CN113489418A - 一种具有能量回馈的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统及其控制方法 - Google Patents

一种具有能量回馈的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种具有能量回馈的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统及其控制方法，在系统两级式变换器拓扑的前级双向DC/DC变换器中增加Sa、Sb、Sc和Sd四个开关管，结合分裂式励磁绕组，构成系统驱动运行模式下的能量回馈通路，在电励磁双凸极电机制动运行时，结合能量回馈通路的控制，能够实现在励磁电流方向不变的条件下将制动能量回馈至蓄电池侧，提升驱动系统的能量利用率和性能，并且在充电工作模式下，能够实现两段分裂式励磁绕组的并联控制，满足蓄电池大功率充电的需求。

Description

一种具有能量回馈的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统 及其控制方法
技术领域
本发明属于电机系统及控制领域，尤其涉及一种具有能量回馈的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统及其控制方法。
背景技术
驱动电机作为电动汽车的核心部件，必须满足汽车结构尺寸的限制及复杂工况下的运行条件，其性能直接关系到电动汽车的动力性能和能源转化效率。21世纪以来，电动汽车的驱动电机以永磁同步电机、开关磁阻电机及感应电机为主要机型。电励磁双凸极电机则是在开关磁阻电机和永磁双凸极电机基础上延伸出的新型电机，目前在在电机领域中被予以广泛关注。电励磁双凸极电机具备开关磁阻电机和永磁双凸极电机的优点，以电励磁代替永磁体励磁，降低成本的同时简化电机结构和制造工艺。与电动汽车主流的三类驱动电机相比，电励磁双凸极电机比感应电机成本更低，比开关磁阻电机具有更高的功率密度、更低的转矩脉动，没有永磁电机的退磁问题并可通过励磁电流的弱磁调速获得更广阔的的调速范围。因此，电励磁双凸极电机在电动汽车领域具有非常广阔的前景。
由于电动汽车内部空间限制、生产成本限制及现有科技水平限制，电动汽车的一般需要通过大功率充电桩或充电站才能够实现快速充电，然而充电桩、充电站建造成本高，难以大规模普及，车载充电器能够通过家用交流电向电动汽车便捷充电，但是功率限制使得充电时长不能满足日常要求。市面上的车载充电系统普遍存在成本高、体积大、质量大、功率因数低、谐波污染严重等问题，严重制约了电动汽车的发展。近年来将驱动系统和充电系统集成的系统结构获得了大量关注，充电驱动一体化系统将电动汽车的电机驱动系统重构成蓄电池充电系统，通过优化电路拓扑和控制策略，既能实现无需充电桩即可快速充电的能力，省去额外的大功率充电器，又可以满足对电动汽车充电电流质量的要求。
制动能量回馈技术作为电动汽车的关键技术之一，可以将电动汽车制动运行过程中电机获得的电能存储至蓄电池中，实现能量的二次利用，减少能量损耗，提高能量利用率，增加续航里程。
专利CN201711445250.6发明了一种复用励磁绕组的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统。该系统采用分裂式励磁绕组，复用励磁绕组为前级DC/DC变换器中的电感，复用电枢绕组为充电状态时三相桥式整流器的滤波电感，使电励磁双凸极电机能够适用于电动汽车驱动充电一体化系统。驱动运行时两段励磁绕组并联导通，能够通过调节励磁电流大小实现电机宽转速范围运行；充电运行时通过前级DC/DC构建充电回路，使得两段励磁绕组并联且电流流向相反，消除电磁转矩；减速运行时能够实现电磁制动，将能量回馈电池，增加能量利用率，但是会改变励磁电流流向，该换向过程会影响系统的动态性能，降低系统的稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在制动时，不改变励磁电流流向。本发明提出了一种具有能量回馈的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统及其控制方法，结合分裂式励磁绕组，构成系统驱动运行模式下的能量回馈通路，在电励磁双凸极电机制动运行时，结合能量回馈通路的控制，能够实现在励磁电流方向不变的条件下将制动能量回馈至蓄电池侧，提升驱动系统的能量利用率和性能，并且在充电工作实模式下，还能够实现两段分裂式励磁绕组的并联控制，满足蓄电池大功率充电的需求。
