CN112787390B - 电动汽车驱动与充电一体化电路及其转矩消除控制方法 - Google Patents

电动汽车驱动与充电一体化电路及其转矩消除控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车驱动与充电一体化电路及其转矩消除控制方法，包括动力电池、双向DC/DC变换器、四桥臂DC/AC变换器、三相电机、辅助电感、第一转换触点开关、第二转换触点开关、第一单触点开关、第二单触点开关、交流接口和控制单元；该电路只增加一个辅助电感实现三相输入充电，具有电机驱动控制简单，无需重新设计电机，功率密度高的优点。本发明还提出该电路的转矩消除控制方法，通过桥臂并联控制实现充电时的电机转矩消除，辅助电感的感值不需与电机定子绕组等效电感设计成一致，具有鲁棒性强的优点。

Description

电动汽车驱动与充电一体化电路及其转矩消除控制方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车充电的技术领域，尤其是指一种电动汽车驱动与充电一体化电路及其转矩消除控制方法。
背景技术
业内习知，由于动力电池续航时间有限，电动汽车的发展离不开电池充电系统。但目前车外大功率充电桩依赖场地、建设成本高，而车内充电器受空间、重量的限制，功率较低。另一方面，目前电动汽车驱动系统的功率越来越高。有学者提出将电机驱动系统的逆变器复用为电池充电系统的整流器、将电机绕组复用为充电滤波电感，构造驱动与充电一体化电路，大幅度减少车载充电机的体积、重量和成本，从而大大提高车载充电器的功率等级和功率密度。
为保持电动汽车静止充电，将电机绕组复用为充电滤波电感时需解决电机绕组的转矩消除问题，现有方案主要有三种：(1)采用多相电机，该方案电机成本高，且驱动控制复杂；(2)采用分裂式绕组，该方案需从绕组中间引出线，需重新设计电机结构，对电机驱动的性能产生影响；(3)外接三相或两相电感，该方案对电机驱动影响较小，但集成度不高，功率密度待提升。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种控制简单可靠、不修改电机结构且功率密度更高的电动汽车驱动与充电一体化电路及其转矩消除控制方法。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：电动汽车驱动与充电一体化电路，包括动力电池、双向DC/DC变换器、四桥臂DC/AC变换器、三相电机、辅助电感、第一转换触点开关、第二转换触点开关、第一单触点开关、第二单触点开关、交流接口和控制单元；
所述四桥臂DC/AC变换器的四个桥臂分别为第一、二、三、四桥臂，每个桥臂包含两个开关管；所述三相电机包含三个定子绕组，分别为第一、二、三定子绕组，每个定子绕组均有两个接线端子；所述第一转换触点开关包含一个公共触点和两个转换触点，分别为第一、二触点；所述第二转换触点开关包含一个公共触点和两个转换触点，分别为第三、四触点；所述交流接口有三个接线端子，分别为第一、二、三接线端子；
所述双向DC/DC变换器的低压侧正、负极分别与动力电池的正、负极相连接，所述双向DC/DC变换器的高压侧正、负极分别与四桥臂DC/AC变换器的正、负极相连接；
所述四桥臂DC/AC变换器的第一桥臂中点分别与第一转换触点开关的公共触点及第二转换触点开关的第三触点相连接，所述四桥臂DC/AC变换器的第二桥臂中点分别与第一转换触点开关的第一触点及辅助电感的一端相连接；
所述三相电机的第一定子绕组的两端分别与第二转换触点开关的公共触点和第一转换触点开关的第二触点相连接，所述三相电机的第二定子绕组的两端分别与四桥臂DC/AC变换器的第三桥臂中点和交流接口的第二接线端子相连接，所述三相电机的第三定子绕组的两端分别与四桥臂DC/AC变换器的第四桥臂中点和交流接口的第三接线端子相连接；其中，该三相电机与第一转换触点开关的第二触点及交流接口的第二接线端子、第三接线端子相连接的三个接线端子为一组同名端，该三相电机其余三个接线端子为另一组同名端；
