CN106787086B - 一种双pwm永磁电力驱动系统及其控制方法 - Google Patents

一种双pwm永磁电力驱动系统及其控制方法 Download PDF

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    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices

Abstract

本发明提供一种双PWM永磁电力驱动系统及其控制方法,所述系统包括:双PWM永磁电力驱动模块,包括直流母线电容;以及储能模块,包括分别设置在所述直流母线电容两侧的蓄电池和超级电容器;其中,所述蓄电池和所述超级电容器均通过各自所在侧的双向DC/DC变换器与所述直流母线连接。

Description

一种双PWM永磁电力驱动系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电机技术领域,更具体地,涉及双PWM永磁电力驱动系统的控制方法。
背景技术
超级电容器(ultracapacitor,UC),包括双电层电容器(Electrostatic double-layer capacitor)和赝电容器(Electrochemical pseudocapacitor),通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件,但在其储能的过程并不发生化学反应,这种储能过程是可逆的,也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。
脉宽调制(PWM),是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点。
现有的永磁电力驱动系统在储能装置中多采用超级电容器,但超级电容器能量密度小,不能长期供能,并且在负载功率波动较大时不能及时平抑,不很很好的适应各种工况下系统的运行,能量利用不充分,并限制了电动汽车行驶里程。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的双PWM永磁电力驱动系统及其控制方法。
根据本发明的一个方面,提供一种双PWM永磁电力驱动系统,包括:
双PWM永磁电力驱动模块,包括直流母线电容;以及
储能模块,包括分别设置在所述直流母线电容两侧的蓄电池和超级电容器;
其中,所述蓄电池和所述超级电容器均通过各自所在侧的双向DC/DC变换器与所述直流母线连接。
根据本发明的另一个方面,提供一种双PWM永磁电力驱动系统的控制方法,包括:
S1、采集发电机的输出功率以及负载的需求功率;以及
S2、基于所述输出功率与所述需求功率的大小,所述储能模块存储能量或释放能量。
本申请提出在双PWM的永磁电力驱动模块的直流母线电容两侧分别经双向DC/DC变换器并联蓄电池及超级电容器,构成混合储能的双PWM永磁电力驱动系统,同时提出一种混合储能系统分层管理控制策略,利用蓄电池和超级电容的互补特性,制定工作切换模式,实现不同工况下永磁发电机,蓄电池和超级电容器三个能量源协调工作,减小功率波动对系统的冲击,提高了系统的能量利用率,解决了电动汽车行驶里程短,蓄电池寿命低的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中双PWM永磁电力驱动系统的结构示意图;
图2为本发明实施例中双PWM永磁电力驱动系统的流程示意图。
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。
为了克服现有的永磁电力驱动系统中超级电容器能量密度小,不能长期供能,并且在负载功率波动较大时不能及时平抑,不能适应各种工况下系统的运行,能量利用不充分的问题,本发明提供了一种双PWM永磁电力驱动系统,
图1示出了一种双PWM永磁电力驱动系统的结构示意图,包括:
双PWM永磁电力驱动模块,包括直流母线电容;以及
