基于DSP的能量回饋系統(tǒng)在電動汽車中的應用仿真

陳 軍，鄧木生

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

基于DSP的能量回饋系統(tǒng)在電動汽車中的應用仿真

陳 軍，鄧木生

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

車輛驅(qū)動電機由電動狀態(tài)突然轉(zhuǎn)入制動狀態(tài)時會有強大的沖擊電流進入蓄電池，這種情況會對蓄電池造成極大傷害。為解決此類問題，設(shè)計了帶有DC/DC變換器的再生制動能量回饋系統(tǒng)。系統(tǒng)以TI公司的TMS320 DSP作為硬件設(shè)計的處理器，主電路、控制電路、驅(qū)動電路以及檢測電路等為外圍電路，并以直流無刷電機（BLDCM）作為被控對象，搭建了電路仿真模型。仿真調(diào)試結(jié)果表明，將超級電容并聯(lián)在電池兩端共同作為儲能元件，能夠避免大電流對電池的沖擊，延長其使用壽命；且汽車爬坡或突然加速時，該系統(tǒng)也能夠及時做到動力補償，滿足動能需求。可見，該系統(tǒng)設(shè)計能夠很好地回收制動能量。

DSP；超級電容；DC/DC變換器；能量回饋系統(tǒng)

0 引言

電動汽車作為新型能源動力汽車，以其無污染、節(jié)能而深受大眾喜愛。然而它并沒有得到迅速、大規(guī)模地推廣，究其原因是其性能比不上燃油汽車。蓄電池作為電動汽車的主電源，儲存的電能有限，很大程度上限制了汽車的續(xù)航里程。而且頻繁的充放電和制動時的大電流沖擊對電池的使用壽命有極大影響[1]。再者，車輛爬坡或加速時，蓄電池不能瞬間大功率放電會導致車輛動力不足等問題。汽車在行駛過程中，要不斷地加速、恒速、制動。尤其是在交通擁擠的城市，有30%～50%的能量被消耗在汽車制動上。能量回饋制動系統(tǒng)是一種非常有效的節(jié)能方法，大大提高了汽車的能量利用效率。

為解決以上問題，本課題組提出將超級電容、DC/DC變換器并聯(lián)在蓄電池兩端以組成復合電源，共同傳輸電能[2-3]。超級電容[4-6]具有快速充放電的功能，而DC/DC變換器處在蓄電池與超級電容雙電源之間，這使得兩者的輸出電壓更加穩(wěn)定。具體的能量供應模式如下：當車輛制動時，DC/DC變換器處于降壓變換狀態(tài)，超級電容接收瞬間大電流，而且一次性儲存的電量要遠大于蓄電池的；爬坡、加速時，DC/DC變換器處于升壓變換狀態(tài)，超級電容將能量及時釋放到電路中以驅(qū)動電機快速運轉(zhuǎn)，克服了汽車在瞬間加速時動力不足的缺點；車輛穩(wěn)定運行時，由蓄電池釋放電能。

1 能量回饋制動原理

本研究中，基于數(shù)字信號處理（digital signal processing，DSP）搭建車輛行駛控制系統(tǒng)，并且以直流無刷電機作為控制對象。剎車時，車輛由電動轉(zhuǎn)換為制動狀態(tài)，處理器一方面根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器按照相應的換向邏輯發(fā)出一定占空比的脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）信號，這些信號可驅(qū)動控制功率管，以保證電機轉(zhuǎn)矩與功率的輸出；另一方面，處理器根據(jù)反饋來的電壓、電流信號計算輸出的PWM信號，驅(qū)動控制DC/DC變換器[7-10]中的功率開關(guān)管，降低變換器的輸出端電壓（即降壓變換），此時大電流進入超級電容兩極板，系統(tǒng)處于能量回饋狀態(tài)。

