CN108111022A - 新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统，包括双有源桥式隔离DC‑DC变换器、有源缓冲电路、四桥臂DC‑AC变换器及三相电动汽车驱动电机；本发明还公开了此种新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统的控制方法，变换器具有两种工作模式：1)车载发电模式；2)电机驱动模式。本发明提出车载发电和电机驱动一体的新能源汽车能量变换系统，并提供了此种能量变换系统的控制方法，具有效率高、功率密度高、使用器件少，可靠性强等优点。

Description

新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统及其控制方法
技术领域
本发明属于新能源汽车的电机驱动和车载发电集成领域，特别是集新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统及其控制方法。
背景技术
随着化石燃料的减少，环境问题的加剧，全球对清洁高效能源的需求日益增大。电动汽车相比于传统燃油汽车，具有排放小，能量转换率高的特点，成为汽车行业发展的重要方向。电动汽车车载变换器受限于汽车体积的限制，需要做到高功率密度，但是目前的电动汽车的车载充发电变换器和电机驱动变换器是两套系统，使用的器件多，占用体积大。传统的电池充发电变换器使用的两级结构包括并网功率因数矫正电路和直流-直流变换电路，为了实现两级的解耦，两级间并联大电容，使得变换器的体积大大增加，而大电容也降低了电路的可靠性。由于电池技术的发展缓慢，电池能量密度低，在有限电池容量的限制下，提高变换器的效率成为电动汽车研究的一个重点。随着电动汽车的发展，大量电动汽车接入电网充电将会对电网造成很大的冲击，同时电动汽车一天的使用时间有限，大量的电动汽车电池中储存着大量的电能，因此电动汽车并网作分布式发电运行研究具有很大的意义。电动汽车目前使用三桥臂电压源型逆变器进行电机驱动，对电动汽车运行的复杂路况应对能力不足，容错能力差，需要更加可靠的电机驱动方案。
发明内容
发明目的：本发明解决的问题在于现有电动汽车车载发电器在功率密度、功率器件数量、可靠性、效率和电池能量利用率等方面存在的问题以及电机驱动器在控制和容错方面的不足。
技术方案：本发明提供以下技术方案：
新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统及其控制方法，包括双有源桥式隔离DC-DC变换器，有源缓冲电路，四桥臂DC-AC变换器及三相电动汽车驱动电机四个部分，双有源桥式隔离DC-DC变换器一端与电池相连，另一端串联在四桥臂DC-AC变换器直流侧，四桥臂DC-AC变换器交流侧三个桥臂与电机绕组相连，第四桥臂根据工作模式分别与电机绕组中性点、单相电网相连，有源缓冲电路并联在双有源桥式隔离DC-DC变换器和四桥臂DC-AC变换器直流母线上。
进一步，所述双有源桥式隔离DC-DC变换器和四桥臂DC-AC变换器两级结构可以实现电池发电和电机驱动两种工作模式，简化了车载变换器结构，提升了车载变换器功率密度。
进一步，所述四桥臂DC-AC变换器在电池发电工作模式电机绕组中性点和电网一侧相连，四桥臂DC-AC变换器第四桥臂中点和电网另一侧相连，电机驱动工作模式电机绕组中性点和四桥臂DC-AC变换器第四桥臂中点相连。
进一步，所述驱动电机绕组在电池发电工作模式时作并网滤波器，在电机驱动工作模式时作电机绕组，实现了电机绕组的复用，减小了车载变换器的体积。
进一步，所述三相四桥臂DC-AC变换器在电池发电工作模式时，实现直流电压的逆变和功率因数矫正功能，在电机驱动工作模式时实现电机控制和容错功能。
进一步，所述双有源桥式隔离DC-DC变换器和四桥臂DC-AC变换器直流母线无电解电容，减小了变换器体积，提升了变换器功率密度和可靠性。
