CN116722780B - 基于电机电流和pwm配置的动力电池主动加热方法 - Google Patents

基于电机电流和pwm配置的动力电池主动加热方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电机电流和PWM配置的动力电池主动加热方法，从整车控制器获取电机输出转矩；得到所述电机输出转矩对应的恒转矩电流工作范围，确立恒转矩电流工作点合集，得到基波电流，采用幅值自适应高频电流注入方法，得到合成电流；采用无零电压矢量的PWM方法控制逆变器损耗来弥补电机产生热量不足。本发明不要求电机和电机控制器硬件做设计变更，可以完全依赖软件在任何新能源汽车里实现主动加热功能，能保证主动加热期间电机的控制性能即解决整车的NVH问题，能够随机调节电机电流工作点，保证电机NVH性能。

Description

基于电机电流和PWM配置的动力电池主动加热方法
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体为一种基于电机电流和PWM配置的动力电池主动加热方法。
背景技术
动力电池是纯电动汽车的能量来源，其工作状态受温度的影响比较大，通常在一定的温度范围内才能正常放电，为驱动电机通过所需要的能量。在寒冷天气里，在启动电动汽车以前或在低速运行时，需要辅助手段对动力电池进行预热或加热，尽快提升电芯温度，使其能向驱动电机提供所需的能量。为此，传统电动汽车常常配备辅助加热系统，在环境温度较低时对动力电池进行加热，这种方案被称之为被动加热；但被动加热技术增加了整车的制造成本，也经常引起可靠性问题。为此，一种利用驱动电机产生的热对动力电池进行预热或加热的替代方案被提了出来，并称之为主动加热；显然，因为不需要额外的装置，主动加热技术可以有效解决被动加热技术存在的问题。在静止或低速状态下，驱动电机产生的热主要来自定子绕组的铜耗(焦耳热)，与定子电流的平方成正比例关系，定子电流愈大，为预热或加热动力电池提供的热量愈多，电芯的温升越快。
主动加热技术的基本前提是不能影响驱动电机的运行状态，即保证电机的输出转矩不受影响；在低速运行条件下，电机的转矩比较小，响应的定子电流也非常小，尤其是在静止条件下，电机的电流通常为零。为达到主动加热的目的，需要额外增加定子电流，但增加的电流不能影响电机的转矩，即定子电流增加前后电机的输出转矩保持恒定，否则整车的状态会发生变化，出现失控的现象。
一般情况下，为提升系统的效率，电机运行在最小电流点，并称之为MTPA(MaximumTorque Per Ampere)策略。
由于最小电流点产生的焦耳热通常不能满足主动加热的要求，为此常见的主动加热策略是保持电机输出转矩恒定情况下，在最小电流点和最大电流点之间选择一个固定电流点，在实际应用中主要存在以下几个方面的问题：
1.电机存在48次和96次径向力，其幅值与电机的电流成正比，基于固定电流的主动加热方法，随着电机电流的增加，由48次和96次径向力引起的电机振动和噪声显著增加，将影响整车的舒适性，长时间会引起整车可靠性变差并造成安全隐患；
2.受电机转矩和NVH(噪声、振动与声振粗糙度(Noise、Vibration、Harshness)的英文缩写。这是衡量汽车制造质量的一个综合性问题，它给汽车用户的感受是最直接和最表面的。)控制性能的影响，电机的最大电流能力往往得不到充分利用，造成动力电池加热效果不够理想；
3.在低速运行条件下，电机产生的热主要来自铜耗，其受电机最大电流的限制，因此，仅依赖于电机的主动加热方法通常不能满足动力电池快速加热的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电机电流和PWM配置的动力电池主动加热方法，不要求电机和电机控制器硬件做设计变更，可以完全依赖软件在任何新能源汽车里实现主动加热功能，能保证主动加热期间电机的控制性能即解决整车的NVH问题，能够随机调节电机电流工作点，保证电机NVH性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种技术方案：一种基于电机电流和PWM配置的动力电池主动加热方法，包括以下步骤：
