電動(dòng)汽車用直流無刷電機(jī)能量回饋研究

李興全，李 博

錦州海伯倫汽車電子有限公司，遼寧錦州 121000

0 引言

隨著能源供應(yīng)的緊張，汽油的價(jià)格越來越高，使用電能作為汽車的動(dòng)力將會(huì)是未來發(fā)展的大趨勢。但是目前車用動(dòng)力電池的儲(chǔ)能低、充電時(shí)間長是制約其應(yīng)用和普及的瓶頸。而采用能量回饋的方式，可以將電動(dòng)汽車剎車時(shí)的能量回饋給電池，這就變相的增加了動(dòng)力電池的儲(chǔ)能大小，延長了電池一次充電的續(xù)駛里程，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文將專門探討直流無刷電機(jī)在電動(dòng)汽車中使用的能量回饋方式。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 整車動(dòng)力系統(tǒng)組成

整車動(dòng)力系統(tǒng)主要由蓄電池、直流無刷電機(jī)、電機(jī)控制器和霍爾位置傳感器組成，見圖1。蓄電池作為整車的電量儲(chǔ)存設(shè)備，為電動(dòng)汽車的運(yùn)行提供電能。位置傳感器采用120°電角度的霍爾傳感器。電機(jī)控制器根據(jù)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的位置傳感器信號(hào)，按照霍爾序列與三相全橋開關(guān)的對(duì)應(yīng)順序進(jìn)行功率管的開關(guān)變換。霍爾信號(hào)與三相全橋的順序如表1所列，通過圖2所示的功率變換電路，將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換成電機(jī)工作的交流電流。

圖1 整車動(dòng)力系統(tǒng)組成圖

表1 電動(dòng)汽車正向行駛霍爾序列與三相全橋開關(guān)對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.2 功率變換部分組成

圖2 功率變換部分組成圖

圖3 感生電動(dòng)勢與霍爾序列時(shí)序圖

功率變換部分主要由蓄電池、功率變換電路和直流無刷電機(jī)組成，如圖2所示。假設(shè)電動(dòng)汽車正向行駛時(shí)開關(guān)橋的順序按照表1中的對(duì)應(yīng)順序，則開關(guān)橋和對(duì)應(yīng)的感生電動(dòng)勢波形為圖3所示變化。

1.3 回饋控制方式的分類

按照回饋的不同方式，將直流無刷的能量回饋分為自然回饋、全橋回饋和半橋回饋三種類型。

1.3.1 自然回饋方式

當(dāng)電動(dòng)汽車處于下坡位置，由于重力加速度使車速不斷加快，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨之升高。根據(jù)直流無刷電機(jī)的特性，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n大于Ce?/U時(shí)，線圈所產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢就會(huì)超過電池電壓U，將產(chǎn)生的電量自然的回饋到電池中。此時(shí)三相全橋中的六個(gè)mosfet均處于截止?fàn)顟B(tài)，mosfet的續(xù)流二極管處于三相整流工作狀態(tài)。

1.3.2 全橋回饋方式

全橋回饋以t0～t2區(qū)間為例，此時(shí)T1和T4全部進(jìn)行PWM調(diào)制。

當(dāng)T1和T4均為導(dǎo)通狀態(tài)下，選電池的負(fù)極為參考點(diǎn)，此時(shí)三相中點(diǎn)的電壓U0=U/2，D6一直處于截止?fàn)顟B(tài)，電流運(yùn)行方向?yàn)椋弘姵卣龢O→T1→A相線圈→B相線圈→T4→電池負(fù)極。

當(dāng)T1和T4處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)三相中點(diǎn)的電壓U0=-Ec，電流的運(yùn)行方向?yàn)椋弘姵刎?fù)極→D2→A相線圈→B相線圈→D3→電池正極，由電機(jī)向電池回饋能量。

可以看出在t0～t1區(qū)間，D6雖然處于正向壓降，但電路中并沒有回路；在t1～t2區(qū)間，D6處于反向壓降截止?fàn)顟B(tài)。所以在t1～t2整個(gè)周期內(nèi)，D6一直處于截止?fàn)顟B(tài)。

1.3.3 半橋調(diào)制

半橋調(diào)制就是在能量回饋時(shí)針對(duì)上橋T1、T3和T5或下橋的T2、T4和T6進(jìn)行調(diào)制的回饋方式，通過升壓斬波將電機(jī)線圈產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢的能量回饋到電池，仍以t0～t2區(qū)間為例。

1）上半橋能量回饋

在采用上半橋制動(dòng)的續(xù)流階段，此時(shí)T1和T3導(dǎo)通，續(xù)流電流的流向?yàn)椋篈相線圈→T1→T3→B相線圈。在t0～t1區(qū)間，取電池負(fù)極作為參考電點(diǎn)，三相中點(diǎn)的電勢U0=U，U＞Ec＞0 ，D5獲得正向壓降通過T3→B相線圈→C相線圈D5構(gòu)成回路，D6獲得反向壓降處于截止?fàn)顟B(tài)；在t1～t2區(qū)間，三相中點(diǎn)的電勢U0=U，Ec＜0，D5獲得反向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)。D6獲得正向電壓，但由于下橋全部處于截止?fàn)顟B(tài)，所以D6不導(dǎo)通。

