一種再生制動(dòng)控制策略的實(shí)驗(yàn)與仿真分析

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（1.江蘇大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 引言

純電動(dòng)汽車(chē)具有節(jié)能、低噪聲、零排放等突出優(yōu)點(diǎn)，是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的重要方向之一。然而，電動(dòng)汽車(chē)至今尚未形成規(guī)模，主要原因是電動(dòng)汽車(chē)不盡人意的續(xù)駛里程以及電能的轉(zhuǎn)換效率。車(chē)載電源是制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)的瓶頸仍然是車(chē)用儲(chǔ)能裝置即電池技術(shù)，電池的能量、成本、質(zhì)量以及電池的充電設(shè)備構(gòu)建等都制約著電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展［1］。動(dòng)力電池的主要缺陷：1）功率密度低，只有汽油的幾十分之一，這嚴(yán)重地制約了電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程；2）動(dòng)力電池的充電電流一般是放電電流的二分之一或三分之一，而出于剎車(chē)安全考慮，車(chē)輛的制動(dòng)功率要求很高，通常是起步功率的幾倍，因此動(dòng)力電池一般無(wú)法滿(mǎn)足再生制動(dòng)的功率要求，從而也不適宜做再生制動(dòng)的儲(chǔ)能容器。

如何提高車(chē)輛動(dòng)力性和續(xù)航里程是當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)主要研究方向之一，資料表明，在典型城市工況下，在汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中以熱能方式消散到空氣中的能量約占驅(qū)動(dòng)能量的50%。如表1所示。如果能有效地將這部分損失能量回收并加以再利用，提高能量利用率，電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程將大大提高。

表1 典型城市工況下制動(dòng)消耗能量與總能量對(duì)比Tab.1 Energy consumption of braking compared with the total energy in typical urban conditions

在電動(dòng)汽車(chē)能量管理系統(tǒng)中，要求能盡可能多地利用再生制動(dòng)回饋的能量。通常采用向蓄電池充電來(lái)吸收再生制動(dòng)回饋的能量，其缺點(diǎn)是蓄電池難以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間大功率充電，且充放電循環(huán)次數(shù)有限，成本高。近年發(fā)展起來(lái)的超級(jí)電容器具有比功率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等突出特點(diǎn)。它能存儲(chǔ)大量電荷，并且充放電迅速，能夠在電動(dòng)汽車(chē)加速時(shí)提供足夠高的峰值電流，制動(dòng)時(shí)可以迅速吸收回饋大電流，從而達(dá)到回收車(chē)輛動(dòng)能［2－3］。

因此，合理的利用電機(jī)的再生制動(dòng)，不僅能為汽車(chē)提供輔助制動(dòng)功能，提高整車(chē)制動(dòng)性能，而且能夠通過(guò)回收制動(dòng)能量來(lái)節(jié)約能源，延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)的一次充電續(xù)駛里程。根據(jù)美國(guó)電力科學(xué)研究院（EPRI）對(duì)在美國(guó)幾個(gè)城市中的電動(dòng)汽車(chē)實(shí)際運(yùn)行所做的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，對(duì)于在這些城市中頻繁啟、停的電動(dòng)汽車(chē)，再生制動(dòng)給動(dòng)力蓄電池組補(bǔ)充的能量，能使它的續(xù)駛里程增加10%～20%，因此在現(xiàn)有的情況下，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)進(jìn)行研究是一項(xiàng)非常有意義的工作。

2 系統(tǒng)概述

再生制動(dòng)又稱(chēng)再生回饋制動(dòng)，其原理是在制動(dòng)時(shí)將電動(dòng)車(chē)行駛的慣性能量傳遞給電機(jī)，電機(jī)以發(fā)電方式工作，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量再生利用。同時(shí)，產(chǎn)生的電機(jī)制動(dòng)力矩又可對(duì)驅(qū)動(dòng)輪施加制動(dòng)，產(chǎn)生制動(dòng)力。由于再生制動(dòng)利用了原本被消耗于摩擦制動(dòng)的能量，因此可降低車(chē)輛的能耗，改善目前由于蓄電池能量密度低帶來(lái)的續(xù)駛里程短的瓶頸［4］。

2.1 再生制動(dòng)方案設(shè)計(jì)

本文提到的電動(dòng)汽車(chē)用電機(jī)是一臺(tái)直流無(wú)刷電機(jī)，再生制動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 再生制動(dòng)系統(tǒng)的示意圖Fig.1 Regenerative brake system diagram

