CN113162385B - 一种基于电机绕组最大铜耗的电动汽车母线电容放电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电机绕组最大铜耗的电动汽车母线电容放电方法，属于母线电容放电方法技术领域。本发明针对车辆在紧急情况时母线电压需要在3s内下降到安全电压的要求，提出一种将永磁同步电机绕组作为泄放电阻的放电方法，根据母线电容放电过程中电流极限圆、电压极限椭圆和功率极限圆的关系，通过将绕组最大铜耗作为约束条件进行电流轨迹选择，确定了放电过程电流轨迹先沿着电流极限圆运动，转速低于转折转速时再沿着功率极限圆切线靠近原点，通过铜耗最大的轨迹实现母线电容快速放电。本发明实现了电动汽车紧急情况下母线电容的快速放电，还具有成本低，安全性高的优点。

Description

一种基于电机绕组最大铜耗的电动汽车母线电容放电方法

技术领域

本发明涉及一种母线电容放电方法，具体来说涉及一种基于电机绕组最大铜耗的电动汽车母线电容放电方法。

背景技术

电动汽车具有经济、环保和高效的优点，逐渐成为未来交通工具的主流。永磁同步电机具有功率密度高，动态性能好的特点而被广泛用作电动汽车主驱动电机。电动汽车驱动系统主要包括断路器、泄放电路、薄膜母线电容、三相逆变器、永磁同步电机和电机控制器。由于目前电动汽车驱动系统电压较高，远超过人体安全电压，所以GB/T 18384.3针对电动汽车遇到紧急情况(例如车祸)时，需要具备主动放电功能，并且在3s内要将母线电容电压由额定电压降低到安全电压(60V)。但传统基于泄放电阻的方法不仅体积大而且重量大，严重限制了电动汽车驱动系统功率密度，所以研究基于永磁同步电机绕组的方法具有重要价值。

为了提高驱动系统功率密度和降低成本，目前常用的放电方法有两种，一种是将三相逆变器某相的上下桥臂短路，将能量以热能形式消耗在电机的功率开关管上，但这种放方法产生的大电流会造成逆变器的损毁；第二种方法是将永磁同步电机绕组作为泄放器，将能量消耗在绕组上。现有技术中提出过采用ESO将母线电压稳定在安全电压的方法，但该方法在转动惯量大时会出现无法将母线电压降低到安全电压的情况，而且由于只考虑恒压，并没有实现绕组最大铜耗功率放电，这就导致该方法可能无法满足国标要求的放电时间，所以本发明提出了一种基于电机绕组最大铜耗的电动汽车母线电容放电方法，具有计算简单，可靠性高和放电速度快的优点。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于电机绕组最大铜耗的电动汽车母线电容放电方法，本方法具有放电时间短、可靠性高和不会造成母线电压浪涌等优点。通过分析放电过程中电压极限椭圆、电流极限圆和功率极限圆对放电功率的关系，通过将最大铜耗作为约束条件进行电流轨迹选择，确定了在放电过程中，电流轨迹先沿着电流极限圆运动，转速低于转折转速时沿着功率极限圆切线靠近原点，通过铜耗最大的轨迹实现母线电容快速放电，本发明具有计算简单，放电速度快，使用性强的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于电机绕组最大铜耗的电动汽车母线电容放电方法，所述的电动汽车母线电容放电方法通过表贴式永磁同步电机驱动系统实现，驱动系统包括动力电池组、断路器、薄膜母线电容、三相逆变器和表贴式永磁同步电机，所述的薄膜母线电容的两侧分别连接动力电池组的正负极，断路器串联在动力电池组和薄膜母线电容之间，位于动力电池组的动力输出电路上；所述的三相逆变器输入侧与薄膜母线电容并联，三相逆变器输出侧接表贴式永磁同步电机；

其特征在于，所述的电动汽车母线电容放电方法包括以下步骤：

步骤一：建立表贴式永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型，计算转折转速：

断开断路器，表贴式永磁同步电机驱动系统迅速切换到放电状态，根据表贴式永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型计算电流极限圆和功率极限圆，并根据电流极限圆和功率极限圆计算转折转速；

