一種再生制動控制策略的實驗與仿真分析

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（1.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇大學 電氣信息工程學院，江蘇 鎮江 212013）

1 引言

純電動汽車具有節能、低噪聲、零排放等突出優點，是電動汽車發展的重要方向之一。然而，電動汽車至今尚未形成規模，主要原因是電動汽車不盡人意的續駛里程以及電能的轉換效率。車載電源是制約電動汽車發展的關鍵技術之一，現代電動汽車的瓶頸仍然是車用儲能裝置即電池技術，電池的能量、成本、質量以及電池的充電設備構建等都制約著電動汽車的發展［1］。動力電池的主要缺陷：1）功率密度低，只有汽油的幾十分之一，這嚴重地制約了電動汽車的續駛里程；2）動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，而出于剎車安全考慮，車輛的制動功率要求很高，通常是起步功率的幾倍，因此動力電池一般無法滿足再生制動的功率要求，從而也不適宜做再生制動的儲能容器。

如何提高車輛動力性和續航里程是當前電動汽車主要研究方向之一，資料表明，在典型城市工況下，在汽車制動過程中以熱能方式消散到空氣中的能量約占驅動能量的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，電動汽車續駛里程將大大提高。

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

在電動汽車能量管理系統中，要求能盡可能多地利用再生制動回饋的能量。通常采用向蓄電池充電來吸收再生制動回饋的能量，其缺點是蓄電池難以實現短時間大功率充電，且充放電循環次數有限，成本高。近年發展起來的超級電容器具有比功率高、循環壽命長等突出特點。它能存儲大量電荷，并且充放電迅速，能夠在電動汽車加速時提供足夠高的峰值電流，制動時可以迅速吸收回饋大電流，從而達到回收車輛動能［2－3］。

因此，合理的利用電機的再生制動，不僅能為汽車提供輔助制動功能，提高整車制動性能，而且能夠通過回收制動能量來節約能源，延長電動汽車的一次充電續駛里程。根據美國電力科學研究院（EPRI）對在美國幾個城市中的電動汽車實際運行所做的統計數據表明，對于在這些城市中頻繁啟、停的電動汽車，再生制動給動力蓄電池組補充的能量，能使它的續駛里程增加10%～20%，因此在現有的情況下，對電動汽車再生制動進行研究是一項非常有意義的工作。

2 系統概述

再生制動又稱再生回饋制動，其原理是在制動時將電動車行駛的慣性能量傳遞給電機，電機以發電方式工作，實現制動能量再生利用。同時，產生的電機制動力矩又可對驅動輪施加制動，產生制動力。由于再生制動利用了原本被消耗于摩擦制動的能量，因此可降低車輛的能耗，改善目前由于蓄電池能量密度低帶來的續駛里程短的瓶頸［4］。

2.1 再生制動方案設計

本文提到的電動汽車用電機是一臺直流無刷電機，再生制動系統如圖1所示。

圖1 再生制動系統的示意圖Fig.1 Regenerative brake system diagram

圖1中，蓄電池是主電源，是汽車行駛的動力源。超級電容是再生能量的儲存容器，車輛剎車制動時，電機通過回饋制動將車輛動能轉化為電能，回饋的電能經逆變器、DC－DC控制器轉移到超級電容中存儲；車輛起步行駛時，超級電容又作為輔助動力源，將儲存電能釋放出去以供驅動車輛使用。DC－DC控制器實際上是一個電壓調節系統，其作用是調節逆變器直流側電壓或超級電容電壓。逆變器在電機電動時，將蓄電池直流電能逆變成交流電能以驅動電機；在電機回饋制動時，又將電機產生的交流電能整流成直流電能，經DC－DC控制器，將電能儲存在超級電容中。

2.2 控制系統硬件結構

再生制動系統電路主要由采樣電路、驅動電路、功率電路和控制電路構成，該系統以單片機ATMEGA 16為控制核心，構成整個控制系統的硬件電路（見圖2）?？刂葡到y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、電機轉速采樣電路、加速信號和制動信號采樣電路、4路PWM驅動電路和2路開關信號輸出電路［5］。

圖2 控制系統硬件結構圖Fig.2 Hardware structure of control system

控制系統硬件電路的主要功能是采集各類信號，以供主控制單元判斷實驗員的意圖和再生制動系統的運行狀態；主控制單元分析對比實驗員的意圖和系統的運行狀態后再輸出各類控制信號（4路PWM信號和2路開關信號），控制信號經驅動電路控制整個系統的運行；主控制單元與上位機串口通信，主控制單元可以將采集到的各種電壓、電流數據發送到PC機，PC機以圖形和數字的形式顯示系統運行狀況，并儲存采集到的數據，PC機也可以通過串口通信間接控制再生制動系統運行。