步骤S1，从整车控制器获取电机输出转矩τe；
步骤S2，根据电机输出转矩公式和定子电流公式得到所述电机输出转矩τe对应的恒转矩电流工作范围(Ismin，Ismax)，其中，Ismin为电机输出转矩τe恒定下电机运行在最小电流点，Ismax为电机输出转矩τe恒定下电机运行在最大电流点；
电机输出转矩公式为：其中，τe：电机输出转矩，λm：永磁体产生的转子磁链，P：电机的极对数；Ld：定子绕组d-轴电感，Lq：定子绕组q-轴电感，Id：定子电流的d-轴分量，Iq：定子电流的q-轴分量；当电机输出转矩τe恒定，以Id和Iq为自变量，将电机输出转矩公式绘制成恒转矩曲线；
定子电流公式为：其中Is为电机定子电流，以Id和Iq为自变量，将定子电流公式绘制成电机的电流圆曲线；
步骤S3，在恒转矩曲线上确立N个恒转矩电流工作点Isr_i(i＝1，2，…，N)，其中Isr_1＝Ismin、Isr_N＝Ismax；并由Isr_i(i＝1，2，…，N)组成随机电流序列，得到基波电流；
步骤S4，采用幅值自适应高频电流注入方法，得到合成电流；
采用幅值自适应高频电流注入方法为：在电机静止或低速运行时，在基波电流上叠加一个高频电流后得到合成电流，所述高频电流幅值通过一个高频电流幅值自适应环节根据基波电流幅值和电机最大电流来调整；
步骤S5，当电机铜耗和铁耗产生的热量不足以快速加热动力电池时；通过控制逆变器功率器件的开关频率或在一个固定控制周期内的开关次数，采用无零电压矢量的PWM方法控制逆变器损耗来弥补电机产生热量不足；
无零电压矢量的PWM方法为用两个有效电压矢量取代零电压矢量，将三相功率器件在一个控制周期内的开关次数提高到m次。
优选的，由电机输出转矩公式和定子电流公式计算得到：
其中，Im是电机最大电流。
优选的，在步骤S3中，由Isr_i(i＝1，2，…，N)组成随机电流序列时，基波电流由多个随机电流序列组成。
优选的，在步骤S3中，由Isr_i(i＝1，2，…，N)组成随机电流序列时，由Isr_i(i＝1，2，…，N)组成随机电流序列时，随机电流序列由一个顺序电流序列重复使用得到。
优选的，在步骤S4中，所述高频电流幅值自适应环节使得电机最大电流与基波电流幅值之差为所述高频电流的最大幅值。
优选的，在步骤S4中，所述高频电流频率在一定范围内采用随机给定的方式。
优选的，在步骤S4中，所述高频电流频率的最高频率由基波电流的控制带宽来确定。
优选的，在步骤S5中，逆变器功率器件开关状态有六个有效电压矢量和两个零电压矢量，六个有效电压矢量分别为两个零电压矢量分别为/>无零电压矢量的PWM方法为一个控制周期TPWM内，按照/>的排列依次施加零电压矢量和有效电压矢量。
优选的，m为2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的基于电机电流和PWM配置的动力电池主动加热方法，在不改变电机和电机控制器硬件结构的情况下，仅通过软件来解决现有主动加热技术存在的NVH问题；此外，与常规的固定电流方法不同，本发明所提出的基于驱动电机定子电流动态配置方法能够在保证输出转矩不变的情况下随机改变定子电流，从而降低电机的48次和96次径向力的平均值，可以有效降低电机的NVH。
2、本发明组成随机电流序列时可以采用2种方法，一种直接随机产生电机的电流工作点，组成随机电流序列，另外一种采用顺序电流产生方法，组成一个顺序电流序列并重复使用从而得到随机电流序列，该方法具有类似随机电流方法的效果，以保证电机的NVH性能，并且为了便于开发，易于实现。
3、为了解决电机的最大电流能力充分利用的问题，本发明将采用幅值自适应高频电流注入方法，在不影响电机输出转矩的情况下，达到提升电机电流的目的，即在电机静止或低速运行时，可以在基波电流上叠加一个高频电流(高频谐波分量)，该高频谐波分量对电机的有效输出转矩将不产生任何影响，但合成后的定子电流幅值将增加，与此同时，该高频谐波分量将增加电机的铁耗，二者可以显著提高电机的总损耗，有利于动力电池的快速加热。
