(1)单相回馈制动 电动汽车用无刷直流电动机的回馈制动分为两种情况:一种是电动机转速超过基速,通过驱动器直接向蓄电池回馈电能,同时提供制动的电磁转矩,如下坡时可能出现此种情况;更多的时候则是另一种情况,即出现在车速未超过基速时的减速过程中。在此过程中,电动机处于发电状态,将电动汽车减速过程中的部分动能回馈给蓄电池。 驱动电动机进入发电工作状态,其发电电压必须高于蓄电池电压才能输出电功率,因此需要对制动过程进行有效控制。基本控制原理为升压斩波。 Boost变换器的主电路拓扑结构如图4-21所示,通过对功率管VT1的PWM开关控制,达到控制输出电压的目的,又称作升压斩波变换器。下面通过分析个PWM周期的工作状态来分析其工作原理。 在VT1导通期间,电源通过VT1向电感L充电,电流慢慢升高,直到VT关断时刻达到最大值,VT1关断后直到该周期结束,电源与电感共同向负载供电,电流慢慢减小。在VT1开通的时间周期内是电源E向电感存储能量的过程,而后一阶段电感处在释放能量的状态。把同一周期内的VT1导通区间和关断区间的电流变化量进行比较,可以得到下式。
根据上式可知,通过调节VT,控制信号的PWM占空比可以调节输出电压。因为a1,由上式可得输出电压U>E(蓄电池电压),即输出电压高于电源电压,所以称此种结构的电路为升压斩波电路。电感上的储能作用是产生泵升电压的主要原因。
有两种方法将这一原理应用在无刷直流电动机能量回馈控制中:一种是在全桥驱动器与蓄电池之间加上升压 Boost变换器;另一种则是利用驱动器本身的PWM调制产生近似于Boost变换器的功能。第二种方式利用驱动器本身的3个负半桥IGBT达到这一目的,无需外加电路,所以电动汽车中多利用第二种方式。
(2)三相能量回馈控制 在回馈控制阶段,将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控制,可以起到和 Boost变换器相同的效果。与 Boost变换器的工作过程相似,在一个PWM开关周期内,无刷直流电动机的能量回馈控制过程也可以分为两个阶段。
①续流阶段续流阶段无刷直流电动机的电流流向如图4-22所示。VT2导通是电流提供续流通道。在此阶段,电能将存储在三相绕组的电感中。
②回馈阶段在VT2关断期间,在反电动势和三相绕组寄生电感的共同作用下,之前存储于三相绕组之内的能量与反电动势一同向蓄电池共同回馈能量。在此阶段,无刷直流电动机的电流流向如图4-23所示,VT2关断,电流经D1回馈至蓄电池,同样存在通过D4与Ds流向B相和C相的电流通路。
忽略电动机相电阻的影响,充电过程中产生的泵升电压随着PWM控制的占空比的增大而增大。
电动汽车用无刷直流电动机驱动系统的能量回馈过程应受到车辆运行状态的限制。能量回馈过程还要受到制动安全和蓄电池充电安全等条件的限制,如蓄电池SOC、电动机的回馈能力和当前转速等。回馈制动控制策略需要和整车制动要求紧密结合。在实际应用中,回馈制动需满足一定的约束条件,并采取相应的控制策略。在回馈制动过程中,相应的主要约束条件如下。
a.满足制动安全的要求在回馈制动过程中,制动安全是第一位的,因此根据整车的制动要求,回馈制动系统应保持一定的制动转矩,以确保整车的制动效能如制动减速度、制动距离等。在通常的减速过程中,回馈制动可以满足要求。当制动力矩需求超过系统回馈制动能力时,还需要采用传统的机械制动。另外,当转速低至回馈制动无法实现时,也需要采取其他制动方式辅助制动运行。
b.电动机系统的回馈能力回馈制动系统在工作过程中,需考虑电动机系统在发电过程中的工作特性和输出能力。所以需要对回馈过程中的电流大小进行限制,以确保电动机系统的安全运行。
C.电池组的充电安全电动汽车常用的能源大多为铅酸蓄电池、锂电池、镍氢电池等。充电时,应避免充电电流过大,损坏蓄电池。所以,回馈制动系统的容量除了要考虑电动机系统的回馈能力外,还应包含蓄电池的充电承受能力。因为回馈制动过程时间有限,所以主要约束条件为充电电流的大小。
在回馈制动过程中,一般可采用的控制策略包括最大回馈功率控制、最大回馈效率控制、恒转矩控制等。在恒转矩控制策略下,可以使整车保持制动需求的减速度完成制动过程,使得制动过程满足制动力矩需求。在回馈制动状态下,制动转矩由电动机的电磁转矩提供。对于永磁无刷直流电动机,电动机的电磁转矩正比于电动机的电流,所以可以通过控制回馈电流的大小来控制制动转矩的大小,实现对制动过程的控制。
回馈制动的控制周期包含了续流与能量回馈两个阶段。在低速回馈状态下,根据位置传感器信号对功率管的通断进行有规律的PWM控制,可以起到和 Boost变换器相同的效果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。在此过程中,也应进行换相控制。采用单侧斩波的控制方式,即在回馈制动过程中,封锁上桥臂仅对功率桥的下桥臂进行PWM控制。在每一个控制周期内,仅对其中的功率管进行PWM控制。保持对反电动势最大的相所对应桥臂的功率管进行PWM控制。
对于六个功率管,仅对处于下桥臂的功率管进行PWM控制,每个功率管持续120°电角度。在控制过程中,应根据位置传感器的信号进行换相控制。在回馈制动原理阐述过程中已经将第一个控制区间的控制过程进行了详细推导,其他控制区间可以得到类似的结论。通过控制占空比,可以对回馈电流进行调节,从而控制制动转矩的大小,实现对回馈制动过程的控制。
