电动车能量回收的PWM实现--王亚东.doc

电动车能量回收的PWM实现王亚东 杨宁 郭凤仪（辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁省葫芦岛市125105）摘要：电动车的制动能量至今还没有被很好地开发利用，特别是在市区行驶的公共汽车、地铁车辆和轻轨车辆等，它们需要频繁起动和制动，这部分制动能量回收有着很大的潜力。本文以直流电机驱动系统为研究对象，分析永磁无刷直流电机制动能量回收的控制策略。主要对DC/DC斩波器进行选择、设计以及实现PWM控制。这套制动能量回收系统由直流电机及其控制系统、变换器及其控制系统和超级电容三个部分组成。其工作基本原理为在制动工况下，直流电机发电，经过DC/DC斩波器控制以后，对超级电容组充电；在牵引工况下，超级电容组放电，经过DC/DC斩波器控制后驱动直流电机。在DC/DC斩波器开通与关断过程中不需要程序干预自动完成，及时的保护了DC/DC以及超级电容器。 关键字：能量回收 超级电容 DC/DCPWM realization of energy recovery for electric vehicle GUO Feng-yi Yang Ying ( Faculty of Electrical and Control Engineering, Liaoning Technical University, Huludao 125105, Liaoning Province, China )Abstract: Electric vehicle especially for bus, metro cars and light rail vehicles needs start and brake frequently. But the brake energy has not been used very well so far. Therefore, there is a great applied potential to energy recovery for electric vehicle. The paper analyzes the control policy of the permanent brushless DC motors barking energy recovery, based on driving system of DC motor. It mainly select and design for the DC/DC chopper, then realize the control of PWM. The system is composed of three parts, control system, convertor, and super-capacitor. Under brake states, its principle is that DC motors generate electricity, then super-capacitors charge up after DC/DC chopper control；Under hauling states, super-capacitors discharge, and drive DC motors after the control of DC/DC chopper. During DC/DC chopper opening and closing, there is no use of procedures working, and DC/DC chopper can protect DC/DC and super-capacitors.Key words: energy recovery ; super-capacitors; DC/DC前言： 超级电容器与化学电池的混合使用多为并联，通过 DC/DC斩波器实现二者对电机的共同放电。电动车在制动过程中，其能量的变化剧烈，为了保护储能设备也必须经过DC/DC斩波器，所以斩波器是能量回收的一个关键环节，DC/DC斩波器的设计与实现影响到了能量回收的效率。1. DC/DC斩波器的参数设计DC/DC变换器是直流电源和负载之间的一个周期性通断的开关控制装置，它的作用是改变供给电机或超级电容的电压，实际上是作为一个电压调节系统而工作的。为了满足使用需要，采用的变换器应该是电流可反向的两象限变换器，当电容对外放电时，DC/DC变换器处于升压状态，而再生制动时，电流反馈，DC/DC变换器处于降压状态。系统设计使电容电压始终低于电池电压，DC/DC变换器采用半桥式，由全控型晶体管S1和S2，以及续流二极管D1和D2，电感L组成，如图1所示。 图1 DC/DC变换器模型本文中双向DC/DC变换器设计要求为：额定输出功率Pe=300W；输入电压Ui=510V；输出电压Uo=3650V。变换器电路参数包括开关元件的开关频率，储能电感值、输出滤波电容值。（1）开关频率fsw的选择提高fsw可以减小变换器的体积和重量，降低变换器的工作噪声，而一般IGBT的开关频率最大值fswmax=20kHz，因此选择fsw=20kHz。（2）电感L的设计当负载为额定值，输入为最小值5V，输出为最大值50V 时，平均电感电流为最大值60A。