进一步，所述有源缓冲电路由带反并联二极管的功率开关和电容串联构成，平衡电池双有源桥式隔离DC-DC变换器和四桥臂DC-AC变换器开关切换导致的电流不对称，并将吸收的能量重新回馈至电路，提升变换器效率。
进一步，所述双有源桥式隔离DC-DC变换器的控制策略为：每个桥臂的上下功率开关以50％占空比互补导通，原边两个桥臂的开关时刻相差一定角度，在高频变压器上产生高频脉冲交流电压，副边桥臂将高频脉冲交流电压同步整流成直流母线的高频脉冲直流电压。
进一步，所述双有源桥式隔离DC-DC变换器副边桥臂的功率开关切换时刻控制在直流母线的零电压状态，实现副边四个功率开关的零电压导通关断，提升了变换器的效率。
进一步，所述四桥臂DC-AC变换器在电池发电工作模式下采用有限集模型预测控制策略，模型预测模块基于四桥臂DC-AC变换器、电机绕组漏感和电网电压的数学模型计算下一控制周期电机绕组电流和电网电流，以电流误差绝对值之和最小构造成本函数模块，选取使成本函数最小的开关状态作为下个周期的开关状态。
进一步，所述的有限集模型预测控制策略考虑到数字芯片控制系统的延时特性，加入了延时补偿模块，以采样的电流和当前的开关状态，根据四桥臂DC-AC变换器、电机绕组漏感和电网电压的数学模型计算出下一周期的电流值，在该电流值基础上进行有限集模型预测控制。
进一步，所述四桥臂DC-AC变换器的电机驱动工作模式，在正常情况下使用和电机绕组相连的三相桥臂进行电机控制，在故障状态下使用第四桥臂进行容错控制。
进一步，所述的正常情况下三相桥臂采用查表法直接转矩控制策略，电机绕组三相电流经过静止坐标系变换模块转换为iα和iβ，送入定子磁链观测器模块计算出定子磁链和扇区判断模块根据和得到定子磁链扇区；iα、iβ和经转矩计算模块求出电磁转矩Te；给定转速和实际转速差值经过转矩参考值计算模块得出电磁转矩给定值电磁转矩、定子磁链给定值与实际值的差值经过滞环控制器得出索引值，由定子磁链扇区和索引值查询开关表得到三个桥臂的控制信号。
进一步，所述四桥臂DC-AC变换器的功率开关切换时刻控制在直流母线的零电压状态，实现四桥臂DC-AC变换器功率开关的零电压导通关断，提升了变换器的效率。
进一步，所述有源缓冲电路的功率开关导通时刻在直流母线电压从零上升至高电平后，关断时刻与直流母线开始从高电平下降至零时刻相同。
有益效果：本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)将电动汽车车载发电变换器和电机驱动变换器结合，使电动汽车车载变换器使用的功率器件减少，减小整体体积。
(2)将电动汽车车载变换器滤波电容以有源缓冲电路替代，使变换器体积减小，功率密度提高，并提高了系统的可靠性。
(3)使用软开关技术，减小功率开关开关损耗；
(4)电机驱动采用四桥臂DC-AC变换器，电机控制和容错能力提升；
附图说明
图1为新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统示意图；
其中1.1为电动汽车电池，1.2为双有源桥式隔离DC-DC变换器，1.3为高频变压器，1.4为有源缓冲电路，1.5为四桥臂DC-AC变换器，1.6为三相电机，1.7为工作模式切换开关，1.8为单相电网
图2为双有源桥式隔离DC-DC变换器及有源缓冲电路功率开关的驱动信号和高频变压器及直流母线的电压示意图；
其中2.1为功率开关Q1驱动信号，2.2为功率开关Q4的驱动信号，2.3为功率开关Q5及Q8的驱动信号，2.4为有源缓冲电路功率开关Qs的驱动信号，2.5为高频变压器原边的电压波形，2.6为直流母线上的电压波形并以虚线示意双有源桥式变换器副边及四桥臂DC-AC变换器零电压开关时刻
图3为四桥臂DC-AC变换器电池发电工作模式的控制策略原理图；
其中3.1为电网和电机绕组电流参考值生成模块，3.2为成本函数模块，3.3为脉动直流母线电压，3.4为四桥臂DC-AC变换器，3.5为三相电机，3.6为模型预测模块，3.7为延时补偿模块，3.8为单相电网
