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电动汽车充放电控制系统设计
摘要
如今，电动汽车作为新能源汽车的一种，在为人类出行方面做着越来越重要的贡献。以往的混合动力汽车主要使用电能与化石能源相结合的方式，与化石能源汽车相比虽然减轻了化石能源的消耗和废气的排放，但是从根本上杜绝资源的消耗和对环境的污染是仍然达不到的，因此纯电力驱动汽车的重要性不言而喻。
电动汽车混合动力系统由供能部件、双向DC/DC变换器、逆变器、控制器和电动机组成。采用主动控制混合储能结构，使电池端口与双向控制器串联，控制器编程控制。电动汽车的能量需要蓄电池提供，所以对电动汽车所需要的蓄电池与超级电容器进行介绍，通过对二者的原理和工作特性的分析，采用锂离子蓄电池。
汽车需要频繁的加减速来满足实时路况的需要，电机的速度范围非常宽。这就需要双向DC/DC电路来稳定母线电压，通过研究Buck/Boost双向DC/DC电路的特性，计算得出其基本参数。然后就需要选择电源型逆变器将直流的电能转化为交流供给电机使用。最后在控制器方面，使用模糊控制，以类似于人类的思考方式，完成对蓄电池和超级电容器的功率分配，并得出各个电荷量的输入输出变量函数。
关键字：混合储能系统、超级电容器、锂离子电池、双向DC/DC电路、逆变器
目录
摘要 II
ABSTRACT III
1绪论 1
1.1课题的目的及意义 1
1.2国内外现有技术 1
1.3研究内容 2
1.4研究思路与方法 3
1.5本设计科学性与安全性 3
2系统总体设计 4
2.1系统总体设计要求 4
2.2系统总体设计 4
2.2.1电池与超级电容器直接并联结构 4
2.2.2超级电容通过DC/DC转换器与电池并联结构 5
2.2.3主动控制混合储能结构 5
2.2.4双DC/DC并联结构 5
2.3系统各部分介绍 6
3混合储能系统供能部件原理及其模型建立 8
3.1超级电容器的原理及其模型建立 8
3.1.1超级电容器原理介绍 8
3.1.2超级电容器的充放特性介绍 8
3.1.3超级电容器的内阻特性及模型设计 10
3.2锂离子电池原理介绍 12
4双向DC/DC变换器分析与模型建立 15
4.1双向DC/DC变换器的应用 15
4.2双向DC/DC变换器的原理 15
4.3双向DC/DC电路模型建立 16
5逆变器原理及其模型建立 21
5.1逆变器原理介绍 21
5.2逆变器的设计 23
6模糊控制原理及其模型建立 25
6.1模糊控制原理 25
6.2模糊控制的基本结构与设计 25
7总结 29
参考文献 30
致谢 32
1绪论
1.1课题的目的及意义
如今，全球经济已经达到了飞速发展的程度,对能源的依赖与日俱增，工业废气和汽车尾气排放也不断增加，环境污染问题日益严重。根据中国环保部的数据,到2016年为止,中国已经是第六年成为世界上最大的汽车销售国。我国大气污染的主要来源是以化石能源为动力的汽车尾气污染，同时也造成雾霾、光化学烟雾等污染。因此,防治机车排气污染的重要性是不言而喻的。目前，解决大气污染的重要手段之一是寻找清洁能源替代化石能源，以减少汽车尾气排放。
从化石能源过度消耗的角度探讨，今天的大多数传统汽车都使用石油作为能源来源。如果中国汽车工业继续高速发展，必须依靠大量进口石油来满足未来汽车的需求。因此，有必要寻找新的汽车能源来源，以减少或消除汽车工业对化石能源的依赖，这与中国汽车工业的发展和能源安全有关。
在这种环境下，电动汽车具有无直接污染、噪声低的优点,具有很大的发展潜力。根据不同的动力源,它们可分为燃料电池汽车，混合动力汽车和纯电动汽车。混合动力电动汽车是一种电力和汽油都用作为能源的过渡型汽车。它不能完全摆脱对石油能源的依赖，在行驶过程中仍然存在着污染排放。虽然可以部分缓解当前的污染和能源危机，但从长期发展的角度来看，对解决能源危机和环境污染的作用不大。燃料电池电车本身携带发电燃料，在行驶过程中发生电化学反应，产生电能为车辆提供动力。然而，随着现有技术的发展，储能量大的燃料电池将带来巨大的危险，燃料生产和压缩成本也很高，因此很难推广。纯电动车辆具有低噪声和无直接污染的特点,这大大降低了环保压力,可以直接把供能部件产生的电能转化为使电机运转的机械能,并使能量利用效率大大提高。通过对比分析,纯电动汽车具有良好的发展潜力。
