CN105743415A - 一种考虑实际运行工况的可变数量并联型电动汽车变流器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑实际运行工况的可变数量并联型电动汽车变流器，包括逆变器主电路模块，模块DSP控制电路，脉冲关断控制电路，电机模块，和电池模块。本发明用N个三相变流器（功率较小）并联代替传统的单个三相变流器（功率较大），根据电动汽车的实际运行工况功率模块器件结温和电机定子相电流的实际大小，判断所需要并联工作的变流器的个数，通过合理数量的变流器的并联，同时达到在特定工况及电流下变流器损耗最小的目的。本发明具有变流器损耗低，功率器件的利用率较高以及成本大幅降低的优点，并且功率器件的可靠性基本保持不变。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车变流器技术领域，具体涉及一种考虑实际运行工况的可变数量并联型电动汽车变流器。
背景技术
伴随着日益严峻的环境问题与能源问题，交通工具的变革也越来越紧迫，电动汽车取代内燃机汽车成为一种必然趋势。电动汽车是以电动机作为驱动的，驱动电机的控制性能很大程度上决定了汽车的运行性能。而驱动电机的调速又依靠于变流器所提供的变频电流，所以变流器对汽车的安全可靠运行起到了至关重要的作用；同时，变流器功率模块额定功率等级的选取不仅关系到电动汽车的成本与其自身的利用率，还关系到变流器的损耗和电动汽车的续航里程。
截至目前，制约电动汽车发展的两大主要因素是续航里程较短和价格相对昂贵。解决电动汽车续航里程较短的方法主要有两种，其一是研发新型高能量密度大容量电池；其二是通过能源管理更合理有效的支配车载电源有限的电能。研发新型大容量电池虽然能从根源上解决车载电能少的问题，但研发周期很长，研发难度巨大，短时间内难以发生质的改变，而且存在价格上的巨大不确定性。能源管理无法做到从根本上提高电动汽车的续航里程，但通过管理能源，降低损耗，在短时间内可以有可观的改善，同时价格不会有明显的改变。所以能源管理是一个十分合理和必要的过渡过程。变流器作为能源管理中的一个重要对象，在保证其可靠性的同时降低其损耗也就十分重要了。
功率器件的可靠性与其自身损耗紧密联系，目前基于功率器件可靠性的降损研究还处于起步阶段，比较流行的方法是：1）降低器件的开关频率，2）限制并降低电流幅值。这两种方法都存在损害负载性能的缺点，实用性不强。
对于电动汽车用变流器，启动过程中的功率是其他工况时的十几甚至几十倍，而启动工况在所有运行工况中占的比例却微乎其微，这就造成了功率模块在绝大多数时候处于极低的利用率；同时在相同情况的小功率运行时，大功率变流器的开关损耗，特别是关断损耗，比小功率变流器的关断损耗大很多。这也是本发明的出发点，采用并联较小功率模块替代大功率模块，依据器件的结温以及负载功率的大小控制并联工作的变流器的数量，达到确保电动汽车车变流器驱动性能不变的同时，减小器件损耗的目的。本发明优点之一在于有效降低器件损耗，大幅降低器件成本（以英飞凌FS200R07A1E3与FS75R07WE3_B11A为例，单个大功率变流器与3个较小功率变流器价格比高于1.7），同时实用性强。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，通过采用多个较小功率变流器（多个较小变流器的总功率要大于等于单个大功率变流器额定功率）替代单个大功率变流器，根据变流器功率器件结温和驱动电机定子相电流来控制并联工作的变流器的数量，通过合理数量的变流器的并联，达到保证负载性能和功率器件安全可靠性的同时，降低器件损耗的目的，节约能量以延长电动汽车的续航里程。本发明还能大幅降低购买变流器的成本，实用性较强。