采用上半橋的能量回饋過程中，在t1～t2區(qū)間的回饋電流流向?yàn)椋弘姵刎?fù)極→D4→B相線圈→A相線圈→D1→電池正極。在t0～t1區(qū)間的回饋電流比在t1～t2區(qū)間的基礎(chǔ)上多出了電流的流向?yàn)椋弘姵刎?fù)極→T4→B相線圈→C相線圈→D5→電池正極。

由上可知，采用上橋能量回饋時(shí)，可分為t0～t1區(qū)間和t1～t2區(qū)間有兩種情況，在t0～t1區(qū)間C相線圈參與回饋，A相線圈與B相線圈的電流不同，會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)噪聲。在t1～t2區(qū)間C相線圈不參與回饋，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

2）下半橋能量回饋

采用下半橋制動(dòng)的續(xù)流階段，此時(shí)T2和T4導(dǎo)通，續(xù)流方向?yàn)椋篈相線圈→T2→T4→B相線圈。在t0～t1區(qū)間，三相中點(diǎn)的電勢U0=0，U＞Ec＞ 0，D5處于正向壓降，但沒有回路所以不導(dǎo)通，D6處于反向壓降截止?fàn)顟B(tài)。在t1～t2區(qū)間，三相中點(diǎn)的電勢U0=0，0＞Ec，D5處于反向壓降不導(dǎo)通。D6處于正向壓降，通過T2構(gòu)成正向?qū)ɑ芈?，續(xù)流電流方向?yàn)椋篈相線圈→T2→D6→C相線圈。

采用下半橋制動(dòng)的回饋階段，在t0～t1區(qū)間的回饋電流流向?yàn)椋弘姵刎?fù)極→D4→B相線圈→A相線圈→D1→電池正極。在t1～t2區(qū)間的回饋電流比在t0～t1區(qū)間的基礎(chǔ)上多出了電流的流向?yàn)椋弘姵刎?fù)極→D6→C相線圈→A相線圈→D1→電池正極。

由上可知，采用下橋能量回饋時(shí)，可分為t0～t1區(qū)間和t1～t2區(qū)間有兩種情況，在t0～t1區(qū)間C相線圈不參與回饋，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在t1～t2區(qū)間C相線圈參與回饋，A相線圈與B相線圈的電流不同，會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)噪聲。

2 結(jié)論

從以上的分析中可以知道各種回饋方式的特點(diǎn)，自然回饋是不受控制，只要電機(jī)轉(zhuǎn)速高于某一特定值就會(huì)發(fā)生，且其回饋時(shí)的能量較大，長時(shí)間工作在這種狀態(tài)下會(huì)引發(fā)mosfet的二極管發(fā)熱；全橋回饋時(shí)不會(huì)產(chǎn)生因?yàn)榈谌鄬?dǎo)通而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但是頻繁的開關(guān)也會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱，同時(shí)這種回饋方式需要電池參與放電；半橋回饋會(huì)產(chǎn)生因第三相導(dǎo)通引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，產(chǎn)生噪聲。

針對(duì)以上各種能量回饋方式的特點(diǎn)，為了發(fā)揮不同回饋方式的優(yōu)勢同時(shí)減少負(fù)面的效果，對(duì)直流無刷電機(jī)的能量回饋制動(dòng)采用了如下回饋策略。

當(dāng)自然回饋發(fā)生時(shí)按照三相全橋的開關(guān)序列導(dǎo)通參與整流的mosfet，這樣可以減少二極管上的功率損耗，提高回饋效率。當(dāng)電動(dòng)汽車正常行駛時(shí)，在電機(jī)的控制算法中加入全橋回饋的控制算法，將電機(jī)內(nèi)部續(xù)流的電能通過全橋整流的方式回饋到電池中，這種算法可以減少上下橋同時(shí)調(diào)制產(chǎn)生的功率損耗，并在一定程度上降低電機(jī)的噪聲。當(dāng)剎車踏板踩下，電動(dòng)汽車需要制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)入半橋回饋制動(dòng)模式，在電機(jī)中增加半橋回饋控制的算法，采用上半橋調(diào)制和下半橋調(diào)制交替進(jìn)行，這種算法也可以降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，同時(shí)可以提高能量回饋的效率。

根據(jù)以上分析出的各種能量回饋特點(diǎn)和控制策略，并結(jié)合相對(duì)應(yīng)的算法，已經(jīng)在錦州海伯倫汽車電子有限公司產(chǎn)品中應(yīng)用并取得了明顯的效果，控制器的效率及續(xù)駛里程都有了較大的提高。

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