可調串聯復合電源再生制動系統研究

陳 燎，洪 健，盤朝奉，2

（1.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇大學 汽車工程研究院，江蘇 鎮江 212013）

當前，蓄電池壽命短、充電時間長、續駛里程短等問題一直是制約電動汽車發展的重要因素［1］。再生制動技術的應用，對提高電動汽車能量利用率、增加電動汽車的續駛里程有著重要意義［2］。蓄電池與超級電容組成的復合電源可以有效地解決再生制動中頻繁充放電且充放電流大引起的電流沖擊問題，在提高能量利用率的同時保護蓄電池，延長其壽命［3-5］。

再生制動系統最先應用于混合動力汽車，隨后引入電動汽車的研究中［6-7］。國內外學者大多使用基于并聯復合電源的再生制動裝置來減小回收電流對蓄電池的沖擊，即利用DC／DC轉換器將超級電容與蓄電池并聯連接，如國外的Gregory Wight，以及國內的劉恩杰等，都從結構與策略方面對并聯結構進行了研究［8-11］。

并聯系統實現起來簡單，但由于DC／DC的存在，系統回收效率偏低。超級電容與蓄電池串聯的復合電源再生制動系統相比于使用DC／DC裝置的并聯系統而言結構簡單，體積小，消除了DC／DC所帶來的系統能量消耗，能量利用率有所提升，但國內外對該結構的研究相對較少，系統性能尚有欠缺，且在車速較低時也仍然存在著電機產生的感應電動勢較低而無法回收能量的問題［12］。本文中基于串聯復合電源結構，在保持前者基本優勢的基礎上，設計出可以對端電壓進行調節的超級電容裝置，可以進一步提高能量利用率。

本文中設計了一種多級串聯復合電源結構及其再生制動系統，提出了采用能量約束的電流控制策略，并通過仿真對控制策略進行了實證分析。

1 可調串聯復合電源結構與功能

可調串聯復合電源由無刷直流電機、三相半控橋式整流電路、多級超級電容模塊及制動控制電路構成。圖1為二級可調串聯復合電源主電路，包括蓄電池B、電機M、電機控制器K、超級電容CH、超級電容CL、整流橋（二極管D1～D3和晶閘管T1～T3）、晶閘管T4、串聯切換開關J、二極管D4和D5。電動汽車制動時電機具有一定的轉速，其反電動勢通過整流電路在超級電容兩端形成電壓Ug，當Ug大于超級電容端電壓UC時，反電動勢可對電容充電，同時在電機上產生阻力矩使汽車制動，驅動模式下超級電容再與蓄電池串聯輸出，實現制動能量的回收利用。

控制系統結構和信號傳輸如圖2所示，控制器的輸入包括2個部分，其中電機霍爾信號、驅動電流、再生制動電流、電池電壓和超級電容端電壓等通過傳感器從主電路獲取，而制動信號和驅動信號則由駕駛員加速、制動踏板或實驗中的上位機提供?？刂破鬏敵鲆宦访}寬調制（Pulse width modulation，PWM）信號控制晶閘管，通過控制不同的占空比實現恒定的充電電流，驅動狀態時PWM信號經過濾波生成驅動電壓信號輸入電機控制器?；厥漳Ｊ降那袚Q與雙電容均壓的功能則是通過控制器控制雙電容模塊中晶閘管的開啟來實現。

系統可分為以下幾種電路功能模式：

再生制動時，晶閘管T4截止，系統處于串聯回收模式，整流橋輸出的制動電流對串聯的電容CH、CL充電；晶閘管T4導通后，系統切換為單電容回收模式，制動電流僅對電容CL充電?；谢蛲＼嚂r，晶閘管T4導通，如果電容CH端電壓高于CL的，則進入均壓模式，兩電容間形成均壓電流，CH將能量傳輸到CL。反之，則兩電容電氣上相互隔離，不形成電流。圖3和圖4分別表示雙電容回收電流流向與單電容回收電流流向。

驅動輸出時，系統可以有3種不同的驅動模式，由開關J的位置以及晶閘管T4切換。開關J擲左側觸點與電容CL負極連接，晶閘管T4截止，此時為單電容串聯驅動模式，僅電容CL與電池B串聯供電，二極管D4、D5起防反充作用。開關J不變，導通晶閘管T4，則除了電容CL參與工作以外，電容CH也會與電池B串聯參與供電，兩電容為并聯關系，此模式為并聯電容串聯驅動模式。當開關J擲向右側觸點后，雙電容裝置整體與電池脫離連接關系，系統切換為電池單獨驅動模式。圖5、圖6分別表示雙電容串聯驅動電流流向與單電容串聯驅動電流流向示意圖。

以同樣的原理增加電容模塊，可以形成多級串聯結構，可以通過控制晶閘管的通斷來決定各電容模塊是否接入系統，以實現回收效率的最優以及電容組電壓的調節。圖7為4級可調串聯復合電源主電路結構示意圖，本文中主要研究重點為二級可調結構。

