陳 燎，洪 健，盤朝奉，2

（1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué) 汽車工程研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

當(dāng)前，蓄電池壽命短、充電時(shí)間長、續(xù)駛里程短等問題一直是制約電動汽車發(fā)展的重要因素［1］。再生制動技術(shù)的應(yīng)用，對提高電動汽車能量利用率、增加電動汽車的續(xù)駛里程有著重要意義［2］。蓄電池與超級電容組成的復(fù)合電源可以有效地解決再生制動中頻繁充放電且充放電流大引起的電流沖擊問題，在提高能量利用率的同時(shí)保護(hù)蓄電池，延長其壽命［3-5］。

再生制動系統(tǒng)最先應(yīng)用于混合動力汽車，隨后引入電動汽車的研究中［6-7］。國內(nèi)外學(xué)者大多使用基于并聯(lián)復(fù)合電源的再生制動裝置來減小回收電流對蓄電池的沖擊，即利用DC／DC轉(zhuǎn)換器將超級電容與蓄電池并聯(lián)連接，如國外的Gregory Wight，以及國內(nèi)的劉恩杰等，都從結(jié)構(gòu)與策略方面對并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究［8-11］。

并聯(lián)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來簡單，但由于DC／DC的存在，系統(tǒng)回收效率偏低。超級電容與蓄電池串聯(lián)的復(fù)合電源再生制動系統(tǒng)相比于使用DC／DC裝置的并聯(lián)系統(tǒng)而言結(jié)構(gòu)簡單，體積小，消除了DC／DC所帶來的系統(tǒng)能量消耗，能量利用率有所提升，但國內(nèi)外對該結(jié)構(gòu)的研究相對較少，系統(tǒng)性能尚有欠缺，且在車速較低時(shí)也仍然存在著電機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢較低而無法回收能量的問題［12］。本文中基于串聯(lián)復(fù)合電源結(jié)構(gòu)，在保持前者基本優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出可以對端電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的超級電容裝置，可以進(jìn)一步提高能量利用率。

本文中設(shè)計(jì)了一種多級串聯(lián)復(fù)合電源結(jié)構(gòu)及其再生制動系統(tǒng)，提出了采用能量約束的電流控制策略，并通過仿真對控制策略進(jìn)行了實(shí)證分析。

1 可調(diào)串聯(lián)復(fù)合電源結(jié)構(gòu)與功能

可調(diào)串聯(lián)復(fù)合電源由無刷直流電機(jī)、三相半控橋式整流電路、多級超級電容模塊及制動控制電路構(gòu)成。圖1為二級可調(diào)串聯(lián)復(fù)合電源主電路，包括蓄電池B、電機(jī)M、電機(jī)控制器K、超級電容CH、超級電容CL、整流橋（二極管D1～D3和晶閘管T1～T3）、晶閘管T4、串聯(lián)切換開關(guān)J、二極管D4和D5。電動汽車制動時(shí)電機(jī)具有一定的轉(zhuǎn)速，其反電動勢通過整流電路在超級電容兩端形成電壓Ug，當(dāng)Ug大于超級電容端電壓UC時(shí)，反電動勢可對電容充電，同時(shí)在電機(jī)上產(chǎn)生阻力矩使汽車制動，驅(qū)動模式下超級電容再與蓄電池串聯(lián)輸出，實(shí)現(xiàn)制動能量的回收利用。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號傳輸如圖2所示，控制器的輸入包括2個(gè)部分，其中電機(jī)霍爾信號、驅(qū)動電流、再生制動電流、電池電壓和超級電容端電壓等通過傳感器從主電路獲取，而制動信號和驅(qū)動信號則由駕駛員加速、制動踏板或?qū)嶒?yàn)中的上位機(jī)提供?？刂破鬏敵鲆宦访}寬調(diào)制（Pulse width modulation，PWM）信號控制晶閘管，通過控制不同的占空比實(shí)現(xiàn)恒定的充電電流，驅(qū)動狀態(tài)時(shí)PWM信號經(jīng)過濾波生成驅(qū)動電壓信號輸入電機(jī)控制器?；厥漳Ｊ降那袚Q與雙電容均壓的功能則是通過控制器控制雙電容模塊中晶閘管的開啟來實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)可分為以下幾種電路功能模式：

再生制動時(shí)，晶閘管T4截止，系統(tǒng)處于串聯(lián)回收模式，整流橋輸出的制動電流對串聯(lián)的電容CH、CL充電；晶閘管T4導(dǎo)通后，系統(tǒng)切換為單電容回收模式，制動電流僅對電容CL充電?；谢蛲＼嚂r(shí)，晶閘管T4導(dǎo)通，如果電容CH端電壓高于CL的，則進(jìn)入均壓模式，兩電容間形成均壓電流，CH將能量傳輸?shù)紺L。反之，則兩電容電氣上相互隔離，不形成電流。圖3和圖4分別表示雙電容回收電流流向與單電容回收電流流向。

