混合动力公交车复合储能控制技术研究毕业论文

摘要__利用车载电能存储装置回收车辆制动时的动能是混合动力汽车的最大优势。能源可用于驱动汽车，降低汽车燃料成本，这对城市公交车尤为重要。但由于电池性能因素，车辆制动能量回收效率较差。现在，混合动力汽车（HEV）出现了越来越多的问题，在某些情况下，没有任何一种能源可以单独满足HEV的所有需求。混合能源系统成为一种替代解决方案。系统的多种结构的DC/DC转换器采用控制型软开关技术，以达到效率降低损耗的目的。搭建了一个基于DSP控制复杂储能系统的小型实验平台，制作了双向DC/DC转换器主电路、电压、电流数字采样电路、大功率系统控制信号驱动器等硬件电路。并进行系统功率转换单元状态工作模拟，验证系统有效控制方案的有效性和可行性。本课题研究以超大容量混合储能系统、现代设计、这种储能装置在HEV应用中的研究将是一个趋势。关键词：超电容、混合电源、SystemBidirectional、DC/DC转换器、控制型软开关目录摘要1摘要2目录3第1章引言41.1学科背景及意义41.2本文主要研究内容6第二章混合动力汽车储能电池分析82.1储能电池电驱动系统要求82.2超级电容器特性9第3章多相结构DC/DC转换器133.1三相交错双向DC/DC转换器133.2软开关的工作原理14第4章系统的数字控制234.1数字控制系统原理234.2平均电流模式控制254.3控制策略264.4软件设计284.5硬件电路设计304.5.1电压电流检测电路304.5.2驱动电路314.5.3隔离电源324.5.4DSP芯片功能接口电路33第5章结论35参考文献36至37第一章介绍1.1课题背景及意义当今世界，环境和能源问题已成为世界各国关注的热点问题。随着环境污染和能源危机的日益严重，如何采取有效措施提高能源利用率是解决这些问题的关键。混合动力是指汽车采用两种驱动方式：发动机驱动和电机驱动。简单的说，当车辆启动并低速行驶时，发动机熄火，电机驱动汽车；在正常行驶条件下，发动机驱动汽车，将发动机多余的动力转化为电能并储存起来；当电压不足时，发动机启动并驱动发电机给电池组充电，以保持一定的电量，无需像纯电动汽车那样从外部充电；当车辆下坡或制动减速时，能量回收系统将多余的动能转化为电能为电池组充电；停车时，发动机会自动关闭，以避免不必要的油耗和废气排放。混合架构对于执行大量“走走停停”驱动的大型车辆特别有吸引力，例如城市公交巴士和货运卡车。传统的公共汽车和卡车效率低下，并且会产生高度有害的排放物，因为它们的大型发动机（通常是柴油发动机）会不断地加速和减速车辆——这是效率最低的发电方式。在混合动力系统中，当车辆的动力需要临时增加时，例如在加速过程中或爬山时，电力从车辆的储能系统中提取。当车辆的电力需求较低时，储能系统会被充电。这不仅提高了能源效率，而且车辆能够在通过再生制动减速时回收加速所消耗的能量，从而增加汽车的续航里程。再生制动可回收的惯性能量在不同类型的车辆和不同的工况下差异很大。对于城市公交车来说，在城市交通中有频繁的刹车和起步，属于比较多可以回收的惯性能量。大型乘用车在制动过程中消耗的惯性能量可达发动机总能量的59%，理论上可回收能量约占发动机总能量的54%。这就要求在再生制动过程中，要研究动力电池组的充电特性，建立合适的模型来预测电池在各种状态下的最大可充电电流，并得出合适的充电策略以实现确保没有损坏。在给电池充电的前提下，接受尽可能多的反馈充电电流。混合动力汽车动力电池在加速或爬坡时需要大电流放电；减速或下坡时需要快速充电以实现制动能量回收，这就要求电池具有优良的高倍率快速充放电特性和较长的使用寿命。并且性能稳定。为了缩短启动加速过程，需要瞬间用大电流驱动电机，但总则学校电池很难达到良好的效果，同时在启动过程中会产生多余的能量再生制动过程。它已成为能量反馈中的一个突出问题。化学电池难以在短时间内实现大功率充电，充放电循环次数有限[4]。超级电容和电池组成的混合储能系统可以充分发挥各自的优势，有利于能源的高效利用，同时可以避免电池的大电流充放电，延长它的使用寿命。这项技术是电动汽车许多方面的典型代表。它已被广泛研究和应用。混合动力仍然以石油为燃料。混合动力并不能解决能源危机问题，只是汽车新能源发展的过渡产品。