CN105391360A - 电热约束下电动汽车的最优效率控制方法、控制器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电热约束下电动汽车的最优效率控制方法、控制器及系统。该方法包括：获取电动系统中逆变器和电机的损耗模型；测量驱动系统的电流、电压，获取电动系统总损耗最小时的直轴电流i_d ^*；获取电动系统总损耗最小时逆变器的直通占空比；将电机电流进行坐标变换以获取直轴电流i_d，计算电机的直轴电压与交轴电压，以获取静态电压参考值；获取电动系统的热状态观测模型，获取电动系统中逆变器开关器件和电机绕组的实时温度；获取开关器件的开关频率；获取电动系统的电流限制幅值；根据直通占空比、静态电压参考值以及开关频率获取逆变器的调制信号。本发明以开关器件与电机的实时温度作为控制反馈量，在电热约束下实现电动系统损耗最少。

Description

电热约束下电动汽车的最优效率控制方法、控制器及系统

技术领域

本发明涉及电动汽车控制技术领域，尤其涉及一种电热约束下电动汽车的最优效率控制方法、控制器及系统。

背景技术

随着电动汽车需求量的急速飙升，对电动系统的要求也越来越高，其性能的高低直接影响着电动汽车的整车性能。在不断满足功率密度增加的要求的同时，却因减少逆变器尺寸或增加开关频率等技术措施带来了热环境的挑战。现有的电动汽车性能、效率控制中鲜有将电热约束纳入驱动系统控制。为确保驱动系统开关器件、电机绕组安全通常设定安全裕量，虽然可以提高系统稳定性却降低了系统开关器件的利用效率。

在考虑电动系统效率时主要以电池和逆变器损耗计算为主，结合电机的效率特性，计算出纯电动汽车复合电源的系统效率并通过车辆车速、车辆加速度、蓄电池限制功率这三个变量，比较其对系统效率的影响。

公开号CN104156517A的专利文献中公开了一种纯电动汽车复合电源系统效率计算模型和优化方法，采用超级电容及DC/DC逆变器构建逆变器模型，并利用MATLAB计算所构建的逆变器模型的损耗为：其中R_sc代表超级电容的等效串联内阻；I_sc代表超级电容输出电流，同时还计算了所构建的逆变器模型在不同工作状态下的功率损耗。但是该方法没有将实时温度作为电动系统的一个控制变量，只设定了预留温度值以保证电动系统安全运行。

针对电动汽车的电动系统采用固定直流母线电压的驱动方式存在直流电压利用率低电机电流纹波大的不足，重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室研究了适用于电动汽车的可调直流母线电压永磁电机矢量控制策略(文章号100-582X(2011)11-094-06)，采用双向DC/DC变换器实时调节直流母线电压的方法，改善矢量控制系统整体性能。利用MATLAB对永磁电机新型矢量控制策略进行仿真，仿真结果表明可调直流母线电压永磁电机矢量控制系统能有效地提高直流电压利用率，减小转矩脉动，改善电机电流波形，减小电机电流总谐波畸变率。同样，上述方法采用设置温度安全裕量以保证电动系统安全运行，未将开关器件与电机绕组的实时温度作为控制变量，从而无法对电动系统进行优化控制，并且，安全裕量越大，进行优化时的难度也越大。

发明内容

本发明的其中一个目的在于提供一种电热约束下电动汽车的最优效率控制方法、控制器及系统，以解决现有技术中为保证电动系统安全运行采用温度安全裕量，而未将逆变器与电机绕组的实时温度作为控制变量以实现对电控系统优化控制的技术问题。

为实现上述发明目的，第一方面，本发明实施例提供了一种电热约束下电动汽车的最优效率控制方法，包括：

获取电动汽车的电机的总损耗P_{loss_total}以及逆变器在非直通状态下的总损耗P_{nom_total}和在直通状态下的总损耗P_{sh_total}，并根据P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值和直轴电流i_d获取电动系统总损耗最小时的直轴电流计算模型；

测量电机的电流、电压、转速、以及逆变器中开关器件的电流、电压，以获取电动系统在不同工况下的P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值；

