CN114336763B - 三相串联绕组的单相并网零转矩集成充电结构及充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三相串联绕组的单相并网零转矩集成充电结构及充电方法，属于电动汽车领域。在开绕组电机静止坐标系下，采用比例‑谐振调节器控制单相并网电流。其中，0轴电流可以分担并网电流在αβ轴上的分量，减小脉振电流，降低对永磁体的损耗。由上述αβ0三轴电流控制算法得到四组桥臂输出电压指令后，通过载波比较的方法，得到逆变器的驱动信号，进而实现整体单相并网充电控制。本发明提供的充电方案可以保障桥臂电流应力均分，在单相充电电流一定的情况下将整体桥臂损耗降至最低。此外，对于含永磁体的开绕组电机，该方案在整体充电功率不变的情况下，能大幅减小充磁弱磁电流，对永磁体损耗较小。

Description

三相串联绕组的单相并网零转矩集成充电结构及充电方法

技术领域

本发明属于电动汽车领域，更具体地，涉及三相串联绕组的单相并网零转矩集成充电结构及充电方法。

背景技术

目前，电动汽车发展十分迅速。在电驱动方面，电机高速动力性能差，效率低已经成为当前待解决痛点。专利CN108258976B提出了一种开绕组电机驱动器拓扑及其调制方法，该拓扑结构能使直流母线电压利用率提升1.74倍，电机高速动力性能提升十分显著。专利CN111786613B借助该三相串联拓扑提出了其故障容错方法。可以说相比于传统三相半桥拓扑，串联绕组拓扑在驱动性能方面更优，此外通过零轴控制自由度，能实现更多功能。

同时，电动汽车车载充电器为电池充电提供了便利，保障了电动汽车续航能力。然而，受限于电动汽车体积及成本等因素，学术界与工业界提出了集成充电器的方案，通过电机驱动部分的复用，使得电驱能具备集成充电功能，降低整体电驱系统成本，减少空间，具有很深远的研究意义与实用价值。其中，专利CN110667418B提出了一种单相并网零转矩集成充电器拓扑结构及控制方法。该方法基于传统三相半桥拓扑，通过脉振电流的方式使电机转子固定，实现了零转矩充电，但该方案使并网电流全部由脉振电流承担，对含永磁体的电机来讲，会对永磁体产生较大损耗，且桥臂电流应力无法均分，导通损耗较大，充电上限功率受限。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了三相串联绕组的单相并网零转矩集成充电结构及充电方法，其目的在于，面向在驱动方面输出动力性能更好的、具备故障容错能力的三相串联绕组拓扑，利用已有硬件构成一个低成本的，不占额外空间的车载充电器。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种三相串联绕组的单相并网零转矩集成充电结构，包括一个直流高压蓄电池、一个含四桥臂的逆变器、一台三相开绕组永磁同步电机或感应电机、一个继电器以及一个单相电网接口，继电器与单相电网接口通过电气连接关系并联形成单相集成驱动充电接口，单相集成驱动充电接口串入B相绕组左侧与第二桥臂输出中点的位置或是B相绕组右侧与第三桥臂输出中点的位置(为避免重复说明，下面内容以单相电网接口位于开绕组电机引出的B相绕组左侧与第二桥臂输出中点的位置这一情况说明)。

直流高压蓄电池的正极性端口与四桥臂逆变器的正极性端口连接，直流高压蓄电池的负极性端口与四桥臂逆变器的负极性端口连接，即直流高压蓄电池与四桥臂逆变器构成并联。

四桥臂逆变器由一个直流滤波电容与八个电流双向的电力电子开关管构成。直流滤波电容位于逆变器的直流侧，电容正极性侧为直流母线正极性端口，电容负极性侧为直流母线负极性端口，八个电力电子开关管两两串联，形成四组桥臂，桥臂正极性侧连接直流母线正极性端口，桥臂负极性侧连接直流母线负极性端口，四组桥臂中性点引出分别为1、2、3、4端子。

一台三相开绕组永磁同步电机或感应电机为开绕组电机，即三相中性点不连接在一起的电机，故而电机引出端子为6个，每相绕组引出端子为2个。A相绕组对应A+、A-端子，B相绕组对应B+、B-端子，C相绕组对应C+、C-端子。