在众多新能源汽车解决方案中，只有混合动力汽车成功实现产业化。第62届汉诺威商用车展反映了欧洲客车和卡车制造商将注意力转向混合动力技术的明显趋势。他们认为混合动力是最接近市场的节能减排方案。也就是说，混合动力客车和卡车的增量成本最少，最先达到量产目标。德国的奔驰和MAN、瑞典的沃尔沃、日本的日产、波兰的索拉里斯等公司都展出了混合动力车型。混合动力垃圾车由电动机驱动时完全没有废气排放和噪音。该车已在瑞典由两家垃圾收集公司进行测试，可节省20%的燃料并减少二氧化碳排放。这对于垃圾车来说很重要，因为它们通常在清晨在建筑密集的区域工作。超级电容器（UltraCapacitor，UC）是1960年代发展起来的一种新型储能元件。超级电容器是一种独特的电容器，其电容值比传统电容器大得多。具有优良的脉冲充放电性能。传统电容器不具备的大容量储能性能。与其他储能器件相比，超级电容器具有以下突出优势：(1)超级电容器在充放电过程中，能量形式不发生变化；其他储能装置是由电能转化为化学能，再由化学能转化为电能，二次转化会导致能量损失。(2)超级电容器具有更大的比功率。超级电容器的电阻非常小，可以在电极/溶液界面和电极材料体上实现电荷的快速储存和释放，因此其输出功率密度高达数kW/kg，是数十倍和普通电池一样。(3)充放电速度快，充电时间约0.3s～15min，温升小：放电时能输出大电流，输出功率大。(4)储存寿命长。超级电容器在充电后的储存过程中，虽然也有很小的漏电流，但电容器部分发生的离子或质子迁移运动是在电场的作用下产生的，没有发生化学或电化学反应。新物质；此外，所使用的电极材料在相应的电解液中也很稳定，因此超级电容器具有较长的循环寿命。（5）超级电容器是绿色能源（物理电池），不污染环境；化学电池对环境有二次污染，尤其是重金属污染。(6)超级电容器的充放电效率高，达到95%以上，化学电池的充放电效率低，在70%左右。超级电容器可以充电到超出其额定值的任何电压，并且可以在存储电能之前完全放电。没有损坏，如果过度放电，电池组可能会永久损坏。(7)超级电容器完全免维护，工作温度范围宽（-40℃-50℃），容量变化小。铅酸电池电动汽车在-40℃使用时，行驶里程减少90%，超级电容仅减少与传统汽车产业已经成熟的发达国家相比，我国发展新能源汽车的商业壁垒要小得多。传统汽车产业的不发达，恰恰是我们开发新型混合动力汽车运输方式的优势所在，可以更轻松地轻装出行。我们应该抓住这个机遇，大力发展混合动力汽车。动力技术是混合动力汽车发展的关键技术，复合储能系统设计与控制的研究将为我国混合动力汽车的发展和完善奠定基础。1.2本文主要研究内容(1)分析电池和超级电容器的特性，结合电池和超级电容器的特性，研究复合系统在充放电性能上与单体电池相比的优势。指出复合储能系统方案在保护混合动力汽车电池和提高制动恢复能力方面的优势，对比各种主副储能系统的结构，确定能够充分发挥的合理方案两种能源各自的优势。优势。(2)分析比较各种双向DC/DC转换器的工作特性，确定当前二象限电路的拓扑结构，分析其工作原理，根据系统结构特点设计主要元器件参数；主开关装置采用IPM功率模块，工作频率为l0kHz，通过相关实验研究功率模块在大功率场合的应用；(3)控制电路采用DSP实现，设计控制策略有效控制能量流和功率输入输出分配，以回收制动过程中的制动能量。(4)搭建小型实验平台，对实际电路进行仿真验证控制策略的可行性，并对系统中功率变换单元的工作状态进行仿真研究，验证系统控制方案的有效性和可行性。第二章混合动力汽车储能电池分析2.1储能电池电驱动系统要求作为车辆，车辆的运行条件复杂多变，因此电动汽车的能源动力电池有不同于普通电池的特殊要求：（1）体积小、重量轻、储能密度高，使电动汽车一次充电续航里程长；(2)功率密度高，使电动汽车的加速性能和爬坡性能好；（3）能快速启动和运行，可靠性高；(4)循环次数高，使用寿命长；（5）环境适应性强，在一定湿度下能正常工作，具有良好的抗振、抗冲击性能；（6）环保性能好，无二次污染，可再生利用；（7）维护方便，维护成本低；(g)具有良好的安全性，能有效防止因漏电或短路引起的火灾或爆炸；（9）价格低，经济性好；(10)燃料储存、加工、运输方便，可利用现有燃料油加注系统。