多电源电力总成的控制系统.docx

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多电源电力总成的控制系统

（1）（2008-03-2423:

27:

05）

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汽车

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新能源汽车

一、概述

“863”计划中关于纯电动车辆和燃料电池电动车辆（包括混合动力电动车辆的电动机驱动系统）的多电源电力总成控制系统的研究，其内容包括：

对EV、FCEV的整车总布置的研究和开发；多电源电力总成控制系统的建模与仿真；研究和开发满足整车性能及产品实用性要求的系统总成等。

EV、FCEV本身就是一个小型的供、配电系统，一般包括：

（1）电源：

目前主要采用的电源有高能蓄电池组、超级电容器、燃料电池发动机等，它们为电动车辆驱动提供电能；

（2）电流变换装置：

包括单向DC/DC变换器和逆变器、双向DC/DC变换器等，用它们实现EV和FCEV等的直-直系统或直-交系统的供、配电；（3）驱动系统：

包括交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等电动机。

系统也适合于HEV的电动机的供、配电系统。

EV主要电源为蓄电池，FCEV的主要电源为燃料电池，目前电动车辆的车载电源多采用混合电源（动力蓄电池+辅助电源、燃料电池+辅助电源）。

EV的辅助电源有：

超级电容器或发动机-发电机组，FCEV的辅助电源有：

蓄电池或超级电容器等。

3、多电源电力总成控制系统

在EV和FECV撒谎能够采用了多电源电力供电系统，主电源和辅助电源的电能，通过电流变换器“并网”后，带动电动机转动，将电能转换为动能来带动电动车辆行驶。

电动机是EV和FECV的唯一的动力装置。

3、电动车辆电源主要技术性能

2.1电压

电源（包括混合电源）在规定条件下工作时应达到的电压为额定电压。

各种电源在供电时都要达到额定电压。

一般电动机的额定电压为220~380V，因此，要求各种电源的稳定电压达到250~400V，符合电动机工作电压的要求，以保证电动机正常运转。

蓄电池在规定的放电条件下放电时，电池的电压将逐渐降低，当电池再不宜继续放电时，电池的最低工作电压称为终止电压。

再继续使用蓄电池放电，蓄电池会遭到破坏，这是用蓄电池供电的重要特征。

2.2额定容量和额定电流

电源在规定的放电条件下，应该放出的最低限度的容量，称为额定容量，额定容量一般用质量容量（A·h/kg）或体积容量（A·h/L）来表示。

电动机在额定电压下，电动机轴上输出的机械功率为额定功率时的电流为电动机的额定电流。

电动机的功率、电压和电流的关系为：

在电动机起动时最大电流可能是额定电流的2~3倍，但是，蓄电池或燃料电池的特性不适宜大电流放电，通常采用与超级电容器或辅助电源并联的方式，来提供电动机起动时所需要的额外电流。

2.3比能量和能量密度

2.3.1比能量

电源单位质量中所能输出的能量为比能量，比能量的计算如下：

式中：

C——按额定电流放电时的实际放电容量，A·h；

Up——放电过程中的平均电压，V；

G——单节电池的质量（包括电解液），kg。

2.3.2能量密度

电源单位体积所能输出的能量为能量密度，能量密度的计算如下：

式中：

L——单节电池的体积，L。

2.4比功率和功率密度

在一定的放电制度下，电源在单位时间内单位质量所能输出的功率为比功率（W/kg），单位体积中所恩能输出的功率为功率密度（W/L）。

2.5放电速率（放电率）

电源在放电时的时间或放电电流与额定电流的比列成为放电率。

2.5.1时率——电源以某种电流强度放电直到电池的电压降低到终止电压时，所经过的放电时间。

2.5.2倍率——电源已某种电流强度放电的数值为额定容量数值的倍数。

2.6自放电率

蓄电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自行放电，使得电池的容量损失为自放电，自放电率用单位时间（月、年）内电池容量下降的百分数来表示。

式中：

——电池储存时的容量，A·h；

——电池储存若干时间以后的容量，A·h；

——电池储存的时间，天或月。

2.7循环次数（次）和寿命

蓄电池每充电-放电一次为一个循环，在每一个循环中，电池中的化学活性物质要发生一次可逆性的化学反应。

随着充电和放电循环次数的增加，电池中的化学活性物质会发生老化变质，使得电池的充电和放电的效率逐渐降低，最后电池损失全部功能而报废。

蓄电池除了以循环次数表示使用时间外，一般还要用电池的使用年限来表示电池的寿命

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（2）（2008-03-2423:

