基于純電動車的無刷直流電機能量回饋控制技術研究

唐磊　袁玲　謝丹

摘 要：制動能量回收利用是提高純電動車續(xù)航里程的關鍵技術，對于以無刷直流電機（Brushless DC Motor，BLDCM）為驅動電機的電動車，采用半橋調(diào)制方式進行制動能量回收具有較高效率，還無須額外增加硬件成本。鑒于此，對采用半橋調(diào)制方式回收電動車BLDCM制動能量的技術原理進行了說明，闡述了較實用的恒回饋電流控制策略的實現(xiàn)過程，最后，在Simulink平臺驗證了該控制技術的正確性與可行性。

關鍵詞：能量回收；電動車；半橋調(diào)制；無刷直流電機；恒回饋電流

中圖分類號：U469.72；TM33? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）09-0073-04

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.021

0? ? 引言

隨著世界各國對能源危機和環(huán)境污染等問題的重視，電動汽車越來越受到人們的青睞，并有逐漸取代傳統(tǒng)燃油車的趨勢[1]。由于目前電池技術發(fā)展遇到諸多瓶頸，制動能量的回收與利用成為當前改善電動車制動效果、增加電動車續(xù)航里程的有效手段。傳統(tǒng)的電機制動方式包括在電機定子回路中串入電阻以消耗能量的能耗制動與改變電源極性的反接制動，雖然二者均有較好的制動效果，但無法實現(xiàn)制動能量的回收，還需要專門的硬件裝置。相比之下，再生制動控制方式無須額外增加硬件設備，只需修改制動時的軟件程序，就能將制動能量回饋到車載電池。但在保證正常制動的前提下實現(xiàn)能量的回收與利用，提高電動車在正常行駛過程中的續(xù)航里程，需要從電機本身特性、蓄電池荷電狀態(tài)、汽車行駛工況、汽車驅動形式以及駕駛員駕駛習慣等諸多方面來考慮。

為回收無刷直流電機制動時電動汽車的制動能量，文獻[2]設計了一個以三維模糊控制器為核心的恒轉矩模糊控制策略對能量進行回收，文獻[3]提出了基于模型預測電流控制的恒值電流回饋制動控制策略，但均未考慮到蓄電池最大充電電流與電機工作特性等因素的影響；文獻[4]采用模糊控制策略調(diào)節(jié)功率器件的占空比，為無刷直流電機的回饋電流控制提供了參考。

為研究電動車制動時制動能量回收等問題，本文對采用半橋制動方式實現(xiàn)無刷直流電機制動能量回饋進行了詳細分析與研究，考慮到蓄電池最大回饋電流的問題，提出實用的恒定回饋電流控制策略實現(xiàn)電動車的能量回收，使電機轉速在較寬范圍內(nèi)，即使在緊急制動時回饋電流也不會超出蓄電池最大充電電流值，以確保蓄電池充電安全。

1? ? 電動車無刷直流電機工作模型

假定電機鐵芯未飽和，繞組完全對稱，帶有能量回饋控制的無刷直流電機與電源系統(tǒng)數(shù)學模型如圖1所示[5]，該系統(tǒng)由無刷直流電機、驅動控制器、車載蓄電池、雙向DC-DC裝置以及超級電容等部分組成。

根據(jù)圖1所示的數(shù)學模型，可得到BLDCM的端電壓與電流方程[5]：

式中：uA、uB、uC為電機定子繞組端電壓；uNO為中性點電位；R為電機定子電阻；iA、iB、iC為電機定子電流；LM為電機定子繞組綜合電感；eA、eB、eC為電機反電動勢。

BLDCM處于電動狀態(tài)時，位置傳感器輸出信號、反電動勢、定子電流波形與導通功率管之間的關系如圖2所示，可以看到，BLDCM電動運行時，相電流波形為方波，反電動勢波形為頂寬120°的梯形波，并且相電流和反電動勢在相位上還有同步關系。