单相电网接口有两个端子构成，两个端子用于与单相电网连接。

继电器用于控制拓扑结构工作模式。继电器与单相电网接口并联。继电器与单相电网接口位于开绕组电机引出B相绕组右侧(B-)与第三桥臂输出中点的位置。当继电器合上后，单相电网接口相当于被短路了，外界电网无法并入电路中，此时电机为驱动模式。当继电器断开后，单相电网接口所连接的外界电网得以并入电路中，此时电机为单相并网充电模式。

按照本发明的第二方面，提供了所述三相串联绕组的单相并网零转矩集成充电结构的充电方法，包括以下步骤：

(1)在即将并入电网充电前，继电器保持在驱动模式的连接方式下，此时电网尚未接入；在控制器接收到并网充电的指令后，继电器仍然处于闭合状态，首先先执行电机定位的程序，控制含四桥臂的逆变器的八个开关管，使得电机转子定位到定子B相轴线上。

(2)上述(1)定位步骤完成后，控制器控制继电器断开，外界单相电网得以接入电路中。

(3)利用电网电压传感器，测量得到单相电网瞬时值e，通过单相电网锁相环计算得到电网电压幅值E_m，相位θ。

(4)根据所需的平均充电功率P计算出所需要的并网电流幅值I_m，当电压电流均为正弦时，可由计算得到并网电流幅值指令I_m，其中，/>为并网电压与并网电流之间的夹角，为了保障功率因数为0，/>取为0，那么I_m＝2P/E_m，由此可以得到并网电流由于电机需要保证零转矩并网，转子不能转动，由(1)中所述，即转子始终位于与B相轴线。在以三相开绕组永磁同步电机或感应电机的A相轴线与α轴重合的坐标系下，

由Clark变换可以得到，

由于是B相并网，故i_b＝i_g，得到，

又由于转子欲控制在B相轴线上，故而存在得到i_a＝i_c，由上述条件得到，

那么在三相串联绕组的拓扑情况下，可以得到四个桥臂的桥臂电流(以桥臂流出为正)：

可以看到当i₀＝2/3i_g，四个桥臂的桥臂电流应力相等，此时整个逆变器的通断损耗与导通损耗降至最低。此时由于零轴电流的加入，α轴与β轴电流得以大幅降低，对含有磁体的电机来讲，脉振磁场的充磁弱磁效应对电机存在损害，故而零轴电流的使用，使得α轴与β轴电流造成的脉振磁场大幅减小，对电机损害大幅减小。

α轴电流指令为β轴电流指令为/>0轴电流指令为/>为了使桥臂电流应力均分，减小桥臂开关损耗，经过计算分析，I₀＝2/3I_m时各个桥臂电流应力相等，故而后续均将I₀均为2/3I_m。

(5)利用电流传感器测到的三相电流瞬时值i_a，i_b，i_c，通过等幅值Clark变换，由i_a，i_b及i_c得到i_α，i_β和i₀。

(6)将得到的i_α，i_β和i₀与(4)中的α轴β轴0轴电流指令分别相减得到α轴β轴0轴的差值，即，

(7)将(6)中所述的α轴的差值经过α轴的比例-谐振调节器，将β轴的差值经过β轴的比例-谐振调节器，0轴的差值经过0轴的比例-谐振调节器。上述α轴β轴0轴的比例-谐振调节器均为频率为并网频率的调节器，由此得到了α轴β轴0轴的调节电压u_α，u_β，u₀。

(8)将(7)中所述的α轴β轴0轴的调节电压u_α，u_β，u₀通过反Clark变换，得到开绕组电机ABC三相绕组的调节电压。然后将并网相(B相)绕组的调节电压加上电网电压传感器测到的电压值，得到四桥臂的逆变器中2-3桥臂调节电压的差值u_2-3，此外，开绕组电机A相绕组调节电压为四桥臂的逆变器中1-2桥臂调节电压的差值u_1-2，开绕组电机C相绕组调节电压为四桥臂的逆变器中3-4桥臂调节电压的差值u_3-4。将u_1-2，u_2-3，u_3-4通过Clark变换得到相比于传统三相半桥拓扑，三相串联绕组拓扑桥臂具有零轴电压成分，为了减小各个桥臂的零轴电压应力，故而四个桥臂的零轴调节电压成分依次为，

