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电动汽车用飞轮电池充放电控制系统设计

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：尹弘亮1 刘正英2

[导读] 摘要：依据飞轮电池充放电过程的特点，研究了一种电动汽车用飞轮电池充放电控制系统的设计方案，以三相不可控整流桥和全桥IGBT逆变电路作为主电路，重点进行了系统的软硬件设计，最后利用MATLAB/Simulink中的模块对系统充放电进行仿真模拟，以验证控制方案的可行性。

        （1.国家电网公司办公厅北京 100031；2.国网甘肃省电力公司经济技术研究院兰州 730050）
        摘要：依据飞轮电池充放电过程的特点，研究了一种电动汽车用飞轮电池充放电控制系统的设计方案，以三相不可控整流桥和全桥IGBT逆变电路作为主电路，重点进行了系统的软硬件设计，最后利用MATLAB/Simulink中的模块对系统充放电进行仿真模拟，以验证控制方案的可行性。
        关键词：飞轮电池；电动汽车；充放电控制
        ABSTRACT：According to the characteristics of charge and discharge process of flywheel battery，a design scheme of charge and discharge control system of flywheel battery used on electric car is proposed.The three-phase controlled rectifier bridge and full bridge IGBT inverter circuit as the main circuit，focusing on flywheel battery charge and discharge control system hardware and software design，and use MATLAB / Simulink module simulation to verify the feasibility of controlled scheme.
        KEY WORD：Flywheel battery；Electric car；Charge and discharge control
        1 引言
        在能源缺乏、环境污染日益严重的今天，电动汽车已成为未来汽车发展的主流方向、备受关注[1]。但由于电动汽车用传统电池的局限性，制约着电动汽车的发展，而飞轮电池作为一种新型、环保、高效的储能技术，可以将零星的能量积聚起来使用，或者将多余的能量储存起来在需要的时候再用，而且还具备携带性、储能密度高、瞬时功率大、充电时间短、使用寿命长、无过充电和过放电等多种优点[2，3]，可推广应用于电动汽车中。因此，研究并设计电动汽车用飞轮电池充放电控制系统具有很重要的意义。
        2飞轮电池充放电控制系统电路设计
        飞轮电池充放电控制系统硬件电路主要包括主电路和控制电路。如图1所示。

        图1 控制系统硬件电路原理图
        2.1主电路设计
        飞轮电池控制系统主电路结构图如图2所示。飞轮电池充放电主回路都包括三部分，即整流部分、滤波部分、逆变部分。

        图2飞轮电池控制系统主电路结构图
        将飞轮电池的“充电”和“放电”分别采用两套系统来实现，变频器1的功能是实现飞轮电池“充电”；变频器2的功能是实现飞轮电池“放电”。其工作原理为：当飞轮电池处于“充电”阶段时，固态继电器1接通，整流器1将外部电源先整流成直流电源，再由逆变器逆变为电压频率可调的交流电源来驱动含有飞轮的永磁电机；电机带动飞轮加速旋转，将电能转换成机械能储存起来；当飞轮电池处于“放电”阶段时，高速旋转的飞轮用作原动机，驱动电机将机械能转换为电能，固态继电器2接通，整流器2将飞轮电池电机发出的交流电先整流成直流电源，再经过逆变器的调压、调频作用将直流电源转换成工频交流电源提供给用电设备。
        2.2控制电路设计
        2.2.1数字信号控制器
        本文中控制电路由PIC16F877单片机来实现，控制方法采用SPWM调制技术。由单片机输出三相SPWM信号送到各个IGBT驱动电路，由驱动电路产生触发脉冲送至各IGBT，并由单片机控制固态继电器的通断实现飞轮电池充电、放电的切换。频率给定和幅值给定采用外接电位器（0-5V）给定，经PIC16F877自带的A/D转换器转换成数字量[4，5]。
        2.2.2 IGBT隔离驱动电路
        IGBT是电压驱动型器件，使IGBT开通的栅射极间驱动电压一般取15~20V。本文选用美国IR公司生产的IR2113来驱动IGBT，它是双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器，驱动电路简单，只需一路电源即可同时驱动上、下桥臂，是中小功率变换装置中驱动器件的首选[6，7]。
        2.2.3电压检测电路
        电压检测电路如图3所示。