获取电动系统的热状态观测模型，并测量电机外壳与逆变器散热器的温度，结合电动系统损耗值以获取电动系统中逆变器开关器件和电机绕组的实时温度；

根据开关器件和电机绕组的实时温度与预设温度的差值，获取电动系统的电流限制幅值；再结合不同工况下的P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值以及电动系统总损耗最小时的直轴电流计算模型获取电动系统总损耗最小时所对应的直轴电流i_d ^*；并利用数值分析法获取电动系统总损耗最小时逆变器的直通占空比、电机电压和直流母线电压；

将电机的电流进行坐标变换以获取该电机的直轴电流i_d；

根据直轴电流i_d与所述直轴电流i_d ^*计算电机的直轴电压与交轴电压，并对所述直轴电压与交轴电压进行动静坐标变换以获取电机的静态电压参考值；

根据逆变器中开关器件的实时温度与预设温度的差值，获取逆变器中开关器件的开关频率；

根据电动系统总损耗最小时逆变器的直通占空比、静态电压参考值以及逆变器中开关器件的开关频率获取逆变器的调制信号。

可选地，所述电动系统总损耗最小时的直轴电流计算模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{di}}_{d,op}=-\frac{\frac{d}{{\mathrm{di}}_d}\left(P_{sh\_total}+P_{nom\_total}+P_{loss\_total}\right)}{\frac{d^2}{{{\mathrm{di}}_d}^2}\left(P_{sh\_total}+P_{nom\_total}+P_{loss\_total}\right)}|i_d=i_{d,0}\\ {i_d}^{*}={\mathrm{di}}_{d,op}+i_{d,0}\end{array}\right.$

式中，i_d,0为预先设定的直轴电流初值；i_d ^*为当前工况下电动系统总损耗最小时所对应的直轴电流i_d ^*；di_d,op为在预先设定的直轴电流初值的情况下总损耗最小时所对应的直轴电流的差值。

可选地，所述获取电动汽车的电机的总损耗P_{loss_total}以及逆变器在非直通状态下的总损耗P_{nom_total}和在直通状态下的总损耗P_{sh_total}，并根据P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值和直轴电流i_d来完善电动系统总损耗最小时的直轴电流计算模型的步骤中包括：

根据逆变器中开关器件与电机绕组的实时温度计算电动系统允许损耗的最大值；采用以下公式获取电动系统允许损耗的最大值：

${P_{loss}}^{*}=\frac{c^{*}}{{\mathrm{\τ}}_{c1}}(T_{\lim }-T_{meas})+P_0$

式中，c^*为电机、开关器件等效热阻网络电容值；τ_c1为电机、开关器件等效热时间常数；T_lim为电机、开关器件的温度限值；T_meas代表电机、开关器件实时温度测量值，P₀为电机绕组损耗或逆变器损耗。

可选地，所述根据逆变器中开关器件的实时温度与预设温度的差值，获取逆变器中开关器件的开关频率的步骤中采用滞环控制获取逆变器中开关器件的开关频率。

第二方面，本发明实施例还提供了一种电动汽车电热约束下电动系统的最优效率控制器，该最优效率控制器用于执行以下步骤：

获取电动汽车的电机的总损耗P_{loss_total}以及逆变器在非直通状态下的总损耗P_{nom_total}和在直通状态下的总损耗P_{sh_total}，并根据P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值和直轴电流i_d获取电动系统总损耗最小时的直轴电流计算模型；

测量电机的电流、电压、转速、以及逆变器中开关器件的电流、电压，以获取电动系统在不同工况下的P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值；

获取电动系统的热状态观测模型，并测量电机外壳与逆变器散热器的温度，结合电动系统损耗值以获取电动系统中逆变器开关器件和电机绕组的实时温度；

根据开关器件和电机绕组的实时温度与预设温度的差值，获取电动系统的电流限制幅值；再结合不同工况下的P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值以及电动系统总损耗最小时的直轴电流计算模型获取电动系统总损耗最小时所对应的直轴电流i_d ^*；并利用数值分析法获取电动系统总损耗最小时逆变器的直通占空比、电机电压和直流母线电压；