这些要求不仅是满足电动汽车的动力需求，也是让电动汽车与汽油车竞争的关键因素。与纯电动汽车(EV)相比，混合动力汽车(HEV)对动力的要求不同。由于燃油发动机或燃油发电机经济地运行在最大效率区，输出功率相对稳定，燃料（汽油或柴油）提供了HEV运行所需的大部分能源，而动力电池稳定，燃料（汽油或柴油）提供了HEV运行所需的大部分能源，而动力电池能量需要频繁的瞬时放电或充电能力，因此HEV需要能量合适的大功率电池或超大功率电池。要求不高。此外，电池的放电循环次数远高于EV电池，一般要求循环寿命指标为30万次。电池和超级电容器组成的复合系统可以将电池的大比能量和超级电容器的大比功率结合起来，弥补电池和电容器各自的不足。可以充分发挥这两种部件的优势，因此复合电源更适合混合动力汽车的性能需求。2.2超级电容器特性超级电容器是超级电容器直流储能单元的重要组成部分，其特性直接影响系统分析设计和控制策略的选择。通过对超级电容器特性的分析，寻求适合超级电容器储能和释放的控制规律，有效控制超级电容器的充放电参数，提高系统稳定性和响应性能同时。由于超级电容器的储能有限，需要形成串联和并联的储能阵列进行容量扩展。当超级电容器储能阵列中单个电容器的容量偏差较大时，在充电过程中，容量最小的电容器会先达到额定电压，继续充电可能会对超级电容器造成过压损坏。通常需要通过增加电压平衡电路来进行改进，使构成超级电容器直流储能单元的多个超级电容器表现出更加一致的电压特性成为可能。在本章中，为了简化分析过程，超级电容器的特性分析是在理想条件的前提下进行的。与超级电容器一致性相关的串并联电压均衡问题和电荷平衡问题不在本文中讨论。请参考相关文献。.超级电容器的容量非常大，达到法拉甚至上千法拉的水平。超级电容器结合了传统静电电容器的高功率密度和可充电电池的高能量密度。几种电池的基本性能对比见表2.1表2.1双电层超级电容器、传统电容器和充电电池的基本性能比较日本电子发布了一种新型电容器，其重量能量比为50-75Wh/kg，是原来的10倍以上。据说电极几乎完全由碳和铝箔组成，减少了浪费的成本。(1)超级电容器电路模型超级电容器的储能通过吸附传递电荷，在电极上没有类似电池的化学活化反应，因此具有更快的响应速度、更高的能量转换效率和良好的循环寿命。由于超级电容器所储存的能量与端电压具有简单的数学关系，因此只需检测超级电容器的端电压即可估算出所储存的能量，方便了储能单元的能量管理，简化了控制方法。超级电容可以等效为一个理想电容CF串联一个阻值较小的电阻（等效串联阻抗，RES为几毫欧），同时串联一个阻值较大的电阻（等效并联阻抗）.,REP为几百欧姆）并联结构。中国领先解决方案公司生产的高压串联超级电容器，标称容量3000F，标称电压2.8V，直流放电电阻0.5mΩ，漏电流5mA，等效串联电阻0.5mΩ，560Ω的等效并联电阻。超级电容器的经典电路模型如图2.1所示。由于RES的存在，充放电时的能量效率不再是1。充放电时，电流流过RES，会产生能量消耗，导致超级电容发热；在放电过程中，由于RES电阻的分压作用，降低了放电电压范围，特别是在大电流放电过程中，RES会消耗较大的功率和能量，降低实际可用的有效储能率。超级电容器；当超级电容器长期处于静态储能状态时，等效并联电阻REP以静态损耗电流的形式表现出其影响。因此，为了使所存储的电能不随时间缓慢减少，处于储能保持状态的超级电容器需要额外的能量保持电路来补偿由REP引起的静态能量损失，并保持一定的储备能量存储。图2.1超级电容器的经典电路模型(2)超级电容器充电特性超级电容器理论上可以无限期地充电和放电。超级电容器中储存的电荷和能量可以通过检测电压值来近似确定。很方便判断充电和储能过程是否结束。恒流充电用于对超级电容器进行恒流充电。可以看出，超级电容器的端电压随时间线性增加，充电电流的选择范围较大。可以根据不同的应用需求，配合超级电容器自身的状态进行优化控制。恒流充电的变种是分段恒流充电，即在充电初期设定较大的充电电流，然后根据检测到的端电压值改变和减小充电电流的设定值。这种方法也称为降低电流。充电方式。浮充，当超级电容器处于静态保持状态时，会以漏电流的形式自放电，特别是使用有机电解液的超级电容器自放电率较高，浮充电压不宜过高，否则它会增加太多。