電動汽車超級電容充放電原理如圖1所示。

圖1 超級電容充放電原理圖Fig. 1 Super capacitor charging and discharging diagram

車輛制動控制的數(shù)學模型如下：因減速制動時，所需要的制動力矩很小，此時系統(tǒng)采用半橋調(diào)制方式[11]，因而能夠快速地實施控制響應，且制動能量回饋效率更高。

1.1 續(xù)流階段

此階段下，S4導通，為電流提供了續(xù)流通道。制動產(chǎn)生的電能儲存在三相繞組的電感中，與Ea一起經(jīng)D2構(gòu)成回路，即有

式中：Ea、Eb分別為電機定子A相、B相電勢；

E為反電動勢的最大值。

同時，存在一條通向D6流向C相的電流通道，此時有Eb＞Ec，定子C相電勢Ec的表達式為

式中，θ為電機轉(zhuǎn)過的電角度，其值可由如下公式計算得出：

其中，P為電機極對數(shù)，n為轉(zhuǎn)速，t為時間。

無刷直流電機[12-15]的三相繞組采用星形連接，那么它們之間的電流關(guān)系如下：

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可以得出系統(tǒng)的電壓平衡方程如下：

式（2）～（3）中：R為相電阻；

L為繞組合成電感；

ia、ib、ic分別為電機定子A、B、C相的相電流。

綜合式（1）～（3）可以得出

求解式（4）可得回饋電流表達式，為

式中I0為Ib的初始值。

1.2 回饋階段

功率管S4關(guān)斷，三相繞組存儲的能量和電機反電動勢一起給蓄電池充電，回饋電路有：經(jīng)D2流向A相，過D3回饋到電池；經(jīng)D6流向C相，過D3回饋能量。

由基爾霍夫電壓定律可以得出如下方程：

式中Ud為直流側(cè)電壓。

綜合公式（1）（6）（7），可推導得

由式（8）可得到回饋電流ib(t)：

式中：ib0為ib的初始值；

t1為續(xù)流時間。

1.3 PWM占空比與能量回饋的關(guān)系

電動狀態(tài)下，能量儲存在電感中；續(xù)流狀態(tài)時，電感將儲存的能量通過續(xù)流二極管全部消耗在電路中[16]，以此建立如下公式：

T為周期；

i′為電機制動時的電流。

由式（10）變形，可以推導出制動電流i′的計算公式，即

由于制動電流i′是負數(shù)，所以可得出系統(tǒng)能量回饋條件如下：

在一個周期內(nèi)，制動電流能夠向蓄電池回饋的最大能量Wmax為

比較式（13）和（14）可以看出，回饋能量W隨著PWM占空比的增大而減小。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件設(shè)計電路如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig. 2 Hardware structure of the control system

如圖2 所示，外部輸入信號輸入到主控電路后，其內(nèi)部的AD模塊將信號進行轉(zhuǎn)換。處理器依據(jù)控制算法發(fā)出PWM脈沖信號，經(jīng)驅(qū)動電路隔離放大后控制逆變電路中各功率管的有序?qū)?，控制電機工作。其中，控制電路由DSP最小系統(tǒng)和外部信號輸入組成，包括加速信號、剎車信號、霍爾信號等。

2.1 處理器的性能和作用

DSP作為一種微處理器，有些外部模擬信號先通過AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號0和1，再被芯片處理。其運算速度可達每秒數(shù)千萬條指令程序，具有很強大的處理功能，主要包括采集電路中電壓/電流信號、轉(zhuǎn)子位置傳感器信號、剎車或加速信號等。輸入的信號被轉(zhuǎn)換、計算后，處理器依據(jù)控制策略發(fā)出PWM脈沖，實現(xiàn)脈寬調(diào)制，控制功率單元，完成四現(xiàn)象逆變器輸出電流的控制以及對電機的實時調(diào)速。另外，在主控制器外圍還裝備有適合電力電子控制的各種外設(shè)模塊。

