CN113489419A - 一种电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统及其多模态能量回馈控制方法 - Google Patents

一种电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统及其多模态能量回馈控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113489419A
CN113489419A CN202110732110.7A CN202110732110A CN113489419A CN 113489419 A CN113489419 A CN 113489419A CN 202110732110 A CN202110732110 A CN 202110732110A CN 113489419 A CN113489419 A CN 113489419A
Authority
CN
China
Prior art keywords
energy
winding
stage
excitation winding
voltage
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.)
Granted
Application number
CN202110732110.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113489419B (zh
Inventor
魏佳丹
陈锦春
翟相煜
周波
杨明
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.)
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Original Assignee
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
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 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics filed Critical Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority to CN202110732110.7A priority Critical patent/CN113489419B/zh
Publication of CN113489419A publication Critical patent/CN113489419A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113489419B publication Critical patent/CN113489419B/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
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/16—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/20—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/20—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed
    • B60L15/2009—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed for braking
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/20—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
    • B60L53/22—Constructional details or arrangements of charging converters specially adapted for charging electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/20—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
    • B60L53/24—Using the vehicle's propulsion converter for charging
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L7/00—Electrodynamic brake systems for vehicles in general
    • B60L7/10—Dynamic electric regenerative braking
    • B60L7/14—Dynamic electric regenerative braking for vehicles propelled by ac motors
    • 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
    • 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
    • H02J7/0068—Battery or charger load switching, e.g. concurrent charging and load supply
    • 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
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/022—Synchronous motors
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/10—DC to DC converters
    • B60L2210/14—Boost converters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/80—Technologies aiming to reduce greenhouse gasses emissions common to all road transportation technologies
    • Y02T10/92—Energy efficient charging or discharging systems for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors specially adapted for vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

本发明公开了一种分段励磁绕组结构的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统及其能量回馈控制方法，在复用励磁绕组的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统结构基础上，在前级DC/DC变换器中增加开关Sa、Sb，对单段励磁绕组F2进行控制，实现制动运行状态下的多模态能量回馈控制以及对制动运行状态下系统直流侧母线电压的稳定控制，维持励磁电流恒定，提高了系统制动状态的稳定性和安全性。