2? ? BLDCM能量回饋控制策略

2.1? ? 半橋調(diào)制

BLDCM的回饋制動可分為全橋調(diào)制和半橋調(diào)制兩種，其控制各有優(yōu)缺點，雖然半橋調(diào)制對蓄電池的回饋能力較小，但制動時只對上橋臂或下橋臂的開關管進行控制，且調(diào)制過程中蓄電池對外不會有能量輸出，因而能量回收效率較高。

根據(jù)電動車的特性，能量回收只能在制動時實現(xiàn)，同時還需考慮制動效果，縮短制動時間。根據(jù)BLDCM的電磁制動關系，改變電機電樞繞組的電流流經(jīng)方向即可對電機進行制動，根據(jù)圖2所示的霍爾信號與相電流關系，可以得到制動時需要控制的功率開關管如表1所示。

由于BLDCM是在車載蓄電池的作用下電動運行，電動車在正常情況下的行駛速度所產(chǎn)生的反電動勢無法高于蓄電池電壓，若要將制動能量回收至車載蓄電池進行后續(xù)利用，必須通過升壓斬波電路進行。

下面以霍爾輸出信號為001的電路為例，說明對下橋臂進行調(diào)制而對上橋臂關斷的半橋調(diào)制方式的工作原理。由圖2及表1可知，在霍爾輸出信號為001時，反電動勢eB=-E，eC=+E，-E＜eA＜+E，進行調(diào)制的將是功率管Q6，其PWM在一個周期內(nèi)的波形如圖3所示。

2.2? ? 能量儲存過程

霍爾輸出信號為001，當PWM輸出信號為高電平（t1—t2階段），即功率管Q6導通時，電機繞組電流在反電動勢作用下上升，在電機繞組電感中儲存能量，該過程稱為電動機繞組能量儲存過程，也就是續(xù)流狀態(tài)，根據(jù)eA的正負，又可分兩種情況進行，電流回路如圖4所示。

（1）當0＜eA＜+E時，二極管D1與D2承受反向電壓而截止，A相繞組不參與導電，系統(tǒng)形成的電流通路如圖4（a）所示，此時iA=0，iC=-iB=i，eC=-eB=E，可得系統(tǒng)方程為：

（2）當-E＜eA＜0時，二極管D2承受正向電壓導通，此時的A相繞組也參與到續(xù)流回路中，如圖4（b）所示，由于iA+iB+iC=0，eC=-eB，可以得到：

代入式（1）可以得到此時的電壓方程為：

若不計電阻耗損，根據(jù)升壓斬波電路有關理論[6]，在續(xù)流階段，電動機電感中儲存的能量為：

2.3? ? 能量回饋過程

霍爾輸出信號為001，當PWM輸出信號為低電平（t2—t3階段），即Q6截止時，圖4所示的續(xù)流回路被切斷，B、C相繞組電感與所在相二極管以及Q6組成升壓斬波電路，此時，繞組電感在電動車慣性作用下會產(chǎn)生感應電動勢，升壓斬波電路會對該反電動勢進行泵升，最終使得電流流過相繞組的反電動勢與感應電動勢之和大于蓄電池的端電壓，Q6截止時，電感儲存的能量將對車載蓄電池進行充電，從而完成電動機能量的回收，此時的系統(tǒng)處于制動充電狀態(tài)，其電路圖如圖5所示。

