CN112134506A - 一种电动汽车电机控制器能量变换系统及其控制方法 - Google Patents

一种电动汽车电机控制器能量变换系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车电机控制器能量变换系统及控制方法，该系统包括DC/DC变换器和逆变器，在DC/DC变换器和逆变器之间是直流母线，所述DC/DC变换器配置有DC/DC变换器控制系统；该控制系统包括直流母线给定发生器和直流母线给定电压限幅模块，用于控制产生直流母线电压给定值；具体是将采集的电机实时工作转速与高、低门限值进行比较，根据比较结果，DC/DC变换器对直流母线给定电压值进行调整，在调整过程中，有利于减小电机控制器系统损耗，提升系统效率。因此，本发明可实现电池电压的提升并稳定直流母线电压，能够解决电池电压偏低和不稳定的问题，有利于提升电机转矩输出能力，提升电动汽车的动力性能。

Description

一种电动汽车电机控制器能量变换系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车和电力电子变换领域，具体的是一种电动汽车电机控制器能量变换系统及其控制方法。
背景技术
电动汽车采用电能作为动力，相比传统燃油车具有节能、环保等优点。目前国内外都正在大力发展和推广电动汽车。电动汽车电的驱动系统中包含电池、电机和电机控制器三大核心部件，其中电池用于储存电能，电机控制器通过电能变换控制电机将电池输出的电能转换为机械能，从而驱动汽车行驶。
电机控制器一般采用功率电力电子器件作为功率开关，实现将电池直流电变换为交流电驱动电机。目前电机控制器主要采用三相逆变器单级能量变换拓扑结构，该拓扑方案成本较低、控制简单，但是当电池电压较低并且电机转速较高时，电机控制器需要输出非常大的弱磁电流控制电机弱磁，这不但会导致电机控制器效率降低，还会使电机动力输出减弱，严重影响汽车动力性能。对于燃料电池电动汽车，由于燃料电池输出电压随输出功率的增大显著降低，如果电机控制器采用单级三相逆变器拓扑，在电动汽车需要大动力输出时由于电池电压过低限制了电机的转矩输出，电动汽车将不能实现高速运行。
发明内容
为了解决电池电压偏低和电机转速较高导致的动力系统动力减弱和效率降低的问题，本发明提出一种电动汽车电机控制器能量变换系统及其控制方法，通过在逆变器前增加一级DC/DC变换器实现电池电压的提升与稳定，为了进一步提升系统效率，提出了一种根据电机转速改变直流电压的控制策略。
为实现上述技术效果，本申请的技术方案如下：
一种电动汽车电机控制器能量变换系统，其特征在于，包括DC/DC变换器和逆变器，在DC/DC变换器和逆变器之间是直流母线，所述DC/DC变换器配置有DC/DC变换器控制系统；所述DC/DC变换器控制系统包括直流母线给定发生器和直流母线给定电压限幅模块，用于控制产生直流母线电压给定值；
所述直流母线给定电压发生器用于根据电机转速ωr计算直流母线给定电压初始值；
所述直流母线给定电压限幅模块用于对输出直流母线给定电压值进行限幅。
适用于该系统的DC/DC变换器和逆变器可以根据电动汽车系统参数选择不同的拓扑结构。
进一步的，所述DC/DC变换器可以是Buck-Boost拓扑结构，其中可以是单相Buck-Boost拓扑结构、两相或两相以上交错并联Buck-Boost拓扑结构、单相或多相三电平Buck-Boost拓扑结构或其他双向DC/DC拓扑结构。
进一步的，所述逆变器根据电机相数可以是三相，也可以是六相或其他相数。逆变器的拓扑结构可以是两电平全桥逆变器也可以是三电平逆变器或者五电平拓扑结构。
针对上述电动汽车电机控制器能量变换系统的控制方法，具体的控制步骤为：
(1)初始化：将电机实时工作转速ωr作为直流母线给定电压发生器的输入，直流母线给定电压发生器根据电机实时工作转速ωr计算直流母线给定电压初始值，直流母线给定电压初始值作为直流母线给定电压发生器的输出，直流母线给定电压发生器的输出经过直流母线给定电压限幅模块得到直流母线给定电压值Udc_ref。