Description

一种电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统及其多模态能量 回馈控制方法
技术领域
本发明属于电机系统及控制领域，尤其涉及一种电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统及其多模态能量回馈控制方法。
背景技术
随着传统汽车带来的资源短缺、环境污染问题愈发严重，而科技的日新月异使得新能源电动汽车越来越普及，电动汽车以其污染小、噪声低、节能环保等诸多优点，在汽车领域中所占比重越来越大。电机驱动系统是电动汽车的关键组成部分，它的性能直接关系到电动汽车的动力性能与转化效率。目前主流的电动汽车驱动电机分别为：永磁电机、开关磁阻电机、感应电机，它们在其驱动性能上各有优劣。开关磁阻电机结构简单且坚固，制造成本低，运行可靠性高，然而，开关磁阻电机存在明显的转矩脉动，影响驱动稳定性。永磁电机以其功率密度高、低速性能好等优点成为市面上应用最广泛的电动汽车驱动电机，然而，永磁体价格昂贵，大幅度增加电机成本，并且在高温环境下存在退磁现象，致使电机驱动系统的运行稳定性下降。感应电机具有可靠性高，结构简单，成本低等优点，其优越的弱磁调速性能能够满足电动汽车宽速度范围运行要求，并且在高温等恶劣环境下仍可保持较高的可靠性，但是较低的功率密度限制了其应用范围。
电动汽车的能量回馈又称为再生制动，该过程将车辆制动时的动能转化为电能并存储到蓄电池中加以利用。研究表明，在市内道路环境下，电动汽车中20％左右的能量被消耗于频繁的起动、制动过程中，如果能将这部分能量回收利用，则可以在很大程度上缓解电动汽车续航里程较短的压力。制动能量回馈技术作为电动汽车的关键技术之一，能够提高系统的稳定性和安全性，对节能减排和车辆的安全性有不可替代的作用。
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。电励磁双凸极电机作为一种新型电机，具有结构简单、牢固、容错能力强的特点，在功率密度、转矩脉动等方面具有比开关磁阻电机更大的优势，在电动汽车的驱动电机应用中具有广阔的前景。上述专利中的驱动充电一体化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过程中，将能量回馈电池，且不改变励磁电流流向。从而本发明提出了一种电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统及其多模态能量回馈控制方法，在复用励磁绕组的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的前级DC/DC变换器中，增加开关Sa、Sb，对单段励磁绕组F2进行控制，从而使得在系统进入制动状态时励磁电流iF2维持方向和大小恒定不变，提高系统制动状态的稳定性和安全性。
本发明的一种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。
前级DC/DC变换器包括开关管S1～S6、开关管Sa、开关管Sb、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，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；
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Sa的一端，开关管Sa的另一端连接与母线电容C1的正极连接；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Sb的一端，开关管Sb的另一端连接蓄电池正极。
制动过程中通过励磁绕组F2将制动能量回馈至蓄电池侧。控制器根据直流侧母线电压和电机交轴电枢电流iq判定电机系统状态，当母线电压高于额定值一定阈值且iq小于零时进入制动状态，当母线电压低于额定值一定阈值或iq大于零时退出制动状态。
一种电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的多模态能量回馈控制方法，所述模态包括制动能量回馈、励磁绕组释放能量和励磁绕组存储能量三个不同的工作模态；
在制动过程中开关管S3、S5恒关，开关管S1、S4按照驱动状态下的控制策略维持励磁绕组F1的电流保持恒定，开关管S2、S6、Sa、Sb均工作在PWM状态，其中，S2与S6开关状态相同，通过控制开关管S2、S6、Sa、Sb的导通和关断状态，实现系统工作在制动能量回馈、励磁绕组释放能量、励磁绕组存储能量三个不同的工作模态，完成系统在制动状态时的直流母线电压控制和励磁电流控制，使得母线电压和励磁电流在进入制动状态时维持恒定不变，在系统拓扑框图中励磁电流iF1、iF2始终从左侧流向右侧。三个模态的控制策略具体情况如下：
(1)制动能量回馈工作模态下的控制策略：该模态下，Sa、Sb导通，S2、S6关断。由系统拓扑框图可知，该模态下励磁绕组F2串联于母线电容C1与蓄电池之间，母线电压大于蓄电池电压，母线电容C1经过励磁绕组F2向蓄电池回馈能量使得母线电压下降，同时向励磁绕组F2供能使得励磁电流iF2增大。前级DC/DC变换器的电压方程为：
Figure BDA0003140192160000031
其中，Udc为直流母线电容C1的电压，Ub为蓄电池电压，LF2、RF2、iF2分别为励磁绕组F2的电感、电阻、电流，eF2为该段励磁绕组和电枢绕组之间的反电势。
