1、一種電動汽車用的超級電容控制器             一種電動汽車用的超級電容控制器 劉龍江，白志峰，曹秉剛 （西安交通大學，陜西西安710049） 1引言    再生制動在電動汽車的能量回收中占有突出的地位，在電動汽車的能量管理系統中，要求能盡可能多的利用再生制動回饋的能量。通常多采用向蓄電池充電來吸收再生制動回饋的能量1，其缺點是蓄電池難以實現短時間大功率充電且充放電循環次數有限，成本高。超級電容器是1種介于電池和靜電電容器之間的儲能元件，

2、具有比靜電電容器高得多的能量密度和比電池高得多的功率密度，適合用作短時間功率輸出源2，它具有諸如比功率（單位質量或體積輸出的功率）高、比能量（單位質量或體積輸出的電量）大、1次儲能多等優點，因此能大大提高電動汽車的1次續駛里程數并能在汽車啟動、加速和爬坡時有效改善電動汽車的運動特性。另外，在電動車上使用超級電容器后能夠平滑動力電池的充放電電流，動力電池的使用壽命亦可有較大延長，甚至可延長1.5倍。據此，文中提出1種利用超級電容器作為電動汽車儲能裝置，以期尋求獲得高水平的能量回收的方法，并對超級電容器的控制器的設計作了簡要的介紹。2系統概述2.1再生制動實驗方案設計  

3、60; 再生制動是將車輛的動能依靠電機的發電機儲存在電動汽車的儲能裝置中重新加以回收利用。實驗中采用了國內生產的1臺永磁直流電機（18kW/288V）和兩只并聯的超級電容器（350V/0.7F/400A，400V/0.58F/400A），設計了1種小功率斬波器(DC/DC變換器)對超級電容器的充放電進行控制。再生制動控制系統實驗臺示意簡圖見圖1所示。圖中，交流電源通過AC/DC整流為直流電，是實驗中的動力源，實際上，它就相當于電動汽車的主電源動力電池，負責拖動電機并在必要時向超級電容器充電。圖1    再生制動控制系統實驗臺的示意圖   

4、60; 電動汽車的驅動電機應具有寬的調速范圍和高的轉速，足夠大的啟動扭矩，效率高且有動態制動強和能量回饋的性能。永磁直流電機用作驅動電機具有這種特點且其驅動控制系統比較簡單。斬波器(DC/DC變換器)是直流電源和負載之間的一個周期性通斷的開關控制裝置，它的作用是改變供給電機或超級電容器的電壓，實際上是作為1個電壓調節系統而工作。由于采用斬去輸入電壓而變成在時間上斷續的脈沖輸出，這類調節器因此而得名，可用晶閘管、GTO、GTR或IGBT等功率半導體器件作為電子開關。在上述實驗方案中，超級電容器和直流電機分別依次作為直流電源或負載使用。電動汽車在起動、加速和恒速運行時，超級電容器放電,供給電機電能

5、,電機處在電動狀態，實現電能到機械能的變換，驅動車輛前進。當電動汽車減速時，要求直流電機處在發電制動狀態，即處于再生制動狀態，給作為電源的儲能裝置超級電容器充電，實現機械能到電能的轉換，實現再生能量回收。2.2DC-DC主回路設計    為了實現上述控制要求,設計了1種雙向升、降壓變換的DCDC變換器，其主回路拓撲結構如圖2所示。 圖2    DC-DC變換器主回路的拓撲結構     控制方案如下所述：    （1）電動升壓Smdw完全導通，Smup斬波；Sbdw、Sbup關

6、斷。超級電容器此時工作在放電方式下，其電壓大于負載（電動機）要求的額定電壓，DCDC變換器只能進行電動升壓變換，向負載提供電能。    (2)電動降壓     Smup完全截止，Smdw斬波；Sbdw、Sbup關斷。超級電容器此時工作在放電方式下，其電壓小于負載（電動機）要求的額定電壓，DCDC變換器只能進行電動降壓變換，向負載提供電能。    （3）電動直輸    Smup完全截止，Smdw完全導通；Sbdw、Sbup關斷。超級電容器此時工作在放電方式下，其電壓約

7、等于負載（電動機）要求的額定電壓，DCDC變換器不進行升、降壓變換，由超級電容器輸入的電壓直接輸出給負載（電動機）。    （4）制動升壓    Sbdw完全導通，Sbup斬波；Smdw，Smup關斷。超級電容器此時工作在充電方式下，其要求的額定電壓大于負載（電動機）供給的電壓，DCDC變換器只能進行制動升壓變換，向超級電容器提供電能。    （5）制動降壓    Sbup完全截止，Sbdw斬波；Smdw，Smup關斷。超級電容器此時工作在充電方式下，其要求的額定電壓小于負載

