基于超級(jí)電容的純電動(dòng)汽車能量回收電路設(shè)計(jì)

摘 要：電動(dòng)汽車研究是在環(huán)境問題及能源問題日益突出的情況下興起的，制動(dòng)能量回收問題對(duì)于提高電動(dòng)汽車的能量利用率具有舉足輕重的作用。電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)向外饋送電能，如果將汽車制動(dòng)能量回饋給供電系統(tǒng)對(duì)其充電，則對(duì)于能量的利用率將會(huì)大大提高。本文對(duì)超級(jí)電容在純電動(dòng)汽車能量回收的應(yīng)用電路進(jìn)行了一些積極探索。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)；能量回收；復(fù)合動(dòng)力；超級(jí)電容

中圖分類號(hào)：TM53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2015） 02-0000-02

一、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

鋰電池額定電壓高，自放電率很低，能量密度高且使用壽命長(zhǎng)，在市面上電動(dòng)汽車幾乎都以鋰電池為動(dòng)力源。但超級(jí)電容充電速度快，大電流放電能力超強(qiáng)，能量轉(zhuǎn)換效率高且功率密度，具備自己的優(yōu)勢(shì)[1]。結(jié)合兩者特性，本文設(shè)想：電動(dòng)車工作過程，以鋰電池為主要?jiǎng)恿υ矗辉谝蠊β实膱?chǎng)合，如啟動(dòng)時(shí)刻、上坡等情況上使用超級(jí)電容。在電動(dòng)制動(dòng)過程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，通過回收電路將該部分能量進(jìn)行回收，儲(chǔ)存于超級(jí)電容中，以實(shí)現(xiàn)在行駛過程中給超級(jí)電容的自動(dòng)充分，以便超級(jí)電容下一次的功率輸出。這樣更實(shí)現(xiàn)了能量的回收和循環(huán)利用。

二、能量回收電路的設(shè)計(jì)

電容的放電時(shí)間取決于電容兩端電壓差。本系統(tǒng)是基于自主設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車模擬平臺(tái)完成的。系統(tǒng)電機(jī)控制器的最低供電電壓為18V，為使超級(jí)電容的足夠的放電時(shí)間，提高超級(jí)電容里儲(chǔ)存的能量利用率，必須將超級(jí)電容進(jìn)行升壓將電壓穩(wěn)定在36V。超級(jí)電容升壓電路是大功率升壓，功率至少要達(dá)到300W以上，而一般的升壓芯片肯定是遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了這個(gè)功率，所以本電路是采用固定頻率電流模式控制器UC3843產(chǎn)生PWM控制場(chǎng)效應(yīng)管IRF3710的開關(guān)，利用電感的自感升壓和UC3843的閉環(huán)反饋將電容電壓升高并且穩(wěn)定到36V。本電路的供電電壓可以低至5V，這樣就很大程度上增加了電容的放電區(qū)間使得超級(jí)電容的儲(chǔ)存能量利用更充分，本電路成本低、功率大、工作穩(wěn)定。

圖1 超級(jí)電容升壓電路（1）

圖2 超級(jí)電容升壓電路（2）

超級(jí)電容恒流充電電路是用于在電容電量過低時(shí)用鋰電池給電容充電，因?yàn)橹苯佑娩囯姵亟o電容充電時(shí)電流太大容易損壞鋰電池，所以必須加恒流充電電路，該電路是利用高端采電流芯片LTC6101采集充電干路上的電流，再將反饋來的電壓信號(hào)通入反向比較器，然后使用TLP250進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換從而控制干路場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)從而達(dá)到恒流的目的。

圖3 超級(jí)電容恒流充電干路電路

圖4 干路電流檢測(cè)電路

能源切換電路以及能量回收電路是整個(gè)系統(tǒng)的能量控制電路，能源切換電路能進(jìn)行電池供電與電容供電的選擇，并能進(jìn)行電機(jī)控制器的串并聯(lián)轉(zhuǎn)換，電容串并聯(lián)轉(zhuǎn)換電路能進(jìn)行電容串并聯(lián)轉(zhuǎn)換，在車啟動(dòng)時(shí)電流過大，系統(tǒng)將會(huì)使用電容進(jìn)行供電，當(dāng)達(dá)到一定的速度后能量控制系統(tǒng)將會(huì)切換到電池供電；在剎車的時(shí)候?qū)蓚€(gè)電機(jī)進(jìn)行串聯(lián)轉(zhuǎn)換升高電機(jī)發(fā)電電壓，然后電容進(jìn)行并聯(lián)轉(zhuǎn)換降低電容電壓閥值；最后用電機(jī)給電容充電，實(shí)現(xiàn)能量回收。

圖5 能源切換電路

圖6 電容串并聯(lián)轉(zhuǎn)換電路

三、結(jié)束語(yǔ)

復(fù)合動(dòng)力純電動(dòng)汽車的能源回收設(shè)計(jì)，切實(shí)符合復(fù)合動(dòng)力電動(dòng)汽車的開發(fā)理念，采用超級(jí)電容與鋰電池的結(jié)合使用，提高電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)力，節(jié)省能源，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性強(qiáng)。系統(tǒng)控制超級(jí)電容對(duì)制動(dòng)時(shí)的能量進(jìn)行回收貯存，充分發(fā)揮了超級(jí)電容功率密度大，儲(chǔ)能時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

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[作者簡(jiǎn)介]熊國(guó)強(qiáng)（1994.03-），男，安徽蕪湖人，學(xué)士學(xué)位，主要研究方向：嵌入式、汽車電子。

[基金項(xiàng)目]湖北汽車工業(yè)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新基金資助（項(xiàng)目編號(hào)：SJ201325）。