CN110677080B - 一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法 - Google Patents

一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110677080B
CN110677080B CN201910950685.9A CN201910950685A CN110677080B CN 110677080 B CN110677080 B CN 110677080B CN 201910950685 A CN201910950685 A CN 201910950685A CN 110677080 B CN110677080 B CN 110677080B
Authority
CN
China
Prior art keywords
energy storage
storage unit
vector
hybrid energy
phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910950685.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110677080A (zh
Inventor
曹彦飞
陆海天
宋鹏
李新旻
史婷娜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN201910950685.9A priority Critical patent/CN110677080B/zh
Publication of CN110677080A publication Critical patent/CN110677080A/zh
Priority to US17/270,040 priority patent/US11394328B2/en
Priority to PCT/CN2020/076338 priority patent/WO2021068446A1/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110677080B publication Critical patent/CN110677080B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/36—Arrangements for braking or slowing; Four quadrant control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/14—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from dynamo-electric generators driven at varying speed, e.g. on vehicle
    • H02J7/1423—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from dynamo-electric generators driven at varying speed, e.g. on vehicle with multiple batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/14—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from dynamo-electric generators driven at varying speed, e.g. on vehicle
    • H02J7/16—Regulation of the charging current or voltage by variation of field
    • H02J7/24—Regulation of the charging current or voltage by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P3/00—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters
    • H02P3/06—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter
    • H02P3/18—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter for stopping or slowing an ac motor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/10—Arrangements for controlling torque ripple, e.g. providing reduced torque ripple
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P7/00—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors
    • H02P7/06—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current
    • H02P7/18—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power
