于海征馮國勝姜新民
(1.石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;2.石家莊核光電子科技有限公司)
電源系統(tǒng)是汽車新產(chǎn)品開發(fā)中的重要環(huán)節(jié),電源系統(tǒng)的可靠性和合理性是影響汽車運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性的重要因素[1]?,F(xiàn)有汽車的供電系統(tǒng)主要由交流發(fā)電機(jī)、整流橋、調(diào)節(jié)器及蓄電池組成,由于汽車運(yùn)行工況的復(fù)雜性,在汽車負(fù)荷變化較大時(shí),電流和電壓瞬間跌落幅度較大。由于受到蓄電池特性、發(fā)電機(jī)容量及輸出特性的限制,不能瞬間為汽車提供充足的電能補(bǔ)償,進(jìn)而出現(xiàn)供電不足等現(xiàn)象,從而導(dǎo)致汽車用電單元工作效率下降。為改善這一問題,文章提出一種應(yīng)用超級(jí)電容器作為汽車輔助供電裝置的方法,在汽車處于起步和急加速等不同工況時(shí),應(yīng)用超級(jí)電容器為汽車提供瞬時(shí)的電能補(bǔ)償,從而保證汽車的電力供應(yīng),提高汽車的動(dòng)力性、操控性和燃油經(jīng)濟(jì)性。
超級(jí)電容又稱電化學(xué)雙層電容,是一種介于電池和靜電電容器之間的儲(chǔ)能元件[2],其比能量和比功率介于電池和傳統(tǒng)電容之間。與傳統(tǒng)電容相比,超級(jí)電容具有很高的能量密度,同時(shí)能夠以指數(shù)級(jí)別更高的密度來存儲(chǔ)能量,特別適用于短時(shí)存儲(chǔ)和釋放大量功率的場(chǎng)合。另外,超級(jí)電容與普通蓄電池相比具有更高的功率密度,可實(shí)現(xiàn)更迅速地釋放能量[3-4]。但是由于超級(jí)電容在能量密度方面的限制,單純地采用超級(jí)電容器作為汽車的供電系統(tǒng)并不現(xiàn)實(shí),而超級(jí)電容與蓄電池在性能上有較強(qiáng)的互補(bǔ)性,充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)可以使系統(tǒng)獲得更好的性能[5-6],所以文章選用超級(jí)電容器作為輔助供電設(shè)備實(shí)現(xiàn)電能補(bǔ)償。
車輛輔助供電系統(tǒng)主要包括主控單元、信號(hào)調(diào)理電路模塊、信號(hào)采集模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊及超級(jí)電容輔助供電單元模塊,同時(shí)該系統(tǒng)應(yīng)用LabVIEW作為上位機(jī)軟件,與主控單元DSPF2812之間通過串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)及工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。
車輛輔助供電系統(tǒng)采用6組不同型號(hào)的超級(jí)電容作為超級(jí)電容輔助供電單元模塊,來實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車處于不同運(yùn)行狀態(tài)下的輔助供電。通過主控單元產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)可實(shí)現(xiàn)6組超級(jí)電容器的充放電控制,以滿足在不同運(yùn)行工況下的輔助供電需求。車輛輔助供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體設(shè)計(jì)框圖,如圖1所示。
車輛輔助供電系統(tǒng)主要是根據(jù)汽車運(yùn)行時(shí)采集的實(shí)時(shí)信號(hào)來判斷汽車所處的運(yùn)行狀態(tài),所以準(zhǔn)確地采集汽車的電壓、電流、轉(zhuǎn)速及節(jié)氣門開度等信號(hào)是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制的關(guān)鍵。圖2示出某車型各路信號(hào)的調(diào)理電路圖。
由于主控單元DSPF2812內(nèi)部的ADC模塊能夠輸入的最大電壓范圍為0~3 V,而經(jīng)過測(cè)試可得汽車蓄電池及超級(jí)電容的電壓范圍在11~14.5 V,為滿足測(cè)量要求,需要對(duì)輸入電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理,電壓信號(hào)的調(diào)理電路,如圖2a所示。輸出信號(hào)依次經(jīng)過電阻分壓、電壓跟隨器及鉗位電路后,接入到AD采集端口。
本設(shè)計(jì)中采用霍耳電流傳感器對(duì)汽車的電流進(jìn)行測(cè)量。通過測(cè)量可得,在汽車正常行駛狀態(tài)下的電流值約為30 A,而啟動(dòng)瞬間能達(dá)到80 A甚至上百安培,綜合考慮,本設(shè)計(jì)選用霍耳電流傳感器CS100EK1。該傳感器的量程為100 A,輸出量為電壓值,并且可以實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)調(diào)節(jié)和幅度調(diào)節(jié),設(shè)計(jì)中電流傳感器的輸出量程調(diào)到0~3 V,使其滿足AD采集模塊的輸入范圍。為了實(shí)際測(cè)試信號(hào)的穩(wěn)定,該電流信號(hào)輸入AD前也增加了電壓跟隨器及鉗位電路模塊,具體電路與電壓信號(hào)的調(diào)理電路類似,只需去掉信號(hào)調(diào)理電路中的分壓電路部分。