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19）

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3、电动车辆用电池的主要性能指标

美国先进电池联合体（USABC）提出的动力电池的主要性能指标

性能指标

单位

中期

过渡期

远期

比能量（C/3放电率）

W·h/㎏

80~100

150

200

能量密度（C/3放电率）

W·h/L

135

230

300

比功率（80%DOD/30s）

W/㎏

150~200

300

400

功率密（80%DOD/30s）

W/L

250

460

600

循环次数（DOD80%）

次

600

1000

寿命

年

正常充电时间

快速充电时间

min

＜15

＜20

快速充电比例

充电效率（C/3放电充电6h）

工作温度

℃

-30~+60

-30~+65

-40~+85

自放电率

%/天

—

＜15/3

＜15/30

连续放电一小时率

额定能量%

热损耗（高温电池）

W/kW·h

3.2

价格

US＄/kW·h

＜150

＜100

多电源电力总成的控制系统（3）（2008-03-2423:

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二、蓄电池的特性和建模

（一）、蓄电池的充电和放电

1、蓄电池的充电状态

蓄电池充电状态SOC（Stateofcharge）是指参加反应的蓄电池内部电荷状态的变化状态，新的蓄电池在充电之前的SOC=0，经过充电后达到“充满”状态时，充满状态时的SOC=1。

蓄电池内部电荷状态的变化状态可以用SOC的百分数（%）的相对量来表示。

式中：

——蓄电池充放电效率；

——充电时的电流，A；

——蓄电池实际放电量，A·h；

——蓄电池原始的荷电状态，%。

SOC的各种计算方法如下表所示。

SOC的各种计算方法

计算方法

优点

缺点

应用范围

开路电压法（OCV）

可在线检测、精度较高

动态响应慢

各种蓄电池

负载电压法

可在线检测，数据采集和存储数量大

变电流时数据处理较难

各种蓄电池

恒定电流法（CCV）

可在线检测，精度高

对变负载不适用

各种蓄电池

安培-小时法（Ah）

可在线检测，精度高，易操作

要求有反映损失的模型，对干扰较敏感，精确测量成本高

各种蓄电池

内阻法（IR）

精度高，能够监控电池安全

IR和SOC呈非线性变化

各种蓄电池

比重法（SG）

SG和SOC有线性关系，好计算

比较麻烦，不够安全，不能用于加水的电池

2、蓄电池的放电状态

蓄电池的放电过程，蓄电池的SOC将逐渐降低，电池充满状态时SOC=1。

用SOC的百分数来描述电池的放电特性，一般电池放电高效率区为50%~80%SOC之间。

放电时间愈长，或放电电流愈大，SOC将迅速降低，达到一定程度（蓄电池放电终了，要求保持一定的“残余电量”），放电应立即停止，否则形成过放电对电池造成严重损害。

2.1蓄电池的平均放电电流

蓄电池的平均充、放电电流，通常用Peukert方程式计算，Peukert方程式考虑了蓄电池在放电时，开路电压与SOC的变化关系、蓄电池内阻随SOC变化关系，但未考虑放电时温度等因素的影响，蓄电池的平均放电电流：

