超級電容和電池組成的能量管理系統(tǒng)兼顧了超級電容的高功率密度及電池的高能量密度的優(yōu)點,可以更好地滿足電動汽車啟動和加速性能的要求,提高電動汽車制動能量的回收效率,，增加續(xù)駛里程。
1 系統(tǒng)總體概述
    超級電容,、電池能量管理系統(tǒng)主要由BLDCM驅動控制器和雙向DC-DC電路兩部分組成,，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    圖1中,，L,、M1、M2組成雙向DC-DC電路,，VT1～VT6組成三相逆變器,，并采用一個高端負載開關M3，在必要的時候控制母線和蓄電池的通斷,。蓄電池母線電壓Vin=72 V,，超級電容額定參數為165 F/48 V, 無刷直流電機參數為72 V/5.5 kW,。電機運行時，負載開關M3導通,，三相逆變器正常工作,，雙向DC-DC不工作，系統(tǒng)能量來自蓄電池,；電機能量回饋制動時,，母線電壓高于蓄電池電壓，并通過比較器C1信號觸發(fā)關斷負載開關M3,，雙向DC-DC工作在BUCK狀態(tài),，超級電容被充電；電機啟動或大轉矩輸出時,，雙向DC-DC工作在BOOST狀態(tài),，這種情況一般只持續(xù)數十秒。超級電容能量充足時,，能保證BOOST輸出電壓高于母線電壓,，負載開關M3關斷。如果放電時間過長,，由于超級電容不具有恒壓特性,，隨著能量的消耗，其端電壓會不斷降低,，對應BOOST電路的輸出電壓也會相應降低,。當輸出電壓值比母線電壓值小時，高端負載開關M3導通,，此時由蓄電池單獨為系統(tǒng)供電并關斷超級電容部分的雙向DC-DC電路,。

2 系統(tǒng)工作原理及控制策略
2.1 雙向DC-DC原理
    本系統(tǒng)采用雙向DC-DC變換器的原因：(1)超級電容端電壓和蓄電池電壓不匹配；(2)超級電容不具有恒壓特性,，由于與蓄電池電壓特性不一致,，不能直接將兩者并接在一起。系統(tǒng)采用的超級電容額定電壓為48 V,，蓄電池額定電壓為72 V,，所以雙向DC-DC變換器的低端電壓為48 V，高端電壓為72 V,。由于電壓變換范圍不大,，不需要采用變壓器進行電壓變換，直接采用PWM斬波即可實現,。雙向DC-DC結構如圖2所示,。
    圖2中的雙向DC-DC變換器本質上由基本的BUCK電路和BOOST電路結合而成[1]，將BUCK電路或者BOOST電路中的功率二極管用功率MOSFET替換即得到圖3所示的電路拓撲,。根據能量流向的不同,，電路工作在BUCK降壓模式或BOOST升壓模式,。
    在BUCK降壓模式中，M1管作為開關管使用,，驅動信號來自PWM控制芯片,；M2管作為二極管使用，且使用的是M2管的寄生體二極管,，這時必須通過負壓可靠關斷M2才能實現電路的可靠運行,。設定電路工作在CCM模式，降壓模式下等效電路如圖3所示,。圖3中箭頭表示為電壓,、電流的方向，能量從V1流入V2,，即超級電容的充電模式,。t0～t1時間段表示M1開通，t1～t2時間段表示M1關斷,。設PWM周期為T,，占空比為D，則M1開通時間為DT,，M1關斷時間為（1-D）T,。根據電感伏秒平衡原理，電感L兩端伏秒值在一個周期中的平均值為0,，則電感一個周期的伏秒平均值可由下式求得：
  

    在BOOST升壓模式中,，M2管作為開關管使用，驅動信號來自PWM控制芯片,；M1管作為二極管使用,，且使用的是M1管的寄生體二極管，這時必須通過負壓可靠關斷M1才能實現電路的可靠運行,。設定電路工作在CCM模式,，升壓模式下等效電路如圖4所示。圖中箭頭表示電壓電流的方向,，能量從V2流入V1，即超級電容的放電模式,。t0～t1時間段表示M2開通,，t1～t2時間段表示M2關斷。設PWM周期為T,，占空比為D,，則M2開通時間為DT，M2關斷時間為（1-D）T,。根據電感伏秒平衡原理,，電感L兩端伏秒值在一個周期中的平均值為0,，則電感一個周期的伏秒平均值可由下式求得：
    

    由于占空比0<D<1，式（2）表明V1>V2,，即V2通過PWM斬波得到滿足電機工作要求的母線電壓V1,。
2.2 能量管理系統(tǒng)控制策略及工作模式
2.2.1 設計要求
    電動汽車能量管理系統(tǒng)對安全性有很高的要求，應滿足以下條件：
    (1)滿足剎車及加速的安全要求,，符合駕駛員的習慣,。通過找到電子剎車和機械剎車的最佳覆蓋區(qū)間，在確保安全的前提下,，最大限度回收能量,，具有能量回收系統(tǒng)的電剎車過程應盡可能地與傳統(tǒng)剎車過程相似；在加速過程中,，盡可能多釋放能量,，保證汽車所需要的加速性能。
    (2)考慮能量管理系統(tǒng)及電機的性能,，確保超級電容,、電感、電機等元件在能量回饋及釋放過程中的安全,，避免充電,、放電電流過大或充電電壓過高而損害元件。
2.2.2 控制策略
    (1)能量回饋控制策略
    在滿足設計要求(1)的情況下,，根據要求(2)的限制值確定最優(yōu)制動力,，使回收能量達到最大，即電流對時間的積分達到最大,。為了與平常的剎車習慣相符合,，采用電制動操縱與機械制動操縱復用制動踏板。整個制動踏板行程分為兩段,，第一段行程為電制動控制段,，隨踏板下行，電制動強度逐漸加強,；第二段行程為機械制動控制段,，隨踏板下行，機械制動強度逐漸加強,。
    將各限制因素量化為當前最大允許制動力矩,，并以此來限定電機的制動力矩，從而保護系統(tǒng)的正常運行,。電制動的限制因素主要來源電機及能量管理系統(tǒng)兩個方面,，包括電機最大允許制動轉矩，電機最大允許制動功率，能量管理系統(tǒng)最大允許充電功率及能量管理系統(tǒng)最大允許充電電流,。這些限定因素轉化為電機轉矩限制的具體策略為：

