楊小兵,路高磊,王發(fā)群（鄭州日產(chǎn)汽車有限公司,鄭州 450016）

新能源汽車永磁無刷直流電機(jī)制動(dòng)能量回饋雙閉環(huán)控制技術(shù)

楊小兵,路高磊,王發(fā)群
（鄭州日產(chǎn)汽車有限公司,鄭州 450016）

本文分析了新能源汽車永磁無刷直流電機(jī)制動(dòng)能量回饋的雙閉環(huán)控制方法，論述了永磁無刷電機(jī)能量回饋原理和雙閉環(huán)控制原理，根據(jù)電機(jī)制動(dòng)能量回饋原理提出一種實(shí)現(xiàn)制動(dòng)可靠能量回饋控制方法，通過在電機(jī)控制器測試臺(tái)架上進(jìn)行了測試，達(dá)到了預(yù)期的控制效果。

新能源汽車；永磁無刷直流電機(jī)；能量回饋；雙閉環(huán)控制

1 前言

隨著新能源汽車控制技術(shù)的發(fā)展，對新能源汽車控制技術(shù)的要求越來越高，提高續(xù)航里程是其中的一個(gè)重要問題，而新能源汽車用電機(jī)能量回饋技術(shù)可以將汽車制動(dòng)和減速時(shí)[1]的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能回饋到蓄電池，從而提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，但是，蓄電池容量都有一定的限制，制動(dòng)能量回饋時(shí)將產(chǎn)生很高的泵升電壓和電流，為了避免過高的泵升電壓和電流對系統(tǒng)帶來危害，文中提出了通過控制占空比的辦法來抑制泵升電壓[2]和電流，提出了一種電壓和電流雙閉環(huán)數(shù)字控制方案，實(shí)現(xiàn)對泵升電壓和電流的抑制，該方法通過數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)，無需改動(dòng)或增加硬件[3]，該方法可迅速抑制泵升電壓和電流，實(shí)現(xiàn)可靠的能量回饋控制，且具有良好的制動(dòng)效果。

2 系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理

圖1是永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)由電源、控制電路、PWM驅(qū)動(dòng)電路、功率逆變電路、位置傳感器和永磁無刷電機(jī)組成。

圖1 永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)

工作原理：能量回饋即電動(dòng)機(jī)工作于再生制動(dòng)模式，在制動(dòng)過程中，通過控制電路控制驅(qū)動(dòng)電路和逆變電路使電機(jī)電流方向與正向運(yùn)行時(shí)相反，便會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)產(chǎn)生的電壓高于蓄電池電壓時(shí)，可以將電流回饋至蓄電池，達(dá)到能量回饋的目的，在能量回饋控制時(shí)，將逆變電路上橋臂的功率管關(guān)斷，根據(jù)位置傳感器信號(hào)對下橋臂的功率管的通斷進(jìn)行有規(guī)律的PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）控制，可以起到與Boost（升壓）變換器相同的效果，其基本控制原理是Boost Chopper（升壓斬波）方式，本文中選用半橋調(diào)制方式，在半橋斬波方式里，逆變電路6個(gè)開關(guān)管中，只有處于相同半橋上的3個(gè)元件（如圖2中VT4、VT6、VT2）通有PWM波，另半橋上的3個(gè)元件（如圖2中VT1、VT3、VT5）始終是關(guān)斷的。

3 制動(dòng)能量回饋運(yùn)行原理分析和回饋電壓、電流限制方案

3.1 制動(dòng)能量回饋運(yùn)行原理分析

如圖2所示，在能量回饋狀態(tài)時(shí)，利用控制電路的控制信號(hào)，將功率逆變電路上半橋的功率管VT1、VT3、VT5全部關(guān)閉，而將下半橋的功率管VT2、VT4、VT6分別按照一定的規(guī)律進(jìn)行PWM控制，這樣，因上半橋續(xù)流二極管D1、D3、D5的存在，其等效電路等同于一個(gè)半控整流電路。

因新能源電動(dòng)汽車電池特性，電機(jī)在進(jìn)入能量回饋工作時(shí)，其回饋電壓必須高于蓄電池電壓，才能輸出電功率，所以能量回饋運(yùn)行的控制方法是采用半控整流的PWM升壓工作原理，但是，在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)應(yīng)該考慮到最高轉(zhuǎn)速的回饋輸出電壓不應(yīng)該大于蓄電池的最高充電電壓,在低轉(zhuǎn)速時(shí)的能量回饋運(yùn)行是使下半橋的功率管VT2、VT4、VT6按規(guī)律通過PWM波控制產(chǎn)生泵升電壓，當(dāng)泵升電壓高于蓄電池的端電壓時(shí)就輸出電能，這一過程全部由控制電路控制。

為了便于分析，選擇VT4導(dǎo)通，且對脈寬調(diào)制工作取PWM的一個(gè)脈沖周期T進(jìn)行分析[4]，設(shè)導(dǎo)通時(shí)間為t1，則截止時(shí)間T-t1。圖2、圖3給出了VT4在PWM一個(gè)脈沖周期T內(nèi)導(dǎo)通和截止的能量回饋運(yùn)行工作示意圖 。

圖2 在0到t1時(shí)間段VT4導(dǎo)通

在[0，t1]時(shí)間段內(nèi)VT4導(dǎo)通，其工作回路為A相繞組進(jìn)入VT4，然后進(jìn)入D6，而后進(jìn)入B相繞組，最后回到A相繞組。此時(shí)屬于電機(jī)電感儲(chǔ)存磁場能量的過程。當(dāng)忽略VT4、D6的管壓降時(shí)，由電壓回路方程 ：

且令UA-UB=0，i=-iA=iB得到回路電壓方程為：

存儲(chǔ)于電機(jī)電感2（L-M）的磁場能量為：

圖3 在[t1,T]時(shí)間段VT4截止

在[t1，T]時(shí)間段VT4截止，其工作回路為A相繞組進(jìn)入D1，而后進(jìn)入蓄電池再通過D6進(jìn)入B相繞組，最后回到A相繞組。此時(shí)電機(jī)電感釋放磁場能量的過程。當(dāng)忽略D1、D6的管壓降時(shí)，由式（1）且令UA-UB=Ud，i=-iA=iB得到回路電壓方程為：

回路電流為

蓄電池吸收的能量為 ：

式中，We、WR、WL'分別為[t1，T]時(shí)間段內(nèi)的汽車動(dòng)能經(jīng)電機(jī)電磁功率轉(zhuǎn)換的電能、電機(jī)繞組發(fā)熱消耗的電能、電機(jī)電感2（L-M）釋放的磁場能量 。

設(shè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)電感2（L-M）在[0，t1]時(shí)間段內(nèi)吸收的能量等于在[t1，T]時(shí)間段釋放的能量，即WL=WL'，結(jié)合式（8）、（9）得到 ：

則有當(dāng)不考慮電流i的脈動(dòng)，且忽略相電阻R時(shí)，由式得到：故得到 ：

式中D=t1/T即PWM的占空比,所以控制PWM的占空比D的大小即可使蓄電池兩端的電壓 uAB≥Ud（14）

3.2 回饋電壓、電流限制方案

新能源汽車用永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量回饋過程要受到車輛運(yùn)行狀態(tài)的限制，能量回饋的過程還要受到制動(dòng)安全和蓄電池的充電承受能力充電電流的大小限制，包括蓄電池SOC（State of Charge，荷電狀態(tài)），電機(jī)系統(tǒng)的回饋能力和當(dāng)前轉(zhuǎn)速等?；仞佒苿?dòng)控制方案需要與整車要求緊密結(jié)合，在實(shí)際應(yīng)用中，回饋制動(dòng)應(yīng)滿足一定的約束條件，并采取相應(yīng)的控制方案。如圖4所示，本文采取在控制電路中以閉環(huán)控制的方式自動(dòng)調(diào)整PWM占空比D ，采用雙PI（比例積分）控制閉環(huán)方式，外層是回饋電流控制閉環(huán)，內(nèi)層是回饋電壓控制環(huán)，回饋電流環(huán)輸出作為回饋電壓環(huán)的輸入，選擇合適的PI控制參數(shù)，使回饋電壓不低于蓄電池額定電壓和不超過蓄電池允許的最高充電電壓，并滿足回饋電流不超過蓄電池允許的最大充電電流。程序編寫采用模塊化設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的中斷方式，將制動(dòng)回饋模塊放入定時(shí)中斷，能快速響應(yīng)制動(dòng)能量回饋。

圖4 回饋電壓電流控制

圖5是制動(dòng)能量回饋模塊程序流程圖，控制板根據(jù)當(dāng)前車輛運(yùn)行狀況（如車速、油門踏板、制動(dòng)踏板等）計(jì)算出制動(dòng)能量回饋轉(zhuǎn)矩需求值，將回饋轉(zhuǎn)矩需求值乘以轉(zhuǎn)矩電流系數(shù)得到回饋電流需求值，根據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩和電池充電功率限制等參數(shù)計(jì)算出最大回饋轉(zhuǎn)矩，根據(jù)車輛加減速時(shí)車輛的平穩(wěn)性需求計(jì)算出回饋轉(zhuǎn)矩變化率限制值，通過PI參數(shù)設(shè)置對上述參數(shù)進(jìn)行限制，實(shí)現(xiàn)可靠的制動(dòng)能量回饋。

圖5 制動(dòng)能量回饋模塊程序流程圖

4 電機(jī)臺(tái)架測試驗(yàn)證

本文所述控制方案采用11KW永磁無刷直流電機(jī)在電機(jī)測功機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，電源使用直流穩(wěn)壓電源，回饋能量通過放入水中的電加熱器進(jìn)行了釋放。

表1 低轉(zhuǎn)速時(shí)回饋電壓、回饋電流和占空比數(shù)據(jù)記錄

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該控制方法能將回饋電流限制在所設(shè)定的5.5A左右，能將回饋電壓限制在所設(shè)定的195～210的范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

本文所采用能量回饋控制方案，不需要改動(dòng)和增加硬件，直接利用現(xiàn)有的硬件電路實(shí)現(xiàn)了可靠的能量回饋，且對能量回饋過程進(jìn)行了有效控制，達(dá)到了較好的能量回饋和制動(dòng)效果。

[1]張俊智，薛俊亮等. 混合動(dòng)力城市客車串聯(lián)式制動(dòng)能量回饋技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2009（06）.

[2]宋小慶.電動(dòng)裝甲車無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的再生制動(dòng)[J].微電機(jī),2001,34（01）:27-30.

[3]俞志文等.電動(dòng)汽車用無刷直流電機(jī)回饋制動(dòng)研究[D].會(huì)議論文,2009.

[4]黃斐梨,王耀明,姜新建,劉士祥,李發(fā)海.電動(dòng)汽車永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低速能量回饋制動(dòng)的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),l995（03）:28-3l.

楊小兵（1978-），男，本科，主要從事：新能源混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車的研究開發(fā)工作。