CN114337475A - 电机加热控制方法及装置、动力电池辅助加热方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及车辆技术领域，提供了一种电机加热控制方法及装置、动力电池辅助加热方法及装置，该电机加热控制方法包括：根据电机转子的实际位置角，确定作为直轴电流输入角度的虚拟位置角；所述虚拟位置角使得所述直轴电流与电机的各相电流存在偏角；根据所述虚拟位置角，向电机施加直轴电流，并在一段时间后，增大所述直轴电流，以使所述电机处于堵转发热状态。本申请通过选定合适的虚拟位置角作为直轴电流输入角度，能够实现电机的各相电流的优化分配，以避免电机的单相发热最高，提高电机加热的效率和可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及车辆技术领域，特别涉及一种电机加热控制方法及装置、动力电池辅助加热方法及装置。
背景技术
车辆的动力电池在低温环境下性能下降，因此需要对动力电池进行加热以提高动力电池的性能，基于原有的利用正温度系数(Positive Temperature Coefficient，PTC)热敏电阻等电阻制热类装置对动力电池进行加热所带来的成本高、安装空间大等缺点，一些改进方案提出采用电机堵转等方式实现电机自发热来加热动力电池，取代原有的部分或全部PTC部件，以提升系统集成度并降低成本。但这种电机堵转的加热方案中，以三相电机为例，相电流的分配取决于电机转子的实际位置角，不论是向电机注入直流或是交流电流，都面临三相通流不均衡、发热不均匀的问题。最恶劣情况下，某一相电流负载达到最大，容易导致单相高压应力超限、单相温升过快，进而导致靠近该单相绕组的温度传感器迅速过热，引起电机迅速降额，影响电机的发热功率，导致动力电池的加热速率受到影响。同时，三相绕组发热不均匀也会造成发热严重的一相寿命较短，长期使用会影响电机的对称性和可靠性。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种电机加热控制方法及装置、动力电池辅助加热方法及装置，通过选定合适的虚拟位置角作为直轴电流输入角度，能够实现电机的各相电流的优化分配，以避免电机的单相发热最高，提高电机加热的效率和可靠性。
为达到上述目的，本申请的第一方面提供一种电机加热控制方法，包括：
根据电机转子的实际位置角，确定作为直轴电流输入角度的虚拟位置角；该虚拟位置角使得所述直轴电流与电机的各相电流存在偏角；
根据该虚拟位置角，向电机施加直轴电流，并在一段时间后，增大该直轴电流，以使电机处于堵转发热状态。
由上，本方法在控制电机堵转发热前，首先根据电机转子当前的实际位置角，确定作为直轴电流输入角度的虚拟位置角，该虚拟位置角使得输入到电机的直轴电流与电机的相轴线存在偏角，从而避免直轴电流与电机的相轴线重合，导致电机单相发热最高。然后再根据该虚拟位置角，向电机施加较小的直轴电流，并持续一段时间后，增大该直轴电流，以满足电机的加热功率需求，使电机处于堵转发热状态。通过首先向电机施加较小的直轴电流，并持续一段时间后再增大该直轴电流，可避免电机因突然施加加热功率所需的直轴电路时造成的静态扭矩冲击问题。因此，本方法通过虚拟位置角施加直轴电流，可实现电机的各相电流的优化分配，避免某一相电流达到最恶劣工况造成的高压应力与热风险，有效提高电机加热的效率和可靠性，同时，采用分阶段施加直轴电流，还可避免直接施加加热功率所需的直轴电流所造成的静态扭矩冲击问题。
在第一方面的一种可能的实现方式中，该虚拟位置角的确定步骤包括：
确定位置角序列中的与实际位置角距离最近的位置角为虚拟位置角；该位置角序列为根据电机的各个相轴线和偏角获取的至少一个位置角的集合。
由上，根据电机转子的实际位置角，在位置角序列中择近获取位置角作为直轴电流输入角度的虚拟位置角，可避免虚拟位置角与实际位置角相差太大时，向虚拟位置角施加直轴电流造成的电机转子的扭矩冲击。
在第一方面的一种可能的实现方式中，该位置角序列包括第一序列，该第一序列的确定步骤包括：
根据电机的各个相轴线与最优偏角，获取直轴电流在360°平面内的至少一个最优位置角组成第一序列；该最优偏角为电机处于最优的堵转发热工况时的直轴电流与电机某一相电流的夹角。
由上，当施加到电机的直轴电流为固定值时，根据派克变换，分配到电机各相的相电流取决于直轴电流的位置角，根据电机堵转发热的特性，当直轴电流与电机的某一相电流重合时，即直轴与电机的某一相轴线的夹角为0°时，电机的该相发热最严重，电机处于最恶劣的发热工况下。当直轴与电机的任意一个相轴线的夹角为最优夹角时，可使该电机处于最优的堵转发热工况下，因此可定义堵转发热工况最优时的直轴电流与电机的某一相电流的夹角为最优偏角，该最优偏角取决于电机的相数，因此根据该电机的各个相轴线以及该最优偏角，可计算得到直轴电流在360°平面内的最优位置角，并组成第一序列，当需要确定作为直轴电流输入角度的虚拟位置角时，根据电机转子当前的实际位置角，从第一序列中选择距离最近的位置角作为虚拟位置角，然后根据该虚拟位置角，向电机施加直轴电流，从而使电机处于最优发热工况。
在第一方面的一种可能的实现方式中，该最优偏角为：
α＝360°/4m；
其中，α为最优偏角，m为电机的相数。
在第一方面的一种可能的实现方式中，该位置角序列包括第二序列，该第二序列的确定步骤包括：
根据电机的各个相轴线与次优偏角，获取直轴电流在360°平面内的至少一个次优位置角组成所述第二序列；该次优偏角为0°偏角与最优偏角之间的某一偏角。
