无刷直流电动汽车的能量再生制动策略

工程科学与技术，国际期刊21（2018）704完整文章无刷直流电动汽车A. Joseph Godfrey，V.Sankaranarayanan印度泰米尔纳德邦Tiruchirappalli国家技术学院电气和电子工程系控制系统研究实验室，Tiruchirappalli620015阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年12月15日收到2018年4月1日修订2018年5月5日接受2018年5月24日在线提供保留字：BLDC电机电动汽车电制动再生制动制动策略A B S T R A C T针对无刷直流电动机驱动的电动汽车，提出了一种基于制动时间和能量再生的全电制动系统这种新的制动系统是结合各种再生方法和堵塞开发的。除了现有的性能指标，如增压比，制动转矩，和最大转换比，停止时间和能量回收的各种方法进行了研究，为不同的运行条件。研究表明，堵转的停转时间较小，按二转、三转和单转顺序依次增加。此外，单开关和三开关方式的能量回收效果更好。在此基础上，提出了一种新的制动策略，该策略综合了各种再生制动方法，包括基于制动踏板压下的插入和切换。仿真和实验结果表明了该方法的有效性。©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍由于污染问题、成本和石油的可获得性，电动汽车（EV）是内部发动机驱动的汽车的替代品之一这些车辆由交流或直流电动机驱动直流电动机主要用于推进，因为电池被用作主要电源。近年来，由于电力电子转换器的进步，使用了诸如无刷DC（BLDC）电机、永磁同步电机（PMSM）和开关磁阻电机的电机[1，2]。其中，BLDC电机由于高效率、高功率密度、大起动转矩、无噪声运行、重量轻和尺寸小而经常使用[3]。最近的车辆由轮毂型BLDC电机驱动，电机内置在车轮中，以避免复杂的动力传动机构[4]。EV的续航里程（行驶里程），即车辆每次充电行驶的距离，是一个重要的参数。提高续航里程是大多数电动汽车制造商的主要目标。可以通过提高包括电机、功率转换器和电池在内的整体部件的效率来提高范围。再生制动是通过从制动期间可用的能量对电池充电来增加范围的方法之一。在再生制动期间，车辆惯性连同*通讯作者。电子邮件地址：josephgdfry@gmail.com（A. JosephGodfrey）。由Karabuk大学负责进行同行审查。电力电子转换器使电动机作为发电机将能量送回电池[5，6]。研究确保使用再生制动可以将续驶里程提高8再生制动通过电动汽车中的各种方法实现。在[8-11]中，再生制动是使用附加的DC-DC转换器来实现的，该DC-DC转换器将反电动势（反EMF）提升到适当的水平以对电池充电。这种方法需要额外的转换器，这增加了系统的成本和重量。在[12-15]中，使用与电池串联或并联的超级电容器实现再生制动。超级电容器存储再生能量浪涌，并在附加转换器的帮助下将其发送回电池。这种方法也增加了整个系统的成本和重量。再生制动使用电子换档技术[16，17]实现，其中电子齿轮根据车速形成电池、电机绕组和超级电容器的不同串联和并联连接，以回收再生能量。这种方法需要专门设计的电机多绕组，各种电池连接，和多个开关。此外，一个复杂的开关拓扑结构必须开发的实施。为了克服讨论的各种再生方案的缺点[8-17]，提出了一种使用驱动BLDC电机的单级转换器的替代方法。单级转换器能够通过施加电压来执行再生制动。https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.05.0032215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchA.约瑟夫·戈弗雷，V. Sankaranarayanan/工程科学与技术，国际期刊21（2018）704705DTDTDT一个四分之一英寸以适当的顺序切换脉冲，而无需任何附加的功率转换器。