超級電容電動公交客車高效直流驅(qū)動系統(tǒng)的研究.pdf

1、超級電容作為高功率密度儲能電源，其充放電速度快，適合于起制動頻繁、運(yùn)行線路固定的城市電動公交客車，但超級電容供電電壓變化范圍寬，能量密度低。如何提高有限能源利用率，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)高效的電驅(qū)動和能量回饋制動，是促進(jìn)超級電容電動公交客車（UCEB）實(shí)際應(yīng)用和技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。因此，本論文對 UCEB高效率直流驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了研究，通過降低超級電容、驅(qū)動系統(tǒng)變換器、電增磁永磁直流電機(jī)等系統(tǒng)環(huán)節(jié)的損耗，并有效回收制動能量，以期最大限度提高有限車載能源

2、的利用率。
　　驅(qū)動系統(tǒng)變換器的特性決定了 UCEB整車性能。針對 UCEB車載能源更加有限的瓶頸問題，從效率、可靠性、成本等因素對基本雙向直流變換拓?fù)溥M(jìn)行對比分析，選擇了電流雙象限變換器作為 UCEB驅(qū)動電路拓?fù)?。根?jù)電容電壓寬范圍變化特點(diǎn)，提出了兼具降壓驅(qū)動、升壓制動能量回饋和車載充電功能的電增磁永磁直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)方案。針對大功率變換器開關(guān)損耗較大的問題，基于電感耦合饋能的方法，設(shè)計(jì)了饋能緩沖式軟開關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管零電流

3、開通、零電壓關(guān)斷以及開通緩沖能量的轉(zhuǎn)移存儲，從而改善了開關(guān)管工作環(huán)境，降低了變換器開關(guān)損耗；兼顧車輛運(yùn)行的動力性和舒適性要求，采用占空比展開過程的限幅跟隨調(diào)節(jié)方法，有效抑制了驅(qū)動電流超調(diào)；根據(jù)超級電容的充電特性，利用線路切換使驅(qū)動變換器兼具恒流-恒壓車載充電電源功能，降低了充電站設(shè)備的復(fù)雜程度，有利于節(jié)省 UCEB公交系統(tǒng)成本。
　　在保證車輛制動安全性的前提下，基于增磁直流電機(jī)的電勵(lì)磁可控特性，為優(yōu)化 UCEB制動能量回饋性能，

4、分析了在電樞電流和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定等條件下，勵(lì)磁電流對電機(jī)發(fā)電效率和制動能量回饋功率的影響規(guī)律，提出了機(jī)電組合制動優(yōu)化控制策略：車輛中輕度制動模式下，根據(jù)電機(jī)發(fā)電效率最大化條件，設(shè)計(jì)了效率優(yōu)化控制策略，獲得了電制動單獨(dú)作用時(shí)電機(jī)回饋制動能量的最大效率；機(jī)電復(fù)合制動時(shí)，為增大電制動回饋車輛動能的比例，設(shè)計(jì)了能量優(yōu)化控制策略，獲得了電機(jī)回饋制動能量功率的最大值。同時(shí)，分析了電勵(lì)磁對電機(jī)電動運(yùn)行時(shí)效率和能量損耗的影響規(guī)律，根據(jù)電樞電流閉環(huán)控制時(shí)電機(jī)效

5、率最大化條件，或輸出轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制時(shí)能量損耗最小化條件，分別設(shè)計(jì)了電機(jī)電動運(yùn)行的效率和能量優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)驅(qū)動時(shí)能量轉(zhuǎn)換性能的優(yōu)化。通過臺架實(shí)驗(yàn)?zāi)M UCEB工況運(yùn)行，驗(yàn)證了上述驅(qū)動系統(tǒng)變換器和增磁直流電機(jī)的典型特性，為整車性能及其改進(jìn)方案的進(jìn)一步研究提供了必要條件。
　　根據(jù)臺架實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為進(jìn)一步提高各系統(tǒng)環(huán)節(jié)的電能轉(zhuǎn)換效率，針對車輛輕載工況時(shí)驅(qū)動系統(tǒng)變換器效率偏低，以及高頻斬波脈沖電流放電對超級電容壽命和內(nèi)阻熱耗的不利影

6、響等問題，提出了采用多重化直流變換的改進(jìn)方案。輕載工況時(shí)，為提高驅(qū)動系統(tǒng)變換器中小功率區(qū)間的效率，根據(jù)變換器輸出功率或電流調(diào)節(jié)工作單元數(shù)目，設(shè)計(jì)了多重化電路的降重工作模式，保證了各單元電路工作在優(yōu)化效率區(qū)域，拓寬了變換器高效功率區(qū)間；車輛重載工況運(yùn)行時(shí)，多個(gè)單元電路同時(shí)工作，減小了流過超級電容高頻脈沖電流變化幅度，從而降低了超級電容等效內(nèi)阻損耗，改善了超級電容的工作環(huán)境；同時(shí)，輸出電流紋波變化幅度的降低以及紋波頻率的提高，改善了 UCE

7、B驅(qū)動系統(tǒng)增磁直流電機(jī)的動態(tài)性能。
　　仿真分析表明，常規(guī)多重化變換器的軟開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)困難，據(jù)此提出了錯(cuò)相 PWM控制并聯(lián)交錯(cuò)電路方案。交錯(cuò)單元內(nèi)部以濾波電感耦合的方式，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管零電流開通，并降低了續(xù)流二極管的反向恢復(fù)損耗，改善了功率器件的運(yùn)行環(huán)境；交錯(cuò)單元間的并聯(lián)降低了大功率應(yīng)用場合對功率器件電流應(yīng)力要求；錯(cuò)相 PWM控制提高了并聯(lián)交錯(cuò)變換器的等效開關(guān)頻率，并保留了多重化的優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)用理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對交錯(cuò)單