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超级电容与蓄电池组合电源在电动自行车上的应用

2020-04-24

来源:科学实践


本文提出了超级电容器与蓄电池组合应用于电动自行车构成双电源供电系统,设计了双源的连接方式,超级电容可通过双向DC/DC变换器与蓄电池并联,以使超级电容能释放出更多的电能给出了超级电容器与蓄电池组合的控制策略,使蓄电池在任何情况下都工作于额定功率下的最佳工作状态,有效的保证了蓄电池免受冲击,延长了蓄电池的使用寿命。


1. 概述

中国已成为全球最大的电动自行车生产国、消费国和出口国。电动白行车作为一种节能环保、出行便捷的中短距离交通工具,深受广大消费者欢迎,同时,电动自行车将向着多功能型及节能型的方向发展。当前,电动自行车存在的问题主要集中在:蓄电池的使用寿命和频繁的更换上,蓄电池存充电时间长、充放电次数有限以及还有接触不良等等问题,所以,蓄电池是影响电动自行车性能质量的关键部件,也是制约着电动自行车发展的关键问题。近年来,许多科技发达的国家都致力于研发新型的电动自行车电池包括高功率镉镍、锌镍、氢镍、锂聚合物以及燃料电池等等。氢镍电池在日本、欧美等国应用较为广泛;锂离子/锂聚合物等电池也在推广使用。我国也有许多科研院所也在积极研发电动自行车用的新型电池,但目前95%左右的电动自行车仍采用传统的铅酸蓄电池。然而,由于铅酸蓄电池的寿命比较短,在一年左右就需要更换;而且,当电动自行车处于启动、加速、爬坡、逆风和载重运行时,电池在短时间内要提供几十安培的电流驱动电机,铅酸蓄电池难以达到良好的效果,而且如此大的电流会对电池造成冲击性伤害,严重的影响电池续航里程和使用寿命。超级电容具有其它电池无可比拟的优点,且已成功的应用于诸多领域,如作为电子产品的后备电源、不间断电源以及电动工具的电源等。超级电容在新能源、电动汽车和军事三个领域的应用尤为广泛和突出,超级电容器的出现带来了电池的革命。本文将超级电容器与蓄电池相结合,应用于电动自行车驱动中,合理的设计了双电源的连接方式,并且根据电动自行车电机驱动的特点,给出了控制策略,该控制策略能有效地改善电动自行车的性能,延长蓄电池的使用寿命,具有极大的市场前景。


2. 超级电容器

超级电容又称为电化学电容器,是介于电池和电容器之间的一种储能器件,既具有电容器快速充放电的特点,又具有电化学电池的储能机理。

超级电容主要有如下特点:

①电容量大。单体超级电容器的电容量比同体积的电解电容器大2000—10000倍,可达数千法或数万法拉。

②功率密度高。超级电容能提供瞬时大电流,在短时间内电流就可以达到几百至几千安培,功率密度是蓄电池的近百倍,可达1000W/kg。

③充电速度快。充电几分钟就可达到额定容量的95%以上。

④能量转换效率高、充放电接受能力强。大电流充放电能量循环效率大于90%,充放电过程中能量损失小。

⑤循环使用寿命长。在正常使用条件下,循环使用次数可达十万次以上。

⑥使用温度范围宽,可靠性高。在一40—65℃的温度范围内都能正常、安全、可靠工作。


3. 超级电容与蓄电池组合

将超级电容与蓄电池合理组合,构成双电源供电,布置在电动自行车上,共同承担驱动电动自行车的任务。当电动自行车正常在平坦路面行使时,由蓄电池单独供电;在启动、爬坡、加速等需要瞬时大功率阶段,超级电容器与蓄电池同时向电机供电。当电动自行车制动时,电机对外发电,超级电容储存能量,实现能量回收利用。由于超级电容器具有比功率大,充电速度快,使用寿命长等优点。将超级电容器与蓄电池相结合,能够取长补短,能有效地改善现有的电池性能、延长其使用寿命。但是

超级电容也具有能量密度低,串联内阻大的缺点,若将串联超级电容组与蓄电池组直接并联,由于过大的内阻将使超级电容组输出的电流过小,这样将不能起到分流保护蓄电池的作用。因此,本文设计了一个双向的DC/DC变换器,超级电容可通过DC/DC变换器再与蓄电池相并联,输出功率可随意调整。为此,在运行时必须构建一定的控制策略,能够在电机电流需求过大时及时启动或扩大超级电容的输出电流,限制蓄电池输出过载电流,以保护蓄电池。控制策略根据电动自行车的运行工况确定,工况可分为平地行驶,启动、加速、爬坡、过载、刹车等几种。