    • H02P7/24—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices
    • H02P7/28—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/14—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field
    • H02P9/26—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices
    • H02P9/30—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices
    • H02P9/302—Brushless excitation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J2207/20—Charging or discharging characterised by the power electronics converter
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J2207/50—Charging of capacitors, supercapacitors, ultra-capacitors or double layer capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0024—Parallel/serial switching of connection of batteries to charge or load circuit

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法。构建混合储能单元，混合储能单元输出接至三相逆变器输入，三相逆变器输出接无刷直流电机三相绕组；处于制动，根据混合储能单元和三相逆变器构建两种制动矢量，通过两种矢量作用实现制动转矩控制时将制动能量回馈至超级电容；处于电动，根据混合储能单元和三相逆变器构建四种电动矢量，电机加速通过不同矢量作用实现蓄电池和超级电容的功率分担控制，电机恒速通过不同矢量作用实现换相阶段的转矩波动抑制。本发明在无刷直流电机制动减速运行、加速运行及恒速运行模式下均获得良好的控制性能，并且使用超级电容作为能量缓冲装置可以很好地缓解频繁充放电对蓄电池使用寿命的影响。

Description

一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法
技术领域
本发明涉及一种无刷直流电机系统控制方法，特别是涉及了一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法。
背景技术
无刷直流电机以其功率密度高、结构简单等优势被广泛应用于电动汽车、工业控制及航空航天等领域。在无刷直流电机的许多应用场合中，常以高能量密度的蓄电池作为主要的供电电源，但是蓄电池存在功率密度有限、充放电循环次数少等不足。例如在电动汽车应用场合，电机频繁的加减速会使电池进行大功率充放电，从而对蓄电池寿命产生不利影响。
近几年来，国内外学者提出应用超级电容/蓄电池混合储能单元的方法，相比于蓄电池，超级电容功率密度更高，并且频繁的充放电对其寿命几乎不产生影响。因此超级电容/蓄电池混合储能单元存在以下优势：在制动过程中电机可以将机械能转化为电能回馈至超级电容，提高能量利用率，并避免频繁充电对蓄电池造成的不利影响；在加速过程等电机需要输出高功率的场合，可以利用超级电容辅助蓄电池为电机供电，有效地缓解蓄电池因输出功率过高引起的寿命缩短问题。
E.Chemali和M.Peindl等人介绍了超级电容与蓄电池的发展现状，并对常见的混合储能单元结构进行了说明(IEEE Journal of Emerging and Selected Topics inPower Electron.,vol.4,no.3,pp.1117-1134,2016年9月)。被动式结构直接将超级电容与蓄电池并联连接至负载，是一种相对简单可靠的结构，超级电容与蓄电池的输出功率分别取决于各自内阻大小，但该结构由于蓄电池电压的钳位作用，超级电容电压利用范围有限。为了提升超级电容的电压利用范围，常用的方法是将超级电容通过双向DC-DC变换器连接至负载、蓄电池直接连接至负载，构成半主动式混合储能单元。还有学者提出将蓄电池与超级电容分别用两个DC-DC变换器连接至负载的主动式结构。上述添加DC-DC变换器的混合储能单元可以有效提升超级电容的电压利用范围，由于这种混合储能单元需要电感实现峰值功率传输，因此在电路设计中特别需要权衡系统的体积。
在以无刷直流电机作为动力元件的驱动系统中，由于电机的转矩性能是衡量驱动系统性能的关键指标，因此在设计混合储能单元的同时兼顾电机的转矩性能具有重要意义，目前已有学者展开了相关的研究(IEEE Trans.Veh.Technol.,vol.66,no.5,pp.3724-3738,2017年5月；IEEE Trans.Veh.Technol.,vol.60,no.1,pp.89-97,2011年1月)。但是鲜有方法在设计混合储能单元的同时考虑无刷直流电机的换相转矩波动问题，无刷直流电机在运行过程中存在的换相转矩波动将会导致产生较大的噪声和振动，降低电机运行的平稳性。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的上述不足，设计一种结构简单的超级电容/蓄电池混合储能单元，并提出基于混合储能单元的无刷直流电机运行控制策略，有效抑制换相转矩波动，使无刷直流电机在制动减速、加速、恒速运行模式下均获得良好的控制性能。