2.2 信號處理

對采樣的加速踏板和剎車踏板電流、轉(zhuǎn)子位置傳感器、直流母線電流電壓、超級電容電壓、蓄電池電壓等信號，經(jīng)各控制模塊電路的濾波、穩(wěn)壓、降頻調(diào)制后，送入DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，通過AD轉(zhuǎn)換，被處理器所獲取。

AD轉(zhuǎn)換模塊采用的芯片是AD7606，其工作原理如下：

1）通過8個輸入通道V1～V8采集外部電壓電流信號和電動機轉(zhuǎn)子信號；

2）配置端口PAR/SER/BYTE SEL為高電平、DB15為低電平，使其為串行輸入，從DB7輸出信DOUTA；

3）將信號DOUTA經(jīng)過數(shù)字隔離器ADUM7643后傳給CPU，CPU通過SPI協(xié)議配置ADUM7643的內(nèi)部寄存器，實現(xiàn)控制器以及電機模擬數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙ぷ鳌?/p>

2.3 隔離驅(qū)動電路

隔離驅(qū)動電路選用IR公司的IR2136模塊[17]和IR2101模塊。其中，IR2136模塊的高端工作電壓可達500 V，輸出電源端電壓為10～20 V，工作頻率達500 kHz。它具有故障電流自保護功能，當電流過大時，可關(guān)閉6路驅(qū)動輸出。圖3和4所示兩種電路的功能分別為對處理器輸出的6路和2路PWM脈沖信號進行隔離保護以及增壓控制。

圖3 IR2136隔離驅(qū)動電路Fig. 3 IR2136 isolation drive circuit

圖4 IR2101隔離驅(qū)動電路Fig. 4 IR2101 isolation drive circuit

2.4 串行通信接口電路設(shè)計

本設(shè)計中系統(tǒng)的通信接口由RS232和CAN構(gòu)成，其中SCI接口采用收、發(fā)雙線異步通信。由于處理器與PC機要進行實時通信，確定處理器的電平范圍為0～3.3 V，而PC機的電平范圍為-12～+12 V，因而它們之間的電平無法匹配，所以需要經(jīng)過模塊轉(zhuǎn)換，本研究選用MAX232芯片對其進行轉(zhuǎn)換。MAX232芯片是一種雙組驅(qū)動/接收器，其輸入電壓為+5 V，且其外圍電路串聯(lián)有分壓電阻，經(jīng)過分壓處理后，降為3.3 V。此時的芯片通過管腳與處理器直接相連，進行通信。

具體的串行通信接口電路如圖5所示。

圖5 串行通信接口電路Fig. 5 Serial communication interface circuit

3 控制器軟件設(shè)計

本設(shè)計中控制器的軟件部分即主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig. 6 Flow chart of the main program

主程序模塊先進行變量、A/D轉(zhuǎn)換器、定時器的初始化工作。完成初始化后，霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子在運動過程中的位置，將接收到的磁極位置信號轉(zhuǎn)換成電信號。在1個周期內(nèi)，系統(tǒng)判斷磁場位置是否按照指定方式運行，當定時器達到預期數(shù)值后，處理器讀取各個輸入信號，經(jīng)過內(nèi)部控制算法，輸出功能指令。若程序沒有結(jié)束，則進入下一個循環(huán)，其主要功能是響應定時器中斷，調(diào)用程序。

4 仿真分析

為了更直觀地顯示出系統(tǒng)性能，在Simulink中搭建模型，對電動汽車從啟動加速到穩(wěn)定運行、實施制動等的整個過程進行仿真。在系統(tǒng)中，超級電容和DC/DC變換器并聯(lián)到蓄電池上，蓄電池通過反向二極管和限流電阻并聯(lián)到直流母線上，母線通過逆變器控制電機。電機加速啟動時，由超級電容提供瞬時峰值功率。電機勻速轉(zhuǎn)動時，蓄電池提供能量。當電機制動時，動能轉(zhuǎn)換為電能，電能經(jīng)過逆變器和直流母線后大量儲存到超級電容中，少部分存儲到蓄電池。所得直流無刷電機PWM控制制動回饋仿真波形如圖7所示。