(2)判断比较：采集电机实时工作转速，将采集到的电机的实时工作转速与门限值比较，其中电机转速的门限值包括低门限值ω1和高门限值ω2；
针对不同的电机实时工作转速，通过DC/DC变换器调整直流母线给定电压值，具体控制步骤为：
当电机实时工作转速低于低门限值ω1时，DC/DC变换器将直流母线给定电压值设定为电池实际电压；
当电机实时工作转速介于低门限值ω1和高门限值ω2之间时，所述直流母线给定电压初始值随着电机实时工作转速升高而增大；由于电池电压是波动的，电机转速的低门限值ω1随着电池电压的升高而升高；当电机实时工作转速介于低门限值ω1和高门限值ω2之间时，直流母线给定电压值随电机实时工作转速升高而增大；
当电机实时工作转速高于高门限值ω2时，DC/DC变换器将直流母线给定电压值调整为直流母线最高运行电压。
上述判断比较步骤中，所述低门限值ω1和高门限值ω2是参考电机控制器中功率开关器件的耐压、电机的参数以及经验确定进行预先设定的。
在上述控制过程中，所述直流母线给定电压限幅模块对直流母线给定电压初始值进行限幅，最小限幅值为电池输出电压，最大限幅值根据电机控制器功率器件耐压水平确定，最大限幅值低于功率器件最高耐压并留有足够的安全余量。
所述直流母线电压由电池电压、电机转速以及电机控制器功率器件耐压水平综合确定。
进一步的，所述直流母线给定电压初始值随着电机实时工作转速升高而增大。由于电池电压是波动的，电机转速的低门限值ω1随着电池电压的升高而升高；当电机实时工作转速介于低门限值ω1和高门限值ω2之间时，直流母线给定电压值随电机实时工作转速升高而增大。同样，电机转速的低门限值ω1随着电池电压的降低而降低；当电机实时工作转速介于低门限值ω1和高门限值ω2之间时，直流母线给定电压值随电机实时工作转速降低而减小。
进一步的，所述DC/DC变换器采用两相交错并联Buck-Boost拓扑结构，包括控制功率开关S1、S2、S3、S4，通过控制四个控制功率开关实现对直流母线给定电压值的调整。
进一步的，或者所述DC/DC变换器采用双向三电平Buck-Boost拓扑结构，包括控制功率开关S1、S2、S3、S4，通过控制四个控制功率开关实现对直流母线给定电压值的调整。
本发明的有益效果如下：
本发明通过DC/DC变换器可以实现电池电压的提升并稳定直流母线电压，能够解决电池电压偏低和不稳定的问题，有利于提升电机转矩输出能力，提升电动汽车的动力性能；利用DC/DC变换器控制直流母线电压随电机转速升高而升高，当电机转速较低时，直流电压也较低，有利于减小电机控制器系统损耗，提升系统效率；当电机转速较高时，控制直流母线电压随转速上升而升高，有利于减小逆变器弱磁电流分量，使电机保持更高的转矩输出能力，提升动力性能；弱磁电流减小会带来控制器和电机损耗的减少，使系统效率提升。
附图说明
图1是电动汽车电机控制器能量变换系统的结构原理图。
图2是电机控制器能量变换系统直流给定电压值计算示意图。
图3是本发明中直流母线给定电压值发生器的电压生成环节示意图。
图4是实施例1中电动汽车电机控制器能量变换系统的拓扑结构图。
图5是实施例2中电动汽车电机控制器能量变换系统的拓扑结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1是下述实施例中涉及的电动汽车电机控制器能量变换系统的结构原理图，电动汽车电机控制器能量变换系统包括DC/DC变换器和逆变器两级能量变换单元。DC/DC变换器的输出和逆变器的输入共用直流母线，DC/DC变换器的输入端与电池正负两极连接，逆变器的输出端与电机连接。DC/DC变换器和逆变器可以根据电动汽车系统参数选择不同的拓扑结构。DC/DC变换器可以是单相Buck-Boost拓扑结构、两相或两相以上交错并联Buck-Boost拓扑结构、单相或多相三电平Buck-Boost拓扑结构或其他双向DC/DC拓扑结构。逆变器根据电机相数可以是三相逆变器，也可以是六相或其他相数的逆变器。逆变器的拓扑结构可以是两电平全桥逆变器也可以是三电平逆变器或者五电平拓扑结构。
图2是下述实施例中涉及的电机控制器能量变换系统直流给定电压值计算原理图，直流母线给定电压发生器先根据电机转速ωr计算直流母线给定电压初始值，再经过直流母线给定电压限幅模块最终得到直流母线给定电压值Udc_ref。