式中：

——蓄电池的平均放电电流，A；

——蓄电池瞬时放电电流，A；

——放电时间，s。

2.2蓄电池的实际容量

用Peukert方程式计算蓄电池的实际容量：

式中：

——蓄电池实际放电量，A·h；

——Peukert放电常数（蓄电池一小时的放电容量），A·h；

k2——Peukert指数，k2=1.3~1.4；

——蓄电池1h的名义放电电流，A。

2.3恒电流放电时的SOC

式中：

——已放出的电量；

——对应恒流放电时的实际的容量。

2.4变流放电时的SOC

对于变流放电可以将电流-时间曲线分为以△T划分的微小恒流段，每一段时间间隔为测量部件的采样周期，如果采样周期△T取得足够小，

式中：

——t=tj-1时刻的电流值；

——当电池充满电（SOC=1）后在温度θ下以恒电流ij-1放电所能放出的全部电荷。

电池的充放电还与放电时的电流强度有密切关系。

大电流充电时，电池的电压上升很明显，平缓部分缩短，曲线的斜率大，充电时间缩短。

充电电流较小时，电池的电压上升趋缓，曲线也较平缓。

大电流放电时，电池的电压下降很明显，平缓部分缩短，曲线的斜率很大，放电时间缩短。

放电电流较小时，电池的电压下降趋缓，曲线也较平缓很大，放电时间延长。

这种充放电特性对电池的SOC变化有重要意义。

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（二）、影响电池的性能因素

在同一型号、同一批量的电池中会出现电荷量和内阻等“不一致性”，产生不一致性的原因有以下几方面：

（1）由于电池材质成分微小的差别，活性物质的厚度和微孔率的不一致，活性物质的活化程度的差异等原因引起的不一致性；

（2）蓄电池在初充电之前，由于灌注的电解液的密度、温度的差别，以及蓄电池的自放电程度的不同等原因引起的不一致性；（3）由于腐蚀造成电池内部的微短路，或电解液对壳体腐蚀形成的短路等原因引起的不一致性，也会使蓄电池在充电和放电过程中产生“不一致性”。

由于电池的充电可接受电流的不一致性，和电池的放电电流存在的不一致性，将导致电池在串联成电池组，充电时将引起部分电池过充电，放电时引起部分电池过放电，从而对过充电或过放电的电池造成损害。

如果在动力电池组中，只要有一个电池有“不一致性”，则整个动力电池组的放电量也就会这个蓄电池的影响，放电电流也大大的降低，而不能达到额定放电电量。

（三）、蓄电池的等效电路模型

蓄电池的等效电路用于描述蓄电池在低频段，充、放电过程中蓄电池电压动态变化的过程，在蓄电池放电过程中，存在浓差极化、欧姆极化和放电末期的化学极化等三种极化现象，早模拟蓄电池的等效电路时，R0为接触电阻，它是由电极材料、隔膜材料和各种零部件的接触产生的电阻，与蓄电池的结构形式、结构件的材料、活性物质的性能和各种零部件的装配的松紧程度等有关。