一种具有能量回馈的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统，包括蓄电池、前级DC/DC变换器、后级逆变器、母线电容C1和电励磁双凸极电机；
蓄电池与前级DC/DC变换器的输入端连接，母线电容C1并联在前级DC/DC变换器的输出端之间，前级DC/DC变换器的输出端连接后级逆变器的输入端，后级逆变器的输出端连接电励磁双凸极电机的三相电枢绕组；蓄电池电压经前级DC/DC变换器升高电压，再经过后级逆变器驱动电励磁双凸极电机；
所述前级DC/DC变换器包括开关管S1～S6、开关管Sa～Sd、二极管D1、二极管D2、电励磁双凸极电机的励磁绕组F1、以及电励磁双凸极电机的励磁绕组F2，其中开关管S1与二极管D1串联、开关管S2与二极管D2串联构成两个桥臂；开关管S3与开关管S4串联、开关管S5与开关管S6串联构成两个桥臂；
励磁绕组F1的一端连接在开关管S1与二极管D1的连接端、以及开关管Sa的一端，开关管Sa的另一端连接母线电容C1的正极；励磁绕组F1的另一端连接在开关管S3与开关管S4的连接端、以及开关管Sc的一端，开关管Sc的另一端连接蓄电池正极；
励磁绕组F2的一端连接在开关管S2与二极管D2的连接端、以及开关管Sb的一端，开关管Sb的另一端连接母线电容C1的正极；励磁绕组F2的另一端连接在开关管S5与开关管S6的连接端、以及开关管Sd的一端，开关管Sd的另一端连接蓄电池正极。
在制动状态下，通过对开关管Sa～Sd的控制，使得母线电容C1上的能量在励磁电流方向不变的条件下回馈至蓄电池；在充电状态下，交流电经后级逆变器整流后，以两倍充电功率对储电池充电，满足车载蓄电池快速充电的需求。
本发明电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的控制方法，在制动状态下，后级电励磁双凸极电机通过逆变器向母线电容C1回馈制动能量，使得直流母线电压升高，前级DC/DC变换器能量回馈部分电路工作，母线电压储能经开关管Sa～Sd和励磁绕组对蓄电池充电，使得直流母线电压下降，完成能量回馈，在制动状态下，电励磁双凸极电机的励磁电流方向不发生改变，直流侧母线电压保持稳定。
进一步的，在制动状态下，通过开关管Sa～Sd的控制，使得母线电容C1上的能量在励磁电流方向不变的条件下回馈至蓄电池；前级DC/DC变换器的能量回馈控制策略如下：
(1)采集直流侧母线电压，当母线电压升高至能量回馈上门限值时，能量回馈开关管Sa～Sd导通，前级DC/DC变换器中的开关管S1～S6均处于关断状态，母线电容将后级双凸极电机的制动能量经由励磁绕组回馈给蓄电池；
(2)当母线电压降低至能量回馈下门限值时，判断系统退出制动状态，开关管Sa～Sd关断，前级DC/DC变换器以交错并联的buck-boost升压模式运行。
综上所述，本发明提出的拓扑结构及控制策略能够实现能量回馈，同时维持励磁电流在驱动状态下的方向与制动状态下的方向相一致，不改变励磁电流的方向。
进一步的，当系统工作于充电状态时，后级逆变器做三相PWM整流器运行，将电网三相交流电整流输出给直流母线，前级DC/DC变换器部分利用开关管Sa～Sd改进充电拓扑结构，励磁绕组F1和励磁绕组F2分别独立充电工作，一方面，母线电容C1经过开关管Sb、励磁绕组F2、开关管Sd向蓄电池充电，另一方面，母线电容C1经过开关管S3、励磁绕组F1、开关管S1向蓄电池充电，此时电励磁双凸极电机的分裂式励磁绕组并联工作，对应的两段励磁绕组电流大小相同，方向相反，实现充电状态下电励磁双凸极电机的等效去磁，消除输出转矩。