3.1 启动、加速、爬坡和过载状态

在这种状态下电机有瞬时大功率的需求,应由超级电容和蓄电池共同输出功率以驱动电机,鉴于超级电容具有短时大电流放电的特性,相比蓄电池,超级电容能够更好地满足这一要求,此时,可以由超级电容承担大部分的负荷。因此,在这一阶段超级电容需作为主能量源,承担峰值功率,而蓄电池只作为辅助能量源;当峰值功率过后,超级电容退出,负荷由蓄电池承担。

3.2 平地匀速行驶状态

当电动自行车在平地匀速行驶的状态下运行时,功率需求不高,此时,蓄电池输出功率完全可以满足电机动力性的要求。在此工况下,电机驱动的能量完全由蓄电池单独提供,超级电容不需释放功率。

3.3 刹车状态

当电动自行车处于刹车状态时,此时电机处于发电状态,将一部分动能转化为电能,该电能可以经双向DC/DC变换器逆变送回超级电容。在此状态下蓄电池与电机之间的回路被切断,蓄电池不吸收回馈电能,这样能避免再生电流对蓄电池造成中击伤害。

将超级电容作为再生制动回馈能量的储能容器,正是利用了超级电容能够吸收瞬时大电流的特性,也可有效提高能量的回收率。双电源驱动电动自行车的能量管理目标是:采用合理的控制策略,实现两种储能容器的优势互补,在确保电动自行车的动力性要求的同时,让蓄电池时刻工作于低电流放电的最佳工作状态:其次,更好的利用了超级电容的特点,将再生发电制动方式产生的电能回馈到超级电容器,既提高了能量的回收率又对蓄电池起到了保护作用,免受冲击,延长其使用寿命。

电动自行车工作状态的判别,可根据检测电机的驱动功率来进行。当驱动功率为正值,并大干蓄电池额定功率,且△P/At>O时,可以判断为电动自行车处于启动、爬坡或过载状态,此时,应降低蓄电池控制电路PWM的占空比,用以降低蓄电池的出力:同时应增加超级电容控制电路PWM的占空比,用以增加超级电容的出力;当功率为正,且小于蓄电池额定功率时,可以判断为电动车处于平地行驶工作状态:当功率为负,且△P/△t<0时,电动车处于刹车状态,超级电容充电,接受回馈能量。


4. 控制电路的设计

本文以TM$320F28335为核心控制器,设计了电动自行车双电源控制电路系统,以实现控制策略。在该方案中,超级电容和蓄电池的电压不相等,蓄电池的电压为48V,超级电容的电压为36V,并通过双向DC/DC逆变器再与蓄电池并联。硬件电路示意图如图1所示:图中功率检测电路负责检测双电源输出侧功率Pc、Pb以及电机的驱动功率P。当处于启动、爬坡和过载状态时,DSP对双向DC/DC变换器输出升压PWM波形,变换器工作在升压模式,超级电容将储存的能量释放出来,于此同时,DSP对蓄电池控制电路的PWM占空比进行控制,以保证蓄电池的输出功率在额定功率之内。当电机处于减速或刹车状态时,DSP对双向DC/DC变换器输出降压PWM波形,同时切断蓄电池的供电回路,双向DC/DC变换器工作在降压模式,将再生制动的能量回馈至超级电容器储存。

功率检测可采用MAX4211芯片,芯片成本低、功耗低,可形成一个高端直流功率/直流电流测量系统,系统利用精密电流检测放大器来检测电流,再利用片内乘法器计算出功率,该系统的连接对被测系统的接地通路不构成影响,特别适合于检测电池供电系统的功率及电流。测量误差低于1.5%,测量范围4—28V,电源电压范围2.7—5.5V,工作电流670微安。

控制策略流程图如图2所示:

本设计方案经过了MATLAM的仿真,并在实验室制作了控制器应用于电动自行车控制试验,使用超级电容器额定电压为12V,电容容值1.2F,三组电容串联36V,蓄电池采用4个12V串联48V,试验证明了控制策略的有效性。在本设计方案中,超级电容通过双向DC/DC与蓄电池并联,超级电容的端电压没有与蓄电池电压相等的限制,所以工作电压范围更广,超级电容能释放出更多的能量。


5. 结论

本文提出了~种超级电容器与蓄电池组合构成双电源供电系统,应用于电动自行车供电,超级电容通过双向DC/DC变换器与蓄电池并联,可以使超级电容能释放出更多的电能;讨论了电动自行车的运行工况,确定了超级电容器与蓄电池的控制策略,使蓄电池在任何情况下都工作于额定功率以下的最佳工作状态,有效的保证了蓄电池免受冲击,能有效的延长了蓄电池的使用寿命。通过试验证明了该设计的可行性和有效性,随着超级电容的不断开发和价格的下降,组合电源运用于电动自行车将具有较好的发展前景。

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