一種半/全橋PWM切換策略電動(dòng)車(chē)能量回饋法

成 立，奚家健，李 寧，嚴(yán) 鳴，王振宇

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

輕型電動(dòng)車(chē)(包括電動(dòng)自行車(chē)、輕便運(yùn)貨車(chē)等)以其清潔無(wú)污染、轉(zhuǎn)換效率高和維修方便等優(yōu)點(diǎn)，倍受越來(lái)越多的中青年人青睞.然而，其缺點(diǎn)是車(chē)用鉛酸蓄電池容量有限，續(xù)駛里程較短.由于回饋制動(dòng)能夠利用原本消耗于摩擦制動(dòng)中的能量，將其有效回饋至蓄電池以延長(zhǎng)續(xù)駛里程［1］，所以采取高效回饋控制策略，致力于增大蓄電池充受率，乃是設(shè)計(jì)車(chē)用控制器之關(guān)鍵技術(shù).根據(jù)調(diào)研，文獻(xiàn)［1-2］用DC/DC升壓電路增加反電勢(shì)之法，以較多地向蓄電池饋送能量，此法雖易實(shí)現(xiàn)，但能量回收率仍偏低且硬件成本較高;文獻(xiàn)［3-4］用并聯(lián)或串聯(lián)超級(jí)電容器之法將制動(dòng)能量暫存，盡管有利于高效回收，但是尚需增添傳感器和相應(yīng)電路以檢測(cè)超級(jí)電容器是否充滿;文獻(xiàn)［5］提出電控式變速器換擋:通過(guò)換接串/并聯(lián)繞組回收能量，可是其可靠性卻受到影響.上述3種控制策略均未考慮回饋能量期間蓄電池充受率和高效儲(chǔ)能等問(wèn)題.

文中首先簡(jiǎn)介了馬斯理論和脈沖間歇充放電原理，然后給出半/全橋PWM切換策略與能量回饋電路分析，計(jì)算了所回饋能量，最后設(shè)計(jì)出電動(dòng)車(chē)鉛酸蓄電池充放電測(cè)試裝置，并將提出的能量回饋法與Boost升壓電路回饋法進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析.

1 馬斯理論與脈沖間歇充放電原理

美國(guó)科學(xué)家馬斯嚴(yán)謹(jǐn)論述了電池容量、充放電既往史和最大充電電流之間的關(guān)系:對(duì)于任何蓄電池而言，充電接受電流i用公式表示為:i=I0e-αt，式中:t為充電時(shí)間;I0是 t=0 時(shí)刻的初始電流;充電電流接受比α=I0/Q，Q為待充入電荷量.以t為橫軸、i為縱軸繪制的曲線被稱(chēng)作充電接受電流曲線.若充電電流在此曲線以下則只有微量的析氣，但在曲線以上析氣率就會(huì)增大，故此難以提高充受率［6］.

根據(jù)上述馬斯理論和脈沖間歇充放電原理便知:當(dāng)充電電流接近固有微量析氣曲線時(shí)，對(duì)蓄電池瞬時(shí)放電或停充能夠提高充受率.對(duì)于鉛酸蓄電池，因瞬時(shí)放電或停充既驅(qū)使參與反應(yīng)的鉛離子迅即經(jīng)PbSO4溶解，既生成Pb和PbO2且提高濃度，又將所生H+和離子從電極表面附近移開(kāi)，效果是降低蓄電池極化現(xiàn)象，提高充受率，亦即在短時(shí)內(nèi)對(duì)蓄電池充入更多的電荷［7］.