在充电状态下，前级DC/DC变换器的控制策略为：电流传感器采样获得励磁绕组电流，以两段励磁绕组的电流为控制对象驱动前级开关管的通断，两段励磁绕组分别按照Buck电路的工作原理构建各自的充电模态及续流模态，通过控制两种模态的占空比调节两段励磁绕组电流大小，以实现恒定电流充电。
励磁绕组F1的两个模态分别为：
(1)充电模态：开关管S1、S3导通，母线电容、开关管S3、励磁绕组F1、开关管S1、蓄电池共同构成充电回路；
(2)续流模态：开关管S1导通，S3关断，励磁绕组F1、开关管S1、蓄电池、开关管S4的并联二极管共同构成续流回路。
励磁绕组F2的两个模态分别为：
(1)充电模态：开关管Sb、Sd导通，母线电容、开关管Sb、励磁绕组F2、开关管Sd、蓄电池共同构成充电回路；
(2)续流模态：开关管Sb关断，Sd导通，励磁绕组F2、开关管Sd、蓄电池、二极管D2共同构成续流回路。
两段励磁绕组分开控制且不同绕组的不同模态之间不会相互影响，通过控制充电模态的占空比实现恒定电流充电，并结合充电电流的需求控制占空比实现充电电流的调节。两段励磁绕组电流并联向蓄电池供电，两段励磁电流之和即为充电电流，能够满足蓄电池大功率充电的需求。
有益效果：本发明改进了拓扑结构，在前级双向DC/DC变换器中增加Sa、Sb、Sc和Sd四个开关管，结合分裂式励磁绕组，构成系统驱动运行模式下的能量回馈通路，在电励磁双凸极电机制动运行时，结合能量回馈通路的控制，能够实现在励磁电流方向不变的条件下将制动能量回馈至蓄电池侧，提升驱动系统的能量利用率和性能，此外，在充电工作模式下，还能够实现两段分裂式励磁绕组的并联控制，使得两段励磁绕组的电流反向的同时一起向蓄电池充电，既实现充电状态下电励磁双凸极电机的去磁功能，又满足蓄电池大功率充电的需求。
附图说明
图1是本发明的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统结构示意图；
图2是制动模式下电机转速仿真波形图；
图3是制动模式下母线电压仿真波形图；
图4是制动模式下励磁绕组F1的电流仿真波形图；
图5是制动模式下励磁绕组F2的电流仿真波形图；
图6是制动模式下蓄电池电流仿真波形图；
图7是制动模式下蓄电池电流仿真波形中制动阶段的放大图；
图8是充电模式下励磁绕组F1的电流仿真波形图；
图9是充电模式下励磁绕组F2的电流仿真波形图；
图10是充电模式下电池充电电流仿真波形图。
具体实施方式
如图1所示，是本发明的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统结构示意图，以专利文件“一种复用励磁绕组的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统”为基础，专利号CN201711445250.6，在前级DC/DC变换器的结构上增加4个开关管Sa、Sb、Sc和Sd，其中励磁绕组F1的两端各增加一个开关管，一个开关管Sa连接母线电容C1，另一个开关管Sc连接蓄电池正极输出端，励磁绕组F2同样如此,两端各增加一个开关管，一个开关管Sb连接母线电容C1，另一个开关管Sd连接蓄电池正极输出端。后级逆变器部分采用三相PWM电压型逆变器，双凸极电机的三相电枢绕组通过开关K1与三相电网相连。通过位置传感器采集电励磁双凸极电机的位置信号，通过电流传感器采集励磁绕组电流信号和电枢绕组电流信号，通过电压传感器采集充放电DC/DC变换器输出侧电容电压信号，经过控制器汇总得到输出控制信号，在驱动、制动或充电模式下以不同的策略控制各个开关管的开通关断。
本发明的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的控制方法，当电动汽车处于制动状态时的控制策略：
1)切换开关K1闭合，开关管S1、S2、S4、S6按照驱动控制策略通断；
2)控制器采集直流侧母线电压，当母线电压升高至能量回馈上门限值时，能量回馈开关管Sa～Sd导通，前级DC/DC变换器其余开关管均关断，母线电容将后级双凸极电机的制动能量经由励磁绕组回馈给蓄电池；当母线电压降低至能量回馈下门限值时，判断系统退出制动状态，开关管Sa～Sd关断，前级DC/DC变换器以交错并联的buck-boost升压模式运行。