所述第二转换触点开关的第四触点分别与辅助电感的另一端及交流接口的第一接线端子相连接；
所述第一单触点开关的两端分别与第一转换触点开关的第二触点和交流接口的第二接线端子相连接；所述第二单触点开关的两端分别与交流接口的第二接线端子、第三接线端子相连接；
所述交流接口与交流电网相连接；
所述控制单元采样辅助电感的电流i’a，三相电机的三个定子绕组电流ia、ib、ic，交流电网相电压uga、ugb、ugc，四桥臂DC/AC变换器的直流端电压Udc以及三相电机的转速n，并通过控制算法产生四桥臂DC/AC变换器的八个开关管的控制信号S1～S6、S1’、S2’；其中，辅助电感的电流方向为从其一端流向另一端，三相电机的三个定子绕组的电流方向为从一组同名端流向另一组同名端。
进一步，当第一转换触点开关的第一触点和第二转换触点开关的第三触点均闭合，第二触点和第四触点均断开，且第一、二单触点开关均闭合时，电路工作在电机驱动模式；当第一转换触点开关的第一触点和第二转换触点开关的第三触点均断开，第二触点和第四触点均闭合，且第一、二单触点开关均断开时，电路工作在电池充电模式。
进一步，所述四桥臂DC/AC变换器的第一、二桥臂并联使用，其开关管的电流容量为其余桥臂开关管电流容量的一半。
进一步，所述三相电机为绕组两端均引出接线的三相永磁同步电动机或三相感应电动机。
本发明也提供了上述电动汽车驱动与充电一体化电路的转矩消除控制方法，应用在电池充电模式中，包含以下步骤：
1)将四桥臂DC/AC变换器的直流端电压的参考值U* dc与其实际值Udc电压作差后经PI调节器得到电流的幅值参考；交流电网相电压uga,ugb,ugc除以其幅值Um后，与电流的幅值参考相乘得到三个参考电流i* ga、i* gb、i* gc；
2)参考电流i* ga乘以-1/2后作为辅助电感和三相电机的第一绕组参考电流；参考电流i* gb、i* gc分别为三相电机的另两个绕组的参考电流；
3)辅助电感和三相电机的三个绕组的参考电流值与对应的电流采样值i’a、ia、ib、ic作差后经过四个PR调节器，对PR调节器的输出进行SPWM调制，得到驱动信号S1～S6、S1’、S2’控制四桥臂DC/AC变换器的八个开关管，实现转矩消除控制。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、电机驱动控制简单
本发明基于三相电机驱动系统构造集成充电电路，驱动电路保持不变，采用传统的三相电机驱动控制即可，未使用复杂的多相电机，控制简单。
2、无需重新设计电机
本发明使用的三相电机只需将传统三相电机绕组的星型中性点打开，不需修改内部结构，而很多电机出厂时绕组两端已经引出接线，便于进行三角连接，因此本发明无需重新设计电机结构。
3、功率密度高
本发明只需外接一个辅助电感即可实现三相交流快充，且辅助电感流过电流的有效值为电网电流的一半，相比于外接三相或两相电感方案，外接电感体积小，功率密度大大提高。
4、鲁棒性强
本发明分别控制两个桥臂的开关信号来控制辅助电感和与之并联的电机绕组的电流，实现两条支路的均流控制，进而实现电机转矩消除，辅助电感的感值不需跟与其并联的电机绕组的感值一致，鲁棒性强、可靠性高。
附图说明
图1为本发明实施例的电路原理图。
图2为本发明实施例工作在电机驱动模式时的等效电路图。
图3为本发明实施例工作在充电模式时的等效电路及转矩消除方法控制框图。
图4为本发明实施例工作在充电模式时的四桥臂DC/AC变换器直流端电压、动力电池电压及动力电池充电电流图。
图5为本发明实施例工作在充电模式时的三相输入电流以及a相电压图。
