轮边电力驱动系统再生制动控制技术研究

卞永明,兰 皓,蒋 佳,李生博,吴 昊,金晓林

(同济大学机械工程学院,上海 201804)

轮边电力驱动系统中的制动系统包含机械摩擦制动和再生制动功能,这使得制动系统的设计更加复杂,主要有两个基本问题:一是制动能量分配控制技术,即如何在再生制动和机械摩擦制动之间分配所需的总制动力,以回收尽可能多的机车的动能,并实现稳定的制动状态.二是再生制动能量回收控制技术,即如何控制永磁同步电机(PMSM)和超级电容以实现机车动能的回收.目前对应用于纯电动汽车和混合动力电动汽车中的制动控制技术进行了大量的研究工作,并已有产品问世.如1997年、2003年二代丰田Prius,2002年、2005年二代本田Civic,2004年福特Escape等,并且随着产品的更新换代,回收制动在总体制动中的比重加大,能量回收效果改善.其控制策略主要有:最佳前/后制动力分配比控制策略、最佳能量回收控制策略和并行分配控制策略.然而基于轮式工程机械的轮边电力驱动系统的制动能量回收研究几乎没有,因此有必要对该系统的制动控制技术进行研究,找出1种既安全舒适又节能的制动方式[1].

1 制动能量分配控制技术

基于能量回收最大化的目的,在轮边电力驱动系统中应该尽可能地采用再生制动.但是再生制动要受到路面附着条件、电动轮垂直载荷、PMSM制动力、驾驶员感受和超级电容状态(SOC)等因素的制约.

由于制动力受限于地面附着力,且在等于附着力时达到最大,因此要实现最快制动,应使各电动轮同时达到最大制动力,此时电动轮刚好处于抱死状态.而各电动轮所能提供的最大再生制动力与其垂直载荷、PMSM的制动力等有关.应该注意,由PMSM产生的最大再生制动力与其转速密切相关.在低转速(低于其基速)状态下,其最大转矩为常量.但是,在高转速(高于其基速)状态下,其最大转矩随着转速呈双曲线形下降.因此,在给定机车负加速度条件下,机械制动转矩将随车速而变化[2,3].

图1 超级电容充放电控制策略的图解Fig.1 Graphic of recharge control strategy of super capacitor

电动轮再生制动的本质是将动能以电能的形式存储起来.因此,当超级电容处于充满状态时,能量流动就无法持续有效进行.在这种情况下,需要停止再生制动而用摩擦制动以保证制动的有效性.另一种情况是,当超级电容已经接近充满状态时,使用再生制动将很快使其充满并进行制动方式的切换.在切换过程中可能造成制动力的突变,对车体和乘客造成冲击.因此也要根据平均的制动情况制定1个再生制动的SOC上限,在接近充满时不使用再生制动.

超级电容充放电的控制策略如图1所示,图中A,B,C和D表示由驾驶员给出的所需功率的指令,不是处于牵引模式,就是处于制动模式.具体来说:A,B为牵引模式,P1为指令功率,P2为超级电容输出功率,P3为电网提供的功率.C为混合制动模式,P4为再生制动功率,P5为机械制动功率.点D为再生制动模式.超级电容充放电的控制流程见图2.

根据以上分析,本文设计的制动控制策略的原理如图3所示.当给出的制动力指令小于电动机所能产生的最大制动力,且超级电容未达到SOC上限Cmax时,将只应用再生制动,否则将只应用机械摩擦制动;当给出的制动力指令大于可应用的再生制动力,且超级电容未达到SOC上限Cmax时,电动机将运行以产生其最大的制动转矩.同时,剩余的制动力将由机械制动系统给予满足,否则将只应用机械摩擦制动.

图2 超级电容充放电流程图Fig.2 Flowchart of super capacitor recharge

图3 制动控制策略流程图Fig.3 Flowchart of braking control strategy

2 再生制动控制技术

再生制动能量回收储能装置如图4所示,由两部分组成:一是超级电容,以电压建立磁场来存储电能;二是双向DC/DC变换器,其作用是将工程机械的制动能量传递给超级电容,或将超级电容的能量反馈给工程机械[4].

图4 超级电容储能器系统框图Fig.4 System diagram of super capacitance accumulator

超级电容的充放电控制主要是由双向DC/DC变换器来实现的.双向DC/DC变换器可实现双象限运行,即变换器两端电压方向不变,但电流方向可以改变,在功能上相当于降压变换器(即Boost变换器)和升压变换器(即Buck变换器)的组合.双向DC/DC变换器可分为隔离式和非隔离式2种,在超级电容储能系统中,通常采用非隔离式DC/DC变换器,如图5所示.其中,U0为直流母线电压,C,C1和C2为电容,IGBT1和IGBT2为绝缘栅双极型晶体管,UC为电容电压,IL为电感电流,R为电阻.通过不同工作状态的切换,可避免直流母线电压大范围波动,改善供电质量,循环利用制动能量,节约能量.

图5 双向DC/DC变换器Fig.5 Bidirectional DC/DC converter

直流母线电压随机车运行状态的改变而变化,若机车运行模式为起动—惰行—制动,则直流母线电压降低—恒定—上升.为了维持其恒定,选用U0为控制变量.图6,7分别为超级电容通过DC/DC变换器放电和充电时的控制框图.其中,PI(Proportion Integral Adjust Module)为比例积分调节模块,SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)为正弦脉宽调制模块.双向DC/DC变换器是二阶电路,有2个状态变量——电容电压和电感电流.根据最优控制理论,实现全状态反馈的系统是最优控制系统.因此,2种反馈信号的双闭环控制是符合最优控制规律的.

图6 超级电容放电时的控制原理图Fig.6 Control principle chart of super capacitance while discharging

图7 超级电容充电时的控制原理图Fig.7 Control principle chart of super capacitance while charging

3 超级电容系统建模与再生制动仿真

超级电容系统如图8所示,包括超级电容本体(SUPER CAP),电感(L),单桥(Universal Bridge)、充电模块(Charge)和放电模块(Discharge)等.

图8 超级电容系统建模Fig.8 System modeling of super capacitance

根据当前超级电容2端的电压值和电动机的工作模式决定对超级电容进行充电、放电或关闭的操作.电动机的工作模式由扭矩大小决定:若为正数则电动机为电动状态;若为负数则电动机为发电状态;若为零则电动机停止.当电机处于电动状态时,若超级电容两端的电压高于200V,则超级电容对外放电,提供电机部分电流;当电机处于发电状态时,若超级电容两端电压低于300V,则对超级电容进行充电,回收再生制动能量;其他情况下超级电容DC/DC电路关闭,由电源系统提供电机所需的功率,机械制动[5].

再生制动仿真分电机制动、电机和机械复合制动2种工况.

3.1 电机制动

仿真条件如下:干路面平地行驶,超级电容的初始电压为210 V.从0 s时刻给予电机90 N·m的转矩指令使之启动,2 s时刻给予电机90 N·m的制动指令开始制动.图9,10分别为PMSM和超级电容的运行结果.

图9 电机制动PMSM运行结果Fig.9 PMSM operation results by electric braking

图10 电机制动超级电容运行结果Fig.10 Super capacitance operation results

3.2 复合制动

仿真条件与电机制动一致,只在2 s时增加113 N·m机械制动力矩.图11,12分别为PMSM和超级电容的运行结果.

图11 复合制动PMSM运行结果Fig.11 PMSM operation results by composite braking

图12 复合制动超级电容运行结果Fig.12 Results of super capacitance

由图9可见,电机在1.3 s时达到稳定状态,2 s时电机开始制动,2.7 s时电机完全停止.2 s前电机处于电动状态,功率为正;2 s后电机处于发电状态,功率为负.由图10可知,超级电容初始电压为210 V,0.8 s之前对外放电40 A直至电压降为200 V,此时电流为0;2 s后超级电容处于充电状态,电流大小为40 A,最终电压稳定在209 V左右,将再生制动能量回收,能量回收率接近100%.

分别对比图9,11和图10,12可知,复合制动后制动时间明显减少,超级电容电压为202 V左右,将全部再生制动能量回收时,其余制动能量由机械制动消耗.

4 结论

本文在介绍制动能量分配控制技术和再生制动能量回收控制技术的基础上,针对轮边电力驱动工程机械,提出采用双向DC/DC变换器结合电压电流双闭环控制实现超级电容的储能,从而控制再生制动能量的回收.最后,通过MATLAB建模仿真,验证了在满足安全制动的前提下,能够实现最大化的能量回收.

[1]MUT OH N,HAYANO Y,YAHAGI H,et al.Electric braking control methods forelectric vehicles with independently driven front and rear wheels[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2007,54(2):1168-1176.

[2]IIDA S J,IMAM URA S J,SHIRAI G,et al.Experimental study on improvement of transient stability with braking resistor[J].Electronics and Communications in Japan,2008,91(8):11-19.

[3]舒红,秦大同,胡明辉,等.轻度混合动力汽车再生制动能量管理策略[J].机械工程学报,2009,45(1):167-173.SHU Hong,QIN Datong,HU Minghui,et al.Regenerative braking energy management strategy for mild hybrid electric vehicles[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2009,45(1):167-173.

[4]田德文,谢大纲,崔淑梅.军用汽车混合电力驱动系统复合能源控制策略[J].机械工程学报,2009,45(2):41-47.TIAN Dewen,XIE Dagang,CUI Shumei.Hybrid energy control strategy for hybrid electric drive sy stem in military vehicle[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2009,45(2):41-47.

[5]DIXON J W,O RT UZA R M E.Ultracapacitors DC-DC converters in regenerative braking system[J].Aerospace and Electronic Systems Magazine,2002(8):16-21.