牛聯(lián)波，張清枝

（新鄉(xiāng)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453003）

永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，相比于傳統(tǒng)的直流電機(jī)，永磁同步電機(jī)沒有換向器和電刷，維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單，且可實(shí)現(xiàn)高速、大轉(zhuǎn)矩輸出［1-2］。相比于傳統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)，永磁同步電機(jī)不需要無功勵(lì)磁電流，因而效率、功率因數(shù)高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測(cè)，控制性能好［3-4］。研究表明永磁同步電機(jī)在中小功率范圍內(nèi)具有更高的轉(zhuǎn)矩密度和效率，同時(shí)還具有無轉(zhuǎn)子電流、矢量控制方法簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)子損耗較小、轉(zhuǎn)子的制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此永磁同步電機(jī)被廣泛應(yīng)用到電動(dòng)汽車上作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

電動(dòng)汽車在加速、負(fù)載突然增大或者爬坡時(shí)，放電電流過大，使得蓄電池壓降增大、蓄電池發(fā)熱嚴(yán)重，這種極端的放電環(huán)境會(huì)加速蓄電池的老化［5-6］。此時(shí)如果利用超級(jí)電容器協(xié)助供電，那么超級(jí)電容器工作在升壓模式下且協(xié)助蓄電池大電流供電，不僅可以滿足汽車的供能需求，還可以保護(hù)蓄電池。

電動(dòng)汽車在制動(dòng)過程中浪費(fèi)了大量能量，這些能量通過制動(dòng)器轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉了。研究表明，大約有1/3的能量消耗在制動(dòng)過程中［7］。電動(dòng)汽車在下坡再生制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容器工作在降壓模式下，制動(dòng)能量可以回饋到超級(jí)電容器，這對(duì)提高電動(dòng)汽車工作效率，降低電動(dòng)汽車能耗，緩解能源和環(huán)境壓力具有重要意義。

1 永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模

1.1 永磁同步電機(jī)建模

永磁同步電機(jī)考慮鐵心損耗時(shí)的d、q軸等效模型可參考文獻(xiàn)［8-9］，穩(wěn)態(tài)情況下永磁同步電機(jī)的電壓平衡方程組為

d、q磁鏈的表達(dá)式為

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

在以上式子中：Ud、Uq為定子 d、q 軸電壓；id、iq為定子d、q軸電流為定子等效的d、q軸轉(zhuǎn)矩電流；為定子d軸磁鏈，為定子q軸磁鏈；為轉(zhuǎn)子電角速度為永磁體產(chǎn)生的磁鏈；Ld、Lq為定子d、q軸自感；Ra為定子每相繞組的電阻；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；Te為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。

1.2 超級(jí)電容器模型

超級(jí)電容器等效電路模型如圖1所示，由圖1可得

式中：ic為超級(jí)電容器端電流（A），io為超級(jí)電容器自放電電流（A），R1為超級(jí)電容器充電電阻（Ω），R2為超級(jí)電容器自放電電阻（Ω），C為電容（F）。

圖1 超級(jí)電容器等效電路模型

1.3 電池模型

電池建模主要用來分析電池的充放電動(dòng)態(tài)特性。鋰電池模型一般由電阻、電容組成的電路模型來描述，常用的等效電路模型如圖2所示。

圖2 鋰電池常用的等效電路模型

由圖2可知，等效電路動(dòng)態(tài)方程組為

式中：Rs為歐姆內(nèi)阻；Rt和Ct組成一個(gè) RC網(wǎng)絡(luò)，uoc為開路電壓，上述變量都與電池剩余電量SOC有關(guān)；uc為 RC網(wǎng)絡(luò)的電壓；ub為端電壓；ib為輸出電流。

2 超級(jí)電容器輔助控制的能量回饋分析

超級(jí)電容器協(xié)助供電和回收能量的原理圖見圖3。

當(dāng)電動(dòng)汽車爬坡或加速時(shí)，蓄電池的瞬時(shí)輸出電壓變低，控制系統(tǒng)工作在升壓模式下，當(dāng)MOS管VT01控制端施加高電平時(shí)，VT01導(dǎo)通，超級(jí)電容器的能量存儲(chǔ)在電感L中；當(dāng)VT01控制端施加低電平時(shí)，VT01斷開，電感L中儲(chǔ)備的能量通過二極管VD02給電容C2充電并協(xié)助蓄電池一起供電。