2.3 主電路設計

為了電能可以方便地在蓄電池、超級電容和電機之間轉移，本文采用了一種獨特主電路拓撲結構，如圖3所示。主電路主要由雙向DC－DC模塊、繼電器和逆變器構成。

圖3 主電路拓撲結構Fig.3 The main circuit topology

繼電器能方便地接通或斷開蓄電池與主電路之間的回路。逆變器由6個MOSFET構成，電機電動時，逆變器將直流側的直流電能轉換為交流電能以供驅動電機；電機回饋制動時，因MOSFET內部寄生1個并聯二極管，此時逆變器相當于1個整流電路，可以將電機發電產生的交流電能轉換為直流電能輸出到逆變器的直流側；雙向DC－DC模塊是由4個MOSFET管和1個電感組成1個H橋電路，它具有雙向升壓降壓作用，即在再生制動時，可以從逆變器直流側到超級電容兩端的升壓或降壓，也可以在啟動時，從超級電容兩端到逆變器直流側的升壓或降壓。下文將詳細地介紹雙向DC－DC的功能，在此不再贅述。

3 再生制動控制策略研究

本文中的再生制動控制策略不僅針對再生制動時車輛動能的回收和存儲問題，還包括回收電能再利用的問題，從總體上可以將整個工況劃分為電機啟動行駛和再生制動2種工況。

3.1 電機啟動的控制策略

電機啟動時主要原則是優先利用超級電容中儲存的電能，等超級電容中電能不足以滿足電機的功率要求，再切換到蓄電池供電，由蓄電池繼續驅動電機。因此，整個電機啟動過程可以劃分超級電容供電和蓄電池供電2種狀態。

1）超級電容供電。此時，繼電器斷開蓄電池與主電路之間的回路，因為超級電容端電壓小于蓄電池電壓，此時雙向DC－DC工作于輸出升壓狀態，將超級電容電壓升高至蓄電池電壓持平，以便向電機供電［6］。

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

3.2 再生制動的控制策略

在再生制動過程中，電機轉速因制動不斷下降，而超級電容一直處于充電狀態，因此，在整個過程中，直流側電壓不斷下降，而超級電容端電壓卻不斷上升。為了保證在整個制動過程中，電機再生制動產生的電能都可以順利轉移到超級電容中儲存，需先降壓制動，后采用升壓制動。

1）降壓制動。再生制動初期，電機轉速高，直流側輸出電壓也高，超級電容經前一階段放電，端電壓低，此時若直接向超級電容充電，難免造成制動電流過大，故雙向DC－DC宜工作在輸入降壓狀態，以降低直流側輸出電壓再向超級電容充電。

2）升壓制動。再生制動后期，電機轉速低，直流側輸出電壓也低，超級電容經前一階段充電，電壓有所提高，為了保證再生制動回饋的電能可以繼續向超級電容充電，此時雙向DC－DC宜工作在輸入升壓狀態，升高直流側電壓向超級電容充電。

若要確保在整個再生制動過程中電機的制動轉矩恒定，須先確保制動電流恒定，而恒電流制動需采用電流閉環控制制動電流。簡言之，再生制動過程中，控制雙向DC－DC，使之在降壓制動和升壓制動2種狀態下都可以確保制動電流恒定。

4 Simulink仿真模型搭建

本文在Simulink仿真環境下搭建了再生制動系統的數學模型，其中包括電機模型、雙向DC－DC模型、電機啟動控制模型和再生制動控制模型。

4.1 電機啟動控制模型

電機啟動的原則是優先利用超級電容中存儲的電能，直至超級電容無法滿足電機的功率要求，再切換到蓄電池供電，啟動控制模型如圖4所示。

圖4 電機啟動控制模型Fig.4 Motor start control model

試驗表明，超級電容提供電能驅動電機，電機轉速達到80r／min時，超級電容就無法滿足電機的功率要求。所以在Simulink仿真環境下，當電機轉速超過80r／min，繼電器自動接通蓄電池與主電路之間的回路，雙向DC－DC停止工作，此時蓄電池向電機供電。

在超級電容供電時，為了可以正常啟動電機須提高超級電容輸出電壓，使之與蓄電池電壓持平。此時雙向DC－DC須工作在輸出升壓狀態下，與此同時，采用輸出電壓閉環控制，先采樣直流側電壓，再與電壓給定值比較，根據比較結果調節PWM的占空比，使超級電容經升壓后輸出電壓始終與蓄電池電壓持平。