能量损失。脉冲充电，因为超级电容可以瞬间快速吸收电量，并且可以平滑峰值脉冲功率。在再生制动过程中，反馈的能量通常以脉冲充电的形式被吸收用于储能。组合充电，采用灵活的组合充电方式，在低压下采用大电流恒流充电，随着超级电容器端电压的升高，改为递减恒流充电或恒压限流充电方式，直至超级电容器的最高额定电压。超级电容充电电流的选择原则：在满足系统时间要求的情况下，充电能效越高越好；在同等能效下，充电电流越小，功率转换电路中的电流应力越小。(3)超级电容器的放电特性在超级电容器放电时，由于负载等效电阻通常远小于超级电容器的并联等效电阻R，因此代表其静态特性的R在超级电容器放电能量动态过程中的作用可以忽略不计。在分析超级电容器放电的工程应用中，超级电容器通常可以简化为一个理想电容器串联一个等效电阻R的模型，如图2.2所示。图2.2超级电容放电等效电路图放电时，图2.2中超级电容器的端电压U(r)，放电电流为Ic(t)，则：RES两端的压降与电容电压相比非常小时，说明RES对电容放电输出功率的影响很小，可以忽略不计；如果压降与电容电压的比值较大，则说明RES对电容的放电输出功率不可忽略。当小电流放电时，RES上的电压降可以忽略不计。这时超级电容就相当于一个理想电容，可以根据理想电容的能量公式来分析其储能容量。当超级电容大电流放电时，RES电压降比较大。如果检测到超级电容器的输出端电压U(t)下降到其规定的下限，则超级电容器停止放电。从公式（2.1）可以看出，此时超级电容部分的电容电压Uc(t)值还是比较大的，即超级电容中储存的大部分能量没有释放出来，说明存在等效串联电阻RES的影响。降低了超级电容器的功率输出，降低了超级电容器的有效储能。在这种大电流放电的情况下，RES上的能量消耗不容忽视。第三章多相结构DC/DC转换器3.1三相交错双向DC/DC转换器对于高压大功率应用，转换器的主电路通常设计为多相双向DC/DC拓扑，如图3.1所示。具有多相结构的双向DC-coreC-converter的总电流具有以下重要优点：(l)在大功率电力电子器件中，将多个电力电子开关管并联，承担大电流，增大功率，解决单个电力电子器件的额定电流远不能满足大功率电子器件要求的问题。-电源DC/DC转换器。矛盾。(2)电感、变压器、滤波器等元器件在功率变换装置的体积和重量中占据很大一部分，滤波器设计与电流有很大关系。多相结构可以减小电流纹波及其谐波，从而减小滤波器的体积和重量，最终达到减小变换器件体积和重量的目的。(3)多相结构变流器的各单元变换电路还具有互备功能。一个单元电路发生故障后，其余单元可以继续工作，提高了转换器的整体可靠性。图3.1多相DC/DC转换器主电路由于特殊的应用环境，电动汽车用大功率DC/DC转换器应具备以下特点：体积小、功率密度高、转换效率高、响应速度快。由于储能电感是大功率双向DC/DC转换器的关键部件之一，占据了系统的主要体积和重量。在兼顾储能电感的体积、重量和系统输出功率的前提下，主电路设计为交错式三相双向DC/DC拓扑，如图3.2所示，将减小电感的纹波输出电压，从而提高电源的输出质量。并计划在主电路结构中引入软开关技术，以降低功率器件的开关损耗，提高功率变换器的效率图3.2建议的DC/DC转换器交错式三相双向DC/DC转换器，其电路拓扑连接在电源之间插入三个相同的基本转换电路。当功率器件S11、S12、S13、D10、D20、D30工作时，S10、S20、S30、D11、D21、D31停止，为正向升压潮流模式；当电源S10、S20、S30、D11、D21、D31器件工作时，当S11、S21、S31、D10、D20、D30停止时，处于反向降压潮流模式。3.2软开关的工作原理三相互补PWM驱动信号和电感电流波形如图3.3所示。图3.3多相PWM驱动信号和电感电流波形每个相位信号从前一相位的驱动信号延迟一个固定的时间公式（3.1）。延迟=(3.1)不幸的是，越来越高的开关频率会导致更高的损耗，例如传统硬开关转换器中的栅极驱动器损耗，尤其是开关损耗：(3.2) Pturn-on是开关打开充电时由于寄生电容引起的功率损耗，Pturn-off是开关关断期间电压和电流波形重叠引起的损耗。