(2)励磁绕组释放能量工作模态下的控制策略：该模态下，Sb导通，S2、S6、Sa关断。由系统拓扑框图可知，该模态下励磁绕组F2与蓄电池反向串联，F2经过开关管Sb和二极管D2向蓄电池释放能量使得iF2下降，而母线电容C1与前级连接断开，因后级制动能量输入使得电压上升。前级DC/DC变换器的电压方程为：
Figure BDA0003140192160000032
(3)励磁绕组存储能量工作模态下的控制策略：该模态下，S2、S6导通，Sa、Sb关断。由系统拓扑框图可知，该模态下励磁绕组F2与蓄电池正向串联，蓄电池向励磁绕组F2充能使iF2上升，而母线电容C1与前级连接断开，因后级制动能量输入使得电压上升。前级DC/DC变换器的电压方程为：
Figure BDA0003140192160000041
设上述三个工作模态的开关管工作占空比分别为d1、d2、d3，母线电压Udc与励磁电流iF2可以通过调节占空比d1、d3进行控制，制动过程中，当母线电压上升时，可通过增大占空比d1将母线电容C1上多余的能量回馈至蓄电池，以维持母线电压恒定，励磁绕组F2因向蓄电池释放能量导致励磁电流iF2下降时，可通过增大占空比d3将蓄电池中的能量重新释放至励磁绕组以维持励磁电流iF2恒定。在一个PWM周期中，前级DC/DC变换器的电压方程为：
Figure BDA0003140192160000042
此外，系统制动过程中，在励磁绕组释放能量工作模态和励磁绕组能量存储工作模态之间需设置死区时间，以避免Sb和S6同时导通，导致蓄电池经由开关管Sb、S6短路，产生冲击电流。
有益效果：本发明通过开关管Sa、Sb，经由单段励磁绕组F2进行制动能量回馈，实现制动运行状态下的多模态能量回馈控制以及对制动运行状态下系统直流侧母线电压的稳定控制，并维持励磁电流恒定，提高了系统制动状态的稳定性和安全性。
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。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统，是在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，专利CN201711445250.6，的基础上对拓扑结构进行改进，在前级DC/DC变换器部分的结构上增加开关Sa、Sb，对单段励磁绕组F2进行控制，开关管Sa连接于励磁绕组F2一端与母线电容C1的正极之间，开关管Sb连接于励磁绕组F2另一端与蓄电池的正极之间。后级逆变器部分采用后级逆变器，双凸极电机的三相触点通过开关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，在驱动或制动模式下以不同的策略控制各个开关管的开通关断。
一种电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统及其多模态能量回馈控制方法，所述多模态能量回馈控制方法是基于本发明的一种电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统，当电动汽车处于制动状态时的控制策略，本发明的多模态能量回馈控制方法具体为：
1)，切换开关K1闭合，开关管S3、S5关断；
2)，电压传感器采集母线电压，电流传感器采集励磁电流，对前级DC/DC变换器进行制动控制。开关管S1、S4按照驱动状态下的控制策略维持励磁绕组F1的电流保持恒定，开关管S2、S6、Sa、Sb均工作在PWM状态，其中，S2与S6开关状态相同，通过控制这四个开关管的导通和关断状态，实现系统工作在制动能量回馈、励磁绕组释放能量、励磁绕组存储能量三个不同的工作模态，设这三个工作模态的开关管工作占空比分别为d1、d2、d3，制动过程中，当母线电压上升时，可通过增大占空比d1将母线电容C1上多余的能量回馈至蓄电池，以维持母线电压恒定，励磁绕组F2因向蓄电池释放能量导致励磁电流iF2下降时，可通过增大占空比d3将蓄电池中的能量重新释放至励磁绕组以维持励磁电流iF2恒定。此外，系统制动过程中，在励磁绕组释放能量工作模态和励磁绕组能量存储工作模态之间需设置死区时间，以避免Sb和S6同时导通，导致蓄电池经由开关管Sb、S6短路，产生冲击电流。
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。
对本发明的一种电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统及其多模态能量回馈控制方法，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1000，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F2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2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，iF1、iF2因制动过程中控制方式不同而略有不同，但是变化在允许范围内；母线电压在1.5s后存在微小的电压上升过程，满足进入制动状态的条件后系统进入制动状态，母线电压恢复至额定值并保持稳定；蓄电池电流的为负时为后级制动能量回馈过程，负向电流即能量回馈电流，符合预计情况。仿真证实该能量回馈拓扑能够实现制动时母线电容C1的能量向蓄电池回馈，同时实现母线电压及励磁电流在制动状态下的精确控制。
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 (7)