由上，当外界条件受限例如齿轴转动空间受限时，此时可根据实际情况采用0°与最优偏角之间某一偏角作为次优偏角，然后根据该电机的各个相轴线以及该次优偏角，可计算得到直轴电流在360°平面坐标系中的次优位置角，并组成第二序列，当需要确定作为直轴电流输入角度的虚拟位置角时，根据电机转子当前的实际位置角，从第二序列中选择距离最近的位置角作为虚拟位置角，然后根据该虚拟位置角，向电机施加直轴电流，从而使电机处于次优发热工况，该次优发热工况虽然不及最优发热工况，但仍然优于电机的最恶劣发热工况，也可提高电机加热的效率和可靠性。
在第一方面的一种可能的实现方式中，该位置角序列包括第三序列，该第三序列的确定步骤包括：
将获取的至少一个最优位置角和至少一个次优位置角组成该第三序列。
由上，通将电机的最优发热工况和次优发热工况下的直轴电流的位置角进行合并组成第三序列，当确定作为直轴电流输入角度的虚拟位置角时，根据电机转子当前的实际位置角，从第三序列中选择距离最近的位置角作为虚拟位置角，然后根据该虚拟位置角，向电机施加直轴电流，从而使电机处于最优或次优发热工况。
在第一方面的一种可能的实现方式中，该增大为线性增大。
由上，本方法在确定了作为直轴电流输入角度的虚拟位置角后，通过分阶段以及线性增大的方式，向电机施加加热功率所需的直轴电流，从而控制电机在最优工况或次优工况下处于堵转发热状态，同时还能避免电机转子的扭矩冲击问题。
在第一方面的一种可能的实现方式中，还包括：
完成电机的堵转发热后，将直轴电流减小至0。
由上，在完成电机的堵转发热后，将施加到电机的直轴电流进行线性减小，直至减小至0后，使电机退出堵转发热状态。
为达到上述目的，本申请的第二方面提供一种电机加热控制装置，包括：
计算模块，用于根据电机转子的实际位置角，确定作为直轴电流输入角度的虚拟位置角；该虚拟位置角使得所述直轴电流与电机的各相电流存在偏角；
控制模块，用于根据该虚拟位置角，向电机施加直轴电流，并在一段时间后，增大该直轴电流，以使电机处于堵转发热状态。
由上，本装置在控制电机堵转发热前，首先根据电机转子当前的实际位置角，确定作为直轴电流输入角度的虚拟位置角，该虚拟位置角使得输入到电机的直轴电流与电机的相轴线存在偏角，从而避免直轴电流与电机的相轴线重合，导致电机单相发热最高。然后再根据该虚拟位置角，向电机施加较小的直轴电流，并持续一段时间后，增大该直轴电流，以满足电机的加热功率需求，使电机处于堵转发热状态。通过首先向电机施加较小的直轴电流，并持续一段时间后再增大该直轴电流，可避免电机因突然施加加热功率所需的直轴电路时造成的静态扭矩冲击问题。因此，本装置通过虚拟位置角施加直轴电流，可实现电机的各相电流的优化分配，避免某一相电流达到最恶劣工况造成的高压应力与热风险，有效提高电机加热的效率和可靠性，同时，采用分阶段施加直轴电流，还可避免直接施加加热功率所需的直轴电流所造成的静态扭矩冲击问题。
在第二方面的一种可能的实现方式中，该虚拟位置角的确定步骤包括：
确定位置角序列中的与实际位置角距离最近的位置角为虚拟位置角；该位置角序列为根据电机的各个相轴线和偏角获取的至少一个位置角的集合。
在第二方面的一种可能的实现方式中，该位置角序列包括第一序列，该第一序列的确定步骤包括：
根据电机的各个相轴线与最优偏角，获取直轴电流在360°平面内的至少一个最优位置角组成第一序列；该最优偏角为电机处于最优的堵转发热工况时的直轴电流与电机某一相电流的夹角。
在第二方面的一种可能的实现方式中，该最优偏角为：
α＝360°/4m；
其中，α为最优偏角，m为电机的相数。
在第二方面的一种可能的实现方式中，该位置角序列包括第二序列，该第二序列的确定步骤包括：
根据电机的各个相轴线与次优偏角，获取直轴电流在360°平面内的至少一个次优位置角组成所述第二序列；该次优偏角为0°偏角与最优偏角之间的某一偏角。
在第二方面的一种可能的实现方式中，该位置角序列包括第三序列，该第三序列的确定步骤包括：
将获取的至少一个最优位置角和至少一个次优位置角组成该第三序列。
在第二方面的一种可能的实现方式中，该增大为线性增大。
在第二方面的一种可能的实现方式中，还包括：
完成电机的堵转发热后，将直轴电流减小至0。
为达到上述目的，本申请的第三方面提供一种动力电池辅助加热装置，包括：
电机，该电机通过电机加热控制方法处于堵转发热状态；
热传输装置，用于将电机堵转发热产生的热量传输至动力电池。
为达到上述目的，本申请的第四方面提供一种动力电池辅助加热方法，包括：
获取动力电池的当前温度；
当该当前温度低于阈值时，采用电机加热控制方法使电机处于堵转发热状态；
将电机堵转发热产生的热量传输至动力电池，对该动力电池进行加热。
由上，本方法通过对动力电池的温度进行监测，并在低于阈值时，通过上述的电机加热控制方法进行电机加热，并将产生的热量传输至动力电池，以对动力电池进行加热，改善动力电池在低温环境下的性能下降问题。
为达到上述目的，本申请的第五方面提供一种车辆，包括：
控制器、动力电池、逆变器、电机、热传输装置；
该控制器采用电机加热控制方法，控制逆变器输出电流，以使电机处于堵转发热状态；
该热传输装置将电机堵转发热产生的热量传输至该动力电池。
为达到上述目的，本申请的第六方面提供一种计算设备，包括：
至少一个处理器，以及
至少一个存储器，其上存储有程序指令，该程序指令当被该至少一个处理器执行时使得该至少一个处理器执行电机加热控制方法、或动力电池辅助加热方法。
为达到上述目的，本申请的第七方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，该程序指令当被计算机执行时使得该计算机执行电机加热控制方法、或动力电池辅助加热方法。