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种考虑实际运行工况的可变数量并联型电动汽车变流器，其包括变流器主电路模块、DSP控制电路、脉冲关断控制电路、电机模块和电池模块；电池模块的输出端与变流器主电路模块的直流输入端连接，变流器主电路模块的交流输出端与电机模块的输入端连接，变流器器件结温通过温度传感器输入到DSP控制电路，电机模块的信号采集输出端与DSP控制电路的输入端连接，速度给定输出端与DSP控制电路的输入端连接，DSP控制电路的PWM脉冲信号输出端与脉冲关断控制电路的输入端连接，脉冲关断控制电路的输出端分别与变流器主电路模块各个逆变器驱动模块信号输入端连接，各逆变器驱动模块的输出与相应变流器控制端口相连。
进一步优化地，脉冲关断控制电路由N个锁存器（L1、L2、L3）组成；各锁存器的输入端并联后与DSP控制电路的PWM信号输出端相连，各锁存器（L1、L2、L3）的输出端分别与对应的变流器模块相连，锁存器的使能端与DSP的输出端分别相连进一步优化地，变流器主电路模块包括N个并联的变流器模块（例如M1、M2、M3，N为正整数），各变流器直流输入端并联连接，交流输出端也并联连接。
进一步优化地，脉冲关断控制电路由N个锁存器（L1、L2、L3）组成；各锁存器的输入端并联后与DSP控制电路的PWM信号输出端相连，各锁存器（L1、L2、L3）的输出端分别与对应的逆变器驱动模块相连，锁存器的使能端与DSP的输出端分别相连。
进一步优化地，电机模块由驱动电机、负载、霍尔电流传感器和速度位置传感器组成。
进一步优化地，DSP控制电路输出的PWM脉冲信号，由电机模块的霍尔电流传感器和速度位置传感器测量的信息和给定的速度信息，结合微处理器内部编程设计的控制方法（如磁场定向控制FOC，直接转矩控制DTC）以及调制方式（电流跟踪调制CFPWM，正弦脉宽调制SPWM，空间矢量调制SVM）来产生；脉冲关断控制电路（T1、T2、T3）的开通与关断控制信号（使能）由DSP控制电路产生输出。
进一步优化地，在切出其中一路逆变器时，需要在一个采样周期内，将六路PWM信号置低后，关断所需要切出逆变器对应的锁存器使能，然后恢复正常PWM信号输出。
进一步优化地，脉冲关断控制电路（T1、T2、T3）的开通与关断信号的产生，是通过器件实时结温与设定的预设安全结温Tref的对比、器件的额定功率与实时负载功率共同决定的，器件的结温不超过110摄氏度，器件的功率不超出额定功率的1.5倍。
进一步优化地，器件实时结温与设定安全结温的对比控制着并联变流器数量的增加，当实际结温超出安全结温时，设置温度梯度以迅速反应并不断增加并联变流器的数量。
进一步优化地，器件的额定功率（反映为电流）与实际运行功率对比控制并联变流器数量的减少，实际运行功率小于K倍器件额定功率时（满足条件的最小倍数K值），则通过脉冲关断控制电路关断N-K个变流器。
进一步优化地，以温度梯度为增加变流器的控制量，需要一个绝对安全温度值Tab（功率器件一般为150摄氏度），温度梯度表示为ΔT=（Tab-Tref）/(N-1)，ΔT决定了控制的灵敏度，Tab与Tref越接近，灵敏度越高。
上述结温控制变流器数量增加是为了在短时大功率运行时不用频繁切入变流器；功率控制变流器数量减少是为了时刻让处于工作的变流器的数量最少，已达到降低损耗的目的。
本发明用N个三相变流器（功率较小）并联代替传统的单个三相变流器（功率较大），根据电动汽车的实际运行工况功率模块器件结温和电机定子相电流的实际大小，判断所需要并联工作的变流器的个数，通过合理数量的变流器的并联，同时达到在特定工况及电流下变流器损耗最小的目的。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和显著效果：
