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轻型电动车（包括电动自行车、轻便运货车等）以其清洁无污染、转换效率高和维修方便等优点，倍受越来越多的中青年人青睐．然而，其缺点是车用铅酸蓄电池容量有限，续驶里程较短．由于回馈制动能够利用原本消耗于摩擦制动中的能量，将其有效回馈至蓄电池以延长续驶里程１，所以采取高效回馈控制策略，致力于增大蓄电池充受率，乃是设计车用控制器之关键技术．根据调研，文献［１—２］用ＤＣ／ＤＣ升压电路增加反电势之法，以较多地向蓄电池馈送能量，此法虽易实现，但能量回收率仍偏低且硬件成本较高；文献［３—４］用并联或串联超级电容器之法将制动能量暂存，尽管有利于高效回收，但是尚需增添传感器和相应电路以检测超级电容器是否充满；文献［５］提出电控式变速器换挡：通过换接串／并联绕组回收能量，可是其可靠性却受到影响．上述３种控制策略均未考虑回馈能量期间蓄电池充受率和高效储能等问题．
文中首先简介了马斯理论和脉冲间歇充放电原理，然后给出半／全桥ＰＷＭ切换策略与能量回馈电路分析，计算了所回馈能量，最后设计出电动车铅酸蓄电池充放电测试装置，并将提出的能量回馈法与Ｂｏｏｓｔ升压电路回馈法进行试验对比分析．
１马斯理论与脉冲间歇充放电原理
美国科学家马斯严谨论述了电池容量、充放电既往史和最大充电电流之间的关系：对于任何蓄电池而言，充电接受电流ｉ用公式表示为：ｉ＝Ｉｏｅ
１‘，式中：ｔ为充电时间；，ｎ是ｆ－０时刻的初始电流；充电电流接受比ｄ＝１１）／Ｑ，Ｑ为待充入电荷量．以ｔ为横轴、ｉ为纵轴绘制的曲线被称作充电接受电流曲线．若充电电流在此曲线以下则只有微量的析气，但在曲线以上析气率就会增大，故此难以提高充受率。６．
根据上述马斯理论和脉冲间歇充放电原理便知：当充电电流接近固有微量析气曲线时，对蓄电池瞬时放电或停充能够提高充受率．对于铅酸蓄电池，因瞬时放电或停充既驱使参与反应的铅离子迅即经ＰｂＳＯ。溶解，既生成Ｐｂ和ＰｂＯ，且提高浓度，又将所生Ｈ＋和ＨＳＱ－离子从电极表面附近移开，效果是降低蓄电池极化现象，提高充受率，亦即在短时内对蓄电池充入更多的电荷。７．
轻型电动车传统能量回馈法采用恒流充电，此传统法充受率较低．依据上述脉冲间歇充放电原理，如果在能量回馈期间调节ＰＷＭ波，作间歇快速充放电，使蓄电池的充电电流曲线接近其固有充电接受电流曲线，则可将回馈之能量较多的储存蓄电池内，延长电动车的续驶里程。
２ＰＷＭ切换策略与能量回馈
２．１主电路拓扑结构
图１是电动车主电路拓扑结构，图中ｕ。。为蓄电池电压．对于三相Ｙ接定子绕组的ＢＬＤＣＭ来说，每相绕组等效成电阻Ｒ。、电感Ｌ¨反电动势ｅ相串联的电路．图１中三相半桥逆变器用作驱动电路，Ｖ．一Ｖ。为绝缘栅双极晶体管（ＩＧＢＴ），Ｄ．一Ｄ。为续流二极管，阻容元件尺，Ｃ和二极管Ｄ构成缓冲电路，以降低电压、电流尖峰，限制ｄｉ／ｄｔ或ｄｕ／ｄｔ，并将ＩＧＢＴ功耗转移至电阻尺，从而降低开关损耗一．
图１轻型电动车主电路控制拓扑结构
２．２半／全桥ＰＷＭ切换控制策略
与目前主要的能量回馈法（加硬件电路）有所不同，文中在不改变电动车控制器主电路拓扑结构的前提下，通过软件编程切换正常和回馈两种ＰＷＭ模式，分别实现相应的正常行驶和能量回馈之功能．当正常行驶时此控制器处于正常模式，设置上半桥３个ＩＧＢＴ（Ｖ．，Ｖ、，Ｖ，）为ＰＷＭ开关状态，下半桥３个ＩＧＢＴ（Ｖ！，Ｖ。，Ｖ。）处于常开或常闭状态，称为半桥ＰＷＭ策略．具体导通序列见图２ａ，其中一个周期３６０。等分为Ｉ—ＶＩ共６段，每段为６０。；而当控制器处于回馈模式时：设置Ｖ，一Ｖ。均有ＰＷＭ开关动作，各个ＩＧＢＴ导通序列见图２ｂ，称作全桥ＰＷＭ模式．总之，车用控制器通过接收正常行驶或制动回馈信号，来切换控制电路的ＰＷＭ波形．此法只需改变ＰＷＭ控制方式，故无需增加硬件就可实现不同的工作模式．兹将两
