CN104283487A - 一种新型电动车驱动系统 - Google Patents

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杜尚川
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Abstract

本发明公开了一种新型电动车驱动系统,包括依次连接的电压闭环PID调节器、Z源逆变器和三相电机,所述电压闭环PID调节器用于在直流电压源供电电压过低的时候,通过加入直通零矢量,提升Z源逆变器的输入电压,控制逆变器的输出电压;所述Z源逆变器用于将直流电转换成三相电机需要的交流电。本发明在引入Z源网络的同时,并在电动汽车的驱动系统中加入了一个电压闭环,其作用是当蓄电池供电电压过低的时候,通过向逆变网络中加入直通零矢量,提升逆变器的输入电压,控制逆变器的输出电压,使电机驱动系统获得更好的输出性能。本发明不但可以有效改善电动汽车的加速性能和动力性能,提升驱动系统的效率,且成本较低。

Description

—种新型电动车驱动系统

技术领域

[0001] 本明涉及一种电力电子变换器,特别涉及一种电动车驱动系统。

背景技术

[0002] 随着节能环保概念的普及,电动车的研发进入了高速发展的阶段。我国新能源政策的出台,对于我国电动汽车的发展提供了政策支持。目前电动汽车驱动系统普遍采用直接供电逆变的驱动方案,这种方案已经不能满足电动汽车动力性能的需要。当电动汽车在启动、加速等工况下,蓄电池的电压会由于瞬间大电流放电而急剧下降,逆变器的供电电压随之下降,电动汽车的驱动转矩下降,导致加速缓慢,使得动力性能变差。传统的逆变器有电压源、电流源逆变器,但是传统的逆变器存在很多不足的地方,电压源逆变器存在的主要缺陷如下:1)同一桥臂上下两个开关管加入的死区时间导致了输出电压的畸变;2)同一桥臂上下两个开关管不能直通,否则会造成输入侧的短路,烧毁线路:3)输出电压始终低于输入电压,这实际就是一个BUCK电路,为了达到驱动电机的驱动电压往往需要在输出侧加入一个升压变压器,这就增大了工程的复杂度。电流源逆变器存在如下缺陷:I)开关管换流的重叠时间导致了输出电流的畸变;2)任何时刻电路的开关模式导致了电路很容易被损坏;3)输出交流电压高于直流侧的母线电压,因此这就相当于一个BOOST电路,这导致不能灵和的调节输出电压。为了解决以上矛盾文献(F.Z.Peng, “Z-source inverter” IEEETrans, on industry Applicat1ns, vol.39, n0.2, pp.504-510, March/April, 2003.)提出了 Z源逆变器的概念,通过引入一个Z源网络,将逆变器主电路与电源耦合起来。传统Z源逆变器主电路如附图四所示。其与电压源、电流源型逆变器相比,具有以下如下优点:1)同一桥臂上下两个开关管之间不需加入死区电压,因此不会带来输出波形的畸变;2)同一桥臂上下两个开关管可以直通,因此由电池干扰造成的勿导通不会损坏电路;3)能够提供升降压的功能。但传统的Z源逆变器由于自身结果的原因也存在如下缺点:1)Z源网络中的电容电压大于或者等于输入电压,这导致其电压应力大,需选用高压电容,变压器体积偏大和成本偏高;2)变换器启动的时候网络中的冲击电流很大,同时电感与电容之间发生谐振,这些都可能随时损坏逆变器。

发明内容

[0003] 有鉴于此,本发明的目的是提供了提出一种能够改善电动车性能的电动车驱动系统。

[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的,一种新型电动车驱动系统,包括依次连接的电压闭环PID调节器、Z源逆变器和三相电机,所述电压闭环PID调节器用于在直流电压源供电电压过低的时候,通过加入直通零矢量,提升Z源逆变器的输入电压,控制逆变器的输出电压;所述Z源逆变器用于将直流电转换成三相电机需要的交流电。

[0005] 进一步,所述Z源逆变器包括直流电压源101、三相逆变桥102、X型阻抗网络103和功率二极管105,所述三相逆变桥102的三个桥臂均由两个开关管组成,每个开关管并联一个二极管,三个桥臂的上桥臂开关管的集电极并联在一起形成三相逆变桥的正端,三个桥臂的下桥臂开关管的发射极并联在一起形成三相逆变桥的负端;三相逆变桥102的正端与直流电压源101正极相连,所述X型阻抗网络103包括第一电感L1、第二电感L2、第一阻抗电容Cl和第二阻抗电容C2,第一阻抗电容的正端与第二阻抗电容的正端之间连接第一电感LI,第一阻抗电容的负端与第二阻抗电容的负端之间连接第二电感L2,功率二极管的阳极与第二阻抗电容和第一电感的公共端连接,功率二极管的阴极与第二电感和第一阻抗电容的公共端连接,所述第二阻抗电容的负端连接于直流电压源的负端。

