超级电容-电池能量存储(共37页)

1、 39/39超级电容(dinrng)-电池混合动力汽车能量存储系统第四章 超级电容-电池混合动力(dngl)能量存储系统现状在本系统(xtng)中，电池具有高的能量密度和低的功率密度。而超级电容具有高的功率密度和低的能量密度。在前面的研究中，将电池与超级电容并联，如图4.1所示。由于超级电容具有较低的电阻，所以大部分电流从超级电容流过，而只有一少部分电流流过电池，这在某种程度上延长了电池的寿命。 图4.1电池与超级电容并联等效电路Vo：输出电压 VB：电池电压 Io：输出电流 Io=50A UC=90F RC+ROV=0.054 RESR=0.01 VB= VUC=24V如果图4.1的参数确定

2、，我们可以根据电路的方程来预测负载的情况。图4.2为图4.1电路电流为常数时的仿真结果。图4.2 超级电容-电池混合放电电流波形仿真从t0到t1超级(choj)电容的电流如图4.2(b)所示。当电池电流缓慢上升时，超级电容为电池提供了大部分能量。从t1到t2，电池为超级电容充电，这是由于电容等效(dn xio)电阻RESR和ROV与RC之和不相等(xingdng)。在图4.1中我们可以看到 VRUC+VUC=VRB+VB， 但是VRUCVRB且VUCVB。因此，在t1时刻I总=0，由于VUCVB，电流从超级电容流向电池。如果我们假设电池电压、输出电压、电阻和电容都是常数，可以得到闭合解。从t0

3、到t1，假设超级电容为电池完全充电，从t1到t2，iUC 变为此时，p= t1-t0为电流脉冲宽度。在图4.2(d)中我们可以注意到在没加脉冲之前超级电容的电压为VUC0，在加脉冲之后它的电压变为VUC1。由于电池为超级电容充电，所以它的电压会立刻增加，它会继续增加直到VUC=VRB。当超级电容充电时，它的电流变化方向与t1时刻的相反。第五章超级电容电池能量存储系统方案的提出在图中超级电容(dinrng)的电压比电池的电压高，我们可以通过(tnggu)增加超级电容的存储能量保护电池，减少电池负极(fj)的硫化现象，使电池充电。电路中开关S的作用是：当电池充电时绕过二极管，即开关S闭合，也就是说

4、由于充电电流被二极管锁住，所以超级电容可以吸收所有制动刹车的能量。在超级电容的电压降到与电池电压相等之前，它提供了所有加速脉冲。这两个电路的不同之处在于二极管在电路中的位置不同，但这并不影响电路所起的作用。图5-1(a)的优点是：电池对于负载来说可作为电源使用，因为它的负极接地。图5-1(b)的优点是二极管的散热装置接地，而且如果使用半导体开关，控制开关S非常简单。当超级电容充满电时，此结构在不需要电池能量情况下，可为负载提供短时功率。如果脉冲长度ppc，在pc之后的时间里，由电池为系统提供能量。如果二极管的电压为常数，系统的波形与图4.1的波形相同。作为可选择开关S，在电池充电时可以把它去掉

5、，这种充电方法会在第六章中介绍。图5.1 电池-超级电容混合能量存储系统的模型正如前面(qin mian)提到(t do)的在tpc时，系统的工作情况与图4.1相同(xin tn)，只不过是在电池电压VB中要减去二极管的电压VD。在tpc时才提供能量。超级电容为整个系统提供大部分能量。图5.2是仿真汽车加速的功率。图5.2 功率(gngl)脉冲仿真从图5.2中我们可以看出在汽车加速过程中，超级电容提供了大部分能量。与单独使用电池的系统(xtng)相比，超级电容加电池的系统并没有节约能量，它们与由电池单独供电的系统提供的能量相同。但是，本系统可以增加电池的寿命。由于超级电容的额定寿命要比汽车的寿

6、命长，例如10年或是更长，所以能量存储系统的寿命是由电池决定的。本系统可以大大改善电池的寿命，这是因为流过电池的电流脉冲的数量和大小都比由电池单独供电的小。我们所关心的另一个重要方面是电池的尺寸。传统的系统需要电池电压高，存储能量大。例如需要3个12V，40AH的电池串联，系统理论电压为36V。而我们所提出(t ch)的系统 可以使用1个36V的超级电容与2个12V，15AH的电池就可以完成这个任务。超级电容的尺寸与重量与12V，40AH的电池相同。本电路的另外一个特点是由于二极管的作用，制动刹车所产生的负的电流脉冲可以为超级(choj)电容充电。因此(ync)在制动刹车时，不再需要增加电池(

