初探电力汽车储能系统控制技术

初探电力汽车储能系统控制技术

梁海开

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摘要：本文基于电动汽车混合储能系统，基于其控制技术进行了深入分析，并根据其各种特点进行了设计分析，储能系统的硬件设计主要涉及CAN通信电路的设计。本设计中复合储能系统中最大的控制芯片是具有DSPTM S320F2812模型的芯片，软件设计包括超级电容电压采集程序设计等多种连接。实验试验表明，有效控制电机转速，可以在进行各种模式放电试验的过程中，将超级电容器和蓄电池分别转换为相应的工作方式，最终验证系统的设计特性。

关键词：储能系统；电力汽车；控制技术；双向DC/DC变换器

引言

随着经济发展越来越快，汽车已成为必需的交通工具，汽车工业已成为现代经济的重要支柱产业。在环境污染严重、能源短缺现状下，与传统汽车相比较，在促进人类与环境和谐发展，对能源危机进行缓解等方面，电动汽车具有一定优势，是各国汽车制造商、能源企业研究关注的重点。纯电动汽车与传统汽车不同，将电能作为主要能量来源。在错综复杂的城市路况条件下，电动汽车需要通过不断地加速、减速改变汽车行驶状态，与此同时蓄电池组会随着电动汽车行驶状态的转变形成较大电流，从而给电池组造成一定冲击和影响，甚至会对电池组应用寿命造成直接影响。由于电动汽车中蓄电池的能量回收能力相对较弱，减速过程中无法实现能量回收。通过运用超级电容等诸多高效混合储能系统，能够有效提升电动汽车中蓄电池应用性能。随着环境、能源问题日趋严重，解决能源危机的有效方案之一是推广纯电动汽车。本文基于电动汽车混合储能系统，对其控制技术进行了研究。

1混合储能系统自动协调控制器设计

以自动协调控制器的设计原理为基础可形成6种不同控制信号，在此将其设定成T1-T6。在6种不同控制信号中T1-T4为控制变换器对应的状态信号，其中的T5代表着超级电容器对应的荷电状态信号，最后一个T6则代表着蓄电池对应的荷电状态信号。在每一环节，因蓄电池参与，T3=丫；如果超级电容荷电状态在每种工作情况下满足要求，则T5=丫，否则T5=N；如果蓄电池荷电状态满足要求，则T6=丫，否则T6=N。在输出控制信号后，最终控制目标需联合双向DC/DC控制器实现。

2电动汽车复合储能系统硬件设计

2.1复合储能系统硬件设计指标

本文基于5 kW无刷直流电机进行电动汽车复合储能系统整体设计分析，在设计过程中将电机额定电流设定为124 A，额定转速设定为3521r/min，额定电压设定为51V；此次设计中运用的蓄电池是由两块锂电池通过串联形成的蓄电池组，每个锂电池的标称容量可达到52Ah，对应的额定电压是25.5V；此次设计中的超级电容器对应的标称容量是165 F，对应的额定电压是49 V，其最高峰值电流能够达到1905A，其最高峰值电压能够达到51V；设计中的双向DC/DC变换器电源效率达到92.5%，对应的额定功率是8.2kW，在实际运行中可利用CAN指令实现增压以及降压模式间的转换。在电动汽车处于行驶状态下对其行驶模式予以检测分析，可通过定速控制以及刹车控制等来检测电机控制器能力，利用外围按键了解刹车控制功能，利用电压传感器来对超级电容电压予以综合检测分析，此外通过DSP芯片能够了解电动汽车内部信号传递状况，将各项信号以及相关指令在电机以及蓄电池间迅速传递，并使蓄电池模式随之发生瞬变，实现对蓄电池工作状态的实时控制。

2.2复合储能电源控制电路设计

2.2.1主控制芯片最小系统设计

采用主控制芯片为TI公司生产的TMS320F2812DSP，此芯片主要应用哈佛总线结构，并且具备控制能力、处理能力等多种相关能力，因此在汽车控制系统等系统内应用相对较多。TMS320F2812系统内部分布着晶振、电源电路等。