[0006] 进一步,所述电压闭环PID调节器包括电压检测模块106、PID算法模块107、直通矢量PWM模块108、速度设定模块109 ;所述电压监测模块用于检测系统电压变化,当直流电压源供电电压过低的时候,系统通过直通矢量PWM模块108加入直通零矢量,提升Z源逆变器的输入电压,控制逆变器的输出电压;所述PID算法模块用于检测系统是否有加速度输入,当检测到系统有加速度输入,PID算法模块根据加速度并结合输出的电池电压,加入适量的直通零矢量,来控制驱动系统中的Z源逆变器的升压,使最终的输出电压保持在一个合适的水平;所述速度设定模块用于设定电动车的速度。

[0007] 由于采用了上述技术方案,本发明具有如下的优点:

[0008] 本发明在引入改进型Z源逆变器同时,在电动汽车的驱动系统中加入了一个电压闭环,其作用是当蓄电池供电电压过低的时候,通过加入直通零矢量,提升逆变器的输入电压,控制逆变器的输出电压,使电机驱动系统获得更好的输出性能,并以此来达到有效改善电动汽车的加速性能和动力性能,提升驱动系统的效率。本发明改进后的逆变电路是主电路中加入了一个电压闭环,当系统检测到逆变器主电路电压大幅下降的时候,通过闭环调节器算法,输出一定的直通矢量信号,加入到电机控制算法输出的PWM逆变桥开关驱动信号中,提高输出电压,改善电动汽车的加速性能。

附图说明

[0009] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述,其中:

[0010] 图1为加入Z源网络后的新型电动车驱动系统主电路。

[0011] 图2为传统电压源逆变器主电路。

[0012] 图3为传统电流源逆变器主电路。

[0013] 图4为传统的Z源逆变器主电路。

[0014] 图5为新型的Z源逆变器主电路。

[0015] 图6为加入Z源网络后的系统框图。

具体实施方式

[0016] 以下将结合附图,对本发明的优选实施例进行详细的描述;应当理解,优选实施例仅为了说明本发明,而不是为了限制本发明的保护范围。

[0017] 如图1所示,一种新型电动车驱动系统,包括依次连接的电压闭环PID调节器、Z源逆变器和三相电机,所述电压闭环PID调节器用于在直流电压源供电电压过低的时候,通过加入直通零矢量,提升Z源逆变器的输入电压,控制逆变器的输出电压;所述Z源逆变器用于将直流电转换成三相电机需要的交流电。

[0018] 其中,所述的Z源逆变器包括直流电压源101、三相逆变桥102、X型阻抗网络103和功率二极管105,所述三相逆变桥102的三个桥臂均由两个开关管组成,每个开关管并联一个二极管,三个桥臂的上桥臂开关管的集电极并联在一起形成三相逆变桥的正端,三个桥臂的下桥臂开关管的发射极并联在一起形成三相逆变桥的负端;三相逆变桥102的正端与直流电压源101正极相连,所述X型阻抗网络103包括第一电感L1、第二电感L2、第一阻抗电容Cl和第二阻抗电容C2,第一阻抗电容的正端与第二阻抗电容的正端之间连接第一电感LI,第一阻抗电容的负端与第二阻抗电容的负端之间连接第二电感L2,功率二极管的阳极与第二阻抗电容和第一电感的公共端连接,功率二极管的阴极与第二电感和第一阻抗电容的公共端连接,所述第二阻抗电容的负端连接于直流电压源的负端。

[0019] 所述的电压闭环PID调节器包括电压检测模块106、PID算法模块107、直通矢量PWM模块108、速度设定模块109 ;电压监测模块106起到检测系统电压变化作用,当直流电压源供电电压过低的时候,系统通过直通矢量PWM模块108加入直通零矢量,提升Z源逆变器的输入电压,控制逆变器的输出电压;PID算法模块107起到检测系统是否有加速输入的作用,它里面的PID算法程序一旦检测到系统有加速输入,并根据输出的电池电压也就是直流电压源,加入适量的直通零矢量,来控制驱动系统中的Z源网络的升压,使最终的输出电压保持在一个合适的水平;速度设定模块109是用来设定电动车速度的。

[0020] 在本实施例中,直流电压源通常是起蓄积电能的蓄电池;所述的三相电机是异步电机;所述的开关管为IGBT。

[0021] 在本系统中,逆变电路采用Z源DC/AC逆变电路,其优点是它可以提升蓄电池的供电电压,负载可以开路、短路且成本较低。新型的电机驱动系统的逆变电路综合了传统的电压、电流源逆变电路的优点的同时,对电压升降的控制灵活控制更灵活。

[0022] 在本系统中,Z源DC/AC逆变桥电路中将三相逆变桥102与功率二极管105交换了位置,与传统的Z源DC/AC逆变器电路相比,这样带来的优点是电容电压极性与输入电压极性一致,而且逆变电路不会出现通路的情况,这样避免了系统启动时候带来的冲击电流。