7、dinch)的数量。第六章 系统电池充电方法图5.1中电池充电时，开关S要闭合，即电流绕过二极管D流向电池。这个过程实现的基本方法有两种：第一种方法电路如图6.1所示，开关与二极管D并联。第二种方法提供了与电池并联的一个独立的充电路径。第一种方法开关的结构非常简单，即一个机械的开关或是一个半导体开关。图6.1 电池充电的第一种方法开关与二极管并联电路的结构非常简单，但是存在许多缺点。其中，最主要的问题是在充电时，超级电容必须与电池的电压相同。因此，在开关闭合之前，超级电容的电压必须下降到与电池电压相同。为了降低成本，将开关电路设计成只能承受电池的充电电流，而这个电流要比加速和制动刹车电流小得多

8、。使用一个价格较便宜的自动继电器就能够完成这个功能。可是这种方法在充电过程中不能保护电池。并且在汽车制动刹车时不能给电池充电。本系统还有一个充电结构，在图6.1中没有画出来，就是完成超级电容放电功能的继电器。当汽车速度为零时，超级电容不能放电，也不能为电池充电。因此，与电阻串联的第二个继电器需要将电压降到与超级电容的电压相同，这个电路结构与第一个继电器是并联的。图6.2 电池充电(chng din)的第二种方法第二种充电(chng din)方法如图6.2所示，它是由两种不同连接方法的Buck转换器组成的。这两个电路与图5.1的电路不同，也就是说二极管D1的位置不同，这影响了充电器结构。在图(a

9、)中，充电器通过调节脉冲宽度工作(gngzu)，它的工作频率为10万赫兹。当Q1导通时，电流流过Q1，L和B。当Q1截止时，存储在L中的能量释放给B和Q2。在(b)中，当Q1导通时，电流流过B，L和Q1。当Q1截止时，存储在L中的能量释放给B和Q2。这两种方法的优点是超级电容不必为电池充电而放电。因此，在充电过程中超级电容可以保护电池，并且在制动刹车时电池也能充电。但是这种方法需要足够的空间，而且它的价格要比第一种方法高。这两种充电方法都是可行的，但是系统要采用哪种充电方法取决于许多影响因素，这两种方法各有优缺点。方法1：+硬件结构简单，价格便宜，体积小-控制策略复杂-超级电容(dinrng)

10、为给电池充电必须放电-在充电过程(guchng)中没有保护电池-在制动刹车时电池(dinch)不能充电方法2：-硬件系统大且价格昂贵+控制策略相对简单-为了给电池充电，超级电容的电压必须大于电池电压+在充电过程中，电池受到保护+在制动刹车时电池能充电表面上看，方法2的优点多，但是这没有考虑到混合能量控制策略，这个问题会在下一章中介绍。下面几个观点对分析这个问题很有帮助。当内燃机操作在有效区域，可以很好地为电池充电。在方法1中，在超级电容为电池充电之前，超级电容需要放电到vuc=vb。而超级电容的能量是用于给汽车加速的，所以在内燃机工作时，超级电容已经放电。在内燃机进入有效工作区域后，电池充电。

11、因此，这种方法的优点比较多。方法1仍然会有一些缺点，但不是很多。在方法1中，汽车在制动刹车时电池不能被充电。但是在这种模式下，考虑到汽车整个行驶时间，这段时间很短可以忽略不计。在汽车循环行驶中，制动刹车占整个行驶里程的大部分，但是平均的制动刹车只占循环驾驶的一小部分。由于与纯电动汽车相比，混合动力汽车的电池使用(shyng)频率低，所以电池不需要总被充电。因此，这两种充电方法和充电控制策略可以等电池(dinch)需要充电时再为它充电。例如：第一种方法可以等超级电容放电之后再为电池充电，除非电池急需要充电。类似的，第二种方法等超级电容的电压略高于电池(dinch)的电压时为电池充电。第七章 系统

