轮边电力驱动系统再生制动控制技术研究.pdf

第 9卷第 1 期 2 0 1 1年 3月 中国工程机械学报 C HI NES E J OUR NAL OF C ONS TRUC TI ON MACHI NERY V0 I 9 No 1 Ma r 20 1 1 轮 边 电力驱 动 系统再 生制动控 制技 术研 究 卞永明， 兰 皓， 蒋 佳， 李生博， 吴 昊， 金晓林 ( 同济大学 机械工程学 院，上海 2 0 1 8 0 4 ) 摘要： 轮边电力驱动系统中的再生制动系统主要涉及制动能量分配控制技术和再生制动能量回收控制技术 轮 边电力驱动工程机械采用双向D C D C变换器 ， 结合电压电流双闭环控制实现超级电容的储能， 从而控制再生制 动能量的回收 通过 MA T L A B建模仿真表明， 在满足安全制动的前提下， 能够实现最大化的能量回收 关键 词 ：电力驱动 ；能量分配 ； 再生制动 中图分类号 ： T H 2 4 3 文献标识码 ： A 文章编号 ：1 6 7 2 5 5 8 1 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 5 90 4 Re ge ne r a t i V e b r aki ng c ont r ol t e c hno l og y f o r whe e l - s i d e e l e c t r i c dr i vi ng s ys t e m B AN Y o n g - mi n g，LA N Ha o，J I ANG J i a，L I S h e n g - b o， U Ha o，J I N Xi a o - l i n ( C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T o n g j i Un i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Th e r e g e n e r a t i v e b r a k i n g s y s t e m o f wh e e l s i d e e l e c t r i c d r i v i n g s y s t e m ma i n l y c o mp r i s e s t h e c o n t r o l t e c h n o l o g i e s f o r b r a k i n g e n e r g y d i s t r i b u t i o n a n d r e g e n e r a t i v e e n e r g y r e c o v e r yTo c o n t r o l t h e r e g e n e r a t i v e b r a k i n g e n e r g y r e c o v e r y ，a b i - d i r e c t i o n a l D C D C c o n v e r t e r ，t o g e t h e r wi t h a d o u b l e c l o s e d - l o o p v o l t a g e c u r r e nt c on t r o l ， i s a p p l i e d f o r s up e r - c a p a c i t o r e n e r gy s t o r a ge o f r el e va nt c o n s t r uc t i o n ma c h i n e r y B y e mp l o y i n g Ma t l a b TM mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n，i t i s i n d i c a t e d t h a t t h e e n e r g y r e c o v e r y ma x i mi z a t i o n c o u l d b e r e a l i z e d t o me e t t h e d e ma n d o n b r a k i n g s a f e t y Ke y wo r d s ：e l e c t r i c d r i v i n g；e n e r g y d i s t r i b u t i o n；r e g e n e r a t i v e b r a k i n g 轮边 电力驱动系统 中的制动系统包含机械摩擦制动和再生制动功能， 这使得制动系统的设计更加复 杂 ， 主要有两个基本 问题 ： 一是制动能量分配控制技术， 即如何在再生制动和机械摩擦制动之间分配所需 的总制动力 ， 以回收尽可能多的机车的动能， 并实现稳定的制动状态 二是再生制动能量 回收控制技术 ， 即 如何控制永磁 同步电机 ( P MS M) 和超级电容 以实现机车动能的 回收 目前对应用于纯 电动汽车和混合动 力电动汽车中的制动控 制技术进 行 了大量 的研究工作 ， 并 已有产 品问世 如 1 9 9 7年 、 2 0 0 3年二代 丰 田 P r i u s ， 2 0 0 2年 、 2 0 0 5年二代本 田 C i v i c ， 2 0 0 4年福特 E s cap e等 ， 并且随着产 品的更新换代 ， 回收制动在总 体制动中的比重加大， 能量回收效果改善 其控制策略主要有 ： 最佳前 后制动力分配 比控制策略 、 最佳能 