2 能量約束制動電流控制策略

適當的控制策略可以充分發揮出系統的電路功能，多級串聯復合電源系統的回收控制主要包括回收模式的切換和制動減速度的控制2個部分?；厥漳Ｊ降那袚Q可以通過計算并比較電機制動發電功率Pg與串聯電容電路功率容量Pe的大小來判斷，當Pg＞Pe時，導通可控硅實現切換。制動初速度較高時首先用串聯電容回收模式，此模式下再生制動電流剛好結束斬波控制（可控整流橋全開）的時刻，即切換到單電容回收模式的理想轉換時刻，能量回收效率最高。

制動減速度由制動力決定，再生制動產生的減速度由電機制動模式下的繞組電流（制動電流）決定，再生制動系統可以通過改變PWM的占空比來控制制動電流，從而控制電制動力的大小。電動車再生制動是從機械能到熱能與電能的能量轉換過程，一個控制周期內的能量約束有：

式中：ΔEv為動能減少，由車速變化計算；Wf為滾阻耗能，由車速計算；Em為電磁損耗，由電機特性確定；Ws為電容儲能，由電容端電壓變化計算；ER為電阻能耗，由電流強度計算。

借助于RC電路功率特性明確的條件，根據能量守恒的約束關系可以推導出串聯復合電源系統再生制動電流的控制參數。式（1）左邊為一個控制周期電機發電輸出能量Eg，右邊為一個控制周期內的電路儲能Ee。確定一個周期內電流持續時間t，使式（1）成立，即可得到占空比D。圖8為能量約束的再生制動電流控制過程框圖。

3 數學模型建立

當晶閘管PWM信號為高電平時，整流電路任意時刻只有2個晶體管導通，串聯回收模式和單電容回收模式的等效電路分別如圖9、圖10所示。單電容回收模式等效總電阻為Rsd＝Rm+RT1+RT4+RCL+RD2，兩級電容串聯回收模式等效總電阻（Ω）為

其中：Rm為電機線電阻，RT1、RT4分別為晶閘管T1和T4導通電阻，RCH、RCL分別為超級電容CH和CL的內阻，RD4、RD2分別為二極管D4和D2的導通電阻；系統等效電感（H）Ls＝La+Lb，La、Lb為電機的線電感；Ug為電機反電勢發電電壓。

事實上，電壓與車速（km／h）基本成正比關系，比例系數約為Km，因此根據速度可得發電電壓Ug。

因此，單電容制動過程對電容充電的瞬時電流ic為

式中：CCL和RCL分別為超級電容CL電容容量和內阻，t為一個周期內晶閘管導通時間。實際上由于超級電容的時間常數RC較大，PWM對電流的斬波頻率較大，充電電流的下降較少，相應的超級電容組的充電平均電流Ic近似為

式中，D為PWM占空比。同理，串聯電容有：

發電功率Pg＝ηFev，其中η為電機發電效率，Fe為電制動力，Fe＝m（a-af），m為整車質量，a和af分別為行駛減速度和滾阻減速度。

串聯電容功率容量Pe＝Ic（UCH+UCL），電阻耗能ER＝（Ug-UCH-UCL）IcT；單電容功率容量P′e＝IUCL，電阻耗能E′R＝（Ug-UCL）IcT。其中UCH和UCL分別為超級電容CH和CL端電壓，T為1個PWM載波周期時間。

由本文中的控制策略流程，比較計算得出功率容量，將各參數代入式（1）可算得1個PWM占空比D，即可實現制動電流的控制。

4 仿真及實驗

4.1 實驗設備及滑行實驗

為驗證復合電源方案的使用效果，進行按NEDC市區循環工況運行的純電動汽車臺架能耗實驗和計算機仿真。單電池電源系統的臺架能耗實驗作為參照，復合電源系統實驗由仿真代替。

圖11為電動汽車驅動系統試驗臺架，模擬前軸驅動電動汽車，電機動力通過主減速器和半軸傳遞給兩前輪，為了節省空間將后輪作為從動輪安裝在前輪外側。前后輪底下分別有對滾輪，并通過增速機構與慣性輪相連，對滾輪和慣性輪模擬整車重量。通過杠桿加載裝置給系統加裝不同的砝碼可以模擬不同路面附著系數。臺架主要參數如表1所示，選用的超級電容額定為電壓16 V、容量500 F。

表1 試驗臺架主要參數

根據電路最大電流和電壓選取的整流橋模塊型號為MTDX150 A，控制器所用MCU為AT-mega16。采用MCP2515總線控制器與單片機相連實現CAN通信，電壓則通過霍爾電壓傳感器測量，控制電路板實物如圖12所示。