圖7 直流無刷電機PWM控制制動回饋仿真波形Fig. 7 DC brushless motor PWM control brake feedback simulation waveforms

由圖7a所示電機轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果曲線可以得知，系統(tǒng)仿真時間為10 s；電機在0～2.3 s為加速啟動階段，該時段內(nèi)電機轉(zhuǎn)速由0 r/min上升至4 600 r/min；2.3～6.8 s為恒速行駛階段，即電機轉(zhuǎn)速恒定在4 600 r/min；6.8 s后為制動減速階段，電機轉(zhuǎn)速從4 600 r/min在短時間內(nèi)（2.2 s左右）下降到0 r/min ，可見轉(zhuǎn)速按照設(shè)定的速率下降。

由圖7b所示定子電流仿真曲線可以得知，電機在剛剛啟動時，定子電流的幅值波動較大，在20 A左右；當電機勻速轉(zhuǎn)動時，電流幅值穩(wěn)定在4 A；當系統(tǒng)運行到6.8 s后，電機制動，輸出轉(zhuǎn)矩變大，電流也隨之變大[18]，再次出現(xiàn)較大的幅度波動，電流波動幅值在18 A左右。

電機被加速驅(qū)動時，經(jīng)DC/DC變換器調(diào)節(jié)，超級電容以大電流形式放電給直流母線，其端電壓值會稍微降低，而直流母線電壓在短時間內(nèi)由0 V快速升高到400 V，如圖7c所示，結(jié)合功率管的導通和關(guān)斷，使電機在短時間內(nèi)快速轉(zhuǎn)動。

電機制動時，定子電流值增大，經(jīng)過PWM控制調(diào)節(jié)，當母線側(cè)電壓高于電容側(cè)時，電流流向超級電容[19]，導致電容端電壓值出現(xiàn)了較大幅度的增長，如圖7d所示。

由圖7e所示直流母線電流曲線可以看出，車輛正常運行時，蓄電池供應能量，直流母線電流為正，在30 A左右；而電機制動時，電流方向相反，在-20 A左右。

電機制動過程中，由于超級電容能存儲大量的能量，因而蓄電池可以避免大電流沖擊帶來的危害。另外，制動時蓄電池吸收了少量能量，導致其端電壓有所升高，如圖f所示。

5 結(jié)語

本研究中提出了一種通過處理器內(nèi)部邏輯算法完成對車輛電動和制動狀態(tài)的切換與控制的方法。仿真結(jié)果表明該方法簡單實用，所設(shè)計的控制系統(tǒng)可以保證在電動情況下，蓄電池能正常釋放電能；在制動情況下，能量能回饋給蓄電池。尤其是在回饋能量上，一方面，采用超級電容組合成復合電源，避免了大電流對蓄電池的沖擊破壞；另一方面，大大提高了車輛的續(xù)航里程，具有現(xiàn)實開發(fā)意義。仿真調(diào)試結(jié)果證明了此系統(tǒng)可以達到電機快速響應和能量回饋的設(shè)計目的。

[1] 邱 靜，湯 峰. 電動汽車能量控制策略研究[J]. 合肥學院學報(自然科學版)，2013，23(2)：67-70.QIU Jing，TANG Feng. Study on Energy Control Strategies of Pure Electric Bus[J]. Journal of Hefei University (Natural Sciences) ，2013，23(2)：67-70.

[2] 馬國清，任桂周. 一種城市電動公交客車制動能量回饋方法[J]. 華中科技大學學報(自然科學版)，2015，43(7)：58-61.MA Guoqing，REN Guizhou. Novel Regenerative Braking Method for Electric City Bus[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Natural Science Edition) ，2015，43(7)：58-61.

