《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電動(dòng)汽車(chē)能量回饋制動(dòng)系統(tǒng)的研究
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
苗敬利, 李 蒙
(河北工程大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院, 河北 邯鄲 056000)
摘要: 為了提高一次充電后電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程,,提高能源的利用率,針對(duì)由無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)能量回饋制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究,,對(duì)設(shè)計(jì)方案分硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分作了介紹,。實(shí)際應(yīng)用測(cè)試表明, 該方法有效地把制動(dòng)時(shí)的能量轉(zhuǎn)化成電能回饋到蓄電池存儲(chǔ)起來(lái),從而提高電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程,。
中圖分類(lèi)號(hào): TM33
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)08-0094-04
Research of the electric car energy regenerative braking system
Miao Jingli, Li Meng
School of Information and Electrical Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056000, China
Abstract: In order to improve a single charge trip range of electric cars as while as improve the utilization of energy, the brushless DC motor drive electric vehicle regenerative braking energy system are studied. The design scheme of hardware and software are introduced. Practical tests show that this method can effectively when the braking energy into electricity back to the storage battery, thus improve the trip range of electric cars.
Key words : brushless DC motor,; regenerative braking; hardware circuit,; electric car

  傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)在制動(dòng)時(shí)是將汽車(chē)的慣性能量通過(guò)制動(dòng)器的摩擦轉(zhuǎn)化成無(wú)法回收的熱能散發(fā)到周?chē)h(huán)境中消散掉了[1],。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)而言,由于電動(dòng)機(jī)具有可逆性,,即電動(dòng)機(jī)在特定的條件下可以轉(zhuǎn)變成發(fā)電機(jī)運(yùn)行,,因此可以在制動(dòng)時(shí)采用再生制動(dòng)的辦法,通過(guò)設(shè)計(jì)好的電力裝置將制動(dòng)產(chǎn)生的回饋電流充入儲(chǔ)能裝置[2-4],。研究表明,,在城市工況下,大約有1/3到1/2的能量被消耗在制動(dòng)過(guò)程中[5],。因此,,研究制動(dòng)能量回饋不僅增加了電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程,對(duì)于降低電動(dòng)汽車(chē)能耗,,緩解能源和環(huán)境壓力具有重要意義,。

  永磁無(wú)刷直流電機(jī)沒(méi)有電刷、利用電子換相,,故而克服了任何電刷引起的問(wèn)題,;另外,永磁無(wú)刷直流電機(jī)導(dǎo)熱性好,,電動(dòng)機(jī)的效率與轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)保持同步關(guān)系,,不會(huì)發(fā)生失步和震蕩現(xiàn)象[5-6]?;谝陨蟽?yōu)點(diǎn),,使得永磁無(wú)刷直流電機(jī)在能量回饋制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用中倍受青睞,本文分析了永磁無(wú)刷直流電機(jī)的制動(dòng)過(guò)程,。

1 永磁無(wú)刷直流電機(jī)能量回饋制動(dòng)原理

  1.1無(wú)刷直流電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)的聯(lián)結(jié)方式

 

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  三相星型形聯(lián)結(jié)全橋驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示,。星形聯(lián)結(jié)的二二導(dǎo)通方式是每次使兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通。根據(jù)圖1的開(kāi)關(guān)管命名關(guān)系,,開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通順序?yàn)椋篤1V2,、V2 V3、V3V4,、V4V5,、V5V6、V6V1,??梢?jiàn),共有6種導(dǎo)通狀態(tài),,因?yàn)槊扛?0°電角度改變一次導(dǎo)通狀態(tài),,每改變一次狀態(tài)更換一個(gè)開(kāi)關(guān)管,每個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通120°電角度,。當(dāng)V1V2導(dǎo)通時(shí),,電流的路線為:電源→V1→A相繞組→C相繞組→V2→地,,其中A相和B相相當(dāng)于串聯(lián),每相通電電流均為I,。其他依此類(lèi)推,。與三相半橋式驅(qū)動(dòng)方式相比較,三相全橋星形聯(lián)結(jié)二二導(dǎo)通方式的每個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間為120°,,每相繞組通電240°,,繞組的利用率增加了,輸出的轉(zhuǎn)矩也增加了,。

  1.2 能量回饋制動(dòng)原理

  無(wú)刷直流電機(jī)是電動(dòng)汽車(chē)中較常用的一類(lèi)電機(jī),,由其工作原理可知,只要改變同一磁極下電樞電流的方向,,就可以改變電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的方向,。當(dāng)三相方波電流的相序所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相同時(shí),電機(jī)工作于拖動(dòng)方式,。反之,,則產(chǎn)生制動(dòng)力矩,從而達(dá)到制動(dòng)效果,。如果此時(shí)某種相序的實(shí)施不僅可以產(chǎn)生制動(dòng)力矩,,同時(shí)還可以將繞組線圈中的反電勢(shì)能回饋到電池組中,則實(shí)現(xiàn)了能量回饋制動(dòng),。