圖1中，蓄電池是主電源，是汽車(chē)行駛的動(dòng)力源。超級(jí)電容是再生能量的儲(chǔ)存容器，車(chē)輛剎車(chē)制動(dòng)時(shí)，電機(jī)通過(guò)回饋制動(dòng)將車(chē)輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，回饋的電能經(jīng)逆變器、DC－DC控制器轉(zhuǎn)移到超級(jí)電容中存儲(chǔ)；車(chē)輛起步行駛時(shí)，超級(jí)電容又作為輔助動(dòng)力源，將儲(chǔ)存電能釋放出去以供驅(qū)動(dòng)車(chē)輛使用。DC－DC控制器實(shí)際上是一個(gè)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其作用是調(diào)節(jié)逆變器直流側(cè)電壓或超級(jí)電容電壓。逆變器在電機(jī)電動(dòng)時(shí)，將蓄電池直流電能逆變成交流電能以驅(qū)動(dòng)電機(jī)；在電機(jī)回饋制動(dòng)時(shí)，又將電機(jī)產(chǎn)生的交流電能整流成直流電能，經(jīng)DC－DC控制器，將電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容中。

2.2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

再生制動(dòng)系統(tǒng)電路主要由采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路、功率電路和控制電路構(gòu)成，該系統(tǒng)以單片機(jī)ATMEGA 16為控制核心，構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件電路（見(jiàn)圖2）?？刂葡到y(tǒng)硬件電路主要包括采集電壓的分壓電路、采集電流的電流傳感器、電機(jī)轉(zhuǎn)速采樣電路、加速信號(hào)和制動(dòng)信號(hào)采樣電路、4路PWM驅(qū)動(dòng)電路和2路開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出電路［5］。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of control system

控制系統(tǒng)硬件電路的主要功能是采集各類(lèi)信號(hào)，以供主控制單元判斷實(shí)驗(yàn)員的意圖和再生制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；主控制單元分析對(duì)比實(shí)驗(yàn)員的意圖和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)后再輸出各類(lèi)控制信號(hào)（4路PWM信號(hào)和2路開(kāi)關(guān)信號(hào)），控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行；主控制單元與上位機(jī)串口通信，主控制單元可以將采集到的各種電壓、電流數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)，PC機(jī)以圖形和數(shù)字的形式顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并儲(chǔ)存采集到的數(shù)據(jù)，PC機(jī)也可以通過(guò)串口通信間接控制再生制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行。

2.3 主電路設(shè)計(jì)

為了電能可以方便地在蓄電池、超級(jí)電容和電機(jī)之間轉(zhuǎn)移，本文采用了一種獨(dú)特主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。主電路主要由雙向DC－DC模塊、繼電器和逆變器構(gòu)成。

圖3 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 The main circuit topology

繼電器能方便地接通或斷開(kāi)蓄電池與主電路之間的回路。逆變器由6個(gè)MOSFET構(gòu)成，電機(jī)電動(dòng)時(shí)，逆變器將直流側(cè)的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能以供驅(qū)動(dòng)電機(jī)；電機(jī)回饋制動(dòng)時(shí)，因MOSFET內(nèi)部寄生1個(gè)并聯(lián)二極管，此時(shí)逆變器相當(dāng)于1個(gè)整流電路，可以將電機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能輸出到逆變器的直流側(cè)；雙向DC－DC模塊是由4個(gè)MOSFET管和1個(gè)電感組成1個(gè)H橋電路，它具有雙向升壓降壓作用，即在再生制動(dòng)時(shí)，可以從逆變器直流側(cè)到超級(jí)電容兩端的升壓或降壓，也可以在啟動(dòng)時(shí)，從超級(jí)電容兩端到逆變器直流側(cè)的升壓或降壓。下文將詳細(xì)地介紹雙向DC－DC的功能，在此不再贅述。

3 再生制動(dòng)控制策略研究

本文中的再生制動(dòng)控制策略不僅針對(duì)再生制動(dòng)時(shí)車(chē)輛動(dòng)能的回收和存儲(chǔ)問(wèn)題，還包括回收電能再利用的問(wèn)題，從總體上可以將整個(gè)工況劃分為電機(jī)啟動(dòng)行駛和再生制動(dòng)2種工況。

3.1 電機(jī)啟動(dòng)的控制策略

電機(jī)啟動(dòng)時(shí)主要原則是優(yōu)先利用超級(jí)電容中儲(chǔ)存的電能，等超級(jí)電容中電能不足以滿(mǎn)足電機(jī)的功率要求，再切換到蓄電池供電，由蓄電池繼續(xù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。因此，整個(gè)電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程可以劃分超級(jí)電容供電和蓄電池供電2種狀態(tài)。