为了实现以上目的，如图1所示，本发明采用以下技术方案：
1)如图1所示，系统包括混合储能单元、逆变器和无刷直流电机，采用蓄电池、电解电容C、双向功率开关管、第一功率MOS管、第二功率MOS管、超级电容SC设计构建了一个混合储能单元，第一功率MOS管和第二功率MOS管串联后和电解电容C一起并联到蓄电池的两端，第一功率MOS管的漏极连接到蓄电池的正极，第二功率MOS管的源极连接到蓄电池的负极，双向功率开关管和超级电容SC串联后并联到第一功率MOS管的两端，第一功率MOS管的源极连接到超级电容的负极；第二功率MOS管和蓄电池的负极之间引出作为混合储能单元输出的负极端，双向功率开关管和超级电容SC的正极之间引出作为混合储能单元输出的正极端，混合储能单元输出的负极端和混合储能单元输出的正极端构成了混合储能单元输出的两端，混合储能单元输出的两端连接至三相逆变器(VSI)的输入两端，三相逆变器的输出端连接无刷直流电机(BLDCM)的三相绕组；
具体实施中，蓄电池和电解电容并联连接，蓄电池的正极与第一功率MOS管的漏极连接，蓄电池的负极与第二功率MOS管的源极连接，第一功率MOS管的源极和第二功率MOS管的漏极连接至超级电容的负极，双向功率开关管的一端连接蓄电池的正极，双向功率开关管的另一端连接超级电容的正极。所述的混合储能单元输出的正极端连接至三相逆变器直流母线的正端，混合储能单元输出的负极端连接至三相逆变器直流母线的负端。
所述的双向功率开关管是由两个MOS管反向串联构成。
所述的三相逆变器包括三路并联的MOS管组，每组MOS管组是由两个同向串联的MOS管，每组MOS管组的两个MOS管之间引出连接到无刷直流电机的一相，第一组MOS管组是由MOS管SaH和MOS管SaL同向串联构成，第二组MOS管组是由MOS管SbH和MOS管SbL同向串联构成，第三组MOS管组是由MOS管ScH和MOS管ScL同向串联构成。
2)当电机处于制动状态时，根据混合储能单元和三相逆变器中功率管的开关状态对无刷直流电机输入线电压的作用构建两种制动矢量，通过两种制动矢量的共同作用，实现制动转矩控制的同时将制动能量回馈至超级电容SC；
3)当电机处于电动状态时：
根据混合储能单元和三相逆变器中功率管的开关状态对电机输入线电压的作用构建四种电动矢量：
当电机处于电动加速运行时，通过其中不同电动矢量的共同作用实现蓄电池和超级电容功率分担控制，
当电机处于电动恒速运行时，通过其中不同电动矢量的共同作用实现换相阶段的转矩波动抑制。
所述步骤2)具体为：
2.1)构建两种类型矢量是：
当混合储能单元中的双向功率开关管导通，且三相逆变器中处于无刷直流电机正向导通相上的下桥臂功率管和处于无刷直流电机负向导通相上的上桥臂功率管导通，且混合储能单元和三相逆变器中的其余功率管均关断时，形成的电压矢量作为制动第一矢量Vz,b1；
无刷直流电机采用两两导通的方波电流驱动方式时，将与正向反电势同相的电流激励绕组定义为正向导通相，将与正向反电势反相的电流激励绕组定义为负向导通相；上桥臂功率管为与混合储能单元输出正极端连接的功率管，下桥臂功率管为与混合储能单元输出负极端连接的功率管。
当混合储能单元中第二功率MOS管导通，且混合储能单元和三相逆变器中的其余功率管均关断时，形成的电压矢量作为制动第二矢量Vz,c0；
2.2)两种矢量的共同作用满足如下关系：
dz,b1ub+(dz,b1-1)usc＝2RsI-2E
其中，dz,b1为制动第一矢量Vz,b1作用的占空比，ub为蓄电池电压，且蓄电池电压的大小等于无刷直流电机额定电压uN，usc为超级电容电压，Rs和E分别为无刷直流电机的相电阻和相反电势，I为无刷直流电机的相电流幅值。由于制动第二矢量Vz,c0的占空比在公式中被0约去，故未在公式中体现出，下同。
所述步骤3)具体为：
3.1)构建四种类型矢量是：
当混合储能单元中双向功率开关管导通，且三相逆变器中处于无刷直流电机正向导通相上的上桥臂功率管和处于无刷直流电机负向导通相上的下桥臂功率管导通，其余功率管关断时，形成的电压矢量作为电动第一矢量Vm,b1；
当混合储能单元中第二功率MOS管导通，且三相逆变器中处于无刷直流电机正向导通相上的上桥臂功率管和处于无刷直流电机负向导通相上的下桥臂功率管导通，且混合储能单元和三相逆变器中的其余功率管均关断时，形成的电压矢量作为电动第二矢量Vm,c1；
当混合储能单元中第一功率MOS管导通，且三相逆变器中处于无刷直流电机正向导通相上的上桥臂功率管和处于无刷直流电机负向导通相上的下桥臂功率管导通，且混合储能单元和三相逆变器中的其余功率管均关断时，形成的电压矢量作为电动第三矢量Vm,s1；
当三相逆变器中只有处于无刷直流电机正向导通相上的上桥臂功率管导通或者只有处于无刷直流电机负向导通相上的下桥臂功率管导通，且三相逆变器中其余功率管关断时，不论混合储能单元中功率管的开关状态如何，形成的电压矢量作为电动第四矢量Vm,0；
3.2)电机加速运行时，不同矢量的共同作用满足如下关系：
当无刷直流电机正向导通相和负向导通相之间的线电压upn≤dmaxub时，采用电动第一矢量Vm,b1和电动第四矢量Vm,0共同作用且满足：
upn＝dm,b1ub＝2E+2RsI
其中，dmax为加速过程中限制蓄电池输出电流大小的约束占空比，且dmax＝Ibat,max/I，Ibat,max为蓄电池最大输出电流，ub为蓄电池电压，且蓄电池电压的大小等于无刷直流电机额定电压uN，dm,b1为电动第一矢量Vm,b1的占空比，Rs和E分别为无刷直流电机的相电阻和相反电势，I为无刷直流电机的相电流幅值；
当upn>dmaxub时，采用电动第一矢量Vm,b1、电动第三矢量Vm,s1和电动第四矢量Vm,0共同作用且满足：
upn＝dmaxub+dm,s1usc＝2E+2RsI