步骤二：根据表贴式永磁同步电机的实时转速确定q轴和d轴的给定电流值：

测量表贴式永磁同步电机的实时转速，当实时转速高于转折转速时，求得电流极限圆和功率极限圆的交点作为q轴给定电流值，然后通过电流极限圆获得此时的d轴给定电流值；

当实时转速低于或等于转折转速时，取功率极限圆在q轴最低点的电流值作为q轴给定电流值，此时的d轴给定电流值为0；

步骤三：控制母线电容放电：

采集表贴式永磁同步电机的三相电流并将其进行坐标转换，得到d轴、q轴的实时 测量电流值；根据d轴、q轴给定电流值与实时测量电流值的误差，分别计算d轴和q轴对应的 控制电压值并转换为

和

坐标系下的电压值，采用SVPWM控制算法将

和

坐标系下的 电压值施加到逆变器上，控制表贴式永磁同步电机的实际电流跟随给定电流，实现母线电 容放电。

作为本发明的优选，所述的表贴式永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型，表示为：

式中，i _d 、i _q 分别是永磁同步电机的d轴电流和q轴电流，u _d 、u _q 分别是表贴式永磁同 步电机的d轴电压和q轴电压，L是表贴式永磁同步电机的电感，R为定子相电阻，w₁是电气角 速度，w₂是机械角速度，p是极对数，

是永磁体磁链，B是摩擦系数，J是永磁同步电机的转 动惯量，T是电磁转矩。

作为本发明的优选，所述的电流极限圆的方程表示为：

式中：I _max为系统最大电流，i _d 、i _q 分别是永磁同步电机的d轴电流和q轴电流；

所述的功率极限圆的方程表示为：

式中：T _S为采样周期，w_{2_i}为第i次的机械转速，R为定子相电阻，J是永磁同步电机 的转动惯量，p是极对数，

是永磁体磁链。

作为本发明的优选，所述的转折转速为

，其中R为定子相电阻，I _max为系统最 大电流，

为永磁体磁链。

作为本发明的优选，当转速高于转折转速时，q轴给定电流值为

，d轴给定电 流值为

；其中R为定子相电阻，I _max为系统最大电流，

为永磁体磁链，i _q 是表贴 式永磁同步电机的q轴电流，w₁是电气角速度。

作为本发明的优选，当转速低于或等于转折转速时，q轴给定电流值为

，其 中R为定子相电阻，

为永磁体磁链，w₁是电气角速度。

本发明的有益技术效果如下：

（1）本发明通过分析放电过程中电压极限椭圆、电流极限圆和功率极限圆对放电功率的关系，将最大铜耗作为约束条件进行电流轨迹选择，确定了在放电过程中，转速高于转折转速时，电流轨迹先沿着电流极限圆运动，转速低于转折转速时，电流轨迹沿着功率极限圆切线靠近原点，通过铜耗最大的轨迹实现母线电容快速放电，使最大放电功率小于绕组消耗功率，抑制了母线电压浪涌，且通过系统最大铜耗快速消耗了母线电容能量和电机动能，缩短了母线电容放电时间。

（2）本发明无需复杂的泄放电路，不增加硬件成本，具有算法简单、经济性高和实用性强的特点。

附图说明

图1为电动汽车永磁同步电机驱动系统的结构示意图；

图2为本发明基于电机绕组最大铜耗的母线电容放电控制方法的系统框图；

图3为本发明基于电机绕组最大铜耗的母线电容放电控制方法流程图；

图4 为本发明控制方法下电流轨迹示意图；

图5(a)为传统弱磁控制下永磁同步电机转速和母线电压波形示意图；

图5(b)为传统弱磁控制下dq轴电流波形示意图；

图6(a) 为本发明控制方法下永磁同步电机转速和母线电压波形示意图；

图6(b) 为本发明控制方法下dq轴电流波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本实施例的表贴式永磁同步电机驱动系统由动力电池组、高压断路器、薄膜母线电容、三相逆变器、表贴式永磁同步电机等组成。所述的薄膜母线电容的两侧分别连接动力电池组的正负极，高压断路器串联在动力电池组和薄膜母线电容之间，位于动力电池组的动力输出电路上；所述的三相逆变器与薄膜母线电容并联，三相逆变器输出侧接三相表贴式永磁同步电机。

