輪邊電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)再生制動(dòng)控制技術(shù)研究

卞永明,蘭 皓,蔣 佳,李生博,吳 昊,金曉林

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海 201804)

輪邊電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)系統(tǒng)包含機(jī)械摩擦制動(dòng)和再生制動(dòng)功能,這使得制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜,主要有兩個(gè)基本問(wèn)題:一是制動(dòng)能量分配控制技術(shù),即如何在再生制動(dòng)和機(jī)械摩擦制動(dòng)之間分配所需的總制動(dòng)力,以回收盡可能多的機(jī)車的動(dòng)能,并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的制動(dòng)狀態(tài).二是再生制動(dòng)能量回收控制技術(shù),即如何控制永磁同步電機(jī)(PMSM)和超級(jí)電容以實(shí)現(xiàn)機(jī)車動(dòng)能的回收.目前對(duì)應(yīng)用于純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中的制動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作,并已有產(chǎn)品問(wèn)世.如1997年、2003年二代豐田Prius,2002年、2005年二代本田Civic,2004年福特Escape等,并且隨著產(chǎn)品的更新?lián)Q代,回收制動(dòng)在總體制動(dòng)中的比重加大,能量回收效果改善.其控制策略主要有:最佳前/后制動(dòng)力分配比控制策略、最佳能量回收控制策略和并行分配控制策略.然而基于輪式工程機(jī)械的輪邊電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)能量回收研究幾乎沒有,因此有必要對(duì)該系統(tǒng)的制動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行研究,找出1種既安全舒適又節(jié)能的制動(dòng)方式[1].

1 制動(dòng)能量分配控制技術(shù)

基于能量回收最大化的目的,在輪邊電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)該盡可能地采用再生制動(dòng).但是再生制動(dòng)要受到路面附著條件、電動(dòng)輪垂直載荷、PMSM制動(dòng)力、駕駛員感受和超級(jí)電容狀態(tài)(SOC)等因素的制約.

由于制動(dòng)力受限于地面附著力,且在等于附著力時(shí)達(dá)到最大,因此要實(shí)現(xiàn)最快制動(dòng),應(yīng)使各電動(dòng)輪同時(shí)達(dá)到最大制動(dòng)力,此時(shí)電動(dòng)輪剛好處于抱死狀態(tài).而各電動(dòng)輪所能提供的最大再生制動(dòng)力與其垂直載荷、PMSM的制動(dòng)力等有關(guān).應(yīng)該注意,由PMSM產(chǎn)生的最大再生制動(dòng)力與其轉(zhuǎn)速密切相關(guān).在低轉(zhuǎn)速(低于其基速)狀態(tài)下,其最大轉(zhuǎn)矩為常量.但是,在高轉(zhuǎn)速(高于其基速)狀態(tài)下,其最大轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速呈雙曲線形下降.因此,在給定機(jī)車負(fù)加速度條件下,機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)矩將隨車速而變化[2,3].

圖1 超級(jí)電容充放電控制策略的圖解Fig.1 Graphic of recharge control strategy of super capacitor

電動(dòng)輪再生制動(dòng)的本質(zhì)是將動(dòng)能以電能的形式存儲(chǔ)起來(lái).因此,當(dāng)超級(jí)電容處于充滿狀態(tài)時(shí),能量流動(dòng)就無(wú)法持續(xù)有效進(jìn)行.在這種情況下,需要停止再生制動(dòng)而用摩擦制動(dòng)以保證制動(dòng)的有效性.另一種情況是,當(dāng)超級(jí)電容已經(jīng)接近充滿狀態(tài)時(shí),使用再生制動(dòng)將很快使其充滿并進(jìn)行制動(dòng)方式的切換.在切換過(guò)程中可能造成制動(dòng)力的突變,對(duì)車體和乘客造成沖擊.因此也要根據(jù)平均的制動(dòng)情況制定1個(gè)再生制動(dòng)的SOC上限,在接近充滿時(shí)不使用再生制動(dòng).

