基于PID串并聯結構可變的復合電源再生制動控制方法

任欣欣，倪驍驊

(鹽城工學院 汽車工程學院,江蘇 鹽城 224051)

0 引言

增程式電動汽車具有開發周期短、成本低和續航里程長等優勢，在新能源汽車行業中有廣泛應用，但仍然存在動力電池維修和更換成本高，充電時間長等諸多問題[1]。建立串并聯可變的動力電池——超級電容復合電源，利用超級電容的特性，回收再生制動能量，在再生制動過程中，動力電池不參與，保護了動力電池，避免再生制動過程中充電的大電流等對動力電池的傷害，減少修理和更換動力電池的成本。重點研究再生制動控制策略，優化控制策略，讓制動電流更加穩定，既有良好的制動效果，又能夠提高能量回收率及利用率，引入超級電容保護動力電池是提升增程式電動汽車動力電池的使用壽命的重要方式之一。

再生制動是在增程式電動汽車制動時，通過電機反轉產生制動轉矩將機械能轉化為電能的過程[2]，將電能通過儲能系統儲存并在驅動時充分利用。目前，增程式電動汽車再生制動系統大多將電能直接儲存在動力電池中，一般采用通過制動力矩、功率等的計算建立模型或者制動力分配策略或設計再生制動系統等。如周美蘭等[3]建立了整車動力模型，加入汽車加速度、加速度變化率和道路坡度因素，通過計算在制動時制動力矩占總制動力的比例作為控制條件來準確預測和控制電機制動電流大小。崔弘等[4]提出了優化再生制動力的方法，并結合摩擦制動力分配策略建立了控制系統。葛德順[5]等提出了串聯復合電源再生控制方法，利用二極管D單向導通特性，整流器的晶閘管導通與截止的完成對再生制動的控制。

對于復合電源動力電池——超級電容組成，通過是否與二極管、電感等無源器件直接相連成儲能元件分為無源式和有源式兩大類[6]。有源式復合電源結構中有功率變換器，可以對復合電源充放電進行控制，根據不同工況進行功率分配，提高效率，改善系統能量利用率；而無源式結構簡單，無特定的單元對復合電源充放電進行控制。有源式結構在組成的復合電源中加入功率變換裝置，其特點是可以對超級電容或蓄電池的充放電電流進行控制，從而根據不同工況有效對復合電源進行功率分配，提高復合電源效率，顯著改善系統能量利用率。因此，設計復合電源進入再生制動狀態通過二極管、直流接觸器斷開動力電池和超級電容的連接，使動力電池不參與制動能量回收，結構簡單，回收率高，減少大電流對動力電池的損傷；驅動狀態通過超級電容串聯DC/DC變換器和動力電池并聯驅動，可以提高能量利用率[7]。

從減少動力電池更換和維修成本出發，利用超級電容功率密度高、充放電快等特點，建立串并聯可變的復合電源基本結構，結構簡單，減少了并聯結構中DC/DC轉換器等。根據再生制動過程特點控制制動電流，在MATLAB/Simulink平臺上對動態模型預測控制器控制再生制動超級電容端電壓制動恒定電流的控制方法進行驗證，證明其有效性，優化了控制器，證明了優化之后其電流更加穩定，并擬合了制動踏板和電制動力之間的線性關系，具有更好的制動效果。

1 串并聯可調復合電源結構與功能

1.1 復合電源的基本結構

為了解決復合電源串聯或者并聯后會產生一定的再生制動能量回收和利用的損耗等問題，建立了一種串并聯可調的復合電源，使動力電池不參與制動再生的過程，保護了動力電池。如圖1所示。當再生制動控制開關K接通時，復合電源并聯，此時電機是驅動的過程；當再生制動控制開關K斷開時，動力電池和超級電容是串聯，電機處于制動狀態，這時動力電池不參與再生制動能量回收，因為整流橋將二極管施加方向電壓，處于截止狀態。

圖1 復合能源串并聯結構

1.2 復合電源的工作模式

通過確定復合電源基本結構，確定了驅動和再生制動兩種工作模式，在驅動模式時，再生制動控制開關K是a點閉合，超級電容通過DC/DC變換器和動力電池并聯，二極管D通反向電壓，動力電池和超級電容并聯驅動；當超級電容電量放完，二極管D將超級電容短路，動力電池單獨驅動。