将电机的电流进行坐标变换以获取该电机的直轴电流i_d；

根据直轴电流i_d与所述直轴电流i_d ^*计算电机的直轴电压与交轴电压，并对所述直轴电压与交轴电压进行动静坐标变换以获取电机的静态电压参考值；

根据逆变器中开关器件的实时温度与预设温度的差值，获取逆变器中开关器件的开关频率；

根据电动系统总损耗最小时逆变器的直通占空比、静态电压参考值以及逆变器中开关器件的开关频率获取逆变器的调制信号。

第三方面，本发明实施例又提供了一种电动汽车电热约束下电动系统的最优效率控制系统，包括权利要求7所述的最优效率控制器、电机、双向准Z源逆变器和电源，其中：

所述双向准Z源逆变器的输入端连接所述电源，输出端连接所述电机；

所述最优效率控制器分别连接电机和双向准Z源逆变器，用于向双向准Z源逆变器输出调制信号。

本发明通过调节逆变器的直通占空比可以得到任意交流输出电压，减少了输入侧电流谐波，提高功率因数与电动系统可靠性；以开关器件与电机的实时温度作为控制反馈量，在电热约束下实现驱动系统损耗最少，性能最优。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种电热约束下电动汽车的最优效率控制系统拓扑示意图；

图2是本发明实施例提供的双向准Z源逆变器直通状态等效电路图；

图3是本发明实施例提供的双向准Z源逆变器非直通状态等效电路图；

图4是本发明实施例提供的电动系统电路图；

图5是本发明实施例提供的电动系统直流母线电压控制框图；

图6是本发明实施例提供的一种电热约束下电动汽车的最优效率控制方法流程图；

图7是滞环控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明实施例提供的一种采用双向准Z源逆变器的电动汽车电动系统拓扑示意图。如图1所示，电动汽车的电动系统电路包括：电源100、双向准Z源逆变器200、直流母线300和永磁同步电机400。其中，双向准Z源逆变器200包括双向准Z源网络201和电压逆变器202。

采用双向准Z源逆变器的电动汽车驱动系统分两种运行状态：直通状态与非直通状态。如图2所示，逆变器在直通状态时双向准Z源网络201的电路方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{L1}=V_{C1}+V_{in}\\ V_{L2}=V_{C2}\\ i_{C1}=-i_{L1}\\ i_{C2}=-i_{L2}\\ V_d=V_{load}+R_{load}{i}_{load}\end{array}\right.,---\left(1\right)$

式(1)中，V_L1、V_L2为电感L₁、L₂的电压值；i_L1、i_L2分别为电感L₁、L₂的电流值；V_C1、V_C2分别为电容C₁、C₂的电压值；i_C1、i_C2分别为电容C₁、C₂的电流值；V_in为输入直流电压；V_d为直流母线电压；V_load、i_load分别为等效负载的电压、电流；R_load为等效负载的电阻值。

如图3所示，逆变器在非直通状态时双向准Z源网络电路方程：

V_L1＝-V_C2+V_in，

V_L2＝-V_C1，

i_C1＝-i_L2-i₁，

i_C2＝-i_L1-i₁，

V_d＝V_C1+V_C2＝V_load+R_loadi_load。(2)

驱动系统稳态工作时，电感两端电压在一个开关周期T内平均值等于零。由公式(1)～(2)得

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{L1}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{V}_{L1}\left(t\right)dt=\frac{T_s\left(V_{C1}+V_{in}\right)+T_1\left(-V_{C2}+V_{in}\right)}{T}=0\\ V_{L2}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{V}_{L2}\left(t\right)dt=\frac{T_s\left(V_{C1}\right)+T_1\left(-V_{C2}\right)}{T}=0\end{array}\right.,---\left(3\right)$

式(3)中，T₁为逆变器导通时间，T_s为逆变器直通时间。

由(2)与(3)可得，非直通状态下直流母线电压V_dcp如下，

$V_{dcp}=V_{C1}+V_{C2}=\frac{T}{T_1-T_s}=\frac{1}{1-2D_s}{V}_{in}={\mathrm{BV}}_{in}---\left(4\right)$