为达到上述目的，本申请的第八方面提供一种计算机程序产品，其包括有程序指令，该程序指令当被计算机执行时使得该计算机执行电机加热控制方法、或动力电池辅助加热方法。
本申请的这些和其它方面在以下(多个)实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
以下参照附图来进一步说明本申请的各个特征和各个特征之间的联系。附图均为示例性的，一些特征并不以实际比例示出，并且一些附图中可能省略了本申请所涉及领域的惯常的且对于本申请非必要的特征，或是额外示出了对于本申请非必要的特征，附图所示的各个特征的组合并不用以限制本申请。另外，在本说明书全文中，相同的附图标记所指代的内容也是相同的。具体的附图说明如下：
图1为本申请实施例的一种应用车辆的示意图；
图2为本申请实施例的一种电机的结构示意图；
图3为本申请实施例的一种逆变器的电路示意图；
图4为本申请实施例的一种三相电机的三相轴线与dq轴的示意图；
图5为本申请实施例的一种电机加热控制方法的流程图；
图6为本申请实施例的最优工况下的第一序列的位置角示意图；
图7为本申请实施例的次优工况下的第二序列的位置角示意图；
图8A为本申请实施例的一种加热控制系统的一种示意图；
图8B为本申请实施例的一种加热控制系统的另一种示意图；
图9为本申请实施例的一种电机加热控制装置的示意图；
图10为本申请实施例的一种计算设备的结构性示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
说明书和权利要求书中的词语“第一、第二、第三等”或模块A、模块B、模块 C等类似用语，仅用于区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。
在以下的描述中，所涉及的表示步骤的标号，如S410、S420……等，并不表示一定会按此步骤执行，在允许的情况下可以互换前后步骤的顺序，或同时执行。
说明书和权利要求书中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的元件或步骤。因此，其应当诠释为指定所提到的所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或更多其它特征、整体、步骤或部件及其组群。因此，表述“包括装置A和B的设备”不应局限为仅由部件A和B组成的设备。
本说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例结合描述的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指同一实施例，但可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，能够以任何适当的方式组合各特定特征、结构或特性，如从本公开对本领域的普通技术人员显而易见的那样。
对本申请具体实施方式进行进一步详细说明之前，对本申请实施例中涉及的技术用语进行说明。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。如有不一致，以本说明书中所说明的含义或者根据本说明书中记载的内容得出的含义为准。另外，本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
为了准确地对本申请中的技术内容进行叙述，以及为了准确地理解本申请，在对具体实施方式进行说明之前先对本说明书中所使用的术语给出如下的解释说明或定义。
1)PTC器件：阻值具有正温度系数的加热电阻器件，超过一定的温度时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高；
2)直轴，又称为d轴，由direct axis或d-axis简化翻译而来；交轴，又称为q轴，由quadrature axis或q-axis简化翻译而来；同步电机中转子磁极的中心线为直轴方向，两相邻磁极之间的垂直平分线为交轴方向；
3)派克变换(Park Transformation)：一种电机分析方法，将静止的三相坐标投影到随着转子旋转的dq轴坐标中的直轴(d轴)、交轴(q轴)与垂直于dq平面的零轴(0轴)上去，从而实现了对定子电感矩阵的对角化，对同步电动机的运行分析起到了简化作用；
4)综合电流矢量：在电流的dq轴坐标系或三相坐标系下，各轴上电流的矢量组成的和矢量即为综合电流矢量；
5)电机堵转：电机堵转是电机转速为0但定子电流不为0的情况，堵转工况转子输出扭矩可能为0，也可能不为0；
6)位置角：电机的各个相轴线的所在位置或者电机转子的所在位置在360°平面坐标系中的角度。
7)偏角：d轴位置与电机某一相轴线的夹角，或d轴电流与电机某一相电流的夹角；
最恶劣工况与最恶劣偏角：本申请实施例中的工况具体指电机的堵转发热工况，最恶劣工况为综合电流矢量与某一相电流对齐，即d轴电流与电机的某一相电流重合，此时d轴电流与电机的某一相电流的夹角为0°，定义该夹角为最恶劣偏角。以三相电机为例，假设该三相电机的三相轴线在360°平面坐标系中分别为0°，120°，240°，则在360°平面坐标系内，当d轴电流的位置角为0°和180°时，d轴电流与电机的0°相轴线重合，当d轴电流的位置角为60°和240°时，d轴电流与电机的240°相轴线重合，当d轴电流的位置角为120°和300°时，d轴电流与电机的120°相轴线重合。即最恶劣工况下，三相电机的d轴电流的最恶劣位置角序列为(0°，60°，120°，180°，240°， 300°)。同理，五相电机的五相轴线在360°平面坐标系中分别为0°，72°，144°，216°， 288°，则五相电机的d轴电流的最恶劣位置角序列为(0°，36°，72°，108°，144°， 180°，216°，252°，288°，324°；六相电机的六相轴线在360°平面坐标系中分别为0°， 60°，120°，180°，240°，300°，则六相电机的d轴电流的最恶劣位置角序列为(0°， 60°，120°，180°，240°，300°)。
