一種新型電動汽車復合電源電路設計

邱 浩，董鑄榮，賀 萍

(深圳職業技術學院汽車與交通學院，廣東深圳518055)

一種新型電動汽車復合電源電路設計

邱 浩，董鑄榮，賀 萍

(深圳職業技術學院汽車與交通學院，廣東深圳518055)

利用超級電容和蓄電池組成電動汽車的復合電源，設計了一種僅采用單個高頻電力電子器件的電機傳動主電路的新型拓撲結構。所設計電路不僅能對超級電容進行升壓變換，與蓄電池協同向電機供電，而且能夠在電動汽車再生制動過程中將發電電壓升壓后對超級電容充電。主電路結構和控制簡單，變流裝置成本低，工作可靠。實驗驗證了該電路能夠提高電動汽車的性能和能源利用效率。

電動汽車；復合電源；電力電子器件；超級電容

電動汽車是新能源汽車的代表車型，采用化學蓄電池或燃料電池作為能量載體，以電機作為能量變換裝置，具有可用能源多樣、能量轉換高效、駕駛控制容易、環境污染輕微等優點，深受當今社會期待。目前，電動汽車存在續駛里程短、電池壽命短和成本高等三大難題，學界和業界一直致力于此三個方向的研究[1]。

超級電容是一種介于電池和靜電電容器之間的儲能器件，其能量密度比普通電容高得多，而且其功率密度比普通電池高得多，可以作為短時間的功率輸出源，在電動汽車啟動、加速等特殊工況下能改善運動特性。目前發達國家都在抓緊研發超級電容，并研究超級電容在電動汽車驅動和制動中的應用，而我國還處于起步階段[2]。

本文利用超級電容和蓄電池組成電動汽車的復合電源，并針對復合電源設計了一個新型電機傳動主電路拓撲結構。實驗表明，該電路結構和控制簡單，能夠降低變流裝置成本、增強系統工作可靠性，對提高電動汽車性能和促進其市場化發展具有積極意義。

1 電動汽車復合電源結構

普通電動汽車通常采用單一電源 (化學蓄電池或燃料電池，其中燃料電池成本高，運用較少)，車輛加速時的大電流完全由該電源提供，再生制動時則需要對該電源進行充電，以儲存能量。這種方案雖然簡易卻有以下不足：頻繁對化學蓄電池進行充放電將縮短電池壽命；加速和再生制動時，蓄電池大電流工作既低效又有損性能。

而采用超級電容-蓄電池復合電源能很好地實現能量回收，同時避免對蓄電池頻繁充放電。功能完備的超級電容-蓄電池復合電源結構如圖1所示，蓄電池是主電源，用于儲能和額定功率下的電能釋放，具備高容量和高比容量參數；超級電容為輔助電源，用于提高整車電源的短時功率和再生制動能量回收，不要求高容量，具備高比功率和高充放電效率[3-4]。圖1中，模塊間單線代表機械聯接，雙線代表直流通路，三線代表交流通路。

圖1 復合電源結構電動汽車動力傳動

復合電源電動汽車的電機主電路可使蓄電池和超級電容協同對電機供電。再生制動時，要求由超級電容儲存回收的能量；正常行駛時，蓄電池處在額定功率范圍內工作，保證車輛平穩行駛；加速或者爬坡時，則由蓄電池和超級電容共同工作，提高車輛的加速或爬坡能力。

電機主電路是電動汽車的基本裝置，通常由電力電子器件構成并工作在高電壓、大電流、快開關的工況下，是易損器件[5]。合理的電機主電路對提高電動汽車性能、增強車輛可靠性、降低成本具有重要意義。為設計合理的電機主電路，要求結合電動汽車特點簡化電路結構，減少受控電力電子器件使用數量，尤其是減少高開關頻率全控電力電子器件(例如IGBT、Power MOSFET，簡稱高頻器件)數量。

圖2是一種功能完善的復合電源電動汽車H橋電機主電路拓撲結構[6]，Q1～Q5是全控型電力電子器件，L是雙向DCDC的蓄能電感，除了電機和逆變器之間是三相交流連接外，其余元器間都是直流連接。

圖2 電動汽車H橋電機主電路原理

圖2所示的電路功能狀態見表1，該電路能夠實現逆變器側和超級電容側之間的雙向升/降壓直流變換(DC-DC)，且保證蓄電池只能放電。電機處于發電模式時，逆變器可轉換為整流器。器件Q2和Q3上的反并聯二極管充當DC-DC升壓工作時Boost電路中的止逆二極管。蓄電池單獨輸出對應電動車平穩行駛的工作狀態，蓄電池和超級電容協同輸出對應起步或急加速的工作狀態。電力電子器件的“PWM”狀態表示其受高頻脈寬調制(PWM)信號控制。