量回收控制策略和并行分配控制策略 然而基于轮式工程机械的轮边电力驱动系统 的制动能量 回收研究 几乎没有 ， 因此有必要对该系统的制动控制技术进行研究 ， 找出 1 种既安全舒适又节能的制动方式l 1 制动能量分配控制技术 基于能量回收最大化的 目的， 在轮边 电力驱动系统 中应该尽可能地采用再生制动 但是再生制动要受 到路面附着条件 、 电动轮垂直载荷、 P MS M制动力 、 驾驶员感受和超级电容状态( S 0 C ) 等因素的制约 作者简介 ： 卞永明 ( 1 9 6 5 一) ， 男 ， 教授 ， 工学博士 F - ma i l ： y mb i a n ma i l 1 6 3 c o r n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 9卷 由于制动力受限于地面附着力 ， 且在等于附着力时达到最大 ， 因此要实现最快制动， 应使各电动轮同 时达到最大制动力 ， 此时电动轮刚好处于抱死状态 而各 电动轮所能提供 的最大再生制动力与其垂直载 荷 、 P MS M 的制动力等有关 应该注意 ， 由 P MS M产生的最大再生制动力与其转速密切相关 在低转速 ( 低 于其基速) 状态下 ， 其最大转矩为常量 但是 ， 在高转速 ( 高于其基速) 状态下 ， 其最大转矩随着转速呈双曲 线形下降 因此 ， 在给定机车负加速度条件下， 机械制动转矩将随车速而变化 引 电动轮再生制动 的本质是将动能 以电能 的形式存储起 功 来 因此 ， 当超级电容处于充满状态时 ， 能量流动就无法持续 有效进行 在这种情况下 ， 需要停止再生制动而用摩擦制动以 保证制动的有效性 另一种情况是 ， 当超级电容已经接近充满 状态时 ， 使用再生制动将很快使其充满并进行制动方式 的切 换 在切换过程 中可能造成制动力的突变 ， 对车体和乘客造成 冲击 因此也要 根据平 均的制动情况 制定 1个再生制 动 的 S 0 C上限， 在接近充满时不使用再生制动 超级电容充放电的控制策略如 图 1所示 ， 图中 A， B， C和 D表示由驾驶员给出的所需功率的指令 ， 不是处于牵引模式 ， 就是处于制动模式 具体来说 ： A， B为牵引模式， P 为指令功 率 ， P z为超级电容输 出功率 ， P 。为电网提供 的功率 C为混 图 1 超级电容充放 电控 制策略的图解 Fi g 1 Gr a p h i c o f r e c h a r g e c o n t r o l s t r a t e g y o f s u p e r c a p a c i t o r 合制动模式， P 为再生制动功率， P 为机械制动功率 点 D为再生制动模式 超级电容充放电的控制流程 见 图 2 根据以上分析 ， 本文设计的制动控制策略的原理如图 3所示 当给出的制动力指令小于电动机所能产 生的最大制动力， 且超级电容未达到 S O C上限 C 一 时， 将只应用再生制动， 否则将只应用机械摩擦制动 ； 当给出的制动力指令大于可应用 的再生制动力 ， 且超级电容未达到 S O C上限 C 一 时， 电动机将运行以产 生其最大的制动转矩 同时， 剩余 的制动力将 由机械制动系统给予满足 ， 否则将只应用机械摩擦制动 图 2 超 级电容充放电流程 图 Fi g 2 Fl o wc ha r t o f s u pe r c a p a c i t o r r e c h a r g e 2 再 生制动控 制技术 图 3 制动控 制策略流程 图 Fi g 3 Fl o wc h a r t o f b r a k i n g c o n t r o l s t r a teg y 再生制动能量 回收储能装置如图 4所示 ， 由两部分组成 ： 一 是超级 电容 ， 以电压建立磁场来存储 电能 ； 二是 双向 D C D C变 换器 ， 其作用是将工程机械 的制动能量传递给超级 电容 ， 或将超 级电容 的能量反馈给工程机械_ 4 J 超级电容的充放 电控制主要是由双向 D C I 变换器来实现 的 双向 D C D C变换器可实现双象限运行， 即变换器两端 电压方 向不变 ， 但 电流方 向可 以改变， 在功能上相 当于降压变换器 ( 即 图4 超级电容储能器系统框图 Fi g 4 S y s t e m d i a g r a m o f s u p e r ca p a c i t a n c e ac c u mul a t o r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 9卷 言 邑 警 祷 30 0 o 2 O o 0 a 圈 9 电机制动 P MS M 运行结果 Fi g 9 P MS M o p e r a t i o n r e s ul t s b y e l e c t r i c b r a k i n g 3 00 2 9 0 2 8 0 2 7 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 30 35 4 0 时间 S a 时间 S C 图 1 0 电机制动超级 电容运行 结果 Fi g 1 0 S u pe r c a p a c i t a n c e o pe r a t i o n r e s ul t s 3 2 复合制动 仿真条件与电机制动一致 ， 只在 2 S 时增加 1 1 3 N m机械制动力矩 图 1 1 ， 1 2分别为 P MS M 和超级 电容的运行结果 1 一 