在该单级转换器中，研究了基于不同开关拓扑（即单开关、双开关和三开关）的不同类型的制动方法[18，19]。在此基础上，得出了单开关和三开关能够在中高速范围内产生所需的制动力矩和更好的能量回收的结论。此外，在低速或紧急制动情况下，建议使用两个开关，因为它会产生高制动扭矩。在[15，20最近提出了一种全电再生制动，用于非常快速和精确的制动扭矩控制[23]。然而，单独使用再生制动在低速和紧急情况下无效[24，25]。为了保证电动汽车在各种速度下的有效制动，本文提出了一种基于单开关、双开关、三开关和插接式等多种电制动方式的新型无刷直流电动汽车电制动系统。研究了每种制动方式的升压比、制动转矩和最大电压转换比等性能指标。通过仿真和实验研究了不同工况下的停车时间和能量回收问题。基于制动时间和能量回收，提出了一种新的制动策略，将不同的再生方法与制动踏板压下堵塞相结合。本文件的结构如下。第二节介绍了传统的电制动方法和制动时间。第三部分通过仿真和试验研究了各种制动方法的性能。第4节解释了基于制动踏板压下的拟议制动系统的实施，随后是第5节中的结论。2. 传统的电制动方法和制动时间2.1. 单级电制动方法在单级电制动方法中，通过使用单级双向DC/AC变换器来驱动无刷直流电动机，从而实现制动和能量再生。由单级双向转换器驱动的BLDC电机如图1所示。R和L分别是相电阻和相电感。Ea;Eb;Ec和Ia;Ib;Ic分别为反电动势和电枢电流S1到S6是交换机，D1到D6是续流二极管和C是直流链路电容器。专用控制器用于基于从霍尔传感器Ha、Hb和Hc接收的转子位置以特定方式切换逆变器。图2中示出了在实现各种制动方法（诸如单开关、双开关、三开关和插接）时所包含的开关序列和开关。性能参数见表1。在单开关制动方法中，开关S2、S4、S6中的仅一个开关在每个换向状态下以脉宽调制（PWM）开关模式操作[15，20]。在双开关方法中，开关S1-S6中的两个开关在每个换向状态下以PWM开关模式操作[21，22]。在三开关方法中，三个开关S2、S4、S6在每个换向状态下同时以PWM开关模式操作[18、19]。插入的开关顺序与双开关方法的开关顺序类似，其中应用连续信号而不是PWM脉冲[26]。这些制动方法的性能指标，如升压比、制动扭矩和最大电压转换比[18，19]，如表2所示。2.2. 停止时间计算除了性能指标[18，19]外，本文还得到了每种制动方法的停车时间。电动机动力学可以表示为：JdxBxTl¼Te 1在忽略摩擦系数和负载扭矩的情况下，方程（1）可以简化为Jdx¼Te 2制动时，电机转矩Te变为负值，记为Te¼ -Ktia。因此Jdx1/4-Kt ia1000稳态时单开关方法的制动电流方程为[27]，iD2Vemf4Rb2RFig. 1. 无刷直流电机的等效电路。706A.约瑟夫·戈弗雷，V. Sankaranarayanan/工程科学与技术，国际期刊21（2018）704D0-Þþ40天KÞK47K4¼¼公司简介表2常规电制动方法的性能指标单个开关两个开关三个开关堵塞升压比2D02K22D012K2019年12月20日2D07K制动扭矩Tmax≤0.05Kt2V emfD02Rb2Rp12Kt2V emf2D0- 1 2R b 2 Rp12Kt2V emfD02Rb7Rp14Kt2V emfRb2R–减速-K tD2V emf-K t2VemfDVbatt-K tD2V emf-K t2VemfV battJRb2RJRb2RJRb7RJRb2R图二. 常规电气制动方法的切换顺序。表1符号列表符号描述Vbatt电池电压2VemfLine back-EMFR每相Rb电池的等效负载电阻，包括内阻和化学反应KR与Rb的比率D占空比D01-Dia电枢电流Tmax最大电压转换比J惯性矩B摩擦系数x角速度Tl负载扭矩Te电机转矩电机转矩常数表3制动方法的减速值。制动方法减速档rad=sec2档单人间-38.43三-39.14二-158.84堵塞-240.82图三.各种电制动方法的性能评估框图。表4无刷直流电机规格。