对于具有固定死区时间的转换器设计，当死区时间长于理想延迟时，不可避免地会遭受体二极管的传导损耗，而死区时间小于理想延迟时会出现电容损耗。这些损耗发生在每个开关周期并且是不可避免的，因为固定死区时间不能适用于所有负载条件。可控软开关可用于交错式三相双向DC/DC转换器，只要调整死区时间以实时跟踪负载变化，就可以降低开关损耗。如果按照(3.3)设计电感尺寸，电感电流在一个开关周期内会正向和反向流动，因此可以避免连续导通模式。低侧开关关断后电感电流的反转可在节点X处实现无损耗谐振并为寄生电容充电，从而在公式(3.2)中消除了Pturn-on。类似地，在理想的死区时间内，正向电感电流会移除寄生电容电荷而不会造成损坏。 为了使L的值相对较小，使电感电流在正向和反向两个方向上流动，应满足以下不等式，可以实现：(3.3)转换器将输出电压定义为v2，输入电压定义为v1，开关频率定义为FS，脉冲占空比定义为输出电流I01、...、T11和T10。是理想的死区时间间隔。转换器具有一定的寄生电容和外部分流电容。理想的死区时间不能太短；它应该满足不等式（3.4）和（（3.5），此外，死区时间预计不会太大。(3.4)(3.5)当电感对电容进行充电和放电时，电感可以看作是一个恒流源。这种电路拓扑需要使用三相互补PWM方法和信号之间的2π/3电气相位角差。稳态工作时，单个开关周期内有6种工作模式，等效电路如图3.4所示。现以其中一个阶段为例说明其工作原理。变换器其他两相的工作过程完全相同，只是时间差为T/3，T为开关周期。图3.4降压升压转换器图3.5是负载瞬时死区误差和开关损耗的示意图。图3.5负载瞬时死区时间误差和开关损耗在t到t3期间，变换器工作在降压潮流模式。在t时刻，S10导通，S11关断，电感电流通过S10和L1成反比线性增加，D10和C10两端电压降为零，节点X电压为V2。在t1时刻，s10的栅极驱动信号为低电平，s10和s11截止，电感电流反向充电给C10，给C11放电。理想的死区时间t11必须足够长，以使节点X电压降至零。在t2时刻，节点X电压降为零，电感电流继续流过二极管D11，S11的栅极驱动信号为高电平。此时，S11在零电压下导通。T11是理想的死区时间。如果实际转换时间短于理想死区时间，则节点电压尚未降至零，这将导致S11开关的容性开关损耗。但死区时间不宜过长，应在电感电流达到零之前导通S11。当流过L1和D11的电流为零时，模式III结束。在时间T4，S11的栅极驱动信号为低电平，S10和S11截止，电感电流对C11充电，使C10放电，二极管D11反向截止，S11在零电压时截止。在T5时刻，节点X的电压上升到V2，电感电流开始通过L1和D10线性下降，S10两端的电压下降到零，S10的栅极驱动信号为高电平，S11在零电压下导通.T10是理想的死区时间。如果转换时间短于理想死区时间，则节点电压尚未降至零，开关S10将具有容性开关损耗。此外，死区时间不能太长，S10应在电感电流为零之前导通。在T6到T7的时间间隔内，转换器工作在降压潮流模式，转换器进入下一个占空比。图3.5中理想的死区时间为T10和T11，这取决于电容充放电的大小和电感电流的峰谷大小。当开关频率恒定时，不同负载的输出电流不同，因此理想死区时间的最小值不同，即不同负载输出电流的波动始终相同。图3.6是动态负载下的电感电流示意图。如果调整导通频率，使开关频率随负载电流的变化而变化，其原理是保持反向电感电流的峰值恒定，则相应的死区时间可以稳定。在反向电感电流峰值I决定了理想的死区时间长度；根据不同的负载情况，改变频率是减小电感电流波动的手段。Tk和Tk+1分别为不同负载下的开关周期，最大额定输出电流定义为I0图3.6动态负载下的电感电流在升压模式下：(3.6)(3.7)在降压模式下： (3.8) (3.9)仿真时，对于典型的大功率转换器，负载输入电压为200V，输出电压为500V。得到的稳态仿真曲线如图3.7、图3.8和图3.9所示。转换器的主要参数在MATLAB中定义为：V,=200V,V2=5OOV,FS=10kHz,L,=LZ=L3=22H。3.7a图为三路电感电流波形。每个电感电流与前一相位的时间差为Tl3。T是开关周期，T=1/FS=s。