电动汽车电机能量回馈策略分析

第９卷第１期　２０１６年３月　汉口学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈａｎｋｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｖ０ｌ　９　Ｎｏ．１　Ｍａｙ．２０１６　文章编号：２０３２／ＺＹ（２０１６）０１—００５３—０４　・工业４．Ｏ・　电动汽车电机能量回馈策略分析　刘崇凯，邓奕　（汉口学院电子信息工程学院，湖北武汉４３００７２）　摘要：电动汽车在续航能力上的不足严重影响了它的推广，合理地利用电机的电动与发电双特　性，使电动汽车在制动时进行能量回馈能有效延长汽车的续航里程。通过对电动汽车制动特点的介　绍，分析比较了常规的两种电机能量回馈制动策略，提出了一种基于最大允许制动转矩控制的策　略，能有效保证能量再生制动的安全性。最后运用ＭＡＴＬＡＢ强大的仿真功能，对三种电机能量回馈策　略进行了仿真比较，更直观地突出各自的优缺点。　关键词：电动汽车；能量再生制动；续航　中图分类号：Ｕ４６３．５　文献标识码：Ａ　对于电动汽车而言，因其驱动系统是电机，　电机拥有双向应用（发电与电动），当电动汽车　需要制动时，若采用相关的控制策略，将电动机　在制动时变成发电机使用，就可以把多余的动能　转换成电能，用来给电池充电，而制动时的回馈　电流用来给汽车产生电制动转矩，回收的能量可　供汽车后续的行驶，这能有效延长它的续航距　离。本文以永磁同步电机为例，分析其再生制动　的原理，提出了一种基于最大允许制动转矩控制　策略。　对于表贴式永磁同步电机而言，因为　＝三　，　则电磁转矩仅与　成正比，对于制动控制实则上　只是需要将９轴的电流　控制到与当前运动方向　相反，便能对电机产生制动力矩，实现永磁同步　电机的回馈制动了。对于电机的制动过程，当电　机所要提供的制动力很小时，所需的制动电流能　够完全由永磁同步电机的反电势供给，则电流经　过续流二极管向蓄电池充电，此时电机工作在能　量再生制动状态；当永磁同步电机的反电势不能　够完全提供所需的制动电流时，则剩余的制动电　流将由蓄电池来提供，反电势能量与电池能量都　以热量的形式被电阻耗散，电机这时工作在耗散　制动状态，它们之间具体的相量图如图１所示。　Ｌ　再生制动原理　在ｄ—ｑ坐标系中对永磁同步电机进行数学模　型的分析，得到其电磁转矩为：　＝ｇ　÷　［　ｉ　＋（三　—Ｌｑ）　ｆｇ】．（２．１）　Ｅ　Ｉ　ｌＲｓｉｑ　其中，　是永磁同步电机的电机极对数；　厂是永磁同步电机转子磁链，ｉｑ、　分别为　坐　标系中电机的交直轴电流分量，　、　为交直轴　电感。故永磁同步电机转矩的控制可以通过控制　、　７　０／　，　一　ｑ　ｆ　ｄ　，　ｕ　‘……．．　（ｂ）能耗制动　图１电机制动向量图　电流得到。　收稿日期：２０１５—１１－１６　作者简介：刘崇凯（１９８９一　），男，湖北武汉人，汉口学院电子信息工程学院教师，主要从事电动汽车控制、电　气节能方面的研究。　邓奕（１９８５一　），女，湖北黄冈人，汉口学院电子信息工程学院院长、党总支书记，副教授，主要　从事光伏发电智能控制技术、机器人方面的研究。　汉口学院学报　第５卷　由上面的介绍我们可以知道，永磁同步电机　的制动大致分为两个阶段：　１．能量再生阶段　在这个阶段给定转速很小，经过转速闭环控　制的输出，会导致ｇ轴电流反向，根据图１（ａ）所　示，此时电机的反电动势硷超前于电机定子电　压己，，这导致电机的功率角ｅ变为负数，电机作　为发电机运行，这个过程中电机将其转子与负载　的动能通过逆变器转变成电能回馈给电池。