將臺架加速到一定速度后使其滑行直到靜止，根據臺架滑行速度時間關系，得到由多項式擬合的滾動阻力產生的減速度（a）與車速（v）的關系曲線，如圖13所示，擬合公式為：

1.試驗品種。試驗種豬為洋二元長白或約長種母豬（LY或YL），其中初產母豬2 256窩，經產母豬2 616窩；公豬為杜洛克或長白、約克外種豬。

a＝-0.000 53v2+0.018 18v+0.069 6

測試實車滑行時，電機輸出經整流后的直流開路端電壓變化曲線如圖14所示，可以確定電壓與車速（km／h）比例系數約等于1。

4.2 能耗仿真分析

從所述再生制動系統結構原理出發，根據圖8的流程策略，在Matlab／Simlink平臺下搭建仿真模型，測試系統能耗以及控制效果［13］。搭建的采用多級串聯復合電源的純電動汽車仿真模型如圖15所示。模型主要由電機傳動裝置、能量回收裝置、駕駛模擬裝置、制動器、電機驅動信號、開關裝置以及數據輸出端口七部分組成，是離散計算系統。算法為ode4（Runge-Kutta），采用Ts＝5×10-6s的定步長仿真。模型有2個數據采樣頻率，計算系統采樣周期就是Ts；由于Ts太小，數據輸出采樣周期則定為0.001 s。模型動力電池模塊參數、超級電容模塊的容量、ESR和初始端電壓等依照實驗臺架參數設定。根據滑行實驗得到的電壓車速正比關系，設置‘驅動電機’模塊Flux linkage establish by magnets（V.s）參數為0.035，可使模型電機整流開路端電壓與圖14基本一致。

單電容串聯復合電源的仿真模型與多級系統相似，本文中同時使用單電容模型參與循環能耗仿真形成對比。

在單電池電源純電動車（1 000 kg、額定電壓72 V、容量120 Ah）試驗臺架上，進行無再生制動的NEDC市區循環能耗實驗，由測試的電池端電壓和電流計算每次循環電池輸出能量，同理對單電容串聯復合電源系統和多級系統進行有再生制動的NEDC市區循環能耗仿真。仿真結果如表2所示。

表2 純電動汽車循環能耗仿真結果

定義每循環驅動過程中，平均再利用的制動回收能量與循環平均能耗之比為再生制動系統的能量貢獻率，多級系統平均每個循環可以回收53.33 kJ，再生制動能量回收率為49.2%，續駛里程貢獻率為12.2%，相較于單電容系統具有較大提升。

4.3 控制策略效果驗證

圖16～18是某段NEDC城市工況循環仿真結果，依次分別為車速電流變化、電容CH電壓電流變化和電容CL電壓電流變化，其中電壓擴大10倍表示?？梢钥吹剑很囁購?加速到最高車速50 km／h再分兩端減速到0。驅動時，電池輸出電流等于CH和CL電流之和（CH、CL并聯）。以50～35 km／h制動過程中，車速較高，僅有雙電容回收模式，電容CH和CL被串聯充電，它們的電流相等。而從35 km／h減速到0的制動過程中，開始有很短時間的CH和CL串聯充電，當充電電壓和電容組的電壓相等時雙電容模式無法繼續回收，此時系統及時切換為單電容回收模式，電容組端電壓降低，電容CL繼續單獨回收能量。

計算電機發電功率、電路容量以及回收功率，得到回收過程功率變化圖，如圖20所示。

從圖20可知，隨著制動的進行，電路容量降低，在3 s后與發電功率相等，即發電電壓與電容模塊電壓相等，此時系統及時切換為單電容回收模式，電容組的總電壓上升，當發電功率曲線與電容容量曲線再次相交時點制動力不再足夠提供制動力，此時機械制動介入。當電容級數增加時，只需增加模式切換節點，即發電功率與回收功率會有更多交點。

圖21為制動電流與占空比變化曲線。從圖21可以看到，通過不同占空比的PWM對瞬時電流的斬波，可以使制動電流恒定于目標狀態，證明了控制策略的有效性。

5 結論

1）基于串聯復合電源結構設計了再生制動系統，并提出了一種能量約束的制動電流控制策略。通過引入2個超級電容結構，實現制動能量的分段回收，提高能量回收效率；所設計的控制策略從能量守恒與電路特性的角度入手，通過控制制動電流實現電制動力矩的恒定。對所設計的控制系統進行了實驗驗證，結果表明：控制策略能有效地實現控制效能。

2）分別對純電池、單電容串聯復合電源結構和多級串聯復合電源結構進行了NEDC城市工況的能耗仿真與實驗，結果表明：多級可調系統可以較大程度地回收能量，提高電動汽車的續駛里程。

3）多級可調串聯復合電源系統保留了串聯結構體積小的優點，可以用于空間較小的電動乘用車，分段回收模式的設計有效提高了回收效率，更具有實際意義。多級可調系統提供了更為廣闊的研究空間，級數、電容容量、電容初始電壓等因素對回收效率的影響等值得進一步深入研究。