仿真波形与理论分析结果一致。图3.7b显示了节点X1的电压波形。图3.8是开关管和二极管的电压和电流的仿真曲线3.8a。3.8c图3.8b和3.8d分别是二极管D10和D10的电压和电流波形。图3.9为输入输出仿真曲线，图中为输出电压波形，图3.9b为输入电流波形，3.9a3.9c图为输出电流波形。a)三路电感电流b)节点X1电压图3.7电感电流和节点电压a)开关管s10电压电流b)二极管D10电压和电流c)开关管S11电压电流d)二极管D11电压和电流图3.8开关管和二极管仿真曲线图中3.8a，3.8c开关S10、S11的电流波形为蓝色曲线。在每个开关周期中，电流总是在电压波形降至零后开始上升，实现零电压导通。a)输出电压波形b)输入电流波形C)输出电流波形图3.9输出电压、电流和输入电流的仿真曲线由图3.7a3.9b可知，电感电流纹波为480A，三相交错结构的总电流纹波为150A。在相同的调制方式下，多相双向DC/DC转换器的电流纹波与单个DC/DC转换器相比显着降低。选择多相结构作为大功率DC/DC转换器的拓扑结构具有明显的优势。这种转换器的优点是稳态开关损耗低、电感小、总输出电流纹波小、易于实现大功率。对于混合动力汽车的应用，采用多相结构拓扑可以进一步提高系统的重量比功率密度和体积比功率密度；采用多相PWM技术可以降低电流纹波，改善电路波形。三相交错式双向DC/DC变换器结合改进的可控软开关技术将具有广阔的应用和发展前景。第四章系统的数字控制4.1数字控制系统原理数字控制技术可以减少控制系统的硬件设计，提高系统的可靠性。随着微处理器价格的降低和技术的成熟，数字控制技术必将成为大功率、高性能、智能化电源转换器研究领域的发展方向。方向f381。数字控制系统的结构原理如图4.1所示。图4.1数字控制系统结构示意图(1)DSP芯片介绍在全数字化电机控制系统中，高性能控制芯片至关重要。现代电机控制中使用的复杂控制算法和丰富的控制功能的实现都依赖于强大的微处理器。目前，采用DSP实现高性能电机控制已成为行业主流。在DSP领域，仪器公司（TI）的产品和开发工具等配套技术具有最强大的竞争力，已经占据了现有市场的50%左右[39]。目前TI的C2000系列的F28X是DSP中继F240之后最主流的DSP控制芯片。它采用32位定点处理器，流水线结构也由原来的4级增加到8级，性能得到了提升。具有相当复杂的控制算法和较高的采样频率，非常适合实时控制；它的外围模块和CPU性能相比之前的两个系列芯片都有很多提升和提升，而且C/C++的编译效率非常高，用户不再局限于繁琐的汇编程序。但由于工作频率较高，为了降低功耗，F2812采用内核1.8V和I/O口3.3V的双电压结构，增加了电压转换的工作量。尽管如此，可以预见的是，未来控制领域的主导DSP芯片将是F2812，而目前国内的价格也已经跌至百元以上。因此，经过综合考虑，系统最终采用TMS320F2812作为控制核心。(2)TMS320F2812功能模块TMS320F2812是目前世界上最先进、最强大的32位定点DSP芯片。它既有数字信号处理能力，又有强大的事件管理能力。它具有以下基本特征[40-41J.1）采用高性能静态CMOS技术，核心电压1.8V，I/O口电压3.3V，降低功耗：1SOMIPS的执行速度将指令周期缩短至6.67ns，从而提高了真实-控制器的时间控制能力。硬件乘法器可以执行32位x32位二进制补码乘法以获得64位乘积。2）高达12$K字的FLASH程序存储器，18K字的数据/程序RAM；可扩展的外部存储器最多1M单词。3）两个事件管理模块EVA和EVB，每个包括：两个16位通用定时器、8个16位脉宽调制（PWM）通道、3个捕捉单元和一个正交编码脉冲电路。它们可以实现：PWM的对称和非对称波形；当外部引脚PDP1NTx出现低电平时快速关闭PWM通道；可编程PWM死区控制，防止上下桥臂同时输出触发脉冲。4)12位A/D转换器，最小转换时间为80ns，两个事件管理器可选择2个8通道输入A/D转换器或1个16通道输入A/D转换器触发。5）3个32位CPU定时器；56个通用输入/输出引脚（GPIO），可单独编程或复用；增强型控制器局域网（eCAN）模块：两个串行通信接口（SCI）；16位串行外设接口模块(SPI)：多通道缓冲串行接口(McBSP)。