12、工作特性研究方法能量存储系统的设计需要足够的实验。许多汽车工厂为了做测试实验使用汽车负载模拟器，例如ABC-150功率数据处理系统。它可以对汽车行驶的路况，如市区或高速公路进行编程来计算系统存储的能量。汽车负载模拟器通过使用脚本文件进行编程，脚本文件通常是由许多负载或能量脉冲组成的。ABC-150功率处理系统本身不能实现复杂的动态车辆建模，但是它能提供BytePipe的数据连接，BytePipe能使汽车负载模拟器操作界面用于其它装置。通过BytePipe在汽车负载模拟器上加入微处理器，可将汽车的动力模型合并。实验测试系统如图7.1所示，它的核心是主控制器，其作用是作为主控制系统。它可以通过电流

13、充电算法来实现控制继电器的充放电功能。主控制器通过使用动态方程仿真车辆，驱动电位计上显示了仿真汽车加速和刹车的结果，并且提供了许多不同的变量来计算汽车负载模拟器所需的电流。图7.1 系统的研究(ynji)方案汽车速度是主控制器中的一个变量，主控制器通过CAN总线将模拟车速、能量(nngling)存储系统中的超级电容和电池的电压传送给从控制器，并将其显示在显示器上。主控制器也通过(tnggu)BytePipe将能量存储系统所需的电流传递给ABC-150远程操作站。从控制器的主要功能是将主控制器传递的信息在PC显示器上显示出来。在图7.1中我们可以看到通过两个电流传感器从控制器可以得到超级电容和电

14、池的工作电流。从控制器也可以接收由CAN总线上主控制器传递的数据。其中包括车速和能量存储系统所需的电压。车速、能量存储系统的电流和电压也可以通过图中的连接在PC显示器上显示出来。正如前面所讨论的，主控制器将能量存储系统所需的电流传递给远程操作站。远程操作站运行脚本文件，它可以监控BytePipe界面，对ABC-150每次设置的新命令中得到系统所需的电流并对其作出反应。图7.1中的两个可变电阻代表加速和刹车的模型。电位计提供了电压信号，它可以作为(zuwi)驱动器对模拟器输入信号。测试工程师根据这些输入的信号驱动汽车，并且可以显示汽车实时的速度和电流。在图7.1中还有两个开关，它们分别(fnbi

15、)是数据记录和记录重放开关(可能翻译(fny)的不是很准确)。这个功能允许使用者记录汽车行驶的路线并且可以将行驶路线重现。这两个开关有3个可操作模式：正常行驶、记录数据和数据重放。7.1 汽车仿真在主控制器中使用算法来仿真汽车。仿真以动态汽车方程为基础，还包括描述汽车特征的常数。传统描述汽车的方程如下：式中：AR：正面面积 (平方英尺) CD：阻力系数CRO：滚动阻力系数 GA：半径的坡度角RHO：空气密度 (英镑/立方英尺) RW：滚动半径(单位英寸)WV：风速(英里/小时) W：车重量(英镑)GR：传动比 DA：气动阻力(英镑)F：受力(英镑) TQ：电机扭矩(英尺磅)V：汽车速度(英里/

16、小时)式(7.4)为汽车(qch)总的受力公式：如果不考虑风速，速度单位(dnwi)为米/秒，重量单位为千克，力的单位为牛顿，不考虑(kol)风速，WV=0，将(7.2)，(7.3)式代入到方程(7.4)中可得：整理得：(这两个公式没有推出来)如果则 FTotal是由模拟加速和刹车的模型决定的，它的值为负值时代表刹车，正值代表加速。由式(7.7)解得未知速度的变化量为由于方程(7.8)的解不是闭合式，所以我们用迭代法求解。我们采用改进的欧拉公式法二次估计的解作为方程的解，这种方法可以概括如下：第1步：从式(7.8)中解出dv/dt，是V的前一个解，如果是第1次迭代，那么v是初始速度。第2步：解

17、，这里(zhl)，是两次迭代(di di)的时间。第3步：从式(7.8)中解出dv/dt，这里(zhl)第4步：解其中，是下次迭代的速度解，或是在时的速度。做完第4步后，返回到第1步，开始下次迭代。为了求FTotal，我们需要为汽车选择一个最大速度Vmax，在汽车没加速时，解出在V=Vmax时的FTotal，即在式7.7中令V=Vmax，。所以(7.9)式解出的是汽车所需最大的力，刹车力应该在范围，加速力应该在范围。汽车所需的力可通过式(7.10)计算。7.2 混合动力汽车控制策略控制策略的描述分为两部分：内燃机和电动机。混合动力汽车的控制策略由许多方法，本文所实施的控制策略与参考文献【35】

