一種電動(dòng)汽車用制動(dòng)能量回收控制器的設(shè)計(jì)

全力，顧劍波，朱孝勇，陳燎，張德望

（1.江蘇大學(xué) 電氣學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

一種電動(dòng)汽車用制動(dòng)能量回收控制器的設(shè)計(jì)

全力1，顧劍波1，朱孝勇1，陳燎2，張德望1

（1.江蘇大學(xué) 電氣學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

提出了利用超級(jí)電容作為制動(dòng)能量回收儲(chǔ)能容器的復(fù)合電源方案，并針對(duì)ATMEL公司mega16單片機(jī)，應(yīng)用數(shù)字PID控制算法，設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于純電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量回收控制器模塊。介紹了再生制動(dòng)的原理及其控制器主電路與信號(hào)采集電路，以及用C語言編寫的各工作模塊。試驗(yàn)調(diào)試結(jié)果表明，充、放電電流隨電壓變化時(shí)，數(shù)字PID控制策略能很好地調(diào)節(jié)PWM占空比的合理變化，并驗(yàn)證了此制動(dòng)能量回收系統(tǒng)可以有效地回收電動(dòng)汽車再生制動(dòng)能量。

超級(jí)電容；電動(dòng)汽車；制動(dòng)能量回收控制器

1 引言

內(nèi)燃機(jī)汽車經(jīng)過120年的發(fā)展和壯大，其性能已日趨完善，在安全、環(huán)保、節(jié)能和廉價(jià)等方面取得了重大的進(jìn)展。但是，內(nèi)燃機(jī)汽車的發(fā)展面臨著環(huán)境污染和石油危機(jī)的雙重挑戰(zhàn)［1］，而電動(dòng)汽車作為陸上交通工具和運(yùn)載工具的成員之一，已逐漸成為人們生活中一種重要的綠色交通工具。蓄電池是電動(dòng)汽車的能量源泉，但由于電池的能量密度較低，使電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程受到限制。而再生制動(dòng)能將汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，進(jìn)行回收，有效提高了電動(dòng)汽車電池能量的利用率，明顯提高續(xù)駛里程，受到電動(dòng)汽車研究領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注和重視。但采用向蓄電池充電來吸收再生制動(dòng)回饋的能量，難以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間大功率高效率充電，且蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)有限、成本高。

對(duì)此，本文設(shè)計(jì)了一種可用于電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量回收控制器，并以超級(jí)電容為儲(chǔ)能容器來作為電動(dòng)汽車的輔助電源系統(tǒng)［2］，以改善電動(dòng)汽車一次充電續(xù)駛里程。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電動(dòng)汽車處于再生制動(dòng)運(yùn)行工況下，可有效回收制動(dòng)能量的19.7%，延長了電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。

2 能量回收控制系統(tǒng)基本原理

電動(dòng)汽車用再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用速度控制策略。在車輛正常行駛工況下，蓄電池經(jīng)過再生控制器再到電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)；在車輛處于再生制動(dòng)工況下，再生制動(dòng)控制器接收電機(jī)控制器中的制動(dòng)信號(hào)，通過控制算法控制再生控制器中的雙向DC／DC變換器，將電動(dòng)汽車再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量以最大的效率存儲(chǔ)于超級(jí)電容；在車輛啟動(dòng)或者爬坡時(shí)，再生控制器接收電機(jī)控制器中的加速信號(hào)，控制雙向DC／DC變換器，將超級(jí)電容中的能量升壓預(yù)先驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并在系統(tǒng)判斷電機(jī)達(dá)到預(yù)定速度值后切換至蓄電池供電［3-4］。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

不同工況下系統(tǒng)工作方式：

1）正常行駛工況。此時(shí)斷開超級(jí)電容回路，由蓄電池獨(dú)立給電機(jī)供電，見圖2a。

2）啟動(dòng)／加速／爬坡行駛工況。此時(shí)由超級(jí)電容預(yù)先驅(qū)動(dòng)電機(jī)至速度預(yù)定值后切換至蓄電池供電，見圖2b。

3）再生制動(dòng)行駛工況。由于鋰電池不能實(shí)現(xiàn)短時(shí)間的大功率高效率充電以及鋰電池充電循環(huán)次數(shù)有限，因此能量回饋時(shí)斷開蓄電池的回路，回饋制動(dòng)產(chǎn)生的能量全部充給超級(jí)電容，見圖2c。

