引言

隨著世界各國(guó)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染等問(wèn)題的重視,電動(dòng)汽車越來(lái)越受到人們的青睞,并有逐漸取代傳統(tǒng)燃油車的趨勢(shì)。由于目前電池技術(shù)發(fā)展遇到諸多瓶頸,制動(dòng)能量的回收與利用成為當(dāng)前改善電動(dòng)車制動(dòng)效果、增加電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程的有效手段。傳統(tǒng)的電機(jī)制動(dòng)方式包括在電機(jī)定子回路中串入電阻以消耗能量的能耗制動(dòng)與改變電源極性的反接制動(dòng),雖然二者均有較好的制動(dòng)效果,但無(wú)法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收,還需要專門的硬件裝置。相比之下,再生制動(dòng)控制方式無(wú)須額外增加硬件設(shè)備,只需修改制動(dòng)時(shí)的軟件程序,就能將制動(dòng)能量回饋到車載電池。但在保證正常制動(dòng)的前提下實(shí)現(xiàn)能量的回收與利用,提高電動(dòng)車在正常行駛過(guò)程中的續(xù)航里程,需要從電機(jī)本身特性、蓄電池荷電狀態(tài)、汽車行駛工況、汽車驅(qū)動(dòng)形式以及駕駛員駕駛習(xí)慣等諸多方面來(lái)考慮。

為回收無(wú)刷直流電機(jī)制動(dòng)時(shí)電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量,文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)以三維模糊控制器為核心的恒轉(zhuǎn)矩模糊控制策略對(duì)能量進(jìn)行回收,文獻(xiàn)提出了基于模型預(yù)測(cè)電流控制的恒值電流回饋制動(dòng)控制策略,但均未考慮到蓄電池最大充電電流與電機(jī)工作特性等因素的影響:文獻(xiàn)采用模糊控制策略調(diào)節(jié)功率器件的占空比,為無(wú)刷直流電機(jī)的回饋電流控制提供了參考。

為研究電動(dòng)車制動(dòng)時(shí)制動(dòng)能量回收等問(wèn)題,本文對(duì)采用半橋制動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)制動(dòng)能量回饋進(jìn)行了詳細(xì)分析與研究,考慮到蓄電池最大回饋電流的問(wèn)題,提出實(shí)用的恒定回饋電流控制策略實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的能量回收,使電機(jī)轉(zhuǎn)速在較寬范圍內(nèi),即使在緊急制動(dòng)時(shí)回饋電流也不會(huì)超出蓄電池最大充電電流值,以確保蓄電池充電安全。

1電動(dòng)車無(wú)刷直流電機(jī)工作模型

假定電機(jī)鐵芯未飽和,繞組完全對(duì)稱,帶有能量回饋控制的無(wú)刷直流電機(jī)與電源系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如圖1所示,該系統(tǒng)由無(wú)刷直流電機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制器、車載蓄電池、雙向DC-DC裝置以及超級(jí)電容等部分組成。

根據(jù)圖1所示的數(shù)學(xué)模型,可得到BLDCM的端電壓與電流方程:

式中:uA、uB、uC為電機(jī)定子繞組端電壓:u+N為中性點(diǎn)電位:R為電機(jī)定子電阻:iA、iB、iC為電機(jī)定子電流:LM為電機(jī)定子繞組綜合電感:eA、eB、eC為電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)。

BLDCM處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí),位置傳感器輸出信號(hào)、反電動(dòng)勢(shì)、定子電流波形與導(dǎo)通功率管之間的關(guān)系如圖2所示,可以看到,BLDCM電動(dòng)運(yùn)行時(shí),相電流波形為方波,反電動(dòng)勢(shì)波形為頂寬1209的梯形波,并且相電流和反電動(dòng)勢(shì)在相位上還有同步關(guān)系。

2BLDCM能量回饋控制策略

2.1半橋調(diào)制

BLDCM的回饋制動(dòng)可分為全橋調(diào)制和半橋調(diào)制兩種,其控制各有優(yōu)缺點(diǎn),雖然半橋調(diào)制對(duì)蓄電池的回饋能力較小,但制動(dòng)時(shí)只對(duì)上橋臂或下橋臂的開(kāi)關(guān)管進(jìn)行控制,且調(diào)制過(guò)程中蓄電池對(duì)外不會(huì)有能量輸出,因而能量回收效率較高。

