基于PID串并聯(lián)結(jié)構(gòu)可變的復(fù)合電源再生制動(dòng)控制方法

任欣欣，倪驍驊

(鹽城工學(xué)院 汽車工程學(xué)院,江蘇 鹽城 224051)

0 引言

增程式電動(dòng)汽車具有開(kāi)發(fā)周期短、成本低和續(xù)航里程長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，在新能源汽車行業(yè)中有廣泛應(yīng)用，但仍然存在動(dòng)力電池維修和更換成本高，充電時(shí)間長(zhǎng)等諸多問(wèn)題[1]。建立串并聯(lián)可變的動(dòng)力電池——超級(jí)電容復(fù)合電源，利用超級(jí)電容的特性，回收再生制動(dòng)能量，在再生制動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)力電池不參與，保護(hù)了動(dòng)力電池，避免再生制動(dòng)過(guò)程中充電的大電流等對(duì)動(dòng)力電池的傷害，減少修理和更換動(dòng)力電池的成本。重點(diǎn)研究再生制動(dòng)控制策略，優(yōu)化控制策略，讓制動(dòng)電流更加穩(wěn)定，既有良好的制動(dòng)效果，又能夠提高能量回收率及利用率，引入超級(jí)電容保護(hù)動(dòng)力電池是提升增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的使用壽命的重要方式之一。

再生制動(dòng)是在增程式電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)，通過(guò)電機(jī)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程[2]，將電能通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存并在驅(qū)動(dòng)時(shí)充分利用。目前，增程式電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)大多將電能直接儲(chǔ)存在動(dòng)力電池中，一般采用通過(guò)制動(dòng)力矩、功率等的計(jì)算建立模型或者制動(dòng)力分配策略或設(shè)計(jì)再生制動(dòng)系統(tǒng)等。如周美蘭等[3]建立了整車動(dòng)力模型，加入汽車加速度、加速度變化率和道路坡度因素，通過(guò)計(jì)算在制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力矩占總制動(dòng)力的比例作為控制條件來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制電機(jī)制動(dòng)電流大小。崔弘等[4]提出了優(yōu)化再生制動(dòng)力的方法，并結(jié)合摩擦制動(dòng)力分配策略建立了控制系統(tǒng)。葛德順[5]等提出了串聯(lián)復(fù)合電源再生控制方法，利用二極管D單向?qū)ㄌ匦?，整流器的晶閘管導(dǎo)通與截止的完成對(duì)再生制動(dòng)的控制。

對(duì)于復(fù)合電源動(dòng)力電池——超級(jí)電容組成，通過(guò)是否與二極管、電感等無(wú)源器件直接相連成儲(chǔ)能元件分為無(wú)源式和有源式兩大類[6]。有源式復(fù)合電源結(jié)構(gòu)中有功率變換器，可以對(duì)復(fù)合電源充放電進(jìn)行控制，根據(jù)不同工況進(jìn)行功率分配，提高效率，改善系統(tǒng)能量利用率；而無(wú)源式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)特定的單元對(duì)復(fù)合電源充放電進(jìn)行控制。有源式結(jié)構(gòu)在組成的復(fù)合電源中加入功率變換裝置，其特點(diǎn)是可以對(duì)超級(jí)電容或蓄電池的充放電電流進(jìn)行控制，從而根據(jù)不同工況有效對(duì)復(fù)合電源進(jìn)行功率分配，提高復(fù)合電源效率，顯著改善系統(tǒng)能量利用率。因此，設(shè)計(jì)復(fù)合電源進(jìn)入再生制動(dòng)狀態(tài)通過(guò)二極管、直流接觸器斷開(kāi)動(dòng)力電池和超級(jí)電容的連接，使動(dòng)力電池不參與制動(dòng)能量回收，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，回收率高，減少大電流對(duì)動(dòng)力電池的損傷；驅(qū)動(dòng)狀態(tài)通過(guò)超級(jí)電容串聯(lián)DC/DC變換器和動(dòng)力電池并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，可以提高能量利用率[7]。