[0023] 传统的电压型、电流型逆变器主电路分别如附图2、3所示,传统的Z源DC/AC逆变电路如图4所示。

[0024] 在本系统中,引入一个电压闭环PID调节器,其优点在于当系统检测到逆变器主电路电压大幅下降的时候,通过闭环调节器算法,输出一定的直通矢量信号,加入到电机控制算法输出的PWM逆变桥开关驱动信号中,以此来提高输出电压,改善电动汽车的加速性倉泛。

[0025] 加入Z源网络后的新型电动车驱动系统其运行过程如下:当启动系统后,直流电压源开始放电,也就是蓄电池开始放电的过程,随着放电过程的进行,电源电压降低,当系统检测到系统主电路电压大幅度下降的时候,系统通过闭环调节器的算法,输出一定的直通矢量信号,并将其加入到电机控制算法输出的PWM逆变桥开关驱动信号中,以此来提高输出电压,改进电动汽车的加速性能;当PID算法程序检测到加速输入的时候,根据输出的电池电压也就是直流电压源,加入适量的直通零矢量,来控制驱动系统中的Z源网络的升压,使最终的输出电压保持在一个合适的水平。

[0026] 新型电动车驱动系统中Z源网络的控制算法,采用简单的SPWM升压控制策略或者在SVPWM中加入适量的直通零矢量升压控制策略,由于Z源逆变器Z源逆变器工作在传统的零矢量状态和直通零矢量状态,对负载来讲作用是一样的,都是将三相负载短路。既然这样,就可以直接将传统SPWM控制方法的每个周期中的传统零矢量作用时间部分可以由直通零矢量作用时间来代替,而有效矢量作用的时间保持不变,就可以方便的实现Z源逆变器的升压控制,及SPWM升压的控制策略。SVPWM控制虽然和SPWM控制的出发点完全不同,但是两者之间还是有很多相同之处的,和传统的对称规则采样SPWM控制相同,对称空间矢量PWM控制每个开关周期内也是有两个相邻的有效矢量和两个传统零矢量合成作用而成,同样也可以由直通零状态来代替传统零状态作用从而实现Z源逆变器的升压控制,具体的升压控制策略根据电机控制算法而定。

[0027] 本发明在驱动系统中加入基于Z源逆变网络的Z源逆变器来提升电动车电动系统的动力性能,同时在驱动系统中加入了一个电压闭环调节,起到提升驱动系统性能的作用。

[0028] 以上所述仅为本发明的优选实施例,并不用于限制本发明,显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种新型电动车驱动系统,其特征在于:包括依次连接的电压闭环PID调节器、Z源逆变器和三相电机, 所述电压闭环PID调节器用于在直流电压源供电电压过低的时候,通过加入直通零矢量,提升Z源逆变器的输入电压,控制逆变器的输出电压; 所述Z源逆变器用于将直流电转换成三相电机需要的交流电。
2.根据权利要求1所述的新型电动车驱动系统,其特征在于:所述Z源逆变器包括直流电压源(101)、三相逆变桥(102)、X型阻抗网络(103)和功率二极管(105),所述三相逆变桥(102)的三个桥臂均由两个开关管组成,每个开关管并联一个二极管,三个桥臂的上桥臂开关管的集电极并联在一起形成三相逆变桥的正端,三个桥臂的下桥臂开关管的发射极并联在一起形成三相逆变桥的负端;三相逆变桥(102)的正端与直流电压源(101)正极相连,所述X型阻抗网络(103)包括第一电感(LI)、第二电感(L2)、第一阻抗电容(Cl)和第二阻抗电容(C2),第一阻抗电容的正端与第二阻抗电容的正端之间连接第一电感(LI),第一阻抗电容的负端与第二阻抗电容的负端之间连接第二电感(L2),功率二极管的阳极与第二阻抗电容和第一电感的公共端连接,功率二极管的阴极与第二电感和第一阻抗电容的公共端连接,所述第二阻抗电容的负端连接于直流电压源的负端。
3.根据权利要求1所述的新型电动车驱动系统,其特征在于:所述电压闭环PID调节器包括电压检测模块(106)、PID算法模块(107)、直通矢量PWM模块(108)、速度设定模块(109);所述电压监测模块用于检测系统电压变化,当直流电压源供电电压过低的时候,系统通过直通矢量PWM模块(108)加入直通零矢量,提升Z源逆变器的输入电压,控制逆变器的输出电压;所述PID算法模块用于检测系统是否有加速度输入,当检测到系统有加速度输入,PID算法模块根据加速度并结合输出的电池电压,加入适量的直通零矢量,来控制驱动系统中的Z源逆变器的升压,使最终的输出电压保持在一个合适的水平;所述速度设定模块用于设定电动车的速度。
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