基于纯电动车的无刷直流电机能量回馈控制技术研究

唐磊　袁玲　谢丹

摘 要：制动能量回收利用是提高纯电动车续航里程的关键技术，对于以无刷直流电机（Brushless DC Motor，BLDCM）为驱动电机的电动车，采用半桥调制方式进行制动能量回收具有较高效率，还无须额外增加硬件成本。鉴于此，对采用半桥调制方式回收电动车BLDCM制动能量的技术原理进行了说明，阐述了较实用的恒回馈电流控制策略的实现过程，最后，在Simulink平台验证了该控制技术的正确性与可行性。

关键词：能量回收；电动车；半桥调制；无刷直流电机；恒回馈电流

中图分类号：U469.72；TM33  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2023）09-0073-04

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.021

0    引言

随着世界各国对能源危机和环境污染等问题的重视，电动汽车越来越受到人们的青睐，并有逐渐取代传统燃油车的趋势[1]。由于目前电池技术发展遇到诸多瓶颈，制动能量的回收与利用成为当前改善电动车制动效果、增加电动车续航里程的有效手段。传统的电机制动方式包括在电机定子回路中串入电阻以消耗能量的能耗制动与改变电源极性的反接制动，虽然二者均有较好的制动效果，但无法实现制动能量的回收，还需要专门的硬件装置。相比之下，再生制动控制方式无须额外增加硬件设备，只需修改制动时的软件程序，就能将制动能量回馈到车载电池。但在保证正常制动的前提下实现能量的回收与利用，提高电动车在正常行驶过程中的续航里程，需要从电机本身特性、蓄电池荷电状态、汽车行驶工况、汽车驱动形式以及驾驶员驾驶习惯等诸多方面来考虑。

为回收无刷直流电机制动时电动汽车的制动能量，文献[2]设计了一个以三维模糊控制器为核心的恒转矩模糊控制策略對能量进行回收，文献[3]提出了基于模型预测电流控制的恒值电流回馈制动控制策略，但均未考虑到蓄电池最大充电电流与电机工作特性等因素的影响；文献[4]采用模糊控制策略调节功率器件的占空比，为无刷直流电机的回馈电流控制提供了参考。

为研究电动车制动时制动能量回收等问题，本文对采用半桥制动方式实现无刷直流电机制动能量回馈进行了详细分析与研究，考虑到蓄电池最大回馈电流的问题，提出实用的恒定回馈电流控制策略实现电动车的能量回收，使电机转速在较宽范围内，即使在紧急制动时回馈电流也不会超出蓄电池最大充电电流值，以确保蓄电池充电安全。

1    电动车无刷直流电机工作模型

假定电机铁芯未饱和，绕组完全对称，带有能量回馈控制的无刷直流电机与电源系统数学模型如图1所示[5]，该系统由无刷直流电机、驱动控制器、车载蓄电池、双向DC-DC装置以及超级电容等部分组成。

根据图1所示的数学模型，可得到BLDCM的端电压与电流方程[5]：

式中：uA、uB、uC为电机定子绕组端电压；uNO为中性点电位；R为电机定子电阻；iA、iB、iC为电机定子电流；LM为电机定子绕组综合电感；eA、eB、eC为电机反电动势。

BLDCM处于电动状态时，位置传感器输出信号、反电动势、定子电流波形与导通功率管之间的关系如图2所示，可以看到，BLDCM电动运行时，相电流波形为方波，反电动势波形为顶宽120°的梯形波，并且相电流和反电动势在相位上还有同步关系。

2    BLDCM能量回馈控制策略

2.1    半桥调制

BLDCM的回馈制动可分为全桥调制和半桥调制两种，其控制各有优缺点，虽然半桥调制对蓄电池的回馈能力较小，但制动时只对上桥臂或下桥臂的开关管进行控制，且调制过程中蓄电池对外不会有能量输出，因而能量回收效率较高。

根据电动车的特性，能量回收只能在制动时实现，同时还需考虑制动效果，缩短制动时间。根据BLDCM的电磁制动关系，改变电机电枢绕组的电流流经方向即可对电机进行制动，根据图2所示的霍尔信号与相电流关系，可以得到制动时需要控制的功率开关管如表1所示。

由于BLDCM是在车载蓄电池的作用下电动运行，电动车在正常情况下的行驶速度所产生的反电动势无法高于蓄电池电压，若要将制动能量回收至车载蓄电池进行后续利用，必须通过升压斩波电路进行。

下面以霍尔输出信号为001的电路为例，说明对下桥臂进行调制而对上桥臂关断的半桥调制方式的工作原理。由图2及表1可知，在霍尔输出信号为001时，反电动势eB=-E，eC=+E，-E＜eA＜+E，进行调制的将是功率管Q6，其PWM在一个周期内的波形如图3所示。

2.2    能量储存过程

霍尔输出信号为001，当PWM输出信号为高电平（t1—t2阶段），即功率管Q6导通时，电机绕组电流在反电动势作用下上升，在电机绕组电感中储存能量，该过程称为电动机绕组能量储存过程，也就是续流状态，根据eA的正负，又可分两种情况进行，电流回路如图4所示。

（1）当0＜eA＜+E时，二极管D1与D2承受反向电压而截止，A相绕组不参与导电，系统形成的电流通路如图4（a）所示，此时iA=0，iC=-iB=i，eC=-eB=E，可得系统方程为：

（2）当-E＜eA＜0时，二极管D2承受正向电压导通，此时的A相绕组也参与到续流回路中，如图4（b）所示，由于iA+iB+iC=0，eC=-eB，可以得到：

代入式（1）可以得到此时的电压方程为：

若不计电阻耗损，根据升压斩波电路有关理论[6]，在续流阶段，电动机电感中储存的能量为：

2.3    能量回馈过程

霍尔输出信号为001，当PWM输出信号为低电平（t2—t3阶段），即Q6截止时，图4所示的续流回路被切断，B、C相绕组电感与所在相二极管以及Q6组成升压斩波电路，此时，绕组电感在电动车惯性作用下会产生感应电动势，升压斩波电路会对该反电动势进行泵升，最终使得电流流过相绕组的反电动势与感应电动势之和大于蓄电池的端电压，Q6截止时，电感储存的能量将对车载蓄电池进行充电，从而完成电动机能量的回收，此时的系统处于制动充电状态，其电路图如图5所示。

由于iA=0，iC=-iB=i，eC=-eB，易得蓄电池充电电压uCB：

式中：uL为电机B、C两相绕组两端总电压。

由式（6）可知，当绕组电流减小到一定程度后会有uCB≤Ud，此时二极管D5在反向电压的作用下截止，充电自动终止。

制动充电过程，不计电阻耗损，回馈至蓄电池的能量[6]为：

式（7）等号右边第一项为电动车动能经电磁作用转变成的电能；第二项为电感在此过程中释放的磁场能，其大小为：

系统运行稳定时，整个制动过程中绕组电感在t1—t2期间吸收的能量和t2—t3期间释放的能量应相等，即：

式中：k为PWM占空比。

制动时，要使uCB≥Ud，必须有：

2.4    能量回收控制策略

考虑到电动汽车制动时，对能量的回收利用一般是在电动机转速较高时，同时为避免过高的回馈电流可能对蓄电池造成损坏，采用恒定充电电流这一电动车制动能量回收的实用控制策略，该策略以回馈电流为控制对象，兼顾能量回收与过充保护的功能，其控制电路框图如图6所示。具体实现方法是将采集到的蓄电池充电电流与不超过蓄电池最大充电电流的参考值作比较，经电流PI调节器输出作为功率器件的PWM占空比，同时根据BLDCM的位置信息，按表1控制对应的驱动器件，从而限制能量回馈时蓄电池的充电电流，在一定程度上保护蓄电池不受损坏。

3    仿真分析

在Simulink平台搭建系统仿真模型，设置好参数后对BLDCM制动时能量进行回收控制，蓄电池电压为96 V，仿真所用电机参数如表2所示。

通过仿真调试，在设定电机转速为3 000 r/min时开始进行能量回收控制，图7给出了蓄电池参考回馈电流分别为15 A与20 A时的电动机转速、蓄电池回馈电流以及电动机电磁转矩的仿真结果。

由图7可知，电机起始转速为3 000 r/min，高速运行，同时开始制动，启动能量回收控制，制动瞬间，有较大冲击电流出现，但立即降至给定值左右，同时也产生了较大转矩，方向与运行方向相反，为制动转矩，0.2 s开始电机按线性规律逐渐降低转速运行，在转速持续降低过程中，由于电流控制器的调节作用，能量回收时的回馈电流基本保持不变，制动转矩也基本恒定，几乎实现了恒转矩制动；同时，由仿真结果可知，当电机转速低至一定程度时，由于电流调节器的饱和，回馈电流基本不可控，电动车能量回收几乎难以实现，因此，在实际应用时，只需对电动车加以简单控制，使其在低速时停止能量回馈制动，由机械制动或电动车本身阻力就可使电动车完全停车。

4    结论

采用半桥调制方式可以有效对纯电动车BLDCM的制动能量进行回收利用，从而增加电动车的续航里程，在一定程度上提高其与传统汽车的竞争力。在能量回馈时对蓄电池充电电流进行控制，可以避免在电动汽车下坡或紧急制动时充电电流过大对蓄电池造成的损坏。Simulink仿真结果验证了本文所述电动车辅助电源系统的正确性和有效性。但是，纯电动车制动时应以安全为主，制动距离、低速制动、蓄电池荷电状态以及汽车驾驶员行驶习惯等均应成为电动车制动时能量回收的考虑因素，因此，本文提出的电动车能量回馈控制技术仍需进一步完善。

[参考文献]

[1] 高健.提高电动汽车回馈效率的再生制动控制策略研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2017.

[2] 赵景波，王代超，李卉，等.电动汽车无刷直流电机能量回馈制动系统设计[J].电机与控制应用，2017，44（7）：129-135.

[3] 王晓远，傅涛.基于模型预测控制策略的电动车用无刷直流电机回馈制动的研究[J].电工技术学报，2017，32（9）：16-23.

[4] 周美兰，孙宏达，赵强.纯电动汽车半桥斩波式能量回馈控制[J].黑龙江大学自然科学学报，2015，32（4）：538-544.

[5] 唐磊，陈春晓，谢丹.无刷直流电机改进滑模观测器控制的研究[J].机电信息，2021（23）：5-9.

[6] 徐德鸿，马皓，汪槱生.电力电子技术[M].北京：科学出版社，2017.

收稿日期：2023-01-13

作者简介：唐磊（1988—），男，湖南岳阳人，碩士，讲师，主要从事城市轨道交通机电技术方面的教学与科研工作。

基金项目：2021年湖南省教育厅科学研究项目（21C1305）