(9)根据广义Clark逆变换，结合(8)中所得到的各个桥臂的零轴电压成分。得到各个桥臂的调节电压。

(10)将所得到的四个桥臂调节电压分别除以直流电压传感器中测到的直流母线电压u_DC得到四个桥臂的调制电压u_1m，u_2m，u_3m，u_4m。

(11)将(10)中所得到的四个桥臂的调制电压u_1m，u_2m，u_3m，u_4m与高频三角载波(正负幅值为1与-1)，由此得到四桥臂逆变器的八个开关管的驱动信号。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明所提出的一种三相串联绕组的单相并网零转矩集成充电结构，额外添加的器件仅仅为一个继电器，成本低廉，占用空间较小。

(2)本发明采用特殊单相电网并入的连接方式，利用所提供的独特结构优势能使桥臂电流应力均分，降低导通与开关损耗，提升并网充电的效率和可靠性，为提高充电功率上限提供可能。

(3)利用串联绕组能注入零轴电流的独特优势，与三相半桥拓扑相比，该方案能大幅减小脉振电流，大幅降低对含永磁体的电机的损害，保障含永磁体电机的寿命。

附图说明

图1为本发明实施例提供的三相串联绕组的单相并网零转矩集成充电结构示意图；

图2为本发明实施例提供的三相串联绕组的单相并网零转矩集成充电器电路拓扑结构图；

图3为本发明实施例提供的三相串联绕组的单相并网零转矩集成充电结构的充电方法的框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的方法实施例中，本发明所提供的三相串联绕组的单相并网零转矩集成充电结构，如图1所示，包括：

动力电池组；

直流电压传感器，用于测量动力电池组的直流母线电压，所测到的直流母线电压值反馈至数字信号处理器中；

四桥臂逆变器，包含直流母线电容、八个电流双向电力电子开关器件构成的四个桥臂，八个电力电子开关器件接收数字信号处理器的开关管驱动信号；

三相电流传感器，用于测量流过三相电机绕组上的电流瞬时值，电流规定流入电机为正方向，将测到的三相电流瞬时值反馈至数字信号处理器中；

三相电机，为异步电机或永磁同步电机；

集成驱动充电接口，包含一个继电器和接线端口，继电器与接线端口呈并联连接。继电器接收数字信号处理器的继电器开断信号。当系统运行在电机驱动工作状况下，继电器为闭合状态，将接线端口连接的外界电网短路。当系统运行在并网充电工作状况下，继电器为断开状态，由接线端口连接的外界单相电网串入电路中；

电网电压传感器，用于测量接入的单相电网电压瞬时值，并将该电压瞬时值反馈至数字信号处理器中；

电网接口，用于提供电网接入电路的接口；

数字信号处理器，用于接收直流电压传感器测量的直流电压母线电压、电网电压传感器测量的电网电压瞬时值以及三相电流传感器测量的电机绕组上的电流反馈信号，运行并网控制算法，输出控制四桥臂逆变器的八个控制信号。

在本发明的方法实施例中，本发明所提供的三相串联绕组的单相并网零转矩集成充电结构电路拓扑，如图2所示，包括一个直流高压蓄电池①、一个四桥臂逆变器②、一台三相永磁同步电机或感应电机③、一个继电器④以及一个单相电网接口⑤，继电器④与单相电网接口⑤并联构成集成驱动充电接口⑥，集成驱动充电接口⑥串入B相绕组左侧与第二桥臂输出中点之间的位置或是B相绕组右侧与第三桥臂输出中点的位置。

直流高压蓄电池①的正极性端口与四桥臂逆变器②的正极性端口连接，直流高压蓄电池①的负极性端口与四桥臂逆变器②的负极性端口连接，即直流高压蓄电池①与四桥臂逆变器②构成并联。

四桥臂逆变器②由一个直流滤波电容与八个电流双向的电力电子开关管构成。直流滤波电容位于逆变器的直流侧，电容正极性侧为直流母线正极性端口，电容负极性侧为直流母线负极性端口，八个电力电子开关管两两串联，形成四组桥臂，桥臂正极性侧连接直流母线正极性端口，桥臂负极性侧连接直流母线负极性端口，四组桥臂中性点引出分别为1、2、3、4端子。