图3所示是下述实施例中，涉及的直流母线给定电压值发生器的生成环节示意图。横轴是电机转速，纵坐标是直流母线给定电压值。当电机转速低于门限值ω1时，直流母线给定电压值设定为电池实际电压；当电机转速高于门限值ω2时，直流母线给定电压值设定为直流母线最高运行电压。由于电池电压是波动的，电机转速门限ω1随着电池电压的升高而升高。当电机转速介于门限值ω1和ω2之间时，直流母线给定电压值随电机转速升高而增大。直流母线给定电压值发生器的生成环节主要包括图3中几种形式。
实施例1
电动汽车电机控制器能量变换系统的前级DC/DC变换器采用两相交错并联Buck-Boost拓扑结构，后级逆变器采用两电平三相全桥逆变器结构，包括控制功率开关S1、S2、S3、S4，通过控制四个控制功率开关实现对直流母线给定电压值的调整。两相交错并联Buck-Boost提升电池电压，稳定直流母线电压，两电平三相全桥逆变器实现电机控制。
具体的，如图4所示：
当电机实时工作转速较低并且电机转矩输出较低时，控制功率开关S2、S4常闭且S1、S3常开，直流母线给定电压值设定为电池电压；这样，直流母线电压与电池实际电压只相差一个功率器件导通压降，由于功率开关S1、S2、S3、S4均不开关动作，有利于降低损耗，提升变换器效率。
当电机实时工作转速较高或电机转矩输出较高时，通过控制系统采用脉宽调制(PWM)方式控制功率开关S1、S3和S2、S4开关动作实现将电池电压提升到设定的直流母线电压。
两相交错并联Buck-Boost控制直流母线电压值随着电机转速增大而提升，当电机转速较低并且电机转矩输出较低时，直流母线给定电压值设定为电池电压，这时控制功率开关S2、S4常闭，S1、S3常开，这样直流母线电压与电池电压只相差一个功率器件导通压降，由于功率开关不开关动作，有利于降低损耗，提升变换器效率。当电机转速上升时，DC/DC变换器控制直流母线电压提升，通过提升直流母线电压可以减少逆变器弱磁电流，有利于提升电机转矩输出能力和降低电机铜损，从而增强动力系统的动力性能并提升系统效率。
实施例2
电动汽车电机控制器能量变换系统的前级DC/DC变换器采用双向三电平Buck-Boost拓扑结构，后级逆变器采用二极管钳位三电平全桥逆变器拓扑结构，包括控制功率开关S1、S2、S3、S4，通过控制四个控制功率开关实现对直流母线给定电压值的调整。双向三电平Buck-Boost提升电池电压，控制直流母线电压稳定，二极管钳位三电平全桥逆变器实现电机控制。
具体的，如图5所示：
当电机转速较低并且电机转矩输出较低时，控制功率开关S2、S3常闭且S1、S4常开，直流母线给定电压值设定为电池电压，这时这样直流母线电压与电池电压只相差两个功率器件导通压降，由于功率开关S1、S2、S3、S4均不开关动作，有利于降低损耗，提升变换器效率。
当电机实时工作转速较高或电机转矩输出较高时，通过控制系统采用脉宽调制(PWM)方式控制功率开关S1、S3和S2、S4开关动作实现将电池电压提升到设定的直流母线电压。
双向三电平Buck-Boost控制直流母线电压值随着电机转速增大而提升，当电机转速较低并且电机转矩输出较低时，直流母线给定电压值设定为电池电压，这时控制功率开关S2、S3常闭，S1、S4常开，这样直流母线电压与电池电压只相差两个功率器件导通压降，由于功率开关不开关动作，有利于降低损耗，提升变换器效率。当电机转速上升时，双向三电平Buck-Boost控制直流母线电压提升，通过提升直流母线电压可以减少逆变器弱磁电流，有利于提升电机转矩输出能力和降低电机铜损，从而增强动力系统的动力性能并提升系统效率。

Claims (12)

1.一种电动汽车电机控制器能量变换系统，其特征在于，包括DC/DC变换器和逆变器，在DC/DC变换器和逆变器之间是直流母线，所述DC/DC变换器配置有DC/DC变换器控制系统；所述DC/DC变换器控制系统包括直流母线给定发生器和直流母线给定电压限幅模块，用于控制产生直流母线电压给定值；所述直流母线给定电压发生器用于根据电机转速ωr计算直流母线给定电压初始值；所述直流母线给定电压限幅模块用于输出直流母线给定电压值。