圖2 系統(tǒng)工作原理框圖Fig.2 Schematic diagram of system

由圖2可以看出，這種超級(jí)電容與蓄電池組成的復(fù)合電源系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：1）可在再生制動(dòng)工況下實(shí)現(xiàn)大電流高效率充電，從而提高能量回收效率來延長電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程；2）可在電動(dòng)車啟動(dòng)、加速、爬坡工況下預(yù)先驅(qū)動(dòng)電機(jī)，避免蓄電池大電流放電，提高蓄電池的使用壽命；3）可提高電動(dòng)汽車的制動(dòng)力矩，改善制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。

3 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

本能量回收系統(tǒng)控制回路主要包括控制主電路、驅(qū)動(dòng)電路以及信號(hào)采集等電路的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以ATMEL公司mega16單片機(jī)為控制核心，整個(gè)系統(tǒng)硬件部分包括雙向DC-DC、超級(jí)電容、通信電路、隔離保護(hù)電路、控制執(zhí)行系統(tǒng)等，如圖3所示，其中采樣信號(hào)包括超級(jí)電容電壓、超級(jí)電容升壓供電時(shí)的輸出電壓、制動(dòng)時(shí)電機(jī)發(fā)電電壓、蓄電池電流、超級(jí)電容的充放電電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、制動(dòng)信號(hào)以及加速信號(hào)，控制信號(hào)為2路PWM輸出信號(hào)及1路開關(guān)信號(hào)，其中2路PWM信號(hào)通過邏輯變換分為4路控制信號(hào)控制雙向DC／DC模塊。

圖3 控制板硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 The hardware architecture of control board

3.1 能量回收控制主電路

再生制動(dòng)控制主電路采用雙向升降壓DCDC變換器，驅(qū)動(dòng)芯片選用IR公司的IR2112以自舉技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并采用電壓速度雙閉環(huán)控制，以最大效率回收制動(dòng)能量，如圖4所示。

圖4 能量回收系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 The main circuit topologyical structure of regenerative braking system

圖4中，VS為蓄電池電壓；Q1～Q6，q1～q4為場效應(yīng)管；SC為超級(jí)電容；SI為霍耳電流傳感器；S為繼電器；L為儲(chǔ)能電感；R1～R4為精密電阻；C為普通電容；V1為超級(jí)電容輸出電壓反饋；V2為超級(jí)電容電壓。

控制策略如下：1）當(dāng)電動(dòng)汽車處于剎車減速狀態(tài)時(shí)，繼電器S跳至再生控制回路，并使q1完全導(dǎo)通，此時(shí)超級(jí)電容工作在充電情況。電機(jī)發(fā)電電壓隨速度降低而逐漸減弱，而超級(jí)電容電壓逐漸升高，由于電機(jī)發(fā)電電壓同轉(zhuǎn)速成正比，因此，同時(shí)監(jiān)測超級(jí)電容電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速，在電機(jī)發(fā)電電壓與超級(jí)電容電壓持平前，即反饋超級(jí)電容電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過控制算法使q4斬波升壓，對(duì)電機(jī)發(fā)電電壓進(jìn)行升壓，繼續(xù)對(duì)超級(jí)電容充電，并根據(jù)速度調(diào)節(jié)升壓PWM波占空比，以最大效率回收制動(dòng)能量。2）當(dāng)電動(dòng)汽車處于啟動(dòng)、加速等狀態(tài)時(shí)，繼電器S先跳至再生控制回路，完全導(dǎo)通q2并使q3斬波，此時(shí)超級(jí)電容工作在升壓放電情況，同時(shí)監(jiān)測電機(jī)轉(zhuǎn)速與超級(jí)電容電壓，超級(jí)電容升壓輸出預(yù)先驅(qū)動(dòng)電機(jī)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定值，即使繼電器S切換至蓄電池回路，由蓄電池給電機(jī)供電。如此既避免了電機(jī)啟動(dòng)、爬坡等工況由于大電流放電對(duì)蓄電池的傷害，又延長了電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。

3.2 信號(hào)采集電路

信號(hào)采集系統(tǒng)主要由速度、電流信號(hào)采集電路、制動(dòng)信號(hào)采集電路、加速信號(hào)采集電路等經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路至適合單片機(jī)內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換的信號(hào)。主要對(duì)電機(jī)的速度及加減速狀態(tài)、超級(jí)電容電壓、電機(jī)正常運(yùn)行電流以及回饋電流進(jìn)行采集。其中電流檢測由霍耳電流傳感器實(shí)現(xiàn)，電壓檢測由分壓電路實(shí)現(xiàn)，速度信號(hào)采集由霍耳信號(hào)引出，通過光耦隔離避免對(duì)霍耳信號(hào)產(chǎn)生影響，并通過mega16定時(shí)器輸入捕捉功能實(shí)現(xiàn)［5］，如圖5所示。