图4为四桥臂DC-AC变换器电池发电工作模式的控制策略流程图；
其中4.1为电机电流采样模块，4.2延时补偿模块，4.3为电流参考值计算模块，4.4为循环初始化模块，4.5为电流预测模块，4.6为成本函数模块，4.7为成本函数判断模块，4.8为最小成本函数及其相应开关状态赋值模块，4.9为开关状态循环次数判断模块，4.10为结束模块
图5为四桥臂DC-AC变换器电机驱动工作模式正常运行时控制方法原理图。
其中5.1为转速调节器，5.2为滞环比较器，5.3为开关表，5.4为脉动直流母线电压，5.5为三相电机，5.6为转矩计算模块，5.7为定子磁链观测器，5.8为扇区判断模块，5.9为坐标变换模块，5.10为四桥臂DC-AC变换器
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统示意图如图1所示，由电动汽车电池、双有源桥式隔离DC-DC变换器、有源缓冲电路、四桥臂DC-AC变换器和三相电机构成。其中双有源桥式隔离DC-DC变换器由两个H桥(Q1-Q4和Q5-Q8)和连接在H桥中点的高频变压器Tr组成，图1的Lr表示高频变压器的漏感和谐振电感之和；有源缓冲电路由一个N沟道MOSFET和薄膜电容串联构成，MOSFET的漏极和薄膜电容相连。电动汽车电池接在双有源桥式隔离DC-DC变换器一侧，另一侧输出级联四桥臂DC-AC变换器直流侧；四桥臂DC-AC变换器三个桥臂中点和三相电机的三个端口相连，三相电机的中性点在电机驱动时和第四桥臂中点连接，在并网发电时和单相电网一侧连接，电网另一侧连接至第四桥臂中点；双有源桥式隔离DC-DC变换器和四桥臂DC-AC变换器的直流母线并联有源缓冲电路替代大电解电容平衡两级变换器功率。
本发明针对所述的新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统，提出了双有源桥式隔离DC-DC变换器的移相控制策略和有源缓冲电路的控制方式。双有源桥式隔离DC-DC变换器的控制信号如图2所示，每个桥臂的上下功率开关都以50％占空比互补导通，其中原边功率开关Q4的控制信号滞后Q1一个角度，从而在高频变压器原边产生脉动的交流电压VAB并传递到副边，副边的开关Q5、Q8信号相同，Q6、Q7信号相同，将交流脉动的电压整流成高频脉动的直流母线电压，同时副边的功率开关导通关断时刻控制在脉动电压VAB为零的时刻，从而实现其零电压开关，降低开关损耗。图2同时展示了有源缓冲电路功率开关QS的驱动信号，在直流母线电压从零变高后QS导通，在直流母线电压从高到零的时刻QS关断，当双有源桥式隔离DC-DC变换器和四桥臂DC-AC变换器的电流不平衡时，多出的电流将会向缓冲电容CS充电，相比于RCD缓冲将这部分能量消耗在电阻上，有源缓冲电路在母线电压高电平时实现电容能量回馈，提高了变换器整体效率。
本发明针对所述的新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统及其控制方法，提出了不同工作模式下的四桥臂DC-AC变换器的控制策略。在车载发电工作模式下的控制策略如图3所示，此时电机的三相绕组复用为并网滤波电感，减小四桥臂DC-AC变换器高频开关产生的高次谐波。电网电压采样后通过并网电流参考值及电机绕组电流参考值模块计算出并网电流和电机绕组电流的参考值，其中三相电机绕组均分并网电流，因此其参考值为并网电流参考值三分之一；考虑到实际系统采用的数字芯片采样和计算时间导致的延时，电机绕组三相电流采样后先送入延时补偿模块，延时补偿模块根据四桥臂DC-AC变换器、电机绕组漏感和单相电网的离散数学模型，由当前直流母线电压Vpulse、电网电压Vg和四桥臂DC-AC变换器的开关状态计算出开关切换时刻的电机绕组电流值和并网电流值；四桥臂DC-AC变换器上下桥臂互补导通，因此开关状态共有种可能，模型预测模块根据补偿后的电流、电网电压和直流母线电压计算出每种开关状态得到的电流值，成本函数模块以电流参考值与实际值差值的绝对值之和为目标函数，选取使目标函数最小的开关状态为实际开关状态控制四桥臂DC-AC的功率开关，实现实际并网电流和电机绕组电流对参考值的跟踪。通过控制实际电流跟踪参考电流，四桥臂DC-AC变换器将脉动的直流母线电压逆变成交流电压，实现了并网电流谐波含量少且和电网电压同相位的功率因数矫正功能。此外，四桥臂DC-AC变换器功率开关的导通关断时刻控制在直流母线电压为零时刻，实现零电压开关，降低开关损耗，提高变换器的效率。