3)采集电励磁双凸极电机的位置信号，逆变器开关管S8～S13按传统驱动电励磁双凸极电机的开关导通逻辑开通关断，通过电流传感器检测三相电枢绕组电流进行闭环控制，根据指令控制电机实现电磁制动。
本发明的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的控制方法，当电动汽车处于充电状态的控制策略：
1)切换开关K1打开，电网通过充电插座和EMI滤波器连接到电机的开放式绕组的一端；
2)电流传感器检测三相电枢绕组电流，逆变器开关管S8～S13工作于三相桥式整流模式，控制三相电枢绕组电流大小，逆变器输出直流电压高于蓄电池电压；
3)电流传感器采样获得励磁绕组电流，以两段励磁绕组的电流为控制对象驱动前级开关管的通断，两段励磁绕组分别按照Buck电路的工作原理构建各自的充电模态及续流模态，通过控制两种模态的占空比调节两段励磁绕组电流。
励磁绕组F1的两个模态分别为：(1)充电模态：开关管S1、S3导通，母线电容、开关管S3、励磁绕组F1、开关管S1、蓄电池共同构成充电回路；(2)续流模态：开关管S1导通，S3关断，励磁绕组F1、开关管S1、蓄电池、开关管S4的并联二极管共同构成续流回路。
励磁绕组F2的两个模态分别为：(1)充电模态：开关管Sb、Sd导通，母线电容、开关管Sb、励磁绕组F2、开关管Sd、蓄电池共同构成充电回路；(2)续流模态：开关管Sb关断，Sd导通，励磁绕组F2、开关管Sd、蓄电池、二极管D2共同构成续流回路。
两段励磁绕组分开控制且不同绕组的不同模态之间不会相互影响，通过控制充电模态的占空比实现恒定电流充电，并结合充电电流的需求控制占空比实现充电电流的调节。
对本发明的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统进行电机制动过程的仿真，仿真参数如下：电池电压140V，DC/DC变换器输出端给定电压220V；电机采用12/10极电励磁双凸极电机，该电机电枢绕组电阻0.1Ω，自感为恒定值5.6mH，励磁绕组电阻0.4Ω，自感为恒定值13mH，电枢绕组与励磁绕组间互感大小随电机转子位置而波动，其幅值为6.78mH；电机给定转速1000rpm，刹车制动至转速200rpm，给定每段励磁绕组电流12A，电机负载转矩5N·m，电机转动惯量0.074kg·m2。
电机制动过程中的电机转速仿真波形如图2所示，DC/DC变换器输出侧母线电压仿真波形如图3所示，励磁绕组F1的电流仿真波形如图4所示，励磁绕组F1的电流仿真波形如图5所示，蓄电池输出电流波形如图6所示，图7为图6中制动阶段的蓄电池电流放大图。由图可知，1.5s时电机制动，由1000rpm减速至200rpm，制动过程中励磁电流几乎没有变化，而母线电压略有变化，在220V和221V之间上下震荡，电压的变化正是后级向母线电容充电以及母线电容的能量向前级反馈至蓄电池的过程，而蓄电池电流为负时为母线电容向蓄电池回馈能量过程，负向电流即能量回馈电流，符合预计情况，因此证实该能量回馈拓扑能够实现制动时在保持励磁电流方向不变的条件下将母线电容的能量向蓄电池回馈。
对本发明的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统连接三相电网后，进行充电过程的仿真，仿真参数如下：
电机采用12/10极电励磁双凸极电机，该电机电枢绕组电阻0.1Ω，自感为恒定值5.6mH，励磁绕组电阻0.4Ω，自感为恒定值13mH，电枢绕组与励磁绕组间互感大小随电机转子位置而波动，其幅值为6.78mH；负载为140V的电池串联1Ω电阻，给定充电电流12A，DC/DC变换器的母线电容给定电压220V。