其中，dm,s1为电动第三矢量Vm,s1的占空比，usc为超级电容电压；
当upn>dmax(ub+usc)时，采用电动第三矢量Vm,s1、电动第二矢量Vm,c1和电动第四矢量Vm,0共同作用且满足：
upn＝dmaxub+(dmax+dm,c1)usc
其中，dm,c1为电动第二矢量Vm,c1的占空比；
3.3)电机恒速运行时，在换相阶段采用电动第三矢量Vm,s1和电动第四矢量Vm,0共同作用且满足：
2dm,s1(ub+usc)＝4E+3RsI+ub+usc。
本发明通过上述步骤设计了一种新型的混合储能单元，当电机制动减速运行时，通过不同矢量的共同作用，实现制动转矩控制的同时将制动能量回馈至超级电容；当电机加速运行时，通过不同矢量的共同作用实现超级电容和蓄电池输出功率的分担控制；当电机恒速运行时，通过不同矢量的共同作用实现换相转矩波动抑制。
本方法通过上述步骤保证无刷直流电机在制动减速、加速、恒速运行模式下均获得良好的控制性能，满足了实际应用中的多种需要，并且使用超级电容作为能量缓冲装置可以很好地缓解频繁充放电对蓄电池使用寿命的影响。
本发明的有益效果是：
(1)所提出的混合储能单元由蓄电池、超级电容和功率管构成，不需要添加额外的电感器件，有利于减小无刷直流电机驱动系统体积。
(2)在制动减速运行过程中，电机将机械能转化为电能回馈至超级电容，提高了能量利用率，并避免频繁充电对蓄电池造成的不利影响。
(3)在加速运行过程中，利用超级电容辅助蓄电池为电机供电，有效地缓解蓄电池因输出功率过高引起的寿命缩短问题。
(4)在恒速运行过程中，换相时刻通过串联超级电容与蓄电池实现高电压输出，从而有效抑制无刷直流电机的换相转矩波动，提升电机运行的平稳性。
附图说明
图1为提出的基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法框图；
图2为混合储能单元供电的无刷直流电机系统；
图3a为混合储能单元的输出方式1状态示意图；
图3b为混合储能单元的输出方式2状态示意图；
图3c为混合储能单元的输出方式3状态示意图；
图4为无刷直流电机理想相反电势波形图；
图5a为矢量Vz,c0作用下的等效电路状态示意图；
图5b为矢量Vz,b1作用下的等效电路状态示意图；
图6a为矢量Vm,b1作用下的等效电路状态示意图；
图6b为矢量Vm,c1作用下的等效电路状态示意图；
图6c为矢量Vm,s1作用下的等效电路状态示意图；
图6d为矢量Vm,0作用下的等效电路状态示意图；
图7a为正导通相电流换相时矢量Vm,s1作用下的等效电路示意图；
图7b为正导通相电流换相时矢量Vm,0作用下的等效电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法做出详细说明。
本发明的实施例：
下面结合图2-图7、具体的计算公式对实施例的方案进行介绍，详见下文描述：
一、混合储能单元供电的无刷直流电机系统拓扑结构
图2示出了混合储能单元供电的无刷直流电机系统，包括混合储能单元、逆变器和无刷直流电机。
设计的混合储能单元主要由超级电容SC、蓄电池及MOS管构成。蓄电池模型等效成电压源与电阻的串联结构，如虚线框内所示，R代表蓄电池等效内阻，ub代表蓄电池电压，MOS管S1和MOS管S4反向串联构成双向功率开关管，S2表示第二功率MOS管，S3表示第一功率MOS管，D1和D4分别表示MOS管S1的反并联二极管和MOS管S4的反并联二极管，D2表示MOS管S2的反并联二极管，D3表示MOS管S3的反并联二极管。ibat与isc分别代表蓄电池与超级电容的输出电流。电解电容C并联在蓄电池两端用于辅助蓄电池提供电机PWM调制所需的能量，选取合适的电解电容容值使其与电池内阻阻值R的乘积远大于控制周期T，以使电池输出电流ibat近似等于其在一个控制周期内的平均值Ibat。
SaH、SaL、SbH、SbL、ScH、ScL为三相逆变器的六个MOS管，uin代表逆变器直流侧电压。Rs与Ls为无刷直流电机的相电阻和相电感，ek、ik(k＝a,b,c)分别为三相绕组的相反电势及相电流，N为电机三相绕组中性点。DaH、DaL、DbH、DbL、DcH、DcL分别为MOS管SaH、SaL、SbH、SbL、ScH、ScL的反并联二极管。
设蓄电池电压ub等于无刷直流电机额定电压uN，依据ub与超级电容电压usc的关系存在两种情况：
当usc≤ub时，根据S1～S4的不同开关状态，混合储能单元存在以下三种输出方式。
图3a示出了混合储能单元的输出方式1。当S1与S4导通，其余功率管关断时，由于ub≥usc，使得D2承受反向电压ub-usc而截止、D3承受反向电压usc而截止。忽略蓄电池内阻压降，此时直流侧电压uin＝ub。
图3b示出了混合储能单元的输出方式2。当S2导通，其余功率管关断时，D3由于承受反向电压ub而截止，此时uin＝usc。
图3c示出了混合储能单元的输出方式3。当S3导通，其余功率管关断时，D2由于承受反向电压ub而截止，此时uin＝ub+usc。
当usc>ub时，可通过导通S1与S4使超级电容对蓄电池快速充电，最终使得usc＝ub。
二、无刷直流电机运行原理
图4示出了无刷直流电机的理想相反电势波形。图中θe为电角度，相反电势幅值E＝keω，其中ke为反电势系数，ω为机械角速度，依据电机转子位置可将一个电周期划分为六个扇区，用编号I～VI表示。
无刷直流电机通常采用两两导通的三相六步换相驱动方式，即只对其中两相绕组通电，第三项绕组悬空。三相绕组根据电流方向可被定义为正导通相p、负导通相n及非导通相o(p,n,o∈{a,b,c})。各扇区电机运行模式可表示为p+n-，p、n取值如图4所示，例如在扇区I内电机为ab两相导通，且p＝a，n＝b。
无刷直流电机导通两相绕组端电压可表示为：
Figure GDA0002677831950000071