四桥臂DC-AC变换器在电机驱动工作模式的控制策略以三相异步电机为例，无故障情况下，四桥臂DC-AC变换器和电机绕组中性点相连的桥臂上下功率开关均关断，剩余三相桥臂采用查表法直接转矩控制策略，如图4所示，电机转速的给定值和转速采样的差值经过转速调节器生成电磁转矩的参考值定子磁链的参考值由电机的饱和曲线直接确定。电机的电流采样后经过静止坐标变换模块转换成iε和iβ，定子磁链观测器根据异步电机定子磁链的电流模型计算出定子磁链和并由扇区判断模块得出定子磁链所在扇区。转矩计算模块根据iε、iβ和计算出电磁转矩Te。定子磁链、电磁转矩的参考值和实际值的差值分别经过滞环比较器得到相应的索引值，再结合定子磁链所在扇区，查询事先设定的开关表得到四桥臂DC-AC变换器的控制信号，从而实现异步电机定子磁链和电磁转矩的直接控制。类似电池发电模式，查表法直接转矩控制的功率开关在直流母线电压为零时刻导通关断实现零电压开关，提高变换器效率。

Claims (15)

1.一种新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统，包括双有源桥式隔离DC-DC变换器(1.2)，有源缓冲电路(1.4)，四桥臂DC-AC变换器(1.5)及三相电机(1.6)四个部分，其特征在于，双有源桥式隔离DC-DC变换器一端与电池(1.1)相连，另一端串联在四桥臂DC-AC变换器直流侧，四桥臂DC-AC变换器交流侧三个桥臂与电机绕组相连，第四桥臂与单相电网(1.8)和双掷开关(1.7)相连，电机绕组中性点通过双掷开关连接在单相电网或第四桥臂上，有源缓冲电路并联在双有源桥式隔离DC-DC变换器和四桥臂DC-AC变换器直流母线上。
2.根据权利要求1所述的新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统，其特征在于，所述双有源桥式隔离DC-DC变换器(1.2)和四桥臂DC-AC变换器(1.5)为两级结构使得可以实现电池发电和电机驱动两种工作模式。
3.根据权利要求1或2所述的新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统，其特征在于，所述四桥臂DC-AC变换器(1.5)在电池发电工作模式电机绕组中性点和电网(1.8)一侧相连，四桥臂DC-AC变换器第四桥臂中点和电网另一侧相连，电机驱动工作模式电机绕组中性点和四桥臂DC-AC变换器第四桥臂中点相连。
4.根据权利要求1所述的新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统，其特征在于，所述驱动电机绕组(1.6)在车载发电工作模式时作为并网滤波器，在电机驱动工作模式时作为电机绕组。
5.根据权利要求1所述的新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统及其控制方法，其特征在于，所述双有源桥式隔离DC-DC变换器(1.2)和四桥臂DC-AC变换器(1.5)直流母线无电解电容。
6.根据权利要求1所述的新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统及其控制方法，其特征在于，所述有源缓冲电路(1.4)由带反并联二极管的功率开关和电容串联构成，平衡电池双有源桥式隔离DC-DC变换器(1.2)和四桥臂DC-AC变换器(1.5)开关切换导致的电流不对称，以将吸收的能量重新回馈至电路。