當(dāng)電動(dòng)汽車工作在再生制動(dòng)發(fā)電時(shí)，蓄電池的瞬時(shí)輸出電壓變高，控制系統(tǒng)工作在降壓模式下，當(dāng)MOS管VT02控制端施加高電平時(shí)，VT02導(dǎo)通，能量從電池組中通過電感L給超級(jí)電容器充電，充電過程中電感L儲(chǔ)存部分能量；當(dāng)MOS管VT02控制端施加低電平時(shí)，VT02斷開，電感L中儲(chǔ)存的能量傳送到超級(jí)電容器，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)能量的回收利用。具體能量流向控制流程如圖4所示。

圖3 超級(jí)電容器協(xié)助供電控制原理圖

圖4 能量流向控制流程圖

3 仿真結(jié)果分析

搭建的超級(jí)電容器協(xié)助供電的雙電源系統(tǒng)Simulink仿真模型如圖5所示，電源系統(tǒng)中超級(jí)電容器的額定電壓為48 V，蓄電池額定電壓為300 V。當(dāng)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作在大功率狀態(tài)（起步、上坡、提速等）時(shí)，超級(jí)電容器協(xié)助蓄電池供電，其端電壓經(jīng)DC/DC升壓斬波后輸出電壓穩(wěn)定在300 V，這時(shí)觸發(fā)VT01的脈沖占空比為84%；當(dāng)再生制動(dòng)發(fā)電時(shí)，電容C1向超級(jí)電容器充電，蓄電池兩端的電壓經(jīng)DC/DC斬波降壓后輸出電壓穩(wěn)定在48 V，這時(shí)觸發(fā)VT02的脈沖占空比為16%。

圖5 超級(jí)電容器協(xié)助供電的雙電源系統(tǒng)仿真模型

當(dāng)VT01的觸發(fā)頻率為5 000 Hz，電感L=0.000 1 H，C=0.000 2 F，C1=0.000 1 F時(shí)，升壓斬波電壓Ucu仿真結(jié)果如圖6所示，降壓斬波電壓Vc仿真結(jié)果如圖7所示，此時(shí)超級(jí)電容器的荷電狀態(tài)如圖8所示。

圖6 升壓斬波仿真結(jié)果

圖7 降壓斬波仿真結(jié)果

圖8 超級(jí)電容器的荷電狀態(tài)

搭建的超級(jí)電容器協(xié)助供電的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型如圖9所示。仿真模型主要包括雙電源供電系統(tǒng)、DC/AC逆變系統(tǒng)和永磁同步電機(jī)模塊、永磁同步電機(jī)控制電路子系統(tǒng)。

圖9 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型

轉(zhuǎn)矩設(shè)置為6 N·m，制動(dòng)減速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)如圖10所示。由圖10可以看出：在啟動(dòng)瞬間電機(jī)需要克服轉(zhuǎn)子慣性和系統(tǒng)摩擦等，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，在0.08 s時(shí)轉(zhuǎn)矩達(dá)到穩(wěn)定，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。由圖11可以看出：在0.25 s時(shí)轉(zhuǎn)速降低，經(jīng)過0.05 s后轉(zhuǎn)速重新達(dá)到穩(wěn)定。

圖10 制動(dòng)減速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

圖11 制動(dòng)減速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

為了更好地驗(yàn)證電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)、調(diào)速性能，電機(jī)轉(zhuǎn)速由設(shè)定的1 800 rpm增至2 500 rpm，其他參數(shù)不變，在上坡加速的情況下，再次進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖12和圖13所示。

設(shè)置轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，將電機(jī)作發(fā)電機(jī)，模擬電動(dòng)汽車下坡運(yùn)行的情形，得超級(jí)電容器的荷電狀態(tài)如圖14所示。

圖12 上坡加速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖13 上坡加速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

圖14 制動(dòng)能量回收中超級(jí)電容器荷電狀態(tài)變化

由圖14可以看出：電機(jī)工作在下坡再生制動(dòng)發(fā)電狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)工作在降壓模式下，制動(dòng)發(fā)的電給超級(jí)電容器充電使其電池荷電狀態(tài)從45%升到95%左右，完成了能量的回收和利用。

4 結(jié)論

本文對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)永磁同步電機(jī)、超級(jí)電容器和電池進(jìn)行建模，針對(duì)續(xù)航能力和蓄電池保養(yǎng)問題，設(shè)計(jì)了雙電源協(xié)同供電系統(tǒng)，在超級(jí)電容器協(xié)助供電模式下，避免了蓄電池大電流充放電。同時(shí)，充分利用超級(jí)電容器的功率密度高與永磁同步電機(jī)機(jī)電能量轉(zhuǎn)化效率高等特性，在制動(dòng)時(shí)將多余的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能給超級(jí)電容器充電，這樣增加了續(xù)航里程。