8)最优工况、最优偏角与第一序列：当d轴电流与电机的任意一个相轴线的夹角为最优夹角时，可使该电机的各相电流得到优化分配，进而使该电机处于最优工况下，因此可定义最优工况下的d轴电流与电机的某一相电流的夹角为最优偏角，该最优偏角取决于电机的相数，具体为α＝(360°)/4m，其中m为电机的相数，α为最优偏角。d 轴电流与电机的某一相电流的夹角为最优偏角时，此时d轴电流的位置角可以定义为最优位置角，将360°平面坐标系中的所有最优位置角进行集合即可生成第一序列。以三相电机为例，最优偏角为30°，该三相电机的三相轴线在360°平面坐标系中分别为 0°，120°，240°，则三相电机的d轴电流的第一序列为(30°，90°，150°，210°，270°， 330°)。以五相电机为例，最优偏角为18°，五相电机的五相轴线在360°平面坐标系中分别为0°，72°，144°，216°，288°，则五相电机的d轴电流的第一序列为(18°， 54°，90°，126°，162°，198°，234°，270°，306°，342°)；以此类推，六相电机的最优偏角为15°，则六相电机的d轴电流的第一序列为(15°，45°，75°，105°，135°， 165°，195°，225°，255°，285°，315°，345°)，九相电机的最优偏角为10°，则九相电机的d轴电流的第一序列为(10°，30°，50°，70°，90°，110°，130°，150°，170°， 190°，210°，230°，250°，270°，290°，310°，330°，350°)；
9)次优工况、次优偏角与第二序列：当外界条件受限时(例如转子齿轴转动空间受限)，可根据实际情况采用最恶劣偏角与最优偏角之间的某一偏角作为次优偏角，也可缓解最恶劣偏角下的绕组/IGBT温升过快及IGBT高压应力问题。以三相电机为例，最恶劣偏角为0°，最优偏角为30°，若受限于外界条件，也可采用0°<α<30°的值作为次优偏角，当d轴电流与电机的某一相电流的夹角为次优偏角时，此时d轴电流的位置角可以定义为次优位置角，本申请定义次优偏角可在以下集合中选取：(5°， 6.6667°，7.5°，10°，12°，13.3333°，15°，20°，22.5°，25°，26.6667°)。将360°平面坐标系中的所有次优位置角进行集合即可生成第二序列，例如选取次优偏角＝10°，则三相电机的d轴电流的第二序列为(10°，50°，70°，110°，130°，170°，190°，230°， 250°，290°，310°，350°)。
10)第三序列：可以将上述第一序列和第二序列进行组合生成第三序列，以三相电机为例，三相电机的d轴电流的第一序列为(30°，90°，150°，210°，270°，330°)；当选取次优偏角＝10°时，三相电机的d轴电流的第二序列为(10°，50°，70°，110°， 130°，170°，190°，230°，250°，290°，310°，350°)。则第三序列为第一序列与第二序列的并集合：(10°，30°，50°，70°，90°，110°，130°，150°，170°，190°，210°，230°，250°，270°，290°，310°，330°，350°)。
下面，首先对现有技术进行分析：
技术一公开了一种电动汽车动力电池组加热控制方法，包括以下步骤：将动力电池、电机控制系统和车身电机串联形成动力电池回路；车辆启动前，电机控制系统检测动力电池的温度和电压，当检测的动力电池的温度低于动力电池可输出最佳效能的温度T以及动力电池电压U大于动力系统额定电压U0时，对动力电池进行加热控制；对动力电池进行加热控制的方法为：利用电机作为限流缓冲装置，控制电机控制系统的开关管的导通方式，同时调节导通的开关管的占空比控制动力电池回路相电流，使动力电池内阻发热从而带动动力电池温度升高，实现动力电池的可控升温。
技术一缺陷：由于开关管的导通方式是通过固定导通其中的三个开关管，其中串联的两个开关管不同时导通，使电机处于自然堵转状态，控制动力电池回路零机械功率输出对动力电池进行加热。会使得动力电池输出的能量全部用于电池内阻与电机内阻发热，导致电机实际堵转工作在单相发热最严重工况，不能实现相电流的优化分配；同时，采用导通开关管的方式直接给定相电流还会在整车上带来扭矩冲击问题。
技术二公开了一种动力电池加热方法，用于向车辆的动力电池进行加热，所述动力电池加热方法包括：获取所述动力电池的当前温度值，以及所述车辆的电机的当前工作状态；根据所述当前温度值和所述电机的当前工作状态判断所述动力电池是否满足加热条件；若所述动力电池满足加热条件，则获取所述动力电池的加热功率；获取预设直轴电流，并根据所述动力电池的加热功率获取相应的预设交轴电流；控制三相逆变器中功率器件的通断状态，使得三相交流电机根据加热能量源提供的加热能量产生热量以对流经所述动力电池的冷却液进行加热，并在加热过程中根据所述预设直轴电流和预设交轴电流控制所述三相逆变器对所述三相交流电机的相电流进行调节。
技术二缺陷：电流分配仍取决于转子的实际位置，未对电流分配做进一步优化，仍然会带来电机堵转工作于最恶劣工况的情况；同时，由于三相交流电机的相电流也是直接给定，同样也会在整车上带来扭矩冲击问题。