一 1 3 2 1 童 瓣 时间 S a 0 C 图 l l 复合制动 P MS M 运行结果 Fi g 1 1 PMS M o pe r a t i o n r e s u l t s b y c o mp o s i t e b r a ki n g 30 0 2 9 0 罴2 8 0 甘 2 7 0 脚 辋 0 0 5 1 0 1 5 20 2 5 3 0 3 5 40 时间 S a 乏2 1 5 出 2 1 0 嚣 2 0 5 删 2 0 0 1 9 5 时间 S b 0 0 5 1 0 1 5 20 25 3 0 3 5 40 时 间 S C 图 l 2 复合 制动超级 电容 运行 结果 Fi g 1 2 Re s u l t s o f s u pe r ca p a c i t a n c e 由图9 可见， 电机在 1 3 S 时达到稳定状态， 2 S 时电机开始制动， 2 7 S 时电机完全停止 2 s 前电机处 于电动状态 ， 功率为正； 2 S 后电机处于发电状态 ， 功率为负 由图 1 0可知， 超级电容初始电压 为 2 1 0 V， 0 8 s 之前对外放电 4 0 A直至电压降为 2 0 0 V， 此时电流为 0 ； 2 s 后超级电容处于充 电状态 ， 电流大小为 4 0 A， 最终电压稳定在 2 0 9 V左右 ， 将再生制动能量 回收 ， 能量 回收率接近 1 0 0 ( 下转第 9 7页) 删 甘 脚馋 裂 暑u I 邑 硝埤 T葺旨邑 毒 孝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 徐格宁， 等： 基于 P r o E和 A D A MS 的轮式装载机行驶稳定系统分析 6 7 L I U J i e ， Y A NG Z h e n s h e n g ， HA N B i n h u i A n a l y s i s o f s t i f f n e s s o f th e tr a v e l s t a b i l i z i n g o f wh e e l lo a d e r J Ma c h i n e T o o l H y d r a u l i c s ， 2 0 0 8。 3 6( 9 )： 2 6 02 61 机械设计编委会 机械设计 手册 ： 第 四卷 M 北京 ： 机械工业 出版社 ， 2 0 0 4 E d i t o r i a l B o a r d o f Me c h a n i c a l D e s i g n Me c h a n i cal d e s i g n h a n d b o o k ： v o 1 4 M B e ij i n g ： C h i n a Ma c h i n e P r e s s ， 2 0 0 4 曹玉平 ， 阎祥安 液压传 动与控制 M 天津 ： 天津大学 出版社 ， 2 0 0 7 C A O Y u p i n g ， Y A N X i a n g a n H y d r a u l i c t r a n s m i s s i o n a n d c o n tr o l M T i a n j i n ： T i a n j i n U n i v e r s i t y P r e s s ， 2 0 0 7 8 杨学良， 洪涛， 刘莉 轮式装载机油气减振模块及其评价 J 工程机械， 1 9 9 7 ( 1 0 ) ： 1 1 1 4 Y A NG X u e l i a n g， HO N G Ta o ， L I U L i Hy d r o p n e u ma t i c v i b r a t i o n r e d u c t i o n s y s t e m mo d u l e o f wh e e l l o a d e r a n d i t s e v a l u a t i o n J C o n s t r u c t i o n Ma c hi n e a n d Eq u i p me nt ， 1 9 9 7( 1 0 )： 1 11 4 9 葛胜强 轮式装 载机行驶 中振动问题 的分析与仿真计算口 筑路机械与施工机械化 ， 2 0 0 2 ( 6 ) ： 5 G E S h e n g q i a n g An a l y s i s o f wh e e l l o a d e r t r a v e l v i b r a t i o n a n d i ts s i mu l a t i o n J R oad Ma c h i n e r y Con s tr u c t i o n Me c h a n i z a t i o n ， 2 0 0 2 ( 6 )： 5 1 O 黄忠霖 ， 黄京 控制 系统 MA T L A B计算及仿真 M 北京 ： 国防工业 出版社 ， 2 0 0 9 H UA N G Z h o n g l i n ， H U AN G J in g C a l c u l a t i o n a n d s i mu l a t i o n o f c o n tr o l s y s t e m u s i n g MA TL A B M B e i j i n g ： N a t i o n a l De f e n c e I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 9 1 1 世博 强， 申焱华 ， 宁 晓斌 ， 等 A D A MS 基 础与工程范例教程 M 北京 ： 中国铁道出版社， 2 0 0 7 S H I B o q i a n g 。 