圖2b示出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的調(diào)理電路。本設(shè)計(jì)中汽車的轉(zhuǎn)速信號(hào)通過測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油脈沖信號(hào)來獲得。其中,輸入端1接發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)地,輸入端2接發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油脈沖信號(hào)。該電路可實(shí)現(xiàn)當(dāng)輸入端為高電平時(shí),輸出端為0,當(dāng)輸入端為低電平時(shí),輸出端為3.3 V,經(jīng)調(diào)理后的信號(hào)直接輸入到DSP的捕獲單元接線端。
節(jié)氣門開度能夠判別發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、部分負(fù)荷及大負(fù)荷等工況,是判斷汽車運(yùn)行狀況的一個(gè)重要參數(shù)。本設(shè)計(jì)中通過采集節(jié)氣門位置傳感器信號(hào)來判斷節(jié)氣門開度的大小。圖2c示出節(jié)氣門開度信號(hào)的調(diào)理電路。其中節(jié)氣門信號(hào)由輸入端輸入,為了準(zhǔn)確測(cè)量節(jié)氣門開度,本設(shè)計(jì)對(duì)節(jié)氣門的輸出電壓進(jìn)行分壓后再分段放大,同時(shí)用2個(gè)AD端口采集2路電壓值,在軟件中實(shí)現(xiàn)計(jì)算真實(shí)的節(jié)氣門信號(hào)值。
本設(shè)計(jì)采用蓄電池與超級(jí)電容器進(jìn)行并聯(lián),通過PWM信號(hào)控制MOSFET開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容器的充放電控制。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)包括三部分,如圖3所示。
DSP的引腳輸出電平為3.3 V,未能達(dá)到開關(guān)管的開啟電壓,需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行升壓處理,文章選用GS3662升壓芯片,電路采用該芯片的典型應(yīng)用電路進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖3a所示。GS3662芯片的輸入引腳2接電瓶電壓,在輸出端可實(shí)現(xiàn)輸出電壓20 V。為提高輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力,本設(shè)計(jì)增加了推挽電路模塊,PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)在升壓電路及推挽電路的作用下,電壓值由3.3 V升高到20 V。升壓電路及推挽電路的設(shè)計(jì),如圖2b所示。
超級(jí)電容的充放電控制主電路模塊,如圖2c所示。驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM1,PWM2分別控制2個(gè)MOSFET開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷,從而實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容的充電和放電。其中PWM2信號(hào)控制超級(jí)電容的充電,當(dāng)PWM2為高電平時(shí),MOSFET2導(dǎo)通,電瓶給超級(jí)電容器充電,為低電平時(shí)充電停止;當(dāng)PWM1為高電平時(shí),超級(jí)電容給負(fù)載放電,為低電平時(shí)放電停止。
本設(shè)計(jì)中的超級(jí)電容器供電模塊采用6組不同型號(hào)的超級(jí)電容分別對(duì)應(yīng)于不同的運(yùn)行工況,每組對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路相同,但采用的超級(jí)電容器型號(hào)不同,6組超級(jí)電容器的充放電應(yīng)用驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM3~PWM12分別控制。
本設(shè)計(jì)采用DSPF2812作為主控單元。DSPF2812處理器主頻達(dá)150 MHz,時(shí)鐘周期6.67 ns,具有高性能的32位中央處理器[7],同時(shí)具有2個(gè)相同的EVA和EVB事件管理器模塊,每個(gè)模塊具有2個(gè)通用定時(shí)器、3個(gè)全比較單元及3個(gè)捕獲單元,同時(shí)具有16個(gè)通道的AD轉(zhuǎn)換器模塊,能夠完成多達(dá)16路模擬信號(hào)的采集。根據(jù)車輛輔助供電系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì),主要應(yīng)用了DSPF2812的事件管理器模塊、ADC信號(hào)采集模塊及SCI串口發(fā)送模塊。
發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)測(cè)量以T型法測(cè)速為原理,通過采集發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油脈沖信號(hào)并經(jīng)過轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理,得到可測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)傳輸給DSPF2812的輸入捕獲單元,運(yùn)用DSPF2812事件管理器EVA模塊的通用計(jì)數(shù)器T1在發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈沖信號(hào)的1個(gè)周期內(nèi)對(duì)已知頻率的高頻時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),最后通過計(jì)算得到轉(zhuǎn)速值。轉(zhuǎn)速測(cè)量中斷流程圖,如圖4所示。