[3] 潘 峰，趙金國，游松超，等. 電動汽車回饋制動發(fā)電儲能裝置控制電路[J]. 微特電機，2015，43(3)：78-80，85.PAN Feng，ZHAO Jinguo，YOU Songchao，et al.Control Circuit of Regenerative Braking Energy Storage Device for Electric Vehicle[J]. Motor，2015，43(3)：78-80，85.

[4] 閆文龍，付成偉. 電動汽車運行模擬及超級電容能量回收系統(tǒng)設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37(21)：142-144，148.YAN Wenlong，F(xiàn)U Chengwei. Simulation of Electric Car and Design of Energy Recovery System with Super-Capacitor[J]. Modern Electronics Technique，2014，37(21)：142-144，148.

[5] 楊 寅，熊 鵬，陳統(tǒng)卓，等. 基于超級電容的電動車制動能量回收技術(shù)研究[J].電子技術(shù)應用，2009(3)：73-76.YANG Yin，XIONG Peng，CHEN Tongzhuo，et al.Study on a Regenerative Brake for Electric Bicycle Based on Ultracapacitor[J]. Application of Electronic Technique，2009 (3)：73-76.

[6] 張玉龍，朱品昌，俞建軍，等. 超級電容在汽車制動能回收中的應用研究[J]. 電子測試，2016(10)：112-114.ZHANG Yulong，ZHU Pinchang，YU Jianjun，et al.The Application of Super Capacitor in the Car Braking Energy Recycling[J]. Electronic Test，2016 (10)：112-114.

[7] 周美蘭，田小晨. 用于電動汽車的交錯并聯(lián)軟開關(guān)雙向DC/DC變換器[J]. 哈爾濱理工大學學報，2016 (4)：83-89.ZHOU Meilan，TIAN Xiaochen. An Interleaved Soft-Switching Bidirectional DC/DC Converter in Electric Vehicles[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology，2016(4)：83-89.

[8] 丁惜瀛，于 華，李 健，等. 基于模糊PI控制的電動汽車雙向DC/DC變換器[J]. 大功率變流技術(shù)，2012(1)：13-16，43.DING Xiying，YU Hua，LI Jian，et al. The Electric Vehicle Bi-Directional DC/DC Converter Base on Fuzzy PI Control[J]. High Power Converter Technology，2012(1)：13-16，43.

[9] 王明渝，鄧湘鄂，馬 偉，等. 一種用于電動汽車的多重軟開關(guān)雙向DC/DC變換器[J].汽車工程，2011(12)：1073-1077，1083.WANG Mingyu，DENG Xiang’e，MA Wei，et al.A Multiple Soft-Switching Bi-Directional DC /DC Converter for Electric Vehicles[J]. Automotive Engineering，2011 (12)：1073-1077，1083.

[10] 張承寧，孫逢春，張 旺. 電動汽車DC-DC電源變換器的原理、建模和控制[J]. 北京理工大學學報(英文版 )，2000(4)：465-471.ZHANG Chengning，SUN Fengchun，ZHANG Wang.Principle, Modeling and Control of DC-DC Convertors for EV[J]. Journal of Beijing Institute of Technology(English Edition)，2000(4)：465-471.

[11] 周美蘭，孫宏達，趙 強. 純電動汽車半橋斬波式能量回饋控制[J]. 黑龍江大學自然科學學報，2015(4)：538-544.ZHOU Meilan，SUN Hongda，ZHAO Qiang. Energy Feedback Control of Half Bridge Chopper of Pure Electric Vehicles[J]. Journal of Natural Science of Heilongjiang University，2015(4)：538-544.

[12] 朱洪雨，張東來，王子才，等. 混合動力客車用大功率無刷直流電機電動及再生制動研究[J]. 電氣傳動，2016，46(5)：3-6.ZHU Hongyu，ZHANG Donglai，WANG Zicai，et al.High-Power BLDC Drive and Regenerative Braking for HEV[J]. Electric Drive，2016，46 (5)：3-6.