式(4)中，B为准Z源逆变器升压系数；D_s为直通占空比。

由式(4)可知，双向准Z源逆变器的输出交流电压V_ac幅值为：

$V_{ac}=M\frac{V_{dcp}}{2}=MB\frac{V_{in}}{2},---\left(5\right)$

式(5)中，M为空间矢量脉宽调制器调制系数。

由此得知，双向准Z源逆变器的直通占空比可以改变直流母线电压值V_dcp与输出交流电压幅值V_ac，若使系数B大于1时，直流母线电压V_dcp大于输入直流电压V_in，逆变器实现升压功能。

如图4与图5所示，本发明实施例中，以电机与逆变器中开关器件的电流、电压、实时转速、实时温度作为控制输入值，输出空间矢量脉宽调制控制信号。

如图4与图5所示，电动系统包括双向准Z源逆变器、永磁同步电机和控制器(控制算法)。采用控制变量法找出空间矢量控制脉宽调制的调制波，以电机实际转速与设定的转速参考值作为直流母线电压控制的外环，经过PI调节产生定子交轴电流的参考值，设定直轴电流参考值与实际测量得到的电流值作为内环电流环参考值，经PI调节得到实际电压控制信号，从而构成一个完整的矢量双闭环控制系统。根据电机的升压需求，通过控制器根据电动系统的总损耗与直通占空比来调整输出的直通控制信号；以电机与逆变器的开关器件的实时温度为控制变量，动态调节开关器件的开关频率，使得开关器件的实时温度保持在安全值以内，通过能插入直通的改进空间矢量脉宽调制器(MSVPWM)控制逆变桥臂开通或关断，实现逆变器电压调节。

逆变器非直通状态下总的导通损耗P_{nom_total}为：

式(6)中，D_s为直通占空比；V_D、r_D为续流二极管导通压降与导通电阻；V_s、r_s是逆变器中开关器件的导通压降与导通电阻值；I_ph为相电流峰值。

逆变器在直通状态下总的导通损耗P_{sh_cond}：

$P_{sh\_cond}=2D_s{V}_{ce}{I}_{sh}+\frac{2}{3}{D}_s{I_{sh}}^2{r}_s+\frac{3}{4}{D}_s{I_{ph}}^2{r}_s,---\left(7\right)$

式(7)中，V_ce为逆变器中开关器件的截止电压值。

逆变器在非直通状态下开关损耗P_{sh_sw}：

$P_{sh\_sw}=f_s\frac{1}{T}\∫\frac{1}{2}{V}_d\underset{n=1}{\overset{6}{\Σ}}{i}_{T_n}(t_{on}+t_{off})dt+f_s\frac{1}{T}\∫\frac{1}{2}{V}_d\left(\right|i_a|+|i_b|+|i_c\left|\right)t_{rec}dt,---\left(8\right)$

式(8)中，f_s为逆变器开关频率、为逆变器6个IGBT模块所通过的电流、t_on为IGBT开通时间、t_off为IGBT关断时间、t_rec为IGBT模块上二极管反向恢复时间、|i_a|、|i_b|、|i_c|为逆变器输出三相电流有效值。

逆变器直通状态下开关损耗P_{act_sw}：

$P_{act\_sw}=3\left(\frac{f_s}{T}\right)\underset{T/2\left(ia>0\right)}{\∫}\left(\frac{1}{2}{V}_d{i}_a\left(t_{on}+t_{off}+t_{rec}\right)\right)dt=\frac{3f_s{V}_d{I}_{ph}\left(t_{on}+t_{off}+t_{rec}\right)}{\mathrm{\π}}.---\left(9\right)$

直流侧二极管导通损耗P_DCdiode：

$P_{DCdiode}=(V_d\frac{I_{dc}}{1-2D_s}+r_D{\left(\frac{I_{dc}}{1-2D_s}\right)}^2)(1-D_s),---\left(10\right)$

V_d为直流母线电压,I_dc为直流母线电流值。

本发明一实施例中采用表贴式永磁同步电机，其铜耗P_CU为：

P_CU＝R_s(i_d ²+i_q ²)，(11)