永磁　同步电机通过负载转矩以及电磁转矩的共同作用　达到恒定的减速状态。　２．能耗制动状态　根据图ｌ（ｂ）所示，当电机的转速很低时，电　机的反电动势Ｅ太小，不足以提供制动所需的电　流，这会导致　的升高，经过电流调节器的作　用，将会使得输出电压Ｕ。反向，电池必须提供制　动电流来参与制动，总制动电流都消耗到电枢电　阻匕。　二、电机能量回馈制动策略的分析　１．基于能量回馈曲线的回馈策略　所谓的能量回馈曲线它反映的是电机在当前　运动速度一定的情况下，所能产生的制动电流的　极值问题。能量回馈图它清晰地表明了在制动过　程中速度与电流的比值问题，它主要以允许电流　的极大值与极小值为图形的上下限值，对制动过　程中不同速度时的电流进行限制，为保证电机能　量再生制动的安全性，实际的制动电流应该确保　在曲线的下方，回馈曲线图如图２所示。　Ｉｍ４ｘ　５０％　／　Ｉ…　／　图２制动特性设为５０％的转速与制动电流关系　基于能量回馈曲线回馈策略，根据曲线图可　以很清晰的知道，转速与制动电流呈线性关系，　符合驾驶习惯。但由于行车途中工况复杂，不同　的路况下，回馈曲线参数值存在很大的差异，故　很难得到准确的参数值。　２．基于恒定电流的回馈策略　恒定电流回馈指的是在回馈过程中保证对电　池组的充电电流恒定，只是在电池快要充满时，为　了保护电池的安全才会将充电电流减小，相比于　恒压充电，它的充电功率更高，故采用恒流充电　方式能够拥有较好的能量回收效率。　基于恒定电流的回馈策略，其控制方式简单　可靠，只需通过调节ＰＷＭ波的占空比就可以实　现。但由于回馈电流恒定，故提供的制动转矩也　恒定，但由于车速是不断变化的，对制动转矩的　需求不可能恒定不变，因而此策略不太适合需工　作在复杂工况下的电动汽车。　３．基于最大允许制动转矩回馈策略　将各个影响因子的限制作用进行相关的处理　分析，得出满足所有影响条件限制下的制动转矩　的最大值，并根据这个最大值来规范当前的电机　制动力矩，从而对电机制动力进行分配，这便是　最大允许制动转矩回馈策略。下面对其最大制动　转矩的取得做详细分析。　电机的制动中伴随有能量再生时，电机工作　在发电阶段。则其发电功率应满足下面等式：　Ｐ＝　Ｋ　Ｋ　．　（１）　其中：　Ｐ为发电功率；　为电机发电时输出的机械功率；　为电机发电效率；　为制动控制效率。　又因为：　＝Ｔｒｎ／９５５０　（２）　其中　为制动转矩；　为电机制动转速。　综合式子（１）、（２）得：　Ｐ＝Ｋ　Ｋ　Ｔ　ｎ／９５５０　ｆ　３　１　ｍ　ｏ　ｒ　＼　，　对于永磁同步电机来说，其制动时的最大电　磁转矩应满足下列条件：　ｆ　＝一　；　ｍａｘ　一　｛　一＝一（１）、Ｉ，；／　（４）　Ｉ　６　＝一　／∞　；Ｐｅ≤Ｐｅ　式子中：　一为再生制动最大允许电磁转矩；　第１期　刘崇凯等：Ｉ也动汽车电机能　回ｉ谈策略分析　Ｐｌ为电机极对数；　为电机相电阻值；　尸　为电机的额定电磁功率；　…为电机最大电磁转矩　但对于电动汽乍　言，在能　回馈过程中，　不单只有电机的性能因素对最大电磁转矩有限制　作用，另一大器件——电池，对其也有很强的限　制作用。　在对电池组进行充电的过程中，　该考虑刮　它的安全，电池组的剩余荷电状态（ＳＯＣ），允　许的充电电流与充电功率等都可以对电机的能量　回馈过程产生限制作用。也就是说，电机的发电　功率不能超过当前的电池充电功率加上线路的损　失功率。而且充电电流亦不能大于当前电池的最　大充电电流。不然就有可能对电池造成损伤，共　至是损坏线路。