輕型電動(dòng)車(chē)傳統(tǒng)能量回饋法采用恒流充電，此傳統(tǒng)法充受率較低.依據(jù)上述脈沖間歇充放電原理，如果在能量回饋期間調(diào)節(jié)PWM波，作間歇快速充放電，使蓄電池的充電電流曲線接近其固有充電接受電流曲線，則可將回饋之能量較多的儲(chǔ)存蓄電池內(nèi)，延長(zhǎng)電動(dòng)車(chē)的續(xù)駛里程。

2 PWM切換策略與能量回饋

2.1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1是電動(dòng)車(chē)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖中ud為蓄電池電壓.對(duì)于三相Y接定子繞組的BLDCM來(lái)說(shuō)，每相繞組等效成電阻 R0、電感L0、反電動(dòng)勢(shì) e相串聯(lián)的電路.圖1中三相半橋逆變器用作驅(qū)動(dòng)電路，V1-V6為絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，D1-D6為續(xù)流二極管，阻容元件R，C和二極管D構(gòu)成緩沖電路，以降低電壓、電流尖峰，限制di/dt或du/dt，并將IGBT功耗轉(zhuǎn)移至電阻R，從而降低開(kāi)關(guān)損耗［8］.

圖1 輕型電動(dòng)車(chē)主電路控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 半/全橋PWM切換控制策略

與目前主要的能量回饋法(加硬件電路)有所不同，文中在不改變電動(dòng)車(chē)控制器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的前提下，通過(guò)軟件編程切換正常和回饋兩種PWM模式，分別實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的正常行駛和能量回饋之功能.當(dāng)正常行駛時(shí)此控制器處于正常模式，設(shè)置上半橋3個(gè) IGBT(V1，V3，V5)為 PWM 開(kāi)關(guān)狀態(tài)，下半橋3個(gè)IGBT(V2，V4，V6)處于常開(kāi)或常閉狀態(tài)，稱(chēng)為半橋PWM策略.具體導(dǎo)通序列見(jiàn)圖2a，其中一個(gè)周期360°等分為I-VI共6段，每段為60°;而當(dāng)控制器處于回饋模式時(shí):設(shè)置V1-V6均有PWM開(kāi)關(guān)動(dòng)作，各個(gè)IGBT導(dǎo)通序列見(jiàn)圖2b，稱(chēng)作全橋PWM模式.總之，車(chē)用控制器通過(guò)接收正常行駛或制動(dòng)回饋信號(hào)，來(lái)切換控制電路的PWM波形.此法只需改變PWM控制方式，故無(wú)需增加硬件就可實(shí)現(xiàn)不同的工作模式.茲將兩種模式之調(diào)控策略分述如下.

圖2 半/全橋PWM切換策略下開(kāi)關(guān)導(dǎo)通序列

2.2.1 正常模式半橋PWM控制

圖3 半/全橋模式等效電路

此處控制策略是:控制上半橋開(kāi)關(guān)管的PWM波占空比和下半橋常開(kāi)或常閉，見(jiàn)圖2a.取BLCDM a，b相分析，正常模式下第I段V1為PWM狀態(tài)，V4為常閉狀態(tài)，而V2，V3均為常開(kāi)狀態(tài).當(dāng)V1處PWM狀態(tài)的“on”時(shí)，可用圖3a表示，其中電流iL為流經(jīng)電感之電流，eab為反電勢(shì)(線電壓)，圖中粗線表示電流流向.此時(shí)iL上升，電感蓄能;當(dāng)V1為PWM的“off”時(shí)，用圖3b表示，續(xù)流二極管D2導(dǎo)通并形成閉合回路，iL下降.因而在正常模式下調(diào)節(jié)半橋PWM波占空比，即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)正常調(diào)速.