式(11)中，R_s为定子电阻；i_d、i_q分别为定子电流的直轴分量与交轴分量。

表贴式永磁同步电机的铁耗P_Fe：

$P_{Fe}=\frac{{\left({\mathrm{\ω}}_{e1}{L}_q{i}_q\right)}^2+{({\mathrm{\ω}}_{e1}{L}_d{i}_d+{\mathrm{\ω}}_{e1}\mathrm{\ψ})}^2}{R_{Fe}},---\left(12\right)$

式(11)中，R_Fe为铁损电阻；ω_e1为转子电磁角速度；L_d、L_q为电机绕组电感的直轴分量与交轴分量；ψ为转子磁链。

表贴式永磁同步电机的机械损耗P_me：

P_me＝c_meω²，(13)

杂散损耗P_st:

P_st＝c_stω²(i_d ²+i_q ²)，(14)

式(13)与(14)中，ω为转子角速度，c_me与c_st为机械损耗与杂散损耗系数。

综上所述，逆变器直通状态下的总损耗(包括开关损耗与导通损耗)P_{sh_total}为：

$\begin{array}{c}{P}_{sh\_total}=2D_s{V}_{ce}{I}_{sh}+\frac{2}{3}{D}_s{I_{sh}}^2{r}_s+\frac{3}{4}{D}_s{I_{ph}}^2{r}_s\\ +f_{sw}\frac{1}{T}\∫\frac{1}{2}{V}_d\underset{n=1}{\overset{6}{\Σ}}{i}_{T_n}\left(t_{on}+t_{off}\right)dt+f_{sw}\frac{1}{T}\∫\frac{1}{2}{V}_d\left(\left|i_a\right|+\left|i_b\right|+\left|i_c\right|\right)t_{rec}dt\end{array},---\left(15\right)$

式(15)中，f_sw为逆变器的开关频率，为逆变器6个IGBT模块所通过的电流、t_on为IGBT开通时间、t_off为IGBT关断时间、t_rec为IGBT模块上二极管反向恢复时间、|i_a|、|i_b|、|i_c|为逆变器输出三相电流有效值。

逆变器非直通状态下的总损耗(包括开关损耗与导通损耗)P_{nom_cond}为：

电机总损耗P_{loss_total}为：

$\begin{array}{c}{P}_{loss\_total}=R_s\left({i_d}^2+{i_q}^2\right)+\frac{{\left({\mathrm{\ω}}_{e1}{L}_q{i}_q\right)}^2+{\left({\mathrm{\ω}}_{e1}{L}_d{i}_d+{\mathrm{\ω}}_{e1}\mathrm{\ψ}\right)}^2}{R_{Fe}}\\ +c_{me}{\mathrm{\ω}}^2+c_{st}{\mathrm{\ω}}^2\left({i_d}^2+{i_q}^2\right)\end{array},---\left(17\right)$

电机绕组与开关器件允许产生的最大损耗与温度的关系式可表示为：

${P_{loss}}^{*}=\frac{c^{*}}{{\mathrm{\τ}}_{c1}}\left(T_{\lim }-T_{meas}\right)+P_0---\left(18\right)$

式(18)中，c^*为电机、开关器件等效热阻网络电容值；τ_c1为电机、开关器件等效热时间常数；T_lim为电机、开关器件的温度限值；T_meas代表电机、开关器件实时温度测量值，P₀为电机绕组损耗或逆变器损耗。

由公式(18)所求的该温度差值下所允许的最大损耗分别与公式(15)-(17)所求的损耗相加，分别得到在温度限值内所允许的IGBT、FWDI和电机的最大损耗值。再根据能获得的损耗值、直流母线电压V_d、开关频率f_s与功率因数角等变量对最大损耗值求逆，分别得到IGBT、FWDI、与电机在温度限值内所允许的最大损耗值下对应的3个电流值。取这3个电流值中的最小值作为整个驱动系统在该工作状态下的电流极限值|I|_lim，如图5所示，代入下一步计算直轴、交轴电流。

根据上述推导过程，第一方面，本发明实施例提供了一种电热约束下电动汽车的最优效率控制方法，如图6所示，包括：

获取电动汽车的电机的总损耗P_{loss_total}以及逆变器在非直通状态下的总损耗P_{nom_total}和在直通状态下的总损耗P_{sh_total}，并根据P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值和直轴电流i_d完善电动系统总损耗最小时的直轴电流计算模型；