超級(jí)電容充放電的控制策略如圖1所示,圖中A,B,C和D表示由駕駛員給出的所需功率的指令,不是處于牽引模式,就是處于制動(dòng)模式.具體來(lái)說(shuō):A,B為牽引模式,P1為指令功率,P2為超級(jí)電容輸出功率,P3為電網(wǎng)提供的功率.C為混合制動(dòng)模式,P4為再生制動(dòng)功率,P5為機(jī)械制動(dòng)功率.點(diǎn)D為再生制動(dòng)模式.超級(jí)電容充放電的控制流程見圖2.

根據(jù)以上分析,本文設(shè)計(jì)的制動(dòng)控制策略的原理如圖3所示.當(dāng)給出的制動(dòng)力指令小于電動(dòng)機(jī)所能產(chǎn)生的最大制動(dòng)力,且超級(jí)電容未達(dá)到SOC上限Cmax時(shí),將只應(yīng)用再生制動(dòng),否則將只應(yīng)用機(jī)械摩擦制動(dòng);當(dāng)給出的制動(dòng)力指令大于可應(yīng)用的再生制動(dòng)力,且超級(jí)電容未達(dá)到SOC上限Cmax時(shí),電動(dòng)機(jī)將運(yùn)行以產(chǎn)生其最大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩.同時(shí),剩余的制動(dòng)力將由機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)給予滿足,否則將只應(yīng)用機(jī)械摩擦制動(dòng).

圖2 超級(jí)電容充放電流程圖Fig.2 Flowchart of super capacitor recharge

圖3 制動(dòng)控制策略流程圖Fig.3 Flowchart of braking control strategy

2 再生制動(dòng)控制技術(shù)

再生制動(dòng)能量回收儲(chǔ)能裝置如圖4所示,由兩部分組成:一是超級(jí)電容,以電壓建立磁場(chǎng)來(lái)存儲(chǔ)電能;二是雙向DC/DC變換器,其作用是將工程機(jī)械的制動(dòng)能量傳遞給超級(jí)電容,或?qū)⒊?jí)電容的能量反饋給工程機(jī)械[4].

圖4 超級(jí)電容儲(chǔ)能器系統(tǒng)框圖Fig.4 System diagram of super capacitance accumulator

超級(jí)電容的充放電控制主要是由雙向DC/DC變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的.雙向DC/DC變換器可實(shí)現(xiàn)雙象限運(yùn)行,即變換器兩端電壓方向不變,但電流方向可以改變,在功能上相當(dāng)于降壓變換器(即Boost變換器)和升壓變換器(即Buck變換器)的組合.雙向DC/DC變換器可分為隔離式和非隔離式2種,在超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)中,通常采用非隔離式DC/DC變換器,如圖5所示.其中,U0為直流母線電壓,C,C1和C2為電容,IGBT1和IGBT2為絕緣柵雙極型晶體管,UC為電容電壓,IL為電感電流,R為電阻.通過(guò)不同工作狀態(tài)的切換,可避免直流母線電壓大范圍波動(dòng),改善供電質(zhì)量,循環(huán)利用制動(dòng)能量,節(jié)約能量.

圖5 雙向DC/DC變換器Fig.5 Bidirectional DC/DC converter

直流母線電壓隨機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的改變而變化,若機(jī)車運(yùn)行模式為起動(dòng)—惰行—制動(dòng),則直流母線電壓降低—恒定—上升.為了維持其恒定,選用U0為控制變量.圖6,7分別為超級(jí)電容通過(guò)DC/DC變換器放電和充電時(shí)的控制框圖.其中,PI(Proportion Integral Adjust Module)為比例積分調(diào)節(jié)模塊,SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)為正弦脈寬調(diào)制模塊.雙向DC/DC變換器是二階電路,有2個(gè)狀態(tài)變量——電容電壓和電感電流.根據(jù)最優(yōu)控制理論,實(shí)現(xiàn)全狀態(tài)反饋的系統(tǒng)是最優(yōu)控制系統(tǒng).因此,2種反饋信號(hào)的雙閉環(huán)控制是符合最優(yōu)控制規(guī)律的.

圖6 超級(jí)電容放電時(shí)的控制原理圖Fig.6 Control principle chart of super capacitance while discharging

圖7 超級(jí)電容充電時(shí)的控制原理圖Fig.7 Control principle chart of super capacitance while charging

3 超級(jí)電容系統(tǒng)建模與再生制動(dòng)仿真

超級(jí)電容系統(tǒng)如圖8所示,包括超級(jí)電容本體(SUPER CAP),電感(L),單橋(Universal Bridge)、充電模塊(Charge)和放電模塊(Discharge)等.