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种模式之调控策略分述如下
Ｉ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ｖ
Ⅵ
（ａ）正常模式（半桥）
ｌ
儿
山
ｌＶ
ＶＶｌ
（ｂ）回馈模式（全桥）
图２半／全桥ＰＷＭ切换策略下开关导通序列
２．２．１
正常模式半桥ＰＷＭ控制此处控制策略是：控制上半桥开关管的ＰＷＭ
波占空比和下半桥常开或常闭，见图２ａ．取
ＢＬＣＤＭ
ａ，ｂ相分析，正常模式下第１段Ｖ，为ＰＷＭ
状态，Ｖ。为常闭状态，而Ｖ，，Ｖ，均为常开状态．当
二
（ａ）Ｖ１导通（半桥）
●０
Ｄ３Ｄ４
Ｄ３Ｄｄ
Ｖ，处ＰＷＭ状态的“ｏｎ”时，可用图３ａ表示，其中电流ｉ，为流经电感之电流，ｅ“为反电势（线电压），图中粗线表示电流流向．此时ｉ，上升，电感蓄能；当Ｖ．为ＰＷＭ的“ｏｆｆ”时，用图３ｂ表示，续流二极
管Ｄ，导通并形成闭合回路川ｉ下降．因而在正常模式下调节半桥ＰＷＭ波占空比，即可实现电动车
正常调速．
２．２．２
回馈模式全桥ＰＷＭ控制
回馈模式全桥ＰＷＭ波控制策略是控制全桥开关管ＰＷＭ波之占空比，Ｉ—ＶＩ段的开关管详细
导通序列见图２ｂ．当车用控制器接收制动回馈信
号（刹车信号）时，控制器自动切换至回馈模
式——全桥ＰＷＭ控制，此时反电势ｅ。、成为电源．
同理取第１段分析，Ｖ：和Ｖ，均有相同的ＰＷＭ波
形，Ｖ。，Ｖ。处闭合状态．当Ｖ，和Ｖ，为ＰＷＭ状态的“ｏｎ”时，电路状况如图３ｃ所示，Ｖ，，Ｖ，与蓄电
池形成回路～ｇ。与电感Ｌ电压Ｍ，极性相反，／／，＝
“。Ｉ＋ｅ乩，回路电流为ｉ，蓄电池和反电势‰向电感Ｌ中存储电能．当Ｖ，和Ｖ，为ＰＷＭ状态的“ｏｆｆ”
时，电路状况见图３ｄ：Ｄ．，Ｄ。导通，电感Ｌ和反电势‰向蓄电池充电，将能量回馈至蓄电池，流经其
中的电流换向．设充电电流为ｉ．，则己上的电压Ｍ，＝ｇ。，一Ｍ”所以用此ＰＷＭ序列调控策略能巧妙地回收较多的能量．
二
（ｂ）Ｖｌ闭合（半桥）
（ｃ）Ｖ２、Ｖ３导通（全桥）（ｄ）Ｖ２、Ｖ３闭合（全桥）
图３半／全桥模式等效电路
根据上述分析可知，采用半／全桥ＰＷＭ脉冲序列控制策略，可在能量回馈阶段对电池充电期间进行放电或停充．因而每一开关周期蓄电池放电或停充，使充受率得以提高，蓄电池充电接受电流ｉ曲线上移．根据第ｌ节中马斯理论和脉冲问
Ｄ３
Ｄｄ
Ｄ３
Ｄｄ
歇充放电原理，在相同的时间内充电接受电流曲线与横轴形成的面积增大，蓄电池回收电量增多，因此由半桥切换成的全桥ＰＷＭ控制方式，不仅能实现能量回馈，而且可以将所回收能量较多地存储于蓄电池之中．
“讥
讥
％讥饥
¨“
讥
吼ｎ讥
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常开状态
３回馈能量计算
设电感电压为
ｄｔｉｌ；ｌ
ｕ，一＿＿ｒｌ，，（１）即ｉ，的微变量Ａｉ，＝（１１１．Ａｔ）／Ｌ，在能量回馈期间‰。，＝半瓯Ａ。。，＝哔蛾一急飙作时一个开关周期内电感电流的变化为０，即△“。、＋△“。。＝０．由此得
警“、＋半虬，－０’（２）经过整理后得
生：竺！监：１＋二坠．（３）
Ａｔ洲“ｄ—ｅａＩ，ｚｚＩＩ—ｅｎｌｌ
当Ｖ！，Ｖ，导通时，蓄电池释放能量∥。＝０．５１ｌ。。Ａｉ‰，，Ａｔ。ｌ；而Ｖ二，Ｖ，关断时，蓄电池存储能量Ｗ！＝０．５ｕ。１２ｘｉ¨“ｆ１Ａｔ“ｆ．所以，∥！‘ｊ形ｌ之比为酱＝器０５ｕ２ｘｉｄＸｔ＝瓮小告．㈩
形１．。Ｉ№．１…，△，…、“，ｉ—ｅ。ｈ、