根据基于电机绕组最大铜耗的电动汽车母线电容放电方法工作流程图如图2所示，具体包括如下步骤：

步骤一：建立表贴式永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型，计算转折转速：

断开断路器，表贴式永磁同步电机驱动系统迅速切换到放电状态，根据表贴式永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型计算电流极限圆和功率极限圆，并根据电流极限圆和功率极限圆计算转折转速；

步骤二：根据表贴式永磁同步电机的实时转速确定q轴和d轴的给定电流值：

测量表贴式永磁同步电机的实时转速，当实时转速高于转折转速时，求得电流极限圆和功率极限圆的交点作为q轴给定电流值，然后通过电流极限圆获得此时的d轴给定电流值；

当实时转速低于或等于转折转速时，取功率极限圆在q轴最低点的电流值作为q轴给定电流值，此时的d轴给定电流值为0；

步骤三：控制母线电容放电：

采集表贴式永磁同步电机的三相电流并将其进行坐标转换，得到d轴、q轴的实时 测量电流值；根据d轴、q轴给定电流值与实时测量电流值的误差，分别计算d轴和q轴对应的 控制电压值并转换为

和

坐标系下的电压值，采用SVPWM控制算法将

和

坐标系下的 电压值施加到逆变器上，控制表贴式永磁同步电机的实际电流跟随给定电流，实现母线电 容放电。

上述总的损耗功率估算的具体实施过程如下：

建立三相表贴式永磁同步电机dq坐标系下的数学模型：

式中，i _d 、i _q 分别是永磁同步电机的d轴电流和q轴电流，u _d 、u _q 分别是表贴式永磁同 步电机的d轴电压和q轴电压，L是表贴式永磁同步电机的电感，R为定子相电阻，w₁是电气角 速度，w₂是机械角速度，p是极对数，

是永磁体磁链，B是摩擦系数，J是永磁同步电机的转 动惯量，T是电磁转矩。

根据上式获得减速过程中的加速度a为：

其中，w_{2_i-1}为前一时刻的机械角速度。

在一个周期T _S 内，动能转化为电能的总能量E为：

其中，w_{2_i} 为当前时刻的机械角速度。

将上式中的速度代入能量表达式得：

上式中E包括摩擦损耗E ₁和电能E ₂，而在放电过程中，只有电能会转化为绕组铜耗，所以在该过程中电能E ₂为：

而电机稳态时的绕组铜耗为：

为了避免母线电容上电压出现浪涌，而且需要快速降低永磁同步电机转速来降低反电动势，所以需要使减速时动能转化为电能的部分小于绕组消耗的电能，即：

将铜耗表达式和电能表达式代入上式得：

化简得：

上式便是放电过程中的功率极限圆的方程表示，当满足上式时，则不会出现母线电压浪涌现象。其中T _S一般设为1/10k，所以当T _S趋于无穷小时，a趋近于1。所以放电过程是一个圆心在q轴负半轴，但半径随转速变化不断变小的圆。

而此时dq轴的电流极限圆方程表示为：

其中，I _max为系统最大电流。

由于放电过程中，母线电压是随着转速降低而逐渐降低的，所以分析电压极限椭圆对放电过程的影响，考虑稳态情况下永磁同步电机的电压方程：

电压限制为：

式中U _max是一个随母线电压变化的量，即：

联立上式得电压极限椭圆方程表示为：

在忽略铁耗的情况下，永磁同步电机电压限制轨迹是一个中心在q轴负半轴，大小随转速降低而逐渐变小的椭圆。为了研究功率极限圆、电流极限圆和电压极限椭圆对母线电容放电过程中的限制作用，根据表1中电机参数得到放电过程的轨迹示意图，如图3所示。

图3中黑色圆形虚线表示电流极限圆，弧形虚线表示电压极限椭圆，弧形实线表示功率极限圆，O点表示原点，O ₁、O ₂、O ₃和O ₄为功率极限圆在q轴上的圆心，C点为电流极限圆和q轴交点，也是电流极限圆和功率极限圆的切点。

