CN115632546B - 一种基于混合功率控制的电动汽车母线电容主动放电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于混合功率控制的电动汽车母线电容主动放电方法，属于电动汽车母线电容放电领域。通过计算母线电压降低到安全电压需要释放的功率以及绕组最大放电功率，获得泄放电阻在安全时间内的平均放电功率。通过永磁同步电机绕组和泄放电阻的混合放电能量流动模型得到泄放电阻瞬时放电功率，并根据自适应滑模趋近律得到永磁同步电机电流内环的q轴和d轴给定值。本发明针对电动汽车驱动系统，结合自适应滑模趋近律实现电机绕组和泄放电阻混合功率控制，不仅能减小泄放电阻体积，提高混合放电方法的实用性，还能提高泄放电阻放电功率跟踪的动态性能，减小系统抖振，实现了电动汽车母线电容的快速放电，具有放电能力强和安全性高的优点。

Description

一种基于混合功率控制的电动汽车母线电容主动放电方法
技术领域
本发明属于电动汽车母线电容放电领域，具体涉及一种基于混合功率控制的电动汽车母线电容主动放电方法。
背景技术
相比于传统内燃机车，电动汽车不消耗化石燃料，因此逐渐成为交通工具的主流。永磁同步电机具有功率密度高、调速范围广和控制简单的特点而被广泛用作电动汽车主驱动电机。为了提高电动汽车的续航里程和提高电动汽车充电速度，母线电容汽车驱动系统电压逐渐提高，导致电动汽车驱动系统母线电压远超过安全电压(60V)，为了避免电动汽车发生碰撞等紧急情况时高压对乘客造成触电危险，国际ECE R94 要求电动汽车母线电容电压应在5 s内降低到安全电压，以防止对乘客造成电击伤害。
为了快速将母线电压降低到安全电压，目前现有的放电法方法主要有两种，第一种方法是将电机绕组作为泄放电阻，将能量释放到电机绕组上，最终以热能形式消耗掉，但该方法存在泄放功率小，而且母线电压存在浪涌风险。第二种方法是通过在电动汽车驱动系统中增加外部泄放电阻来增加系统放电容量，将碰撞时电机和母线电容能量泄放在电机绕组和泄放电阻上，虽然该方法实现了电机绕组和泄放电阻的混合放电，但是该方法在放电过程中逆变器工作在不控模式，使得泄放电阻和电机绕组放电功率较小，造成泄放电阻体积和重量较大，限制了该方法在电动汽车实际碰撞工况下的应用。
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混合功率控制的电动汽车母线电容主动放电方法，该方法通过计算功率误差自适应滑模趋近律，使泄放电阻在放电过程中的放电功率保持在最大值，并使电机dq轴电流保持在电流极限圆上来实现绕组铜耗最大，通过这两种方式减小了泄放电阻的体积和重量，增强了混合放电方法的实用性；本发明不仅可以减小泄放电阻体积，而且可以提高泄放电阻放电功率跟踪的动态性能，相较于现有的混合放电方法，本发明具有放电能力强，放电安全性高，适应性强的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于混合功率控制的电动汽车母线电容主动放电方法，包括以下步骤：
(1) 测量电动汽车驱动系统中永磁同步电机实时转速，根据电动汽车驱动系统参数，计算母线电压降低到安全电压时系统需要释放的总能量以及永磁同步电机绕组在安全时间内能够释放的最大能量；
(2) 根据系统需要释放的总能量和永磁同步电机绕组在安全时间内能够释放的最大能量，计算泄放电阻在安全时间内的平均放电功率；
(3) 根据永磁同步电机的数学模型建立永磁同步电机绕组和泄放电阻的混合放电能量流动模型，根据稳态条件下的混合放电能量流动模型得到泄放电阻瞬时放电功率；
(4) 根据步骤(3)得到泄放电阻瞬时放电功率和步骤(2)得到的泄放电阻在安全时间内的平均放电功率，得到功率误差自适应滑模趋近律；
(5) 根据所述的自适应滑模趋近律和混合放电能量流动模型，计算得到永磁同步电机电流内环的q轴和d轴给定值。
进一步地，将系统需要释放的总能量与同步电机绕组在安全时间内能够释放的最大能量的差值作为泄放电阻需要释放的能量，根据泄放电阻需要释放的能量计算得到泄放电阻的平均放电功率。
进一步地，所述的永磁同步电机绕组和泄放电阻的混合放电能量流动模型如下：