根據(jù)電動(dòng)車的特性,能量回收只能在制動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn),同時(shí)還需考慮制動(dòng)效果,縮短制動(dòng)時(shí)間。根據(jù)BLDCM的電磁制動(dòng)關(guān)系,改變電機(jī)電樞繞組的電流流經(jīng)方向即可對(duì)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng),根據(jù)圖2所示的霍爾信號(hào)與相電流關(guān)系,可以得到制動(dòng)時(shí)需要控制的功率開(kāi)關(guān)管如表1所示。

由于BLDCM是在車載蓄電池的作用下電動(dòng)運(yùn)行,電動(dòng)車在正常情況下的行駛速度所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)無(wú)法高于蓄電池電壓,若要將制動(dòng)能量回收至車載蓄電池進(jìn)行后續(xù)利用,必須通過(guò)升壓斬波電路進(jìn)行。

下面以霍爾輸出信號(hào)為001的電路為例,說(shuō)明對(duì)下橋臂進(jìn)行調(diào)制而對(duì)上橋臂關(guān)斷的半橋調(diào)制方式的工作原理。由圖2及表1可知,在霍爾輸出信號(hào)為001時(shí),反電動(dòng)勢(shì)eB=一E,eC=＋E,一E<eA<＋E,進(jìn)行調(diào)制的將是功率管o6,其PwM在一個(gè)周期內(nèi)的波形如圖3所示。

2.2能量?jī)?chǔ)存過(guò)程

霍爾輸出信號(hào)為001,當(dāng)PwM輸出信號(hào)為高電平(t1—t2階段),即功率管o6導(dǎo)通時(shí),電機(jī)繞組電流在反電動(dòng)勢(shì)作用下上升,在電機(jī)繞組電感中儲(chǔ)存能量,該過(guò)程稱為電動(dòng)機(jī)繞組能量?jī)?chǔ)存過(guò)程,也就是續(xù)流狀態(tài),根據(jù)eA的正負(fù),又可分兩種情況進(jìn)行,電流回路如圖4所示。

(1)當(dāng)0<eA<＋E時(shí),二極管D1與D2承受反向電壓而截止,A相繞組不參與導(dǎo)電,系統(tǒng)形成的電流通路如圖4(a)所示,此時(shí)iA=0,iC=一iB=i,eC=一eB=E,可得系統(tǒng)方程為:

(2)當(dāng)-E<eA<0時(shí),二極管D2承受正向電壓導(dǎo)通,此時(shí)的A相繞組也參與到續(xù)流回路中,如圖4(b)所示,由于iA＋iB＋iC=0,eC=-eB,可以得到:

代入式(1)可以得到此時(shí)的電壓方程為:

若不計(jì)電阻耗損,根據(jù)升壓斬波電路有關(guān)理論,在續(xù)流階段,電動(dòng)機(jī)電感中儲(chǔ)存的能量為:

2.3能量回饋過(guò)程

霍爾輸出信號(hào)為001,當(dāng)PwM輸出信號(hào)為低電平(t2一t3階段),即o6截止時(shí),圖4所示的續(xù)流回路被切斷,B、C相繞組電感與所在相二極管以及o6組成升壓斬波電路,此時(shí),繞組電感在電動(dòng)車慣性作用下會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),升壓斬波電路會(huì)對(duì)該反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行泵升,最終使得電流流過(guò)相繞組的反電動(dòng)勢(shì)與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和大于蓄電池的端電壓,o6截止時(shí),電感儲(chǔ)存的能量將對(duì)車載蓄電池進(jìn)行充電,從而完成電動(dòng)機(jī)能量的回收,此時(shí)的系統(tǒng)處于制動(dòng)充電狀態(tài),其電路圖如圖5所示。

由于iA=0,iC=-iB=i,eC=-eB,易得蓄電池充電電壓uCB:

式中:uL為電機(jī)B、C兩相繞組兩端總電壓。

由式(6)可知,當(dāng)繞組電流減小到一定程度后會(huì)有uCB≤Ud,此時(shí)二極管D5在反向電壓的作用下截止,充電自動(dòng)終止。

制動(dòng)充電過(guò)程,不計(jì)電阻耗損,回饋至蓄電池的能量為:

式(7)等號(hào)右邊第一項(xiàng)為電動(dòng)車動(dòng)能經(jīng)電磁作用轉(zhuǎn)變成的電能:第二項(xiàng)為電感在此過(guò)程中釋放的磁場(chǎng)能,其大小為:

系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí),整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中繞組電感在t1一t2期間吸收的能量和t2一t3期間釋放的能量應(yīng)相等,即:

因此,有:

即:

式中:k為PwM占空比。

制動(dòng)時(shí),要使uCB≥Ud,必須有:

2.4能量回收控制策略

考慮到電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí),對(duì)能量的回收利用一般是在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí),同時(shí)為避免過(guò)高的回饋電流可能對(duì)蓄電池造成損壞,采用恒定充電電流這一電動(dòng)車制動(dòng)能量回收的實(shí)用控制策略,該策略以回饋電流為控制對(duì)象,兼顧能量回收與過(guò)充保護(hù)的功能,其控制電路框圖如圖6所示。具體實(shí)現(xiàn)方法是將采集到的蓄電池充電電流與不超過(guò)蓄電池最大充電電流的參考值作比較,經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)器輸出作為功率器件的PwM占空比,同時(shí)根據(jù)BLDCM的位置信息,按表1控制對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器件,從而限制能量回饋時(shí)蓄電池的充電電流,在一定程度上保護(hù)蓄電池不受損壞。

3仿真分析

在simulink平臺(tái)搭建系統(tǒng)仿真模型,設(shè)置好參數(shù)后對(duì)BLDCM制動(dòng)時(shí)能量進(jìn)行回收控制,蓄電池電壓為96V,仿真所用電機(jī)參數(shù)如表2所示。

通過(guò)仿真調(diào)試,在設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí)開(kāi)始進(jìn)行能量回收控制,圖7給出了蓄電池參考回饋電流分別為15A與20A時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、蓄電池回饋電流以及電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果。

圖7 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、回饋電流與電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果

由圖7可知,電機(jī)起始轉(zhuǎn)速為3000r/min,高速運(yùn)行,同時(shí)開(kāi)始制動(dòng),啟動(dòng)能量回收控制,制動(dòng)瞬間,有較大沖擊電流出現(xiàn),但立即降至給定值左右,同時(shí)也產(chǎn)生了較大轉(zhuǎn)矩,方向與運(yùn)行方向相反,為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,0.2s開(kāi)始電機(jī)按線性規(guī)律逐漸降低轉(zhuǎn)速運(yùn)行,在轉(zhuǎn)速持續(xù)降低過(guò)程中,由于電流控制器的調(diào)節(jié)作用,能量回收時(shí)的回饋電流基本保持不變,制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也基本恒定,幾乎實(shí)現(xiàn)了恒轉(zhuǎn)矩制動(dòng):同時(shí),由仿真結(jié)果可知,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低至一定程度時(shí),由于電流調(diào)節(jié)器的飽和,回饋電流基本不可控,電動(dòng)車能量回收幾乎難以實(shí)現(xiàn),因此,在實(shí)際應(yīng)用時(shí),只需對(duì)電動(dòng)車加以簡(jiǎn)單控制,使其在低速時(shí)停止能量回饋制動(dòng),由機(jī)械制動(dòng)或電動(dòng)車本身阻力就可使電動(dòng)車完全停車。

4結(jié)論

采用半橋調(diào)制方式可以有效對(duì)純電動(dòng)車BLDCM的制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用,從而增加電動(dòng)車的續(xù)航里程,在一定程度上提高其與傳統(tǒng)汽車的競(jìng)爭(zhēng)力。在能量回饋時(shí)對(duì)蓄電池充電電流進(jìn)行控制,可以避免在電動(dòng)汽車下坡或緊急制動(dòng)時(shí)充電電流過(guò)大對(duì)蓄電池造成的損壞。Simu1ink仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所述電動(dòng)車輔助電源系統(tǒng)的正確性和有效性。但是,純電動(dòng)車制動(dòng)時(shí)應(yīng)以安全為主,制動(dòng)距離、低速制動(dòng)、蓄電池荷電狀態(tài)以及汽車駕駛員行駛習(xí)慣等均應(yīng)成為電動(dòng)車制動(dòng)時(shí)能量回收的考慮因素,因此,本文提出的電動(dòng)車能量回饋控制技術(shù)仍需進(jìn)一步完善。