2.2.2 CAN通信电路设计

在复合储能电源能量控制系统中，CAN通信功能主要依赖双向DC/DC变换器以及DSP处理器，在控制作用下实现对能量释放以及回收的实时有效控制；CAN通信对于系统尤为关键，已被大量应用到汽车自动化。在CAN的总线接口电路可划分为接收以及总线控制两个不同电路，此次主要选择应用SN65HVD232收发器，主要利用CANL以及CANH实现数据传输，其中CAN总线之中的CANL利用120Ω电阻与CANH相互并联，这一电阻在数据收发端尤为关键，一旦电阻缺失将会对数据传输可靠性以及数据传输抗干扰性等性能造成直接影响，甚至会造成通信中断。

2.2.3电压采集调理电路设计

本文利用莱姆电压传感器DVL50进行超级电容的两端电压测量分析，在应用过程中其测量精度以及额定电压、供电电压分别为0.5%以及50V,115V，在超级电容两端进行±HV的连接，选择电阻为50 Ω的R22，在传送信号进DSP处理器前，经信号电压、低通滤波跟随电路需连接与钳位电路，钳位电路含有两个稳压管、电阻、电容，在0-3.3 V之间输出稳定电平是钳位电路的目的。

2.3复合储能控制系统程序总体设计

结合此次设计中提出的能量控制策略，在设计过程中将加速踏板的输出信号电压设定成1-4 V，若此电压值超出1.8 V，与此同时对应的超级电容电压达到28.8V以上，则利用双向DC/DC变换器可实现电动汽车内部CAN通信，从而使DC/DC变换器之中的DSP主控制器开始控制，同时可切断蓄电池内的S1电路回路，换言之在控制开关的控制作用下，使03处于关闭状态，使 04处于运行状态；若油门踏板输出电压的数值在1.8 V以下，或者路线超级电容之中的SOC值达到28.8 V以下，则蓄电池内的S1电路处于运行状态，且在芯片控制下实现DSP运行，信息传递至DC/DC变换器并且通过指令使其处于不工作状态。若DSP汽车被设定为巡航模式，则蓄电池内的S1电路回路处于运行状态，DC/DC变换器不工作通过CAN通信进行控制。

3结果与分析

HCAPM为实验室超级电容模组型号，其中机箱外壳配置电源正负极插头、风扇、开关等，超级电容容量为10F，额定电压200V。蓄电池模块由17块铅酸蓄电池单体串联组成，单体额定容量36Ah，额定电压12V，冷启动电流280A。混合储能系统实验平台主要涉及蓄电池、超级电容等。在应用过程中需要将两台双向DC/DC变换器的高压以及低压两端分别和其他设备相互连接。利用采样电路获得两端电流信号，同时将信号传递给上位机以及控制器，最终达到观测和控制的目的。

电压传感器通过多年发展其技术已相对成熟并且应用较多，传感器类型多样例如霍尔电压传感器等。此次主要选择应用HAV100-750型号的传感器，结合欧姆原理使传感器能够获得输出电压，通过计算分析能够获取实测电压。若电动汽车中电机需要的功率值在平均功率值以内，同时存在超级电容内能量存储相对不足状态时，蓄电池需要给电机以及超级电容同时供电。在实验中，充电电流随着充电时间的延长逐渐减小，蓄电池能够实现恒流放电，同时超级电容的充电电流将逐步提升，且对应的电压实随之提升，而增长斜率在电流不断提升过程中有所增长。

4结论

（1）在探讨蓄电池特性的基础上，根据其不同特性开展此次设计分析，为电动汽车复合储能系统提供科学合理参数选型和匹配。  

（2）储能系统硬件设计涉及CAN通信电路设计等；此次设计中的复合储能系统内主控制芯片选择型号为DSPTMS320F2812的芯片，在软件设计中包含超级电容电压采集程序设计等多个环节。   

（3）通过实验测试分析发现，在各种模式开展放电试验过程中，对电机转速予以有效控制能够使超级电容以及蓄电池分别转换为相应工作模式，最终验证了此次系统设计特性。

参考文献

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