在再生制動模式時，再生制動控制開關K是b點閉合，動力電池和超級電容串聯，而此時若沒有加速踏板和制動踏板信號，汽車處于停止狀態或者滑行狀態，依據速度信號判斷兩種狀態?？刂破鬏敵稣伎毡萈WM低電平信號，整流橋不工作，若速度不為0時，則是滑行狀態，駕駛員踩下制動踏板，整流橋的晶閘管截止，無法進入再生制動回收系統，車輛依靠機械摩擦制動；當駕駛員踩下制動踏板，電機轉速和超級電容端電壓達到工作條件后，控制器輸出PWM信號控制整流器的晶閘管打開，電機將作為發電機對超級電容充電，進入再生制動模式。電路圖及信號流經如圖2所示。

圖2 復合電源工作模式的信號和電路流經

1.3 復合電源結構分析

純電動汽車的復合電源控制和制動控制相對復雜，且兩者的本質均屬于非線性控制[8]。倘若在不添加硬件資源的條件下，很難用常規控制來設計兩種控制器。復合電源純電動汽車的車載電源系統需要綜合車輛的動力性、兩種能源的協調等問題，而再生制動系統需要結合制動安全、儲能器件安全、電機特性等問題，從而增加了復合電源純電動汽車電源系統、制動系統研究的難度。隨著純電動汽車行業日益發展，相關的控制策略和控制方法的研究也愈來愈重要[9]。目前，關于復合電源純電動汽車兩種能源的協調控制、制動系統中電機制動與摩擦制動的協同控制包括實時優化控制、邏輯門限值控制和模糊控制三種策略。

實時優化控制策略的目標函數必須建立在汽車動力性、制動回收率、燃油經濟性等因素的基礎上，通過實時將行駛過程中電機消耗的電量折算成等效的燃油消耗，獲得目標函數的最小值，實現能量的最優配置[10]。實時優化控制策略所需控制的量多，計算量非常大，且實時控制需要由芯片來實現，增加了成本，故目前還難以廣泛運用于電動汽車上。邏輯門限值控制方法最早被提出于20世紀中期[11]。該控制策略能夠事先對控制參數設定門限值，在系統工作過程中，通過比較實時參數值與門限值的大小，給出對應判斷與指令。邏輯門限控制策略無需構建詳細系統的數學模型，結構原理易實現、控制過程簡單、反應速度快、成本低，有效避免復雜的理論分析[12]。其控制效果的優劣取決于參數值的精確度，如果選取的控制參數合理，則可具備良好的非線性控制效果，可以滿足各種車輛的要求。

車輛實際工作過程中，車載電源狀態時刻發生改變，邏輯門限值控制方法難以實現實時性，且波動較大，使車載系統或制動系統的工作受限。模糊邏輯控制是一種智能化控制，源自于美國教授 L.A.Zadeh 所提的模糊集合理論，并在 1974 年被英國瑪丹尼教授成功應用于加熱器的控制，如今已廣泛運用于家用電器、工業生產控制、軍事、電梯、地鐵等復雜非線性系統中。模糊控制不用構建被控對象的數學模型就能實現多參數、多目標和非線性控制，其魯棒性和適應性較好。模糊控制的核心技術為控制規則，該規則結合人們經驗總結，以簡單易懂的條件語句表示，但若模糊控制規則過多，則不利于運算速度，導致反應時間延長。另外，模糊控制器構造容易，有利于人機對話，其算法的實現結構與常見的數字控制系統也十分相似。

2 控制方法

通過輸出固定占空比PWM控制超級電容端電壓，即整流電路晶閘管的通斷，從而使再生制動電流恒定。預設好一個或幾個固定占空比，根據不同再生制動強度要求分類輸出。通過制動踏板和加速踏板確定復合電源工作狀態，通過制動踏板開度和踩踏板速度判斷制動模式和制動強度，同時根據超級電容電壓狀態、車速狀況判斷是否可以進行再生制動，以及是否可以提供的再生制動力大小。綜合判斷后利用固定占空比將再生制動強度分為4種狀態，即不進行再生制動、較小強度再生制動、較大強度再生制動和最大化再生制動，對應的輸出占空比分別為0，30%，60%和100%的PWM信號驅動整流橋，設計的控制仿真圖如圖3所示。