1.一种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；
所述前级DC/DC变换器包括开关管S1～S6、开关管Sa、开关管Sb、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，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；
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Sa的一端，开关管Sa的另一端与母线电容C1的正极连接；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Sb的一端，开关管Sb的另一端连接蓄电池正极。
2.一种如权利要求1所述电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的多模态能量回馈控制方法，其特征在于，在制动过程中开关管S3、S5恒关，开关管S1、S4维持励磁绕组F1的电流保持恒定，开关管S2、S6、Sa、Sb均工作在PWM状态，其中，S2与S6开关状态相同，通过控制开关管开关管S2、S6、Sa、Sb的导通和关断状态，实现系统工作在制动能量回馈、励磁绕组释放能量和励磁绕组存储能量三个不同的工作模态，实现系统在制动能量回馈工作模态时的直流母线电压控制，并控制励磁绕组F2的电流在进入制动状态时维持方向和大小恒定不变。
3.根据权利要求2所述电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的多模态能量回馈控制方法，其特征在于，制动能量回馈工作模态下的控制策略如下：
制动能量回馈工作模态下，Sa、Sb导通，S2、S6关断，该模态下励磁绕组F2串联于母线电容C1与蓄电池之间，母线电压大于蓄电池电压，母线电容C1经过励磁绕组F2向蓄电池回馈能量使得母线电压下降，同时向励磁绕组F2供能使得励磁电流iF2增大，前级DC/DC变换器的电压方程为：
Figure FDA0003140192150000011
其中，Udc为直流母线电容C1的电压，Ub为蓄电池电压，LF2、RF2、iF2分别为励磁绕组F2的电感、电阻、电流，eF2为该段励磁绕组和电枢绕组之间的反电势。
4.根据权利要求2所述电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的多模态能量回馈控制方法，其特征在于，励磁绕组释放能量工作模态下的控制策略如下：
励磁绕组释放能量工作模态下，Sb导通，S2、S6、Sa关断，该模态下励磁绕组F2与蓄电池反向串联，F2经过开关管Sb和二极管D2向蓄电池释放能量使得iF2下降，而母线电容C1与前级连接断开，因后级制动能量输入使得电压上升；前级DC/DC变换器的电压方程为：
Figure FDA0003140192150000021
5.根据权利要求2所述电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的多模态能量回馈控制方法，其特征在于，励磁绕组存储能量工作模态下的控制策略如下：励磁绕组存储能量工作模态下，S2、S6导通，Sa、Sb关断，该模态下励磁绕组F2与蓄电池正向串联，蓄电池向励磁绕组F2充能使iF2上升，而母线电容C1与前级连接断开，因后级制动能量输入使得电压上升；前级DC/DC变换器的电压方程为：
Figure FDA0003140192150000022
6.根据权利要求2所述电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的多模态能量回馈控制方法，其特征在于，制动能量回馈、励磁绕组释放能量和励磁绕组存储能量三个工作模态的开关管工作占空比分别为d1、d2、d3，母线电压Udc与励磁电流iF2通过调节占空比d1、d3进行控制，制动过程中，当母线电压上升时，通过增大占空比d1将母线电容C1上多余的能量回馈至蓄电池，以维持母线电压恒定，励磁绕组F2因向蓄电池释放能量导致励磁电流iF2下降时，通过增大占空比d3将蓄电池中的能量重新释放至励磁绕组以维持励磁电流iF2恒定，在一个PWM周期中，前级DC/DC变换器的电压方程为：
Figure FDA0003140192150000023
7.根据权利要求2所述电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统的多模态能量回馈控制方法，其特征在于，在励磁绕组释放能量工作模态和励磁绕组能量存储工作模态之间需设置死区时间控制。
CN202110732110.7A 2021-06-30 2021-06-30 电励磁双凸极电机驱动充电系统多模态能量回馈控制方法 Active CN113489419B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110732110.7A CN113489419B (zh) 2021-06-30 2021-06-30 电励磁双凸极电机驱动充电系统多模态能量回馈控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110732110.7A CN113489419B (zh) 2021-06-30 2021-06-30 电励磁双凸极电机驱动充电系统多模态能量回馈控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113489419A true CN113489419A (zh) 2021-10-08
CN113489419B CN113489419B (zh) 2023-04-25

