新能源汽車永磁無刷直流電機制動能量回饋雙閉環控制技術

楊小兵,路高磊,王發群（鄭州日產汽車有限公司,鄭州 450016）

新能源汽車永磁無刷直流電機制動能量回饋雙閉環控制技術

楊小兵,路高磊,王發群
（鄭州日產汽車有限公司,鄭州 450016）

本文分析了新能源汽車永磁無刷直流電機制動能量回饋的雙閉環控制方法，論述了永磁無刷電機能量回饋原理和雙閉環控制原理，根據電機制動能量回饋原理提出一種實現制動可靠能量回饋控制方法，通過在電機控制器測試臺架上進行了測試，達到了預期的控制效果。

新能源汽車；永磁無刷直流電機；能量回饋；雙閉環控制

1 前言

隨著新能源汽車控制技術的發展，對新能源汽車控制技術的要求越來越高，提高續航里程是其中的一個重要問題，而新能源汽車用電機能量回饋技術可以將汽車制動和減速時[1]的部分動能轉化為電能回饋到蓄電池，從而提高電動汽車的續駛里程，但是，蓄電池容量都有一定的限制，制動能量回饋時將產生很高的泵升電壓和電流，為了避免過高的泵升電壓和電流對系統帶來危害，文中提出了通過控制占空比的辦法來抑制泵升電壓[2]和電流，提出了一種電壓和電流雙閉環數字控制方案，實現對泵升電壓和電流的抑制，該方法通過數字控制實現，無需改動或增加硬件[3]，該方法可迅速抑制泵升電壓和電流，實現可靠的能量回饋控制，且具有良好的制動效果。

2 系統構成和工作原理

圖1是永磁無刷直流電機控制系統框圖，系統由電源、控制電路、PWM驅動電路、功率逆變電路、位置傳感器和永磁無刷電機組成。

圖1 永磁無刷直流電機控制系統

工作原理：能量回饋即電動機工作于再生制動模式，在制動過程中，通過控制電路控制驅動電路和逆變電路使電機電流方向與正向運行時相反，便會產生制動性質的轉矩。當產生的電壓高于蓄電池電壓時，可以將電流回饋至蓄電池，達到能量回饋的目的，在能量回饋控制時，將逆變電路上橋臂的功率管關斷，根據位置傳感器信號對下橋臂的功率管的通斷進行有規律的PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）控制，可以起到與Boost（升壓）變換器相同的效果，其基本控制原理是Boost Chopper（升壓斬波）方式，本文中選用半橋調制方式，在半橋斬波方式里，逆變電路6個開關管中，只有處于相同半橋上的3個元件（如圖2中VT4、VT6、VT2）通有PWM波，另半橋上的3個元件（如圖2中VT1、VT3、VT5）始終是關斷的。

3 制動能量回饋運行原理分析和回饋電壓、電流限制方案

3.1 制動能量回饋運行原理分析

如圖2所示，在能量回饋狀態時，利用控制電路的控制信號，將功率逆變電路上半橋的功率管VT1、VT3、VT5全部關閉，而將下半橋的功率管VT2、VT4、VT6分別按照一定的規律進行PWM控制，這樣，因上半橋續流二極管D1、D3、D5的存在，其等效電路等同于一個半控整流電路。

因新能源電動汽車電池特性，電機在進入能量回饋工作時，其回饋電壓必須高于蓄電池電壓，才能輸出電功率，所以能量回饋運行的控制方法是采用半控整流的PWM升壓工作原理，但是，在設計電機時應該考慮到最高轉速的回饋輸出電壓不應該大于蓄電池的最高充電電壓,在低轉速時的能量回饋運行是使下半橋的功率管VT2、VT4、VT6按規律通過PWM波控制產生泵升電壓，當泵升電壓高于蓄電池的端電壓時就輸出電能，這一過程全部由控制電路控制。

為了便于分析，選擇VT4導通，且對脈寬調制工作取PWM的一個脈沖周期T進行分析[4]，設導通時間為t1，則截止時間T-t1。圖2、圖3給出了VT4在PWM一個脈沖周期T內導通和截止的能量回饋運行工作示意圖 。

圖2 在0到t1時間段VT4導通

在[0，t1]時間段內VT4導通，其工作回路為A相繞組進入VT4，然后進入D6，而后進入B相繞組，最后回到A相繞組。此時屬于電機電感儲存磁場能量的過程。當忽略VT4、D6的管壓降時，由電壓回路方程 ：

且令UA-UB=0，i=-iA=iB得到回路電壓方程為：

存儲于電機電感2（L-M）的磁場能量為：

圖3 在[t1,T]時間段VT4截止

在[t1，T]時間段VT4截止，其工作回路為A相繞組進入D1，而后進入蓄電池再通過D6進入B相繞組，最后回到A相繞組。此時電機電感釋放磁場能量的過程。當忽略D1、D6的管壓降時，由式（1）且令UA-UB=Ud，i=-iA=iB得到回路電壓方程為：

回路電流為

蓄電池吸收的能量為 ：

式中，We、WR、WL'分別為[t1，T]時間段內的汽車動能經電機電磁功率轉換的電能、電機繞組發熱消耗的電能、電機電感2（L-M）釋放的磁場能量 。

設穩態運行時，電機電感2（L-M）在[0，t1]時間段內吸收的能量等于在[t1，T]時間段釋放的能量，即WL=WL'，結合式（8）、（9）得到 ：

則有當不考慮電流i的脈動，且忽略相電阻R時，由式得到：故得到 ：

式中D=t1/T即PWM的占空比,所以控制PWM的占空比D的大小即可使蓄電池兩端的電壓 uAB≥Ud（14）

3.2 回饋電壓、電流限制方案

新能源汽車用永磁無刷直流電機驅動系統的能量回饋過程要受到車輛運行狀態的限制，能量回饋的過程還要受到制動安全和蓄電池的充電承受能力充電電流的大小限制，包括蓄電池SOC（State of Charge，荷電狀態），電機系統的回饋能力和當前轉速等。回饋制動控制方案需要與整車要求緊密結合，在實際應用中，回饋制動應滿足一定的約束條件，并采取相應的控制方案。如圖4所示，本文采取在控制電路中以閉環控制的方式自動調整PWM占空比D ，采用雙PI（比例積分）控制閉環方式，外層是回饋電流控制閉環，內層是回饋電壓控制環，回饋電流環輸出作為回饋電壓環的輸入，選擇合適的PI控制參數，使回饋電壓不低于蓄電池額定電壓和不超過蓄電池允許的最高充電電壓，并滿足回饋電流不超過蓄電池允許的最大充電電流。程序編寫采用模塊化設計和實時性強的中斷方式，將制動回饋模塊放入定時中斷，能快速響應制動能量回饋。

圖4 回饋電壓電流控制

圖5是制動能量回饋模塊程序流程圖，控制板根據當前車輛運行狀況（如車速、油門踏板、制動踏板等）計算出制動能量回饋轉矩需求值，將回饋轉矩需求值乘以轉矩電流系數得到回饋電流需求值，根據電機額定轉矩和電池充電功率限制等參數計算出最大回饋轉矩，根據車輛加減速時車輛的平穩性需求計算出回饋轉矩變化率限制值，通過PI參數設置對上述參數進行限制，實現可靠的制動能量回饋。

圖5 制動能量回饋模塊程序流程圖

4 電機臺架測試驗證

本文所述控制方案采用11KW永磁無刷直流電機在電機測功機臺架上進行了實驗，電源使用直流穩壓電源，回饋能量通過放入水中的電加熱器進行了釋放。

表1 低轉速時回饋電壓、回饋電流和占空比數據記錄

實驗數據表明該控制方法能將回饋電流限制在所設定的5.5A左右，能將回饋電壓限制在所設定的195～210的范圍內。

5 結語

本文所采用能量回饋控制方案，不需要改動和增加硬件，直接利用現有的硬件電路實現了可靠的能量回饋，且對能量回饋過程進行了有效控制，達到了較好的能量回饋和制動效果。

[1]張俊智，薛俊亮等. 混合動力城市客車串聯式制動能量回饋技術[J].機械工程學報,2009（06）.

[2]宋小慶.電動裝甲車無刷直流電機驅動系統的再生制動[J].微電機,2001,34（01）:27-30.

[3]俞志文等.電動汽車用無刷直流電機回饋制動研究[D].會議論文,2009.

[4]黃斐梨,王耀明,姜新建,劉士祥,李發海.電動汽車永磁無刷直流電機驅動系統低速能量回饋制動的研究[J].電工技術學報,l995（03）:28-3l.

楊小兵（1978-），男，本科，主要從事：新能源混合動力汽車、純電動汽車的研究開發工作。