盧智鋒 ，李 軍 ，周世瓊 ，康龍?jiān)?

（1.深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院，廣東 深圳 518029；2.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，廣東 中山 528404；3.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與環(huán)境學(xué)院，廣東 深圳 518029；4.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641）

0 引言

能源是社會(huì)長期穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，對能源的需求量也日益增大，使得能源枯竭日益嚴(yán)重。能源危機(jī)是當(dāng)今各國所共同面臨也是必須解決的難題之一。如何有效地解決能源枯竭的問題，各國已經(jīng)展開了廣泛而深入的探討，普遍認(rèn)為應(yīng)提高能源的利用率和開發(fā)新的能源。當(dāng)然，提高能源的利用率并不能阻止能源的枯竭，但可起到延緩作用，從技術(shù)上緩解能源緊張的問題。提高能源的利用率也即節(jié)能技術(shù)，可以降低能源的使用成本，與廣大能源消耗者的切身利益密切相關(guān)。提高能源利用率的方法很多，能量回收是其中之一。能量回收是通過回收系統(tǒng)中剩余的（多余的）或制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量，以達(dá)到節(jié)約能源的目的。

隨著電能大規(guī)模的應(yīng)用，全球大多數(shù)電能都是通過電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。目前，永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)大量使用，而且這種情況將會(huì)持續(xù)下去［1］。電動(dòng)機(jī)在制動(dòng)過程中，特別是在頻繁制動(dòng)的場合，如日常使用的電梯、電動(dòng)車等的電機(jī)系統(tǒng)，往往會(huì)浪費(fèi)大量的能源。通過回收制動(dòng)能量產(chǎn)生電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)減速，是非常有必要的［2-5］。對制動(dòng)能量進(jìn)行回收，一方面可以節(jié)約能源，另一方面也可以作為電機(jī)的輔助制動(dòng)，更好地保護(hù)制動(dòng)器，并使制動(dòng)更加平穩(wěn)簡單。

現(xiàn)在已有大量研究通過DC/DC逆變器實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收的文獻(xiàn)［6-10］。本文通過AC/DC逆變器實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量［11-13］回收，采用基于矢量控制的鉛酸蓄電池-永磁同步電機(jī)系統(tǒng)，通過制定相應(yīng)的回收控制策略，利用逆變器對電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的交流電流進(jìn)行整流，對蓄電池進(jìn)行充電。本文首先介紹了制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的構(gòu)成及系統(tǒng)的控制技術(shù)——電機(jī)系統(tǒng)采用矢量控制技術(shù)，逆變器采用正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM）技術(shù)；然后對能量回收系統(tǒng)的影響因素進(jìn)行分析，制定控制策略；最后給出相應(yīng)試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

1 能量回收系統(tǒng)構(gòu)成

永磁同步電機(jī)常采用磁場定向控制策略［14-15］。圖1（a）和圖1（b）分別為系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)2種狀態(tài)下的能量流向圖。直流電流以蓄電池對外做功為正，蓄電池吸收能量為負(fù)，即圖1（a）中直流電流為正，圖1（b）中直流電流為負(fù)。此外，從圖1中可以看出，系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)2個(gè)過程中，都使用了逆變器和位置傳感器。逆變器的作用為：驅(qū)動(dòng)時(shí)通過逆變器驅(qū)動(dòng)模塊控制功率器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，將直流電流逆變?yōu)榻涣麟娏鳎―C/AC），向電動(dòng)機(jī)提供能量；制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流電流，通過逆變器整流（AC/DC）后，向蓄電池輸入直流電流，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收。位置傳感器的作用是檢測永磁電機(jī)磁極位置的實(shí)時(shí)信號(hào)。

圖1 電機(jī)控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of motor control system

1.1 永磁電機(jī)的矢量控制

永磁電機(jī)的矢量控制原理和交流電機(jī)的類似。交流電機(jī)矢量控制的思想是將三相定子坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為兩相定子坐標(biāo)，然后再轉(zhuǎn)換為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁場的情況下，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中電流為直流，即實(shí)現(xiàn)了交流電機(jī)的解耦［16］。坐標(biāo)變換和逆變換分別如式（1）、（2）所示：