因ｅ。，＜ｕ¨形！／Ｗ。＞１，故在每一开关周期内均间隙对蓄电池充电，使其都有能量储存．所以任一开关周期内回馈能量形，为畎与形．之差，即：
Ｗ，＝０．５“。Ｉ（２ｘｉ…盯，Ａｔ“Ｉ一△“。）Ａｔ。，）．（５）４试验结果与分析
４．１回馈模式时的电流波形
采用电动车车内无刷直流电机，参数为：额定电压３６Ｖ，额定功率３５０Ｗ，相电阻尺为０．３５Ｑ，相电感Ｌ为４．６４ｍＨ，转动惯量．，为０．００２ｋｇ?ｍ：，反电势常数盎为０．０９５２８，额定转速４００ｒ?ｒａｉｎ．选用３个ＶＲＬＡ铅酸蓄电池ＤＨｌ２４０相串联，其额定电压为１２Ｖ．根据图４的控制框图设计出控制器装置，输入为速度信号（转矩信号）和制动信号，采用速度闭环、限流闭环来控制车速，根据制动信号设置无刷直流电机工作于正常行驶模式或能量回馈模式．控制器芯片选择ｓＴ公司的单片机ＳＴＭ８Ｓ１０５Ｓ４，软件编程平台为ＩＡＲＦｏｒＳＴＭ８Ｖ１．２０．通过编程设置定时器之值，并将ＰＷＭ开关频率设定为２０ｋＨｚ，将制动信号定为标识符，主循环程序判断标识符选择工作模式并调用相应的子程序以设置６个开关管的工作模式９．
在回馈工作模式子程序中，根据上一节式（５）编程数码显示每次回馈的能量Ｗ，，测出能量回馈模式时流经铅酸蓄电池的电流ｉ波形，见图５．
９
６
３
≤
０
—３
—６
图４系统控制框图
图５回馈模式时电流ｉ波形
由图５可见放电电流尖峰脉冲幅值达到８．８０Ａ，正向充电电流尖峰脉冲幅值为４．４５Ａ，两者之比为１．９８，达到了文献［６］所述两者之比的范围为１．５～３．０．此瞬间蓄电池放电电流较大，因而消除了极化现象，提高了蓄电池的充受率．
４．２能量回馈对比试验
选取一条长约２ｋｍ的道路，第ｌ段为距离ｆ．＝４００ｍ的平地路面，第２段为距离ｆ，＝８００ｍ、０约为７。的斜坡路面，第３段为距离ｆ、＝８００ＩＴＩ的平地路面，路面状况良好．分别做３组试验：第ｌ组安装不具有能量回馈的控制器电动车，第２组安装带有Ｂｏｏｓｔ升压电路回馈的控制器电动车，第３组安装文中提出调控方案的控制器电动车．在相同的试验条件：蓄电池初始容量约为１２Ａ?ｈ、初始电压约３６Ｖ下，３组电动车经过连续相同时间的加速、匀速、减速和停止４个阶段的测试，获得如表１所示的实测数据．
采用ＨＩＯＫｌ３５５１电池内阻测试仪测出每一圈蓄电池的内阻，然后取算术平均值得平均内阻Ｒ；先根据文献［１０］中的标准蓄电池充受率测量法，在每一圈测量后两组蓄电池充受率，其次取算术平均值获得蓄电池回馈时平均充受率万；再根据控制器于每一圈中计算获得的形，，与每一圈中蓄电池充受率相乘，最后取算术平均值得到平均每圈节能彤，平均
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一种半/全桥PWM切换策略电动车能量回馈法
作者：成立， 奚家健， 李宁， 严鸣， 王振宇， Cheng Li， Xi Jiajian， Li Ning， Yan Ming， Wang Zhenyu
作者单位：江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江,212013
刊名：
江苏大学学报（自然科学版）
英文刊名：Journal of Jiangsu University(Natural Science Edition)
年，卷(期)：2013,34(3)
参考文献(10条)
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引用本文格式：成立.奚家健.李宁.严鸣.王振宇.Cheng Li.Xi Jiajian.Li Ning.Yan Ming.Wang Zhenyu一种半/全桥PWM切换策略电动车能量回馈法[期刊论文]-江苏大学学报（自然科学版） 2013(3)