S H E N Y a n h u a ， NI N G Xi a o b i n ， e t a 1 AD A MS b a s i s a n d t u t o r i a l o f p r o j e c t e x a mp l e M B e i j i n g ： C h i n a R a i l wa y P u b l i s h i n g Ho u s e。 2 0 0 7 】H 】H， ， 1 】H 】H 】H】 】 H】H ( 上接第 6 2页) 分别对 比图 9 ， 1 1和图 1 0 ， l 2可知 ， 复合制动后制动时间明显减少 ， 超级电容电压为 2 0 2 V左右 ， 将全 部再生制动能量 回收时 ， 其余制动能量由机械制动消耗 4结论 本文在介绍制动能量分配控制技术和再生制动能量 回收控制技术的基础上， 针对轮边 电力驱动工程 机械 ， 提 出采用双向 D C D C变换器结合 电压电流双闭环控制实现超级电容的储 能， 从而控制再生制动能 量的回收 最后， 通过 MA T L A B建模仿真 ， 验证了在满足安全制动的前提下 ， 能够实现最大化的能量 回收 参考文献： M U l _UH N， HAY ANU Y， Y AHAl H， e t a 1 Ele c tri c b r a k i n g c o n tro l me tho d s f o r e l e c tri c v e h i c l e s wi t h i n d e p e n d e n t l y dr i v e n f r o n t a n d r e a r wh e e l s J I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s tri a l E l e c t r o n i c s ， 2 0 0 7 ， 5 4 ( 2 ) ： 1 1 6 8 1 1 7 6 I I D A S J ， I MA MUR A S J ， S H I R A I G， e t a 1 E x p e r i m e n tal s t u d y o n i mp r o v e me n t o f tr a n s i e n t s tab i l i t y wi th b r a k i n g r e s i s t o r J E l e c tro n i c s a n d Co mmu n i c a t i o n s i n J a p a n ， 2 0 0 8 ， 9 1 ( 8 ) ： 1 11 9 舒红 ， 秦大同 ， 胡明辉 ， 等 轻度 混合动力 汽车再生制动能量管理策略 J 机械工程学报 ， 2 0 0 9 ， 4 5 ( 1 ) ： 1 6 71 7 3 S HU H o n g ， QI N D a t o n g ， H U Mi n g h u i ， e t a 1 R e g e n e r a t i v e b r a k i n g e n e r g y ma n a g e me n t s t r a t e g y f o r mi l d h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e s J C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i cal E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9 ， 4 5 ( 1 ) ： 1 6 71 7 3 田德文 ， 谢大纲 ， 崔淑梅 军用汽车混合 电力驱动系统复合能源控制策略口 机械工程学报 ， 2 0 0 9 ， 4 5 ( 2 ) ： 4 1 4 7 T I A N D e w e n ， XI E D a g a n g ， C U I S h u me i H y b r i d e n e r g y c o n t r o l s tr a t e g y f o r h y b r i d e le c tri c d r i v e s y s t e m i n mi l i tar y v e h i c l e J C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i cal E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9 ， 4 5 ( 2 ) ： 4 1 4 7 D I X O N J W， O R T UZ A R M E U l tra cap a c i t o r s D C - I ) C c o n v e r t e r s i n r e g e n e r a t i v e b r a k i n g s y s t e m J A e r o s p a c e a n d E le c tr o n i c S y s t e ms Ma g a z i n e ， 2 0 0 2( 8) ： 1 62 1 口 口 I!J 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m