参数值相数3定子相电阻（欧姆）0.17定子相电感（H）256 e-6由磁铁建立的磁链（V.s）0.023354电压常数（V峰值L-L/krpm）112.5扭矩常数（N.m/A峰值）1.0743惯性J（kg.m2）0.1344粘性阻尼F（N.m.s）0.084极对23静摩擦Tf（N.m）0将（4）代入（3），重新排列，单道岔减速度为DxKtD 2VemfdtJRb2R类似地，推导出两个开关、三个开关和插接的表达式，并在表2中列出。为了突出制动方法中减速的区别，计算了电机在特定速度、固定电池电压和特定占空比下运行时的减速量。电机参数如表4所示，Rb<$2X;2Vemf<$4 22： 5 V（对应于200 rpm），Vbatt48 V和D0： 5。 单开关减速度为A.约瑟夫·戈弗雷，V. Sankaranarayanan/工程科学与技术，国际期刊21（2018）704707¼-dx1： 0743× 0： 5×22： 5dt0： 1344 ×1344×1344×1344rad1/4-38：43秒2ð6Þ3.1. 仿真结果对于性能评估，首先将BLDC电机子类似地，对两个开关、三个开关和插接进行计算，并在表3中给出。单开关的减速较小，按三开关、二开关、插接的顺序依次增大。因此，单开关的停止时间较高，并按三个、两个和插入的顺序减少3. 绩效评价各种制动方法的性能进行了仿真和实验。从仿真结果中研究了不同车速和电池荷电状态下的停车时间和平均能量回收率。性能评估研究的框图如图3所示。仿真模型由蓄电池、三相逆变器、无刷直流电机和控制模块组成.控制模块编程实现了插拔式、单开关式、双开关式、三开关式等多种制动方式。加速和制动命令提供给控制模块，该控制模块在各种驾驶条件下驱动电机。当施加加速指令时，制动指令无效，反之亦然。用于模拟的参数在表4中给出。9以恒定速度运行以施加制动信号。在保持电池SOC恒定的前提下，研究了不同占空比下的各种制动方法.3.1.1. 停止时间图4示出了在不同速度和SOC水平下制动方法之间的停止时间的比较。对于如图4（a）所示的特定电机速度和SOC水平，分别从两个、三个和单个开关插入和增加的停止时间更少。随着占空比的增加，所有制动方法再次以更高的速率降低。由于占空比是恒定的，因此堵塞的停止时间是恒定的。 图在图4（a）和（b）中，将停止时间与400 rpm和200 rpm的速度的80%的SOC水平进行比较。一般来说，电动机的停止时间取决于它运行的速度。在图4a和图4b中，对于所有方法，与以400rpm的速度运行的电机相比，以200 rpm运行的电机的停止时间花费更少的时间来停止，并且遵循相同的模式。类似地，在图4（c）和（d）中，对于400 rpm和200 rpm的速度，停止时间与50%的SOC水平一致，并且可以观察到相同的情况98765432100.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60.7占空比9876543210单三双堵0.8 0.91单三双堵8765432100.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60.7占空比98765432100.8 0.9 1单三双堵0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80.9占空比0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9占空比见图4。 各种SOC和速度下的停止时间与占空比的仿真结果。(a)SOC = 80%，速度= 400 rpm。(b)SOC = 80%，速度= 200 rpm。(c)SOC = 50%，速度= 400 rpm。(d)SOC = 50%，速度= 200 rpm。单三双堵停止时间（s）停止时间（s）停止时间（s）停止时间（s）708A.