6)支持%外设中断扩展，目前只使用了45个；支持3个外部可屏蔽中断。其中，TMS320F2812集成A/D转换电路、脉宽调制PWM发生电路、正交编码脉冲（QEP）电路等外围模块专为电机控制而设计。外围功能使其非常适合该系统控制核心的重载。为了提高系统的动态质量，降低系统的静态误差，采用比例积分PI调节闭环控制实现整个系统的电流闭环。(3)DSP的主要功能如下：1）产生PWM驱动信号：用于驱动双向转换电路中的IGBT。根据输出的采样，设置和调整定时器中周期寄存器的值和比较寄存器的值来设置输出PWM波的周期，改变脉冲宽度。2）实时采样：IR2175输出的PWM信号送入DSP计数器，由单片机时钟将脉宽信号转换为数字编码，通过软件程序计算占空比并转换为等值电压和电流值。3）实时检测电池、超级电容电压和电感电流信号，当出现异常情况时及时保护动作并显示故障源。4.2平均电流模式控制DC/DC转换器以输出电压作为反馈信号，形成电压环控制系统，在电压闭环的基础上进行状态反馈校正，以输入电感的电流作为反馈量，形成电流环形。由于电流反馈网络积分环节的存在，可以控制电感电流的平均值等于电流给定值，从而精确控制输出电流。平均电流模式控制的系统特性如图5.2所示。图4.2电流模式控制系统框图电流调节器CR为PI链路，传输数为电流环的开环传递函数为：电流环的闭环传递函数为：在，由于开环传递函数中有两个零点，幅频特性变宽，开环截止频率更大，使得电流闭环为快速电流跟随器，没有稳态差异。电流环的截止频率及其时间常数对于电压环可以忽略不计，因此电流环相当于一个比例环节。电压回路的简化等效结构图如图5.3所示。图4.3电压闭环等效结构图稳压器，VR为P1的坏段，传递函数为电压开环传递函数：电压闭环传递函数：由于受控对象是一阶惯性链，闭环系统相当于一个二阶模型。当Kv，20时，电压环相角稳定裕度接近90度，系统响应快，电流跟踪能力强。由上可见，电流型控制系统具有以下特点：系统稳定性强、围宽稳定；系统具有快速限流能力，有效降低开关元件、电感等关键元器件的电流冲击，保障系统安全运行；系统动态特性好，响应速度快，可以完全消除输入电压在输出电压中引入的低频纹波。由于采用电流模式控制，系统具有电压和电流两个闭环，可以分别精确控制输出电压和输出电流。因此，通过适当的策略组合改变闭环结构和电压/电流环，参考给定信号Use和ISet，可以轻松实现恒压、恒流、恒功率等各种控制功能，并有效地应用于充放电的控制。4.3控制策略在汽车启动和正常行驶的情况下，超级电容通过功率转换器为电动机提供电能。为了使超级电容器始终具有高功率输出能力，在车辆轻载或检测到超级电容器电压低于规定值时，发动机开始工作；当车辆加速或爬坡时，超级电容器和发动机同时工作。能源供应;车辆在刹车或下坡行驶时，电机作为发电机工作，再生能量通过功率转换器为超级电容充电。超级电容器根据电容器的开环电压和等效串联电阻计算电容器的最大充电/放电功率。当有放电需求时，如果电容器的SOC大于规定的最小值，电容器可以向外放电。根据电容充放电的计算公式（这里忽略漏电效应），电容的放电功率为：，如果电容可以达到的最大电流如果电容的最大电流大于理想峰值功率的对应电流，电容的最大放电功率为理想峰值功率：：若电容的5OC小于规定的最小值，则电容不能对外放电，放电功率为O.当有充电需求时，如果电容器的SOC小于规定的最大值，则可以对电容器进行充电。充电时计算为：，如果电容的5OC小于规定的最小值，则外界所能充电的最大功率为0。如果电容的5OC达到最大值，则可以不再充电，充电功率为0。图4.4是不同工况下的能量流动示意图。图4.4能量流示意图控制策略可摘要如下：（一）当超级电容容量高于规定值时，超级电容通过变流器为启动和正常行驶提供动力，发动机不工作。(2)超级电容器容量低于规定值或加速时发动机工作，对超级电容器或镍氢电池充电，发动机工作在高效范围内。(3)车载电子系统由镍氢电池单独供电，在发动机工作时对镍氢电池充电。(4)再生制动时，反向电流对超级电容器充电，只有超级电容器接收到全部再生能量。直到发动机再次工作，超级电容器还没有充满电，不需要辅助电池进行恢复。