圖5 電機(jī)速度信號(hào)采集電路Fig.5 The circuit of signal acquisition of motor speed

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由單片機(jī)主程序、各部分功能模塊子程序及上位機(jī)串行通信程序組成。系統(tǒng)上電后，單片機(jī)即開始采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換后，由串口傳輸至上位機(jī)控制面板。功能模塊子程序由串口中斷程序、外部中斷程序、ad中斷程序及能量回饋／釋放控制程序組成，采用此模塊化的軟件設(shè)計(jì)可以方便編寫調(diào)試及控制算法的改變。

4.1 能量回饋／釋放控制程序模塊

此模塊的功能是判斷電動(dòng)汽車的行駛狀態(tài)，來控制超級(jí)電容的充放電。當(dāng)系統(tǒng)判斷電動(dòng)汽車處于制動(dòng)模式時(shí)，超級(jí)電容工作在充電方式，繼電器跳至再生控制回路并調(diào)動(dòng)升壓程序，以保證能量最高效率的回收；當(dāng)系統(tǒng)判斷電動(dòng)汽車處于啟動(dòng)、加速模式時(shí)，超級(jí)電容工作在放電方式，繼電器同樣跳至再生控制回路，調(diào)動(dòng)升壓程序來預(yù)先驅(qū)動(dòng)電機(jī)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定值時(shí)切換至蓄電池向電機(jī)供電，軟件控制流程如圖6所示。

圖6 主循環(huán)程序框圖Fig.6 Flow charts of main program

4.2 通信模塊

通信模塊采用485總線，使用串口USB轉(zhuǎn)換芯片PL2303方便上位機(jī)的連接，并采用高速光耦6N137信號(hào)隔離以避免信號(hào)干擾。通信子模塊完成的任務(wù)，一是接收下位機(jī)發(fā)送的信息并實(shí)時(shí)的顯示電流、電壓、轉(zhuǎn)速等各項(xiàng)數(shù)據(jù)及曲線，二是可以人為控制電機(jī)轉(zhuǎn)速大小及蓄電池主回路的通斷，并根據(jù)控制對(duì)象和檢測對(duì)象，確定通信協(xié)議。通信軟件流程圖如圖7所示。

圖7 通信流程圖Fig.7 Flow charts of communication

5 試驗(yàn)調(diào)試結(jié)果

由于試驗(yàn)條件有限，目前搭建的試驗(yàn)調(diào)試平臺(tái)主要包括蓄電池組、HCC超級(jí)電容組、能量回收控制器、直流無刷電機(jī)及控制器、飛輪等，其中蓄電池額定電壓為50V、10A·h，超級(jí)電容額定電壓為60V、額定容量5F（由24個(gè)單體額定電壓2.7V、額定容量120F串聯(lián)而成），飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J＝1.81kg·m2，飛輪與電機(jī)速度傳動(dòng)比為2∶1。試驗(yàn)調(diào)試以最大能量回收率為主要目標(biāo)，并以控制電機(jī)速度為主，PWM脈寬調(diào)制采用數(shù)字PID控制。

能量回收試驗(yàn)：首先由蓄電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)，當(dāng)飛輪速度逐漸升高并穩(wěn)定在620r／min時(shí)開始滑行電制動(dòng)，并在速度降至500r／min時(shí)開始升壓充電，以最優(yōu)效率回收能量。

由圖8a可以看出，增加了再生制動(dòng)后，由于初始充電電流較大達(dá)到27A，即電制動(dòng)力較大，因此此時(shí)電機(jī)減速度要比電機(jī)正常滑行減速度大得多；而當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降至200r／min時(shí)，充電電流已經(jīng)很微弱，即電制動(dòng)力較小，此時(shí)與電機(jī)正?；袦p速度基本相同。圖8b中電機(jī)正常運(yùn)行母線電流為10A，而再生制動(dòng)時(shí)電流與電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)方向相反，并隨電機(jī)轉(zhuǎn)速下降而下降。圖8c為超級(jí)電容充電電壓曲線，其中充電初始超級(jí)電容電壓由14V跳變至25V是由于超級(jí)電容存在內(nèi)阻，初期大電流充電時(shí)在超級(jí)電容內(nèi)阻上形成了壓降。

