纯电动教练车的能效分析与控制策略研究

摘要

近五年来，电动汽车因其清洁环保的优点在政府和技术的支持上得到了大力的推动和发展，而传统的燃油教练车辆却因长期在低速、怠速、频繁的启停、制动等模式运行，燃油效率低、油耗大，污染严重，与21世纪保护环境、利用清洁能源的主题相违背。因此，本项目组考虑到电动汽车由蓄电池组提供能量，无污染，低速运行更容易实现的优点，结合教练车的运行工况特点，将燃油动力系统的教练车改装成蓄电池和电动机驱动的教练车用于科目二的驾驶训练。 本项目组已经改装完成一辆普桑2000车型的电动教练车，但是在使用该改装车辆训练了8个月后，蓄电池组的充电时间和放电时间明显缩短，组内单体电压表现出了不一致，电池组的充放电效率下降，其一次充满电放出的电量不再满足每天训练的能量需求。 针对已改装教练车蓄电池组的能量利用效率下降的问题，本论文旨在分析电动教练车的能量源系统，提出一种控制策略来增加纯电动教练车的能量利用效率。 电动机和蓄电池组作为纯电动教练车动力源系统的两大重要组成部件，电池的性能和容量大小影响纯电动教练车的续驶里程，而电池的能量利用情况又由电动教练车用电机的效率、功率、转速、扭矩等所牵制。因此，确定电机和电池类型、功率、和容量等参数成了首先要解决的问题。蓄电池组作为纯电动教练车的“终极能量源”，当电机和电池确定后，如何提高蓄电池组充电和放电能量就成了提高纯电动教练车能量利用效率的关键。 因此本论文着重研究了串联蓄电池组内单体电压不一致对电池组的影响，以及目前的均衡控制策略，提出一种充放电均衡方法，并将其应用到新改装的比亚迪F3型教练车上。 本论文主要内容总结如下： （1）比亚迪F3车型的动力系统参数计算。通过从车型、阻力以及教练车的运行工况出发，分析纯电动教练车的动力系统需求并计算相应参数，购置了5kW的直流无刷电机和6节12V/105Ah的铅酸动力蓄电池串联起来作为纯电动教练车的动力源，并装车。 （2）蓄电池的充放电机理研究。针对改装的第一辆教练车使用了一段时间后，串联蓄电池能量衰减快速的问题，对铅酸蓄电池充放电机理和失效原因等进行研究，总结出在蓄电池串联成组使用时，均衡控制的必要性，从而对目前的均衡控制策略做了研究，提出一种基于双向Buck-Boost的充放电均衡控制方法。 （3）均衡方法的仿真验证。对所提出的均衡控制方案的均衡原理做了说明，计算均衡电路所用器件的参数，并在MATLAB仿真软件上搭建了仿真模型，仿真结果达到了预期的效果。 （4）充放电均衡控制系统软硬件设计。以DSP的TMS320F28335作为核心控制芯片，设计串联蓄电池均衡主电路、单体和电池组的电压、均衡电流采集调理、开关管和继电器驱动、按键、液晶显示和辅助电源等电路。在硬件的基础上对软件进行模块化程序设计，制定了程序流程图并说明，在CCS6.0上编程。 （5）充放电均衡控制系统的实验分析。将所设计的串联蓄电池组均衡控制系统应用到所改装的比亚迪F3教练车上，进行实车试验。分别做了蓄电池组在恒流充电和放电（教练车）运行时，不加该均衡系统和增加均衡系统的试验数据记录，将数据导入MATLAB并绘成图形，对图形进行了分析与说明。 实验结果表明，所设计的充放电均衡方案提高了蓄电池组单次充电和放电的时间（50分钟）和电量（12Ah），增加了动力蓄电池组的能量利用率，使纯电动教练车能够满足在科目二场地每天8小时的要求。

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摘 要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 课题的国内外研究现状

1.2.1 电动教练车发展现状

1.2.2 串联蓄电池组均衡控制策略现状

1.3 本文的主要研究内容及章节安排

2 纯电动教练车动力源系统说明

2.1 纯电动教练车系统介绍

2.2 纯电动教练车动力源系统参数计算

2.2.1 驱动电机类型的选择

2.2.2 电动机参数的计算

2.2.2 动力蓄电池电压和容量的确定

2.3 电动教练车的改装

2.4 本章小结

3 提高纯电动教练车能量源系统利用效率的策略

3.1 影响蓄电池能量利用效率的因素分析

3.1.1 铅酸蓄电池的充放电机理

3.1.2 铅酸蓄电池失效机理

3.1.3 纯电动教练车动力蓄电池充电和放电端电压数据分析

3.2 串联蓄电池组均衡控制策略研究

3.2.1 均衡管理的必要性

3.2.2 均衡控制方法

3.3 串联蓄电池充放电均衡方案设计

3.3.1 均衡主电路

3.3.2 均衡电路原理分析

3.3.3 均衡功率控制电路

3.3.4 超级电容充放电电流控制电路

3.3.5 串联蓄电池均衡电路参数计算

3.4 串联动力蓄电池能量均衡控制仿真分析

3.5 本章小结

4 串联蓄电池均衡管理系统软硬设计

4.1 系统主电路设计

4.1.1 主控芯片介绍

4.1.2 均衡主电路

4.2 采集电路的设计

4.2.1 电池单体电压采集电路

4.2.2 蓄电池组端电压采集电路

4.2.3 超级电容电压采集电路

4.2.4 均衡电流采集电路

4.3 驱动电路

4.3.1 MOSFET驱动电路

4.3.2 继电器驱动电路

4.4 辅助电路

4.4.1 按键电路

4.4.2 液晶显示电路

4.4.3 通讯电路

4.5 辅助电源电路

4.6 串联蓄电池均衡管理系统软件设计

4.6.1 软件开发环境简介

4.6.2 系统主程序

4.6.3 中断服务子程序

4.7 本章小结

5 系统实验与数据分析

5.1 充电实验

5.1.1 未启动均衡系统时，铅酸蓄电池组恒流充电实验

5.1.2 启动均衡系统时，铅酸蓄电池组恒流充电实验

5.2 放电实验

5.2.1 未启动均衡系统时，铅酸蓄电池组放电实验

5.2.2 启动均衡系统时，铅酸蓄电池组放电实验

5.3 动力铅酸蓄电池使用注意事项

5.4 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 未来工作展望