约瑟夫·戈弗雷，V. Sankaranarayanan/工程科学与技术，国际期刊21（2018）704200150100500−50−1000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80.9占空比200150100500−50−1000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80.9占空比200150100500−50−1000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9占空比200150100500−50−1000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9占空比图五、各种SOC和速度下的平均能量回收与占空比的仿真结果（a）SOC = 80%，速度= 400 rpm。（b）SOC = 80%，速度= 200 rpm。（c）SOC= 50%，转速= 400 rpm。(d)SOC = 50%，速度= 200 rpm。见图6。 实验装置。能量（W.s）单三双堵能量（W.s）能量（W.s）单三双堵能量（W.s）单三双堵单三双堵A.约瑟夫·戈弗雷，V. Sankaranarayanan/工程科学与技术，国际期刊21（2018）7047093.1.2. 平均回收在图5中，针对各种速度和SOC水平比较了在制动时段期间回收的平均能量。平均能量是在制动周期内功率对时间曲线下的面积。在具有如图5（a）所示的SOC水平的特定速度期间，通过三个开关回收的能量在所有制动方法中较高。在单个开关中回收的能量小于三个开关。随着占空比的增加，平均回收能量先增加到一个峰值，然后减少，最后在占空比为1时达到零。在制动过程中，能量消耗而不是恢复，并且是正的。在两个开关中，如图5（a）所示，平均能量在从0到0的占空比期间为负。0.5在0.5到1之间为正。这是因为，在从0到0.5的占空比期间，与从电池消耗的能量的量在制动期间。此外，当占空比范围从0.5 1，则回收的能量的量小于从电池消耗的能量的量，并且它是正的。因此，在两个开关中，有效的再生发生在占空比范围从0到0.5。现在，将平均能量与在400 rpm和200 rpm的速度下以80%SOC水平运行的电机进行比较，如图所示。5（a）和（b）。从这些图中可以观察到，与400 rpm的速度相比，在所有方法中，200 rpm的速度回收的平均能量和消耗的平均能量都更少在图5（b）中可以清楚地看到，与图5（a）中以400 rpm运行的马达相比，在插入期间消耗的能量的量更少。类似地，对于如图5（c）和（d）所示的在400rpm和200 rpm下运行的具有50%SOC水平的电机进行相同的比较，并且可以观察到相同的场景。表5不同占空比下的停止时间和平均电流占空比停止时间（s）平均电流（A.s）单三两堵单三两堵0.22.22.15 1.09 0.23-0.112-0.214-0.189 0.9420.41.491.39 0.5 0.23-0.239-0.247-0.091 0.9420.61.010.99 0.26 0.23-0.286-0.289 0.355 0.9420.80.750.7 0.24 0.23-0.234-0.244 0.889 0.942见图7。单开关和三开关在特定SOC和速度下的性能评估实验结果。(a)单开关-0.4占空比。(b)单开关-0.8占空比。（c）三个开关-0.4占空比。（d）三个开关-0.8占空比。710A.约瑟夫·戈弗雷，V. Sankaranarayanan/工程科学与技术，国际期刊21（2018）7043.2. 实验程序为了实时研究不同制动方法的性能，在实验室中建立了一个模拟电动汽车的实验装置。实验装置包括一个48 V，26 Ah的电池，三相逆变器，以驱动无刷直流电机，数字控制器，无刷直流轮毂电机和永磁直流（PMDC）电机的负载目的。BLDC电机的规格与用于模拟的规格相同，如表4所示。数字控制器dspic30f4011用作三相逆变器的PWMPMDC电机通过皮带连接到BLDC电机，该皮带充当模拟上坡和下坡驾驶条件影响的负载。