表1 電路功能狀態

圖2所示電路中除逆變器外，另需1個低頻電力電子器件(簡稱低頻器件)Q1與4個高頻器件Q2～Q5，使用高頻器件較多；Q2和Q3是高側開關，各需獨立電源驅動電路[7]；蓄電池輸出電流經過Q1，增加損耗和發熱。

2 改進的電機主電路

2.1 減少高頻器件數量

針對電動汽車實際構造，行駛時表1中“超級電容降壓輸出”和“超級電容降壓充電”兩種情形極少出現，原因是：其一，超級電容的運行電壓幾乎不會高于蓄電池的額定電壓；其二，車輛在正常行駛時，發電電壓遠低于蓄電池的額定電壓，通常也低于超級電容的運行電壓。

圖3是不具備圖2中降壓功能的簡化電路結構，Q2和Q3僅需使用低頻器件(如晶閘管、GTO等)，但Q2和Q3上的反并聯二極管D1和D2須采用快恢復型。

圖3 升壓型電動汽車電機主電路原理

圖3中除電機和逆變器之間是三相交流連接外，其余元器間是直流連接，兩個高頻器件Q4和Q5相連，且不同時工作于高頻開關狀態，可利用一路PWM控制信號經切換后分時驅動Q4或Q5，以簡化控制裝置的結構。

2.2 降低蓄電池輸出通道損耗

為降低蓄電池輸出通道上的損耗，要求去掉蓄電池和逆變器間的開關器件Q1。采取在電機的交流線路上并聯三相半控整流橋，對再生制動發電進行整流的方法。電路如圖4所示，除電機和逆變器、整流橋是三相交流連接外，其余元器間為直流連接，其中三相半控整流橋包含3個低頻器件和3個整流二極管，兼起圖3電路中Q2的作用，圖4僅比圖3電路增加了一個低頻器件Q6和3個整流二極管。

圖4 采用半控整流橋的電機主電路原理

電機發電進行升壓變換時，利用電機繞組自感作蓄能電感，則圖4中電感L僅用于對超級電容輸出的升壓過程，可省去Q6，電路演變成圖5中形式。

圖5 利用繞組自感的電機主電路原理

圖5中除電機和逆變器、整流橋是三相交流連接外，其余元器間是直流連接。其使用的電力電子器件僅比圖3電路多三相半控整流橋內的3個整流二極管；三相整流橋內每個器件通過的電流有效值不足圖3中低頻器件Q1～Q3所通過的三分之一。圖5比圖3電路簡潔、運行效率提高、可靠性增強。

3 單高頻器件電機主電路

電能變換裝置中諸如IGBT等高頻器件模塊是關鍵元件，要盡量減少使用數量。基于圖5電路，在實現其所有功能的基礎上，僅采用單高頻器件，簡化電路并維持裝置成本基本不變，所設計的電機主電路見圖6。

圖6 單高頻器件電機主電路原理

Q5和Q6是低頻器件，僅Q4為高頻器件，超級電容升壓充放電過程都由其進行斬波控制，電路功能和各器件工作狀態見表2。

表2 單高頻器件電機主電路功能

當超級電容升壓輸出時，Q5導通，為防止電感L被短路，Q6需截止，構成的Boost電路為：

(1)Q4截止時，超級電容—L—D1—逆變器—電機—逆變器回路流過電流；

(2)Q4導通時，超級電容—L—Q5—Q4回路流過電流。

超級電容運行電壓低于蓄電池額定電壓，超級電容充電電流不會通過D1而對蓄電池進行充電。

當超級電容升壓充電時，構成的Boost電路為：

(1)Q4截止時，電機—整流橋—Q6—D2—超級電容—整流橋回路流過電流；

(2)Q4導通時，電機—整流橋—Q4—整流橋回路流過電流。

當蓄電池單獨輸出時，Q5的狀態對電路無影響，設置為“導通”使電機在“電動”模式時Q5狀態一致，從表2知整流橋、Q5和Q6可共用一個數字信號控制。

圖6電路雖較圖5電路增加了電力電子器件總數，略顯復雜，但因為減少了高頻開關數量，反而會使裝置成本有所降低。

4 實驗驗證

圖6所示電路就是采用單個高頻器件的電動汽車電機主電路，將其應用于微型低速電動汽車上，通過實驗來驗證它的有效性。車輛滿載質量1 000 kg，電機額定功率7 kW，主電源為蓄電池(72 V，80 Ah)，副電源為超級電容器(72 V，66 F)。實驗中測試車輛速度v，電機逆變器直流母線電流I(簡稱電機電流)，蓄電池電流Im(簡稱主電流)，超級電容電流Is(簡稱副電流)和超級電容器端電壓U，并根據操作信號控制電路中的電力電子器件[8]。