圖8 超級(jí)電容系統(tǒng)建模Fig.8 System modeling of super capacitance

根據(jù)當(dāng)前超級(jí)電容2端的電壓值和電動(dòng)機(jī)的工作模式?jīng)Q定對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電、放電或關(guān)閉的操作.電動(dòng)機(jī)的工作模式由扭矩大小決定:若為正數(shù)則電動(dòng)機(jī)為電動(dòng)狀態(tài);若為負(fù)數(shù)則電動(dòng)機(jī)為發(fā)電狀態(tài);若為零則電動(dòng)機(jī)停止.當(dāng)電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí),若超級(jí)電容兩端的電壓高于200V,則超級(jí)電容對(duì)外放電,提供電機(jī)部分電流;當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí),若超級(jí)電容兩端電壓低于300V,則對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電,回收再生制動(dòng)能量;其他情況下超級(jí)電容DC/DC電路關(guān)閉,由電源系統(tǒng)提供電機(jī)所需的功率,機(jī)械制動(dòng)[5].

再生制動(dòng)仿真分電機(jī)制動(dòng)、電機(jī)和機(jī)械復(fù)合制動(dòng)2種工況.

3.1 電機(jī)制動(dòng)

仿真條件如下:干路面平地行駛,超級(jí)電容的初始電壓為210 V.從0 s時(shí)刻給予電機(jī)90 N·m的轉(zhuǎn)矩指令使之啟動(dòng),2 s時(shí)刻給予電機(jī)90 N·m的制動(dòng)指令開始制動(dòng).圖9,10分別為PMSM和超級(jí)電容的運(yùn)行結(jié)果.

圖9 電機(jī)制動(dòng)PMSM運(yùn)行結(jié)果Fig.9 PMSM operation results by electric braking

圖10 電機(jī)制動(dòng)超級(jí)電容運(yùn)行結(jié)果Fig.10 Super capacitance operation results

3.2 復(fù)合制動(dòng)

仿真條件與電機(jī)制動(dòng)一致,只在2 s時(shí)增加113 N·m機(jī)械制動(dòng)力矩.圖11,12分別為PMSM和超級(jí)電容的運(yùn)行結(jié)果.

圖11 復(fù)合制動(dòng)PMSM運(yùn)行結(jié)果Fig.11 PMSM operation results by composite braking

圖12 復(fù)合制動(dòng)超級(jí)電容運(yùn)行結(jié)果Fig.12 Results of super capacitance

由圖9可見,電機(jī)在1.3 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),2 s時(shí)電機(jī)開始制動(dòng),2.7 s時(shí)電機(jī)完全停止.2 s前電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài),功率為正;2 s后電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),功率為負(fù).由圖10可知,超級(jí)電容初始電壓為210 V,0.8 s之前對(duì)外放電40 A直至電壓降為200 V,此時(shí)電流為0;2 s后超級(jí)電容處于充電狀態(tài),電流大小為40 A,最終電壓穩(wěn)定在209 V左右,將再生制動(dòng)能量回收,能量回收率接近100%.

分別對(duì)比圖9,11和圖10,12可知,復(fù)合制動(dòng)后制動(dòng)時(shí)間明顯減少,超級(jí)電容電壓為202 V左右,將全部再生制動(dòng)能量回收時(shí),其余制動(dòng)能量由機(jī)械制動(dòng)消耗.

4 結(jié)論

本文在介紹制動(dòng)能量分配控制技術(shù)和再生制動(dòng)能量回收控制技術(shù)的基礎(chǔ)上,針對(duì)輪邊電力驅(qū)動(dòng)工程機(jī)械,提出采用雙向DC/DC變換器結(jié)合電壓電流雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容的儲(chǔ)能,從而控制再生制動(dòng)能量的回收.最后,通過(guò)MATLAB建模仿真,驗(yàn)證了在滿足安全制動(dòng)的前提下,能夠?qū)崿F(xiàn)最大化的能量回收.

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