Figure 95761DEST_PATH_IMAGE001
稳态条件下，混合放电能量流动模型如下：
Figure 278480DEST_PATH_IMAGE002
式中，P b 为泄放电阻瞬时放电功率，u dc 为母线电压，C为母线电容，R b 为泄放电阻的阻值。
进一步地，所述的功率误差自适应滑模趋近律如下：
Figure 464742DEST_PATH_IMAGE003
Figure 125530DEST_PATH_IMAGE004
式中，P b 为泄放电阻瞬时放电功率，P ex *为泄放电阻在安全时间内的平均放电功 率，e为功率跟踪误差，k、
Figure 471061DEST_PATH_IMAGE005
为指数趋近项增益参数，并且满足k >0、0<
Figure 434469DEST_PATH_IMAGE005
<1；
Figure 232661DEST_PATH_IMAGE006
为等速趋近项的增益参数，并满足
Figure 336621DEST_PATH_IMAGE007
；f (e,s)代表自适应滑模趋近律，sgn(.)表示符号函数，s表示积分滑模面。
进一步地，所述的电动汽车驱动系统包括动力电池、高压断路器、功率开关、泄放电阻、母线电容、三相逆变器和永磁同步电机；所述的功率开关和泄放电阻串联形成泄放电路，所述的高压断路器串联在动力电池组和泄放电路之间，所述的三相逆变器输入侧和母线电容均与泄放电路并联，所述的三相逆变器输出侧接三相永磁同步电机。
进一步地，当电动汽车发生碰撞时，电动汽车驱动系统中的高压断路器迅速断开，泄放电路中的功率开关闭合，电动汽车驱动系统从转速控制模式切换到混合放电模式。
本发明的有益技术效果如下：
（1）本发明通过泄放电阻和电机绕组混合放电，增强了电动汽车驱动系统的放电能力，解决了高速大转动惯量时传统绕组放电方法失效以及传统增加泄放电阻放电时体积大的问题，本发明采用的混合放电方法可以还防止再生制动电流过大导致的母线电压浪涌问题。
（2）本发明通过建立永磁同步电机绕组和泄放电阻的混合放电能量流动模型，并通过自适应滑模功率控制器使泄放电阻瞬时放电功率实时跟踪泄放电阻在安全时间内的平均放电功率，所采用的自适应滑模趋近律增强了泄放电阻放电功率的动态性能和系统鲁棒性，与传统的PI控制相比缩短了滑动模态的到达时间，减小了电流的抖振。
附图说明
图1为本发明实施例示出的电动汽车高压驱动系统的结构示意图；
图2为本发明实施例示出的基于混合功率控制的电动汽车母线电容主动放电方法控制框图；
图3中的(a)至(d)分别为本发明提出的控制方法下的母线电压波形、泄放电阻功率、d轴电流波形和q轴电流波形；
图4中的(a)至(d)分别为PI控制下的母线电压波形、泄放电阻功率、d轴电流波形和q轴电流波形。
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，本实施例示出了一种电动汽车高压驱动系统，主要由动力电池、高压断路器K b 、功率开关S b 、泄放电阻R b 、薄膜电容、三相逆变器Si,i=1,2,…,6、永磁同步电机PMSM等组成。所述的功率开关S b 和泄放电阻R b 串联形成泄放电路，所述的高压断路器K b 串联在动力电池组和泄放电路之间；薄膜电容和三相逆变器输入侧均与泄放电路并联，三相逆变器输出侧接三相永磁同步电机。
在放电过程中，所述的电动汽车高压驱动系统中的泄放电阻放电功率的控制过程如下：
建立永磁同步电机dq坐标系下的数学模型：
Figure 271079DEST_PATH_IMAGE008
其中，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 分别是永磁同步电 机的d轴电压和q轴电压，L是永磁同步电机的电感，R为定子相电阻，w 2是机械角速度，w 1是电 气角速度，p是极对数，
Figure 530022DEST_PATH_IMAGE009
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。
以国际ECE R94 要求的5 s内作为安全时间，根据上式获得电机绕组在5s内能释放的能量为：