由于iA=0，iC=-iB=i，eC=-eB，易得蓄電池充電電壓uCB：

式中：uL為電機B、C兩相繞組兩端總電壓。

由式（6）可知，當繞組電流減小到一定程度后會有uCB≤Ud，此時二極管D5在反向電壓的作用下截止，充電自動終止。

制動充電過程，不計電阻耗損，回饋至蓄電池的能量[6]為：

式（7）等號右邊第一項為電動車動能經(jīng)電磁作用轉變成的電能；第二項為電感在此過程中釋放的磁場能，其大小為：

系統(tǒng)運行穩(wěn)定時，整個制動過程中繞組電感在t1—t2期間吸收的能量和t2—t3期間釋放的能量應相等，即：

式中：k為PWM占空比。

制動時，要使uCB≥Ud，必須有：

2.4? ? 能量回收控制策略

考慮到電動汽車制動時，對能量的回收利用一般是在電動機轉速較高時，同時為避免過高的回饋電流可能對蓄電池造成損壞，采用恒定充電電流這一電動車制動能量回收的實用控制策略，該策略以回饋電流為控制對象，兼顧能量回收與過充保護的功能，其控制電路框圖如圖6所示。具體實現(xiàn)方法是將采集到的蓄電池充電電流與不超過蓄電池最大充電電流的參考值作比較，經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)器輸出作為功率器件的PWM占空比，同時根據(jù)BLDCM的位置信息，按表1控制對應的驅動器件，從而限制能量回饋時蓄電池的充電電流，在一定程度上保護蓄電池不受損壞。

3? ? 仿真分析

在Simulink平臺搭建系統(tǒng)仿真模型，設置好參數(shù)后對BLDCM制動時能量進行回收控制，蓄電池電壓為96 V，仿真所用電機參數(shù)如表2所示。

通過仿真調(diào)試，在設定電機轉速為3 000 r/min時開始進行能量回收控制，圖7給出了蓄電池參考回饋電流分別為15 A與20 A時的電動機轉速、蓄電池回饋電流以及電動機電磁轉矩的仿真結果。

由圖7可知，電機起始轉速為3 000 r/min，高速運行，同時開始制動，啟動能量回收控制，制動瞬間，有較大沖擊電流出現(xiàn)，但立即降至給定值左右，同時也產(chǎn)生了較大轉矩，方向與運行方向相反，為制動轉矩，0.2 s開始電機按線性規(guī)律逐漸降低轉速運行，在轉速持續(xù)降低過程中，由于電流控制器的調(diào)節(jié)作用，能量回收時的回饋電流基本保持不變，制動轉矩也基本恒定，幾乎實現(xiàn)了恒轉矩制動；同時，由仿真結果可知，當電機轉速低至一定程度時，由于電流調(diào)節(jié)器的飽和，回饋電流基本不可控，電動車能量回收幾乎難以實現(xiàn)，因此，在實際應用時，只需對電動車加以簡單控制，使其在低速時停止能量回饋制動，由機械制動或電動車本身阻力就可使電動車完全停車。

4? ? 結論

采用半橋調(diào)制方式可以有效對純電動車BLDCM的制動能量進行回收利用，從而增加電動車的續(xù)航里程，在一定程度上提高其與傳統(tǒng)汽車的競爭力。在能量回饋時對蓄電池充電電流進行控制，可以避免在電動汽車下坡或緊急制動時充電電流過大對蓄電池造成的損壞。Simulink仿真結果驗證了本文所述電動車輔助電源系統(tǒng)的正確性和有效性。但是，純電動車制動時應以安全為主，制動距離、低速制動、蓄電池荷電狀態(tài)以及汽車駕駛員行駛習慣等均應成為電動車制動時能量回收的考慮因素，因此，本文提出的電動車能量回饋控制技術仍需進一步完善。

[參考文獻]

[1] 高健.提高電動汽車回饋效率的再生制動控制策略研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學，2017.

[2] 趙景波，王代超，李卉，等.電動汽車無刷直流電機能量回饋制動系統(tǒng)設計[J].電機與控制應用，2017，44（7）：129-135.

[3] 王曉遠，傅濤.基于模型預測控制策略的電動車用無刷直流電機回饋制動的研究[J].電工技術學報，2017，32（9）：16-23.

[4] 周美蘭，孫宏達，趙強.純電動汽車半橋斬波式能量回饋控制[J].黑龍江大學自然科學學報，2015，32（4）：538-544.

[5] 唐磊，陳春曉，謝丹.無刷直流電機改進滑模觀測器控制的研究[J].機電信息，2021（23）：5-9.

[6] 徐德鴻，馬皓，汪槱生.電力電子技術[M].北京：科學出版社，2017.

收稿日期：2023-01-13

作者簡介：唐磊（1988—），男，湖南岳陽人，碩士，講師，主要從事城市軌道交通機電技術方面的教學與科研工作。

基金項目：2021年湖南省教育廳科學研究項目（21C1305）