CN109742834A - 一种电感分离式一体化车载充电拓扑及电感参数辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电感分离式一体化车载充电拓扑及电感参数辨识方法，包括：将接口交流电机的电驱动变流器的输出端a、b、c切换到地面三相随机电感端、且双向直流变换器输入输出电气隔离时，电驱动、充电模式下的功率流路径合二为一，形成三相网侧电感与PWM整流器相分离的等功率一体化车载充电系统拓扑；随机电感接入车载一体化充电整流器后，进行直流母线电容预充电；获取网侧三相电压、电流和直流母线电压瞬时信息，根据不控整流器三相静止坐标系瞬时数学模型，有序建立相邻两相不控整流的瞬时电压回路方程；不控整流阶段根据三相不控整流瞬时电压回路方程，可控整流阶段根据三相PWM整流器在两相静止坐标系下的积分数学模型，分别利用最小二乘法的曲线拟合和递推形式进行三相随机电感的初值和波动值的在线辨识。

Description

一种电感分离式一体化车载充电拓扑及电感参数辨识方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术的拓扑及控制技术领域，尤其涉及一种电感分离式一体化车载充电拓扑及电感参数辨识方法。

背景技术

随着经济的高速增长和社会的快速发展，对能源的需求和消耗越来越大。与此同时，世界人均汽车拥有量在不断增加。目前的汽车仍然以化石燃料为主要的能量来源，而过度地使用化石能源带来的环境问题也愈加严重。新能源汽车以可再生能源为动力源，可实现清洁无污染运行，被认为是有效缓解能源危机和环境污染的新型交通运输方式之一。

电动汽车充电技术也越来越受到人们的关注。根据电动汽车充电系统拓扑，动力电池在进行外部充电、电驱动过程中的功率流路径相互独立，具有功率流路径合二为一的冗余度。

车载充电系统的PWM(脉冲宽度调制)整流充电控制器所需的网侧三相电感并不是固定对应确定的，其车载变流控制器中相当于丢失了PWM整流所需的电感参数而无法启动运行PWM整流器。要解决一体化车载充电问题，必须要解决地面三相网侧电感参数的在线辨识问题。

发明内容

本发明提供了一种电感分离式一体化车载充电拓扑及电感参数辨识方法，本发明实现了分时复用“电驱动”系统的功率拓扑，无需额外大功率充电的电力电子装置；另外使相分离的地面交流充电装置呈现“去电力电子化”结构，详见下文描述：

一种电感分离式一体化车载充电拓扑及电感参数辨识方法，所述方法包括以下步骤：

将接口交流电机的电驱动变流器的输出端a、b、c切换到地面三相随机电感端、且双向直流变换器输入输出电气隔离时，电驱动、充电模式下的功率流路径实现合二为一，形成三相网侧电感与PWM整流器相分离的等功率一体化车载充电系统拓扑；

地面三相随机电感接入车载一体化充电整流器后，先进行直流母线电容预充电；获取网侧三相电压、电流和直流母线电压瞬时信息，根据不控整流器三相静止坐标系瞬时数学模型，有序建立相邻两相不控整流的瞬时电压回路方程；

不控整流阶段根据三相不控整流瞬时电压回路方程，可控整流阶段根据三相PWM整流器在两相静止坐标系下的积分数学模型,分别利用最小二乘法的曲线拟合和递推形式进行三相随机电感的初值和波动值的在线辨识。

其中，所述相邻两相不控整流的瞬时电压回路方程具体为：

当a相的上桥臂二极管导通时，a、b和a、c两相间的回路方程为：

同理得到b相和c相的上桥臂二极管导通时的回路方程：

其中，e_a、e_b、e_c为三相电网电压；i_a、i_b、i_c为三相网侧电流；U_dc为直流侧母线电压；L为电感。

其中，所述积分数学模型具体为：

其中，e_α(k)为电网电压变换到两相静止坐标系下的α轴分量；U_dc(k)为直流侧母线电压；s_α(k)为开关状态变换到两相静止坐标系下的α轴分量；e_β(k)为电网电压变换到两相静止坐标系下的β轴分量；s_β(k)为开关状态变换到两相静止坐标系下的β轴分量；i_α(k)为网侧电流变换到两相静止坐标系下的α轴分量；i_β(k)为网侧电流变换到两相静止坐标系下的β轴分量；R为网侧电阻；L为网侧电感。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本方法在直流母线预充电阶段，通过二极管不控整流在线辨识出启动PWM整流所需精度的电感初值；