基于此，本申请实施例提供了一种电机加热控制方法及装置、动力电池辅助加热方法、车辆，能够对电机的各相电流进行优化分配，以使电机的各相绕组均匀发热，提高电机加热的效率和可靠性。本申请适用于多相绕组的永磁同步电机，电机相数可以为3相、5相、6相、9相等。下面对本申请进行详细介绍。
本申请的应用场景可以为车辆，具体可以是轿车、货车、客运客车，运动型多用途汽车(sport utility vehicle，SUV)等不同类型汽车中的任意一种，还可以是三轮车、二轮车、火车等载人或者载货的陆地运输装置，或者飞机、船舶等其他类型的交通工具。如图1所示为本申请实施例的一种应用车辆的示意图，该车辆中包括电机100、电池300，以及用于控制电机100和电池300的控制器210、逆变器220，其中控制器 210可根据车辆的供电需求，控制逆变器220将电池300的直流电变换成交流电提供至电机100，以控制电机100的转子转动或者控制电机100的绕组进行辅助加热。
如图2所示为本申请实施例的一种电机的结构示意图，该电机可以为永磁同步电机，其结构与常见的电机结构相同，内部包括转子、定子铁心、定子绕组。该电机为多相绕组电机，其电机相数可以为3相、5相、6相、9相等。该电机常用的冷却方式可以为油冷、水冷、或空冷。
如图3所示为本申请实施例的一种逆变器的电路示意图，该逆变器为DC/AC逆变器，本实施例中采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)组成控制电路，该控制电路中IGBT的通断控制信号由上述的控制器210提供。以对三相电机的控制为例，本实施例通过采用6个IGBT组成逆变控制电路，将电池端的直流电流变换成三相交流电流，分别提供至三相电机的三相绕组(U、V、W)，以控制三相电机的转速或扭矩输出，以及下文所述的堵转加热。
如图4所示为本申请实施例的一种三相电机的三相轴线与dq轴的示意图，该图 4中，通过派克变换将静止的三相坐标投影到随着转子旋转的dq轴坐标中的d轴、q 轴，则三相电流也会通过派克变换投影形成d轴电流和q轴电流，将d轴电流与某一相电流(例如U相电流)的夹角θ定义为本申请实施例中的偏角，下文所述的最优偏角、次优偏角及最恶劣偏角中的偏角均是指d轴电流与某一相电流的夹角θ。根据d轴电流与电机的三相电流的夹角，对三相电机中的三相电流矢量进行三角函数变换以及综合计算，即可得到d轴电流矢量Id。同理，根据d轴电流矢量Id也可计算得到三相电机中的三相电流矢量。基于此，现有技术中采用电机堵转的方式进行电机加热时，即是通过采用Id＝给定电流值、Iq＝0的方式实现，Id向三相坐标轴投影，则三相电流值由d轴电流的位置角决定，当转子旋转使d轴与某一相轴线重合，即d轴电流与某一相电流的夹角θ为0°时，电机处于最恶劣工况下，此时会导致电机总发热能力相同的情况下，与d轴重合的一相绕组发热最大，该相的IGBT高压应力与热风险最高，同时导致靠近该相绕组的温度传感器迅速过热，引起电机降额导致发热功率受限。
实施例一
基于上述结构及电路，如图5所示，本申请实施例提供了一种电机加热控制方法，根据电机转子当前的实际位置角，确定作为直轴电流输入角度的虚拟位置角，并通过将电机加热过程分为牵引阶段和加热阶段，根据虚拟位置角，在牵引阶段向电机施加较小的直轴电流，并持续一段时间后增大该直轴电流以满足电机的加热功率，使电机处于堵转发热状态。由此可实现电机各相电流的优化分配，进而实现对电机加热的有效控制，以避免电机的单相发热过高，提高电机加热的效率和可靠性。该方法包括下述步骤：
S510：根据电机转子的实际位置角，确定作为d轴电流输入角度的虚拟位置角；所述虚拟位置角使得所述d轴电流与电机的各相电流存在偏角；
以安装于车辆的三相电机为例，车辆在静止状态下，当电机的控制器发送控制信号控制电机加热功能启动时，获取当前状态下电机转子的实际位置角，由于dq轴坐标系与电机三相坐标系存在派克变换关系，其中d轴为电机转子磁极的中心线，且随着电机转子的旋转而变化，因此，在获取了电机转子的实际位置角后，即可确定d轴的实际位置角，本实施例中将该实际位置角用符号“θ”表示。
根据d轴的实际位置角，可确定与该实际位置角距离最近的虚拟位置角，本实施例中将该虚拟位置角用符号“θ0”表示。该虚拟位置角作为d轴电流输入角度，使得 d轴电流与电机的各相电流均存在偏角，从而避免d轴电流与电机的任意一相电流重合，导致电机的单相发热最高；
本实施例中，可根据最优工况(即最优偏角)对应的第一序列确定所述虚拟位置角。例如图6所示，以三相电机为例，假设该三相电机的d轴的实际位置角θ为15°，如前所述，三相电机的d轴电流的第一序列为(30°，90°，150°，210°，270°，330°)。由于第一序列中的30°与所述15°距离最近，故确定出的虚拟位置角θ0为30°。
在另一些实施例中，还可根据次优工况(即次优偏角)对应的第二序列确定所述虚拟位置角。例如图7所示，仍以三相电机为例，假设该三相电机的d轴的实际位置角θ为15°，如前所述，三相电机的d轴电流的第二序列为(10°，50°，70°，110°， 130°，170°，190°，230°，250°，290°，310°，350°)。由于第二序列中的10°与所述 15°距离最近，故确定出的虚拟位置角θ0为10°。