從減少動(dòng)力電池更換和維修成本出發(fā)，利用超級(jí)電容功率密度高、充放電快等特點(diǎn)，建立串并聯(lián)可變的復(fù)合電源基本結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了并聯(lián)結(jié)構(gòu)中DC/DC轉(zhuǎn)換器等。根據(jù)再生制動(dòng)過(guò)程特點(diǎn)控制制動(dòng)電流，在MATLAB/Simulink平臺(tái)上對(duì)動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)控制器控制再生制動(dòng)超級(jí)電容端電壓制動(dòng)恒定電流的控制方法進(jìn)行驗(yàn)證，證明其有效性，優(yōu)化了控制器，證明了優(yōu)化之后其電流更加穩(wěn)定，并擬合了制動(dòng)踏板和電制動(dòng)力之間的線性關(guān)系，具有更好的制動(dòng)效果。

1 串并聯(lián)可調(diào)復(fù)合電源結(jié)構(gòu)與功能

1.1 復(fù)合電源的基本結(jié)構(gòu)

為了解決復(fù)合電源串聯(lián)或者并聯(lián)后會(huì)產(chǎn)生一定的再生制動(dòng)能量回收和利用的損耗等問(wèn)題，建立了一種串并聯(lián)可調(diào)的復(fù)合電源，使動(dòng)力電池不參與制動(dòng)再生的過(guò)程，保護(hù)了動(dòng)力電池。如圖1所示。當(dāng)再生制動(dòng)控制開(kāi)關(guān)K接通時(shí)，復(fù)合電源并聯(lián)，此時(shí)電機(jī)是驅(qū)動(dòng)的過(guò)程；當(dāng)再生制動(dòng)控制開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)時(shí)，動(dòng)力電池和超級(jí)電容是串聯(lián)，電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)動(dòng)力電池不參與再生制動(dòng)能量回收，因?yàn)檎鳂驅(qū)⒍O管施加方向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)。

圖1 復(fù)合能源串并聯(lián)結(jié)構(gòu)

1.2 復(fù)合電源的工作模式

通過(guò)確定復(fù)合電源基本結(jié)構(gòu)，確定了驅(qū)動(dòng)和再生制動(dòng)兩種工作模式，在驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，再生制動(dòng)控制開(kāi)關(guān)K是a點(diǎn)閉合，超級(jí)電容通過(guò)DC/DC變換器和動(dòng)力電池并聯(lián)，二極管D通反向電壓，動(dòng)力電池和超級(jí)電容并聯(lián)驅(qū)動(dòng)；當(dāng)超級(jí)電容電量放完，二極管D將超級(jí)電容短路，動(dòng)力電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。

在再生制動(dòng)模式時(shí)，再生制動(dòng)控制開(kāi)關(guān)K是b點(diǎn)閉合，動(dòng)力電池和超級(jí)電容串聯(lián)，而此時(shí)若沒(méi)有加速踏板和制動(dòng)踏板信號(hào)，汽車處于停止?fàn)顟B(tài)或者滑行狀態(tài)，依據(jù)速度信號(hào)判斷兩種狀態(tài)?？刂破鬏敵稣伎毡萈WM低電平信號(hào)，整流橋不工作，若速度不為0時(shí)，則是滑行狀態(tài)，駕駛員踩下制動(dòng)踏板，整流橋的晶閘管截止，無(wú)法進(jìn)入再生制動(dòng)回收系統(tǒng)，車輛依靠機(jī)械摩擦制動(dòng)；當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板，電機(jī)轉(zhuǎn)速和超級(jí)電容端電壓達(dá)到工作條件后，控制器輸出PWM信號(hào)控制整流器的晶閘管打開(kāi)，電機(jī)將作為發(fā)電機(jī)對(duì)超級(jí)電容充電，進(jìn)入再生制動(dòng)模式。電路圖及信號(hào)流經(jīng)如圖2所示。

圖2 復(fù)合電源工作模式的信號(hào)和電路流經(jīng)