2.2.2 回饋模式全橋PWM控制

回饋模式全橋PWM波控制策略是控制全橋開(kāi)關(guān)管PWM波之占空比，I-VI段的開(kāi)關(guān)管詳細(xì)導(dǎo)通序列見(jiàn)圖2b.當(dāng)車(chē)用控制器接收制動(dòng)回饋信號(hào)(剎車(chē)信號(hào))時(shí)，控制器自動(dòng)切換至回饋模式——全橋PWM控制，此時(shí)反電勢(shì)eab成為電源.同理取第I段分析，V2和V3均有相同的PWM波形，V1，V4處閉合狀態(tài).當(dāng) V2和V3為 PWM 狀態(tài)的“on”時(shí)，電路狀況如圖 3c所示，V2，V3與蓄電池形成回路，eab與電感L電壓 uL極性相反，uL=ud+eab，回路電流為io.蓄電池和反電勢(shì)eab向電感L中存儲(chǔ)電能.當(dāng)V2和V3為PWM狀態(tài)的“off”時(shí)，電路狀況見(jiàn)圖3d:D1，D4導(dǎo)通，電感L和反電勢(shì)eab向蓄電池充電，將能量回饋至蓄電池，流經(jīng)其中的電流換向.設(shè)充電電流為ii，則L上的電壓uL=eab-ud.所以用此PWM序列調(diào)控策略能巧妙地回收較多的能量.

根據(jù)上述分析可知，采用半/全橋PWM脈沖序列控制策略，可在能量回饋階段對(duì)電池充電期間進(jìn)行放電或停充.因而每一開(kāi)關(guān)周期蓄電池放電或停充，使充受率得以提高，蓄電池充電接受電流i曲線上移.根據(jù)第1節(jié)中馬斯理論和脈沖間歇充放電原理，在相同的時(shí)間內(nèi)充電接受電流曲線與橫軸形成的面積增大，蓄電池回收電量增多，因此由半橋切換成的全橋PWM控制方式，不僅能實(shí)現(xiàn)能量回饋，而且可以將所回收能量較多地存儲(chǔ)于蓄電池之中.

3 回饋能量計(jì)算

設(shè)電感電壓為

經(jīng)過(guò)整理后得

當(dāng)V2，V3導(dǎo)通時(shí)，蓄電池釋放能量 W1=0.5udΔiL(on)Δton;而 V2，V3關(guān)斷時(shí)，蓄電池存儲(chǔ)能量W2=0.5udΔiL(off)Δtoff.所以，W2與 W1之比為

因eab＜ud，W2/W1＞1，故在每一開(kāi)關(guān)周期內(nèi)均間隙對(duì)蓄電池充電，使其都有能量?jī)?chǔ)存.所以任一開(kāi)關(guān)周期內(nèi)回饋能量Wr為W2與W1之差，即:

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 回饋模式時(shí)的電流波形

采用電動(dòng)車(chē)車(chē)內(nèi)無(wú)刷直流電機(jī)，參數(shù)為:額定電壓36 V，額定功率350 W，相電阻R為0.35 Ω，相電感L為4.64 mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為0.002 kg·m2，反電勢(shì)常數(shù)k為0.09528，額定轉(zhuǎn)速400 r·min-1.選用3個(gè)VRLA鉛酸蓄電池DH1240相串聯(lián)，其額定電壓為12 V.根據(jù)圖4的控制框圖設(shè)計(jì)出控制器裝置，輸入為速度信號(hào)(轉(zhuǎn)矩信號(hào))和制動(dòng)信號(hào)，采用速度閉環(huán)、限流閉環(huán)來(lái)控制車(chē)速，根據(jù)制動(dòng)信號(hào)設(shè)置無(wú)刷直流電機(jī)工作于正常行駛模式或能量回饋模式.控制器芯片選擇ST公司的單片機(jī)STM8S105S4，軟件編程平臺(tái)為IAR For STM8 V1.20.通過(guò)編程設(shè)置定時(shí)器之值，并將PWM開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定為20 kHz，將制動(dòng)信號(hào)定為標(biāo)識(shí)符，主循環(huán)程序判斷標(biāo)識(shí)符選擇工作模式并調(diào)用相應(yīng)的子程序以設(shè)置6個(gè)開(kāi)關(guān)管的工作模式［9］.

在回饋工作模式子程序中，根據(jù)上一節(jié)式(5)編程數(shù)碼顯示每次回饋的能量Wr，測(cè)出能量回饋模式時(shí)流經(jīng)鉛酸蓄電池的電流i波形，見(jiàn)圖5.