由于永磁電機(jī)是采用永磁體作為勵(lì)磁磁場的，空間矢量關(guān)系如圖2所示，因此不需要向電機(jī)提供勵(lì)磁電流，即d軸電流為0，通常稱之為id=0的控制，但其矢量控制需要時(shí)刻檢測磁極所在的位置。通過位置傳感器檢測磁極的位置信號(hào)，然后進(jìn)行空間坐標(biāo)變換，可得到直、交軸（d、q軸）的電流，變換和逆變換公式分別如式（3）、（4）所示：

其中，θr=ωt+θ，θ為t=0時(shí)刻d軸和A軸的夾角。

圖2 dq軸的空間矢量Fig.2 Space vector of dq axis

從式（3）和（4）中可以看出q軸的電流是電機(jī)控制的關(guān)鍵，只要通過控制iq的大小即可制定三相電流的幅值，而通過位置傳感器可以獲得三相電流的相角關(guān)系，因此整個(gè)控制系統(tǒng)可以簡化為只要實(shí)施對iq的控制即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩的控制。

1.2 SPWM技術(shù)

本電機(jī)系統(tǒng)的逆變器采用三相全橋電路，如圖3所示，通過SPWM技術(shù)控制逆變器，使其按設(shè)定值進(jìn)行輸出/輸入。SPWM采用標(biāo)準(zhǔn)正弦作為PWM的調(diào)制波，是目前應(yīng)用最為廣泛的逆變控制技術(shù)［17］。

圖3 三相全橋逆變電路Fig.3 Circuit of three-phase full-bridge inverter

通過霍爾位置傳感器檢測獲得磁極的實(shí)時(shí)位置，并設(shè)定預(yù)期的三相電流作為調(diào)制波，以標(biāo)準(zhǔn)的三角波作為載波，制定功率器件的通斷狀態(tài)，使逆變器按預(yù)期的目標(biāo)工作。SPWM的工作原理如圖4所示。調(diào)制波處于載波上方時(shí)，同一橋上的上半橋功率器件導(dǎo)通而處于下半橋的功率器件關(guān)斷；調(diào)制波處于載波下方時(shí)，同一橋上的上半橋功率器件關(guān)斷而下半橋功率器件導(dǎo)通。因此，在同一載波中輸入三相正弦的調(diào)制波，可以控制三相全橋逆變器功率器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而可輸出類似調(diào)制波的三相電流波形。三相電流可由式（4）計(jì)算得到。

圖4 SPWM工作原理Fig.4 Schematic diagram of SPWM

2 能量的回收

由圖1（a）可見，電機(jī)系統(tǒng)的能量是通過蓄電池到逆變器再到永磁電機(jī)。電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，如何按圖1（b）所示控制逆變器進(jìn)行整流，使能量從永磁電機(jī)通過逆變器（充電器）回收到蓄電池是本文重點(diǎn)。

2.1 能量回收的控制

在驅(qū)動(dòng)過程中，矢量控制是通過設(shè)定iq的參考值控制功率器件，從而輸出實(shí)際的三相電流，而制動(dòng)時(shí)能量的流向是驅(qū)動(dòng)過程的反方向。因此，制動(dòng)時(shí)可采取類似于驅(qū)動(dòng)的控制策略：設(shè)定參考值-iq，根據(jù)矢量控制原理得到三相電流的參考值，以其作為SPWM的調(diào)制波控制功率器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，最后向蓄電池輸出實(shí)際的直流電流，實(shí)現(xiàn)對蓄電池的充電。制動(dòng)過程中的三相電流參考值可以通過式（5）獲得。

2.2 影響-iq的因素

a.制動(dòng)減速度。引入制動(dòng)能量回收系統(tǒng)后，制動(dòng)的實(shí)施（系統(tǒng)自身的阻力除外）由機(jī)械制動(dòng)和電磁制動(dòng)組成。設(shè)定的過大，則電磁制動(dòng)增大而機(jī)械制動(dòng)作用不變，制動(dòng)的減速度也相應(yīng)增大，易出現(xiàn)急剎車的情況，降低電機(jī)系統(tǒng)的舒適性。

b.蓄電池充電特性。充電時(shí)，應(yīng)盡量避免因充電電流過大或充電時(shí)間過長而損壞電池。在實(shí)際的制動(dòng)過程中由于充電時(shí)間通常較短，因此主要考慮充電電流的大小對電池的影響。

c.逆變器在充電過程中的功耗。電機(jī)的制動(dòng)能量通過逆變器對電池充電，如果設(shè)定的偏小，產(chǎn)生的制動(dòng)能量不足以抵消逆變器的功耗，不但起不到充電的作用，還增加了逆變器的工作負(fù)荷，影響逆變器的壽命。