Figure 690876DEST_PATH_IMAGE010
而母线电压降低到安全电压时，系统需要泄放的总能量为：
Figure 959046DEST_PATH_IMAGE011
由放电过程中系统需要泄放的总能量和绕组可泄放能量，可求得泄放电阻在安全时间内泄放的平均放电功率为：
Figure 748011DEST_PATH_IMAGE012
电机绕组和泄放电阻混合放电的能量流动模型为：
Figure 584380DEST_PATH_IMAGE013
稳态时，可化简为：
Figure 91584DEST_PATH_IMAGE014
为了充分利用电机绕组的放电能力，需要使电机绕组的铜耗功率最大，所以dq轴电流在放电过程中应处于电流极限圆上，即：
Figure 773232DEST_PATH_IMAGE015
因此能量流动模型可写为：
Figure 682283DEST_PATH_IMAGE016
为了实现对系统放电功率的控制，将泄放电阻实时功率
Figure 548607DEST_PATH_IMAGE017
作为系统变量， 则能量流动模型可表示为：
Figure 917010DEST_PATH_IMAGE018
功率跟踪误差e可表示为：
Figure 526983DEST_PATH_IMAGE019
对上式求导得：
Figure 431485DEST_PATH_IMAGE020
在本发明的一项具体实施中，选择积分滑模面设计功率控制器，所述的积分滑模面表示为：
Figure 468711DEST_PATH_IMAGE021
为了在提高系统动态性能的同时克服传统滑模趋近律抖振大的问题，采用功率误差自适应趋近律，使自适应滑模趋近律增益对功率误差e自适应，自适应滑模趋近律形式如下所示：
Figure 950508DEST_PATH_IMAGE022
功率误差自适应趋近律的自适应增益主要体现在趋近律增益和功率误差e相关， 对误差e自适应。当系统状态远离滑模面时，即
Figure 973958DEST_PATH_IMAGE023
增大，功率误差自适应趋近律增益增大，提 高了滑模面趋近速度；另一方面，当滑模面
Figure 857601DEST_PATH_IMAGE023
减小的时候，即系统状态趋近滑模面时，功率 误差自适应趋近律增益逐渐随误差收敛到零。这说明当系统接近滑模面时，f (e,s)会跟随 误差逐渐减小到零，从而实现对抖振的抑制。
本实施例中，采用基于自适应趋近律的滑模功率控制器(ASMPC)使泄放电阻瞬时放电功率实时跟踪泄放电阻在5s内的平均放电功率，将泄放电阻的放电功率一直维持在给定放电功率。
求解上述自适应滑模趋近律，将积分滑模面代入上式得：
Figure 65728DEST_PATH_IMAGE024
将上式代入跟踪误差e的导数方程得：
Figure 910188DEST_PATH_IMAGE025
对上式进行整理得功率环输出，将功率环输出作为电流环的给定i q *为：
Figure 861963DEST_PATH_IMAGE026
由于dq轴电流轨迹始终位于电流极限圆上，因此d轴电流为：
Figure 974013DEST_PATH_IMAGE027
根据图2所示的框图，本发明所提出的基于混合功率控制的电动汽车母线电容主动放电方法的过程如下：
当电动汽车处于正常工作时，高压断路器K b处于闭合状态，泄放电路功率开关S b处于断开状态，此时系统运行在转速控制模式；当电动汽车发生碰撞等紧急情况时，电动汽车驱动系统收到主动放电请求，母线高压断路器K b迅速断开，功率开关S b迅速导通，系统进入混合放电模式。由角度传感器经过微分单元d/dt后获得当前电机转速 w 1，并根据电机转速计算系统需要泄放的总能量和绕组可泄放能量，求得泄放电阻R b泄放的平均放电功率P ex *。
将泄放电阻平均放电功率作为给定功率，将给定功率和功率计算模块通过母线电 压u dc获得的泄放电阻实时放电功率做差得到功率跟踪误差e，功率误差通过自适应滑模功 率控制器，得到q轴电流给定i q *，进而得到d轴电流的给定i d *。将dq轴电流给定值和相电流 通过位置角和第一坐标变换模块abc/dq得到的dq轴实时测量值i q、i d的误差输入电流内环 PI 控制器；PI控制器输出dq轴给定电压，并通过位置角