[13] 李興全，李 博. 電動汽車用直流無刷電機能量回饋研究[J]. 科技傳播，2012(21)：31-32.LI Xingquan，LI Bo. Study on Energy Feedback of Brushless DC Motor for Electric Vehicle[J]. Public Communication of Science & Technology，2012(21)：31-32.

[14] 潘在河，嚴衛(wèi)生，趙 濤，等. ARM在無刷直流電機控制系統(tǒng)中的應用[J]. 機械與電子，2009(1)：37-40.PAN Zaihe，YAN Weisheng，ZHAO Tao，et al. Application of ARM in Brushless DC Motor Control System[J].Machinery and Electronics，2009 (1)：37-40.

[15] 宋 哲，王友仁，魯世紅，等. 一種電動車用無刷直流電機混合回饋制動控制方法[J].電工技術(shù)學報，2016，31(6)：74-80.SONG Zhe，WANG Youren，LU Shihong，et al. A Hybrid Regenerative Braking Control Method of Brushless DC Motor for Electric Vehicles[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2016，31(6)：74-80.

[16] 成 立，奚家健，李 寧. 一種半/全橋PWM切換策略電動車能量回饋法[J]. 江蘇大學學報(自然科學版 )，2013，34(3)：304-308.CHENG Li，XI Jiajian，Li Ning，et al. A Half / Full Bridge PWM Switching Strategy for Electric Vehicle Energy Feedback Method[J]. Journal of Jiangsu University (Natural Science Edition)，2013，34(3)：304-308.

[17] 秦文甫，張昆峰. 基于IR2136的無刷直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程，2012，20(9)：118-120.QIN Wenfu，ZHANG Kunfeng. Design of Driver Circuit for BLDCM Based on IR2136[J]. Electronic Design Engineering，2012，20(9)：118-120.

[18] 查鴻山，宗志堅，劉忠途. 電動汽車能量回饋制動仿真研究[J]. 機械科學與技術(shù)，2012，31(4)：572-577.ZHA Hongshan，ZONG Zhijian，LIU Zhongtu. Simulation Investigation into the Electric Vehicle’s Regenerative Braking[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2012，31(4)：572-577.

[19] 丁石川，陳 權(quán)，薛鐘兵，等. 智能電動汽車充放電技術(shù)分析與仿真研究[J]. 電氣應用，2013，32(9)：24-28，63.DING Shichuan，CHEN Quan，XUE Zhongbing，et al. Analysis and Simulation Research of Intelligent Electric Vehicle Charging and Discharging Technology[J].Electrical Applications，2013，32(9)：24-28，63.

Application Simulation of Energy Feedback System Based on DSP in Electric Vehicles

CHEN Jun，DENG Musheng
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

When the motor of the vehicle is switched from the motoring state to the braking state, there will be a strong impact current entering the battery, which will cause great damage to the battery. To solve this problem, a design has been proposed for the regenerative braking energy feedback system with DC/DC converter. By adopting TI’s TMS320 DSP as the processor of its hardware design, the main circuit, control circuit, driving circuit and detection circuit for its peripheral circuit, and the brushless DC motor (BLDCM) as the object, a circuit simulation model of the system has thus been built. The simulation test results show that with the super capacitor connected in parallel with each other at both ends of the battery as an energy storage element, it can avoid the impact of the current to the battery and prolong its service life. In a state of uphill climbing or sudden acceleration, the system of the vehicle can also make dynamic corresponding compensation to meet the demand of kinetic energy, thus verifying the high ef fi ciency of the system in recovering the braking energy.

digital signal processing；super capacitor；DC/DC converter；energy feedback system

TM531；U469.72

A

1673-9833(2017)05-0052-07

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.05.009

2017-04-30

陳 軍（1989-），男，河南商丘人，湖南工業(yè)大學工程師，碩士生，主要研究方向為現(xiàn)代電力電子技術(shù)及系統(tǒng)，E-mail：273733820@qq.com

（責任編輯：廖友媛）