8、（電動機）供給的電壓，DCDC變換器只能進行制動降壓變換，向超級電容器提供電能。    （6）制動直輸    Sbup完全截止，Sbdw完全導通；Smdw，Smup關斷。超級電容器此時工作在放電方式下，其要求的額定電壓約等于負載（電動機）供給的電壓，DC-DC變換器不進行升、降壓變換，由負載（電動機）供給的輸入電壓直接輸出給超級電容器。3 DC-DC控制器的設計3.1基于CAN總線的DC-DC控制器及CAN總線的特點    電動汽車能量管理系統需檢測和交換大量數據，采用硬接信號線的方式難以解決問題，且成本

9、較高，采用CAN總線來實現其內部的數據通信則是1種有效的方法。設計的電動汽車超級電容控制器是基于CAN總線的全分布式控制系統。    CAN（ControllerAreaNetwork）總線是德國Bosch公司為汽車監測、控制系統而設計的，具有卓越的性能和高可靠性，可以以多主方式工作，能使系統的各模塊實現多主通信，在多主方式工作下，網絡上任1節點均可在任意時刻主動向其他節點發送信息，不分主從，通信方式靈活。CAN網絡上的節點信息分為不同的優先級，可滿足不同的實時要求。CAN協議的最大特點是打破了傳統的節點地址編碼方式，而是對通信數據塊進行編碼，這種方法可使不同的節

10、點同時接收到相同的數據，可定義211或229個不同的數據類型，網絡容量巨大，同時，避免發生總線“沖突”3。3.2DC-DC控制器硬件系統設計    根據雙向升、降壓DC-DC變換器的控制方案，本文研發的基于CAN總線的DC-DC控制器實質上就是1個CAN節點。其硬件原理如圖3所示。主要功能模塊有以下幾種。 圖3    DC-DC控制器硬件原理圖     （1）測量和控制模塊     CPU采用80C196KC單片機。電壓、電流信號經傳感器、信號調理電路整定至適合單片

11、機A/D轉換器采集的信號。主要是對電動汽車的加、減速狀態，主回路電壓、電流及超級電容的電壓、電流等信號進行測量及故障監測。    （2）存儲信息模塊    擴展EPROM32K×8位的紫外線擦除電可編程的只讀存儲器27256。    （3）信號輸出模塊    本系統要求輸出4路PWM波形。采用可編程邏輯器件GAL16V8與80C196KC的PWM口直接連接，實現4路PWM輸出，分時控制主回路的4個IGBT管的開關占空比，進行電壓調節。  

12、0; （4）通信接口模塊控制器擴展的通信接口是CAN總線接口，CAN總線接口擴展采用CAN通信控制器SJA1000高速光耦6N137CAN總線收發器82C250電路，并可通過MAX232電路與主計算機的RS232C串行口連接，實現主計算機與控制器的雙向通信，其電路原理如圖4所示。另外，由于以上介紹的CAN總線特點，在CAN網絡中可方便地增加或減少CAN節點，任1節點均可在任意時刻主動向其他節點發送信息，不分主從，實現多主通信，這樣就能把能量管理系統中的多個控制單元變成網絡接點，構成1個網絡集成式全分布式控制系統。 圖4    CAN總線接口電路原理圖 3.3軟件設

13、計4    系統軟件的功能是對電動汽車的運行狀態進行判斷。若汽車油門踏板踩下，則超級電容器工作在放電方式，調電動升、降壓子程序；若汽車剎車踏板踩下，則超級電容器工作在充電方式，調制動升、降壓子程序。    為了便于軟件的編寫和調試、控制算法的改變和分析使用，軟件采用了模塊化結構。系統軟件由主程序、子程序、中斷服務程序組成，其主程序及中斷服務程序軟件框圖如圖5、圖6、圖7所示。初始化中應設初始值及設定全局變量、初始化各中斷服務程序用到的中斷向量，并設置軟件結構，重置優先級順序。A/D采樣中斷服務程序利用80C196KC的高速輸出器HSO的CAM鎖定位，定時啟動ACH0通道。中斷服務程序4中使用了80C196KC的高速輸入器HIS記錄某一外部事件發生的時間，用于判斷油門踏板和剎車踏板信號，僅用幾個判斷語句就可完成功能描述，使得程序的編寫非常簡明。4結論&#