4、本发明还设置了高频电流幅值自适应环节，根据随机电流幅值和电机最大电流来确定高频电流的幅值，并且高频频率将在一定范围内采用随机给定的方式，最高频率由电流的控制带宽来确定，最终使得高频电流的注入时避免会引起NVH问题。
5、针对有些应用场合，电机铜耗和铁耗产生的热量不足以快速加热动力电池，为此，本发明提出通过提升逆变器损耗来弥补电机产生热量的不足，采用通过无零电压矢量的PWM方法来提升逆变器功率器件的开关频率或在一个固定控制周期内的开关次数，达到增加逆变器损耗的目的。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明的主要流程图；
图2为电机输出转矩与定子电流的关系示意图；
图3为本发明电机电流工作点选取示意图；
图4为本发明随机电机电流工作点产生示意图；
图5为本发明顺序电机电流工作点产生示意图；
图6为本发明基波电流与高频电流叠加示意图；
图7为本发明合成电流指令的产生过程；
图8为本发明高频电流幅值自适应示意图；
图9为电压矢量图；
图10为常规PWM的控制电压示意图；
图11为本发明的无零电压矢量的PWM方法。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
针对主动加热技术存在的整车NVH问题，通常通过电机硬件优化设计来解决，但开发成本比较高，研制周期比较长，同时整车适应性比较差。
为此，本实施方式提供了一种基于电机电流和PWM配置的动力电池主动加热方法，在不改变电机和电机控制器硬件结构的情况下，仅通过软件来解决现有主动加热技术存在的NVH问题。
包括以下步骤：
步骤S1，从整车控制器获取电机输出转矩τe。
步骤S2，根据电机输出转矩公式和定子电流公式得到所述电机输出转矩τe对应的恒转矩电流工作范围(Ismin，Ismax)，其中，Ismin为电机输出转矩τe恒定下电机运行在最小电流点，Ismax为电机输出转矩τe恒定下电机运行在最大电流点。
电机输出转矩公式为：
其中，τe：电机输出转矩，λm：永磁体产生的转子磁链，P：电机的极对数；Ld：定子绕组d-轴电感，Lq：定子绕组q-轴电感，Id：定子电流的d-轴分量，Iq：定子电流的q-轴分量。
由公式(1)可以看出，对一个恒定的输出转矩，可以由不同的(Id、Iq)组合来实现，即当电机输出转矩τe恒定，以Id和Iq为自变量，将电机输出转矩公式(1)绘制成恒转矩曲线，如图2所示，运行在恒转矩曲线上任意一点，电机均可输出相同的转矩。
定子电流公式为：其中Is为电机定子电流，以Id和Iq为自变量，将定子电流公式绘制成电机的电流圆曲线。
一般情况下，为提升系统的效率，现有所采取的技术手段是将电机运行在最小电流点，如图2中Ismin所示。由Ismin产生的焦耳热通常不能满足主动加热的要求，为此需要选择较大的电流点，如图2中Isr所示；最大电流点由恒转矩曲线和电流限制圆的交点确定，如图2中Ismax所示。常见的主动加热策略是在Ismin和Ismax之间选择一个固定电流点，由此在实际应用中则会产生背景技术中所提的几个方面的问题。
本发明与常规的固定电流方法不同，所提出的方法在保证输出转矩不变的情况下随机改变定子电流，从而降低电机的48次和96次径向力的平均值，可以有效降低电机的NVH。
步骤S3，如图3所示，在恒转矩曲线上确立N个恒转矩电流工作点Isr_i(i＝1，2，…，N)，其中Isr_1＝Ismin、Isr_N＝Ismax；得到电流工作点集合(Isr_i，i＝1，2，…，N)，并由Isr_i(i＝1，2，…，N)组成随机电流序列或者顺序电流序列，得到基波电流；
Ismin和Ismax可以由电机输出转矩公式(1)和定子电流公式(2)计算得到：
其中，Im是电机最大电流，即电机定子电流的最大值。
由Isr_i(i＝1，2，…，N)组成随机电流序列时，基波电流由多个随机电流序列组成，如图4所示。