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  電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由蓄電池,、永磁無(wú)刷電機(jī)以及控制器組成,原理圖如圖2所示,。永磁無(wú)刷電機(jī)常用的工作方式為兩相導(dǎo)通,,即一個(gè)周期內(nèi)各相正、負(fù)分別導(dǎo)通120°且三相相位相差120°為了獲得制動(dòng)力矩,,在相反電勢(shì)幅值最大的120°期間,,通一反方向的電流即可,但要能向蓄電池回饋能量,,而不是從蓄電池汲取能量,,則需要通過(guò)升壓斬波來(lái)實(shí)現(xiàn)。假定電機(jī)正向旋轉(zhuǎn),,在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),,通過(guò)對(duì)不同功率管進(jìn)行斬波,可獲得制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩,。PWM 開(kāi)通的時(shí)間內(nèi),,在導(dǎo)通的閉合回路中對(duì)電機(jī)兩相的電感蓄能;PWM 關(guān)斷的時(shí)間內(nèi),通過(guò)相應(yīng)的二極管續(xù)流,,進(jìn)而為蓄電池充電,。

  永磁無(wú)刷電機(jī)回饋制動(dòng)方法可分為兩種:?jiǎn)蝹?cè)斬波,雙側(cè)斬波,。本文介紹單側(cè)斬波方法,。單側(cè)斬波只對(duì)逆變器的下橋斬波,,上橋全部關(guān)斷,。如圖2所示,以功率管T4為例,,分析在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)系統(tǒng)工作情況,。T4導(dǎo)通期間等效電路如圖3所示,圖中電流電壓方向都是實(shí)際方向,。

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  回路電壓方程為:

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  其中:Ud為蓄電池開(kāi)路電壓,;iP為母線電流;icd為支撐電容放電電流,;id為子線電流,;Rb為蓄電池充電時(shí)等效電阻;Uc為逆變器支撐電容電壓,;eA,,eB為相電勢(shì);E為單相電勢(shì)平頂處幅值,;RS為相電阻,;L為相自感;M為相間互感,;C為支撐電容容量,。

  很顯然,在T4,、D6導(dǎo)通期間通過(guò)反電勢(shì)在電機(jī)的兩相電感中儲(chǔ)能,,而支撐電容放電為蓄電池充電。

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  當(dāng)T4關(guān)斷時(shí)等效電路如圖4所示,。

  關(guān)斷期間回路電壓方程為:

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  其中,,icc為支撐電容充電電流。期間D1,、D6導(dǎo)通,,儲(chǔ)存在電感中的能量釋放出來(lái)(抬高支撐電容端電壓),從而在為支撐電容充電的同時(shí),,將電流回灌進(jìn)電池中,,達(dá)到回收能量的作用。

  對(duì)于支撐電容而言,根據(jù)能量守恒定律,,穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)有:

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  忽略母線電壓,、電流和相電流的脈動(dòng),假定電容充放電過(guò)程中電流保持不變,,即

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  再根據(jù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電機(jī)電感能量守恒原則,,有:

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  其中,占空比滿足0≤D<1,。當(dāng)D>(Ud-2E)/Ud時(shí),,Uc>Ud從而實(shí)現(xiàn)回饋功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

  2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

  TMS320F2812是美國(guó)TI公司推出的C2000平臺(tái)上定點(diǎn)32位DSP芯片,,運(yùn)行時(shí)鐘最快可達(dá)150 MHz,,處理性能可達(dá)150 MIPS,每條指令周期6.67 ns,。具有片內(nèi)128 K×16位的SRAM,,能夠滿足無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的要求。本文即采用DSP為控制器構(gòu)建BLDCM能量回饋控制系統(tǒng),。

005.jpg

  如圖5為無(wú)刷直流電機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,。硬件系統(tǒng)由主控板、功率驅(qū)動(dòng)和接口信號(hào)板構(gòu)成,。主控板是DSP的最小系統(tǒng),,功率驅(qū)動(dòng)板上可實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)部分以及相關(guān)信號(hào)處理電路,功率驅(qū)動(dòng)板為主控板提供電源,。

  2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

 

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  驅(qū)動(dòng)電壓一般為10~15 V,。A相主電路和驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示,B,、C相電路與此相同,。圖6(a)為PWM隔離電路,此電路選用的光耦LCPL-2531,,此芯片是一種雙通道高速光電耦合器,,速度可達(dá)1 Mb/s。

