可调串联复合电源再生制动系统研究

陈 燎，洪 健，盘朝奉，2

（1.江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013；2.江苏大学 汽车工程研究院，江苏 镇江 212013）

当前，蓄电池寿命短、充电时间长、续驶里程短等问题一直是制约电动汽车发展的重要因素［1］。再生制动技术的应用，对提高电动汽车能量利用率、增加电动汽车的续驶里程有着重要意义［2］。蓄电池与超级电容组成的复合电源可以有效地解决再生制动中频繁充放电且充放电流大引起的电流冲击问题，在提高能量利用率的同时保护蓄电池，延长其寿命［3-5］。

再生制动系统最先应用于混合动力汽车，随后引入电动汽车的研究中［6-7］。国内外学者大多使用基于并联复合电源的再生制动装置来减小回收电流对蓄电池的冲击，即利用DC／DC转换器将超级电容与蓄电池并联连接，如国外的Gregory Wight，以及国内的刘恩杰等，都从结构与策略方面对并联结构进行了研究［8-11］。

并联系统实现起来简单，但由于DC／DC的存在，系统回收效率偏低。超级电容与蓄电池串联的复合电源再生制动系统相比于使用DC／DC装置的并联系统而言结构简单，体积小，消除了DC／DC所带来的系统能量消耗，能量利用率有所提升，但国内外对该结构的研究相对较少，系统性能尚有欠缺，且在车速较低时也仍然存在着电机产生的感应电动势较低而无法回收能量的问题［12］。本文中基于串联复合电源结构，在保持前者基本优势的基础上，设计出可以对端电压进行调节的超级电容装置，可以进一步提高能量利用率。

本文中设计了一种多级串联复合电源结构及其再生制动系统，提出了采用能量约束的电流控制策略，并通过仿真对控制策略进行了实证分析。

1 可调串联复合电源结构与功能

可调串联复合电源由无刷直流电机、三相半控桥式整流电路、多级超级电容模块及制动控制电路构成。图1为二级可调串联复合电源主电路，包括蓄电池B、电机M、电机控制器K、超级电容CH、超级电容CL、整流桥（二极管D1～D3和晶闸管T1～T3）、晶闸管T4、串联切换开关J、二极管D4和D5。电动汽车制动时电机具有一定的转速，其反电动势通过整流电路在超级电容两端形成电压Ug，当Ug大于超级电容端电压UC时，反电动势可对电容充电，同时在电机上产生阻力矩使汽车制动，驱动模式下超级电容再与蓄电池串联输出，实现制动能量的回收利用。

控制系统结构和信号传输如图2所示，控制器的输入包括2个部分，其中电机霍尔信号、驱动电流、再生制动电流、电池电压和超级电容端电压等通过传感器从主电路获取，而制动信号和驱动信号则由驾驶员加速、制动踏板或实验中的上位机提供。控制器输出一路脉宽调制（Pulse width modulation，PWM）信号控制晶闸管，通过控制不同的占空比实现恒定的充电电流，驱动状态时PWM信号经过滤波生成驱动电压信号输入电机控制器。回收模式的切换与双电容均压的功能则是通过控制器控制双电容模块中晶闸管的开启来实现。

系统可分为以下几种电路功能模式：

再生制动时，晶闸管T4截止，系统处于串联回收模式，整流桥输出的制动电流对串联的电容CH、CL充电；晶闸管T4导通后，系统切换为单电容回收模式，制动电流仅对电容CL充电。滑行或停车时，晶闸管T4导通，如果电容CH端电压高于CL的，则进入均压模式，两电容间形成均压电流，CH将能量传输到CL。反之，则两电容电气上相互隔离，不形成电流。图3和图4分别表示双电容回收电流流向与单电容回收电流流向。

驱动输出时，系统可以有3种不同的驱动模式，由开关J的位置以及晶闸管T4切换。开关J掷左侧触点与电容CL负极连接，晶闸管T4截止，此时为单电容串联驱动模式，仅电容CL与电池B串联供电，二极管D4、D5起防反充作用。开关J不变，导通晶闸管T4，则除了电容CL参与工作以外，电容CH也会与电池B串联参与供电，两电容为并联关系，此模式为并联电容串联驱动模式。当开关J掷向右侧触点后，双电容装置整体与电池脱离连接关系，系统切换为电池单独驱动模式。图5、图6分别表示双电容串联驱动电流流向与单电容串联驱动电流流向示意图。

以同样的原理增加电容模块，可以形成多级串联结构，可以通过控制晶闸管的通断来决定各电容模块是否接入系统，以实现回收效率的最优以及电容组电压的调节。图7为4级可调串联复合电源主电路结构示意图，本文中主要研究重点为二级可调结构。