驅(qū)動輸出時(shí)，系統(tǒng)可以有3種不同的驅(qū)動模式，由開關(guān)J的位置以及晶閘管T4切換。開關(guān)J擲左側(cè)觸點(diǎn)與電容CL負(fù)極連接，晶閘管T4截止，此時(shí)為單電容串聯(lián)驅(qū)動模式，僅電容CL與電池B串聯(lián)供電，二極管D4、D5起防反充作用。開關(guān)J不變，導(dǎo)通晶閘管T4，則除了電容CL參與工作以外，電容CH也會與電池B串聯(lián)參與供電，兩電容為并聯(lián)關(guān)系，此模式為并聯(lián)電容串聯(lián)驅(qū)動模式。當(dāng)開關(guān)J擲向右側(cè)觸點(diǎn)后，雙電容裝置整體與電池脫離連接關(guān)系，系統(tǒng)切換為電池單獨(dú)驅(qū)動模式。圖5、圖6分別表示雙電容串聯(lián)驅(qū)動電流流向與單電容串聯(lián)驅(qū)動電流流向示意圖。

以同樣的原理增加電容模塊，可以形成多級串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以通過控制晶閘管的通斷來決定各電容模塊是否接入系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)回收效率的最優(yōu)以及電容組電壓的調(diào)節(jié)。圖7為4級可調(diào)串聯(lián)復(fù)合電源主電路結(jié)構(gòu)示意圖，本文中主要研究重點(diǎn)為二級可調(diào)結(jié)構(gòu)。

2 能量約束制動電流控制策略

適當(dāng)?shù)目刂撇呗钥梢猿浞职l(fā)揮出系統(tǒng)的電路功能，多級串聯(lián)復(fù)合電源系統(tǒng)的回收控制主要包括回收模式的切換和制動減速度的控制2個(gè)部分?；厥漳Ｊ降那袚Q可以通過計(jì)算并比較電機(jī)制動發(fā)電功率Pg與串聯(lián)電容電路功率容量Pe的大小來判斷，當(dāng)Pg＞Pe時(shí)，導(dǎo)通可控硅實(shí)現(xiàn)切換。制動初速度較高時(shí)首先用串聯(lián)電容回收模式，此模式下再生制動電流剛好結(jié)束斬波控制（可控整流橋全開）的時(shí)刻，即切換到單電容回收模式的理想轉(zhuǎn)換時(shí)刻，能量回收效率最高。

制動減速度由制動力決定，再生制動產(chǎn)生的減速度由電機(jī)制動模式下的繞組電流（制動電流）決定，再生制動系統(tǒng)可以通過改變PWM的占空比來控制制動電流，從而控制電制動力的大小。電動車再生制動是從機(jī)械能到熱能與電能的能量轉(zhuǎn)換過程，一個(gè)控制周期內(nèi)的能量約束有：

式中：ΔEv為動能減少，由車速變化計(jì)算；Wf為滾阻耗能，由車速計(jì)算；Em為電磁損耗，由電機(jī)特性確定；Ws為電容儲能，由電容端電壓變化計(jì)算；ER為電阻能耗，由電流強(qiáng)度計(jì)算。

借助于RC電路功率特性明確的條件，根據(jù)能量守恒的約束關(guān)系可以推導(dǎo)出串聯(lián)復(fù)合電源系統(tǒng)再生制動電流的控制參數(shù)。式（1）左邊為一個(gè)控制周期電機(jī)發(fā)電輸出能量Eg，右邊為一個(gè)控制周期內(nèi)的電路儲能Ee。確定一個(gè)周期內(nèi)電流持續(xù)時(shí)間t，使式（1）成立，即可得到占空比D。圖8為能量約束的再生制動電流控制過程框圖。

3 數(shù)學(xué)模型建立

當(dāng)晶閘管PWM信號為高電平時(shí)，整流電路任意時(shí)刻只有2個(gè)晶體管導(dǎo)通，串聯(lián)回收模式和單電容回收模式的等效電路分別如圖9、圖10所示。單電容回收模式等效總電阻為Rsd＝Rm+RT1+RT4+RCL+RD2，兩級電容串聯(lián)回收模式等效總電阻（Ω）為

其中：Rm為電機(jī)線電阻，RT1、RT4分別為晶閘管T1和T4導(dǎo)通電阻，RCH、RCL分別為超級電容CH和CL的內(nèi)阻，RD4、RD2分別為二極管D4和D2的導(dǎo)通電阻；系統(tǒng)等效電感（H）Ls＝La+Lb，La、Lb為電機(jī)的線電感；Ug為電機(jī)反電勢發(fā)電電壓。