一台三相开绕组永磁同步电机或感应电机③为开绕组电机，即三相中性点不连接在一起的电机，故而电机引出端子为6个，每相绕组引出端子为2个。A相绕组对应A+、A-端子，B相绕组对应B+、B-端子，C相绕组对应C+、C-端子。

单相电网接口⑤有两个端子构成，两个端子用于与单相电网连接。

继电器④用于控制拓扑结构工作模式。继电器④与单相电网接口⑤并联。继电器④与单相电网接口⑤位于开绕组电机引出B相绕组右侧(B-)与第三桥臂输出中点的位置。当继电器④合上后，单相电网接口⑤相当于被短路了，外界电网无法并入电路中，此时电机为驱动模式。当继电器④断开后，单相电网接口⑤所连接的外界电网得以并入电路中，此时电机为单相并网充电模式。

(1)在即将并入电网充电前，继电器④保持在驱动模式的连接方式下，此时电网尚未接入；在控制器接收到并网充电的指令后，继电器④仍然处于闭合状态，首先执行电机定位的程序，控制含四桥臂的逆变器②的八个开关管，使得电机转子定位到定子B相轴线上。

(2)上述(1)定位步骤完成后，控制器控制继电器④断开，外界单相电网得以接入电路中。

(3)利用电网电压传感器，测量得到单相电网瞬时值e，通过单相电网锁相环计算得到电网电压幅值E_m，相位θ。

(4)根据所需的平均充电功率P计算出所需要的并网电流幅值I_m，当电压电流均为正弦时，可由计算得到并网电流幅值指令I_m，其中，/>为并网电压与并网电流之间的夹角，为了保障功率因数为0，/>取为0，那么I_m＝2P/E_m，由此可以得到并网电流由于电机需要保证零转矩并网，转子不能转动，由(1)中所述，即转子始终位于与B相轴线。在以三相开绕组永磁同步电机或感应电机③的A相轴线与α轴重合的坐标系下，α轴电流指令为，/>β轴电流指令为/>0轴电流指令为/>为了使桥臂电流应力均分，减小桥臂开关损耗，经过计算分析，I₀＝2/3I_m时各个桥臂电流应力相等，故而后续均将I₀为2/3I_m。

(5)利用电流传感器测到的三相电流瞬时值，i_a，i_b，i_c，通过等幅值Clark变换，由i_a，i_b及i_c得到i_α，i_β和i₀。

(6)将得到的i_α，i_β和i₀与(4)中的α轴β轴0轴电流指令分别相减得到α轴β轴0轴的差值，即，

(7)将(6)中所述的α轴的差值经过α轴的比例-谐振调节器，将β轴的差值经过β轴的比例-谐振调节器，0轴的差值经过0轴的比例-谐振调节器。上述α轴β轴0轴的比例-谐振调节器均为频率为并网频率的调节器，由此得到了电机三相绕组的α轴β轴0轴的调节电压u_α，u_β，u₀。

(8)将(7)中所述的α轴β轴0轴的调节电压u_α，u_β，u₀通过反Clark变换，得到开绕组电机③ABC三相绕组的调节电压。然后将并网相(B相)绕组的调节电压加上电网电压传感器测到的电压值，得到四桥臂的逆变器②中2-3桥臂调节电压的差值u_2-3，此外，开绕组电机③A相绕组调节电压为四桥臂的逆变器②中1-2桥臂调节电压的差值u_1-2，开绕组电机③C相绕组调节电压为四桥臂的逆变器②中3-4桥臂调节电压的差值u_3-4。将u_1-2，u_2-3，u_3-4通过Clark变换得到相比于传统三相半桥拓扑，三相串联绕组拓扑桥臂具有零轴电压成分，为了减小各个桥臂的零轴电压应力，故而四个桥臂的零轴调节电压成分依次为，

(9)根据广义Clark逆变换，结合(8)中所得到的各个桥臂的零轴电压成分。得到各个桥臂的调节电压。

(10)将所得到的四个桥臂调节电压分别除以直流电压传感器中测到的直流母线电压u_DC得到四个桥臂的调制电压u_1m，u_2m，u_3m，u_4m；

(11)将(10)中所得到的四个桥臂的调制电压u_1m，u_2m，u_3m，u_4m与高频三角载波(正负幅值为1与-1)，由此得到四桥臂逆变器②的八个开关管的驱动信号。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.三相串联绕组拓扑的单相并网零转矩集成充电结构的充电方法，其特征在于，所述三相串联绕组拓扑的单相并网零转矩集成充电结构包括：