1）超級(jí)電容供電。此時(shí)，繼電器斷開(kāi)蓄電池與主電路之間的回路，因?yàn)槌?jí)電容端電壓小于蓄電池電壓，此時(shí)雙向DC－DC工作于輸出升壓狀態(tài)，將超級(jí)電容電壓升高至蓄電池電壓持平，以便向電機(jī)供電［6］。

2）蓄電池供電。此時(shí)，繼電器接通蓄電池與主電路之間的回路，雙向DC－DC不工作，超級(jí)電容停止向電機(jī)供電。

3.2 再生制動(dòng)的控制策略

在再生制動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速因制動(dòng)不斷下降，而超級(jí)電容一直處于充電狀態(tài)，因此，在整個(gè)過(guò)程中，直流側(cè)電壓不斷下降，而超級(jí)電容端電壓卻不斷上升。為了保證在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能都可以順利轉(zhuǎn)移到超級(jí)電容中儲(chǔ)存，需先降壓制動(dòng)，后采用升壓制動(dòng)。

1）降壓制動(dòng)。再生制動(dòng)初期，電機(jī)轉(zhuǎn)速高，直流側(cè)輸出電壓也高，超級(jí)電容經(jīng)前一階段放電，端電壓低，此時(shí)若直接向超級(jí)電容充電，難免造成制動(dòng)電流過(guò)大，故雙向DC－DC宜工作在輸入降壓狀態(tài)，以降低直流側(cè)輸出電壓再向超級(jí)電容充電。

2）升壓制動(dòng)。再生制動(dòng)后期，電機(jī)轉(zhuǎn)速低，直流側(cè)輸出電壓也低，超級(jí)電容經(jīng)前一階段充電，電壓有所提高，為了保證再生制動(dòng)回饋的電能可以繼續(xù)向超級(jí)電容充電，此時(shí)雙向DC－DC宜工作在輸入升壓狀態(tài)，升高直流側(cè)電壓向超級(jí)電容充電。

若要確保在整個(gè)再生制動(dòng)過(guò)程中電機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩恒定，須先確保制動(dòng)電流恒定，而恒電流制動(dòng)需采用電流閉環(huán)控制制動(dòng)電流。簡(jiǎn)言之，再生制動(dòng)過(guò)程中，控制雙向DC－DC，使之在降壓制動(dòng)和升壓制動(dòng)2種狀態(tài)下都可以確保制動(dòng)電流恒定。

4 Simulink仿真模型搭建

本文在Simulink仿真環(huán)境下搭建了再生制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，其中包括電機(jī)模型、雙向DC－DC模型、電機(jī)啟動(dòng)控制模型和再生制動(dòng)控制模型。

4.1 電機(jī)啟動(dòng)控制模型

電機(jī)啟動(dòng)的原則是優(yōu)先利用超級(jí)電容中存儲(chǔ)的電能，直至超級(jí)電容無(wú)法滿(mǎn)足電機(jī)的功率要求，再切換到蓄電池供電，啟動(dòng)控制模型如圖4所示。

圖4 電機(jī)啟動(dòng)控制模型Fig.4 Motor start control model

試驗(yàn)表明，超級(jí)電容提供電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到80r／min時(shí)，超級(jí)電容就無(wú)法滿(mǎn)足電機(jī)的功率要求。所以在Simulink仿真環(huán)境下，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)80r／min，繼電器自動(dòng)接通蓄電池與主電路之間的回路，雙向DC－DC停止工作，此時(shí)蓄電池向電機(jī)供電。

在超級(jí)電容供電時(shí)，為了可以正常啟動(dòng)電機(jī)須提高超級(jí)電容輸出電壓，使之與蓄電池電壓持平。此時(shí)雙向DC－DC須工作在輸出升壓狀態(tài)下，與此同時(shí)，采用輸出電壓閉環(huán)控制，先采樣直流側(cè)電壓，再與電壓給定值比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)PWM的占空比，使超級(jí)電容經(jīng)升壓后輸出電壓始終與蓄電池電壓持平。

這樣，超級(jí)電容經(jīng)升壓后再向電機(jī)供電，其作用相當(dāng)于蓄電池直接向電機(jī)供電。

4.2 再生制動(dòng)控制模型

再生制動(dòng)過(guò)程中，為確保電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩恒定，本文采用電流閉環(huán)控制以確保電機(jī)制動(dòng)電流恒定，電流閉環(huán)控制模型如圖5所示。