18、类似。这种控制策略包括5种操作模式：电动机、内燃机、辅助电源(电动机与内燃机混合)、再充电和制动刹车。再充电模式和内燃机模式可以同时发生。汽车采用哪种工作(gngzu)模式要遵循下面3个规则：规则1：功率分流(fn li)原则功率分流(fn li)原则是决定由哪个原动机为汽车供电。首先让电动机或内燃机模式单独为汽车提供动力，在汽车速度或转矩低于某个值时，电动机可以作为独立电源有效地驱动发动机工作。一旦汽车跨过Pe-on线(如图7.2所示)，由内燃机为汽车供电。其次，汽车由内燃机单独供电或是采用辅助电源供电模式。当速度或转矩高于某个值时，内燃机不再能为发动机有效地供电，需要辅助电源为汽车提供动力

19、。图7.2 内燃机效率和功率分配原则图规则2：再充电规则正常地，混合动力车行驶时电池的剩余余量范围为55%-80%。但是为了减少电池的硫酸铅沉淀，我们希望电池的SOC为100%。因此，我们分为两种再充电规则：无损害再充电和有损害再充电规则。无损害(snhi)再充电规则：如果汽车只由内燃机供电，电池电压低于无损害再充电电池电压的极限(每两个电池电压设置为12V)。如果超级电容不放电，也就是说它的电压与电池电压相同，那么汽车会进入再充电模式。此时内燃机是汽车行驶的唯一动力，为了给电池提供充电电流(当前设置为25安培(npi)，内燃机也会产生一小部分额外的扭矩。当两个电池中的1个电池达到上限电压(设

20、置为13.5V)，充电电流下降为慢充电流(设置为2A)，当两个(lin )电池都达到上限电压，充电结束。有损害再充电规则：如果汽车只由内燃机供电，电池电压低于有损害再充电电池电压的极限(设置为11V)，即使超级电容放电，汽车也会进入再充电状态。当两个电池中的1个电池达到上限电压(设置为13.5V)，充电电流下降为慢充电流(设置为2A)，当两个电池都达到上限电压，充电结束。如果汽车处于再充电模式的情况下需要刹车，再充电模式停止，充电结束。同样地，如果汽车处于再充电模式的情况下，需要它进入辅助电源模式或电机模式，再充电模式也会停止。如果汽车进入辅助电源模式或电机模式，两个电池仍然有很长时间才能降到

21、最低电压(设置为10V)，汽车会进入内燃机模式，对电池进行再充电。当电池充电时，汽车处于Pe-on线以下或Pm-a线以上，那么它会进入电机模式或辅助电源模式。规则3：刹车规则在汽车(qch)减速过程(guchng)中，会有三种情况发生。第一种情况：汽车(qch)滑行。在这种情况下汽车即不发生再生制动也不会有摩擦刹车产生。第二种情况：当汽车产生再生制动时，会给能量存储系统充电。第三种情况：能量存储系统充满电，不能从发动机上吸取任何能量，在这种情况下，汽车会进入摩擦刹车状态。电机模式、内燃机模式和辅助电源模式的算法如图7.3所示。图7.3的模式边界需要依靠内燃机和电机的效率和性能指标来判断，每个边

22、界值的选择是为了使汽车的效率达到最大值。图上每个标数字的线代表内燃机模式的效率，它的值越低表示效率越高。设置ABC-150的充电电流超级电容放电继电器闭合设ABC-150的电流为0开始是设ABC-150的电流为0电池电压0？电池电压最小值？设置ABC-150的充电电流继电器闭合继电器断开设ABC-150的电流为0否是电池电压0？是否超级电容放电否是是超级电容需要放电？电池电压 电池充电允许值？否将所需电流信息传递给ABC-150是继电器断开否否是电池电压 电池充电允许值？电力=0并且速度大于0？否图7.3 电池充电和信息(xnx)传递算法7.3 系统软件(x tn run jin)在本系统中，

23、有四个计算(j sun)模型需要软件支持，它们分别是主控制器、从控制器、ABC-150远程操作站和PC监视器。下面给出每种模型的软件细节，它所实现的代码见附录。主控制器软件：主控制器需要两种独立的算法同时运行。第一种算法如图7.3所示，它负责电池充电和把信息传送给ABC-150远程操作站。电池充电的模型有两种：快速充电模型和正常充电模型。当电池电压下降到最小值时，对电池实行快速充电。正常充电模型有两个子模型，它们可以决定如何充电。如果电池电压下降到电池充电允许值，那么系统会通过降低超级电容的电压来给电池充电。如果电池电压没有下降到允许充电值，但是已经下降到不允许充电值，仅当超级电容的放电电压与

