唐磊　袁玲　謝丹

摘 要：制動(dòng)能量回收利用是提高純電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航里程的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于以無(wú)刷直流電機(jī)（Brushless DC Motor，BLDCM）為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電動(dòng)車(chē)，采用半橋調(diào)制方式進(jìn)行制動(dòng)能量回收具有較高效率，還無(wú)須額外增加硬件成本。鑒于此，對(duì)采用半橋調(diào)制方式回收電動(dòng)車(chē)BLDCM制動(dòng)能量的技術(shù)原理進(jìn)行了說(shuō)明，闡述了較實(shí)用的恒回饋電流控制策略的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，最后，在Simulink平臺(tái)驗(yàn)證了該控制技術(shù)的正確性與可行性。

關(guān)鍵詞：能量回收；電動(dòng)車(chē)；半橋調(diào)制；無(wú)刷直流電機(jī)；恒回饋電流

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72；TM33? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）09-0073-04

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.021

0? ? 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(chē)越來(lái)越受到人們的青睞，并有逐漸取代傳統(tǒng)燃油車(chē)的趨勢(shì)[1]。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(chē)制動(dòng)效果、增加電動(dòng)車(chē)?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(zhuān)門(mén)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(chē)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(chē)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(chē)行駛工況、汽車(chē)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(chē)的制動(dòng)能量，文獻(xiàn)[2]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)[3]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)[4]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(chē)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(chē)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(chē)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(chēng)，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[5]，該系統(tǒng)由無(wú)刷直流電機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制器、車(chē)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[5]：

式中：uA、uB、uC為電機(jī)定子繞組端電壓；uNO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120°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。

2? ? BLDCM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(chē)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(chē)載蓄電池的作用下電動(dòng)運(yùn)行，電動(dòng)車(chē)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(chē)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=-E，eC=+E，-E＜eA＜+E，進(jìn)行調(diào)制的將是功率管Q6，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Q6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(chēng)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=-iB=i，eC=-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[6]，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—t3階段），即Q6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Q6組成升壓斬波電路，此時(shí)，繞組電感在電動(dòng)車(chē)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，Q6截止時(shí)，電感儲(chǔ)存的能量將對(duì)車(chē)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[6]為：

式（7）等號(hào)右邊第一項(xiàng)為電動(dòng)車(chē)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—t2期間吸收的能量和t2—t3期間釋放的能量應(yīng)相等，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(chē)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(chē)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96 V，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3 000 r/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15 A與20 A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。

由圖7可知，電機(jī)起始轉(zhuǎn)速為3 000 r/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，0.2 s開(kāi)始電機(jī)按線(xiàn)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(chē)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(chē)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(chē)本身阻力就可使電動(dòng)車(chē)完全停車(chē)。

4? ? 結(jié)論

采用半橋調(diào)制方式可以有效對(duì)純電動(dòng)車(chē)BLDCM的制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用，從而增加電動(dòng)車(chē)的續(xù)航里程，在一定程度上提高其與傳統(tǒng)汽車(chē)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(chē)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。Simulink仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所述電動(dòng)車(chē)輔助電源系統(tǒng)的正確性和有效性。但是，純電動(dòng)車(chē)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(chē)駕駛員行駛習(xí)慣等均應(yīng)成為電動(dòng)車(chē)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(chē)能量回饋控制技術(shù)仍需進(jìn)一步完善。

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收稿日期：2023-01-13

作者簡(jiǎn)介：唐磊（1988—），男，湖南岳陽(yáng)人，碩士，講師，主要從事城市軌道交通機(jī)電技術(shù)方面的教學(xué)與科研工作。

基金項(xiàng)目：2021年湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（21C1305）