圖5 再生制動(dòng)控制模型Fig.5 Regenerative braking control model

為了確保電機(jī)制動(dòng)電流在降壓制動(dòng)和升壓制動(dòng)2個(gè)過(guò)程之間可以平穩(wěn)過(guò)渡，降壓制動(dòng)時(shí)的電流給定值略大于升壓制動(dòng)時(shí)的電流給定值。另外，在降壓制動(dòng)時(shí)，電機(jī)制動(dòng)電流不連續(xù)，為了保證制動(dòng)轉(zhuǎn)矩恒定，只能采用制動(dòng)電流平均值恒定的方式，先采樣電機(jī)平均制動(dòng)電流，再與給定值比較后調(diào)節(jié)相應(yīng)PWM的占空比，以控制電機(jī)制動(dòng)電流的平均值；在升壓制動(dòng)時(shí)，電機(jī)制動(dòng)電流連續(xù)，可以采用電流滯環(huán)控制，先采樣制動(dòng)電流，并與給定值比較，當(dāng)制動(dòng)電流超過(guò)上限值時(shí)，相應(yīng)的MOSFET導(dǎo)通，此時(shí)電機(jī)制動(dòng)電流開(kāi)始爬升，制動(dòng)電流低于下限值時(shí)，相應(yīng)的MOSFET關(guān)斷，制動(dòng)電流逐漸下降。

5 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果

由于試驗(yàn)條件限制，搭建的試驗(yàn)臺(tái)包括：蓄電池（額定電壓50V）、超級(jí)電容（5F）和飛輪（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：1.81kg·m2），飛輪模擬電動(dòng)汽車(chē)質(zhì)量，再生制動(dòng)回收的動(dòng)能也是飛輪的動(dòng)能，以下是試驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果。

5.1 電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果

如圖6所示，前半段是在超級(jí)電容驅(qū)動(dòng)下的電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)，后半段是蓄電池驅(qū)動(dòng)下的電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)。

由圖6中仿真曲線(xiàn)和實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)可知：1）實(shí)現(xiàn)了先由超級(jí)電容驅(qū)動(dòng)電機(jī)，當(dāng)超級(jí)電容無(wú)法滿(mǎn)足電機(jī)功率要求時(shí)切換到蓄電池供電繼續(xù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)；2）由于超級(jí)電容經(jīng)過(guò)前半段的放電，后半段已無(wú)法滿(mǎn)足電機(jī)的功率要求，從而，電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)；3）仿真曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)基本一致。

圖6 電機(jī)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)Fig.6 The speed curves of the motor starting

5.2 再生制動(dòng)的實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果

如圖7所示，電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真曲線(xiàn)和實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)基本上是一致的。由于電機(jī)摩擦阻力跟速度有關(guān)，高速時(shí)摩擦阻力大，低速時(shí)摩擦阻力??；加上制動(dòng)電流隨著速度不斷下降，電機(jī)制動(dòng)電流無(wú)法維持恒定而下降，所以在前半段電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩保持恒定，而在后半段電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也隨著制動(dòng)電流下降而下降。

圖7 再生制動(dòng)的轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)Fig.7 The speed curves of the regenerative barking

綜合上述2個(gè)因素，在前半段電機(jī)減速度大，后半段電機(jī)減速度小，所以在整個(gè)過(guò)程電機(jī)沒(méi)有保持勻減速制動(dòng)。

圖8是超級(jí)電容的電壓曲線(xiàn)，首先，仿真曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)基本一致。由于超級(jí)電容內(nèi)阻的存在，在超級(jí)電容充電時(shí)，充電電流會(huì)在內(nèi)阻上形成壓降，因此在再生制動(dòng)開(kāi)始的瞬間，超級(jí)電容端電壓就爬升到20V左右（超級(jí)電容的初始電壓為10V）。

圖8 超級(jí)電容的端電壓曲線(xiàn)Fig.8 Terminal voltage curves of super capacitor

圖9是電機(jī)制動(dòng)電流仿真曲線(xiàn)，前半段電機(jī)制動(dòng)電流維持恒定；后半段隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷下降，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)隨之下降，此時(shí)，電機(jī)制動(dòng)電流無(wú)法維持恒定而不斷下降。

圖9 制動(dòng)電流的仿真曲線(xiàn)Fig.9 Simulation of braking current curve

6 結(jié)論

通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)和仿真的結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：1）超級(jí)電容作為儲(chǔ)能容器，可以存儲(chǔ)再生制動(dòng)回收的電能，然后再將回收的電能再利用以啟動(dòng)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)提高電能利用率的目的；2）再生制動(dòng)過(guò)程中，適當(dāng)?shù)夭捎煤侠淼目刂撇呗钥梢员ＷC電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的恒定，進(jìn)一步通過(guò)改變電流給定值，可以達(dá)到控制電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小的目的；3）從理論和實(shí)驗(yàn)角度上，證明了此再生制動(dòng)系統(tǒng)的可行性。

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