为了便于开发，如图5所示，也可以采用顺序电流产生方法；在该图5中，由Isr_i(i＝1，2，…，N)组成顺序电流序列时，基波电流由一个顺序电流序列重复使用得到，该方法具有类似随机电流方法的效果，以保证电机的NVH性能。
虽然在步骤S1-S3中提出的方法可以解决NVH问题，但图4和图5可以看出，电机的最大电流能力并没有得到充分利用。
为了解决这个问题，本发明将采用幅值自适应高频电流注入方法，在不影响电机输出转矩的情况下，达到提升电机电流的目的。
步骤S4，采用幅值自适应高频电流注入方法，得到合成电流；
采用幅值自适应高频电流注入方法为：如图6所示，P1为基波电流，P2为高频电流，P3为合成电流，在电机静止或低速运行时，在基波电流上叠加一个高频电流(即高频谐波分量)后得到合成电流，该高频电流对电机的有效输出转矩将不产生任何影响，但合成后的定子电流幅值将增加，与此同时，该高频电流将增加电机的铁耗，二者可以显著提高电机的总损耗，有利于动力电池的快速加热。
该高频电流幅值通过一个高频电流幅值自适应环节根据基波电流幅值和电机最大电流来调整，图7示意了合成电流指令的产生过程，高频电流指令环节根据基波电流幅值和电机最大电流来确定高频电流的幅值，该高频电流与基波电流之和最终形成电机的合成电流指令。高频电流的注入可能会引起NVH问题，为此，高频电流频率将在一定范围内采用随机给定的方式，最高频率由电流的控制带宽来确定；与此同时，高频电流的幅值将由一个高频电流幅值自适应环节来确定。
如图8所示，电机最大电流和随机电流幅值之差定义了高频电流的潜在最大幅值，直接采用该幅值可能会引起转速脉动，为此需要调节高频电流的幅值，将电机转速的脉动控制在一个合理的范围内。当电流控制带宽低于高频电流的频率时，电流会出现失控现象。
针对有些应用场合，电机铜耗和铁耗产生的热量不足以快速加热动力电池，为此，提出通过提升逆变器损耗来弥补电机产生热量的不足。逆变器的损耗由功率器件的开关损耗和导通损耗构成，其中，导通损耗与电机电流有关，电流越大，导通损耗越大，在步骤S1-S31和步骤S4中提到的方法可以增加逆变器的导通损耗；开关损耗与动力电池电压、电机电流及功率开关的开通和关断时间有关，在这些因素不变的情况下，开关损耗与开关频率成正比，因此可以通过提升逆变器功率器件的开关频率或在一个固定控制周期内的开关次数，达到增加逆变器损耗的目的。
步骤S5，当电机铜耗和铁耗产生的热量不足以快速加热动力电池时；通过控制逆变器功率器件的开关频率或在一个固定控制周期内的开关次数，采用无零电压矢量的PWM方法控制逆变器损耗来弥补电机产生热量不足。
图9示意了由逆变器功率开关决定的电机电压矢量图，其中，代表电机的控制电压矢量，逆变器功率器件开关状态有六个有效电压矢量和两个零电压矢量，六个有效电压矢量分别为/>两个零电压矢量分别为/>和/>通常情况下，电机的控制电压矢量/>由与其相邻的两个有效电压矢量和两个零电压矢量来实现；如图9所示，/>由/> 来实现。
图10示意了基于常规PWM方法的控制电压实现过程，即在一个控制周期TPWM内，按照的排列依次施加零电压矢量和有效电压矢量。
常规PWM方法的主要考虑是最小化功率器件的开关次数，比较功率开关的状态，三相功率器件在一个控制周期内仅开关一次，使得逆变器的开关损耗最小化。为了提高逆变器的开关损耗，本发明提出一种新型PWM方法，即无零电压矢量的PWM方法。
如图11所示，无零电压矢量的PWM方法为用两个有效电压矢量取代零电压矢量，即一个控制周期TPWM内，按照的排列依次施加零电压矢量和有效电压矢量，将三相功率器件在一个控制周期内的开关次数提高到m次，其中m优选2，从而可以将逆变器的开关损耗提高一倍，进一步加强主动加热效果，需要说明的是m还可以取其他数值，上述示例并不是为了限制本发明的范围，只是为了更好的解释本发明的工作原理。