储能模块,包括分别设置在所述直流母线电容两侧的蓄电池和超级电容器;
其中,所述蓄电池和所述超级电容器均通过各自所在侧的双向DC/DC变换器与所述直流母线连接。
DC/DC变换器是将一种直流电能转换成另一种形式直流电能的技术,主要对电压、电流实现变换。将单向DC/DC变换器中的单向开关和二极管改为双向开关,则所有的单向拓扑均变为双向拓扑,加上合理的控制就能实现能量的双向流动。
直流母线,就是将交流变成直流,在变频器中是用铜排的母线形式安装的。
在一个实施例中,所述双PWM永磁电力驱动模块还包括:分别连接在所述直流母线电容两侧的电能供给单元和动能输出单元;
其中,所述电能供给单元包括沿电流传输方向依次连接的原动机、发电机以及第一PWM整流器,所述动能输出单元包括通过第二PWM整流器连接所述直流母线电容的电动机,所述电动机同时与负载连接。
在一个实施例中,所述第一PWM整流器依次通过第一双向DC/DC变换器和所述蓄电池与所述直流母线电容连接;
所述第二PWM整流器依次通过第二双向DC/DC变换器和所述蓄电池与所述直流母线电容连接。
由原动机拖动发电机运行,发电机发出电能经PWM整流器转化为直流电,蓄电池和超级电容作为储能单元通过两个双向DC/DC变换器分别接入直流母线,再经过PWM整流器将直流电转化为交流电驱动电动机,电动机带动电动汽车运行。双PWM变流器实现能量传递,维持直流母线电压的稳定。双向DC/DC变换器实现蓄电池及超级电容的充放电控制。
在一个实施例中,本发明还提供一种双PWM永磁电力驱动系统的控制方法,包括:
S1、采集发电机的输出功率以及负载的需求功率;以及
S2、基于所述输出功率与所述需求功率的大小,所述储能模块存储能量或释放能量。
为了更好地说明本发明中的控制方法,以下实施例将本控制方法的应用场景具体设置为对电动汽车的控制,储能模块是维持系统功率平衡的枢纽,能够维持系统的稳定运行,在电动汽车运行在不同工况下(包括启动,加速,爬坡,巡航,减速,制动等)时,本发明提供的双PWM永磁电力驱动系统在满足汽车不同行驶状态下的功率需求的前提下,对发电机、蓄电池和超级电容器的充放电功率进行合理的分配与控制。发电机为主要动力源,发电机一般工作在负载跟踪模式,根据负载功率需求传递电能;蓄电池与超级电容器组成辅助电源,为充分发挥两种储能装置的互补优势,利用能量密度大的蓄电池为系统提供长期能量,以满足平常负载需求,当汽车启动或加速时,使超级电容提供峰值功率,避免蓄电池大电流充放电,延缓蓄电池寿命,并在汽车减速或制动时将回馈的能量储存在超级电容中,提高能量利用率,实现节能运行,提高汽车续航能力。
对于整个系统来说,负载功率为汽车行驶所需的功率,当汽车运行在不同工况下时,负载功率随之发生变化,为了更好的适应不同工况下的运行,实时检测负载功率及发电机输出功率,根据能量管理的核心思想,制定了系统的六种工作模式,根据负载功率变化情况切换不同的工作模式,合理分配蓄电池及超级电容的充放电功率,实现系统能量管理。
为方便调节超级电容器的荷电状态,为超级电容器设置上下限门槛端电压及荷电状态调整点,为保护蓄电池及制定蓄电池充放电模式,设定蓄电池最大充放电功率(满足常用负载功率)。
图2示出了本发明中双PWM永磁电力驱动系统的具体控制方法示意图,如图可知,本控制方法包括:
首先设置超级电容的上限门槛端电压UCH、超级电容的下限门槛端电压UCL、超级电容的荷电状态调整点Uopt以及蓄电池的最大充放电功率PB-max;以及
接着采集发电机输出功率Pw、负载的需求功率PL以及超级电容端电压USC
依据发电机输出功率和负载的需求功率的关系,制定了六种工作模式,根据负载功率变化情况切换不同的工作模式,合理分配蓄电池及超级电容的充放电功率,实现系统能量管理。
模式1、当0<Pw-PL<PB-max,且USC>UCH时,所述发电机发出多余的电能传输至所述蓄电池,同时所述超级电容以PSC-ref=Pw-PL-PB-max放电至所述蓄电池,直至超级电容端电压达到Uopt,随后转入模式2;
模式2、当0<Pw-PL<PB-max,且USC<UCH时,断开所述超级电容与所述直流母线电容的连接,发电机同时向所述负载和蓄电池充电。