2、本方法在获取地面三相随机电感初值后，进入可控PWM整流阶段，进一步在线辨识更精确电感参数而提高PWM整流器网侧电流和直流母线侧电压质量；

3、本方法将接口交流电机的电驱动变流器的输出端a、b、c切换到地面三相随机电感端并实现双向直流变换器输入输出的电气隔离；

4、本方法实现了分时复用“电驱动”系统的功率拓扑，无需额外大功率充电的电力电子装置；而且相分离的地面交流充电装置呈现“去电力电子化”结构。

附图说明

图1为一种电感分离式一体化车载充电拓扑及电感参数辨识方法流程图；

图2为电动汽车电驱动系统拓扑结构图；

图3为三相网侧电感与充电变流器相分离的等功率一体化车载充电系统拓扑结构图；

图4为三相不控整流电路拓扑结构图；

图5为三相PWM整流电路拓扑结构图。

附图中，各部件列表如下：

s_a、s_b、s_c分别表示a、b、c三相的开关状态；

e_a、e_b、e_c为三相电网电压；

i_a、i_b、i_c为三相网侧电流；

L_a、L_b、L_c为三相网侧电感；

U_dc为直流侧母线电压。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

为了减少额外大功率充电的电力电子装置以及使地面交流充电装置呈现“去电力电子化”一体化，本发明实施例提出了一种三相网侧电感与充电变流器相分离的等功率一体化车载充电系统拓扑结构，以及针对该结构的辨识方法，参见图1，该方法包括以下步骤：

101：综合电驱动与充电的电气约束条件，将接口交流电机的电驱动变流器的输出端a、b、c切换到地面三相随机电感端、且双向直流变换器输入输出电气隔离时，电驱动、充电模式下的功率流路径实现合二为一，形成三相网侧电感与PWM整流器相分离的等功率(充电功率可达到电驱动功率)一体化车载充电系统拓扑；

其中，电驱动与充电的电气约束条件^[1]为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。

102：三相电网的地面随机电感接入车载一体化充电整流器后，先进行直流母线电容预充电；获取网侧三相电压、电流和直流母线电压瞬时信息，根据不控整流器三相静止坐标系瞬时数学模型，有序建立相邻两相不控整流的瞬时电压回路方程；

其中，本发明实施例考虑采样信息误差、噪声和信息量的有限性，基于最小二乘法进行地面三相随机电感初值的曲线拟合，在线辨识出即使在三相电网电压不对称工况下的随机电感初值而使得车载一体化充电整流器完成直流母线预充电并进入动力电池充电可控整流阶段。

其中，不控整流器三相静止坐标系瞬时数学模型^[2]为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。

103：不控整流阶段根据三相不控整流瞬时电压回路方程，可控整流阶段根据三相PWM整流器在两相静止坐标系下的积分数学模型，分别利用最小二乘法的曲线拟合和递推形式进行三相随机电感的初值和波动值的在线辨识。

由于三相随机电感初值是在预充电阶段有限的信息量约束下在线辨识出的，其与电感真实值之间的差异程度将严重影响整流器在PWM整流阶段的网侧电流和直流母线侧电压性能质量。

因此在可控整流阶段，车载变流控制器获取电感初值后即可启动PWM整流运行，在获取大量的采样信息条件下，根据三相PWM整流器在两相静止坐标系下的积分数学模型，基于最小二乘法进行递推三相随机电感波动值，即使在三相电网电压不对称工况下，也能精确地在线辨识出由于电感初值粗略估算和电感电流大范围变化原因导致的电感量波动的电感精确值，进而使得PWM整流器运行在高性能状态。

其中，图1中的不控整流器三相静止坐标系瞬时数学模型、地面三相随机电感初值曲线拟合辨识算法、以及地面三相随机电感量波动递推辨识算法均为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。

综上所述，本发明实施例实现了分时复用“电驱动”系统的功率拓扑，无需额外大功率充电的电力电子装置；另外使相分离的地面交流充电装置呈现“去电力电子化”结构。

实施例2

下面结合图2-图5对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

基于图2所示的电动汽车电驱动系统拓扑结构，动力电池在进行外部充电、电驱动过程中的功率流路径相互独立，具有功率流路径合二为一的冗余度。在电驱动模式下，动力电池功率流流经双向直流变换器和电驱动变流器，存在功率双向流动的电气约束条件；在充电模式下，电网功率流经过外部充电装置流向动力电池，存在与电池侧电气隔离且端电压宽范围可调的电气约束条件。

综合电驱动与充电的电气约束条件，将图2中接口交流电机的电驱动变流器的输出端a、b、c切换到地面三相随机电感端、且双向直流变换器输入输出电气隔离时，电驱动、充电模式下的功率流路径实现二合为一，形成如图3所示的三相网侧电感与PWM整流器相分离的等功率(充电功率可达到电驱动功率)一体化车载充电系统拓扑。