2 能量约束制动电流控制策略

适当的控制策略可以充分发挥出系统的电路功能，多级串联复合电源系统的回收控制主要包括回收模式的切换和制动减速度的控制2个部分。回收模式的切换可以通过计算并比较电机制动发电功率Pg与串联电容电路功率容量Pe的大小来判断，当Pg＞Pe时，导通可控硅实现切换。制动初速度较高时首先用串联电容回收模式，此模式下再生制动电流刚好结束斩波控制（可控整流桥全开）的时刻，即切换到单电容回收模式的理想转换时刻，能量回收效率最高。

制动减速度由制动力决定，再生制动产生的减速度由电机制动模式下的绕组电流（制动电流）决定，再生制动系统可以通过改变PWM的占空比来控制制动电流，从而控制电制动力的大小。电动车再生制动是从机械能到热能与电能的能量转换过程，一个控制周期内的能量约束有：

式中：ΔEv为动能减少，由车速变化计算；Wf为滚阻耗能，由车速计算；Em为电磁损耗，由电机特性确定；Ws为电容储能，由电容端电压变化计算；ER为电阻能耗，由电流强度计算。

借助于RC电路功率特性明确的条件，根据能量守恒的约束关系可以推导出串联复合电源系统再生制动电流的控制参数。式（1）左边为一个控制周期电机发电输出能量Eg，右边为一个控制周期内的电路储能Ee。确定一个周期内电流持续时间t，使式（1）成立，即可得到占空比D。图8为能量约束的再生制动电流控制过程框图。

3 数学模型建立

当晶闸管PWM信号为高电平时，整流电路任意时刻只有2个晶体管导通，串联回收模式和单电容回收模式的等效电路分别如图9、图10所示。单电容回收模式等效总电阻为Rsd＝Rm+RT1+RT4+RCL+RD2，两级电容串联回收模式等效总电阻（Ω）为

其中：Rm为电机线电阻，RT1、RT4分别为晶闸管T1和T4导通电阻，RCH、RCL分别为超级电容CH和CL的内阻，RD4、RD2分别为二极管D4和D2的导通电阻；系统等效电感（H）Ls＝La+Lb，La、Lb为电机的线电感；Ug为电机反电势发电电压。

事实上，电压与车速（km／h）基本成正比关系，比例系数约为Km，因此根据速度可得发电电压Ug。

因此，单电容制动过程对电容充电的瞬时电流ic为

式中：CCL和RCL分别为超级电容CL电容容量和内阻，t为一个周期内晶闸管导通时间。实际上由于超级电容的时间常数RC较大，PWM对电流的斩波频率较大，充电电流的下降较少，相应的超级电容组的充电平均电流Ic近似为

式中，D为PWM占空比。同理，串联电容有：

发电功率Pg＝ηFev，其中η为电机发电效率，Fe为电制动力，Fe＝m（a-af），m为整车质量，a和af分别为行驶减速度和滚阻减速度。

串联电容功率容量Pe＝Ic（UCH+UCL），电阻耗能ER＝（Ug-UCH-UCL）IcT；单电容功率容量P′e＝IUCL，电阻耗能E′R＝（Ug-UCL）IcT。其中UCH和UCL分别为超级电容CH和CL端电压，T为1个PWM载波周期时间。

由本文中的控制策略流程，比较计算得出功率容量，将各参数代入式（1）可算得1个PWM占空比D，即可实现制动电流的控制。

4 仿真及实验

4.1 实验设备及滑行实验

为验证复合电源方案的使用效果，进行按NEDC市区循环工况运行的纯电动汽车台架能耗实验和计算机仿真。单电池电源系统的台架能耗实验作为参照，复合电源系统实验由仿真代替。

图11为电动汽车驱动系统试验台架，模拟前轴驱动电动汽车，电机动力通过主减速器和半轴传递给两前轮，为了节省空间将后轮作为从动轮安装在前轮外侧。前后轮底下分别有对滚轮，并通过增速机构与惯性轮相连，对滚轮和惯性轮模拟整车重量。通过杠杆加载装置给系统加装不同的砝码可以模拟不同路面附着系数。台架主要参数如表1所示，选用的超级电容额定为电压16 V、容量500 F。

表1 试验台架主要参数

根据电路最大电流和电压选取的整流桥模块型号为MTDX150 A，控制器所用MCU为AT-mega16。采用MCP2515总线控制器与单片机相连实现CAN通信，电压则通过霍尔电压传感器测量，控制电路板实物如图12所示。