图6为本发明实施例工作在充电模式时流过三相电机定子绕组的电流图。
图7为本发明实施例工作在充电模式时三相电机的电磁转矩图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例所提供的电动汽车驱动与充电一体化电路，包括动力电池1、双向DC/DC变换器2、四桥臂DC/AC变换器3、三相电机4、辅助电感5、第一转换触点开关6A、第二转换触点开关6B、第一单触点开关7A、第二单触点开关7B、交流接口8和控制单元9；所述四桥臂DC/AC变换器3的四个桥臂分别为第一、二、三、四桥臂，每个桥臂包含两个开关管；所述三相电机4包含三个定子绕组，分别为第一、二、三定子绕组，每个定子绕组均有两个接线端子；所述第一转换触点开关6A包含一个公共触点和两个转换触点，分别为第一、二触点c1、c2；所述第二转换触点开关6B包含一个公共触点和两个转换触点，分别为第三、四触点d1、d2；所述交流接口8有三个接线端子，分别为第一、二、三接线端子b1、b2、b3；所述双向DC/DC变换器2的低压侧正、负极分别与动力电池1的正、负极相连接，所述双向DC/DC变换器2的高压侧正、负极分别与四桥臂DC/AC变换器3的正、负极相连接；所述四桥臂DC/AC变换器3的第一桥臂中点a1分别与第一转换触点开关6A的公共触点及第二转换触点开关6B的第三触点d1相连接，所述四桥臂DC/AC变换器3的第二桥臂中点a1’分别与第一转换触点开关6A的第一触点c1及辅助电感5的一端相连接；所述三相电机4的第一定子绕组的两端分别与第二转换触点开关6B的公共触点和第一转换触点开关6A的第二触点c2相连接，所述三相电机4的第二定子绕组的两端分别与四桥臂DC/AC变换器3的第三桥臂中点a2和交流接口8的第二接线端子b2相连接，所述三相电机4的第三定子绕组的两端分别与四桥臂DC/AC变换器3的第四桥臂中点a3和交流接口8的第三接线端子b3相连接；其中，该三相电机4与第一转换触点开关6A的第二触点c2及交流接口8的第二接线端子b2、第三接线端子b3相连接的三个接线端子为一组同名端，该三相电机4其余三个接线端子为另一组同名端；所述第二转换触点开关6B的第四触点d2分别与辅助电感5的另一端及交流接口8的第一接线端子b1相连接；所述第一单触点开关7A的两端分别与第一转换触点开关6A的第二触点c2和交流接口8的第二接线端子b2相连接；所述第二单触点开关7B的两端分别与交流接口8的第二接线端子b2、第三接线端子b3相连接；所述交流接口8与交流电网相连接；
所述控制单元9采样辅助电感5的电流i’a，三相电机4的三个定子绕组电流ia、ib、ic，交流电网相电压uga、ugb、ugc，四桥臂DC/AC变换器3的直流端电压Udc以及三相电机4的转速n，并通过控制算法产生四桥臂DC/AC变换器3的八个开关管的控制信号S1～S6、S1’、S2’；其中，辅助电感5的电流方向为从其一端流向另一端，三相电机4的三个定子绕组的电流方向为从一组同名端流向另一组同名端。
当第一转换触点开关6A的第一触点c1和第二转换触点开关6B的第三触点d1均闭合，第二触点c2和第四触点d2均断开，且第一、二单触点开关7A、7B均闭合时，电路工作在电机驱动模式，等效电路如图2所示，其原理与传统三相电机一致，本实施例不再具体分析；当第一转换触点开关6A的第一触点c1和第二转换触点开关6B的第三触点d1均断开，第二触点c2和第四触点d2均闭合，且第一、二单触点开关7A、7B均断开时，电路工作在电池充电模式。
所述四桥臂DC/AC变换器3的第一、二桥臂并联使用，其开关管的电流容量为其余桥臂开关管电流容量的一半。
所述三相电机4为绕组两端均引出接线的三相永磁同步电动机或三相感应电动机。
本实施例也提供了上述电动汽车驱动与充电一体化电路的转矩消除控制方法，应用在电池充电模式中，控制框图如图3所示，包含以下步骤：