Family

ID=77936820

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110732110.7A Active CN113489419B (zh) 2021-06-30 2021-06-30 电励磁双凸极电机驱动充电系统多模态能量回馈控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113489419B (zh)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2704967Y (zh) * 2004-03-18 2005-06-15 王循跃 一种直流电动机脉宽调速与电制动装置
JP2009213290A (ja) * 2008-03-05 2009-09-17 Juki Corp モータの駆動装置
CN102324876A (zh) * 2011-09-08 2012-01-18 山东科技大学 矿用新型磷酸铁锂双电机斩波调速电机车管控系统
JP2015089166A (ja) * 2013-10-28 2015-05-07 リンナイ株式会社 ステッピングモータの回路システムの異常検知装置
CN105196880A (zh) * 2015-09-06 2015-12-30 哈尔滨工业大学 交直流混合励磁轨道涡流制动器
CN107979321A (zh) * 2017-12-27 2018-05-01 南京航空航天大学 复用励磁绕组的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统
CN108649856A (zh) * 2018-04-12 2018-10-12 南京航空航天大学 电励磁双凸极电机能量回馈系统和控制方法
CN109450340A (zh) * 2018-11-12 2019-03-08 南京航空航天大学 电励磁双凸极电机失磁故障容错发电系统及其控制方法
CN110138306A (zh) * 2019-04-11 2019-08-16 南京航空航天大学 一种电励磁双凸极电机功率变换器及其方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2704967Y (zh) * 2004-03-18 2005-06-15 王循跃 一种直流电动机脉宽调速与电制动装置
JP2009213290A (ja) * 2008-03-05 2009-09-17 Juki Corp モータの駆動装置
CN102324876A (zh) * 2011-09-08 2012-01-18 山东科技大学 矿用新型磷酸铁锂双电机斩波调速电机车管控系统
JP2015089166A (ja) * 2013-10-28 2015-05-07 リンナイ株式会社 ステッピングモータの回路システムの異常検知装置
CN105196880A (zh) * 2015-09-06 2015-12-30 哈尔滨工业大学 交直流混合励磁轨道涡流制动器
CN107979321A (zh) * 2017-12-27 2018-05-01 南京航空航天大学 复用励磁绕组的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统
CN108649856A (zh) * 2018-04-12 2018-10-12 南京航空航天大学 电励磁双凸极电机能量回馈系统和控制方法
CN109450340A (zh) * 2018-11-12 2019-03-08 南京航空航天大学 电励磁双凸极电机失磁故障容错发电系统及其控制方法
CN110138306A (zh) * 2019-04-11 2019-08-16 南京航空航天大学 一种电励磁双凸极电机功率变换器及其方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JIADAN WEI ET AL.: "The Optimized Triloop Control Strategy of Integrated Motor-Drive and Battery-Charging System Based on the Split-Field-Winding Doubly Salient Electromagnetic Machine in Driving Mode", 《IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS》 *
TAOJING ZHANG ET AL.: "An Integrated Motor-Drive and Battery-Charging System Based on Split-Field-Winding Doubly Salient Electromagnetic Machine", 《 IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS》 *
张乐 等: "电动汽车集成车载大功率充电器的研究", 《微特电机》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113489419B (zh) 2023-04-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107979321B (zh) 复用励磁绕组的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统
CN107521354B (zh) 电动汽车的驱动系统及驱动方法
CN110061678B (zh) 一种电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统
CN109450340B (zh) 电励磁双凸极电机失磁故障容错发电系统的控制方法
CN101159422A (zh) 具有近似恒功率牵引电机特性的永磁直流电机驱动控制系统
CN103414337A (zh) 一种电动车开关磁阻电机功率变换器拓扑结构
CN102166962A (zh) 一种纯电动汽车制动能量回馈控制系统
Cao et al. Fuzzy-logic-based sliding-mode controller design for position-sensorless electric vehicle
CN1881727B (zh) 用于燃料电池应用的有源直流总线滤波器
Kavitha et al. An adjustable speed PFC buck-boost converter fed sensorless BLDC motor
CN102611369B (zh) 电动汽车专用开关磁阻电机调速系统
CN113364388B (zh) 一种基于srm的驱动重构型电路及车载集成充馈电系统
CN103401499A (zh) 基于电流型逆变器盘式无铁心永磁同步电机控制器及方法
Omara et al. Bidirectional interleaved DC/DC converter for electric vehicle application
CN100386221C (zh) 电动车飞轮电池辅助电源系统的构建方法
CN111231702B (zh) 基于双源电机的燃料电池汽车动力系统
Hasanah et al. Bidirectional VSI as a regenerative-braking converter for BLDC motor—An analysis on a plug-in electric vehicle application
Deepa et al. A novel switching scheme for regenerative braking and battery charging for BLDC motor drive used in electric vehicle
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
Cao et al. Energy-regenerative fuzzy sliding mode controller design for ultracapacitor-battery hybrid power of electric vehicle
CN113489418B (zh) 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
CN210852070U (zh) 电动汽车车载用基于双能量源的制动能量回馈装置
Cao et al. Neural network sliding mode control based on on-line identification for electric vehicle with ultracapacitor-battery hybrid power
CN110614922A (zh) 电动汽车车载用基于双能量源的制动能量回馈装置及控制方法
CN113489419B (zh) 电励磁双凸极电机驱动充电系统多模态能量回馈控制方法

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