        图3 电压检测电路
        采用霍尔电压传感器来检测交流电压信号，霍尔传感器输出的电压信号有正有负，而单片机无法识别负电压，需经过电压提升电路将其抬高，得到峰值为0~5V的信号，送入单片机进行A/D转化，完成对电压的检测，最后通过单片机来控制，使得飞轮电池放电时输出比较稳定的电压。
        3软件设计
        飞轮电池控制系统主程序主要是通过各个子程序的合理调用，以实现控制系统的功能，完成飞轮电池充电和放电。在主程序中，系统首先进行初始化，然后进行充电，并通过光电编码器来检测飞轮转速，当飞轮速度转速高于3000r/min时，不再充电，处于保持状态，当有按键按下，表明接受到一个能量释放的控制信号，飞轮电池开始放电，并检测飞轮转速，当飞轮转速低于最低转速100r/min时，放电过程结束。系统主程序流程图如图4所示。

        图4 系统主程序流程图
        4 系统仿真分析
        为了验证设计的可行性，本文采用Simulink中的整流、逆变、电机等模块对飞轮电池充放电过程进行仿真。建立三相SPWM波产生模型，设置调制度为0.8，三相正弦波频率为50HZ，共用一频率为2550HZ的三角载波。
        4.1飞轮电池充电过程的仿真
        对飞轮电池充电过程建立模型，三相交流电先整流滤波再逆变后驱动永磁同步电动机，仿真后得永磁同步电机转速波如图5所示。从图上可以看出在充电过程中，永磁同步电动机在0.5s左右就可以达到转速3000r/s，而且以后基本保持此速度不变。

        图5充电过程中电机转速波形
        由图5可以看到电机在0.15s左右转速就可达到3000r/min，而且0.2s后转速保持不变。
        4.2飞轮电池放电过程的仿真
        飞轮电池放电过程的仿真就是对永磁同步电机的发电状态的仿真。为了简化系统的模型，用三相可控电源代替永磁同步发电机，用RC电路作为负载仿真飞轮电池转速的下降随其电压变化的过程。仿真后得飞轮电池放电时电机相电压波形、整流滤波后的电压波形如图6、图7所示。

图6电机相电压波形
从图6中可以得到，飞轮电池在放电过程中，其电压幅值和频率都处于不断下降状态。

        图7 整流滤波后电压波形
        从图7中可以看出电压幅值处于不断下降状态。
        5 结论
        本文以电动汽车为背景，以单片机PIC16F877为核心控制器，主要完成了飞轮电池充放电控制系统软、硬件的设计，并在MATLAB/Simulink中进行充放电的模拟仿真，结果验证了设计方案的可行性。利用飞轮电池的特性，能有效解决原电动汽车所用电池充电时间长、充电功率低等诸多问题。
        参考文献：
        [1] 郭永吉.电动汽车用飞轮电池充电控制系统设计[J].工业仪表与自动化装置，2012，（5）：28～31.
        [2] 张建成，黄立培，陈志业.飞轮储能系统及其运行控制技术研究[J].中国电机工程学报，2003，23（3）：108-111.
        [3] 汤双清.飞轮储能技术及应用[M].华中科技大学出版社，2007.9.
        [4] 彭树生.PIC单片机原理与接口技术[M].北京：电子工业出版社，2008.4
        [5] 李荣正，刘启中.PIC单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
        [6] 马强，陈雪亮.用于微生物聚酯颗粒提取的脉冲电源设计[J].船电技术，2014，34（5）：58-61
        [7] Joseph Beno，Richard Thompson，and Robert Hebner.Flywheel Batteries for Vehicles[J].IEEE，2002，（1）：99～101.