圖3 基于固定占空比PWM恒定電流再生制動控制仿真圖

在制動過程中，超級電容和動力電池串聯組成復合電源，動力電池不參與再生制動，在仿真過程中，電機將充當發電機，通過整流器某一組晶閘管導通，對超級電容充電過程仿真結果如圖4所示。超級電容容量為175 F，額定電壓為56 V，初始電壓設置的是12 V。再生制動仿真是車速從0加速到30 km·h-1，消耗電池電量，當通過直流接觸器KM和二極管D將動力電池與超級電容斷開連接，自駕駛員踩下制動踏板開始，即能夠對超級電容充電，控制器輸出0，30%，60%和100%固定的占空比，達到再生制動電流恒定。由圖4的仿真結果可知，當控制器輸出對應固定占空比的制動電流波形，其中瞬時電流采樣頻率為1 kHz，在不同占空比下制動電流瞬時值最大達300 A，而平均電流有一些差異。不同占空比PWM輸出，電制動時間是不一致，可以看出占空比100%的持續時間最短5.3 s，占空比60%持續時間達9.3 s，由不同再生制動電流導致的制動效果不同，即當電機制動車速為10 km·h-1時車輛停止，通過不同占空比PWM輸出，控制時間長短不同，而當停止后，電機制動時的反電動勢提供的電壓小于整流器導通條件的電壓，因此，仿真結果表明，以輸出不同固定占空比PWM的方式控制再生制動電流恒定是方法有效。

圖4 仿真結果圖

3 基于PID閉環控制方法優化

基于PID超級電容端電壓的閉環再生制動電流的控制策略，以增程式電動汽車為平臺，考慮車輛運行狀態，通過霍爾傳感器實時監測車輛速度，計算電機反電動勢，結合超級電容兩端電壓，通過輸出連續占空比PWM，以目標再生制動電流恒定為目標，基于PID形成閉環控制，達到實際電流恒定，不斷反饋調節?？刂七壿嬋鐖D5所示。

圖5 超級電容端電壓的恒電流閉環控制邏輯圖

該控制邏輯為：開始，判斷是否是制動狀態，根據電控單元(Electronic Control Unit, ECU)實時傳輸霍爾傳感器信號，若為制動狀態，根據車速和電機反電動勢大小，計算目標再生制動電流I大小，占空比PWM初始值為0，整流電路輸出電壓U0，超級電容端電壓Uc大小由電壓傳感器實時傳輸。

U0

U0>Uc，需要進行電制動，電機產生反電動勢，根據公式D=I×Re/(U0-UC)計算占空比。

D>100%，系統無法提供目標制動電流，占空比輸出100%，應用電機制動轉矩最大化控制策略；在再生制動過程中，電制動產生最大電磁轉矩為

電機產生最大功率的最大電磁轉矩為

其中ω為電機轉速；Pi為電機輸入功率;ψf電機轉子磁鏈矢量。

若0

D=I×Re/(U0-UC)輸出。

之后再計算下一時間的D，通過PID控制器不斷反饋，循環到流程結束為止。復合電源仿真圖如圖6所示。

圖6 基于PID復合電源再生制動控制仿真

以超級電容輸出恒定電壓為控制目標，如圖7所示，以制動電流為工作模式選擇為依據完成再生制動能量回收。

圖7 仿真結果

4 復合電源再生制動試驗研究

4.1 再生制動試驗設計

通過進入再生制動模式，將回收電能儲存在超級電容中，并且有效進行并聯驅動，在增程式電動汽車再生制動臺架上作相應實驗。軟件控制監控面板如圖8所示，其制動性、驅動性和能耗的情況分析如下。

圖8 監控控制面板

4.1 整車滑行試驗

制動初始速度分別設定為60 km·h-1，45 km·h-1，30 km·h-1，速度減小到0的時間是不一樣的，但是制動力矩和制動踏板線性度擬合，制動效果良好，通過目標制動電流恒定，不斷反饋調節，超級電容端電壓也相對穩定，通過控制器輸出占空比，實際電流和目標電流不斷調節，控制器是有效的。

圖9 制動速度與時間

5 結語

根據串并聯可調復合電源系統，根據再生制動主電路模型，通過再生制動控制開關K和直流接觸器KM、二極管D充分保護動力電池，避免在再生制動過程中過充和過放而對動力電池的損害。再生制動過程中，動力電池和超級電容串聯，將電能儲存在超級電容中，動力電池不參與再生制動。根據建立最大制動力矩模型保證在驅動時，固定輸出功率，超級電容和動力電池串聯和并聯驅動是可調的。根據占空比PWM輸出分為開環和閉環控制，仿真得到閉環控制良好的控制性能，并且方案可行。

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