1.3 復(fù)合電源結(jié)構(gòu)分析

純電動(dòng)汽車的復(fù)合電源控制和制動(dòng)控制相對(duì)復(fù)雜，且兩者的本質(zhì)均屬于非線性控制[8]。倘若在不添加硬件資源的條件下，很難用常規(guī)控制來(lái)設(shè)計(jì)兩種控制器。復(fù)合電源純電動(dòng)汽車的車載電源系統(tǒng)需要綜合車輛的動(dòng)力性、兩種能源的協(xié)調(diào)等問(wèn)題，而再生制動(dòng)系統(tǒng)需要結(jié)合制動(dòng)安全、儲(chǔ)能器件安全、電機(jī)特性等問(wèn)題，從而增加了復(fù)合電源純電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)研究的難度。隨著純電動(dòng)汽車行業(yè)日益發(fā)展，相關(guān)的控制策略和控制方法的研究也愈來(lái)愈重要[9]。目前，關(guān)于復(fù)合電源純電動(dòng)汽車兩種能源的協(xié)調(diào)控制、制動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)制動(dòng)與摩擦制動(dòng)的協(xié)同控制包括實(shí)時(shí)優(yōu)化控制、邏輯門(mén)限值控制和模糊控制三種策略。

實(shí)時(shí)優(yōu)化控制策略的目標(biāo)函數(shù)必須建立在汽車動(dòng)力性、制動(dòng)回收率、燃油經(jīng)濟(jì)性等因素的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)時(shí)將行駛過(guò)程中電機(jī)消耗的電量折算成等效的燃油消耗，獲得目標(biāo)函數(shù)的最小值，實(shí)現(xiàn)能量的最優(yōu)配置[10]。實(shí)時(shí)優(yōu)化控制策略所需控制的量多，計(jì)算量非常大，且實(shí)時(shí)控制需要由芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，增加了成本，故目前還難以廣泛運(yùn)用于電動(dòng)汽車上。邏輯門(mén)限值控制方法最早被提出于20世紀(jì)中期[11]。該控制策略能夠事先對(duì)控制參數(shù)設(shè)定門(mén)限值，在系統(tǒng)工作過(guò)程中，通過(guò)比較實(shí)時(shí)參數(shù)值與門(mén)限值的大小，給出對(duì)應(yīng)判斷與指令。邏輯門(mén)限控制策略無(wú)需構(gòu)建詳細(xì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)構(gòu)原理易實(shí)現(xiàn)、控制過(guò)程簡(jiǎn)單、反應(yīng)速度快、成本低，有效避免復(fù)雜的理論分析[12]。其控制效果的優(yōu)劣取決于參數(shù)值的精確度，如果選取的控制參數(shù)合理，則可具備良好的非線性控制效果，可以滿足各種車輛的要求。

車輛實(shí)際工作過(guò)程中，車載電源狀態(tài)時(shí)刻發(fā)生改變，邏輯門(mén)限值控制方法難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性，且波動(dòng)較大，使車載系統(tǒng)或制動(dòng)系統(tǒng)的工作受限。模糊邏輯控制是一種智能化控制，源自于美國(guó)教授 L.A.Zadeh 所提的模糊集合理論，并在 1974 年被英國(guó)瑪?shù)つ峤淌诔晒?yīng)用于加熱器的控制，如今已廣泛運(yùn)用于家用電器、工業(yè)生產(chǎn)控制、軍事、電梯、地鐵等復(fù)雜非線性系統(tǒng)中。模糊控制不用構(gòu)建被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型就能實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、多目標(biāo)和非線性控制，其魯棒性和適應(yīng)性較好。模糊控制的核心技術(shù)為控制規(guī)則，該規(guī)則結(jié)合人們經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，以簡(jiǎn)單易懂的條件語(yǔ)句表示，但若模糊控制規(guī)則過(guò)多，則不利于運(yùn)算速度，導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。另外，模糊控制器構(gòu)造容易，有利于人機(jī)對(duì)話，其算法的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與常見(jiàn)的數(shù)字控制系統(tǒng)也十分相似。