则回馈到电池的能量为：　＝Ｕ　Ｉ　（５）　其中，　为电池的充电功率；　为电池的允　电电流；　为电池的额定充电电压。对回馈过程　进行理想化处理，令制动效率　为ｌ，蓄电池的　充电时的最大允许功率可以表示为：　＝…　Ｕ　１～　（６）　其中　…是允许电池充电的最大功率；　是　允许电池充电的最大电流。　电机能量再牛制动的控制方法与常规的机械　制动控制方法在本质　就存在差异。基于最大允　许制动转矩回馈策略，是在电机与电池的各个影　响因素的限制下，实现对制动转矩的最大控制。　其具体过程可以描述为：　由上面的讨论得　，主要的影响因素包括：　电机最大允许制动转矩Ｔｒ　ｍａｘ、电机允许最大允　许制动功率　、允许蓄电池充电的最大功率　…　允许最大允电电流Ｌ　。。　则将影响因子量化后的控制策略为：　当前电机最大允许制动功率为：　＝　…ｉｎ（Ｐｈ…　，Ｉ…　，　）．（７）　当前电机最大允许制动力矩为：　＝Ｍｉｎ（　，　、　／（Ｋ　门））．（８）　中：　为当　莆电池　端电　值；　为电机发电　效率；Ｍｉｎ表尔去括号内最小值　而式子『ｆ｜ｆｔＩ　Ｉ乜机自身性能决定的参数有：　电机最大允许的制动转矩　制动效率　．其它　的都为变量，是　系统的　１『ｊ订运　状念决定的。　琏于最大允许制动转矩网馈策略，充分的考　虑刨＿ｒ电机　蓄电池的　ｊ　状态，能够有效地保　护系统的安伞性　稳定性，能够很好的适Ｊ、　电动　汽车的能量㈨馈系统　三、电机能量回馈控制策略模型　仿真　仿真的仞始条件没为最，尢给定转迷１２００ｒ／ｎｆｉｎ．　运行刽１　ｓ时，给｝１４机以减速到９００ｒ／ｍｉｎ￣ＩＺ，Ｊ指令，　给定负载转矩５Ｎ／ｍ，ｆ　机最火制动电流为５５Ａ。　１．基于能量回馈曲线制动策略仿真　＿．　．’　．’　ｎ＂’０　ｒ　ｔ　‘：　‘　：：‘．。一　～　ｒｕ　＋Ｉ　Ｉ　　ｔ　一　ｉ　．　．　’　’　，＇　■　ｔ　＾曩　图３基于能量回馈曲线制动策略仿真模型　基于能　叫馈ＩｔＩ１线制动策略仿真　模犁如　３所　示，能量　馈『ｆ｝ｊ线中删动电流　＿ｊ转速的关系为：　５４　，７　１０００ｒ／ｍｉｎ　７／１００ｎ－１６　７００ｒ／ｍｉｎ　≤ｌ０００ｒ／ｍｉｎ　３／ｌＯＯｎ＋１２　３００ｒ／ｍｉｎ　ｎ　７００　ｍｉｎ　２　ｌ　，ｚ　３００ｌｒ／ｍｉｎ　仿真得到的交轴分量电流ｉｑ波形　转速波形　如图４所示。　（ａ）交轴分量电流　（ｂ）转速月　图４基于能量回馈曲线制动策略仿真波形图　ｌｉｔ　Ｉ　『ｌＪ‘　，　甚于能艟同馈｝｝｝１线别动策略　下，删动电流　ｌ　速时被限定　最人制动电流　５４Ａ处，随符转述Ｊ　降，制动电流被　定　Ｍ馈　线　２．恒定电流制动策略的仿真　图５基于恒定电流制动策略的仿真模型　在　ｔ￣；Ｌ－＂－电流　动策略『｛１，电机存　动状态不　受到　定川砌｝　流策略的影响，没定制动电流为　定４０Ａ￣－；变，甜划的电流　转速的波形　如　５所，Ｊ　（ａ）电流ｚ　（ｂ）转速　图６基于恒定电流制动策略的仿真波形图　由仿真罔可以再　ｆＩ　动过程中制动电流　触限定在４０Ａ处　定不变、　３．最大允许制动转矩回馈策略仿真　图７最大允许制动转矩回馈策略仿真模型　（ａ）电流ｉｑ　（ｂ）转速　图８最大允许制动转矩回馈策略仿真波形图　模型中将电池的最大允电电流限制在　４６Ａ，同时对其他条什也进仃ｒ限定，ｍ波形图　可以看　制动电流在高速时受到较大限制，其他　情况速度下也受到制约公式的限制。　综上所述，　仿真结　・，　Ｊ，基于电流回馈　曲线策略，具转述　筛１功电流　线性关系，符合　驾驶习惯　但由于仃乍途叶１　ｒ况复杂，不同的路　况下，回馈曲线参数值存在很大的差异，故很难　得到准确的参数值。