将台架加速到一定速度后使其滑行直到静止，根据台架滑行速度时间关系，得到由多项式拟合的滚动阻力产生的减速度（a）与车速（v）的关系曲线，如图13所示，拟合公式为：

1.试验品种。试验种猪为洋二元长白或约长种母猪（LY或YL），其中初产母猪2 256窝，经产母猪2 616窝；公猪为杜洛克或长白、约克外种猪。

a＝-0.000 53v2+0.018 18v+0.069 6

测试实车滑行时，电机输出经整流后的直流开路端电压变化曲线如图14所示，可以确定电压与车速（km／h）比例系数约等于1。

4.2 能耗仿真分析

从所述再生制动系统结构原理出发，根据图8的流程策略，在Matlab／Simlink平台下搭建仿真模型，测试系统能耗以及控制效果［13］。搭建的采用多级串联复合电源的纯电动汽车仿真模型如图15所示。模型主要由电机传动装置、能量回收装置、驾驶模拟装置、制动器、电机驱动信号、开关装置以及数据输出端口七部分组成，是离散计算系统。算法为ode4（Runge-Kutta），采用Ts＝5×10-6s的定步长仿真。模型有2个数据采样频率，计算系统采样周期就是Ts；由于Ts太小，数据输出采样周期则定为0.001 s。模型动力电池模块参数、超级电容模块的容量、ESR和初始端电压等依照实验台架参数设定。根据滑行实验得到的电压车速正比关系，设置‘驱动电机’模块Flux linkage establish by magnets（V.s）参数为0.035，可使模型电机整流开路端电压与图14基本一致。

单电容串联复合电源的仿真模型与多级系统相似，本文中同时使用单电容模型参与循环能耗仿真形成对比。

在单电池电源纯电动车（1 000 kg、额定电压72 V、容量120 Ah）试验台架上，进行无再生制动的NEDC市区循环能耗实验，由测试的电池端电压和电流计算每次循环电池输出能量，同理对单电容串联复合电源系统和多级系统进行有再生制动的NEDC市区循环能耗仿真。仿真结果如表2所示。

表2 纯电动汽车循环能耗仿真结果

定义每循环驱动过程中，平均再利用的制动回收能量与循环平均能耗之比为再生制动系统的能量贡献率，多级系统平均每个循环可以回收53.33 kJ，再生制动能量回收率为49.2%，续驶里程贡献率为12.2%，相较于单电容系统具有较大提升。

4.3 控制策略效果验证

图16～18是某段NEDC城市工况循环仿真结果，依次分别为车速电流变化、电容CH电压电流变化和电容CL电压电流变化，其中电压扩大10倍表示。可以看到：车速从0加速到最高车速50 km／h再分两端减速到0。驱动时，电池输出电流等于CH和CL电流之和（CH、CL并联）。以50～35 km／h制动过程中，车速较高，仅有双电容回收模式，电容CH和CL被串联充电，它们的电流相等。而从35 km／h减速到0的制动过程中，开始有很短时间的CH和CL串联充电，当充电电压和电容组的电压相等时双电容模式无法继续回收，此时系统及时切换为单电容回收模式，电容组端电压降低，电容CL继续单独回收能量。

计算电机发电功率、电路容量以及回收功率，得到回收过程功率变化图，如图20所示。

从图20可知，随着制动的进行，电路容量降低，在3 s后与发电功率相等，即发电电压与电容模块电压相等，此时系统及时切换为单电容回收模式，电容组的总电压上升，当发电功率曲线与电容容量曲线再次相交时点制动力不再足够提供制动力，此时机械制动介入。当电容级数增加时，只需增加模式切换节点，即发电功率与回收功率会有更多交点。

图21为制动电流与占空比变化曲线。从图21可以看到，通过不同占空比的PWM对瞬时电流的斩波，可以使制动电流恒定于目标状态，证明了控制策略的有效性。

5 结论

1）基于串联复合电源结构设计了再生制动系统，并提出了一种能量约束的制动电流控制策略。通过引入2个超级电容结构，实现制动能量的分段回收，提高能量回收效率；所设计的控制策略从能量守恒与电路特性的角度入手，通过控制制动电流实现电制动力矩的恒定。对所设计的控制系统进行了实验验证，结果表明：控制策略能有效地实现控制效能。

2）分别对纯电池、单电容串联复合电源结构和多级串联复合电源结构进行了NEDC城市工况的能耗仿真与实验，结果表明：多级可调系统可以较大程度地回收能量，提高电动汽车的续驶里程。

3）多级可调串联复合电源系统保留了串联结构体积小的优点，可以用于空间较小的电动乘用车，分段回收模式的设计有效提高了回收效率，更具有实际意义。多级可调系统提供了更为广阔的研究空间，级数、电容容量、电容初始电压等因素对回收效率的影响等值得进一步深入研究。