24、电池电压相同时，电池才开始充电。在电池充电的模型中，除非有一个电池被再充电、刹车或是汽车停车，否则系统会一直为电池充电。主控制器的第二种算法是完成(wn chng)汽车仿真和模拟界面，它的流程图如图7.4所示。21设置数据记录、记录重放或正常行驶标记获得测量存储系统电压和使用者输入的模拟值开始63通过CAN总线传递速度和能量存储系统电压值选择动力模式54计算力计算速度图7.4 模拟界面和汽车(qch)模拟算法第二种算法包括6个部分，下面(xi mian)分别作介绍。第一部分：设置数据记录、记录重放和正常行驶的标记。正如前面所讨论的，本系统可以运行三种模式：正常行驶、数据记录和记录重放。第一部分

25、通过使用者的输入决定采用哪种操作模式，数据记录和记录重放模式负责存储和调回数据。第二部分：获得能量存储系统电压和用户输入的模拟值。这部分的主要任务是处理微控制器的模拟输入信号。它将模拟通道中的能量存储系统三个电压读数、加速器和刹车读数抽样并取平均值，也可以对能量存储系统电压读数进行校准。在能量存储系统电压值送进微控制器前，它的电压值必须降到合适微控制器工作的电压值(最大值为5V)，我们通常采用电阻分压器电路来实现。因此，由微控制器来校准这些电压值。由于电阻分压器电路是线性电路，所以校准的结果我们只需要乘以一个系数。加速和刹车的数据变换很复杂，需要一个非线性方程来完成，因此它的解也是非线性的，但

26、是电位计的输入是线性的。为了使系统很好地实现加速和刹车功能，我们可以使用下面的校准方程：第三(d sn)部分：动力传动系统模型的选择这部分的主要任务是选择下列哪种模型驱动汽车，它们分别是内燃机模式、制动刹车模式、电机模式和辅助电源模式。要决定用什么方式驱动汽车，首先必须知道汽车的传动比。一旦知道了汽车的传动比，发动机的操作模式就能够确定下来了，汽车所需要的转矩可以通过驾驶员加速和刹车的数值来计算。这样，汽车速度、发动机操作模式、电池充电模式和所需转矩可以在内燃机效率图上做比较，决定汽车采取哪种操作模式，这在7.2节中已经(y jing)作详细解释。但是，有两种特殊情况：从内燃机到电机的转换和从

27、内燃机到辅助电源的转换。这两种情况为了防止振动的发生即同步电动机的速度偏差，过度的时间要长一些。第四部分(b fen)：力的计算这部分主要任务是7.1节中论述的力方程的解的算法。电系统所需的力计算有许多不同方法，它要根据汽车采用哪种动力传动系统模型来计算。通过力计算来算出能量存储系统从ABC-150中所需的电流。在录音重放模式中，系统所需电流可从内存中调出，反过来力也可以通过所需电流来计算。在记录模式中，通过计算得出的电流被保存在内存中。第五部分：速度的计算这部分的主要任务是根据7.1论述(lnsh)的速度方程来计算汽车的速度。在录音重放模式中，汽车速度可以从内存中调出，所以不用计算。在记录模

28、式中，计算的速度被保存在内存中。第六部分：通过(tnggu)CAN总线传递速度和能量存储系统的电压值在这部分中，数据被打包送入CAN总线中，并将它传送给从控制器。三个能量存储系统电压值和车速(ch s)都有它们自己的CAN信息通道和标示符。为了增加接收数据的准确性，在这些数据被送入CAN总线之前，先将它们乘以106，然后接收器再除以106得出真值。这些算法会在主控制器中同时运行，除非这种算法处于等待状态，否则每种算法都会被定时。第一种算法设置为每秒种完成2次，第二种算法设置为每秒钟完成10次。第二种算法没有等待时间，因此它不需要延时，而第一种算法包括延时等待。当电池处于充电状态，第一种算法停止