2 控制方法

通過(guò)輸出固定占空比PWM控制超級(jí)電容端電壓，即整流電路晶閘管的通斷，從而使再生制動(dòng)電流恒定。預(yù)設(shè)好一個(gè)或幾個(gè)固定占空比，根據(jù)不同再生制動(dòng)強(qiáng)度要求分類輸出。通過(guò)制動(dòng)踏板和加速踏板確定復(fù)合電源工作狀態(tài)，通過(guò)制動(dòng)踏板開(kāi)度和踩踏板速度判斷制動(dòng)模式和制動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)根據(jù)超級(jí)電容電壓狀態(tài)、車速狀況判斷是否可以進(jìn)行再生制動(dòng)，以及是否可以提供的再生制動(dòng)力大小。綜合判斷后利用固定占空比將再生制動(dòng)強(qiáng)度分為4種狀態(tài)，即不進(jìn)行再生制動(dòng)、較小強(qiáng)度再生制動(dòng)、較大強(qiáng)度再生制動(dòng)和最大化再生制動(dòng)，對(duì)應(yīng)的輸出占空比分別為0，30%，60%和100%的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)整流橋，設(shè)計(jì)的控制仿真圖如圖3所示。

圖3 基于固定占空比PWM恒定電流再生制動(dòng)控制仿真圖

在制動(dòng)過(guò)程中，超級(jí)電容和動(dòng)力電池串聯(lián)組成復(fù)合電源，動(dòng)力電池不參與再生制動(dòng)，在仿真過(guò)程中，電機(jī)將充當(dāng)發(fā)電機(jī)，通過(guò)整流器某一組晶閘管導(dǎo)通，對(duì)超級(jí)電容充電過(guò)程仿真結(jié)果如圖4所示。超級(jí)電容容量為175 F，額定電壓為56 V，初始電壓設(shè)置的是12 V。再生制動(dòng)仿真是車速?gòu)?加速到30 km·h-1，消耗電池電量，當(dāng)通過(guò)直流接觸器KM和二極管D將動(dòng)力電池與超級(jí)電容斷開(kāi)連接，自駕駛員踩下制動(dòng)踏板開(kāi)始，即能夠?qū)Τ?jí)電容充電，控制器輸出0，30%，60%和100%固定的占空比，達(dá)到再生制動(dòng)電流恒定。由圖4的仿真結(jié)果可知，當(dāng)控制器輸出對(duì)應(yīng)固定占空比的制動(dòng)電流波形，其中瞬時(shí)電流采樣頻率為1 kHz，在不同占空比下制動(dòng)電流瞬時(shí)值最大達(dá)300 A，而平均電流有一些差異。不同占空比PWM輸出，電制動(dòng)時(shí)間是不一致，可以看出占空比100%的持續(xù)時(shí)間最短5.3 s，占空比60%持續(xù)時(shí)間達(dá)9.3 s，由不同再生制動(dòng)電流導(dǎo)致的制動(dòng)效果不同，即當(dāng)電機(jī)制動(dòng)車速為10 km·h-1時(shí)車輛停止，通過(guò)不同占空比PWM輸出，控制時(shí)間長(zhǎng)短不同，而當(dāng)停止后，電機(jī)制動(dòng)時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)提供的電壓小于整流器導(dǎo)通條件的電壓，因此，仿真結(jié)果表明，以輸出不同固定占空比PWM的方式控制再生制動(dòng)電流恒定是方法有效。

圖4 仿真結(jié)果圖

3 基于PID閉環(huán)控制方法優(yōu)化

基于PID超級(jí)電容端電壓的閉環(huán)再生制動(dòng)電流的控制策略，以增程式電動(dòng)汽車為平臺(tái)，考慮車輛運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)霍爾傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛速度，計(jì)算電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)，結(jié)合超級(jí)電容兩端電壓，通過(guò)輸出連續(xù)占空比PWM，以目標(biāo)再生制動(dòng)電流恒定為目標(biāo)，基于PID形成閉環(huán)控制，達(dá)到實(shí)際電流恒定，不斷反饋調(diào)節(jié)?？刂七壿嬋鐖D5所示。