每种制动方法的性能研究是分别进行了一个特定的SOC水平和速度与不同的占空比类似的仿真研究。在数字存储示波器（DSO）中观察了电动机从制动点到零速的反电动势、电枢电流、停止时间和电池电流等参数的变化。记录不同占空比下制动期间的停止时间和平均再生电流，总结见表5。电动机被加速到以340 rpm的速度运行，并经受在达到稳定速度后制动。图图7和图8示出了在50%SOC水平下占空比为0.4和0.8的电动区域以及制动区域中的反电动势、电枢电流、速度和电池电流的波形。在实验结果中，可以观察到，在电动区域，反电动势的值是高的对应于稳定的该区域中的电池电流波形为正。当制动时，反电动势开始减小，最后趋于零。电枢电流先增大后逐渐减小，与反电动势同相。电动区域和制动区域中的反电动势和电枢电流的放大视图分别如图7（a）和（b）所示。可以清楚地观察到，在电动区域，反电动势和电枢电流是同相的，而在制动区域，反电动势和电枢电流是反相的。电池电流波形从正变为负，表示再生的发生，并由圆圈表示。从速度波形中检查每种制动方法的停止时间。对于图1和图2所示的0.4占空比，从图7和图8中可以看出，从两个、三个和单个开关插入和增加的停止时间更少。再次，对于0.8的占空比，遵循相同的模式，但是停止时间所有的方法都被减少了。通过这种观察，可以确认，随着占空比的增加，每种制动方法的停止时间以相同的模式减少。从能量回收的角度观察电池电流波形，如图1和图2所示。7和8对于0.4和0.8的占空比，从图7可以观察到，三个开关中的平均再生电流高于单个开关。在图8（a）和（b）所示的两个开关中，再生发生0.4占空比图8.第八条。针对特定SOC和速度的双开关和插拔性能评估实验结果（a）两个开关--占空比为0. 4。（b）两个开关-0.8占空比。（c）堵塞-0.4工作循环。(d)堵塞-0.8占空比。A.约瑟夫·戈弗雷，V. Sankaranarayanan/工程科学与技术，国际期刊21（2018）704711见图9。制动踏板角度与输出电压的关系。见图10。制动踏板图片。并且在0.8占空比中不发生再生。在如图8（c）和（d）所示的插入中，可以清楚地看到，更多的电池电流被消耗用于停止马达，并且没有再生发生。4. 建议的制动系统基于各种制动方法的性能评估的结果，提出了一种新的制动策略的该策略基于制动踏板压下以如图9所示的顺序切换制动方法这里使用的制动踏板是基于线性霍尔效应的踏板，当从0 °压下到18°时，其输出电压在0.85 V和4.2 V之间变化。所用制动踏板的图片如图10所示。作为安全措施，从制动踏板的初始点开始给出3 °的公差，并且不分配制动方法。当踏板踩下3°以上时，单个开关激活，再次踩下8°以上时，三个开关激活。高于13°时，两个开关激活，在18°时，插入激活。由于单开关和三开关具有更小的减速和更多的能量回收，因此它适用于正常制动事件或减速目的。因此，这些方法都放在制动踏板的初始角度（3°-13°）。由于双开关和堵头的减速度高，双开关适用于紧急情况下的快速停车和堵头。所以这些方法都放在制动踏板的最终角度（13°-18°）。4.1. 仿真和实验结果仿真和实验结果验证了所提出的制动策略的有效性在性能评估中考虑的仿真模型中进行仿真。仿真中的制动踏板采用不同斜率、不同电压等级的斜坡信号实现实验测试在图6所示的实验装置中进行。这两个测试都是通过将电机加速到以80%SOC水平以412rpm的速度运行来进行的。测试按如下所述的顺序进行电机达到稳定速度后，首先将制动踏板轻轻踩下至某一水平，以激活单开关方法。电机停止，一段时间后，电机见图11。 0.3占空比时拟定制动系统的模拟结果。712A.约瑟夫·戈弗雷，V. Sankaranarayanan/工程科学与技术，国际期刊21（2018）704见图12。 0.7占空比时建议制动系统的模拟结果。图十三. 0.3占空比的拟议制动系统的实验结果。图14. 0.7占空比的拟议制动系统的实验结果。再次加速以稳定的速度运行。再次踩下制动踏板，达到更高的水平，激活三开关方法。