根据设计要求，最大电感电流纹波率应小于10%，可得最大电感波纹电流IL=6A，D=2/3，即2/3 的周期时间内VS1 导通，电感储能，等效回路电阻R很小忽略不计，电感计算如下： （1）所以设计L=/10A（3） 输入输出电容C1、C2 的设计根据设计要求，输出电压纹波应小于1%，可得输出电压波动量Uo=0.5V，A。由电容的充、放电电荷守恒原理可知，C 值大小满足： （2）考虑到实际负载情况，选取C=/100V。2 DC/DC变换器的工作原理及PWM实现 2.1 DC/DC变换器的工作原理当S2处于工作状态，S1关断，S2和D1构升压斩波电路，等效电路如图2所示，此时DC/DC变换器处于Boost状态，电容向外放电,当S2闭合时，能量从超级电容经S2传递到电感L，当S2断开，能量从电感L经释放到电池或外电路中。 图2 DC/DC变换器Boost状态等效电路当S1处于工作状态，S2关断，S1和D2构成降压斩波电路，等效电路如图3所示，此时DC/DC处于Buck状态，电流反向向电容充电：S1闭合能量从外部电路或电池充入超级电容，电感L存储部分能量，当S1断开，L释能量，向电容充电。图3 DC/DC变换器Buck状态等效电路当处于Boost的状态时，两端电压的相互关系为： （3）即：；其中占空比 （4）当处于降压Buck状态时，则有： （5）通过控制占空比来调节变换器两端电压，从而实现了PWM控制。2.2 DC/DC变换器的PWM实现根据上述工作原理，设计了以TMS320LF2407为核心的数字控制双向DC/DC 变换器控制系统，如图4所示。 图4 双向DC/DC 变换器系统原理图TMS320LF2407事件管理器（EV)模块为控制系统（运动控制和电机控制）的开发提供了强大功能。LF2407包括两个事件管理器模块：EVA和EVB。使用LF2407的两个事件管理模块下的一个PWM驱动，经过光电隔离驱动MOSFET。控制PWM信号的导通事件以及是否导通可以控制超级电容器、负载、蓄电池之间的能量转换关系。为了保证系统安全可靠的工作，LF2407的事件管理器中提供了两个引脚，当该引脚被拉成低电平的时候，内部定时器立即停止计数，所有的输出引脚全部呈现高阻态，同时产生故障中断信号，通知有异常情况发生。整个过程不需要程序干预自动完成。控制模块具有多种硬件故障检测和保护电路，可以实现电流保护和电压保护。在这里，我们选择的蓄电池的额定电压为36V，超级电容器的额定电压为10V，比较器2检测母线电压V2，V2在蓄电池供电的过程中其电压范围为0V36V，在制动回收能量时的电压范围为V236V。比较器1检测超级电容器两端电压V1，其电压范围为0V10V。通过调整可变电阻的滑动端可以改变电压比较器同向端的参考电压值，当采样信号的电压值高于电压比较器的同向端的参考值时，输出端的0V信号变低，通过与其他的故障信号相与后，得到信号，事件管理器模块根据的信号决定是否打开的输出通道。双向DC/DC 变换器系统的工作过程如下：1. 当V236V时，比较器2输出0，被置为低电平，PWM1不输出，呈现高组态，S1断开；此时，若V110V，说明超级电容器已饱和，不需要充电，比较器1输出0，S2断开，多余的电能由蓄电池吸收；若V110V,说明蓄电池可以充电，比较器1输出1，S2闭合，回收的能量向超级电容器充电。2. 当V210V，说明超级电容器已饱和，比较器1输出0，S2断开，超级电容器向外放电；若V110V,说明蓄电池可以充电，比较器1输出1，S2闭合，超级电容器准备好了充电，返回一个弱电的值。结论：1. 通过双向DC/DC变换器实现了电动车的蓄电池与超级电容器并联的混合动力电池，保护了超级电容器。2. 电路中，整个过程不需要程序干预自动完成，及时的保护了DC/DC以及超级电容器。参考文献：1 刘和平.TMS320LF240x DSP 结构、原理及应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2002.2 阮新波,严仰光.脉宽调制DC/DC 全桥变换器的软开关技术M.北京：科学出版社，1999.3 陈刚. 软开关双向DC/DC变换器的研究D.浙江:浙江大学，20014 张洁萍,张逸成等.燃料电池电动汽车用DC/DC变换器方案J.低压电器. 2002 (5)5 任恒良,姚勇涛等.电动汽车用直直变换器及控制方法J.同济大学学报.2003 (5)6 杨岳峰,张奕黄.IGBT的瞬态保护和缓冲电路J.电机电器技术.2003 (3)7 Marty Brown.开关电源设计指南M. 北京：北京机械工业出版社，2004作者简介：王亚东 男，辽宁朝阳人，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。杨宁（1982），男，辽宁阜新人，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动，E-mail：yynn82.郭凤仪 （1964），男，内蒙古赤峰人，辽宁工程技术大学电气与控制工程学院院长，博士生导师；联系方式：13591994829，13591998209，0429-5310910，0429-2492859，杨宁通信方式：辽宁省葫芦岛市兴城市龙湾南大街188号辽宁工程技术大学415信箱，电控研06-1 杨宁收邮编：125105