圖5 超級(jí)電容端電壓的恒電流閉環(huán)控制邏輯圖

該控制邏輯為：開(kāi)始，判斷是否是制動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)電控單元(Electronic Control Unit, ECU)實(shí)時(shí)傳輸霍爾傳感器信號(hào)，若為制動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)車速和電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)大小，計(jì)算目標(biāo)再生制動(dòng)電流I大小，占空比PWM初始值為0，整流電路輸出電壓U0，超級(jí)電容端電壓Uc大小由電壓傳感器實(shí)時(shí)傳輸。

U0

U0>Uc，需要進(jìn)行電制動(dòng)，電機(jī)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)公式D=I×Re/(U0-UC)計(jì)算占空比。

D>100%，系統(tǒng)無(wú)法提供目標(biāo)制動(dòng)電流，占空比輸出100%，應(yīng)用電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大化控制策略；在再生制動(dòng)過(guò)程中，電制動(dòng)產(chǎn)生最大電磁轉(zhuǎn)矩為

電機(jī)產(chǎn)生最大功率的最大電磁轉(zhuǎn)矩為

其中ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速；Pi為電機(jī)輸入功率;ψf電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶俊?/p>

若0

D=I×Re/(U0-UC)輸出。

之后再計(jì)算下一時(shí)間的D，通過(guò)PID控制器不斷反饋，循環(huán)到流程結(jié)束為止。復(fù)合電源仿真圖如圖6所示。

圖6 基于PID復(fù)合電源再生制動(dòng)控制仿真

以超級(jí)電容輸出恒定電壓為控制目標(biāo)，如圖7所示，以制動(dòng)電流為工作模式選擇為依據(jù)完成再生制動(dòng)能量回收。

圖7 仿真結(jié)果

4 復(fù)合電源再生制動(dòng)試驗(yàn)研究

4.1 再生制動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)進(jìn)入再生制動(dòng)模式，將回收電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容中，并且有效進(jìn)行并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，在增程式電動(dòng)汽車再生制動(dòng)臺(tái)架上作相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。軟件控制監(jiān)控面板如圖8所示，其制動(dòng)性、驅(qū)動(dòng)性和能耗的情況分析如下。

圖8 監(jiān)控控制面板

4.1 整車滑行試驗(yàn)

制動(dòng)初始速度分別設(shè)定為60 km·h-1，45 km·h-1，30 km·h-1，速度減小到0的時(shí)間是不一樣的，但是制動(dòng)力矩和制動(dòng)踏板線性度擬合，制動(dòng)效果良好，通過(guò)目標(biāo)制動(dòng)電流恒定，不斷反饋調(diào)節(jié)，超級(jí)電容端電壓也相對(duì)穩(wěn)定，通過(guò)控制器輸出占空比，實(shí)際電流和目標(biāo)電流不斷調(diào)節(jié)，控制器是有效的。

圖9 制動(dòng)速度與時(shí)間

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)串并聯(lián)可調(diào)復(fù)合電源系統(tǒng)，根據(jù)再生制動(dòng)主電路模型，通過(guò)再生制動(dòng)控制開(kāi)關(guān)K和直流接觸器KM、二極管D充分保護(hù)動(dòng)力電池，避免在再生制動(dòng)過(guò)程中過(guò)充和過(guò)放而對(duì)動(dòng)力電池的損害。再生制動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)力電池和超級(jí)電容串聯(lián)，將電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容中，動(dòng)力電池不參與再生制動(dòng)。根據(jù)建立最大制動(dòng)力矩模型保證在驅(qū)動(dòng)時(shí)，固定輸出功率，超級(jí)電容和動(dòng)力電池串聯(lián)和并聯(lián)驅(qū)動(dòng)是可調(diào)的。根據(jù)占空比PWM輸出分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制，仿真得到閉環(huán)控制良好的控制性能，并且方案可行。

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