文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170462
中文引用格式： 孟彥京，賈娟娟，馬匯海，等. 電動教練車的雙電源協同控制方法研究[J].電子技術應用，2017，43(10)：145-148.
英文引用格式： Meng Yanjing，Jia Juanjuan，Ma Huihai，et al. Research on the method of cooperative control for learner-drive vehicle with double-power[J].Application of Electronic Technique，2017，43(10)：145-148.
0 引言
將教練車的發動機更換為電動機，其他結構不變使之成為一種電動教練車，實現節能減排。但教練車工作狀態頻繁切換，導致負載功率寬范圍變化，蓄電池要滿足負載需求，其電流就必須具有寬范圍變化的能力，為了不影響電池壽命，瞬時大電流放電又是不被允許的，因此產生了矛盾。
現有的教練車均采用鉛酸或鋰離子動力電池進行驅動，無法同時滿足教練車對蓄電池的高能量密度、高功率密度、較長循環壽命、較好經濟性的要求[1-3]。且經實驗發現大電流放電嚴重影響鉛酸動力電池的可放出容量，即存在“放不出來”現象。
針對以上問題，本文擬選用較經濟的鉛酸電池，采用與動力電池特性互補的起動電池來“削峰”，即利用雙電源協同驅動電機。起動電池提供電機峰值功率，且滿足一定時間峰值助推力需要的能量，在保證整車動力性能的前提下，使動力電池輸出功率盡可能保持恒定或平滑，避免了大電流放電對其的損壞，延長了動力電池的使用壽命，增加了教練車的續航時間。
1 系統方案設計
雙電源協同驅動系統中起動電池能量密度小，在釋能過程中電壓下降較快[4-5]，當其電壓小于動力電池電壓時，由于電勢差的存在無法及時對系統需要的大功率做出補償。因此，選用的起動電池組端電壓應大于動力電池組端電壓，再通過DC/DC變換器實現端電壓的自動匹配，保證起動電池能隨時補充負載需要的大電流，電路設計原理圖如圖1所示。
圖中，Ed、Es分別為動力電池、起動電池的開路電壓，Rd、Rs分別為動力電池、起動電池的內阻。起動電池經VF2、VD3、L1組成的Buck變換器與動力電池并聯，虛線框內為逆變器自帶電路，其中C1、R為教練車等效負載，R1與VF1構成等效負載中電容的預充電電路，VD1、VD2為防反充二極管，起到防止兩電池之間相互充電的作用。
2 系統控制方案
2.1 功率調配控制
教練車工作狀態多變，負載電流變化范圍大[6]。當負載電流超過動力電池的最佳放電電流時，為避免動力電池大電流放電受到損壞，以起動電池作為“峰值”補充電源，使動力電池所提供電流維持在最佳放電電流范圍內。對教練車中關鍵部分能量源起到管理和保護作用。設I1為動力電池電流，I2為負載需求電流，I3為起動電池電流，Iset為動力電池可接受最佳放電電流，則工作狀態分為兩種模式：
(1)若I2－Iset≤0，則I1≈I2，I3≈0。即負載所需電流I2在動力電池可接受的最佳放電電流范圍內，幾乎全部由動力電池提供。
(2)若I2－Iset>0，則I1=Iset，I3=I2－Iset。即負載所需電流I2超出動力電池可接受最佳放電電流范圍，則動力電池的放電電流基本維持為Iset，剩余部分由起動電池供給。
兩種工作模式中，開關管VF2都處于調節狀態。第一種模式下，輸出較小的占空比控制VF2，使起動電池只提供很小的電流，目的是使起動電池始終處于動態預備狀態，防止其在負載突變時，無法快速對大電流進行補充；第二種模式下，系統采樣負載電流I2，與給定電流Iset做差得到誤差值，經比例(P)調節后輸出占空比信號，控制VF2的通斷來對起動電池需補充的電流進行調節，控制框圖如圖2所示。
2.2 容量平衡控制
鉛酸動力電池相關參數標準規定，最佳放電率為0.1 C~0.2 C[7]，本系統中Iset在0.1 C~0.2 C范圍內調節都是合理的，將Iset初始值設置為0.15 C，方便控制。為使動力電池所能持續放電的時間內，起動電池的電量也基本放完，用安時積分法檢測兩個電池的“荷電狀態”（State of Charge，SOC），比較后對Iset進行調節，設SOC1、SOC2分別為動力、起動電池的荷電狀態，控制思路為：
(1)當SOC1>SOC2，提高Iset的設置值，使動力電池多提供能量，SOC1降低，直到與SOC2值接近。
(2)當SOC1<SOC2，降低Iset的設置值，使起動電池多提供能量，SOC2降低，直到與SOC1值接近。
鉛酸蓄電池放電深度在30%~90%范圍內時具有較長壽命且在其生命周期內放出較多容量[8]，將蓄電池最低SOC設置為30%，當起動與動力電池中任意一個容量降低到30%時，放電結束，需給蓄電池充電。系統容量平衡控制流程圖如圖3所示。
3 系統參數設計
3.1 電池選型
已改裝的電動教練車所配電機的額定電壓為48VAC，考慮到電池的性價比和車輛使用情況，選用型號為6-DG-120B的6節12 V的鉛酸動力蓄電池串聯使用，其額定容量為105 Ah。經測量電動教練車運行過程中負載所需電流參數如表1所示。