本发明可以在不改变电机和电机控制器硬件结构的情况下，完全依赖软件在任何新能源汽车里实现主动加热功能，能保证主动加热期间电机的控制性能即解决整车的NVH问题，还能够充分利用电机的最大电流能力，使得动力电池加热效果非常好；还能够很好的解决随着电机电流的增加，由48次和96次径向力引起的电机振动和噪声显著增加，将影响整车的舒适性，长时间会引起整车可靠性变差并造成安全隐患的问题；还能够解决在低速运行条件下，仅依赖于电机的主动加热方法通常不能满足动力电池快速加热的需求的问题。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于电机电流和PWM配置的动力电池主动加热方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，从整车控制器获取电机输出转矩；
步骤S2，根据电机输出转矩公式和定子电流公式得到所述电机输出转矩对应的恒转矩电流工作范围（/>，/>），其中，/>为电机输出转矩/>恒定下电机运行在最小电流点，为电机输出转矩/>恒定下电机运行在最大电流点；
电机输出转矩公式为：；其中，/>：电机输出转矩，/>：永磁体产生的转子磁链，P：电机的极对数；/>：定子绕组d-轴电感，/>：定子绕组q-轴电感，/>：定子电流的d-轴分量，/>：定子电流的q-轴分量；当电机输出转矩/>恒定，以/>和/>为自变量，将电机输出转矩公式绘制成恒转矩曲线；
定子电流公式为：，其中/>为电机定子电流，以/>和/>为自变量，将定子电流公式绘制成电机的电流圆曲线；
步骤S3，在恒转矩曲线上确立N个恒转矩电流工作点，其中/>、；并由/>组成随机电流序列，得到基波电流；
步骤S4，采用幅值自适应高频电流注入方法，得到合成电流；
采用幅值自适应高频电流注入方法为：在电机静止或低速运行时，在基波电流上叠加一个高频电流后得到合成电流，所述高频电流幅值通过一个高频电流幅值自适应环节根据基波电流幅值和电机最大电流来调整；
步骤S5，当电机铜耗和铁耗产生的热量不足以快速加热动力电池时；通过控制逆变器功率器件的开关频率或在一个固定控制周期内的开关次数，采用无零电压矢量的PWM方法控制逆变器损耗来弥补电机产生热量不足；
无零电压矢量的PWM方法为用两个有效电压矢量取代零电压矢量，将三相功率器件在一个控制周期内的开关次数提高到m次，m为2。
2.根据权利要求1所述的基于电机电流和PWM配置的动力电池主动加热方法，其特征在于，由电机输出转矩公式和定子电流公式计算得到：
；
；
其中，是电机最大电流。
3.根据权利要求1所述的基于电机电流和PWM配置的动力电池主动加热方法，其特征在于，在步骤S3中，由Isr_i (i = 1,…,N) 组成随机电流序列时，基波电流由多个随机电流序列组成。
4.根据权利要求1所述的基于电机电流和PWM配置的动力电池主动加热方法，其特征在于，在步骤S3中，由Isr_i (i = 1,…,N) 组成随机电流序列时，随机电流序列由一个顺序电流序列重复使用得到。
5.根据权利要求1所述的基于电机电流和PWM配置的动力电池主动加热方法，其特征在于，在步骤S4中，所述高频电流幅值自适应环节使得电机最大电流与基波电流幅值之差为所述高频电流的最大幅值。
6.根据权利要求1所述的基于电机电流和PWM配置的动力电池主动加热方法，其特征在于，在步骤S4中，所述高频电流频率在一定范围内采用随机给定的方式。
7.根据权利要求1所述的基于电机电流和PWM配置的动力电池主动加热方法，其特征在于，在步骤S4中，所述高频电流频率的最高频率由基波电流的控制带宽来确定。
8.根据权利要求1所述的基于电机电流和PWM配置的动力电池主动加热方法，其特征在于，在步骤S5中，逆变器功率器件开关状态有六个有效电压矢量和两个零电压矢量，六个有效电压矢量分别为、/>、/>、/>、/>、/>，两个零电压矢量分别为/>、/>，无零电压矢量的PWM方法为一个控制周期TPWM内，按照/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>的排列依次施加零电压矢量和有效电压矢量。
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