由于相电流满足ip＝-in，相反电势满足ep＝-en＝E，代入式(1)获得：
Figure GDA0002677831950000072
式(2)中upn＝up-un，代表导通两相线电压。当控制无刷直流电机正导通相电流ip维持在期望值I*时，忽略每个周期内电感压降，则满足电机正常工作的upn平均值可表示为：
upn＝2(E+RsI*) (3)
三、制动减速运行模式下的能量回收控制
当无刷直流电机运行在制动减速模式时，为了提高能量利用率，并避免频繁充电对蓄电池造成的不利影响，利用超级电容存储制动过程中的能量。
由于对逆变器使用单极性调制方式存在制动转矩可控性问题，故在电机制动过程中使用双极性调制方式，即H_PWM-L_PWM调制方式，每个控制周期内，控制n相上桥臂开关SnH与p相下桥臂开关SpL以相同占空比斩波。
当SnH与SpL关断时，电机回馈能量，使用混合储能单元的输出方式2可将能量全部回馈至超级电容。此时将功率管开关状态对应的电压矢量定义为矢量Vz,c0，图5a示出了矢量Vz,c0作用下的等效电路。当SnH与SpL导通时，电机吸收能量，控制超级电容在制动过程只吸收能量，故通过混合储能单元的输出方式1使蓄电池为电机提供能量。此时将功率管开关状态对应的电压矢量定义为矢量Vz,b1，图5b示出了矢量Vz,b1作用下的等效电路。
不同矢量作用下导通两相线电压为：
Figure GDA0002677831950000081
在制动过程中设矢量Vz,b1与Vz,c0的作用占空比分别为dz,b1、与1-dz,b1。考虑无刷直流电机以恒定制动力矩减速，则有I*＝-I<0。由式(3)与式(4)可知，为了实现制动转矩控制，不同矢量共同作用下应该满足以下关系：
dz,b1ub+(dz,b1-1)usc＝2RsI-2E (5)
每个控制周期内超级电容输出电流平均值为Isc＝(dz,b1-1)I<0。因此，采用上述控制方式，设计的混合储能单元能使超级电容在电机制动减速模式下存储能量。
四、加速运行模式下的功率分担控制
为了实现快速起动，电机在加速过程中一般需要输出较大转矩，设Ibat,max为蓄电池最大输出电流，若此时电机相电流I*＝I>Ibat,max。为了将蓄电池输出电流限制在Ibat,max以内，基于设计的混合储能单元，将使用超级电容辅助蓄电池为电机供电。
在加速运行模式下，逆变器采用ON_PWM调制方式，当电机转子位于I、III、V扇区时，p相的上桥臂功率管SpH恒通，n相的下桥臂功率管SnL斩波；当位于II、IV、VI扇区时，p相的上桥臂功率管SpH斩波，n相的下桥臂功率管SnL恒通。以I、III、V扇区为例分析：
当逆变器功率管SpH和SnL导通时，电机吸收能量。结合混合储能单元存在的三种输出方式，可以得到单独使用蓄电池供电时的矢量Vm,b1、单独使用超级电容供电时的矢量Vm,c1、以及电池和超级电容串联供电时的矢量Vm,s1。图6a、6b和6c分别示出了矢量Vm,b1、矢量Vm,c1和矢量Vm,s1作用下的等效电路。
当逆变器功率管SpH导通，SnL关闭时，电机不吸收能量，相电流通过DnH和SpH续流。由于续流路径与混合储能单元输出方式无关，因此不论混合储能单元中功率管的开关状态如何，均将相对应的电压矢量定义为矢量Vm,0。图6d示出了矢量Vm,0作用下的等效电路。
不同矢量作用下电机导通两相线电压为：
Figure GDA0002677831950000091
设每个控制周期内有效矢量Vm,b1、Vm,c1、Vm,s1的作用占空比分别为dm,b1、dm,c1及dm,s1。由于蓄电池在Vm,b1或Vm,s1作用时输出电流，超级电容在Vm,s1或Vm,c1作用时输出电流，因此每个控制周期内蓄电池输出电流平均值Ibat＝(dm,b1+dm,s1)I，超级电容输出电流平均值为Isc＝(dm,s1+dm,c1)I。下面根据电机的运行工况设计不同矢量的作用组合，从而实现超级电容辅助蓄电池为电机供电，限制加速过程中蓄电池的输出电流。
根据式(6)和式(3)可知，为了满足电机正常工作所需线电压，各矢量作用的占空比应满足：
upn＝(dm,b1+dm,s1)ub+(dm,s1+dm,c1)usc＝2E+2RsI (7)
为了将Ibat限幅于电池最大输出电流Ibat,max以内，式(7)中的矢量占空比应满足如下约束条件：
Figure GDA0002677831950000092
由式(7)可知，电机所需的线电压upn与电机转速和电流有关，根据upn的取值范围，矢量Vm,0始终存在，而式(7)中矢量Vm,b1、Vm,c1和Vm,s1作用的占空比按照以下三种情况进行分别计算：
1)当upn较小时，仅使用矢量Vm,b1，即dm,s1＝dm,c1＝0，代入式(7)可得
upn＝dm,b1ub＝2E+2RsI (9)
根据式(9)计算Vm,b1的占空比dm,b1，进一步考虑式(8)所示约束条件，应有dm,b1≤dmax。因此，在满足upn≤dmaxub的条件时，仅使用矢量Vm,b1即可保证Ibat≤Ibat,max。
2)当upn>dmaxub时，使用矢量Vm,b1和矢量Vm,s1，即dm,c1＝0。为了尽可能充分地利用蓄电池可输出的电流，根据式(8)给出的约束条件，取边界值(dm,b1+dm,s1)＝dmax，此时式(7)可改写为
upn＝dmaxub+dm,s1usc＝2E+2RsI (10)
根据式(10)计算Vm,s1的占空比dm,s1，进一步考虑式(8)约束条件，需要满足dm,s1≤dmax。因此，在满足upn≤dmax(ub+usc)的条件时，使用矢量Vm,b1和矢量Vm,s1即可保证Ibat≤Ibat,max。
3)当upn>dmax(ub+usc)时，使用矢量Vm,s1和矢量Vm,c1，即dm,b1＝0，为了尽可能充分地利用蓄电池可输出的电流，根据式(8)给出的约束条件，取边界值(dm,b1+dm,s1)＝dmax，从而保证Ibat≤Ibat,max。考虑dm,b1＝0，这一边界值可表示为dm,s1＝dmax，此时式(7)可改写为