1)将四桥臂DC/AC变换器3的直流端电压的参考值U* dc与其实际值Udc电压作差后经PI调节器得到电流的幅值参考；交流电网相电压uga,ugb,ugc除以其幅值Um后，与电流的幅值参考相乘得到三个参考电流i* ga、i* gb、i* gc；
2)参考电流i* ga乘以-1/2后作为辅助电感5和三相电机4的第一绕组参考电流；参考电流i* gb、i* gc分别为三相电机4的另两个绕组的参考电流；
3)辅助电感5和三相电机4的三个绕组的参考电流值与对应的电流采样值i’a、ia、ib、ic作差后经过四个PR调节器，对PR调节器的输出进行SPWM调制，得到驱动信号S1～S6、S1’、S2’控制四桥臂DC/AC变换器3的八个开关管，实现转矩消除控制。
下面我们分析转矩消除原理：
在充电模式中，三相电网电流为：
Figure BDA0002918548760000081
其中，Im为电网电流幅值，ωt为电网电流相位。
由控制方法可得三相电机4的三个定子绕组的电流为：
Figure BDA0002918548760000082
对式(2)进行clark等功率变换，可得：
Figure BDA0002918548760000083
其中，
Figure BDA0002918548760000084
定子绕组电流只有β方向分量，只能产生单方向脉动磁场，无法产生旋转磁场让转子转动，因此电动汽车可以停在固定位置静止充电。以表贴式永磁同步电机为例，其转矩为：
Te＝npψfiq＝npψf(-sinθriα+cosθriβ) (4)
其中，np为转子极对数，ψf为转子磁链，iq为Park变换后的q轴电流，θr为转子d轴与定子d轴的夹角，当θr为π/2时，Te＝0，没有启动转矩产生。
在MATLAB/Simulink中进行仿真测试，结果如图4～图7所示。设置四桥臂DC/AC变换器3的直流端电压为800V，动力电池1的电压为400V，动力电池1的充电电流为100A，从图4可以看出实际四桥臂DC/AC变换器3的直流端电压Udc稳定在800V，动力电池1的电压Ub稳定在400V，动力电池1的充电电流Ib稳定在100A，跟踪效果良好；从图5可以看出电路实现了单位功率因数，且三相电流畸变小；从图6可以看出三相电机4的三个绕组电流的幅值和相位与式(2)理论分析一致；从图7可以看出充电过程中三相电机4的电磁转矩基本为0，实现了转矩消除。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.电动汽车驱动与充电一体化电路，其特征在于：包括动力电池(1)、双向DC/DC变换器(2)、四桥臂DC/AC变换器(3)、三相电机(4)、辅助电感(5)、第一转换触点开关(6A)、第二转换触点开关(6B)、第一单触点开关(7A)、第二单触点开关(7B)、交流接口(8)和控制单元(9)；
所述四桥臂DC/AC变换器(3)的四个桥臂分别为第一、二、三、四桥臂，每个桥臂包含两个开关管；所述三相电机(4)包含三个定子绕组，分别为第一、二、三定子绕组，每个定子绕组均有两个接线端子；所述第一转换触点开关(6A)包含一个公共触点和两个转换触点，分别为第一、二触点(c1)、(c2)；所述第二转换触点开关(6B)包含一个公共触点和两个转换触点，分别为第三、四触点(d1)、(d2)；所述交流接口(8)有三个接线端子，分别为第一、二、三接线端子(b1)、(b2)、(b3)；
所述双向DC/DC变换器(2)的低压侧正、负极分别与动力电池(1)的正、负极相连接，所述双向DC/DC变换器(2)的高压侧正、负极分别与四桥臂DC/AC变换器(3)的正、负极相连接；
所述四桥臂DC/AC变换器(3)的第一桥臂中点(a1)分别与第一转换触点开关(6A)的公共触点及第二转换触点开关(6B)的第三触点(d1)相连接，所述四桥臂DC/AC变换器(3)的第二桥臂中点(a1’)分别与第一转换触点开关(6A)的第一触点(c1)及辅助电感(5)的一端相连接；