测量电机的电流、电压、转速以及逆变器中开关器件的电流、电压，以获取电动系统在不同工况下的P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值；

获取电动系统的热状态观测模型，并测量电机外壳与逆变器散热器的温度，结合电动系统损耗值以获取电动系统中逆变器开关器件和电机绕组的实时温度；

根据开关器件和电机绕组的实时温度与预设温度的差值，获取电动系统的电流限制幅值；再结合不同工况下的P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值以及电动系统总损耗最小时的直轴电流计算模型获取电动系统总损耗最小时所对应的直轴电流i_d ^*；并利用数值分析法获取电动系统总损耗最小时逆变器的直通占空比、电机电压和直流母线电压；

将电机的电流进行坐标变换以获取该电机的直轴电流i_d；

将电机的电流进行坐标变换以获取该电机的直轴电流i_d；其中，三相电流转换为静态两相电流采用以下公式实现：

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right)=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{ccc}1& -0.5& -0.5\\ 0& -\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right)$

同时由实时电机转子位置得到其电角度，通过微分运算得到电转速，除以极对数得到转子转速，经过与转速参考值对比，其差值经过PI调节得到电机交轴电流参考值，与实测分解的电机交轴参考值进行对比通过PI调节器得到磁链电压参考值。

根据直轴电流i_d与所述直轴电流i_d ^*计算电机的直轴电压与交轴电压，并对所述直轴电压与交轴电压进行动静坐标变换以获取电机的静态电压参考值；其中，动静坐标变换采用以下公式实现：

$\left(\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}cos\mathrm{\θ}& -sin\mathrm{\θ}\\ sin\mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{V}_d\\ V_q\end{array}\right)$

当逆变器中开关器件的实时温度与预设温度的差值最小时，获取逆变器中开关器件的开关频率；

根据电动系统总损耗最小时逆变器的直通占空比、静态电压参考值以及逆变器中开关器件的开关频率获取逆变器的调制信号。

可选地，电动系统总损耗最小时直轴电流的计算模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{di}}_{d,op}=-\frac{\frac{d}{{\mathrm{di}}_d}\left(P_{sh\_total}+P_{nom\_total}+P_{loss\_total}\right)}{\frac{d^2}{{{\mathrm{di}}_d}^2}\left(P_{sh\_total}+P_{nom\_total}+P_{loss\_total}\right)}|i_d=i_{d,0}\\ {i_d}^{*}={\mathrm{di}}_{d,op}+i_{d,0}\end{array}\right.$

式中，i_d,0为预先设定的直轴电流；i_d ^*为当前工况下电动系统总损耗最小时所对应的直轴电流i_d ^*。

可选地，所述获取电动汽车的电机的总损耗P_{loss_total}以及逆变器在非直通状态下的总损耗P_{nom_total}和在直通状态下的总损耗P_{sh_total}，并根据P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值和直轴电流i_d来完善电动系统总损耗最小时的直轴电流计算模型的步骤中包括：

根据逆变器中开关器件与电机绕组的实时温度计算电动系统允许损耗的最大值。具体实施采用以下公式获取电动系统允许损耗的最大值：

${P_{loss}}^{*}=\frac{c^{*}}{{\mathrm{\τ}}_{c1}}(T_{\lim }-T_{meas})+P_0,$

式中，c^*为电机、开关器件等效热阻网络电容值；τ_c1为电机、开关器件等效热时间常数；T_lim为电机、开关器件的温度限值；T_meas代表电机、开关器件实时温度测量值P₀为电机绕组损耗或逆变器损耗。

可选地，所述根据直轴电流i_d与所述直轴电流i_d ^*计算电机的步骤中进一步包括：

对比所述直轴电流i_d与所述直轴电流i_d ^*以获取两者的差值；

对上述差值进行PI调节以获取电机的直轴磁链参考值；

根据解耦电路计算公式获取直轴磁链值以及交轴磁链值；

对比直轴磁链值与直轴磁链参考值以及交轴磁链值与交轴磁链参考值以获取直轴电压与交轴电压。

可选地，所述当逆变器中开关器件的实时温度与预设温度的差值最小时，获取逆变器中开关器件的开关频率的步骤中采用滞环控制获取逆变器中开关器件的开关频率。

滞环控制原理如图7所示，差值较大则开关频率高，差值减小时降低开关频率以减少开关损耗。开关频率的增加减小调节采用滞环控制以减小开关频率的波动，并具有控制简单、动态响应速度快、系统的稳定性与抗干扰能力强的优点。