29、运算，直到电池充电完成。从控制器软件从控制器软件的主要任务是收集数据，并将这些数据传递给PC显示器显示出来。从控制器是通过CAN总线和能量存储系统电流传感器的模拟输入中收集数据的。为了完成收集数据的任务，从控制器使用三个联立算法，如图7.5所示。开始算法2算法1通过USART将电流数据传送到PC显示器中开始从电流传感器中抽样模拟值算法3开始计数器增加1并且抽样总数也加1除以接收到的值并且滤除传输误差CAN信息是否被接收到？否计数器99?否是是将结果保存到内存中总数除以100保存到内存中图7.5 从控制器算法(sun f)算法1负责电流传感器数据(shj)的模拟。这种算法在内存更新变量之前，先抽

30、样输入100个数据，并将它们取平均值。算法2将这些更新的变量、能量存储系统电压和速度送入PC显示器中。算法3将能量存储系统电压和速度送入CAN总线中。算法3还负责滤除在传输过程中由于噪音而引起的误差。PC显示器软件(run jin)PC显示器软件是用来设计名为StampPlot的图形程序环境，它和虚拟仪器的环境类似，与计算机相连接的部分可以将数据转变为程序。StampPlot自动地限制字符数量，并可将每个符号转存为程序设计所需要的变量(0-9)。每次传送字符完成都返回一个确认值。在每次传送完字符后，StampPlot自动更新变量。在0-9代码中，每个变量都对应计算机屏幕上的一个或更多的按钮，在

31、程序中使用了以下变量。AINVAL0-没用 AINVAL1-汽车速度AINVAL2-超级电容(dinrng)电流 AINVAL3-电池电流 AINVAL4-超级电容电压(diny) AINVAL5-电池1电压AINVAL6-电池2电压(diny) AINVAL7-没用 AINVAL8-没用 AINVAL9-没用为了调试出合适的数据，我们要滤出一些超出范围的代码值。这可以避免在数据传送过程中由于噪音而带来的误差，这种误差是模拟滤波器不能除掉的。图7.6为Stam pPlot软件的屏幕截图展示。图7.6 PC监控器软件屏幕截图下面对图7.6的每个组成部分作简单的说明，从左边第一排开始。汽车速度图：

32、这幅图给出了汽车每小时模拟的公里数。X轴范围为120秒，通过屏幕顶部中心菜单可以改变X轴范围，它也可以改变屏幕上所有图形的横轴的范围。汽车速度计：通过表盘位置和数字读数给出汽车速度(公里/小时)所对应的电流值。屏幕捕捉按钮：使用者可以用这些按钮捕捉所有或部分命令。使用者可以用第一个按钮捕捉屏幕，它的使用如图7.5所示。使用者可以使用第二个按钮同时捕捉四幅图形。所捕捉到的图形被保存在StampPlot数据目录的四个独立文件夹中。为了方便起见，每四组按钮中的最后一个按钮被用来捕捉一个特殊的图形。超级(choj)电容电压表：超级电容电压表是代表超级电容的电压值，可以通过上面(shng min)的数字

33、显示出读数。白线代表超级电容当前的电压值，红色的竖条代表电池电压的名义值(24V)。当超级电容电压放电到与电池电压相同时，是否对电池充电由使用者决定。电池(dinch)1和电池2测量表：这两块表可以测出电池的电压值。白线代表电池电压的当前值，红色的竖线代表电池电压静态的名义值(12V)。在这两块表的下方，显示出电池的电压值。超级电容电流图：超级电容的电流以安培为单位，在屏幕的左下角，X轴的间距为120秒，通过改变屏幕顶部中心菜单可以改变X轴的范围。ABC-150远程操作站软件ABC-150远程操作站软件是由一些算法构成的，它可以破解从主控制器传来的信息，这些信息在破解之后，设置ABC-150所

34、需的电流，这些算法如图7.7所示。否否是否收到新信息？是字节是否为1？读两个字节开始是电流为负值电流为正值否字节2=250？否字节2=220？电流=(字节2)*2是是电流为0电流为1为ABC-150设置合适的电流图7.7 ABC-150远程操作(cozu)站算法从主控制器中传送出信息，ABC-150收到信息，然后将信息分为两部分：符号(1，0)和级数(j sh)(250，220)。对应的电流分别设为0和1mA。然后ABC-150设置合适的电流，且处于等待(dngdi)状态。为了安全起见，如果在收到最后一条信息时超过10秒钟，电流下降为0。7.4 系统硬件图7.1没有显示出处理系统模拟信号和数字