Rr为极化内阻，R-C回路是模拟蓄电池在放电过程中极化过渡过程的等效电路。

E0、R0、Rr和C都是荷电状态SOC和放电电流的函数。

电动汽车用蓄电池的主要性能指标

电池种类

电解质

理论比能量（W·h/㎏）

实际

循环寿命（次）

理论电压（V）

比能量

（W·h/㎏）

能量密度（W·h/L）

比功率

（W/㎏）

功率密度（W/L）

USABC指标

200

400

1000

铅-酸

酸性

170

30~40

120~130

120

500~800

1.0~1.4

铅-酸

改进型

酸性

60~70

90~100

150~250

150

600~900

1.0~1.5

镍-镉

碱性

250

40~55

80~110

120~150

250~300

600~1000

1.5

镍-氢

碱性

350

50~85

80~220

100~600

250~800

600~1200

1.5

钠-硫

固态-陶瓷

650

80~120

120~150

100~200

150~310

＞1000

2.0

钠-氯化镍

固态-陶瓷

80~100

130~150

150

260

1000

—

锂离子

固态聚合物

455

120~150

130~300

200~300

—

500~1000

3.5

锂聚合物

有机溶剂

2100

100~120

220

300~320

440

600

2.0

锌-空气

碱性

1100

180~200

250

200~250

—

＞100

1.5

铝-空气

碱性

3100

300~350

250

100~120

—

＞1000

2.6

燃料电池

450~550

60~80

飞轮储能器

机械式

14~20

—

800~1000

—

＞50000

超级电容器

电容式

5~20

1000~2000

三、超级电容器的特性和建模

1、超级电容器的电容量

超级电容器的容量只取决于电容板的面积，与电容板的厚度无关，容量与面积的大小成正比，与电容板之间的间隙大小成反比，在两块电容板之间，用绝缘材料隔开。

电容器的容量可以用以下公式表示：

式中：

——电介质的介电常数，F/m；

——由电极界面大批离子中心的距离，m；

——电极界面的表面积，㎡。

2、超级电容器的充电和放电

当超级电容器在进行充电时，电容元件上的电压增高的同时，超级电容器的电场能量增大。

超级电容器中储存的电量为：

式中：

——电容器的电容量；

——电容器允许的最高充电电压，V。

当超级电容器在进行放电时，超级电容器中储存的电量释放，电场能量减小，同时超级电容器的电压降低，所能释放的电量为：

式中：

——电容器允许的最低放电电压，V。

超级电容器电容量的大小和充电电阻的大小，都会影响超级电容器的充电时间。

可以用改变电容器电容量的大小和充电电阻的大小来控制超级电容器的放电时间和放电电流。

3、超级电容器的等效电路模型

超级电容器的等效电路模型用于描述超级电容器在充、放电过程中电容器电压动态变化的过程，用试验方法拟合出电路中电压降来构成超级电容器的等效电路。

在超级电容器用在交流工况采用“一阶交流等效电路”模型。

主要表现为包括交流阻抗特性、频率响应特性、温度特性和在交工况下的效率等交流特性。

由于各个单体超级电容器的性能参数的“不一致性”，各个单体超级电容器的电压分配也各不相同，串联的单体超级电容器组的等效电路模型见下图。

超级电容器的控制系统通过通信系统采集各个单体超级电容器信息和传递控制数据，对各个单体超级电容器的充、放电进行均衡控制，达到与电动车辆动力性能匹配的要求。

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四、电流变换器的结构和工作原理

1、双响DC/DC变换器

在以蓄电池和超级电容器组成的混合电源上，一般蓄电池以稳态充、放电的形式工作，超级电容器在接受外电源或制动反馈的电能时，能够大电流的充电的形式工作。

在车辆起动或加速时能够已大电流的放电的形式工作。

通常在蓄电池和超级电容器与电力总线之间装置双向升、降压（Buck-Boost）型DC/DC变换器，双向控制和调配所输入和输出的电流。

在升、降压双向DC/DC变换器的输入端装置2个导通开关和2个整流器，分别组成两个大功率的直流电转换器（IGBT），在输入端装有电感器L2和电容器C，在输出端装有电感器L1。

升、降双向DC/DC变换器结构见下图。

双向DC/DC变换器处于充电工况时，导通开关Q1切断，导通开关Q2导通，充电时或储存制动反馈时的电流，经动力总线向蓄电池或超级电容器中充电。

在通过电感L1时，部分电流暂时存留在电感L1中，当导通开关Q2关闭后，电感L1中存留的电流通过整流器D2转存在电容器C中。

双向DC/DC变换器在对超级电容器充电时处于降压（Buck）状态。

在超级电容器电路上装置电感L1还可以减小进入超级电容器线路的电流脉冲。

充电时DC/DC变换器总线端的电压与超级电容器端的电压关系为：

式中：

——导通开关Q2的占空比，=t2/T2；

t2——导通开关Q2的导通时间，s；

T2——导通开关Q2的导通周期，s；

——系统电压，V。

双向DC/DC变换器处于放电工况时，导通开关Q1导通，导通开关Q1切断。

蓄电池或超级电容器放电，电容器C中储存的电荷也同时放电，电流方向是由超级电容器向动力总线方向流动，DC/DC变换器对外放电处于升压（Boost）状态。

在总线电路上装置电感L2可以减小进入总线的电流脉冲。

放电时DC/DC变换器总线端的电压与蓄电池或超级电容器端的电压关系为：

式中：

——导通开关Q1的占空比，=t1/T1；

t1——导通开关Q1的导通时间，s；

T1——导通开关Q1的导通周期，s。

五、驱动电动机的特性和建模

（一）、三相感应电动机的原理和特性

当三相交流电输入感应电动机的定定子绕组时，在定子绕组中就有励磁电流通过，励磁电流在定子铁芯中产生交变磁通和旋转磁场。

此时，转子产生感应电势并有感应电流通过来推动转子作旋转运动。

当转子带有机械负荷时，转子电流增加，由于电磁感应作用，定子绕组中励磁电流也增加。

三相感应电动机中定子旋转磁场与转子电流互相感应产生电磁转矩，电磁转矩和旋转磁场的转速与三相交流电源的频率f1、相电压U1和转子电阻R2有密切的关系，当频率f1、相电压U1和转子电阻R2确定后，即可确定电动机的转矩与转速关系的机械特性，如下图所示。