由于汽車的電壓信號(hào)、電流及節(jié)氣門開度信號(hào)輸出的都為模擬信號(hào),可直接應(yīng)用DSP的ADC轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行采集。為實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車實(shí)時(shí)信號(hào)及驅(qū)動(dòng)信號(hào)的全面監(jiān)測(cè),設(shè)計(jì)中使用了多路AD信號(hào)采集,分別實(shí)現(xiàn)總電壓、總電流、節(jié)氣門開度、超級(jí)電容電壓及驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采集,AD信號(hào)采集流程,如圖5所示。
本設(shè)計(jì)應(yīng)用LabVIEW作為上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能,在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了多路模擬信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[8]。圖6示出某一路超級(jí)電容單體的充放電監(jiān)測(cè)前面板,包括對(duì)總電壓、電流、節(jié)氣門開度、超級(jí)電容單體電壓及充放電驅(qū)動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)。
為滿足車輛輔助供電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),本設(shè)計(jì)采用6組超級(jí)電容器作為超級(jí)電容輔助供電單元,分別為起步單元、急加速單元及其他單元,其中,其他單元中又包含滿足不同轉(zhuǎn)速區(qū)間下的4組超級(jí)電容。6組超級(jí)電容器的充放電控制都根據(jù)主控單元采集的實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行控制。超級(jí)電容單體充放電控制方法由本設(shè)計(jì)初期的控制策略確定,如表1所示。由于不同車型的差異,不同的使用車型上需要對(duì)控制策略進(jìn)行調(diào)整。
表1 超級(jí)電容單體充放電控制方法
在完成車輛輔助供電系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,在試驗(yàn)車上完成了車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的調(diào)試,實(shí)現(xiàn)了對(duì)試驗(yàn)車的實(shí)時(shí)電壓、電流、轉(zhuǎn)速及節(jié)氣門開度的信號(hào)采集。為進(jìn)一步測(cè)試輔助供電系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路及充放電控制,在實(shí)驗(yàn)室通過模擬車輛的幾個(gè)實(shí)時(shí)信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器的輔助供電系統(tǒng)的整體測(cè)試。
測(cè)試過程中,應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室可調(diào)穩(wěn)壓電源模擬蓄電池電壓和節(jié)氣門開度信號(hào),應(yīng)用信號(hào)發(fā)生器來模擬發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈寬信號(hào),同時(shí)為方便調(diào)試和監(jiān)測(cè),采用超級(jí)電容器作為負(fù)載,測(cè)試現(xiàn)場(chǎng),如圖7所示。通過測(cè)量超級(jí)電容單體及負(fù)載電容的電壓來驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的工作過程。試驗(yàn)過程中根據(jù)制定的充放電策略進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試,模擬充放電試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,如圖8所示,圖8中電壓1為超級(jí)電容單體電壓值,電壓2為負(fù)載超級(jí)電容的電壓值,MOSFET1,MOSFET2 分別表示 PWM1,PWM2當(dāng)前的狀態(tài)。當(dāng)滿足充電條件時(shí),MOSFET1管打開,電瓶給超級(jí)電容器充電;當(dāng)滿足放電條件時(shí),MOSFET2管打開,超級(jí)電容器給負(fù)載放電。
1)通過測(cè)試可得,根據(jù)蓄電池電壓、超級(jí)電容單體電壓、轉(zhuǎn)速及節(jié)氣門開度等信號(hào)的變化,能夠按照制定的控制方法和策略分別實(shí)現(xiàn)各組超級(jí)電容單體的充放電控制;
2)超級(jí)電容的充放電時(shí)間很短,經(jīng)測(cè)試,所選用的不同型號(hào)的超級(jí)電容充放電時(shí)間在幾十毫秒到幾百毫秒之間,能夠保證在最短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行電量補(bǔ)償,從而實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器輔助供電系統(tǒng)的功能;
3)超級(jí)電容作為一種新型的儲(chǔ)能元件,如果與現(xiàn)有的車輛匹配得當(dāng),能夠在一定程度上改善汽車的動(dòng)力性、操控性能及燃油經(jīng)濟(jì)性,具有廣闊的應(yīng)用前景。