对于两次切换和堵塞重复该过程，并且从图中测量每种方法的停止时间和能量回收。从图1和图2所示的结果中，如图11- 14所示，可以清楚地看到，每个制动方法基于制动踏板输入被完美地激活，并且验证了所提出的制动策略在制动踏板下压的情况下有效地工作。图图11和图12示出了所提出的制动系统对于0.3和0.7的占空比的模拟结果。 对于0.3的占空比，可以从图中注意到。试验结果表明，单开关、三开关、双开关、插接式开关的停机时间依次减小。随着占空比的增加（即0.7），如图12所示，每种制动方法的停止进一步减少，并且遵循与性能评估中观察到的相同的模式。在两种占空比下，三个开关的能量回收率都高于单个开关。在两种开关方式中，当占空比为0.3时，电池回收的能量比例较大，而当占空比为0.7时，电池回收的能量比例较小。在堵塞中，消耗的能量是相同的，最后，可以观察到，所有结果都与性能评估中获得的模式相匹配类似地，针对与仿真中进行的相同的占空比进行实验 图图13和图14示出了所提出的制动系统对于0.3和0.7占空比的实验结果。每种制动方法的停止时间以相同的模式随着占空比的增加而减少，如在模拟结果中所观察到的此外，各种制动方式的能量回收规律然而，即使结果的模式相同，也可以注意到，在停止时间和能量值方面，模拟和实验结果之间存在不匹配这是由于模拟中使用的理论模型和实验装置的实际模型之间的差异。模型失配是由于考虑用于实验研究的电动机的时变摩擦。5. 结论提出了一种基于制动踏板踩下量的全电制动策略。各种现有制动A.约瑟夫·戈弗雷，V. Sankaranarayanan/工程科学与技术，国际期刊21（2018）704713采用单开关、双开关、三开关拓扑和插接等方法实现了这种新的制动策略。两个重要的参数，即停止时间和能量再生被认为是到达这个建议的计划。作为第一步，他们的性能进行了研究，使用数值模拟和实验。结果表明，单切换、三切换方式再生效果较好，二切换、堵转方式的停车时间较好基于这些结果，新的制动策略被设计为在单、双、三开关拓扑结构之间切换以及使用制动踏板下压来插入所提出的策略是能够停止车辆在任何速度与可能的能量再生。仿真和实验结果表明了该方法的有效性。引用[1] M. Ehsani，Y. Gao，中国粘蝇A. Emadi，Modern Electric，Hybrid Electric，andFuel CellVehicles：Fundamentals，Theory，and Design，CRC Press，2009。[2] M.S. Kumar，S.T.电动汽车的开发方案和关键技术：综述，更新。坚持住。Energy Rev. 70（2017）1266- 1285。[3] C.- L. Jeong，J. Hur，使用铁氧体永磁体提高轮辐式BLDC电机可靠性的新建议，IEEETrans. Ind. Appl. 52（5）（2016）3814-3821。[4] Y.-- H.洪角，澳-地H.吴，电动汽车混合动力轮毂电机的组合优化尺寸和能量管理方法，应用。 能源139（2015）260-271。[5] L. Li，X. Li，X. Wang，J. Song，K.他，C.李，电动汽车再生制动时降档对能量效率的改善分析，应用。能源176（2016）125-137。[6] L. Zhe，Z.林河，巴西-地Yue，Y.叶，中国植物研究所所长。韦湖，澳-地Yinong，G.丰湖，澳-地Yusin，X.周斌，智能汽车再生制动系统的控制策略，IET智能互联汽车国际会议（ICV2016），IET，2016。[7] C.潘湖，澳-地陈湖，澳-地Chen，H.姜，Z. Li，S.王先生，电动汽车再生制动系统中电机转速测量的研究，机械工程。系统信号处理。66-67（2016）829-839.[8] T.金，再生制动控制的轻型燃料电池混合电动汽车，电气。电源组件系统 39（5）（2011）446-460。[9] O.C. 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