圖4 系統(tǒng)控制框圖

圖5 回饋模式時(shí)電流i波形

由圖5可見(jiàn)放電電流尖峰脈沖幅值達(dá)到8.80 A，正向充電電流尖峰脈沖幅值為4.45 A，兩者之比為1.98，達(dá)到了文獻(xiàn)［6］所述兩者之比的范圍為1.5～3.0.此瞬間蓄電池放電電流較大，因而消除了極化現(xiàn)象，提高了蓄電池的充受率.

4.2 能量回饋對(duì)比試驗(yàn)

選取一條長(zhǎng)約2 km的道路，第1段為距離l1=400 m的平地路面，第2段為距離l2=800 m、θ約為7°的斜坡路面，第3段為距離l3=800 m的平地路面，路面狀況良好.分別做3組試驗(yàn):第1組安裝不具有能量回饋的控制器電動(dòng)車(chē)，第2組安裝帶有Boost升壓電路回饋的控制器電動(dòng)車(chē)，第3組安裝文中提出調(diào)控方案的控制器電動(dòng)車(chē).在相同的試驗(yàn)條件:蓄電池初始容量約為12 A·h、初始電壓約36 V下，3組電動(dòng)車(chē)經(jīng)過(guò)連續(xù)相同時(shí)間的加速、勻速、減速和停止4個(gè)階段的測(cè)試，獲得如表1所示的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù).

采用HIOKI3551電池內(nèi)阻測(cè)試儀測(cè)出每一圈蓄電池的內(nèi)阻，然后取算術(shù)平均值得平均內(nèi)阻ˉR;先根據(jù)文獻(xiàn)［10］中的標(biāo)準(zhǔn)蓄電池充受率測(cè)量法，在每一圈測(cè)量后兩組蓄電池充受率，其次取算術(shù)平均值獲得蓄電池回饋時(shí)平均充受率;再根據(jù)控制器于每一圈中計(jì)算獲得的Wr，與每一圈中蓄電池充受率相乘，最后取算術(shù)平均值得到平均每圈節(jié)能ˉW，平均每圈節(jié)能ˉW和行駛里程延長(zhǎng)率β均為后兩組相對(duì)于第1組的值.測(cè)量數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果表明所提出控制策略的電動(dòng)車(chē)比帶有Boost電路的電動(dòng)車(chē)蓄電池之平均內(nèi)阻減小了216 mΩ，在回饋期間平均充受率提高了約6.2%，平均每圈節(jié)能約有0.02 A·h，行駛里程延長(zhǎng)約為6.6%.

表1 能量回饋對(duì)比試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

1)文中提出了半/全橋切換PWM控制策略:藉助BLDCM整流電路，設(shè)置正常工作或回饋能量?jī)煞N模式，使車(chē)用控制器在半橋與全橋PWM波之間切換，并于回饋模式期間，利用全橋PWM波形對(duì)蓄電池作瞬時(shí)快充并間歇放電，從而達(dá)到快速儲(chǔ)能、用于續(xù)駛的目的，因而取得較佳的節(jié)能效果.

2)此控制策略技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于，采用軟件編程法，而非純?cè)鲈O(shè)Boost升壓電路或超級(jí)電容器等硬件器件，但回饋能量期間提高了充受率.文中用試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明了提出的控制策略之軟件節(jié)能效果.

3)如果全國(guó)數(shù)以?xún)|計(jì)輛輕型電動(dòng)車(chē)都采用這一節(jié)能減排新技術(shù)，每輛車(chē)按行駛里程延長(zhǎng)率18.97%來(lái)計(jì)算，則全部節(jié)能效果將是十分可觀的.基于此，課題組下一步工作將是完善軟硬件設(shè)計(jì)以形成產(chǎn)品.可以預(yù)期，論文的產(chǎn)業(yè)化成果將符合“節(jié)能減排”的國(guó)策，因而是有實(shí)用價(jià)值的.

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