一种半/全桥PWM切换策略电动车能量回馈法

成 立，奚家健，李 宁，严 鸣，王振宇

(江苏大学电气信息工程学院，江苏 镇江 212013)

轻型电动车(包括电动自行车、轻便运货车等)以其清洁无污染、转换效率高和维修方便等优点，倍受越来越多的中青年人青睐.然而，其缺点是车用铅酸蓄电池容量有限，续驶里程较短.由于回馈制动能够利用原本消耗于摩擦制动中的能量，将其有效回馈至蓄电池以延长续驶里程［1］，所以采取高效回馈控制策略，致力于增大蓄电池充受率，乃是设计车用控制器之关键技术.根据调研，文献［1-2］用DC/DC升压电路增加反电势之法，以较多地向蓄电池馈送能量，此法虽易实现，但能量回收率仍偏低且硬件成本较高;文献［3-4］用并联或串联超级电容器之法将制动能量暂存，尽管有利于高效回收，但是尚需增添传感器和相应电路以检测超级电容器是否充满;文献［5］提出电控式变速器换挡:通过换接串/并联绕组回收能量，可是其可靠性却受到影响.上述3种控制策略均未考虑回馈能量期间蓄电池充受率和高效储能等问题.

文中首先简介了马斯理论和脉冲间歇充放电原理，然后给出半/全桥PWM切换策略与能量回馈电路分析，计算了所回馈能量，最后设计出电动车铅酸蓄电池充放电测试装置，并将提出的能量回馈法与Boost升压电路回馈法进行试验对比分析.

1 马斯理论与脉冲间歇充放电原理

美国科学家马斯严谨论述了电池容量、充放电既往史和最大充电电流之间的关系:对于任何蓄电池而言，充电接受电流i用公式表示为:i=I0e-αt，式中:t为充电时间;I0是 t=0 时刻的初始电流;充电电流接受比α=I0/Q，Q为待充入电荷量.以t为横轴、i为纵轴绘制的曲线被称作充电接受电流曲线.若充电电流在此曲线以下则只有微量的析气，但在曲线以上析气率就会增大，故此难以提高充受率［6］.

根据上述马斯理论和脉冲间歇充放电原理便知:当充电电流接近固有微量析气曲线时，对蓄电池瞬时放电或停充能够提高充受率.对于铅酸蓄电池，因瞬时放电或停充既驱使参与反应的铅离子迅即经PbSO4溶解，既生成Pb和PbO2且提高浓度，又将所生H+和离子从电极表面附近移开，效果是降低蓄电池极化现象，提高充受率，亦即在短时内对蓄电池充入更多的电荷［7］.

轻型电动车传统能量回馈法采用恒流充电，此传统法充受率较低.依据上述脉冲间歇充放电原理，如果在能量回馈期间调节PWM波，作间歇快速充放电，使蓄电池的充电电流曲线接近其固有充电接受电流曲线，则可将回馈之能量较多的储存蓄电池内，延长电动车的续驶里程。

2 PWM切换策略与能量回馈

2.1 主电路拓扑结构

图1是电动车主电路拓扑结构，图中ud为蓄电池电压.对于三相Y接定子绕组的BLDCM来说，每相绕组等效成电阻 R0、电感L0、反电动势 e相串联的电路.图1中三相半桥逆变器用作驱动电路，V1-V6为绝缘栅双极晶体管(IGBT)，D1-D6为续流二极管，阻容元件R，C和二极管D构成缓冲电路，以降低电压、电流尖峰，限制di/dt或du/dt，并将IGBT功耗转移至电阻R，从而降低开关损耗［8］.

图1 轻型电动车主电路控制拓扑结构

2.2 半/全桥PWM切换控制策略

与目前主要的能量回馈法(加硬件电路)有所不同，文中在不改变电动车控制器主电路拓扑结构的前提下，通过软件编程切换正常和回馈两种PWM模式，分别实现相应的正常行驶和能量回馈之功能.当正常行驶时此控制器处于正常模式，设置上半桥3个 IGBT(V1，V3，V5)为 PWM 开关状态，下半桥3个IGBT(V2，V4，V6)处于常开或常闭状态，称为半桥PWM策略.具体导通序列见图2a，其中一个周期360°等分为I-VI共6段，每段为60°;而当控制器处于回馈模式时:设置V1-V6均有PWM开关动作，各个IGBT导通序列见图2b，称作全桥PWM模式.总之，车用控制器通过接收正常行驶或制动回馈信号，来切换控制电路的PWM波形.此法只需改变PWM控制方式，故无需增加硬件就可实现不同的工作模式.兹将两种模式之调控策略分述如下.

图2 半/全桥PWM切换策略下开关导通序列

2.2.1 正常模式半桥PWM控制

图3 半/全桥模式等效电路

此处控制策略是:控制上半桥开关管的PWM波占空比和下半桥常开或常闭，见图2a.取BLCDM a，b相分析，正常模式下第I段V1为PWM状态，V4为常闭状态，而V2，V3均为常开状态.当V1处PWM状态的“on”时，可用图3a表示，其中电流iL为流经电感之电流，eab为反电势(线电压)，图中粗线表示电流流向.此时iL上升，电感蓄能;当V1为PWM的“off”时，用图3b表示，续流二极管D2导通并形成闭合回路，iL下降.因而在正常模式下调节半桥PWM波占空比，即可实现电动车正常调速.