2.根据权利要求1所述的电动汽车电机控制器能量变换系统，其特征在于：适用于所述电动汽车电机控制器能量变换系统的DC/DC变换器和逆变器是根据电动汽车系统参数选择不同的拓扑结构。
3.根据权利要求1所述的电动汽车电机控制器能量变换系统，其特征在于：所述DC/DC变换器为Buck-Boost拓扑结构。
4.根据权利要求1所述的电动汽车电机控制器能量变换系统，其特征在于：所述逆变器根据电机相数为三相，或六相，或其他相数。
5.基于权利要求1-4任意一项所述的电动汽车电机控制器能量变换系统实现的控制方法，其特征在于，包括以下控制步骤：
初始化步骤，将电机实时工作转速ωr作为直流母线给定电压发生器的输入信号，所述直流母线给定电压发生器根据电机实时工作转速ωr计算直流母线给定电压初始值，并将直流母线给定电压初始值作为直流母线给定电压发生器的输出，所述直流母线给定电压发生器的输出经过直流母线给定电压限幅模块得到直流母线给定电压值Udc_ref；
判断比较步骤，采集电机实时工作转速，将采集到的电机实时工作转速与门限值比较，其中，电机转速的门限值包括低门限值ω1和高门限值ω2；
然后，针对不同的电机实时工作转速，通过DC/DC变换器调整直流母线给定电压值，具体控制步骤为：
当电机实时工作转速低于低门限值ω1时，DC/DC变换器将直流母线给定电压值设定为电池实际电压；
当电机实时工作转速介于低门限值ω1和高门限值ω2之间时，所述直流母线给定电压初始值随着电机实时工作转速升高而增大；由于电池电压是波动的，电机转速的低门限值ω1随着电池电压的升高而升高；当电机实时工作转速介于低门限值ω1和高门限值ω2之间时，直流母线给定电压值随电机实时工作转速升高而增大；
当电机实时工作转速高于高门限值ω2时，DC/DC变换器将直流母线给定电压值调整为直流母线最高运行电压。
6.根据权利要求5所述的电动汽车电机控制器能量变换控制方法，其特征在于：所述直流母线给定电压限幅模块对直流母线给定电压初始值进行限幅，最小限幅值为电池输出电压，最大限幅值根据电机控制器功率器件耐压水平确定，最大限幅值低于功率器件最高耐压。
7.根据权利要求5所述的电动汽车电机控制器能量变换控制方法，其特征在于：所述直流母线给定电压值由电池电压、电机实时工作转速以及电机控制器功率器件耐压水平综合确定。
8.根据权利要求5所述的电动汽车电机控制器能量变换控制方法，其特征在于：所述直流母线给定电压初始值随着电机实时工作转速升高而增大。
9.根据权利要求5所述的电动汽车电机控制器能量变换控制方法，其特征在于：由于电池电压是波动的，电机转速的低门限值ω1随着电池电压的升高而升高；当电机实时工作转速介于低门限值ω1和高门限值ω2之间时，直流母线给定电压值随电机实时工作转速升高而增大。
10.根据权利要求5所述的电动汽车电机控制器能量变换控制方法，其特征在于：由于电池电压是波动的，电机转速的低门限值ω1随着电池电压的降低而降低；当电机实时工作转速介于低门限值ω1和高门限值ω2之间时，直流母线给定电压值随电机实时工作转速降低而减小。
11.根据权利要求5所述的电动汽车电机控制器能量变换控制方法，其特征在于：所述DC/DC变换器采用两相交错并联Buck-Boost拓扑结构，包括控制功率开关S1、S2、S3、S4，通过控制四个控制功率开关实现对直流母线给定电压值的调整；其中，当电机实时工作转速较低并且电机转矩输出较低时，控制两个功率开关S2、S4常闭且控制两个功率开关S1、S3常开，直流母线给定电压值设定为电池电压。
12.根据权利要求5所述的电动汽车电机控制器能量变换控制方法，其特征在于：所述DC/DC变换器采用双向三电平Buck-Boost拓扑结构，包括控制功率开关S1、S2、S3、S4，通过控制四个控制功率开关实现对直流母线给定电压值的调整；其中，当电机转速较低并且电机转矩输出较低时，控制两个功率开关S2、S3常闭且控制两个功率开关S1、S4常开，直流母线给定电压值设定为电池电压。
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