而基于　馈电流恒定策略，　由于回馈电流恒定，故提供的制动转矩也恒定，　但由于车速是不断变化的，对制动转矩的需求不　可能恒定不变，凶Ｉ而此策略小太适合需一ｌ：作在复　杂Ｔ况下的电动汽乍对ｆ　于最大允许制动转　（下转第８３页）　第１期　黄卜棣：浅析１９４６年《中华民国宪法》之治政思想　８３　两院变为美国的众议院和参议院，总统变为虚位　元首，类似于训政时期的国民政府主席，行政院　化为英国式内阁。明显违背了孙中山“超越欧　美”的初衷。　会”已被冻结或增修。因而，１９４６年《中华民国　宪法》在实践中也没有给中国带来民主。　２．《中华民国宪法》忽视了中国现实　当时，抗战结束，百废待兴。民主宪政并非国　家重中之重。据亨廷顿统计，战后新独立国家最　初１０至２０年的经验表明，一党制国家最稳定，而　参考文献　［１］张千帆．宪政原理［Ｍ］．北京：法律出版社，　２０１１：２３９．　多党制国家最易被政变推翻。但是，国民党一　味推行所谓“宪政”，而不顾战争之后的客观　［２］钱穆．中国历代政治得失［Ｍ］．北京：九州出版社，　２０１２：５１．　环境，国家和人民远未达到步入宪政的条件，　军政、训政需要从头再来。而一旦贸然行事，　［３］唐晓，杨帆．政治科学基础［Ｍ］．北京：世界知识出版　社，２００７：３６９．　其最终结果类似于２０世纪３０年代国府在人民尚未　温饱的情况下盲目推行的新生活运动那样不了了　之了。　［４］张千帆．宪政原理［Ｍ］．北京：法律出版社，２０１１：８８．　［５］［英］Ｊ．ｓ．密尔．代议制政府［Ｍ］．北京：商务印书馆，　１９８２：６８．　３．《中华民国宪法》阻碍了民主进程　［６］钱穆．政学私言［Ｍ］．北京：九州出版社，２０１１：１３．　［７］胡盛仪．中外选举制度比较［Ｍ］．北京：商务印书馆，　２０１４．　前已指出，１９４６年《中华民国宪法》无法体　现权能区分，并不能保障人民主权，因而不是一　部主权在民的宪法。加之制宪之后，全国即进入　“动员戡乱时期”，总统被赋予了紧急处置权，　［８］徐大同．西方政治思想史［Ｍ］．天津：天津教育出版　社，２００２．　［９］郑启梅．美国总统就职演说集一一及背景与评论　１９０５￣１９８９［Ｍ］．武汉：武汉测绘科技大学出版社，　１９９１．　使得行宪受到极大阻碍。虽然时下台湾地区仍在　延用此宪法，但内中大多数条款诸如“国民大　［１０］耿文天．中华民国宪法释义及表解［Ｍ］．北京：商务印　书馆，１９４７．　（上接第５６页）　矩回馈策略，虽然计算比较复杂，但它充分的考　虑到了电机与蓄电池的当前状态，能够有效地保　护系统的安全性与稳定性，能够很好的适应电动　汽车的能量回馈系统。　［２］袁登科，陶生桂．交流永磁同步电机变频调速系统　［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１１．　［３］孙立．空间矢量脉宽调制方法的研究［Ｊ］．中国电机工　程学报，２００１（５）：７５—７９．　［４］章玮，潘剑，梁文．永磁同步电机伺服系统再生制动过　程分析［Ｊ］．微电机，２００８，４１（３）：４－６．　参考文献：　［１］赵会强，刘怀智，陈安红．电动汽车的再生制动研究　［Ｊ］．城市车辆，２００６（４）：３４—３６．　［５］彭超．永磁同步电机矢量控制ＭＡＴＬＡＪ３仿真研究［Ｊ］．科　技世界，２０１２，１（３）．　［６］林青松，姚玉菲，王军晓．新型伺服控制系统的建模仿　真与分析【Ｊ］．电子技术应用，２０１０（１２）．