35、信号的支持硬件，在模拟信号和数字信号之间的接口使用驱动电路和信号调节电路。图7.8所示电路通过将LM6134的11脚接地将集成运放的输出电压降为微控制器比较合适的工作电压。图7.8所示的电路可将超级电容的45V电压降为低于5v的电压，而5V电压是机载模-数转换器允许的最大工作电压。其它两个电压的传感线路与图7.8相同，只不过是R2的阻值不同，它们的值分别为30k和60k，所降低的电压系数分别为7.67和4.33，这些电路可以将电池的电压12V降为5V。图7.8 电池(dinch)电压信号调节电路图7.9所示为继电器驱动(q dn)电路。由于IR2118需要12V的输入电压，所以微控制器的输出必

36、须放大，我们使用放大倍数为3的同相比例运算电路来完成。IR2118的输出用来驱动VN10LP场效应管，场效应管的功能是作为继电器通电的开关。IR2118的输入是低电平有效，这是由于在微处理器中的启动线路很短。在微处理器启动过程中，输出为高电平，这并不是有效的电平。继电器的线圈意外地闭合会损坏它的触头，这是因为电池的电压为24V而超级电容的电压为45V，这样电池可能将超级电容短路，这样作不但损坏继电器也会损坏超级电容。图7.9所示的电路既可用于继电器放电也可用于继电器充电。图7.9 IR2118继电器驱动(q dn)电路电池传感器用来测量电池和超级电容的电流(dinli)，本系统使用的电流传感器

37、为LMELF505S。电流传感器是闭环的，霍尔效应传感器的输出比率为5000:1，即输入电流为100A，则输出电流为20mA，或是Iout=Iin/5000。若输入(shr)电流范围为400mA，则输出电流范围为80mA。图7.10所示电路用来调节传感器输出电流，以适应微控制器的电流。负载电阻R1为56，它在LF356的3脚产生的电压为Iin/5000*R1V。如果输入电压的范围为400A，那么在LF356的3脚产生的电压范围为4.48V。LF356电压跟随器在理想情况下，电压是不变的，但是电阻R2和R3构成分压器，将5V电压进行分压，从而得到合适微控制器工作的电压(0-5V)。在LM6134

38、的3脚产生的电压见式(7.11)。如果输入电流的范围为400A，那么微控制器的输入电压范围为0-4.74V。这个电路的另外一个重要特点是它被第二个电压跟随器所保护，LM6134的电压是5V，因此(ync)它的输出电压不能超过5V。这样可以保护微控制器的输入电流，防止它超过测量电流值450A。所以对于超过450A的输入电流，微控制器都显示为450A。图7.10 LEM电流(dinli)传感器信号控制电路用微控制器编程时使用了四个小的通信继电器，但是在正常运行中没用使用它们。由于离线程序开关会引起噪音，所以(suy)系统需要使用这四个继电器。其余的电子器件图中画的很明显，是由几个电压跟随器、负载电

39、阻和DC-DC转换器组成的，整个系统的电路图见附录。第八章 实验结论本系统所做的实验共有三个。第一个实验是验证概念实验，它用来测试超级电容、电池和二极管之间的连接。第二个实验是对系统第七章所描述的内容作实验，证明电池充电方法1正确与否。最后一个实验是测试电池充电方法2的可行性。第一个测试实验首先按照图5.1连接电路，但是电路没有并联开关。实验中所使用的电容为NessCAPEMHSP0094C0-045R0模型，容量为94F，电压为45V。电池包是由2个50Ah，12V的阀控铅酸电池组成的，二极管的型号为IN4094。ABC-150功率处理系统用来产生系统所需的电流脉冲，测试电流由两个LEMLF

40、-505S电流传感器来测量。图8.1所示为300安培/5秒加速和制动脉冲的测试结果，对于这种脉冲，超级电容的容量足够大可以100%地释放和存储能量，此时并不需要使用电池。在图中我们注意到制动电流在整个5秒钟不是常数，也就是说在脉冲结束之前振幅开始下降，这是由于为了保护ABC-150的最大电压限制为45V，在脉冲结束之前ABC的最大电压就达到了45V，在混合动力能量存储系统中还有相似的保护。图8.1 300安培(npi)/5秒测试电流(dinli)实验结果图8.2将脉冲的时间增加到8秒，在加速(ji s)脉冲的最后部分，开始使用电池的能量。由于脉冲宽度增加，电池会提供更多的加速能量，但是由于二极