2.2.2 回馈模式全桥PWM控制

回馈模式全桥PWM波控制策略是控制全桥开关管PWM波之占空比，I-VI段的开关管详细导通序列见图2b.当车用控制器接收制动回馈信号(刹车信号)时，控制器自动切换至回馈模式——全桥PWM控制，此时反电势eab成为电源.同理取第I段分析，V2和V3均有相同的PWM波形，V1，V4处闭合状态.当 V2和V3为 PWM 状态的“on”时，电路状况如图 3c所示，V2，V3与蓄电池形成回路，eab与电感L电压 uL极性相反，uL=ud+eab，回路电流为io.蓄电池和反电势eab向电感L中存储电能.当V2和V3为PWM状态的“off”时，电路状况见图3d:D1，D4导通，电感L和反电势eab向蓄电池充电，将能量回馈至蓄电池，流经其中的电流换向.设充电电流为ii，则L上的电压uL=eab-ud.所以用此PWM序列调控策略能巧妙地回收较多的能量.

根据上述分析可知，采用半/全桥PWM脉冲序列控制策略，可在能量回馈阶段对电池充电期间进行放电或停充.因而每一开关周期蓄电池放电或停充，使充受率得以提高，蓄电池充电接受电流i曲线上移.根据第1节中马斯理论和脉冲间歇充放电原理，在相同的时间内充电接受电流曲线与横轴形成的面积增大，蓄电池回收电量增多，因此由半桥切换成的全桥PWM控制方式，不仅能实现能量回馈，而且可以将所回收能量较多地存储于蓄电池之中.

3 回馈能量计算

设电感电压为

经过整理后得

当V2，V3导通时，蓄电池释放能量 W1=0.5udΔiL(on)Δton;而 V2，V3关断时，蓄电池存储能量W2=0.5udΔiL(off)Δtoff.所以，W2与 W1之比为

因eab＜ud，W2/W1＞1，故在每一开关周期内均间隙对蓄电池充电，使其都有能量储存.所以任一开关周期内回馈能量Wr为W2与W1之差，即:

4 试验结果与分析

4.1 回馈模式时的电流波形

采用电动车车内无刷直流电机，参数为:额定电压36 V，额定功率350 W，相电阻R为0.35 Ω，相电感L为4.64 mH，转动惯量J为0.002 kg·m2，反电势常数k为0.09528，额定转速400 r·min-1.选用3个VRLA铅酸蓄电池DH1240相串联，其额定电压为12 V.根据图4的控制框图设计出控制器装置，输入为速度信号(转矩信号)和制动信号，采用速度闭环、限流闭环来控制车速，根据制动信号设置无刷直流电机工作于正常行驶模式或能量回馈模式.控制器芯片选择ST公司的单片机STM8S105S4，软件编程平台为IAR For STM8 V1.20.通过编程设置定时器之值，并将PWM开关频率设定为20 kHz，将制动信号定为标识符，主循环程序判断标识符选择工作模式并调用相应的子程序以设置6个开关管的工作模式［9］.

在回馈工作模式子程序中，根据上一节式(5)编程数码显示每次回馈的能量Wr，测出能量回馈模式时流经铅酸蓄电池的电流i波形，见图5.

图4 系统控制框图

图5 回馈模式时电流i波形

由图5可见放电电流尖峰脉冲幅值达到8.80 A，正向充电电流尖峰脉冲幅值为4.45 A，两者之比为1.98，达到了文献［6］所述两者之比的范围为1.5～3.0.此瞬间蓄电池放电电流较大，因而消除了极化现象，提高了蓄电池的充受率.

4.2 能量回馈对比试验

选取一条长约2 km的道路，第1段为距离l1=400 m的平地路面，第2段为距离l2=800 m、θ约为7°的斜坡路面，第3段为距离l3=800 m的平地路面，路面状况良好.分别做3组试验:第1组安装不具有能量回馈的控制器电动车，第2组安装带有Boost升压电路回馈的控制器电动车，第3组安装文中提出调控方案的控制器电动车.在相同的试验条件:蓄电池初始容量约为12 A·h、初始电压约36 V下，3组电动车经过连续相同时间的加速、匀速、减速和停止4个阶段的测试，获得如表1所示的实测数据.

采用HIOKI3551电池内阻测试仪测出每一圈蓄电池的内阻，然后取算术平均值得平均内阻¯R;先根据文献［10］中的标准蓄电池充受率测量法，在每一圈测量后两组蓄电池充受率，其次取算术平均值获得蓄电池回馈时平均充受率;再根据控制器于每一圈中计算获得的Wr，与每一圈中蓄电池充受率相乘，最后取算术平均值得到平均每圈节能¯W，平均每圈节能¯W和行驶里程延长率β均为后两组相对于第1组的值.测量数据和计算结果表明所提出控制策略的电动车比带有Boost电路的电动车蓄电池之平均内阻减小了216 mΩ，在回馈期间平均充受率提高了约6.2%，平均每圈节能约有0.02 A·h，行驶里程延长约为6.6%.

表1 能量回馈对比试验实测数据

5 结论

1)文中提出了半/全桥切换PWM控制策略:藉助BLDCM整流电路，设置正常工作或回馈能量两种模式，使车用控制器在半桥与全桥PWM波之间切换，并于回馈模式期间，利用全桥PWM波形对蓄电池作瞬时快充并间歇放电，从而达到快速储能、用于续驶的目的，因而取得较佳的节能效果.

2)此控制策略技术优势在于，采用软件编程法，而非纯增设Boost升压电路或超级电容器等硬件器件，但回馈能量期间提高了充受率.文中用试验数据说明了提出的控制策略之软件节能效果.

3)如果全国数以亿计辆轻型电动车都采用这一节能减排新技术，每辆车按行驶里程延长率18.97%来计算，则全部节能效果将是十分可观的.基于此，课题组下一步工作将是完善软硬件设计以形成产品.可以预期，论文的产业化成果将符合“节能减排”的国策，因而是有实用价值的.

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