由表1可以看出，車輛在起步、轉彎和加速狀況下電池需大電流放電，將動力電池工作中的電流平均為15 A，則動力電池可持續工作時間為：
105 Ah×0.7÷15 A=4.9 h
為滿足學員一天的練車要求，教練車電源提供能量的時間應達到5.5小時左右,將起動電池工作中的電流平均為35 A，則所選起動電池額定容量應為：
0.6 h×35 A÷0.7=30 Ah
選取型號為6-QWLZ-36的7節起動電池串聯，對系統大電流進行補充，其額定電壓為12 V，額定容量為36 Ah，起動電流達280 A，滿足系統要求。
3.2 系統設計中L1、C2的參數計算與選擇
起動電池端連接Buck變換器，輸入電壓為70 V~96.6 V，由表1可知系統負載最大需求電流為60 A，除去動力電池提供的，起動電池應補充40 A左右的電流，將其輸出電流最大值定為45 A，開關頻率為5 kHz，對于Buck變換器按最大輸入電壓（96.6 V）計算電感，過程如下：
設負載突變瞬間，允許動力電池電流波動5 A，動力電池內阻為0.06 Ω，則輸出紋波電壓為：
ΔU=0.06 Ω×5 A=0.3 V
假設輸出紋波電壓的大部分分量由電容的ESR(Rc)產生，可以選擇電容使得ESR滿足紋波電壓要求，則有：
Rc=ΔU/(Iload－Id)=0.3 V/(60 A-25 A)=0.008 6 Ω
由經典ESR/電容值關系：RcC0=50×10-6 ΩF，計算得到C0=5.8×10-3 F。
此電容由兩部分組成，分別為電機控制器內部電容C1和Buck變換器并聯電容C2，本教練車電機控制器中電容C1為14個180 μF電解電容并聯，總容量為2.52×10-3 F，
則Buck變換器并聯電容C2容量為2.28×10-3 F，其最高工作電壓在83 V左右，選用7個容量為330 μF，ESR為20 mΩ、耐壓值為160 V的電解電容并聯，降額51.8%使用，滿足設計要求。
4 仿真與結果分析
為驗證本設計的合理和有效性，利用MATLAB軟件搭建了系統的仿真模型，如圖4所示。
仿真模型中的器件參數設置如下：
動力電池：內阻0.06 Ω，額定電壓72 V，額定容量105 Ah；起動電池：內阻0.01 Ω，額定電壓84 V，額定容量36 Ah；
L2電感量為8×10-5 H，C2容量為2.3×10-3 F；電阻R2、R3、R4來模擬電動車負載，由給定信號G2、G2來控制VF1、VF2的通斷，當VF1、VF2依次閉合，系統負載逐漸增大。仿真結果如圖5所示。
圖中Vc1、Vc2分別為電容器C1、C2的端電壓，i2為負載需求電流、i1為動力電池所提供電流、i3為起動電池所提供電流。由圖可以看出，0~0.15 s內，電容器C1端電壓升高，處于充電狀態，而電容器C2在起動電池作用下逐漸被充滿；0.2 s時負載接入，系統開始工作，0.2 s～0.5 s內，負載所需的電流較小，僅為14 A，小于Iset設置值，此階段動力電池幾乎提供了負載所需的全部能量；0.5 s時負載突變，需求功率增大，所需電流增加到34 A，大于Iset的設置值，此時動力電池提供了15 A電流，起動電池提供19 A電流；1 s時負載再次突變，所需電流增加到60 A，動力電池仍提供15 A電流，起動電池提供剩余電流。
因仿真時間較短，電源SOC變化不明顯，無法看出容量平衡控制效果，采用信號發生器給定變化的SOC1、SOC2信號進行模擬，仿真模型如圖6。
模擬中Iset初始設置值為16 A，間隔時間設置為0.5 s，圖7為模擬仿真波形，由圖可以看出，在1.5 s、2 s時，Iset值均增加了2 A，觀察SOC1、SOC2的變化發現在1.5 s、2 s時SOC1、SOC2的關系滿足SOC1>SOC2，|SOC1－SOC2|=a，a>10%且有增大趨勢，為使SOC1、SOC2接近，提高了Iset的設定值，讓動力電池多提供能量，在2.5 s時，也滿足此關系，但Iset已增加到動力電池最佳放電電流的閾值，則不再增加，在4.5 s、5 s時，Iset值均減少了2 A，此時SOC1、SOC2的關系滿足SOC1<SOC2，|SOC2－SOC1|=a，a>10%且有增大趨勢，為使SOC1、SOC2接近，減小了Iset的設定值，讓起動電池多提供能量，仿真結果與控制策略一致，驗證了方案的可行性與正確性。
5 結語
改進后的電源系統具有以下特點：
(1)在負載突變的情況下可及時調整工作模式，使動力電池輸出功率盡可能保持恒定或平滑，通過起動電池來滿足系統峰值功率需求；
(2)連接起動電池的Buck變換器始終處于工作狀態，通過改變占空比控制起動電池輸出電流的大小，使起動電池可根據負載需求快速補充電流；
(3)通過比較兩個電池的SOC，根據控制策略改變Iset的設置值，達到平衡兩個電池SOC的目的，使兩個電池電量基本同時放完。
本設計充分發揮了兩種電池的性能優勢，通過控制對雙電源輸出功率進行管理和調配，保護了動力電池，延長其使用壽命，具有一定的實用價值。
參考文獻
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作者信息：
孟彥京，賈娟娟，馬匯海，吳 輝
（陜西科技大學 電氣與信息工程學院，陜西 西安710021）