41、管的存在，它不会消耗任何制动能量。正如前面图8.1所描述的那样，在脉冲结束之前每个电流都会开始下降。图8.2 300安培(npi)/8秒测试(csh)电流实验结果由于(yuy)汽车怠速停止时，内燃机是关闭的，所以能量存储系统必须由辅助电源提供能量，重新启动发动机。由于系统要不断地提供怠速停止功率，实验时需要使用连续的功率脉冲代替图8.1和8.2中连续的电流脉冲，图8.3显示了怠速停止时，功率为1.5KW，30S的实验结果，以及起步时功率为5.2KW，6S的实验结果。在混合动力系统中，在内燃机达到有效启动速度后，发动机开始重新为超级电容充电。因此，本实验是通过使用制动能量使超级电容的SOC达到1

42、00%。我们可以通过图8.3中功率为2KW，25S的充电脉冲和功率为5KW，6S的制动脉冲得出结论。图8.3 怠速停止测试结果第二个实验系统的结构如图7.1所示，它是由phytec面板、西门子微控制器、2个TYCO和VF7-41H11自动继电器还有一些其他的电子元器件组成的。一些配套(pi to)的电子产品在第七章中我们已经讨论过了，系统框图见附录。为了说明混合动力系统所有的控制策略模型：电动机模式、内燃机模式、辅助电源模式、再充电模式、再生制动模式，模拟车辆做了许多测试实验。为了有效地说明以上功能，我们需要使用一组电池，它们的充放电时间很短。以上工作模式的测试结果(ji gu)如图8.4-8

43、.8所示，图8.4是Selmaware软件中StampPlot pro中测试结果的屏幕截图。图8.4 StampPlot pro的屏幕(pngm)截图图8.4的细节部分如图8.5所示。仿真驱动开始的速度为0，此时工作模式为电机模式，当速度达到内燃机工作模式时，超级电容通过电池开始放电。因此，在超级电容没有深度放电时，电池的充电就已经开始了。图8.5 电池充电和内燃机模式的仿真(fn zhn)结果从图8.5中我们可以看出在开始测试的10秒钟，汽车开始为电池充电。注意到超级电容和电池充电时间都比较短，即超级电容也被充电。但是，超级电容的能量相对比较少，因为它静电压的增长很小。在电池充电的前15秒钟

44、，系统(xtng)的充电电流为20安培，在第25秒钟时，系统开始以2安培电流进行涓流充电。但是，由于ESR (能量存储内阻)的不同，超级电容和电池的电压下降值与2安培和20安培是不一样的。因此，在第25秒钟，充电电流缓慢下降直到在73秒钟时达到2安培。然后，电池继续涓流(jun li)充电，直到SOC为100%。图8.6所示为辅助电源操作模式的实验结果。与之前的实验一样，汽车开始测试时车速为0，工作模式为电机模式。大约在9秒钟后，汽车进入内燃机模式。然后，在第29秒钟，系统进入辅助电源模式，我们可以注意到此时超级电容的电流为负值，在此后不久电池的电流也变为负值。然后，在56秒钟电池电流变为正值

45、，这是由于电池组中的某个电池的电压达到了系统所设置的下限。在56秒钟，继电器闭合，开始为电池充电。可是，电池电流直到62秒钟时才为正值，这是由于我们所选的电池比较微弱，电池再次被充电。注意一点，在辅助电源模式和电机模式中，电池充电的算法没有使它们进入涓流充电部分。在为电池充完电，第84秒钟进入测试，此时超级电容电流再次变为负值，在此后不久电池电流也变为负值。此循环会一直继续直到汽车减速辅助电源模式停止。当超级电容和电池共同为汽车提供动力时，系统处于辅助电源模式，但是当电池充电时，系统处于内燃机模式。图8.6 辅助电源模式(msh)仿真结果电机模式的实验结果如图8.7所示。在24秒钟时开始实验，系统进入内燃机模式，开始为电池充电。然后在50秒钟时，系统又返回(fnhu)电机模式。除非汽车加速进入内燃机模式或是汽车减速，否则这个循环会继续。注意到这个循环的频率很高，这主要是由于我们选择的电池很微弱。图8.7 电机(dinj)模式仿真(fn zhn)结果 图8.8是汽车各种不同工作模式组合的仿真图形。这种仿真要比每种不同工作模式的仿真复杂。这里最重要的是显示了刹车模式。在77秒和98秒，超级电容的电流为300安培，此时(c sh)汽车正在减速，这属于制动刹车模式。注意到在103秒时，汽车速度的斜率变了，超级电容电流变为0，这说明汽车在进行下坡行驶。图8.8