式中,，各物理量均為正值；min()表示取最小值,；max()表示取最大值,，Pmmax表示電機最大允許制動功率；Pbmax表示能量管理系統(tǒng)最大允許充電功率,；Ibmax表示能量管理系統(tǒng)最大允許充電電流,；Vb表示當前能量管理系統(tǒng)的端電壓。能量管理系統(tǒng)的兩個限制因素及端電壓為可變量,，取系統(tǒng)運行的當前瞬態(tài)值,，由能量管理系統(tǒng)給出；電機發(fā)電效率及當前電機轉速為可變量,，取電機運行當前瞬態(tài)值,，由電機控制系統(tǒng)給出。
    (2)能量釋放控制策略
    能量釋放控制策略的具體描述與能量回饋控制策略類似,，將各限制因素量化為當前最大允許驅動力矩,，并以此來限定電機的驅動力矩，從而保證系統(tǒng)的正常運行,。
3 雙向DC-DC控制方法
    雙向DC-DC控制方法采用電壓,、電流雙閉環(huán)控制[2]，其中電壓環(huán)是外環(huán),，通過TL431和光耦實現對電壓的閉環(huán)控制,；電流環(huán)是內環(huán)，采用對峰值電流進行閉環(huán)控制的方法,。峰值電流控制不僅響應速度快,，而且具備限流保護功能，可以提高系統(tǒng)的可靠性,。峰值電流控制的基本原理如圖5所示,。圖5(a)所示為BUCK模式下峰值電流控制原理，而BOOST模式下峰值電流控制原理與其類似,。圖中,，參考電壓Vref與變換器輸出電壓V(t)相減所得的誤差信號經補償網絡放大后作為PWM調制器的調制信號，將電流取樣信號is(t)Rf作為載波信號,。每個開關周期之初,，由時鐘脈沖置位RS觸發(fā)器，開關器件M1導通,，之后電感電流逐漸增加，如圖5(b)所示。當檢測到電流信號is(t)Rf大于調制信號ic(t)Rf時,，比較器反轉并復位RS觸發(fā)器,，使得功率管開關被關斷，電感電流通過續(xù)流管續(xù)流,。圖5(b)所示為兩種電感,、電流增長斜率情況下的PWM占空比變化波形。圖中波形表明,，當電感,、電流增長快（斜率大），即大負載輸出時（對超級電容充電而言,，是充電初始時刻,，電路近于短路狀態(tài)），電流很快達到峰值,，電路也很快進入峰值電流控制狀態(tài),，表現在PWM輸出波形的占空比變小,；反之,，PWM輸出波形占空比變大。

4 雙向DC-DC的硬件設計
    本設計中采用雙閉環(huán)的結構實現電流,、電壓的控制,，控制芯片使用TI公司的UCC3803A。UCC3803A內部的一個誤差放大器和電流放大器,，可以方便組建電流,、電壓雙閉環(huán)。在實際使用中,，為了具有更快的響應速度,，可略去誤差放大器，使用電壓調整器TL431和光耦PC817構成電壓反饋,。電流環(huán)通過使用LEM公司的電流傳感器LAH 100-P來組建,。BUCK控制電路如圖6所示，而BOOST控制電路原理與其類似,，只是電流方向和開關管的位置有所改變,。IS1是來自LEM霍爾電流傳感器LAH 100-P輸出的電壓測量信號，該電流信號進入電流反饋端,，即圖6中的ISEN端,。V48來自功率部分的輸出，由于TL431最大只能穩(wěn)壓到36 V,，故需要對經典TL431穩(wěn)壓電路進行部分修改,，使其能滿足48 V穩(wěn)壓要求,，故在TL431的3腳(即K極)引入24 V穩(wěn)壓管，TL431的端電壓約為24 V,，在安全工作區(qū)內,，能正常起穩(wěn)壓作用。PC817實現電氣上的隔離,，并通過輸出電壓Vce穩(wěn)壓,，當超級電容電壓接近48 V時，PC817輸出電流Ic增大,，則Vce減小,，進入UCC3803的2腳VFB補償端的信號也會減小，相應地PWM輸出占空比也減??；當超級電容電壓超過48 V時，UCC3803補償端1腳拉低,，PWM關斷,，起到過壓保護的作用，這時電路將在48 V維持動態(tài)平衡,。

      本系統(tǒng)目前正在進行實驗驗證,，運行穩(wěn)定、能量回饋及釋放性能良好,。

參考文獻
[1] 賀益康,，潘再平.電力電子技術[M].北京：科學出版社，2004.
[2] 徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制[M].北京：機械工業(yè)出版社,，2007.