Figure 618621DEST_PATH_IMAGE028
和第二坐标变化模块
Figure 809431DEST_PATH_IMAGE029
得到 施加到逆变器上的电压；所述的施加到逆变器上的电压通过SVPWM控制算法对逆变器进行 控制转换为三相相电压。
为了验证本发明所提出的基于混合功率控制的电动汽车母线电容主动放电方法的放电效果，以下表1所示的参数为例，对比本发明与传统的PI控制方法的放电效果。
表1 试验参数
Figure 174685DEST_PATH_IMAGE030
本实施例中，系统放电电流最大35A，采用本发明所提的基于混合功率控制的电动汽车母线电容主动放电方法和PI控制下的放电方法在额定转速为2000r/min时的放电过程母线电压变化曲线如图3中的(a)和图4中的(a)所示。从图中可以看到，母线电压在4.5s下降到安全电压，时间略短于5s。这是由于在建立系统能量流动模型时，未考虑逆变器损耗和摩擦损耗，因此实际放电时间略小于5s。从图3中的(a)和图4中的(a)的动态过程可以看出，本发明所提方法的响应时间分别为0.08s，而PI的响应时间为0.3s，这证明了所提出的ASMPC具有更快的响应速度。而且PI控制下的母线电压出现了振荡和超调，最大超调电压为65V，相比之下，本发明所提放电方法几乎没有电压超调和振荡。图3中的(b)和图4中的(b)为泄放电阻的放电功率，当给定放电功率跃变时，PI控制下的泄放功率在达到给定功率时会出现300W的超调。然而，所提出的ASMPC控制器策略只有110W 的超调。更重要的是，从图3中的(c)、图3中的(d)、图4中的(c)和图4中的(d)可以发现，PI控制下的q轴电流纹波为2.8A大于所提出的 ASMPC控制下的纹波，证明了本发明不仅具有较快的响应速度，而且可以减小电流抖振。
综上，本发明通过计算母线电压下降到安全电压需要释放的能量和电机绕组最大可放电能量，获得外部泄放电阻需释放能量，进而获得泄放电阻在5s内的平均放电功率；通过基于自适应律的自适应滑模功率控制器使泄放电阻瞬时放电功率跟踪泄放电阻在5s内的平均放电功率，将泄放电阻的放电功率和电机绕组的放电功率一直维持在最大放电功率，从而减小了泄放电阻的体积和重量。采用自适应滑模趋近律增强了泄放电阻放电功率的动态性能，缩短了滑动模态的到达时间，减小了电流的抖振，能够实现在5s内将母线电压降低到安全电压。
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 (9)

1.一种基于混合功率控制的电动汽车母线电容主动放电方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)测量电动汽车驱动系统中永磁同步电机实时转速，根据电动汽车驱动系统参数，计算母线电压降低到安全电压时系统需要释放的总能量以及永磁同步电机绕组在安全时间内能够释放的最大能量；
(2)根据系统需要释放的总能量和永磁同步电机绕组在安全时间内能够释放的最大能量，计算泄放电阻在安全时间内的平均放电功率；
(3)根据永磁同步电机的数学模型建立永磁同步电机绕组和泄放电阻的混合放电能量流动模型，根据稳态条件下的混合放电能量流动模型得到泄放电阻瞬时放电功率；
(4)根据步骤(3)得到泄放电阻瞬时放电功率和步骤(2)得到的泄放电阻在安全时间内的平均放电功率，得到功率误差自适应滑模趋近律；
所述的功率误差自适应滑模趋近律如下：
Figure FDA0004068128220000011
Figure FDA0004068128220000012
式中，Pb为泄放电阻瞬时放电功率，
Figure FDA0004068128220000013
为泄放电阻在安全时间内的平均放电功率，e为功率跟踪误差，k、α为指数趋近项增益参数，并且满足k>0、0<α<1；λ、ε、β、δ为等速趋近项的增益参数，并满足λ>0、ε>0、β>1、δ>0；f(e,s)代表自适应滑模趋近律，sgn(.)表示符号函数，s表示积分滑模面；