2.3 |-iq|的設(shè)定

-iq計(jì)算公式見式（6）：

圖6 iq與制動(dòng)時(shí)間t的關(guān)系Fig.6 Relationship between iqand t

2.4 影響回收量的其他因素

制動(dòng)能量的回收量是能量回收系統(tǒng)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的實(shí)際價(jià)值以及存在的意義。除了制動(dòng)次數(shù)和系統(tǒng)自身設(shè)定外，還有其他影響因素。

a.制動(dòng)緊急程度。不同的制動(dòng)程度回收的制動(dòng)量不同。制動(dòng)緊急程度一般分為輕微制動(dòng)、中度制動(dòng)、緊急制動(dòng)3種。3種情況的機(jī)械制動(dòng)的作用程度不同，使得制動(dòng)時(shí)間不同?；厥樟縿t電磁制動(dòng)力度不變的條件下，制動(dòng)時(shí)間越長，回收得到的能量越多。

b.蓄電池的放電深度，主要表現(xiàn)為電池側(cè)的電壓變化。在相同的速度v下實(shí)施制動(dòng)（機(jī)械制動(dòng)作用相同時(shí)），電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的等效反電動(dòng)勢U0相等。忽略電樞的自感L，逆變器的輸出側(cè)電壓Uout=U0-Unidcrm，蓄電池側(cè)電壓 Uin=Udc+idcri。因?yàn)?Uout=Uin，所以 idc=（U0-Un-Udc）/（rm+ri）。其中，Un為逆變器壓降；rm為等效的電樞繞組電阻；ri為蓄電池內(nèi)阻；idc為回收的直流電流值。因此，當(dāng)Udc較大時(shí)，回收的直流電流值idc較小，從而在相同的制動(dòng)時(shí)間內(nèi)回收量也較少。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

以搭載了該鉛酸蓄電池和永磁同步電機(jī)的二輪電動(dòng)車作路面的行駛試驗(yàn)。永磁電機(jī)額定電壓為48 V，額定功率為 2.2 kW，最高轉(zhuǎn)速達(dá) 1000 r/min；采用的動(dòng)力電池為鉛酸蓄電池，額定電壓為48 V，總?cè)萘繛?8 A·h；數(shù)據(jù)的采樣頻率為10 Hz。

圖7為部分能量回收試驗(yàn)的結(jié)果。圖7（a）是制動(dòng)時(shí)電動(dòng)車行駛速度與直流電流、電壓的對應(yīng)關(guān)系。圖7（b）是在相同的機(jī)械制動(dòng)作用下，采用不同回收電流（14.4 A和19.2 A）與制動(dòng)時(shí)間對應(yīng)關(guān)系，采用19.2 A（即idc1）回收電流時(shí)，速度下降更快，制動(dòng)時(shí)間更短。圖7（c）是相同的機(jī)械制動(dòng)作用下，不同放電深度時(shí)完成一次制動(dòng)能量回收時(shí)的能量回收量的對比。分別計(jì)算2次制動(dòng)的回收量，放電深度大即蓄電池電壓較低（Udc1）時(shí)，回收量為 39.96 mA·h；放電深度小即蓄電池電壓較高（Udc2）時(shí)，回收量為32.45 mA·h。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results

在相同路段、相同制動(dòng)次數(shù)及電池滿充一次放電的情況下，進(jìn)行制動(dòng)能量不回收和回收行駛試驗(yàn)。不回收時(shí)，放電量為31.53 A·h，放電深度為65.7%，持續(xù)里程為42.36 km；回收時(shí)，回收系統(tǒng)設(shè)定以19.2 A作為最大可回收的直流電流。整個(gè)過程放電量為33.29 A·h，制動(dòng)能量回收為 -2.59 A·h，占放電量的7.8%，持續(xù)里程為45.20km，持續(xù)里程增加了2.84km。

4 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果可以得出：

a.采用-iq控制逆變器整流實(shí)行制動(dòng)能量回收的控制策略，方法簡單有效，具有很好的實(shí)用價(jià)值；

b.根據(jù)制停距離和電池充電特性，設(shè)計(jì)出合適的回收電流，回收制動(dòng)的能量；

c.根據(jù)電池放電深度對制動(dòng)能量回收量的影響，可設(shè)定不同的制動(dòng)策略，在不同的放電深度下調(diào)節(jié)電磁制動(dòng)在制動(dòng)過程中所占的比例。