图中A₁点表示电压极限椭圆和电流极限圆的交点，B₁点表示功率极限圆和电流极限圆的交点，电压极限椭圆在功率极限圆外侧。在满足功率限制时，dq轴电流取圆外部分，而在满足电压限制时，dq轴电流取圆内部分，而图中阴影区域为电压极限椭圆和电流极限圆的交集部分。而为了实现最大功率放电，需要使铜耗最大化，所以此时电流变化轨迹位于电流极限圆上。虽然此时A₁、B₁两点均位于电流极限圆上，但B₁点对应的q轴电流更小，则产生的电磁功率更多，速度下降更快，则对应于放电时间也会更短，所以为电流极限圆和功率极限圆的交点。整个放电过程中，功率极限圆不断缩小，所以功率极限圆和电流极限圆的交点不断沿着电流极限圆往q轴方向移动，导致d轴电流在逐渐增大，而q轴电流在逐渐减小，当d轴电流增大到0，此时q轴电流为最小，电流轨迹为B₁-B₂-C。

所以联立功率极限圆方程和电流极限圆方程得：

解得：

因此：

当功率极限圆和电流极限圆相切时，是转折位置，因为以后随着转速降低，功率极限圆会进入电流极限圆内部，所以此时的转折转速为：

当功率极限圆进入电流极限圆内部后，此时放电过程的主要限制是功率极限圆，需要取圆外部分，所以此时q最小为功率极限圆与q的负半轴交点，此时电流轨迹为C-O，q轴电流为：

因此整个放电过程的电流给定值为：

式中，

和

分别为q轴和d轴的给定电流值。

根据传感器反馈的转速实时更新q轴电流给定值，从而实现dq轴电流先沿着电流极限圆、功率极限圆的交点运动，当转速到达转折转速时，电流然后沿着功率极限圆在q轴的最低点向原点移动。因此放电过程的功率一直在功率极限圆上，从而使电机铜耗最大，加快了母线电容放电时间。

本发明所提的基于电机绕组最大铜耗的电动汽车母线电容放电方法是基于如图4所示的系统实现的，由系统框图可见，上文所述的永磁同步电机驱动系统还至少要包括一个控制器，所述的控制器包括：

第一坐标系变换模块，其用于采集永磁同步电机的三相电流并将其进行坐标转换，得到实时测量的d轴电流和q轴电流；

PI控制器模块，其用于根据d轴电流、q轴电流的给定值和实时测量值，根据给定值和实时测量值的误差，计算d轴和q轴对应的需要施加到逆变器的电压值；

第二坐标系变换模块，其用于将PI控制器模块输出的d轴和q轴的电压值转换为

和

坐标系下的电压值；

SVPWM控制模块，其用于根据

和

坐标系下的电压值，采用SVPWM控制算法对逆变器进行控制；

补偿模块，其用于比较实时测量的转速值与转折转速值的大小，对q轴和d轴电流进行前馈补偿。

根据图4框图，本发明所提方法的过程如下，虚拟开关初始状态处于2状态，此时系统运行在转速控制模式；当收到主动放电请求时，开关状态迅速切换到1状态，进入放电模式。首先判断当前转速和转折转速关系，当转速高于转折转速时，计算电流极限圆和功率极限圆的交点坐标，得到dq轴电流给定值；当转速低于转折转速时，功率极限圆在q轴最低点的电流作为给定值。

以下为我们对本发明所提基于电机绕组最大铜耗的电动汽车母线电容放电方法的实验，所采用的永磁同步电机的参数如表1所示：

实验中设计系统放电电流最大30A，采用本发明所提的电机绕组最大铜耗控制方法，得到的放电过程转速变化曲线如图5(a)所示。当转速到达额定转速时，系统发出放电请求，控制器判断转速是否大于转折转速，然后计算出此时的dq轴电流。

为了更好的说明本发明所提控制方法的有效性和快速性，作为对比，图5(a)为采用传统弱磁控制降压的方式的母线电压曲线，从发出放电请求到母线电压降到安全电压，整个放电过程持续了3.4s，不满足国标要求的放电时间，不再适用于紧急情况下的快速母线电容放电。

而图6(a)为采用基于最大铜耗的放电方法的母线电压和转速波形图，从额定电压降到安全电压，整个放电过程持续了2.6s，比传统方法缩短了0.8s，满足国标要求的快速放电要求。

