0 引言

    將教練車的發動機更換為電動機，其他結構不變使之成為一種電動教練車，實現節能減排。但教練車工作狀態頻繁切換，導致負載功率寬范圍變化，蓄電池要滿足負載需求，其電流就必須具有寬范圍變化的能力，為了不影響電池壽命，瞬時大電流放電又是不被允許的，因此產生了矛盾。

    現有的教練車均采用鉛酸或鋰離子動力電池進行驅動，無法同時滿足教練車對蓄電池的高能量密度、高功率密度、較長循環壽命、較好經濟性的要求^[1-3]。且經實驗發現大電流放電嚴重影響鉛酸動力電池的可放出容量，即存在“放不出來”現象。

    針對以上問題，本文擬選用較經濟的鉛酸電池，采用與動力電池特性互補的起動電池來“削峰”，即利用雙電源協同驅動電機。起動電池提供電機峰值功率，且滿足一定時間峰值助推力需要的能量，在保證整車動力性能的前提下，使動力電池輸出功率盡可能保持恒定或平滑，避免了大電流放電對其的損壞，延長了動力電池的使用壽命，增加了教練車的續航時間。

1 系統方案設計

    雙電源協同驅動系統中起動電池能量密度小，在釋能過程中電壓下降較快^[4-5]，當其電壓小于動力電池電壓時，由于電勢差的存在無法及時對系統需要的大功率做出補償。因此，選用的起動電池組端電壓應大于動力電池組端電壓，再通過DC/DC變換器實現端電壓的自動匹配，保證起動電池能隨時補充負載需要的大電流，電路設計原理圖如圖1所示。

    圖中，E_d、E_s分別為動力電池、起動電池的開路電壓，R_d、R_s分別為動力電池、起動電池的內阻。起動電池經VF₂、VD₃、L₁組成的Buck變換器與動力電池并聯，虛線框內為逆變器自帶電路，其中C₁、R為教練車等效負載，R₁與VF₁構成等效負載中電容的預充電電路，VD₁、VD₂為防反充二極管，起到防止兩電池之間相互充電的作用。

2 系統控制方案

2.1 功率調配控制

    教練車工作狀態多變，負載電流變化范圍大^[6]。當負載電流超過動力電池的最佳放電電流時，為避免動力電池大電流放電受到損壞，以起動電池作為“峰值”補充電源，使動力電池所提供電流維持在最佳放電電流范圍內。對教練車中關鍵部分能量源起到管理和保護作用。設I₁為動力電池電流，I₂為負載需求電流，I₃為起動電池電流，I_set為動力電池可接受最佳放電電流，則工作狀態分為兩種模式：

    (1)若I₂－I_set≤0，則I₁≈I₂，I₃≈0。即負載所需電流I₂在動力電池可接受的最佳放電電流范圍內，幾乎全部由動力電池提供。

    (2)若I₂－I_set>0，則I₁=I_set，I₃=I₂－I_set。即負載所需電流I₂超出動力電池可接受最佳放電電流范圍，則動力電池的放電電流基本維持為I_set，剩余部分由起動電池供給。

    兩種工作模式中，開關管VF₂都處于調節狀態。第一種模式下，輸出較小的占空比控制VF₂，使起動電池只提供很小的電流，目的是使起動電池始終處于動態預備狀態，防止其在負載突變時，無法快速對大電流進行補充；第二種模式下，系統采樣負載電流I₂，與給定電流I_set做差得到誤差值，經比例(P)調節后輸出占空比信號，控制VF₂的通斷來對起動電池需補充的電流進行調節，控制框圖如圖2所示。

2.2 容量平衡控制

    鉛酸動力電池相關參數標準規定，最佳放電率為0.1 C~0.2 C^[7]，本系統中I_set在0.1 C~0.2 C范圍內調節都是合理的，將I_set初始值設置為0.15 C，方便控制。為使動力電池所能持續放電的時間內，起動電池的電量也基本放完，用安時積分法檢測兩個電池的“荷電狀態”（State of Charge，SOC），比較后對I_set進行調節，設SOC₁、SOC₂分別為動力、起動電池的荷電狀態，控制思路為：