电池；直流电压传感器，用于测量电池的直流母线电压；四桥臂逆变器，包括直流母线电容、八个电流双向电力电子开关管构成的四个桥臂；三相电机；三相电流传感器，用于测量流过三相电机绕组上的电流瞬时值，设定电流流入电机为正方向；电网接口，用于提供单相电网接入电路的接口；电网电压传感器，用于测量接入的单相电网电压瞬时值；数字信号处理器，用于接收直流母线电压、单相电网电压瞬时值以及三相电机绕组上的电流瞬时值，运行并网控制算法，输出控制四桥臂逆变器的八个控制信号；直流母线电容位于逆变器的直流侧，直流母线电容正极性侧为直流母线正极性端口，直流母线电容负极性侧为直流母线负极性端口，八个电流双向电力电子开关管两两串联，形成四组桥臂，四组桥臂正极性侧均连接直流母线正极性端口，四组桥臂负极性侧均连接直流母线负极性端口，四组桥臂中性点引出分别为端子1、2、3、4；三相电机A相连接逆变器端子1与2，B相连接逆变器端子2与3，C相连接逆变器端子3与4，所述集成驱动充电接口串入B相绕组左侧与端子2之间的位置或是B相绕组右侧与端子3之间的位置；

集成驱动充电接口，包括一个继电器和接线端口，继电器与接线端口呈并联连接；继电器用于接收数字信号处理器的四桥臂逆变器的八个控制信号，当系统运行在电机驱动工作状况下，继电器为闭合状态，将接线端口连接的单相电网短路，当系统运行在并网充电工作状况下，继电器为断开状态，由接线端口连接的单相电网串入电路中，实现能量从单相电网到电池的传输；

所述充电方法包括以下步骤：

(1)接入单相电网前，继电器闭合，电机处于驱动模式，运行电机定位程序，使得电机转子直轴轴线位于定子的B相绕组轴线上；

(2)关闭电机定位程序，接入单相电网，运行三相串联绕组零转矩控制并网程序，得到四桥臂逆变器输出电压指令u₁，u₂，u₃，u₄；包括以下控制过程：

(2-1)利用测量得到的单相电网电压瞬时值e，通过单相电网锁相环计算得到电网电压幅值E_m，相位θ；

(2-2)根据所需的平均充电功率P计算并网电流幅值指令I_m＝2P/E_m，在以三相开绕组永磁同步电机或感应电机的A相轴线与α轴重合的坐标系下，得到α轴电流指令β轴电流指令为/>0轴电流指令为/>其中，/>为并网电压与并网电流之间的夹角；

(2-3)利用测量得到的三相电流瞬时值i_a，i_b，i_c，通过等幅值Clark变换，得到i_α，i_β，i₀，将其与α轴β轴0轴电流指令分别相减，即

(2-4)将(2-3)中得到的差值分别进入比例-谐振调节器，由此得到了α轴β轴0轴的调节电压u_α，u_β，u₀；

(2-5)将(2-4)中所述的α轴β轴0轴的调节电压u_α，u_β，u₀通过反Clark变换，得到电机三相绕组的调节电压，然后将B相绕组的调节电压加上电网电压传感器测到的电压值，得到四桥臂逆变器中第二桥臂和第三桥臂调节电压的差值u_2-3，同时，A相绕组调节电压为四桥臂逆变器中第一桥臂和第二桥臂调节电压的差值u_1-2，C相绕组调节电压为四桥臂逆变器中第三桥臂和第四桥臂调节电压的差值u_3-4，将u_1-2，u_2-3，u_3-4通过Clark变换得到从而得到四桥臂逆变器输出电压指令u₁，u₂，u₃，u₄：

(3)根据所述u₁，u₂，u₃，u₄以及电池两端电压，计算得到四组桥臂的调制电压，生成用于驱动逆变器开关管的PWM信号，实现能量从单相电网到电池的传输。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，三相电机为异步电机或永磁同步电机。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电机引出端子为六个，每相绕组引出端子为两个，A相绕组对应A+、A-端子，B相绕组对应B+、B-端子，C相绕组对应C+、C-端子。