所述三相电机(4)的第一定子绕组的两端分别与第二转换触点开关(6B)的公共触点和第一转换触点开关(6A)的第二触点(c2)相连接，所述三相电机(4)的第二定子绕组的两端分别与四桥臂DC/AC变换器(3)的第三桥臂中点(a2)和交流接口(8)的第二接线端子(b2)相连接，所述三相电机(4)的第三定子绕组的两端分别与四桥臂DC/AC变换器(3)的第四桥臂中点(a3)和交流接口(8)的第三接线端子(b3)相连接；其中，该三相电机(4)与第一转换触点开关(6A)的第二触点(c2)及交流接口(8)的第二接线端子(b2)、第三接线端子(b3)相连接的三个接线端子为一组同名端，该三相电机(4)其余三个接线端子为另一组同名端；
所述第二转换触点开关(6B)的第四触点(d2)分别与辅助电感(5)的另一端及交流接口(8)的第一接线端子(b1)相连接；
所述第一单触点开关(7A)的两端分别与第一转换触点开关(6A)的第二触点(c2)和交流接口(8)的第二接线端子(b2)相连接；所述第二单触点开关(7B)的两端分别与交流接口(8)的第二接线端子(b2)、第三接线端子(b3)相连接；
所述交流接口(8)与交流电网相连接；
所述控制单元(9)采样辅助电感(5)的电流i’a，三相电机(4)的三个定子绕组电流ia、ib、ic，交流电网相电压uga、ugb、ugc，四桥臂DC/AC变换器(3)的直流端电压Udc以及三相电机(4)的转速n，并通过控制算法产生四桥臂DC/AC变换器(3)的八个开关管的控制信号S1～S6、S1’、S2’；其中，辅助电感(5)的电流方向为从其一端流向另一端，三相电机(4)的三个定子绕组的电流方向为从一组同名端流向另一组同名端。
2.根据权利要求1所述的电动汽车驱动与充电一体化电路，其特征在于，当第一转换触点开关(6A)的第一触点(c1)和第二转换触点开关(6B)的第三触点(d1)均闭合，第二触点(c2)和第四触点(d2)均断开，且第一、二单触点开关(7A)、(7B)均闭合时，电路工作在电机驱动模式；当第一转换触点开关(6A)的第一触点(c1)和第二转换触点开关(6B)的第三触点(d1)均断开，第二触点(c2)和第四触点(d2)均闭合，且第一、二单触点开关(7A)、(7B)均断开时，电路工作在电池充电模式。
3.根据权利要求1所述的电动汽车驱动与充电一体化电路，其特征在于，所述四桥臂DC/AC变换器(3)的第一、二桥臂并联使用，其开关管的电流容量为其余桥臂开关管电流容量的一半。
4.根据权利要求1所述的电动汽车驱动与充电一体化电路，其特征在于，所述三相电机(4)为绕组两端均引出接线的三相永磁同步电动机或三相感应电动机。
5.权利要求1至4任意一项所述电动汽车驱动与充电一体化电路的转矩消除控制方法，其特征在于，应用在电池充电模式中，包含以下步骤：
1)将四桥臂DC/AC变换器(3)的直流端电压的参考值U* dc与其实际值Udc电压作差后经PI调节器得到电流的幅值参考；交流电网相电压uga,ugb,ugc除以其幅值Um后，与电流的幅值参考相乘得到三个参考电流i* ga、i* gb、i* gc；
2)参考电流i* ga乘以-1/2后作为辅助电感(5)和三相电机(4)的第一绕组参考电流；参考电流i* gb、i* gc分别为三相电机(4)的另两个绕组的参考电流；
3)辅助电感(5)和三相电机(4)的三个绕组的参考电流值与对应的电流采样值i’a、ia、ib、ic作差后经过四个PR调节器，对PR调节器的输出进行SPWM调制，得到驱动信号S1～S6、S1’、S2’控制四桥臂DC/AC变换器(3)的八个开关管，实现转矩消除控制。
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