超級電容在汽車制動能回收中的應用研究

張玉龍，朱品昌，俞建軍，陳 寧（張玉龍/浙江機電職業技術學院，杭州，310053）

超級電容在汽車制動能回收中的應用研究

張玉龍，朱品昌，俞建軍，陳 寧
（張玉龍/浙江機電職業技術學院，杭州，310053）

介紹超級電容自身充電放電迅速，比功率大的特性，與電動汽車制動瞬時回能提供可行方案。利用超級電容提供給無刷直流電機的能量作用于車輪實施制動，降波斬波器處理電機制動能轉化為來的電能并向儲能部件超級電容充電。比例-積分-導數控制器自動處理無刷直流電機供電與超級電容充電的電流差別信號，使超級電容制動回收電流趨于穩定，最終模擬仿真驗證理論的正確性。

超級電容充電；PID差分信號控制；降波斬波器；制動能量回收

0 引言

在車輛非緊急制動的普通制動場合，約1/5的能量可以通過制動回收。制動能量回收按照混合動力的工作方式不同而有所不同。在發動機氣門不停止工作場合，減速時能夠回收的能量約是車輛運動能量的1/3。通過智能氣門正時與升程控制系統使氣門停止工作，發動機本身的機械摩擦（含泵氣損失）能夠減少約70%。回收能量增加到車輛運動能量的2/3。超級電容器獨有的高比功率特性非常適合用于制動過程中能量回收，是解決能源危機和環境污染一個重要途徑，同時在提升電動汽車既駛里程和環保節能方面意義重大。

1 超級電容充電系統

圖1 超級電容制動能回收控制流程圖

電動汽車發電制動過程中，制動電流隨車速呈指數規律減小的，也表明制動電流隨制動力矩減小而減小，本文所使用無刷直流電機，制動電流與制動力矩成正比。汽車制動能回收控制，要求一個便于控制并且波動較小相對穩定的制動力矩，基于超級電容充電過程電壓和電流均發生變化，勢必造成回能力矩較大波動，所以得出對超級電容恒流充電更加符合要求。采樣器將降波斬波器充入超級電容的電流對比設定的電流，所得差值由控制器控制移相器的占空比，進而使無刷直流電機回收來的電經斬波器，斬波器在反饋的穩定的占空比調節下，對超級電容進行恒流充電，如圖1所示。

2 超級電容動力電池簡介

圖2 超級電容內部結構示意圖

超級電容器是一種具有超級儲電能力、可提供強大脈沖功率的物理二次電源。它是根據電化學雙電平理論研制而成的，如圖所示。當向電極充電時，處于理想化電極狀態的電極表面電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面形成雙電荷層，構成雙電層電容。由于兩電荷層的距離非常小一般在以下，加之采用特殊電極結構，使電極表面積成萬倍地增加，從而產生極大的電容量，電容器的這種極化作用可以儲存電能，如圖2所示。

超級電容器結構形式大致分為兩種一種是圓柱狀電容器，即把基片卷繞起來裝進圓形金屬外殼內，這種電容器適用于低電壓大電流充放電的情況另一種是疊層式的，即將電極基片疊起來，組裝在塑料或金屬殼內，這種電容器用在高電壓小電流充放電的情況下比較合適。由于車載超級電容電池有許多單體電容組成，超級電容理想的模型電路可以等效一個先并聯后串聯的混聯電路。結合電池充放電特性和電容器自身特點，超級電容等效并聯電阻要在條件允許下盡可能大，因為電容充電后直流電壓在超級電容不工作時，也會和并聯電阻形成一個穩定的自放電的漏電流，增大等效并聯電阻削弱漏電流延長儲能時長。超級電容電池在充電時等效串聯電阻會消耗能量降低能量效率。放電過程中等效串聯電阻會分掉部分電壓，超級電容比功率較大放電電流較大，分壓影響明顯，嚴重影響儲能效率，因此等效串聯內阻要小。

3 超級電容汽車制動能回收控制原理

圖3 超級電容汽車能量流程圖

超級電容汽車制動能回收控制策略，如圖3所示，汽車在正常向前行駛時，設定開關K1閉合k2斷開，超級電容電能被斷開。電池經三相全控橋式電路調控后控制驅動電機，此時化學能轉化為動能，無刷直流電機相當于一個電動機。當汽車電氣制動時，設定開關K1斷開k2閉合，由于制動力矩大時間短，短時間充電量極大，電池比功率無法滿足這一要求。無刷直流電機此時相當于一個三相交流發電機，將約束車輪獲得能量傳化為交流電能，并經過三相全控橋式電路將交流電整成直流電并過濾成與電池電壓差不多的直流電，對超級電容進行大功率瞬時充電，從而實現制動能回收。