upn＝dmaxub+(dmax+dm,c1)usc (11)
然后根据式(11)计算矢量Vm,c1的占空比dm,c1。
综上所述，在加速过程电机相电流I>Ibat,max时，通过设计不同的矢量组合，可将蓄电池输出电流限制在Ibat,max以内，各矢量作用占空比需要根据不同的upn区间进行计算。
四、恒速运行模式下的换相转矩波动抑制
当电机在恒速模式下运行时，相电流0≤I≤Ibat,max，可以通过图3a所示的储能单元输出方式1使蓄电池单独为电机供电。此外，在无刷直流电机的换相过程，还可以通过串联超级电容与蓄电池实现高电压输出，从而为无刷直流电机提供换相时刻需要的高输入电压，进一步拓展混合储能单元的功能。
在无刷直流电机进行电流换相的过程中，由于绕组电感的存在电流无法突变，三相绕组均有电流流过，此阶段称作换相区。三相绕组在换相区可定义为：开通相x，非换相相y及关断相z(x,y,z∈{a,b,c})。
换相区内电机的三相绕组端电压方程表示为：
Figure GDA0002677831950000101
换相区内电磁转矩Te表示为：
Figure GDA0002677831950000102
以I、III、V扇区初始阶段进行正导通相电流换相的时刻为例分析，此时x对应正导通相p，y对应负导通相n，z对应非导通相o，即x＝p，y＝n，z＝o。因换相时间较短，忽略关断相反电势变化，即ex＝-ey＝ez＝E，因定子绕组为星形连接，相电流满足ix+iy+iz＝0。代入式(13)获得：
Figure GDA0002677831950000111
因此，维持非换相相电流平稳即可抑制换相转矩波动，据式(12)推得iy在一个控制周期内的平均变化率：
Figure GDA0002677831950000112
由于进行正导通相电流换相时，非换相相y对应负导通相n，所以iy＝in＝-ip＝-I。令式(15)为零以维持非换相相电流平稳，推得三相绕组端电压需满足：
ux+uz-2uy＝4E+3RsI (16)
在换相区，同样对逆变器使用ON_PWM调制方式，开通相的上桥臂功率管SxH恒通，非换相相的下桥臂功率管SyL斩波。为了提供抑制换相转矩波动所需要的高输入电压，在换相阶段采用混合储能单元的输出方式3，即通过超级电容和蓄电池串联供电。下面采用矢量Vm,s1和矢量Vm,0共同作用来抑制换相转矩波动。图7a示出了矢量Vm,s1作用下的等效电路，此时ux＝ub+usc，uy＝0；图7b示出了矢量Vm,0作用下的等效电路，且ux＝ub+usc，uy＝ub+usc。由于电流在换相过程不能突变，因此关断相电流ix通过下桥臂二极管DzL进行续流，此时uz＝0。
换相区，设矢量Vm,s1作用的占空比为d，则三相绕组端电压平均值为：
Figure GDA0002677831950000113
将式(17)代入式(16)，可得维持非换相相电流平稳时的占空比为d为：
Figure GDA0002677831950000114
综上所述，本发明实施例通过上述步骤可以实现无刷直流电机在制动减速模式下的能量回收控制、加速运行模式下的功率分担控制、以及恒速运行模式下的换相转矩波动抑制，满足了实际应用中的多种需要。
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 (4)

1.一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法，其特征在于：方法包括如下步骤：
1)采用蓄电池、电解电容C、双向功率开关管、第一功率MOS管、第二功率MOS管、超级电容SC设计构建了一个混合储能单元，第一功率MOS管和第二功率MOS管串联后和电解电容C一起并联到蓄电池的两端，第一功率MOS管的漏极连接到蓄电池的正极，双向功率开关管和超级电容SC串联后并联到第一功率MOS管的两端；第二功率MOS管和蓄电池的负极之间引出作为混合储能单元输出的负极端，双向功率开关管和超级电容SC的正极之间引出作为混合储能单元输出的正极端，混合储能单元输出的两端连接至三相逆变器的输入两端，三相逆变器的输出端连接无刷直流电机的三相绕组；
2)当电机处于制动状态时，
根据混合储能单元和三相逆变器中功率管的开关状态对无刷直流电机输入线电压的作用构建两种制动矢量，通过两种制动矢量的共同作用，实现制动转矩控制的同时将制动能量回馈至超级电容SC；
所述步骤2)具体为：
2.1)构建两种制动矢量是：当混合储能单元中的双向功率开关管导通，且三相逆变器中处于无刷直流电机正向导通相上的下桥臂功率管和处于无刷直流电机负向导通相上的上桥臂功率管导通，且混合储能单元和三相逆变器中的其余功率管均关断时，形成的电压矢量作为制动第一矢量Vz,b1；当混合储能单元中第二功率MOS管导通，且混合储能单元和三相逆变器中的其余功率管均关断时，形成的电压矢量作为制动第二矢量Vz,c0；
2.2)两种矢量的共同作用满足如下关系：
dz,b1ub+(dz,b1-1)usc＝2RsI-2E
其中，dz,b1为制动第一矢量Vz,b1作用的占空比，ub为蓄电池电压，且蓄电池电压的大小等于无刷直流电机额定电压uN，usc为超级电容电压，Rs和E分别为无刷直流电机的相电阻和相反电势，I为无刷直流电机的相电流幅值；
3)当电机处于电动状态时，
根据混合储能单元和三相逆变器中功率管的开关状态对电机输入线电压的作用构建四种电动矢量：
当电机处于电动加速运行时，通过其中不同电动矢量的共同作用实现蓄电池和超级电容功率分担控制，
当电机处于电动恒速运行时，通过其中不同电动矢量的共同作用实现换相阶段的转矩波动抑制；
所述步骤3)具体为：
3.1)构建四种电动矢量是：