事實(shí)上，電壓與車速（km／h）基本成正比關(guān)系，比例系數(shù)約為Km，因此根據(jù)速度可得發(fā)電電壓Ug。

因此，單電容制動過程對電容充電的瞬時(shí)電流ic為

式中：CCL和RCL分別為超級電容CL電容容量和內(nèi)阻，t為一個(gè)周期內(nèi)晶閘管導(dǎo)通時(shí)間。實(shí)際上由于超級電容的時(shí)間常數(shù)RC較大，PWM對電流的斬波頻率較大，充電電流的下降較少，相應(yīng)的超級電容組的充電平均電流Ic近似為

式中，D為PWM占空比。同理，串聯(lián)電容有：

發(fā)電功率Pg＝ηFev，其中η為電機(jī)發(fā)電效率，F(xiàn)e為電制動力，F(xiàn)e＝m（a-af），m為整車質(zhì)量，a和af分別為行駛減速度和滾阻減速度。

串聯(lián)電容功率容量Pe＝Ic（UCH+UCL），電阻耗能ER＝（Ug-UCH-UCL）IcT；單電容功率容量P′e＝IUCL，電阻耗能E′R＝（Ug-UCL）IcT。其中UCH和UCL分別為超級電容CH和CL端電壓，T為1個(gè)PWM載波周期時(shí)間。

由本文中的控制策略流程，比較計(jì)算得出功率容量，將各參數(shù)代入式（1）可算得1個(gè)PWM占空比D，即可實(shí)現(xiàn)制動電流的控制。

4 仿真及實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及滑行實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證復(fù)合電源方案的使用效果，進(jìn)行按NEDC市區(qū)循環(huán)工況運(yùn)行的純電動汽車臺架能耗實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)仿真。單電池電源系統(tǒng)的臺架能耗實(shí)驗(yàn)作為參照，復(fù)合電源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由仿真代替。

圖11為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)試驗(yàn)臺架，模擬前軸驅(qū)動電動汽車，電機(jī)動力通過主減速器和半軸傳遞給兩前輪，為了節(jié)省空間將后輪作為從動輪安裝在前輪外側(cè)。前后輪底下分別有對滾輪，并通過增速機(jī)構(gòu)與慣性輪相連，對滾輪和慣性輪模擬整車重量。通過杠桿加載裝置給系統(tǒng)加裝不同的砝碼可以模擬不同路面附著系數(shù)。臺架主要參數(shù)如表1所示，選用的超級電容額定為電壓16 V、容量500 F。

表1 試驗(yàn)臺架主要參數(shù)

根據(jù)電路最大電流和電壓選取的整流橋模塊型號為MTDX150 A，控制器所用MCU為AT-mega16。采用MCP2515總線控制器與單片機(jī)相連實(shí)現(xiàn)CAN通信，電壓則通過霍爾電壓傳感器測量，控制電路板實(shí)物如圖12所示。

將臺架加速到一定速度后使其滑行直到靜止，根據(jù)臺架滑行速度時(shí)間關(guān)系，得到由多項(xiàng)式擬合的滾動阻力產(chǎn)生的減速度（a）與車速（v）的關(guān)系曲線，如圖13所示，擬合公式為：

1.試驗(yàn)品種。試驗(yàn)種豬為洋二元長白或約長種母豬（LY或YL），其中初產(chǎn)母豬2 256窩，經(jīng)產(chǎn)母豬2 616窩；公豬為杜洛克或長白、約克外種豬。

a＝-0.000 53v2+0.018 18v+0.069 6

測試實(shí)車滑行時(shí)，電機(jī)輸出經(jīng)整流后的直流開路端電壓變化曲線如圖14所示，可以確定電壓與車速（km／h）比例系數(shù)約等于1。

4.2 能耗仿真分析

從所述再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理出發(fā)，根據(jù)圖8的流程策略，在Matlab／Simlink平臺下搭建仿真模型，測試系統(tǒng)能耗以及控制效果［13］。搭建的采用多級串聯(lián)復(fù)合電源的純電動汽車仿真模型如圖15所示。模型主要由電機(jī)傳動裝置、能量回收裝置、駕駛模擬裝置、制動器、電機(jī)驅(qū)動信號、開關(guān)裝置以及數(shù)據(jù)輸出端口七部分組成，是離散計(jì)算系統(tǒng)。算法為ode4（Runge-Kutta），采用Ts＝5×10-6s的定步長仿真。模型有2個(gè)數(shù)據(jù)采樣頻率，計(jì)算系統(tǒng)采樣周期就是Ts；由于Ts太小，數(shù)據(jù)輸出采樣周期則定為0.001 s。模型動力電池模塊參數(shù)、超級電容模塊的容量、ESR和初始端電壓等依照實(shí)驗(yàn)臺架參數(shù)設(shè)定。根據(jù)滑行實(shí)驗(yàn)得到的電壓車速正比關(guān)系，設(shè)置‘驅(qū)動電機(jī)’模塊Flux linkage establish by magnets（V.s）參數(shù)為0.035，可使模型電機(jī)整流開路端電壓與圖14基本一致。

單電容串聯(lián)復(fù)合電源的仿真模型與多級系統(tǒng)相似，本文中同時(shí)使用單電容模型參與循環(huán)能耗仿真形成對比。

在單電池電源純電動車（1 000 kg、額定電壓72 V、容量120 Ah）試驗(yàn)臺架上，進(jìn)行無再生制動的NEDC市區(qū)循環(huán)能耗實(shí)驗(yàn)，由測試的電池端電壓和電流計(jì)算每次循環(huán)電池輸出能量，同理對單電容串聯(lián)復(fù)合電源系統(tǒng)和多級系統(tǒng)進(jìn)行有再生制動的NEDC市區(qū)循環(huán)能耗仿真。仿真結(jié)果如表2所示。

表2 純電動汽車循環(huán)能耗仿真結(jié)果

定義每循環(huán)驅(qū)動過程中，平均再利用的制動回收能量與循環(huán)平均能耗之比為再生制動系統(tǒng)的能量貢獻(xiàn)率，多級系統(tǒng)平均每個(gè)循環(huán)可以回收53.33 kJ，再生制動能量回收率為49.2%，續(xù)駛里程貢獻(xiàn)率為12.2%，相較于單電容系統(tǒng)具有較大提升。

4.3 控制策略效果驗(yàn)證

圖16～18是某段NEDC城市工況循環(huán)仿真結(jié)果，依次分別為車速電流變化、電容CH電壓電流變化和電容CL電壓電流變化，其中電壓擴(kuò)大10倍表示?？梢钥吹剑很囁購?加速到最高車速50 km／h再分兩端減速到0。驅(qū)動時(shí)，電池輸出電流等于CH和CL電流之和（CH、CL并聯(lián)）。以50～35 km／h制動過程中，車速較高，僅有雙電容回收模式，電容CH和CL被串聯(lián)充電，它們的電流相等。而從35 km／h減速到0的制動過程中，開始有很短時(shí)間的CH和CL串聯(lián)充電，當(dāng)充電電壓和電容組的電壓相等時(shí)雙電容模式無法繼續(xù)回收，此時(shí)系統(tǒng)及時(shí)切換為單電容回收模式，電容組端電壓降低，電容CL繼續(xù)單獨(dú)回收能量。

計(jì)算電機(jī)發(fā)電功率、電路容量以及回收功率，得到回收過程功率變化圖，如圖20所示。

從圖20可知，隨著制動的進(jìn)行，電路容量降低，在3 s后與發(fā)電功率相等，即發(fā)電電壓與電容模塊電壓相等，此時(shí)系統(tǒng)及時(shí)切換為單電容回收模式，電容組的總電壓上升，當(dāng)發(fā)電功率曲線與電容容量曲線再次相交時(shí)點(diǎn)制動力不再足夠提供制動力，此時(shí)機(jī)械制動介入。當(dāng)電容級數(shù)增加時(shí)，只需增加模式切換節(jié)點(diǎn)，即發(fā)電功率與回收功率會有更多交點(diǎn)。

圖21為制動電流與占空比變化曲線。從圖21可以看到，通過不同占空比的PWM對瞬時(shí)電流的斬波，可以使制動電流恒定于目標(biāo)狀態(tài)，證明了控制策略的有效性。

5 結(jié)論

1）基于串聯(lián)復(fù)合電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了再生制動系統(tǒng)，并提出了一種能量約束的制動電流控制策略。通過引入2個(gè)超級電容結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)制動能量的分段回收，提高能量回收效率；所設(shè)計(jì)的控制策略從能量守恒與電路特性的角度入手，通過控制制動電流實(shí)現(xiàn)電制動力矩的恒定。對所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：控制策略能有效地實(shí)現(xiàn)控制效能。

2）分別對純電池、單電容串聯(lián)復(fù)合電源結(jié)構(gòu)和多級串聯(lián)復(fù)合電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行了NEDC城市工況的能耗仿真與實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：多級可調(diào)系統(tǒng)可以較大程度地回收能量，提高電動汽車的續(xù)駛里程。

3）多級可調(diào)串聯(lián)復(fù)合電源系統(tǒng)保留了串聯(lián)結(jié)構(gòu)體積小的優(yōu)點(diǎn)，可以用于空間較小的電動乘用車，分段回收模式的設(shè)計(jì)有效提高了回收效率，更具有實(shí)際意義。多級可調(diào)系統(tǒng)提供了更為廣闊的研究空間，級數(shù)、電容容量、電容初始電壓等因素對回收效率的影響等值得進(jìn)一步深入研究。