1、感应电动机的基本特征

1.1磁极对数

根据三相交流电动机的结构不同，定子的磁极的对数也各有不同，三相交流电动机最少有一对磁极。

极数愈多，三相交流电动机的转速愈低。

1.2同步转速和转差率

三相交流电动机的定子旋转磁场的转速是电动机的“同步”转速n0。

在三相异步感应电动机工作时，由于存在漏磁通和漏电抗，使得转子的转速n低于旋转磁场转速n0，转子的转速n与磁场转速n0相差的程度为转差率s，转子的转差率为：

转速的转速：

电动机起动前处于停止状态时n=0、s=1，电动机在空载时n=n0，s→1。

一般小型三相异步感应电动机的s=5%~10%，大型三相异步感应电动机的s=3%~5%。

1.3频率f1

在三相异步感应电动机工作时，定子磁场转速的频率为：

感应电动机的转速随频率f1的增加而增加，同时也使电动机的转矩T改变。

我国三相交流电的频率为50Hz。

1.4电源的相电压U1

感应电动机的转矩随相电压U1改变而改变，随相电压U1的增减使感应电动机的转矩也随之增减，不同相电压U1时，感应电动机的特性曲线基本相似。

1.5三相感应电动机的转子电阻R2改变时，感应电动机的机械特性

三相交流感应电动机转子电阻R2增大时，感应电动机的最大转矩时的转速n将减小，转矩岁转速变化的特性曲线也不同。

三相感应电动机的特性与三相交流电源的频率f1，三相交流电源的相电压U1和电动机转子电阻R2等有关，因此，可以用调频、调压和改变转子电阻的方法来改变三相交流感应电动机的特性，见下表。

不同的磁极对数、频率和转差率时三相交流电动机的转速（单位r/min）

磁极对数

频率f1=50Hz

频率f1=60Hz

频率f1=150Hz

频率f1=200Hz

旋转磁场同步转速

转子转速s=3%~10%

旋转磁场同步转速

转子转速s=3%~10%

旋转磁场同步转速

转子转速s=3%~10%

旋转磁场同步转速

转子转速s=3%~10%

3000

2700~2100

3600

3492~3240

9000

8730~8100

12000

11640~10800

1500

1455~1350

1800

1746~1620

4500

4365~4050

6000

5820~5400

1000

970~900

1200

1164~1080

3000

2910~2700

4000

3880~3600

750

727.5~675

900

873~810

2250

2242.5~2025

3000

2910~2700

600

582~540

720

698.4~648

1800

1746~1620

2400

2328~2160

500

485~450

600

582~5400

1500

1455~1350

2000

1940~1800

多电源电力总成的控制系统（6）（2008-03-2423:

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1、感应电动机矢量控制

现代感应电动机多采用矢量控制系统，矢量控制的理论是认为感应电动机与直流电动机的转矩具有相同的机理，即电动机的转矩为磁场与其互相垂直的电流的积。

在感应电动机的定子电流可以分解为产生磁场的电流分量和产生转矩的转矩电流，通过对电动机定子电流的幅值和相位（即电流矢量）进行控制，使输出的是稳定的三相正弦波，即可达到控制感应电动机的目的。

定子电流与转子电流和励磁电流之间的关系如下图所示。

转差频率为：

式中：

T2——电动机转子电路时间常数，T2=M/r2；

I1——定子电流；

I2——转子电流；

IM——励磁电流；

s——转差率；

f——电源频率；

fs——转差频率；

M——励磁电感；

r2——转子电阻。

相位角θ：

在对E/f进行控制的基础上，通过检测电动机的实际转速nn对应的频率fn，并按照希望得到的转矩来对输出的频率进行控制。

调节相位角θ对定子电流的相位进行控制，称为电动机的矢量控制方法。

矢量控制可以消除转差频率控制在转矩电流过渡过程中的波动，提高电动机控制的品质。

上图为感应电动机的等效电路图和电流矢量图，如果需要将电动机的I1改变为I2时，只有改变I1的相位角从θ1变为θ2，也就是要对定子的电流进行矢量变换控制来实现控制转子电流I2的幅值，以保证转矩电流平稳的变化，对定子的电流进行矢量变换控制来实现控制转子电流I2的幅值的控制方法，称为转差频率控制方法。

2、感应电动机的矢量控制系统

感应电动机的矢量控制系统，由DC/DC变换器输入直流电流输送到电压型晶体管逆变器中，经过逆变器转换的三相交流电来驱动三相感应电动机（IM）。

感应电动机的矢量控制的逆变器系统，用DSP系统和控制回路控制，电流传感器将三相交流电（3φ）信号传送到A/D变换器，经转差频率控制器分解为磁场电流id和转矩电流iq，在转矩电流与磁场电流的相互垂直的坐标系d-q中，q轴超前d轴90°，然后数据传送到电流控制器中。

编码器将感应电动机的相位θ变化和速度变化的信息传递到速度控制器与发出的速度指令比较，产生新的磁场电流id＇和转矩电流iq＇，然后数据经电流控制器，输送到DSP系统的处理后，向脉冲宽度调制电压型晶体管逆变器PWM发出控制指令，对输入电动机的电压、电流、频率和相位按新的速度指令进行调控，就可以改变电动机的转速和转矩。

3、感应电动机的机械特性

感

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