在另一些实施例中，还可根据最优工况与次优工况(即最优偏角与次优偏角)对应的第三序列确定所述虚拟位置角。例如：仍以三相电机为例，假设该三相电机的d 轴的实际位置角θ为15°，如前所述，三相电机的d轴电流的第三序列为(10°，30°， 50°，70°，90°，110°，130°，150°，170°，190°，210°，230°，250°，270°，290°，310°， 330°，350°)。由于第三序列中的10°与所述15°距离最近，故确定出的虚拟位置角θ0为10°。
S520：根据所述虚拟位置角，向电机施加d轴电流，并在一段时间后，增大所述 d轴电流，以使所述电机处于堵转发热状态；
将上述确定出的虚拟位置角θ0作为d轴电流输入角度，向电机分阶段施加d轴电流。具体的，可首先向电机施加较小的d轴电流，该d轴电流可以作为牵引电流，牵引电机转子从当前的实际位置角θ向所述虚拟位置角θ0旋转，也可以仅仅作为预载电流，使电机处于预堵转状态，当向电机施加加热功率所需的较大的d轴电流时，可防止电机因突然施加的较大d轴电流，产生静态扭矩冲击。本实施例中，d轴的电流矢量Id，可通过矢量变换计算，等效变换为三相电机的三相绕组的电流(Iu，Iv，Iw)。因此，具体可以通过控制器对逆变器中的IGBT进行周期性的控制，从而控制三相电机的三相绕组(U，V，W)的电流，进而实现向电机分阶段施加d轴电流，从而避免电流突然增大导致的整车带来的扭矩冲击问题。
当电机加热任务结束，电机的控制器发送退出辅助加热命令，控制施加到电机的d轴电流线性减小至0，使电机退出堵转发热状态。
综上实施例，本申请提供的电机加热控制方法，通过获取电机转子的实际位置角来确定d轴当前的实际位置角，并基于该实际位置角择近获取作为d轴电流输入角度的虚拟位置角，然后根据该虚拟位置角，分阶段向电机施加d轴电流，以使电机处于堵转发热状态。采用本方法能够避免或改善电机堵转加热工况下，某一相电流达到最恶劣工况造成的高压应力与热风险，进而能够避免或改善某一相绕组温升过快，使电机温度超温导致功率降额，影响辅助加热性能，除此之外，本方法还通过分阶段施加电流的方式，避免或降低了固定电流矢量造成的扭矩冲击问题。
需要说明的是，本方法适用于多相绕组电机，其电机相数可以为3相、5相、6相、9相等，基于电机相数不同，d轴电流的第一、第二、第三序列也会不同，本申请上述实施例给出的第一、第二、第三序列仅作为一种实现方式，在实施时，应当根据实际需求以及电机转子的实际位置，选择合适的位置角作为d轴电流输入角度。
在一些变形实施例中，上述的电机加热控制方法中，电机堵转发热所产生的热量可以用于对电机润滑油路、动力电池、车内环境的加热。关于对动力电池的加热，将在下面的实施例中进一步介绍。
实施例二
如图8A-图8B所示的本申请的实施例中，还涉及了一种加热控制系统，基于上述电机加热产生的热量可对动力电池进行加热，以改善动力电池的性能。
如图8A为该加热控制系统的一种示意图，该加热控制系统包括电机8110、MCU8120、动力电池8130、油泵8140、换热器8150、冷却回路8160。该图8A的加热控制系统中，电机8110采用油冷的冷却方式，电机发热产生的热量通过油泵8140 中的冷却油带出，再通过换热器8150进行热量交换，加热冷却回路8160中的水或冷却液，该冷却回路8160将热量传输至动力电池8130，从而对动力电池8130进行加热。该冷却回路8160的入口设置于MCU8120一端，出口设置于动力电池8130一端，还可将MCU8120产生的热量带出，对MCU8120进行冷却。该图8A中，动力电池 8130通过直流母线与MCU8120中的逆变器DC/AC8122连接，MCU8120中还包括控制器8121，用于控制逆变器DC/AC中IGBT的通断，以将动力电池8130输出的直流电流变换为交流电流，施加到电机的各相绕组，以控制电机进行辅助加热，该电机加热的控制可参见上述的电机加热控制方法的实施例，此处不再赘述，由此可实现对动力电池的加热控制，以改善动力电池在低温条件下性能下降的问题。
如图8B为该加热控制系统的另一种示意图，该加热控制系统包括电机8210、MCU8220、动力电池8230、冷却回路8240。该图8B的加热控制系统中，电机8210 采用水冷的冷却方式，电机发热产生的热量通过冷却回路8240中的水或冷却液带出，从而对动力电池8230进行加热，该冷却回路8240的入口设置于MCU8220一端，经过电机8210外围，出口设置于动力电池8230一端，还可将MCU8220产生的热量带出，对MCU8220进行冷却。该图8A中，动力电池8230通过直流母线与MCU8220 中的逆变器DC/AC8222连接，MCU8220中还包括控制器8221，用于控制逆变器 DC/AC的通断，以将动力电池8230输出的直流电流变换为交流电流，施加到电机的各相绕组，以控制电机进行辅助加热该电机加热的控制可参见上述的电机加热控制方法的实施例，此处不再赘述，由此可实现对动力电池的加热控制，以改善动力电池在低温条件下性能下降的问题。
实施例三
如图9所示为本申请实施例的一种电机加热控制装置，该装置包括：
计算模块910，用于根据电机转子的实际位置角，确定作为直轴电流输入角度的虚拟位置角；所述虚拟位置角使得所述直轴电流与电机的各相电流存在偏角；
控制模块920，用于根据所述虚拟位置角，向电机施加直轴电流，并在一段时间后，增大所述直轴电流，以使所述电机处于堵转发热状态。