模式3、当Pw-PL>PB-max时,所述发电机不发出电功率,第二PWM整流器运行在整流状态,基于所述电动机回馈的能量向超级电容充电。
模式4、当0<PL-Pw<PB-max,且USC<UCL时,所述蓄电池以PB-max放电至所述超级电容,超级电容以PSC-ref=Pw-PL+PB-max充电,发电机与蓄电池共同为负载和超级电容供电,直至超级电容端电压达到Uopt;以及
模式5、当0<PL-Pw<PB-max,且USC>UCL时,断开所述超级电容与所述直流母线电容的连接,发电机与蓄电池共同向负载供电。
模式6、当Pw+PB-max<PL时,所述超级电容以PSC-ref=PL-Pw-PB-max放电,蓄电池以最大功率放电,发电机、蓄电池以及超级电容共同向负载供电。
最后,本申请的方法仅为较佳的实施方案,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双PWM永磁电力驱动系统的控制方法,所述双PWM永磁电力驱动系统包括:双PWM永磁电力驱动模块,包括直流母线电容;以及储能模块,包括分别设置在所述直流母线电容两侧的蓄电池和超级电容器;其中,所述蓄电池和所述超级电容器均通过各自所在侧的双向DC/DC变换器与所述直流母线连接;所述双PWM永磁电力驱动模块还包括:分别连接在所述直流母线电容两侧的电能供给单元和动能输出单元;所述电能供给单元包括沿电流传输方向依次连接的原动机、发电机以及第一PWM整流器,所述动能输出单元包括通过第二PWM整流器连接所述直流母线电容的电动机,所述电动机同时与负载连接;所述第一PWM整流器依次通过第一双向DC/DC变换器和所述蓄电池与所述直流母线电容连接;以及所述第二PWM整流器依次通过第二双向DC/DC变换器和所述超级电容器与所述直流母线电容连接;
其特征在于,所述控制方法包括:
S1、采集发电机的输出功率以及负载的需求功率;以及
S2、基于所述输出功率与所述需求功率的大小,所述储能模块存储能量或释放能量;
所述步骤S1进一步包括:
S1.1、设置超级电容的上限门槛端电压UCH、超级电容的下限门槛端电压UCL、超级电容的荷电状态调整点Uopt以及蓄电池的最大充放电功率PB-max;以及
S1.2、采集发电机输出功率Pw、负载的需求功率PL以及超级电容端电压USC
所述步骤S2进一步包括:
当0<Pw-PL<PB-max,且USC>UCH时,所述发电机发出多余的电能传输至所述蓄电池,同时所述超级电容以PSC-ref=Pw-PL-PB-max放电至所述蓄电池,直至超级电容端电压达到Uopt;以及
当0<Pw-PL<PB-max,且USC<UCH时,断开所述超级电容与所述直流母线电容的连接,发电机同时向所述负载和蓄电池充电。
2.如权利要求1所述的双PWM永磁电力驱动系统的控制方法,其特征在于,所述步骤S2进一步包括:
当Pw-PL>PB-max时,所述发电机不发出电功率,所述第二PWM整流器在整流状态下运行,基于所述电动机回馈的能量向超级电容充电。
3.如权利要求1所述的双PWM永磁电力驱动系统的控制方法,其特征在于,所述步骤S2进一步包括:
当0<PL-Pw<PB-max,且USC<UCL时,所述蓄电池以PB-max放电至所述超级电容,超级电容以PSC-ref=Pw-PL+PB-max充电,发电机与蓄电池共同为负载和超级电容供电,直至超级电容端电压达到Uopt;以及
当0<PL-Pw<PB-max,且USC>UCL时,断开所述超级电容与所述直流母线电容的连接,发电机与蓄电池共同向负载供电。
4.如权利要求1所述的双PWM永磁电力驱动系统的控制方法,其特征在于,所述步骤S2进一步包括:
当Pw+PB-max<PL时,所述超级电容以PSC-ref=PL-Pw-PB-max放电,同时所述蓄电池以最大功率放电,发电机、蓄电池以及超级电容共同向负载供电。
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