新能源汽车永磁无刷直流电机制动能量回馈双闭环控制技术

杨小兵　路高磊　王发群

摘 要：本文分析了新能源汽车永磁无刷直流电机制动能量回馈的双闭环控制方法，论述了永磁无刷电机能量回馈原理和双闭环控制原理，根据电机制动能量回馈原理提出一种实现制动可靠能量回馈控制方法，通过在电机控制器测试台架上进行了测试，达到了预期的控制效果。

关键词：新能源汽车；永磁无刷直流电机；能量回馈；双闭环控制

1 前言

随着新能源汽车控制技术的发展，对新能源汽车控制技术的要求越来越高，提高续航里程是其中的一个重要问题，而新能源汽车用电机能量回馈技术可以将汽车制动和减速时[1]的部分动能转化为电能回馈到蓄电池，从而提高电动汽车的续驶里程，但是，蓄电池容量都有一定的限制，制动能量回馈时将产生很高的泵升电压和电流，为了避免过高的泵升电压和电流对系统带来危害，文中提出了通过控制占空比的办法来抑制泵升电压[2]和电流，提出了一种电压和电流双闭环数字控制方案，实现对泵升电压和电流的抑制，该方法通过数字控制实现，无需改动或增加硬件[3]，该方法可迅速抑制泵升电压和电流，实现可靠的能量回馈控制，且具有良好的制动效果。

2 系统构成和工作原理

图1是永磁无刷直流电机控制系统框图，系统由电源、控制电路、PWM驱动电路、功率逆变电路、位置传感器和永磁无刷电机组成。

工作原理：能量回馈即电动机工作于再生制动模式，在制动过程中，通过控制电路控制驱动电路和逆变电路使电机电流方向与正向运行时相反，便会产生制动性质的转矩。当产生的电压高于蓄电池电压时，可以将电流回馈至蓄电池，达到能量回馈的目的，在能量回馈控制时，将逆变电路上桥臂的功率管关断，根据位置传感器信号对下桥臂的功率管的通断进行有规律的PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）控制，可以起到与Boost（升压）变换器相同的效果，其基本控制原理是Boost Chopper（升压斩波）方式，本文中选用半桥调制方式，在半桥斩波方式里，逆变电路6个开关管中，只有处于相同半桥上的3个元件（如图2中VT4、VT6、VT2）通有PWM波，另半桥上的3个元件（如图2中VT1、VT3、VT5）始终是关断的。

3 制动能量回馈运行原理分析和回馈电压、电流限制方案

3.1 制动能量回馈运行原理分析

如图2所示，在能量回馈状态时，利用控制电路的控制信号，将功率逆变电路上半桥的功率管VT1、VT3、VT5全部关闭，而将下半桥的功率管VT2、VT4、VT6分别按照一定的规律进行PWM控制，这样，因上半桥续流二极管D1、D3、D5的存在，其等效电路等同于一个半控整流电路。

因新能源电动汽车电池特性，电机在进入能量回馈工作时，其回馈电压必须高于蓄电池电压，才能输出电功率，所以能量回馈运行的控制方法是采用半控整流的PWM升压工作原理，但是，在设计电机时应该考虑到最高转速的回馈输出电压不应该大于蓄电池的最高充电电压，在低转速时的能量回馈运行是使下半桥的功率管VT2、VT4、VT6按规律通过PWM波控制产生泵升电压，当泵升电压高于蓄电池的端电压时就输出电能，这一过程全部由控制电路控制。

为了便于分析，选择VT4导通，且对脉宽调制工作取PWM的一个脉冲周期T进行分析[4]，设导通时间为t1，则截止时间T-t1。图2、图3给出了VT4在PWM一个脉冲周期T内导通和截止的能量回馈运行工作示意图 。

3.2 回馈电压、电流限制方案

新能源汽车用永磁无刷直流电机驱动系统的能量回馈过程要受到车辆运行状态的限制，能量回馈的过程还要受到制动安全和蓄电池的充电承受能力充电电流的大小限制，包括蓄电池SOC（State of Charge，荷电状态），电机系统的回馈能力和当前转速等。回馈制动控制方案需要与整车要求紧密结合，在实际应用中，回馈制动应满足一定的约束条件，并采取相应的控制方案。如图4所示，本文采取在控制电路中以闭环控制的方式自动调整PWM占空比D ，采用双PI（比例积分）控制闭环方式，外层是回馈电流控制闭环，内层是回馈电压控制环，回馈电流环输出作为回馈电压环的输入，选择合适的PI控制参数，使回馈电压不低于蓄电池额定电压和不超过蓄电池允许的最高充电电压，并满足回馈电流不超过蓄电池允许的最大充电电流。程序编写采用模块化设计和实时性强的中断方式，将制动回馈模块放入定时中断，能快速响应制动能量回馈。

图5是制动能量回馈模块程序流程图，控制板根据当前车辆运行状况（如车速、油门踏板、制动踏板等）计算出制动能量回馈转矩需求值，将回馈转矩需求值乘以转矩电流系数得到回馈电流需求值，根据电机额定转矩和电池充电功率限制等参数计算出最大回馈转矩，根据车辆加减速时车辆的平稳性需求计算出回馈转矩变化率限制值，通过PI参数设置对上述参数进行限制，实现可靠的制动能量回馈。

4 电机台架测试验证

本文所述控制方案采用11KW永磁无刷直流电机在电机测功机台架上进行了实验，电源使用直流稳压电源，回馈能量通过放入水中的电加热器进行了释放。

实验数据表明该控制方法能将回馈电流限制在所设定的5.5A左右，能将回馈电压限制在所设定的195～210的范围内。

5 结语

本文所采用能量回馈控制方案，不需要改动和增加硬件，直接利用现有的硬件电路实现了可靠的能量回馈，且对能量回馈过程进行了有效控制，达到了较好的能量回馈和制动效果。

参考文献：

[1]张俊智，薛俊亮等. 混合动力城市客车串联式制动能量回馈技术[J].机械工程学报，2009（06）.

[2]宋小庆.电动装甲车无刷直流电机驱动系统的再生制动[J].微电机，2001，34（01）：27-30.

[3]俞志文等.电动汽车用无刷直流电机回馈制动研究[D].会议论文，2009.

[4]黄斐梨，王耀明，姜新建，刘士祥，李发海.电动汽车永磁无刷直流电机驱动系统低速能量回馈制动的研究[J].电工技术学报，l995（03）：28-3l.

作者简介：杨小兵（1978-），男，本科，主要从事：新能源混合动力汽车、纯电动汽车的研究开发工作。endprint