  圖6(b)的驅(qū)動(dòng)電路選用IR2110為驅(qū)動(dòng)芯片,,內(nèi)部為自舉操作設(shè)計(jì)了懸浮電源,,有較寬的輸出柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍。內(nèi)部集成雙通道驅(qū)動(dòng)模塊,。高端工作電壓可達(dá)500 V,,輸出的電源端電壓范圍10~20 V;邏輯電源電壓范圍5~15 V,,可方便與TTL,、CMOS電平相匹配,;工作頻率高,可達(dá)500 kHz,;開(kāi)通,、關(guān)斷延遲小,分別為120 ns和94 ns,。圖6(b)中,,IGBT_2H、IGBT_2L為母線電壓正負(fù)極,,其間連有大電容,。Vbs(驅(qū)動(dòng)電路VB和VS管腳之間的電壓)為懸浮電源,它給集成電路的高端驅(qū)動(dòng)電路提供電源,。驅(qū)動(dòng)輸入電容較大的MOSFET,,在工作頻率較低的情況下,,要注意自舉電容電壓穩(wěn)定性問(wèn)題,,上管的驅(qū)動(dòng)波形峰頂如果出現(xiàn)下降的現(xiàn)象則要選取大的電容。為了避免VB過(guò)電壓損壞IR2110,電路中增加了穩(wěn)壓二極管D30,。

  2.3 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

  2.3.1 位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

  無(wú)刷直流電機(jī)位置傳感器采用霍爾傳感器,,并采用光耦對(duì)位置傳感器信號(hào)進(jìn)行隔離處理,電路與圖6(a)類(lèi)似,。傳感器輸出通常為OC門(mén),,需要加上拉電阻實(shí)現(xiàn)正確輸出。在光耦隔離電路中,,OC門(mén)輸出極的導(dǎo)通可以為光耦提供電流通道,,所以光電隔離電路中霍爾傳感器輸出無(wú)需上拉也可以正常工作。

  2.3.2 電流信號(hào)檢測(cè)

  電流信號(hào)檢測(cè)選用電流傳感器LTS6-NP,。電流傳感器的輸出信號(hào)需要接入DSP中進(jìn)行處理,。 處理電路如圖7所示。

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  此電路中的運(yùn)算放大器采用模擬器件公司的(Analog Devices)OP27,具有低失調(diào)電壓和漂移特性與高速,、低噪聲特性,、高輸入阻抗的特點(diǎn),適合用來(lái)做電流采樣信號(hào)處理,。所以,,運(yùn)算放大電路構(gòu)成差分放大器形式的電流信號(hào)處理電路。

  圖中D5,、D6為3 V穩(wěn)壓管,,保護(hù)DSP的AD輸入端,確保輸入信號(hào)范圍保持在AD允許的輸入范圍內(nèi)。后邊接一個(gè)一階RC濾波電路對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行濾波處理,。

  差分放大器正相輸入端為信號(hào)的輸出,,反相輸入端為電流傳感器信號(hào)的地,。本設(shè)計(jì)中運(yùn)用差分放大器可以消除信號(hào)的同相成分,有利于區(qū)分噪音和信號(hào),,還能抑制噪音形成,。圖中電路對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),所以R26=R25,R20=R24,。

  傳遞函數(shù)如式(10),,要想調(diào)節(jié)電流傳感器信號(hào)送入AD的采樣范圍,可以調(diào)節(jié)R20,、R25來(lái)實(shí)現(xiàn),。

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  2.4 串行通信接口電路設(shè)計(jì)

 

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  圖8所示為串行通信接口電路圖,串口接口芯片選用MAX3232,,其與控制接口電壓都為3.3 V,,所以可與DSP直接相連。本系統(tǒng)的通信接口由RS232和CAN構(gòu)成,。在TMS320F2812中集成了CAN總線控制器和串行通信接口模塊,,加以必要的接口電路就可構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)。

3 軟件設(shè)計(jì)

 

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  本設(shè)計(jì)軟件部分如圖9所示,,主程序模塊中先進(jìn)行系統(tǒng)初始化工作,,完成初始化后,主程序進(jìn)入一個(gè)死循環(huán),,其主要功能就是響應(yīng)中斷,,調(diào)用中斷處理程序。

  本文通過(guò)對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的研究,,采用TMS320F2812芯片作為主控芯片,,實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回饋控制,使電動(dòng)汽車(chē)在行駛中能量得到充分利用,,并且增加了電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程,,節(jié)約了能源,提高了效率,。

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