充电模式下两段励磁绕组的电流如图8、图9所示，电池充电电流如图10所示。由图可知两段励磁电流分别为6A、-6A，电池充电电流为两段励磁电流之和12A，充电策略实现了两倍励磁电流的充电，且两段励磁电流反向去磁消除输出转矩。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有能量回馈的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统，其特征在于，包括蓄电池、前级DC/DC变换器、后级逆变器、母线电容C1和电励磁双凸极电机；
蓄电池与前级DC/DC变换器的输入端连接，母线电容C1并联在前级DC/DC变换器的输出端之间，前级DC/DC变换器的输出端连接后级逆变器的输入端，后级逆变器的输出端连接电励磁双凸极电机的三相电枢绕组；蓄电池电压经前级DC/DC变换器升高电压，再经过后级逆变器驱动电励磁双凸极电机；
所述前级DC/DC变换器包括开关管S1～S6、开关管Sa～Sd、二极管D1、二极管D2、电励磁双凸极电机的励磁绕组F1、以及电励磁双凸极电机的励磁绕组F2，其中开关管S1与二极管D1串联、开关管S2与二极管D2串联构成两个桥臂；开关管S3与开关管S4串联、开关管S5与开关管S6串联构成两个桥臂；
励磁绕组F1的一端连接在开关管S1与二极管D1的连接端、以及开关管Sa的一端，开关管Sa的另一端连接母线电容C1的正极；励磁绕组F1的另一端连接在开关管S3与开关管S4的连接端、以及开关管Sc的一端，开关管Sc的另一端连接蓄电池正极；
励磁绕组F2的一端连接在开关管S2与二极管D2的连接端、以及开关管Sb的一端，开关管Sb的另一端连接母线电容C1的正极；励磁绕组F2的另一端连接在开关管S5与开关管S6的连接端、以及开关管Sd的一端，开关管Sd的另一端连接蓄电池正极。
2.一种如权利要求1所述具有能量回馈的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的控制方法，其特征在于，在制动状态下，母线电容C1上的能量在励磁电流方向不变的条件下回馈至蓄电池；在充电状态下，交流电经后级逆变器整流后，以两倍充电功率对储电池充电。
3.根据权利要求2所述一种具有能量回馈的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的控制方法，其特征在于，在制动状态下，母线电容C1上的能量在励磁电流方向不变的条件下回馈至蓄电池；前级DC/DC变换器的能量回馈控制策略如下：
(1)采集直流侧母线电压，当母线电压升高至能量回馈上门限值时，开关管Sa～Sd导通，前级DC/DC变换器中的开关管S1～S6均处于关断状态，母线电容将后级双凸极电机的制动能量经由励磁绕组回馈给蓄电池；
(2)当母线电压降低至能量回馈下门限值时，判断系统退出制动状态，开关管Sa～Sd关断，前级DC/DC变换器以交错并联的buck-boost升压模式运行。
4.根据权利要求2所述一种具有能量回馈的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的控制方法，其特征在于，在充电状态下，交流电经后级逆变器整流后，以两倍充电功率对储电池充电，具体对前级DC/DC变换器的控制策略为：
两段励磁绕组分别按照Buck电路的工作原理构建各自的充电模态及续流模态，通过控制两种模态的占空比调节两段励磁绕组电流大小，以实现恒定电流充电；
励磁绕组F1的两个模态分别为：
(1)充电模态：开关管S1、S3导通，母线电容、开关管S3、励磁绕组F1、开关管S1、蓄电池共同构成充电回路；母线电容C1经过开关管S3、励磁绕组F1、开关管S1向蓄电池充电；
(2)续流模态：开关管S1导通，S3关断，励磁绕组F1、开关管S1、蓄电池、开关管S4的并联二极管共同构成续流回路；
励磁绕组F2的两个模态分别为：
(1)充电模态：开关管Sb、Sd导通，母线电容、开关管Sb、励磁绕组F2、开关管Sd、蓄电池共同构成充电回路；母线电容C1经过开关管Sb、励磁绕组F2、开关管Sd向蓄电池充电；
(2)续流模态：开关管Sb关断，Sd导通，励磁绕组F2、开关管Sd、蓄电池、二极管D2共同构成续流回路。
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