圖8 能量回收試驗(yàn)曲線Fig.8 The test curves of reclaiming energy

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，此再生制動(dòng)系統(tǒng)回收效率與損失動(dòng)能比為19.7%，而與回收阻力矩比可達(dá)到35%。

能量釋放試驗(yàn)：超級(jí)電容初始電壓為30V，由控制算法通過雙向DC／DC變換器升壓至50V并預(yù)先驅(qū)動(dòng)電機(jī)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定值時(shí)由繼電器切換至蓄電池供電。

圖9a為電機(jī)復(fù)合電源速度曲線，圖9a中P點(diǎn)為超級(jí)電容與蓄電池驅(qū)動(dòng)的切換點(diǎn)。而圖9b為電機(jī)正常啟動(dòng)電流，由于本試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，因此啟動(dòng)電流并沒有實(shí)際電動(dòng)汽車啟動(dòng)時(shí)的尖峰電流。圖9c為復(fù)合電源啟動(dòng)電機(jī)時(shí)電流曲線，圖9c中S點(diǎn)為切換點(diǎn)，同樣受限于超級(jí)電容的能量釋放速度，因此啟動(dòng)電流上升速度不夠，即轉(zhuǎn)速上升較慢。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)超級(jí)電容預(yù)先驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，每次可省去蓄電池650J的能量，有效延長了電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。

圖9 能量釋放試驗(yàn)曲線Fig.9 The test curves of releasing energy

6 結(jié)論

本文針對(duì)超級(jí)電容復(fù)合電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)汽車再生制動(dòng)控制器，并以mega16為控制核心，整個(gè)系統(tǒng)硬件部分包括雙向DC-DC、超級(jí)電容、通信電路、隔離保護(hù)電路、控制執(zhí)行系統(tǒng)等，軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用C語言實(shí)現(xiàn)模塊化編程。試驗(yàn)調(diào)試結(jié)果表明，該再生控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)及控制策略能夠滿足電動(dòng)汽車再生制動(dòng)回饋能量的實(shí)現(xiàn)，且回收效率較高。該再生制動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)現(xiàn)高水平的能量回收有著十分重要的意義，且通用性好、靈活性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)多種不同的控制策略。

［1］ 胡驊，宋慧.電動(dòng)汽車［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［2］ 陳慶樟，何仁，商高高.汽車制動(dòng)能量再生系統(tǒng)復(fù)合儲(chǔ)能方式研究［J］.公路交通科技，2008，25（11）：145-148.

［3］ Inaba C Y，Konishi Y ，Nakaoka M.High-frequency Flyback-type Soft-switching PWM DC-DC Power Converter with Energy Recovery Transformer and Auxiliary Passive Lossless Snubbers［J］.Electric Power Applications，IEE Proceedings，2004，151（1）：32-37.

［4］ 程偉，徐國卿，王曉東.電動(dòng)汽車用永磁無刷電機(jī)回饋制動(dòng)技術(shù)研究［J］.電氣傳動(dòng)，2005，35（11）：15-23.

［5］ 馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

修改稿日期：2010-11-15

Design of a New Regenerative Braking Controller for Electric Vehicle

QUAN Li1，GU Jian-bo1，ZHU Xiao-yong1，CHEN Liao2，ZHANG De-wang1

（1.SchoolofElectricalandInformationEngineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，Jiangsu，China；2.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，Jiangsu，China）

The energy reclaiming scheme of composite power by using the super capacitor as energy storage element to realize the regenerative braking of electric vehicles was put forward.A kind of regenerative braking controller of electric vehicle based on digital PID control technology and mega16microcontroller of ATMEL corporation was designed.The principle of regenerative braking as well as main circuit of controller，signal acquisition，and each work module written with C language were introduced.The test result indicates that the regenerative braking controller based on PID theory has a very good adjustment of PWM of duty cycle when charge and discharge current changing with voltage，and energy recovery system is confirmed to be able to recycle the electric automobile regenerative braking energy well.

super capacitor；electric vehicle；regenerative brakingcontroller

U469

A

國家自然基金（50807022）；江蘇大學(xué)高級(jí)人才啟動(dòng)資金（09JDG031）

全力（1963-），男，博士，教授，Email：quanli＠ujs.edu.cn

2010-05-26