    (1)當SOC₁>SOC₂，提高I_set的設置值，使動力電池多提供能量，SOC₁降低，直到與SOC₂值接近。

    (2)當SOC₁<SOC₂，降低I_set的設置值，使起動電池多提供能量，SOC₂降低，直到與SOC₁值接近。

    鉛酸蓄電池放電深度在30%~90%范圍內時具有較長壽命且在其生命周期內放出較多容量^[8]，將蓄電池最低SOC設置為30%，當起動與動力電池中任意一個容量降低到30%時，放電結束，需給蓄電池充電。系統容量平衡控制流程圖如圖3所示。

3 系統參數設計

3.1 電池選型

    已改裝的電動教練車所配電機的額定電壓為48VAC，考慮到電池的性價比和車輛使用情況，選用型號為6-DG-120B的6節12 V的鉛酸動力蓄電池串聯使用，其額定容量為105 Ah。經測量電動教練車運行過程中負載所需電流參數如表1所示。

    由表1可以看出，車輛在起步、轉彎和加速狀況下電池需大電流放電，將動力電池工作中的電流平均為15 A，則動力電池可持續工作時間為：

    105 Ah×0.7÷15 A=4.9 h

    為滿足學員一天的練車要求，教練車電源提供能量的時間應達到5.5小時左右,將起動電池工作中的電流平均為35 A，則所選起動電池額定容量應為：

    0.6 h×35 A÷0.7=30 Ah

    選取型號為6-QWLZ-36的7節起動電池串聯，對系統大電流進行補充，其額定電壓為12 V，額定容量為36 Ah，起動電流達280 A，滿足系統要求。

3.2 系統設計中L₁、C₂的參數計算與選擇

    起動電池端連接Buck變換器，輸入電壓為70 V~96.6 V，由表1可知系統負載最大需求電流為60 A，除去動力電池提供的，起動電池應補充40 A左右的電流，將其輸出電流最大值定為45 A，開關頻率為5 kHz，對于Buck變換器按最大輸入電壓（96.6 V）計算電感，過程如下：

    設負載突變瞬間，允許動力電池電流波動5 A，動力電池內阻為0.06 Ω，則輸出紋波電壓為：

    ΔU=0.06 Ω×5 A=0.3 V

    假設輸出紋波電壓的大部分分量由電容的ESR(R_c)產生，可以選擇電容使得ESR滿足紋波電壓要求，則有：

    R_c=ΔU/(I_load－I_d)=0.3 V/(60 A-25 A)=0.008 6 Ω

    由經典ESR/電容值關系：R_cC₀=50×10^-6 ΩF，計算得到C₀=5.8×10^-3 F。

    此電容由兩部分組成，分別為電機控制器內部電容C₁和Buck變換器并聯電容C₂，本教練車電機控制器中電容C₁為14個180 μF電解電容并聯，總容量為2.52×10^-3 F，

則Buck變換器并聯電容C₂容量為2.28×10^-3 F，其最高工作電壓在83 V左右，選用7個容量為330 μF，ESR為20 mΩ、耐壓值為160 V的電解電容并聯，降額51.8%使用，滿足設計要求。

4 仿真與結果分析

    為驗證本設計的合理和有效性，利用MATLAB軟件搭建了系統的仿真模型，如圖4所示。

    仿真模型中的器件參數設置如下：

    動力電池：內阻0.06 Ω，額定電壓72 V，額定容量105 Ah；起動電池：內阻0.01 Ω，額定電壓84 V，額定容量36 Ah；

    L₂電感量為8×10^-5 H，C₂容量為2.3×10^-3 F；電阻R₂、R₃、R₄來模擬電動車負載，由給定信號G₂、G₂來控制VF₁、VF₂的通斷，當VF₁、VF₂依次閉合，系統負載逐漸增大。仿真結果如圖5所示。