首先，本发明通过采用多个较小功率变流器替代单个大功率变流器，根据变流器功率器件的结温和驱动电机定子相电流来控制并联工作的变流器的数量，通过合理数量的较小功率变流器的并联，甚至单个较小功率变流器工作，达到在相对较小功率要求工况下，降低器件损耗的目的，节约能量以延长电动汽车的续航里程，同时还可以兼顾变流器功率模块的安全可靠性能。
其次，在不同工况下，改变并联工作的变流器的数量，使得变流器可以一直工作于接近额定功率的负荷状态，因而功率器件的利用率得到了极大的提高，同时器件的稳定性依然可以得到保证。并且由上述分析知道，该方法还能大幅降低购买变流器的成本，实用性较强。
附图说明
图1是实例中考虑实际运行工况的可变数量并联型电动汽车变流器总体构架图。
图2是实例中微处理器（DSP）内实现控制过程的方框图。
图3是实例中功率比较切出并联变流器的逻辑流程图。
图4是实例中结温比较切入并联变流器的逻辑流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的实施不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可根据现有技术实现的。
如图1所示考虑实际运行工况的可变数量并联型电动汽车变流器，包括变流器主电路模块（包含逆变器驱动模块）、DSP控制电路、脉冲关断控制电路、电机模块和电池模块。本电路能实现变并联数量控制，电池模块的输出端与变流器主电路的直流输入端连接，变流器主电路的交流输出端与电机模块的输入端连接，电机模块的信号采集输出端与微控制器（DSP）的输入端连接，速度给定输出端与微控制器（DSP）的输入端连接，DSP的PWM脉冲信号输出端与脉冲关断控制电路的输入端连接，脉冲关断控制电路的输出端与变流器主电路模块的逆变器驱动模块驱动信号输入端连接，脉冲关断控制电路的使能端与DSP的输出端相连。
微控制器采集驱动电机的定子相电流与转子转速位置信息，结合微处理器内部编程设计的控制方法（例如采用现有磁链定向控制FOC，直接转矩控制DTC）以及调制方式（如电流跟踪调制CFPWM，正弦脉宽调制SPWM，空间矢量调制SVM）来产生出PWM脉冲使变流器正常工作给驱动电机供电，同时通过温度传感器将检测的功率器件结温与预置安全结温值（一般为110摄氏度）比较，不断得出超出安全结温值的幅度，来增加并联接入工作的变流器的数量；反之，当实际负载功率减小时，通过实际负载功率与变流器额定功率的比较，确定需要并联工作变流器数量以及需切出的变流器数量，变流器的切入切出依靠脉冲开关控制电路执行，切出前将所有PWM信号置低，将需要切出的变流器模块对应的锁存器的使能端置低，即可完成切出操作。
图2是微处理器（DSP）内实现脉冲产生与输出，并切断相应变流器脉冲信号的控制框图，框图以磁链定向控制，空间矢量调制（SVM）为例，通过给定速度信号n*与反馈速度信号n的比较产生电流转矩分量iq*，定子电流磁链分量id*保持不变，产生的电流分量iq*、id*分别与经坐标变换（Clarke及Park变换）反馈回的电流iq、id比较，得到电压分量vd，vq。电压分量与位置反馈信号theta通过Park逆变换提供SVM调制所需的信号最终产生PWM脉冲信号。结温比较单元通过将器件实际结温与预设安全结温比较，控制并联变流器数量的增加；电流比较单元通过获取的电流信息并与预设值比较，计算出所需要的并联变流器的数量，切除不需要的变流器的驱动脉冲信号。
图3是电流比较的具体流程图，当负载过载n倍（示例取1.5倍）时，切出所有变流器，当负载处于额定值与1.5倍额定值之间，所有变流器都处于切入状态；负载处于（N-1）倍变流器额定功率与额定负载之间，切出一个变流器，以此类推，至工作时切出（N-1）个变流器，图3以3个并联变流器说明。