圖4 降波斬波器直流電壓調節控制器電路

由圖中可以得知，絕緣柵雙極型晶體管做開關用的斬波器控制原理，設定T為V導通閉合周期，t1為周期內V導通時間，t2為周期內V閉合時間。t1時間內，絕緣柵雙極型晶體管驅動信號使V導通，VD截至。此時電感線圈電壓UL為：

t2時間內，絕緣柵雙極型晶體管驅動信號使V關斷，此時電感所蓄能對外放電電流方向沿原電流方向，VD所通電壓順利通過。此時電感線圈L電壓UL也是輸出負載電壓：

可以將（2）式子進行處理，設ɑ=t2/T，ɑ為絕緣柵雙極型晶體管驅動信號關斷所占比例即占空比。由上面兩個式子計算出：

綜合以上計算可以明確，此電路圖為輸出平均電壓小于輸入電壓的降波斬波器。

比較器將系統給定的電流經過控制器移相器斬波器等一些列處理，并作用于電機和超級電容的電流通過反饋對比，最終按兩個數據的偏差進行過程控制：i= i1-i2，i為偏差信號，i1為給定信號，i2為反饋信號，控制器以時間為變量參數，信號V（t）輸出控制公式：

圖5 移相調波示意圖

其中Cp為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數。

經過PID控制器處理后V（t）波形并不像常用易調的的方波，若想向斬波器輸入可以調節緣柵雙極型晶體管的方波驅動信號，那就還需要移相器進行波形處理。如圖5，PID控制器處理后的波形與移相器內部波形相干涉，再經過處理就可以獲得所需理想信號作用于直流電機和超級電容。

4 模擬仿真驗證

結合電動汽車自身特點，匹配各部件實現其功能相對應參數。考慮到超級電容充電電流33A的緣故，選定了超級電容等效內阻為0.05歐姆，電容量為60F。最高車速限定在210千米每小時，故無刷直流電機額定V速=1600轉每分鐘，額定P=700千瓦，額定V=220伏。比例-積分-導數控制器采用比例-積分控制器，比例系數取35.2，積分時間常數取119.2.處理PI控制器輸出到降波斬波器信號的移相器波形f=11000Hz，范圍在0-120的變化幅值。

最終將恒定電壓的直流電轉變為電壓較低可變的直流電的降波斬波器所需數據確定為L=55mA，C=120μF。從圖6中不難看出，制動過程中無刷直流電機可以看作一個發電機將制動能轉化為電能向超級電容充電，隨著制動時間增加車速減小，所以電機輸出電壓隨制動時間近似以指數形式降低。在制動時間內且電機輸出電壓高于超級電容電壓時，超級電容處于恒流充電狀態且電壓增長不明顯，制動末期電機輸出電壓開始小于超級電容到電機發電結束，這段時間電機所發直流電不能繼續向超級電容充電。

5 小結

圖6 超級電容制動能回收仿真電壓電流示意圖

本文研究超級電容應用于電動汽車制動能回收，首先介紹超級電容的比功率高適合短時高電流充電的特性確定了一種比較貼切的充電方法。闡明比例-積分-導數控制器工作原理，通過控制比較器得出的電機輸出電流與超級電容充電電流的偏差電流，在編寫好的比例-積分控制公式運作下，實時監測絕緣柵雙極型晶體管驅動信號導通關斷情況，控制向超級電容充電電流的穩定性，以便于制動時汽車慣性動態變化隨動制動力矩的適應。對比例-積分-導數控制器輸出的信號進行整波處理移相器、降波斬波器的內部結構剖析，通過模擬仿真驗證超級電容可以在短暫的制動時間里實現對變化制動力矩的控制，以及自身制動時穩定的充電狀態，仿真制動能回收的良好結果對增加電動汽車續駛里程和環保節能意義重大。

［1］ 張玉龍.超級電容在混合動力汽車中的應用發展［J］.自然科學版.2012.（3）：30-33.

［2］ 肖佐光.基于超級電容電動汽車制動能回收的研究［J］.技術縱橫.2015（8）：94-98.

［3］ R.L.Spyker， R.M.Nelms，S.L.Merryman， Evaluation of Double Layer Capacitors for Power Electronic Applications［J］.Applied Power Electronics Conference and Exposition， 1996，（2）：725- 730.

［4］ 鐘海云.雙電層電容器的研制［J］.電子元件與材料， 2001，20 （5）： 3- 5.

［5］ 羅曼.降低雙電層電容器等效串聯內阻的研究進展［J］.高電壓技術， 2005， 31 （12）： 26- 28.

張玉龍，男，1983.02，浙江杭州，漢族，教師，助教，新能源汽車。

The application of super capacitor in the car braking energy recycling

Zhang Yulong，Zhu Pinchang，Yu jianjun，Chen Ning
（zhang yl/mechanical and electrical professional technology institute of zhejiang.hangzhou，310053）

The article introduces the super capacitor charge discharge itself quickly，than the characteristics of large power，and the electric car braking instantaneous can provide feasible solution.Using ultracapacitors provide energy function of brushless dc motor in wheel braking，chopper down wave processing electric mechanism is transformed into kinetic energy to electrical energy and super capacitor charging to the energy storage components.Proportional integral derivative controller automatic processing power brushless dc motor with the super capacitor charging current difference signal，the super capacitor recycling braking current stable，finally simulation verifies the correctness of theory.

super capacitor charging；PID difference signal control；send a wave of chopper；braking energy recovery