电动车辆的主要问题是不能令人满意的里程、低电池功率密度和低电池寿命。这些问题主要集中在储能系统中。混合动力储能系统可以提高电动汽车的行驶里程,满足电力需求变化较大的电动汽车的需求,使电池更加耐用，还可以回收能量以提高能量效率，从而大大提高电动汽车的整体性能。因此，研究提高电动汽车性能的混合动力储能系统具有重要的现实意义。
1.2国内外现有技术
在过去的40年里，国外电动汽车的发展非常迅速。电动汽车的发展和电动汽车性能的提高都取得了很大进展。许多国家将推动电动汽车视为解决环境和能源问题的重要手段。例如，1997年，丰田汽车公司掌握了世界上第一款量产的混合动力电动汽车的技术。这款电动汽车被称为普锐斯，它由一台功率为52千瓦、转速为4500r/min的四缸发
动机和一台永磁同步电机驱动。1995年，在欧洲和美国，雷诺和法国标致雪铁龙联合成立了世界上第一辆电动汽车生产线；新一代电动汽车巨头特斯拉电动汽车公司于2009年推出首款纯电动汽车。它采用先进的锂离子技术，一次充电可行驶393公里，每耗1度电，可行驶7.4公里，效率为92％。
我国电动汽车技术虽然起步较晚,但发展十分迅速。在2016年3月刚刚发布的"十三五"规划中,国家发改委明确提出"以提高发展质量和效率为中心"发展电动汽车。东风汽车公司、比亚迪汽车公司、武汉神动力电池公司、厦门金龙汽车公司是中国主要的混合储能汽车企业。清华，浙大，北交，西交，上交等高校都与电动车制造公司合作，生产、教学和混合动力、混合储能系统的研究相结合，取得了丰硕成果。
目前，电动汽车储能管理的关键问题包括储能系统拓扑结构优化不足、等效模型不准确、混合储能系统配电优化不足等。所有这一切都可以归结为能量存储系统的能源管理。为此，用于能量存储系统的优化能量管理策略，提出了一种解决了各个部分的问题，并且是提高电动车辆的能量储存性能的重要方法。
1.3研究内容
混合动力汽车因为要作为公共或私人交通载具，因此，它应该有较高的速度、无污染、允许频繁启动的特点，因此，其车载能量存储系统也需要具有以下特点：
（1）能量密度高；
（2）循环寿命长；
（3）自放电率低；
（4）功率密度高；
（5）成本低；
（6）安全可靠；
（7）充放电效率高。
根据车载储能的特点，把研究的重点放在由超级电容器与锂离子电池所构成的电动汽车混合储能系统。电动汽车行驶时会经常发动和停止，,功率变化很大。如果只靠锂离子电池提供能量，如果只有锂离子电池用于提供能量，过度充电和放电电流可造成电池极大的损害和影响其使用寿命。两种组分的联合供电的科学性是通过和超级电容器的特性和锂离子电池的的工作原理分析讨论得到证实的。
因此，DC/DC电路被串联连接的锂离子电池，然后与超级电容器的连接方式并联使用，使得超级电容器可以快速到总线线路的功率波动作出响应。同时，防止快速充放电发生在锂离子电池的工作中，从而可以让蓄电池更加耐用。除此之外，逆变器部分的调制方式采用空间矢量脉宽调制，产生的交流电驱动电动机运动，从而完成整个混合动力系统的设计。
1.4研究思路与方法
首先，根据课题的研究背景和发展方向，综合总结电动汽车在国内外的研究成果，并提出电动汽车能源管理研究的现实意义。
其次，在分析超级电容器，锂离子电池的工作与容量特性的基础上，设计一个混合能量存储系统，它可以延长锂离子电池的寿命，提高功率；DC/DC电路，控制器和逆变器需要一起使用。其中，关键在于超级电容器，锂离子电池的设计和能量存储系统的连接上。
再次，介绍了模糊控制结构，模糊逻辑控制器隶属函数的基本原理和设计方法。模糊逻辑控制系统的输入和输出变量的隶属函数由专家经验分析法设计。根据该系统和电动车的不同操作模式的双向DC/DC转换器的操作模式的电路结构，在模糊逻辑控制的逻辑规则进行设计的。
最后，在具体的功率分配方面，根据模糊控制理论，可以动态分配超级电容器和锂离子电池的负载功率。如果超级电容器的SOC是足够大的，就可以单独的对功率偏差值进行补偿；反之，就需要加上蓄电池一起承担。控制器根据DC母线电压，超级电容器和电池的SOC以及电压和负载电流状况稳定直流电流，从而实现动态功率分配。
1.5本设计科学性与安全性
本设计通过设置超级电容器和锂离子蓄电池作为储能系统的供能元件，不使用任何化学能源，避免了废气的排放与环境的污染。同时，综合超级电容和锂离子电池的优点，使本系统具有很高的比能量和比功率，有很高的实用性。
安全方面，考虑使用主动控制的混合储能结构，通过回馈制动的能量直接传给超级电容器，使蓄电池可以避免大电流的冲击，使电池的使用寿命尽量延长，从而保证了本系统的安全性。
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