這樣，超級電容經升壓后再向電機供電，其作用相當于蓄電池直接向電機供電。

4.2 再生制動控制模型

再生制動過程中，為確保電機制動轉矩恒定，本文采用電流閉環控制以確保電機制動電流恒定，電流閉環控制模型如圖5所示。

圖5 再生制動控制模型Fig.5 Regenerative braking control model

為了確保電機制動電流在降壓制動和升壓制動2個過程之間可以平穩過渡，降壓制動時的電流給定值略大于升壓制動時的電流給定值。另外，在降壓制動時，電機制動電流不連續，為了保證制動轉矩恒定，只能采用制動電流平均值恒定的方式，先采樣電機平均制動電流，再與給定值比較后調節相應PWM的占空比，以控制電機制動電流的平均值；在升壓制動時，電機制動電流連續，可以采用電流滯環控制，先采樣制動電流，并與給定值比較，當制動電流超過上限值時，相應的MOSFET導通，此時電機制動電流開始爬升，制動電流低于下限值時，相應的MOSFET關斷，制動電流逐漸下降。

5 實驗與仿真結果

由于試驗條件限制，搭建的試驗臺包括：蓄電池（額定電壓50V）、超級電容（5F）和飛輪（轉動慣量：1.81kg·m2），飛輪模擬電動汽車質量，再生制動回收的動能也是飛輪的動能，以下是試驗臺實驗和仿真結果。

5.1 電機啟動時的實驗和仿真結果

如圖6所示，前半段是在超級電容驅動下的電機轉速曲線，后半段是蓄電池驅動下的電機轉速曲線。

由圖6中仿真曲線和實驗曲線可知：1）實現了先由超級電容驅動電機，當超級電容無法滿足電機功率要求時切換到蓄電池供電繼續驅動電機；2）由于超級電容經過前半段的放電，后半段已無法滿足電機的功率要求，從而，電機轉速曲線出現了轉折點；3）仿真曲線與實驗曲線基本一致。

圖6 電機啟動的轉速曲線Fig.6 The speed curves of the motor starting

5.2 再生制動的實驗和仿真結果

如圖7所示，電機轉速仿真曲線和實驗曲線基本上是一致的。由于電機摩擦阻力跟速度有關，高速時摩擦阻力大，低速時摩擦阻力??；加上制動電流隨著速度不斷下降，電機制動電流無法維持恒定而下降，所以在前半段電機制動轉矩保持恒定，而在后半段電機制動轉矩也隨著制動電流下降而下降。

圖7 再生制動的轉速曲線Fig.7 The speed curves of the regenerative barking

綜合上述2個因素，在前半段電機減速度大，后半段電機減速度小，所以在整個過程電機沒有保持勻減速制動。

圖8是超級電容的電壓曲線，首先，仿真曲線與實驗曲線基本一致。由于超級電容內阻的存在，在超級電容充電時，充電電流會在內阻上形成壓降，因此在再生制動開始的瞬間，超級電容端電壓就爬升到20V左右（超級電容的初始電壓為10V）。

圖8 超級電容的端電壓曲線Fig.8 Terminal voltage curves of super capacitor

圖9是電機制動電流仿真曲線，前半段電機制動電流維持恒定；后半段隨著電機轉速不斷下降，電機反電動勢隨之下降，此時，電機制動電流無法維持恒定而不斷下降。

圖9 制動電流的仿真曲線Fig.9 Simulation of braking current curve

6 結論

通過分析實驗和仿真的結果，可以得到以下結論：1）超級電容作為儲能容器，可以存儲再生制動回收的電能，然后再將回收的電能再利用以啟動電機，從而實現提高電能利用率的目的；2）再生制動過程中，適當地采用合理的控制策略可以保證電機制動轉矩的恒定，進一步通過改變電流給定值，可以達到控制電機制動轉矩大小的目的；3）從理論和實驗角度上，證明了此再生制動系統的可行性。

［1］孫逢春.電動汽車［M］.北京：北京理工大學出版社，1996.

［2］陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現代電動汽車技術［M］.北京：北京理工大學出版社，2002.

［3］王雪迪，楊中平.超級電容在城市軌道交通中改善電網電壓的研究［J］.電氣傳動，2009，39（3）：77－80.

［4］程偉，徐國卿，王曉東.電動汽車用永磁無刷電機回饋制動技術研究［J］.電氣傳動，2005，35（11）：15－23.

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