本装置基于上述电机加热控制方法，在控制电机堵转发热前，首先根据电机转子当前的实际位置角，确定作为直轴电流输入角度的虚拟位置角，该虚拟位置角使得输入到电机的直轴电流与电机的相轴线存在偏角，从而避免直轴电流与电机的相轴线重合，导致电机单相发热最高。然后再根据该虚拟位置角，向电机施加较小的直轴电流，并持续一段时间后，增大该直轴电流，以满足电机的加热功率需求，使电机处于堵转发热状态。通过首先向电机施加较小的直轴电流，并持续一段时间后再增大该直轴电流，可避免电机因突然施加加热功率所需的直轴电路时造成的静态扭矩冲击问题。因此，本装置通过虚拟位置角施加直轴电流，可实现电机的各相电流的优化分配，避免某一相电流达到最恶劣工况造成的高压应力与热风险，有效提高电机加热的效率和可靠性，同时，采用分阶段施加直轴电流，还可避免直接施加加热功率所需的直轴电流所造成的静态扭矩冲击问题。
实施例四
图10是本申请实施例提供的一种计算设备1000的结构性示意图。该计算设备1000包括：处理器1010、存储器1020、通信接口1030、总线1040。
应理解，图10所示的计算设备1000中的通信接口1030可以用于与其他设备之间进行通信。
其中，该处理器1010可以与存储器1020连接。该存储器1020可以用于存储该程序代码和数据。因此，该存储器1020可以是处理器1010内部的存储模块，也可以是与处理器1010独立的外部存储模块，还可以是包括处理器1010内部的存储模块和与处理器1010独立的外部存储模块的部件。
其中，计算设备1000还可以包括总线1040。其中，存储器1020、通信接口1030 可以通过总线1040与处理器1010连接。总线1040可以是外设部件互连标准(PeripheralComponent Interconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry StandardArchitecture，EISA)总线等。所述总线1040可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图10中仅用一条线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
应理解，在本申请实施例中，该处理器1010可以采用中央处理模块(centralprocessing unit，CPU)。该处理器还可以是其它通用处理器、数字信号处理器(digitalsignal processor，DSP)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(field programmable gate Array，FPGA)或者其它可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。或者该处理器1010采用一个或多个集成电路，用于执行相关程序，以实现本申请实施例所提供的技术方案。
该存储器1020可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器1010提供指令和数据。处理器1010的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。例如，处理器 1010还可以存储设备类型的信息。
在计算设备1000运行时，所述处理器1010执行所述存储器1020中的计算机执行指令执行上述方法的操作步骤。
应理解，根据本申请实施例的计算设备1000可以对应于执行根据本申请各实施例的方法中的相应主体，并且计算设备1000中的各个模块的上述和其它操作和/或功能分别为了实现本实施例各方法的相应流程，为了简洁，在此不再赘述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时用于执行一种电机加热控制方法，该方法包括上述各个实施例所描述的方案中的至少之一。
本申请实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是，但不限于，电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中连接了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括、但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、 C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请的构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本申请的保护范畴。
Claims (22)
1.一种电机加热控制方法，其特征在于，包括：
根据电机转子的实际位置角，确定作为直轴电流输入角度的虚拟位置角；所述虚拟位置角使得所述直轴电流与电机的各相电流存在偏角；
根据所述虚拟位置角，向电机施加直轴电流，并在一段时间后，增大所述直轴电流，以使所述电机处于堵转发热状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述虚拟位置角的确定步骤包括：
确定位置角序列中的与所述实际位置角距离最近的位置角为所述虚拟位置角；所述位置角序列为根据电机的各个相轴线和所述偏角获取的至少一个位置角的集合。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述位置角序列包括第一序列，该第一序列的确定步骤包括：
根据所述电机的各个相轴线与最优偏角，获取所述直轴电流在360°平面内的至少一个最优位置角组成所述第一序列；所述最优偏角为电机处于最优的堵转发热工况时的所述直轴电流与电机某一相电流的夹角。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述最优偏角为：
