当汽车所需的制动力较小时，仅靠再生制动作用。
当所需制动减速度大于0.7g时制动力全部由机械制动提供，当所需制动力介于两者之间时，再生制动和机械制动共同作用。
相应的约束条件为
在对比例阀进行设计时，应将D点控制在理想曲线上，并且总制动力在D点处大于0且小于C点处，相应的约束函数为
汽车在制动过程中车轮最好不要发生抱死的情况，以防因后轮抱死而发生侧滑或因前轮抱死而失去转向能力。
因此，应当以所有车轮即将抱死而又未抱死的情况下所产生的制动力作为最大制动力。
[10]为了确保制动时汽车的制动效率和方向稳定性达到安全标准，UNECE针对两轴汽车的前、后轮制动力制定了ECER13法规。
中国也有类似的行业标准ZBT240007-89。
对轿车来说，ECER13规定:
时的车辆，制动强度
。
制动强度z处于0.3~0.4间，后轮的附着系数曲线在
之内时，允许后轮的附着系数曲线在前轮的附着系数曲线之上，如图4.6所示。
图4.6
在再生制动过程中，制动力是有直流电机所提供，电机的制动转矩是与励磁
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