（5）由于超级电容器本身的自放电现象，超级电容器的功率可能过低，无法提供汽车启动所需的功率。这时候需要一个辅助电池给超级电容充电；同时，辅助电池为空调等其他车载电子设备供电。稳定的电源，充分利用了镍氢电池的高比能量密度，既能满足要求，又不需要体积和重量大。4.4软件设计电压/电流检测转换电路检测电感电流、镍氢电池电压、超级电容电压，并转换后输出到DSP。通过程序处理，由数字PI调节器控制一对互补的PWM脉冲和两个独立的PWM波形脉冲宽度输出，从而控制转换器合理工作；当出现异常情况时，通过相应程序阻断PWM波形输出，使转换器停止工作，保护整个系统的安全。图4.5主程序流程图该程序包括两部分：主程序和中断处理程序。主程序用于定义和初始化变量；初始化完成后，开启采样中断，进入主程序循环，等待中断发生；一旦中断发生，DSP自动执行中断服务子程序和中断处理子程序，完成闭环给定值的计算、PI控制、PWM输出；处理完成后，返回主程序循环，等待下一次中断的发生。DSP系统初始化主要完成DSP系统控制（包括系统时钟、看门狗设置等）、事件管理器（EVA和EVB）初始化、I/O口初始化、ADC模块初始化、CAN模块初始化匹配寄存器、常量、变量定义和初始值赋值。图4.6是中断处理子程序的流程图。图4.6中断服务子程序流程图当系统进入中断处理子程序时，将中断的入口地址保存在寄存器中以保存场景；然后转到采样中断服务程序。该服务例程的功能是配置事件管理器，配置I/O捕获管脚，初始化事件管理器，配置控制寄存器CAPCON并启动捕获操作；然后处理捕获的数字脉冲，计算占空比并将其转换为等效的电压和电流值；并确定工作模式，当放电模式为恒压PI调整算法时，在充电模式执行恒流PI调整算法时，PWM1引脚和PWM2引脚产生互补驱动信号。当发生故障报警时，POPINT引脚拉低，DSP部分的定时器立即停止工作，所有PWM输出处于高阻状态，同时产生停止保护信号。，回到主程序。图4.7是F2812产生的互补DPWM脉冲信号波形。图4.7互补DPWM脉冲4.5硬件电路设计4.5.1电压电流检测电路为了满足系统输出控制精度和电压纹波的要求，AD采样器的最小分辨率应小于系统内容的电压纹波。使用IR2175可以避免AD转换器数量少带来的误差。电流电压检测电路如图5.80IR2175具有以下显着特点：(1)IR2175高速频率130kHz输出，可满足伺服电机应用的严格要求，如高速印刷、包装机械、机器人及定位平台等自动化应用。(2)IR2175有2.Ous过流关断信号输出，可直接与微处理器或数字信号处理器连接。现有的用于线性电流感应的光学或霍尔效应系统的关断时间一般长达3-4us，通常需要两个外部比较器和一个电平移位运算放大器来实现相同的功能。(3)IR2175无需设置光合路器，保证了系统性能的持久稳定性，有助于提高系统的可靠性。因为随着光耦合器的老化，发光管和接收器件之间的电流传输比会逐渐减弱，这可能会导致系统故障。(4)IR2175采用PWM数字信号输出，用自举电源代替专用辅助电源，有效减小了器件尺寸和零件数量。(5)在电机驱动电路中使用IR2175可以省去外接光学或霍尔效应传感器，从而进一步减小电路尺寸，简化设计，提高可靠性。图4.8a中为电流检测电路，图4.8b为电压检测电路。低端电流检测还有一个严重的问题：接地路径中的电阻意味着负载“接地”会随电流变化。当连接到需要相同接地电平的其他系统时，这可能会导致系统共模错误和问题。这种方法只能用“地面噪声”来提高分辨率。通过在电源和电感器之间放置一个电流检测电阻可以避免接地变化问题。a)电流检测示意图b)电压检测示意图图4.8检测电路示意图4.5.2驱动电路驱动电路就是根据控制对象的要求，将来自信息电子电路的信号转换成相应的驱动号。采用厚膜专用驱动芯片M57962，可直接默认使用，也可根据需要调整死区时间、软关断速度、故障重启时间。驱动电路原理图如图4.9所示。图4.9IGBT驱动原理图驱动电路最多可以驱动300A单个IGBT的大功率IGBT模块（/1200V或/600V）。600A该驱动器已成功应用于小功率IGBT单元的驱动，具有稳定的驱动性能和过流保护。每个驱动器需要工作电源+15V和-10V，