由图3电路结构所示，三相不控整流电路的起始阶段可以利用KVL(基尔霍夫电压定律)得到回路方程，如式(1)所示为当a相的上桥臂二极管导通时，a、b和a、c两相间的回路方程：

同理可以得到b相和c相的上桥臂二极管导通时的回路方程，如式(2)所示。

即，上述公式(1)和公式(2)构成了步骤102中的相邻两相不控整流的瞬时电压回路方程。

在开始计算之前根据三相电压的采样值来确定究竟是满足哪个回路方程，然后再选择正确的电压电流采样值和回路方程进行计算。

将上式离散化，得到：

将式(3)化简，得式(4)：

上式也可以处理成一次函数，电感值L就是一次函数中的待定系数。综合以上分析，可以通过不控整流阶段各物理量的采样利用最小二乘法进行曲线拟合的计算，求得L。

由于三相随机电感初值是在预充电阶段有限的信息量约束下在线辨识出的，其与电感真实值之间的差异程度将严重影响整流器在PWM整流阶段的网侧电流和直流母线侧电压性能质量。因此在可控整流阶段，车载变流控制器获取电感初值后即可启动PWM整流运行，在获取大量的采样信息条件下，根据三相PWM整流器在两相静止坐标系下的积分数学模型，基于最小二乘法进行递推三相随机电感波动值。

通过Clarke坐标变换可以实现三相电压型整流器的数学模型在三相静止坐标系和两相静止坐标系之间的转换。

得到具体的数学模型如式(5)所示：

其中，i_α为网侧电流变换到两相静止坐标系下的α轴分量；i_β为网侧电流变换到两相静止坐标系下的β轴分量，e_α为电网电压变换到两相静止坐标系下的α轴分量，e_β为电网电压变换到两相静止坐标系下的β轴分量，s_α为开关状态变换到两相静止坐标系下的α轴分量，s_β为开关状态变换到两相静止坐标系下的α轴分量，E_d为直流侧母线电压。

为了去除微分项，便于计算，将式(5)的左右两边进行积分。对积分之后的整流器数学模型进行化简，得到：

若将上式表示为矩阵形式，为：

其中，上述公式(7)构成了步骤103中的三相PWM整流器在两相静止坐标系下的积分数学模型。

再根据最小二乘法可以在线辨识出电感参数L，本发明实施例对此不做赘述。

参考文献

[1]甘谨豪.电动汽车充电与驱动一体化拓扑与控制研究[D].山东大学.5-7，2018

[2]徐德鸿，马皓，汪槱生.电力电子技术[M].北京：科学出版社，200-202,2006

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (3)

1.一种电感分离式一体化车载充电拓扑及电感参数辨识方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将接口交流电机的电驱动变流器的输出端a、b、c切换到地面三相随机电感端、且双向直流变换器输入输出电气隔离时，电驱动、充电模式下的功率流路径实现合二为一，形成三相网侧电感与PWM整流器相分离的等功率一体化车载充电系统拓扑；

地面三相随机电感接入车载一体化充电整流器后，先进行直流母线电容预充电；获取网侧三相电压、电流和直流母线电压瞬时信息，根据不控整流器三相静止坐标系瞬时数学模型，有序建立相邻两相不控整流的瞬时电压回路方程；

不控整流阶段根据三相不控整流瞬时电压回路方程，可控整流阶段根据三相PWM整流器在两相静止坐标系下的积分数学模型，分别利用最小二乘法的曲线拟合和递推形式进行三相随机电感的初值和波动值的在线辨识。

2.根据权利要求1所述的一种电感分离式一体化车载充电拓扑及电感参数辨识方法，其特征在于，所述相邻两相不控整流的瞬时电压回路方程具体为：

当a相的上桥臂二极管导通时，a、b和a、c两相间的回路方程为：

同理得到b相和c相的上桥臂二极管导通时的回路方程：

其中，e_a、e_b、e_c为三相电网电压；i_a、i_b、i_c为三相网侧电流；U_dc为直流侧母线电压；L为电感。

3.根据权利要求1所述的一种电感分离式一体化车载充电拓扑及电感参数辨识方法，其特征在于，所述积分数学模型具体为：

其中，e_α(k)为电网电压变换到两相静止坐标系下的α轴分量；U_dc(k)为直流侧母线电压；s_α(k)为开关状态变换到两相静止坐标系下的α轴分量；e_β(k)为电网电压变换到两相静止坐标系下的β轴分量；s_β(k)为开关状态变换到两相静止坐标系下的β轴分量；i_α(k)为网侧电流变换到两相静止坐标系下的α轴分量；i_β(k)为网侧电流变换到两相静止坐标系下的β轴分量；R为网侧电阻；L为网侧电感。