比较图5(b)和图6(b)，可以发现，本发明所提方法的q轴电流更大，所以绕组铜耗也更大，因而放电时间也更快。所以本发明不仅具有降低驱动系统成本，增加功率密度，而且还具有快速性和安全性。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员可以对本方案进行修改或者替换，而不脱离本发明技术方案和原理，这些均应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于电机绕组最大铜耗的电动汽车母线电容放电方法，所述的电动汽车母线电容放电方法通过表贴式永磁同步电机驱动系统实现，驱动系统包括动力电池组、断路器、薄膜母线电容、三相逆变器和表贴式永磁同步电机，所述的薄膜母线电容的两侧分别连接动力电池组的正负极，断路器串联在动力电池组和薄膜母线电容之间，位于动力电池组的动力输出电路上；所述的三相逆变器输入侧与薄膜母线电容并联，三相逆变器输出侧接表贴式永磁同步电机；

其特征在于，所述的电动汽车母线电容放电方法包括以下步骤：

步骤一：建立表贴式永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型，计算转折转速：

断开断路器，表贴式永磁同步电机驱动系统迅速切换到放电状态，根据表贴式永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型计算电流极限圆和功率极限圆，并根据电流极限圆和功率极限圆计算转折转速；

步骤二：根据表贴式永磁同步电机的实时转速确定q轴和d轴的给定电流值：

测量表贴式永磁同步电机的实时转速，当实时转速高于转折转速时，求得电流极限圆和功率极限圆的交点作为q轴给定电流值，然后通过电流极限圆获得此时的d轴给定电流值；

当实时转速低于或等于转折转速时，取功率极限圆在q轴最低点的电流值作为q轴给定电流值，此时的d轴给定电流值为0；

步骤三：控制母线电容放电：

采集表贴式永磁同步电机的三相电流并将其进行坐标转换，得到d轴、q轴的实时测量 电流值；根据d轴、q轴给定电流值与实时测量电流值的误差，分别计算d轴和q轴对应的控制 电压值并转换为

和

坐标系下的电压值，采用SVPWM控制算法将

和

坐标系下的电压 值施加到逆变器上，控制表贴式永磁同步电机的实际电流跟随给定电流，实现母线电容放 电。

2.根据权利要求1所述的基于电机绕组最大铜耗的电动汽车母线电容放电方法，其特征在于，所述的表贴式永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型，表示为：

式中，i _d 、i _q 分别是永磁同步电机的d轴电流和q轴电流，u _d 、u _q 分别是表贴式永磁同步电 机的d轴电压和q轴电压，L是表贴式永磁同步电机的电感，R为定子相电阻，w₁是电气角速 度，w₂是机械角速度，p是极对数，

是永磁体磁链，B是摩擦系数，J是永磁同步电机的转动 惯量，T是电磁转矩。

3.根据权利要求1所述的基于电机绕组最大铜耗的电动汽车母线电容放电方法，其特征在于，所述的电流极限圆的方程表示为：

式中：I _max为系统最大电流，i _d 、i _q 分别是永磁同步电机的d轴电流和q轴电流；

所述的功率极限圆的方程表示为：

式中：T _S为采样周期，w_{2_i}为第i次的机械转速，R为定子相电阻，J是永磁同步电机的转动 惯量，p是极对数，

是永磁体磁链。

4.根据权利要求1所述的基于电机绕组最大铜耗的电动汽车母线电容放电方法，其特 征在于，所述的转折转速为

，其中R为定子相电阻，I _max为系统最大电流，

为永磁体 磁链。

5.根据权利要求1所述的基于电机绕组最大铜耗的电动汽车母线电容放电方法，其特 征在于，当转速高于转折转速时，q轴给定电流值为

，d轴给定电流值为

；其 中R为定子相电阻，I _max为系统最大电流，

为永磁体磁链，i _q 是表贴式永磁同步电机的q轴 电流，w₁是电气角速度。

6.根据权利要求1所述的基于电机绕组最大铜耗的电动汽车母线电容放电方法，其特 征在于，当转速低于或等于转折转速时，q轴给定电流值为

，其中R为定子相电阻，

为永磁体磁链，w₁是电气角速度。

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