圖7是再生制動過程中，控制電機電流基本恒定的效果(對應車輛等減速)，可知：當車輛速度比較高時，電機電流基本保持在85 A左右，直到速度過低便無法繼續維持。在此制動初速下，電機發電開路電壓低于30 V，而實驗前后超級電容器端電壓有明顯上升(36 V→40 V)，可知發電電壓被升壓且有再生電能被回收存儲。

圖7 恒電機電流再生制動實驗

圖8是電動汽車起步時，在此期間的一段使蓄電池和超級電容協同輸出的實驗曲線，超級電容初始電壓為36 V。在超級電容有副電流Is輸出的位置，主電流Im有相應下降，明顯觀察到超級電容輸出經升壓后對蓄電池的補充作用。

5 結論

以H橋型雙向DC-DC變換器電路為基礎，結合電動汽車實際結構特征及使用要求，對電機主電路進行了優化設計，得到了只使用一個高頻器件的主電路拓撲結構。

通過微型電動汽車實驗驗證了為復合電源電動汽車所設計的單高頻器件電機主電路功能正常，能夠滿足車輛運行時的工作要求。該主電路具有以下優點：

(1)電路能對超級電容輸出電壓進行升壓變換，并協同蓄電池一起向電機供電，有利于改善蓄電池工作條件，延長其使用壽命。

圖8 復合電源協調向電機供電實驗

(2)電路能進行功能切換，在電動汽車再生制動過程中，將電機發電電壓升壓后對超級電容充電，提高能源利用效率，有利于節能環保、增加電動汽車續駛里程。

(3)電路具有結構和控制簡單的優點；降低變流裝置成本、增強系統工作可靠性對提高電動汽車性能和促進其市場化發展具有積極意義。

[1]陳燎,曾令厚,盤朝奉,等.用超級電容儲能的電動車再生制動力控制[J].江蘇大學學報:自然科學版,2014,35(5):508-512.

[2]曹秉剛,曹建波,李軍偉,等.超級電容在電動車中的應用研究[J].西安交通大學學報,2008,(11):1317-1322.

[3]MEHRDAD,EHSANI,GAO Y M.Modern electric,hybrid electric,and fuel cell vehicles fundamentals:theory and design[M].Boca Raton:CRC Press,2009.

[4]閆曉金,潘艷,寧武,等.超級電容-蓄電池復合電源結構選型與設計[J].電力電子技術,2010(5):75-77.

[5]王兆安,劉進軍.電力電子技術[M].5版.北京：機械工業出版社,2010.

[6]嚴仰光.雙向直流變換器[M].南京：江蘇科學技術出版社,2004.

[7]李振民,劉事明,張銳.IGBT驅動及短路保護電路研究[J].電測與儀表,2002,39(6):48-50.

[8]劉博,杜繼宏,齊國光.電動汽車制動能量回收控制策略的研究[J].電子技術應用,2004,30(1):34-36.

A new circuit design of hybrid power supply for EV

QIU Hao,DONG Zhu-rong,HE Ping
(School of Automotive and Transportation Engineering,Shenzhen Polytechnic,Shenzhen Guangdong 518055,China)

The hybrid power supply of electric vehicles (EV) was composed of the super capacitor and battery. Applying only one high frequency power electronic device,a new circuit topology of main power circuit was proposed based on operating characteristics of EV's driving system.The circuit boosts auxiliary power supply(APS)to power up the motor together with the main battery. The circuit also recharges APS via boosting output voltage during regenerative braking.Low-cost and long-reliability are guaranteed by structure simplicity and control convenience of the main circuit.Experiments prove the circuit is effective to improve energy efficiency and performance of EV.

EV;hybrid power supply;power electronic device;super capacitor

TM 91

A

1002-087 X(2015)08-1726-03

2015-01-20

國家自然科學基金(51175050)；廣東省自然科學基金(S2013010013931)；深圳市技術創新研究課題(CXZZ201206171430-11586)

邱浩(1976—)，男，江蘇省人，博士，副教授，主要研究方向為電動汽車機電一體化控制。