当混合储能单元中双向功率开关管导通，且三相逆变器中处于无刷直流电机正向导通相上的上桥臂功率管和处于无刷直流电机负向导通相上的下桥臂功率管导通，其余功率管关断时，形成的电压矢量作为电动第一矢量Vm,b1；
当混合储能单元中第二功率MOS管导通，且三相逆变器中处于无刷直流电机正向导通相上的上桥臂功率管和处于无刷直流电机负向导通相上的下桥臂功率管导通，且混合储能单元和三相逆变器中的其余功率管均关断时，形成的电压矢量作为电动第二矢量Vm,c1；
当混合储能单元中第一功率MOS管导通，且三相逆变器中处于无刷直流电机正向导通相上的上桥臂功率管和处于无刷直流电机负向导通相上的下桥臂功率管导通，且混合储能单元和三相逆变器中的其余功率管均关断时，形成的电压矢量作为电动第三矢量Vm,s1；
当三相逆变器中只有处于无刷直流电机正向导通相上的上桥臂功率管导通或者只有处于无刷直流电机负向导通相上的下桥臂功率管导通，且三相逆变器中其余功率管关断时，不论混合储能单元中功率管的开关状态如何，形成的电压矢量作为电动第四矢量Vm,0；
3.2)电机加速运行时，不同矢量的共同作用满足如下关系：
当无刷直流电机正向导通相和负向导通相之间的线电压upn≤dmaxub时，采用电动第一矢量Vm,b1和电动第四矢量Vm,0共同作用且满足：
upn＝dm,b1ub＝2E+2RsI
其中，dmax为加速过程中限制蓄电池输出电流大小的约束占空比，且dmax＝Ibat,max/I，Ibat,max为蓄电池最大输出电流，ub为蓄电池电压，且蓄电池电压的大小等于无刷直流电机额定电压uN，dm,b1为电动第一矢量Vm,b1的占空比，Rs和E分别为无刷直流电机的相电阻和相反电势，I为无刷直流电机的相电流幅值；
当upn>dmaxub时，采用电动第一矢量Vm,b1、电动第三矢量Vm,s1和电动第四矢量Vm,0共同作用且满足：
upn＝dmaxub+dm,s1usc＝2E+2RsI
其中，dm,s1为电动第三矢量Vm,s1的占空比，usc为超级电容电压；
当upn>dmax(ub+usc)时，采用电动第三矢量Vm,s1、电动第二矢量Vm,c1和电动第四矢量Vm,0共同作用且满足：
upn＝dmaxub+(dmax+dm,c1)usc
其中，dm,c1为电动第二矢量Vm,c1的占空比；
3.3)电机恒速运行时，在换相阶段采用电动第三矢量Vm,s1和电动第四矢量Vm,0共同作用且满足：
2dm,s1(ub+usc)＝4E+3RsI+ub+usc。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法，其特征在于：
所述的混合储能单元输出的正极端连接至三相逆变器直流母线的正端，混合储能单元输出的负极端连接至三相逆变器直流母线的负端。
3.根据权利要求1所述的一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法，其特征在于：
所述的双向功率开关管是由两个MOS管反向串联构成。
4.根据权利要求1所述的一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法，其特征在于：
所述的三相逆变器包括三路并联的MOS管组，每组MOS管组是由两个同向串联的MOS管，每组MOS管组的两个MOS管之间引出连接到无刷直流电机的一相。
CN201910950685.9A 2019-10-08 2019-10-08 一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法 Active CN110677080B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910950685.9A CN110677080B (zh) 2019-10-08 2019-10-08 一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法
US17/270,040 US11394328B2 (en) 2019-10-08 2020-02-24 Control method of brushless DC motor system based on hybrid energy storage unit
PCT/CN2020/076338 WO2021068446A1 (zh) 2019-10-08 2020-02-24 一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910950685.9A CN110677080B (zh) 2019-10-08 2019-10-08 一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110677080A CN110677080A (zh) 2020-01-10
CN110677080B true CN110677080B (zh) 2021-01-26

Family

ID=69080909

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910950685.9A Active CN110677080B (zh) 2019-10-08 2019-10-08 一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11394328B2 (zh)
CN (1) CN110677080B (zh)
WO (1) WO2021068446A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110677080B (zh) * 2019-10-08 2021-01-26 浙江大学 一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001300181A (ja) * 2000-04-27 2001-10-30 Sharp Corp インバータ洗濯機