7.一种如权利要求1所述的新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统的控制方法，其特征在于，所述双有源桥式隔离DC-DC变换器(1.2)的控制方法为：每个桥臂的上下功率开关以50％占空比互补导通，原边两个桥臂通过移相在高频变压器(1.3)上产生高频脉冲交流电压，副边桥臂将高频脉冲交流电压同步整流成直流母线的高频脉冲直流电压。
8.根据权利要求8所述的新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统的控制方法，其特征在于，双有源桥式隔离DC-DC变换器(1.2)副边桥臂的功率开关切换时刻控制在直流母线的零电压状态(2.6)，实现副边四个功率开关的零电压导通关断。
9.根据权利要求1所述的新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统的控制方法，其特征在于，四桥臂DC-AC变换器(1.5)在电池发电工作模式下采用有限集模型预测控制策略，模型预测模块(3.6)基于四桥臂DC-AC变换器、电机绕组漏感和电网电压的数学模型计算下一控制周期电机绕组电流和电网电流，以电流误差绝对值之和最小构造成本函数模块(3.2)，选取使成本函数最小的开关状态作为下个周期的开关状态。
10.根据权利要求10所述的新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统的控制方法，其特征在于，有限集模型预测控制策略考虑到数字芯片控制系统的延时特性，加入了延时补偿模块(3.7)，以采样的电流和当前的开关状态，根据四桥臂DC-AC变换器、电机绕组漏感和电网电压的数学模型计算出下一周期的电流值，在该电流值基础上进行有限集模型预测控制。
11.根据权利要求1所述的新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统的控制方法，其特征在于，四桥臂DC-AC变换器(1.5)的电机驱动工作模式，在正常情况下使用和电机绕组相连的三相桥臂进行电机控制，在故障状态下使用第四桥臂进行容错控制。
12.根据权利要求12所述的新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统的控制方法，其特征在于，正常情况下三相桥臂采用查表法直接转矩控制策略，电机绕组三相电流经过静止坐标系变换模块(5.9)转换为iα和iβ，送入定子磁链观测器模块(5.7)计算出定子磁链和扇区判断模块(5.8)根据和得到定子磁链扇区；iα、iβ和经转矩计算模块(5.6)求出电磁转矩Te；给定转速和实际转速差值经过转矩参考值计算模块得出电磁转矩给定值电磁转矩、定子磁链给定值与实际值的差值经过滞环控制器(5.2)得出索引值，由定子磁链扇区和索引值查询开关表(5.3)得到三个桥臂的控制信号。
13.根据权利要求10或权利要求13所述的新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统的控制方法，其特征在于，四桥臂DC-AC变换器(1.5)的功率开关切换时刻控制在直流母线的零电压状态(2.6)，实现四桥臂DC-AC变换器功率开关的零电压导通关断。
14.根据权利要求1所述的新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统的控制方法，其特征在于，有源缓冲电路(1.4)的功率开关导通时刻在直流母线电压从零上升至高电平后，关断时刻与直流母线开始从高电平下降至零时刻相同。
15.根据权利要求8所述的新能源汽车用电机驱动和车载发电集成系统，其特征在于，所述四桥臂DC-AC变换器(1.5)在电池发电工作模式时，实现直流电压的逆变和功率因数矫正功能，在电机驱动工作模式时实现电机控制功能。
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