图4是结温比较的具体流程图，首先切入一个变流器，若结温超过预设安全结温值Tref，则在绝对安全结温值Tab(器件最高结温一般不超过150摄氏度)与预设安全结温值Tref之间设置温度梯度ΔT=（Tab-Tref）/(N-1)，器件温度每个ΔT切入一个变流器，图例中以3个变流器并联。
Claims (10)
1.一种考虑实际运行工况的可变数量并联型电动汽车变流器，其特征在于包括变流器主电路模块、DSP控制电路、脉冲关断控制电路、电机模块和电池模块；电池模块的输出端与变流器主电路模块的直流输入端连接，变流器主电路模块的交流输出端与电机模块的输入端连接，变流器器件结温通过温度传感器输入到DSP控制电路，电机模块的信号采集输出端与DSP控制电路的输入端连接，速度给定输出端与DSP控制电路的输入端连接，DSP控制电路的PWM脉冲信号输出端与脉冲关断控制电路的输入端连接，脉冲关断控制电路的输出端分别与变流器主电路模块各个逆变器驱动模块信号输入端连接，各逆变器驱动模块的输出与相应变流器控制端口相连。
2.根据权利要求1所述的一种考虑实际运行工况的可变数量并联型电动汽车变流器，其特征在变流器主电路模块包括N个并联的变流器，并联包括直流侧的并联以及交流侧的并联连接。
3.根据权利要求1所述的一种考虑实际运行工况的可变数量并联型电动汽车变流器，其特征在于脉冲关断控制电路由N个锁存器（L1、L2、L3）组成；各锁存器的输入端并联后与DSP控制电路的PWM信号输出端相连，各锁存器（L1、L2、L3）的输出端分别与对应的变流器相连，锁存器的使能端与DSP的输出端分别相连。
4.根据权利要求1所述的一种考虑实际运行工况的可变数量并联型电动汽车变流器，其特征在于电机模块由驱动电机、负载、霍尔电流传感器和速度位置传感器组成。
5.根据权利要求1所述的一种考虑实际运行工况的可变数量并联型电动汽车变流器，其特征在于脉冲关断控制电路输入的PWM脉冲信号，由DSP控制电路内部处理器根据电机模块的霍尔电流传感器和速度位置传感器测量的信息和给定的速度信息来产生；脉冲关断控制电路（T1、T2、T3）的开通与关断控制信号由DSP控制电路产生输出。
6.根据权利要求5所述的一种考虑实际运行工况的可变数量并联型电动汽车变流器，其特征在于在切出其中一路逆变器时，需要在一个采样周期内，将六路PWM信号置低后，关断所需要切出逆变器对应的锁存器使能，然后恢复正常PWM信号输出。
7.根据权利要求6所述的一种考虑实际运行工况的可变数量并联型电动汽车变流器，其特征在于脉冲关断控制电路（T1、T2、T3）的开通与关断信号的产生，是通过器件实时结温与设定的预设安全结温Tref的对比、器件的额定功率与实时负载功率共同决定的，器件的结温不超过110摄氏度，器件的功率不超出额定功率的1.5倍。
8.根据权利要求7所述的一种考虑实际运行工况的可变数量并联型电动汽车变流器，其特征在于器件实时结温与设定安全结温的对比控制着并联变流器数量的增加，当实际结温超出安全结温时，设置温度梯度以迅速反应并不断增加并联变流器的数量。
9.根据权利要求7所述的一种考虑实际运行工况的可变数量并联型电动汽车变流器，其特征在于器件的额定功率与实际运行功率对比控制并联变流器数量的减少，实际运行功率小于K倍器件额定功率时，则通过脉冲关断控制电路关断N-K个变流器。
10.根据权利要求8所述的一种考虑实际运行工况的可变数量并联型电动汽车变流器，其特征在于以温度梯度为增加变流器的控制量，需要一个绝对安全温度值Tab，温度梯度表示为ΔT=（Tab-Tref）/(N-1)，ΔT决定了控制的灵敏度，Tab与Tref越接近，灵敏度越高。
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