第二方面，本发明实施例还提供了一种电动汽车电热约束下电动系统的最优效率控制器，该最优效率控制器用于执行以下步骤：

获取电动汽车的电机的总损耗P_{loss_total}以及逆变器在非直通状态下的总损耗P_{nom_total}和在直通状态下的总损耗P_{sh_total}，并根据P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值和直轴电流i_d获取电动系统总损耗最小时的直轴电流计算模型；

测量电机的电流、电压、转速以及逆变器中开关器件的电流、电压，以获取电动系统在不同工况下的P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值；

获取电动系统的热状态观测模型，并测量电机外壳与逆变器散热器的温度，结合电动系统损耗值以获取电动系统中逆变器开关器件和电机绕组的实时温度；

根据开关器件和电机绕组的实时温度与预设温度的差值，获取电动系统的电流限制幅值；再结合不同工况下的P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值以及电动系统总损耗最小时的直轴电流计算模型获取电动系统总损耗最小时所对应的直轴电流i_d ^*；并利用数值分析法获取电动系统总损耗最小时逆变器的直通占空比、电机电压和直流母线电压；

将电机的电流进行坐标变换以获取该电机的直轴电流i_d；

根据直轴电流i_d与所述直轴电流i_d ^*计算电机的直轴电压与交轴电压，并对所述直轴电压与交轴电压进行动静坐标变换以获取电机的静态电压参考值；

根据逆变器中开关器件的实时温度与预设温度的差值，获取逆变器中开关器件的开关频率；

根据电动系统总损耗最小时逆变器的直通占空比、静态电压参考值以及逆变器中开关器件的开关频率获取逆变器的调制信号。

第三方面，本发明实施例又提供了一种电动汽车电热约束下电动系统的最优效率控制系统，包括上文所述的最优效率控制器、电机、双向准Z源逆变器和电源，其中：

所述双向准Z源逆变器的输入端连接所述电源，输出端连接所述电机；

所述最优效率控制器分别连接电机和双向准Z源逆变器，用于向双向准Z源逆变器输出调制信号。

本发明提供了一种电热约束下电动汽车的最优效率控制方法、控制器及系统，通过采用电压型双向准Z源逆变器以代替传统带DC/DC的电压型逆变器，避免了因电磁干扰引起的逆变器臂直通时造成的逆变器失效，节约成本，提高了逆变器可靠性；通过控制双向准Z源逆变器的直通占空比可以得到任意交流输出电压，减少了输入侧电流谐波，提高功率因数与系统可靠性；以开关器件与电机绕组实时温度作为控制反馈量，在电热约束下实现驱动系统性能与效率的最大化运行；引入双向准Z源逆变器通过调节直流母线电压实现电机运行的电压需求，将开关器件与绕组的温升带来的损耗作为反馈的直流母线电压动态控制使得逆变器与电机组成的系统效率最优、损耗最少。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (6)

1.一种电动汽车电热约束下电动系统的最优效率控制方法，其特征在于，包括：

获取电动汽车的电机的总损耗P_{loss_total}以及逆变器在非直通状态下的总损耗P_{nom_total}和在直通状态下的总损耗P_{sh_total}，并根据P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值和直轴电流i_d获取电动系统总损耗最小时的直轴电流计算模型；

测量电机的电流、电压、转速以及逆变器中开关器件的电流、电压，以获取电动系统在不同工况下的P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值；

获取电动系统的热状态观测模型，并测量电机外壳与逆变器散热器的温度，结合电动系统损耗值以获取电动系统中逆变器开关器件和电机绕组的实时温度；

根据开关器件和电机绕组的实时温度与预设温度的差值，获取电动系统的电流限制幅值；再结合不同工况下的P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值以及电动系统总损耗最小时的直轴电流计算模型获取电动系统总损耗最小时所对应的直轴电流i_d ^*；并利用数值分析法获取电动系统总损耗最小时逆变器的直通占空比、电机电压和直流母线电压；

