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?yán)m(xù)航里程的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于以無刷直流電機(jī)（Brushless DC Motor，BLDCM）為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電動(dòng)車，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BLDCM制動(dòng)能量的技術(shù)原理進(jìn)行了說明，闡述了較實(shí)用的恒回饋電流控制策略的實(shí)現(xiàn)過程，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；半橋調(diào)制；無刷直流電機(jī)；恒回饋電流

中圖分類號(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)境污染等問題的重視，電動(dòng)汽車越來越受到人們的青睞，并有逐漸取代傳統(tǒng)燃油車的趨勢(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)車制動(dòng)效果、增加電動(dòng)車?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，但無法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收，還需要專門的硬件裝置。相比之下，再生制動(dòng)控制方式無須額外增加硬件設(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)車在正常行駛過程中的續(xù)航里程，需要從電機(jī)本身特性、蓄電池荷電狀態(tài)、汽車行駛工況、汽車驅(qū)動(dòng)形式以及駕駛員駕駛習(xí)慣等諸多方面來考慮。

為回收無刷直流電機(jī)制動(dòng)時(shí)電動(dòng)汽車的制動(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)車制動(dòng)時(shí)制動(dòng)能量回收等問題，本文對(duì)采用半橋制動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(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)車無刷直流電機(jī)工作模型

假定電機(jī)鐵芯未飽和，繞組完全對(duì)稱，帶有能量回饋控制的無刷直流電機(jī)與電源系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如圖1所示[5]，該系統(tǒng)由無刷直流電機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制器、車載蓄電池、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關(guān)管進(jìn)行控制，且調(diào)制過程中蓄電池對(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)需要控制的功率開關(guān)管如表1所示。

由于BLDCM是在車載蓄電池的作用下電動(dòng)運(yùn)行，電動(dòng)車在正常情況下的行駛速度所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)無法高于蓄電池電壓，若要將制動(dòng)能量回收至車載蓄電池進(jìn)行后續(xù)利用，必須通過升壓斬波電路進(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，該過程稱為電動(dòng)機(jī)繞組能量?jī)?chǔ)存過程，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。

通過仿真調(diào)試，在設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)開始進(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開始電機(jī)按線性規(guī)律逐漸降低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，在轉(zhuǎn)速持續(xù)降低過程中，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)車本身阻力就可使電動(dòng)車完全停車。

4? ? 結(jié)論

采用半橋調(diào)制方式可以有效對(duì)純電動(dòng)車BLDCM的制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用，從而增加電動(dòng)車的續(xù)航里程，在一定程度上提高其與傳統(tǒng)汽車的競(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)汽車下坡或緊急制動(dòng)時(shí)充電電流過大對(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)車輔助電源系統(tǒng)的正確性和有效性。但是，純電動(dòng)車制動(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)以及汽車駕駛員行駛習(xí)慣等均應(yīng)成為電動(dòng)車制動(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）