US9809119B2 (en) * 2015-01-13 2017-11-07 General Electric Company Bi-directional DC-DC power converter for a vehicle system
US10432130B2 (en) * 2017-11-28 2019-10-01 GM Global Technology Operations LLC Electric powertrain and a method of operating the same
CN108233819A (zh) * 2018-01-26 2018-06-29 安徽理工大学 矿用蓄电池电机车车载充电及驱动一体化电路结构
CN209120094U (zh) * 2019-01-08 2019-07-16 中纺机电研究所有限公司 调速电机驱动器的供电电源
CN110176890B (zh) * 2019-05-06 2020-10-27 浙江大学 基于无感混合储能系统的无刷直流电机制动转矩控制方法
CN110677080B (zh) * 2019-10-08 2021-01-26 浙江大学 一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110677080A (zh) 2020-01-10
US20220131489A1 (en) 2022-04-28
WO2021068446A1 (zh) 2021-04-15
US11394328B2 (en) 2022-07-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8884564B2 (en) Voltage converter and voltage converter system including voltage converter
US10562404B1 (en) Integrated onboard chargers for plug-in electric vehicles
WO2022156387A1 (zh) 一种充电系统及电动汽车
US6370050B1 (en) Isolated and soft-switched power converter
CN102593928A (zh) 用于形成充电电路的方法及设备
JP2014003858A (ja) 電源装置
JP5394677B2 (ja) 充電システムおよびそれを備えた車両
CN110176890B (zh) 基于无感混合储能系统的无刷直流电机制动转矩控制方法
JPWO2014083980A1 (ja) 電力変換システム及びその制御方法
EP3857693A1 (en) System and method for a magnetically coupled inductor boost and multiphase buck converter with split duty cycle
JP2010051092A (ja) 充電システムおよびそれを備えた車両
WO2018117084A1 (ja) 電力変換装置
Guntuk et al. A novel 4-level converter for switched reluctance motor drive in plug-in HEVs
CN113676110B (zh) 电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统前级解耦控制方法
US9490710B2 (en) Power supply device for supplying power to a load by combining a secondary battery and a capacitor
CN110677080B (zh) 一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法
JP2004336836A (ja) モータ駆動装置
Akiyama et al. A novel charging control for D-EPC with DC power sources connected in series
JP2011259571A (ja) モータ駆動装置
Feng et al. An integrated BLIL boost converter-based switched reluctance motor drive for PEV applications with PFC charging function
Shah et al. Integrated power converter with G2V and V2G capabilities for 4-phase SRM drive based EV application
Meng et al. Development of switched reluctance motor drives with power factor correction charging function for electric vehicle application
CN215904328U (zh) 一种充电系统及电动汽车
CN114475362A (zh) 电动车辆及其驱动控制系统
CN110341503B (zh) 一种集成化插电式混合动力汽车开关磁阻电机驱动系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant