電動汽車用直流無刷電機能量回饋研究

李興全，李 博

錦州海伯倫汽車電子有限公司，遼寧錦州 121000

0 引言

隨著能源供應的緊張，汽油的價格越來越高，使用電能作為汽車的動力將會是未來發展的大趨勢。但是目前車用動力電池的儲能低、充電時間長是制約其應用和普及的瓶頸。而采用能量回饋的方式，可以將電動汽車剎車時的能量回饋給電池，這就變相的增加了動力電池的儲能大小，延長了電池一次充電的續駛里程，具有重要的現實意義。本文將專門探討直流無刷電機在電動汽車中使用的能量回饋方式。

1 系統構成

1.1 整車動力系統組成

整車動力系統主要由蓄電池、直流無刷電機、電機控制器和霍爾位置傳感器組成，見圖1。蓄電池作為整車的電量儲存設備，為電動汽車的運行提供電能。位置傳感器采用120°電角度的霍爾傳感器。電機控制器根據電機運行時的位置傳感器信號，按照霍爾序列與三相全橋開關的對應順序進行功率管的開關變換?；魻栃盘柵c三相全橋的順序如表1所列，通過圖2所示的功率變換電路，將蓄電池的直流電轉換成電機工作的交流電流。

圖1 整車動力系統組成圖

表1 電動汽車正向行駛霍爾序列與三相全橋開關對應關系

1.2 功率變換部分組成

圖2 功率變換部分組成圖

圖3 感生電動勢與霍爾序列時序圖

功率變換部分主要由蓄電池、功率變換電路和直流無刷電機組成，如圖2所示。假設電動汽車正向行駛時開關橋的順序按照表1中的對應順序，則開關橋和對應的感生電動勢波形為圖3所示變化。

1.3 回饋控制方式的分類

按照回饋的不同方式，將直流無刷的能量回饋分為自然回饋、全橋回饋和半橋回饋三種類型。

1.3.1 自然回饋方式

當電動汽車處于下坡位置，由于重力加速度使車速不斷加快，電機轉速隨之升高。根據直流無刷電機的特性，當電機轉速n大于Ce?/U時，線圈所產生的感生電動勢就會超過電池電壓U，將產生的電量自然的回饋到電池中。此時三相全橋中的六個mosfet均處于截止狀態，mosfet的續流二極管處于三相整流工作狀態。

1.3.2 全橋回饋方式

全橋回饋以t0～t2區間為例，此時T1和T4全部進行PWM調制。

當T1和T4均為導通狀態下，選電池的負極為參考點，此時三相中點的電壓U0=U/2，D6一直處于截止狀態，電流運行方向為：電池正極→T1→A相線圈→B相線圈→T4→電池負極。

當T1和T4處于關斷狀態，此時三相中點的電壓U0=-Ec，電流的運行方向為：電池負極→D2→A相線圈→B相線圈→D3→電池正極，由電機向電池回饋能量。

可以看出在t0～t1區間，D6雖然處于正向壓降，但電路中并沒有回路；在t1～t2區間，D6處于反向壓降截止狀態。所以在t1～t2整個周期內，D6一直處于截止狀態。

1.3.3 半橋調制

半橋調制就是在能量回饋時針對上橋T1、T3和T5或下橋的T2、T4和T6進行調制的回饋方式，通過升壓斬波將電機線圈產生的感生電動勢的能量回饋到電池，仍以t0～t2區間為例。

1）上半橋能量回饋

在采用上半橋制動的續流階段，此時T1和T3導通，續流電流的流向為：A相線圈→T1→T3→B相線圈。在t0～t1區間，取電池負極作為參考電點，三相中點的電勢U0=U，U＞Ec＞0 ，D5獲得正向壓降通過T3→B相線圈→C相線圈D5構成回路，D6獲得反向壓降處于截止狀態；在t1～t2區間，三相中點的電勢U0=U，Ec＜0，D5獲得反向電壓，處于截止狀態。D6獲得正向電壓，但由于下橋全部處于截止狀態，所以D6不導通。

采用上半橋的能量回饋過程中，在t1～t2區間的回饋電流流向為：電池負極→D4→B相線圈→A相線圈→D1→電池正極。在t0～t1區間的回饋電流比在t1～t2區間的基礎上多出了電流的流向為：電池負極→T4→B相線圈→C相線圈→D5→電池正極。

由上可知，采用上橋能量回饋時，可分為t0～t1區間和t1～t2區間有兩種情況，在t0～t1區間C相線圈參與回饋，A相線圈與B相線圈的電流不同，會產生轉矩脈動噪聲。在t1～t2區間C相線圈不參與回饋，不產生轉矩脈動。

2）下半橋能量回饋

采用下半橋制動的續流階段，此時T2和T4導通，續流方向為：A相線圈→T2→T4→B相線圈。在t0～t1區間，三相中點的電勢U0=0，U＞Ec＞ 0，D5處于正向壓降，但沒有回路所以不導通，D6處于反向壓降截止狀態。在t1～t2區間，三相中點的電勢U0=0，0＞Ec，D5處于反向壓降不導通。D6處于正向壓降，通過T2構成正向導通回路，續流電流方向為：A相線圈→T2→D6→C相線圈。

采用下半橋制動的回饋階段，在t0～t1區間的回饋電流流向為：電池負極→D4→B相線圈→A相線圈→D1→電池正極。在t1～t2區間的回饋電流比在t0～t1區間的基礎上多出了電流的流向為：電池負極→D6→C相線圈→A相線圈→D1→電池正極。

由上可知，采用下橋能量回饋時，可分為t0～t1區間和t1～t2區間有兩種情況，在t0～t1區間C相線圈不參與回饋，不產生轉矩脈動。在t1～t2區間C相線圈參與回饋，A相線圈與B相線圈的電流不同，會產生轉矩脈動噪聲。

2 結論

從以上的分析中可以知道各種回饋方式的特點，自然回饋是不受控制，只要電機轉速高于某一特定值就會發生，且其回饋時的能量較大，長時間工作在這種狀態下會引發mosfet的二極管發熱；全橋回饋時不會產生因為第三相導通而產生的轉矩脈動，但是頻繁的開關也會產生發熱，同時這種回饋方式需要電池參與放電；半橋回饋會產生因第三相導通引起的轉矩脈動，產生噪聲。

針對以上各種能量回饋方式的特點，為了發揮不同回饋方式的優勢同時減少負面的效果，對直流無刷電機的能量回饋制動采用了如下回饋策略。

當自然回饋發生時按照三相全橋的開關序列導通參與整流的mosfet，這樣可以減少二極管上的功率損耗，提高回饋效率。當電動汽車正常行駛時，在電機的控制算法中加入全橋回饋的控制算法，將電機內部續流的電能通過全橋整流的方式回饋到電池中，這種算法可以減少上下橋同時調制產生的功率損耗，并在一定程度上降低電機的噪聲。當剎車踏板踩下，電動汽車需要制動時，轉入半橋回饋制動模式，在電機中增加半橋回饋控制的算法，采用上半橋調制和下半橋調制交替進行，這種算法也可以降低轉矩脈動，同時可以提高能量回饋的效率。

根據以上分析出的各種能量回饋特點和控制策略，并結合相對應的算法，已經在錦州海伯倫汽車電子有限公司產品中應用并取得了明顯的效果，控制器的效率及續駛里程都有了較大的提高。

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