将电机的电流进行坐标变换以获取该电机的直轴电流i_d；

根据直轴电流i_d与所述直轴电流i_d ^*计算电机的直轴电压与交轴电压，并对所述直轴电压与交轴电压进行动静坐标变换以获取电机的静态电压参考值；

根据逆变器中开关器件的实时温度与预设温度的差值，获取逆变器中开关器件的开关频率；

根据电动系统总损耗最小时逆变器的直通占空比、静态电压参考值以及逆变器中开关器件的开关频率获取逆变器的调制信号。

2.根据权利要求1所述的最优效率控制方法，其特征在于，所述电动系统总损耗最小时的直轴电流计算模型为：

式中，i_d,0为预先设定的直轴电流初值；i_d ^*为当前工况下电动系统总损耗最小时所对应的直轴电流i_d ^*；di_d,op为在预先设定的直轴电流初值的情况下总损耗最小时所对应的直轴电流的差值。

3.根据权利要求1所述的最优效率控制方法，其特征在于，所述获取电动汽车的电机的总损耗P_{loss_total}以及逆变器在非直通状态下的总损耗P_{nom_total}和在直通状态下的总损耗P_{sh_total}，并根据P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值和直轴电流i_d来完善电动系统总损耗最小时的直轴电流计算模型的步骤中包括：

根据逆变器中开关器件与电机绕组的实时温度计算电动系统允许损耗的最大值；具体实施采用以下公式获取电动系统允许损耗的最大值：

式中，c^*为电机、开关器件等效热阻网络电容值；τ_c1为电机、开关器件等效热时间常数；T_lim为电机、开关器件的温度限值；T_meas代表电机、开关器件实时温度测量值,P₀为电机绕组损耗或逆变器损耗。

4.根据权利要求1所述的最优效率控制方法，其特征在于，所述根据逆变器中开关器件的实时温度与预设温度的差值，获取逆变器中开关器件的开关频率的步骤中采用滞环控制获取逆变器中开关器件的开关频率。

5.一种电动汽车电热约束下电动系统的最优效率控制器，其特征在于，该最优效率控制器用于执行以下步骤：

获取电动汽车的电机的总损耗P_{loss_total}以及逆变器在非直通状态下的总损耗P_{nom_total}和在直通状态下的总损耗P_{sh_total}，并根据P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值和直轴电流i_d获取电动系统总损耗最小时的直轴电流计算模型；

测量电机的电流、电压、转速、以及逆变器中开关器件的电流、电压，以获取电动系统在不同工况下的P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值；

获取电动系统的热状态观测模型，并测量电机外壳与逆变器散热器的温度，结合电动系统损耗值以获取电动系统中逆变器开关器件和电机绕组的实时温度；

根据开关器件和电机绕组的实时温度与预设温度的差值，获取电动系统的电流限制幅值；再结合不同工况下的P_{loss_total}、P_{nom_total}、P_{sh_total}值以及电动系统总损耗最小时的直轴电流计算模型获取电动系统总损耗最小时所对应的直轴电流i_d ^*；并利用数值分析法获取电动系统总损耗最小时逆变器的直通占空比、电机电压和直流母线电压；

将电机的电流进行坐标变换以获取该电机的直轴电流i_d；

根据直轴电流i_d与所述直轴电流i_d ^*计算电机的直轴电压与交轴电压，并对所述直轴电压与交轴电压进行动静坐标变换以获取电机的静态电压参考值；

根据逆变器中开关器件的实时温度与预设温度的差值，获取逆变器中开关器件的开关频率；

根据电动系统总损耗最小时逆变器的直通占空比、静态电压参考值以及逆变器中开关器件的开关频率获取逆变器的调制信号。

6.一种电动汽车电热约束下电动系统的最优效率控制系统，其特征在于，包括权利要求5所述的最优效率控制器、电机、双向准Z源逆变器和电源，其中：

所述双向准Z源逆变器的输入端连接所述电源，输出端连接所述电机；

所述最优效率控制器分别连接电机和双向准Z源逆变器，用于向双向准Z源逆变器输出调制信号。