(5)根据所述的自适应滑模趋近律和混合放电能量流动模型，计算得到永磁同步电机电流内环的q轴和d轴给定值。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合功率控制的电动汽车母线电容主动放电方法，其特征在于，所述的母线电压降低到安全电压时系统需要释放的总能量为：
Figure FDA0004068128220000014
式中，w2-0为永磁同步电机初始机械角速度，w2-th为母线电压降低到安全电压时的永磁同步电机机械角速度，C为母线电容，U0为初始母线电压，J为永磁同步电机的转动惯量，Qdes为母线电压降低到安全电压时系统需要释放的总能量。
3.根据权利要求1所述的一种基于混合功率控制的电动汽车母线电容主动放电方法，其特征在于，所述的永磁同步电机绕组在安全时间内能够释放的最大能量为：
Figure FDA0004068128220000021
式中，R为永磁同步电机定子相电阻，Imax为电动汽车驱动系统的最大安全电流，Qwind为永磁同步电机绕组在安全时间内能够释放的最大能量。
4.根据权利要求1所述的一种基于混合功率控制的电动汽车母线电容主动放电方法，其特征在于，将系统需要释放的总能量与同步电机绕组在安全时间内能够释放的最大能量的差值作为泄放电阻需要释放的能量，根据泄放电阻需要释放的能量计算得到泄放电阻的平均放电功率。
5.根据权利要求1所述的一种基于混合功率控制的电动汽车母线电容主动放电方法，其特征在于，所述的永磁同步电机的数学模型如下：
Figure FDA0004068128220000022
Figure FDA0004068128220000023
Figure FDA0004068128220000024
Figure FDA0004068128220000025
式中，id、iq分别为永磁同步电机的d轴电流和q轴电流，ud、uq分别为永磁同步电机的d轴电压和q轴电压，L为永磁同步电机的电感，R为定子相电阻，w1为电气角速度，w2为机械角速度，p为极对数，ψ为永磁体磁链，B为摩擦系数，J为永磁同步电机的转动惯量，T为电磁转矩。
6.根据权利要求5所述的一种基于混合功率控制的电动汽车母线电容主动放电方法，其特征在于，所述的永磁同步电机绕组和泄放电阻的混合放电能量流动模型如下：
Figure FDA0004068128220000026
稳态条件下，混合放电能量流动模型如下：
Figure FDA0004068128220000027
Figure FDA0004068128220000028
式中，Pb为泄放电阻瞬时放电功率，udc为母线电压，C为母线电容，Rb为泄放电阻的阻值。
7.根据权利要求1所述的一种基于混合功率控制的电动汽车母线电容主动放电方法，其特征在于，永磁同步电机电流内环的q轴给定值的计算公式如下：
Figure FDA0004068128220000031
永磁同步电机电流内环的d轴给定值如下：
Figure FDA0004068128220000032
式中，c为积分滑模面增益系数，Imax为电动汽车驱动系统的最大安全电流，C为母线电容，Rb为泄放电阻的阻值，w1为电气角速度，ψ为永磁体磁链，R为定子相电阻，
Figure FDA0004068128220000033
分别为永磁同步电机电流内环的q轴和d轴给定值。
8.根据权利要求1所述的一种基于混合功率控制的电动汽车母线电容主动放电方法，其特征在于，所述的电动汽车驱动系统包括动力电池、高压断路器、功率开关、泄放电阻、母线电容、三相逆变器和永磁同步电机；所述的功率开关和泄放电阻串联形成泄放电路，所述的高压断路器串联在动力电池组和泄放电路之间，所述的三相逆变器输入侧和母线电容均与泄放电路并联，所述的三相逆变器输出侧接三相永磁同步电机。
9.根据权利要求8所述的一种基于混合功率控制的电动汽车母线电容主动放电方法，其特征在于，当电动汽车发生碰撞时，电动汽车驱动系统中的高压断路器迅速断开，泄放电路中的功率开关闭合，电动汽车驱动系统从转速控制模式切换到混合放电模式。
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