    圖中V_c1、V_c2分別為電容器C₁、C₂的端電壓，i₂為負載需求電流、i₁為動力電池所提供電流、i₃為起動電池所提供電流。由圖可以看出，0~0.15 s內，電容器C₁端電壓升高，處于充電狀態，而電容器C₂在起動電池作用下逐漸被充滿；0.2 s時負載接入，系統開始工作，0.2 s～0.5 s內，負載所需的電流較小，僅為14 A，小于I_set設置值，此階段動力電池幾乎提供了負載所需的全部能量；0.5 s時負載突變，需求功率增大，所需電流增加到34 A，大于I_set的設置值，此時動力電池提供了15 A電流，起動電池提供19 A電流；1 s時負載再次突變，所需電流增加到60 A，動力電池仍提供15 A電流，起動電池提供剩余電流。

    因仿真時間較短，電源SOC變化不明顯，無法看出容量平衡控制效果，采用信號發生器給定變化的SOC₁、SOC₂信號進行模擬，仿真模型如圖6。

    模擬中I_set初始設置值為16 A，間隔時間設置為0.5 s，圖7為模擬仿真波形，由圖可以看出，在1.5 s、2 s時，I_set值均增加了2 A，觀察SOC₁、SOC₂的變化發現在1.5 s、2 s時SOC₁、SOC₂的關系滿足SOC₁>SOC₂，|SOC₁－SOC₂|=a，a>10%且有增大趨勢，為使SOC₁、SOC₂接近，提高了I_set的設定值，讓動力電池多提供能量，在2.5 s時，也滿足此關系，但I_set已增加到動力電池最佳放電電流的閾值，則不再增加，在4.5 s、5 s時，I_set值均減少了2 A，此時SOC₁、SOC₂的關系滿足SOC₁<SOC₂，|SOC₂－SOC₁|=a，a>10%且有增大趨勢，為使SOC₁、SOC₂接近，減小了I_set的設定值，讓起動電池多提供能量，仿真結果與控制策略一致，驗證了方案的可行性與正確性。

5 結語

    改進后的電源系統具有以下特點：

    (1)在負載突變的情況下可及時調整工作模式，使動力電池輸出功率盡可能保持恒定或平滑，通過起動電池來滿足系統峰值功率需求；

    (2)連接起動電池的Buck變換器始終處于工作狀態，通過改變占空比控制起動電池輸出電流的大小，使起動電池可根據負載需求快速補充電流；

    (3)通過比較兩個電池的SOC，根據控制策略改變Iset的設置值，達到平衡兩個電池SOC的目的，使兩個電池電量基本同時放完。

    本設計充分發揮了兩種電池的性能優勢，通過控制對雙電源輸出功率進行管理和調配，保護了動力電池，延長其使用壽命，具有一定的實用價值。

參考文獻

[1] 王福鸞，杜軍，裴金海.全球鋰電池市場狀況和應用發展綜述[J].電源技術，2014(3)：564-568.

[2] 許曉雄，邱志軍，官亦標，等.全固態鋰電池技術的研究現狀與展望[J].儲能科學與技術，2013(4)：331-341.

[3] 馬永泉，劉孝偉，陳體銜，等.新能源汽車用鉛酸蓄電池探究[J].蓄電池，2011(3)：99-103.

[4] 呂偉鵬.電動車控制器用新型輔助電源設計[J].電源技術，2012(12)：1915-1917.

[5] 王云財，李嵐.電動車控制器用兩種輔助電源的分析比較[J].通信電源技術，2016(5)：13-15.

[6] 劉祖超，張加勝，肖喜鵬，等.基于變頻器的新型預充電電路的研究[J].電測與儀表，2015(2)；95-98，122.

[7] 鄭茂俊.通訊用鉛酸蓄電池優化維護及修復方法研究[D].西安：西安電子科技大學，2014.

[8] 郝曉紅，欽建峰，王金都，等.新能源系統儲能用鉛酸電池使用壽命的影響因素分析[J].能源工程，2012(4)：10-14.

作者信息：

孟彥京，賈娟娟，馬匯海，吳  輝

（陜西科技大學 電氣與信息工程學院，陜西 西安710021）