α＝360°/4m；
其中，α为所述最优偏角，m为所述电机的相数。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述位置角序列包括第二序列，该第二序列的确定步骤包括：
根据所述电机的各个相轴线与次优偏角，获取所述直轴电流在360°平面内的至少一个次优位置角组成所述第二序列；所述次优偏角为0°偏角与所述最优偏角之间的某一偏角。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述位置角序列包括第三序列，该第三序列的确定步骤包括：
将获取的至少一个最优位置角和至少一个次优位置角组成所述第三序列。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增大为线性增大。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
完成所述电机的堵转发热后，将所述直轴电流减小至0。
9.一种电机加热控制装置，其特征在于，包括：
计算模块，用于根据电机转子的实际位置角，确定作为直轴电流输入角度的虚拟位置角；所述虚拟位置角使得所述直轴电流与电机的各相电流存在偏角；
控制模块，用于根据所述虚拟位置角，向电机施加直轴电流，并在一段时间后，增大所述直轴电流，以使所述电机处于堵转发热状态。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述虚拟位置角的确定步骤包括：
确定位置角序列中的与所述实际位置角距离最近的位置角为所述虚拟位置角；所述位置角序列为根据电机的各个相轴线和所述偏角获取的至少一个位置角的集合。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述位置角序列包括第一序列，该第一序列的确定步骤包括：
根据所述电机的各个相轴线与最优偏角，获取所述直轴电流在360°平面内的至少一个最优位置角组成所述第一序列；所述最优偏角为电机处于最优的堵转发热工况时的所述直轴电流与电机某一相电流的夹角。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述最优偏角为：
α＝360°/4m；
其中，α为所述最优偏角，m为所述电机的相数。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述位置角序列包括第二序列，该第二序列的确定步骤包括：
根据所述电机的各个相轴线与次优偏角，获取所述直轴电流在360°平面内的至少一个次优位置角组成所述第二序列；所述次优偏角为0°偏角与所述最优偏角之间的某一偏角。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述位置角序列包括第三序列，该第三序列的确定步骤包括：
将获取的至少一个最优位置角和至少一个次优位置角组成所述第三序列。
15.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述增大为线性增大。
16.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括：
完成所述电机的堵转发热后，将所述直轴电流减小至0。
17.一种动力电池辅助加热装置，其特征在于，包括：
电机，所述电机通过权利要求1至8任意一项所述的电机加热控制方法处于堵转发热状态；
热传输装置，用于将所述电机堵转发热产生的热量传输至所述动力电池。
18.一种动力电池辅助加热方法，其特征在于，包括：
获取动力电池的当前温度；
当所述当前温度低于阈值时，采用权利要求1至8任意一项所述的电机加热控制方法使电机处于堵转发热状态；
将所述电机堵转发热产生的热量传输至所述动力电池，对所述动力电池进行加热。
19.一种车辆，其特征在于，包括：
控制器、动力电池、逆变器、电机、热传输装置；
所述控制器采用权利要求1至8任意一项所述的电机加热控制方法，控制所述逆变器输出电流，以使所述电机处于堵转发热状态；
所述热传输装置将所述电机堵转发热产生的热量传输至所述动力电池。
20.一种计算设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器，以及
至少一个存储器，其上存储有程序指令，所述程序指令当被所述至少一个处理器执行时使得所述至少一个处理器执行权利要求1至8任意一项所述的电机加热控制方法、或权利要求18所述的动力电池辅助加热方法。
21.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有程序指令，所述程序指令当被计算机执行时使得所述计算机执行权利要求1至8任意一项所述的电机加热控制方法、或权利要求18所述的动力电池辅助加热方法。
22.一种计算机程序产品，其特征在于，其包括有程序指令，所述程序指令当被计算机执行时使得所述计算机执行权利要求1至8任意一项所述的电机加热控制方法、或权利要求18所述的动力电池辅助加热方法。
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|---|---|---|---|
| CN202110481223.4A CN114337475A (zh) | 2021-04-30 | 2021-04-30 | 电机加热控制方法及装置、动力电池辅助加热方法及装置 |
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