电动汽车用电驱重构型双向车载充电机_孙庆国.pdf

第卷第期 年月电力电子技术，电动汽车用 电驱重构型双向车载充电机孙庆国二，谢瀚统（河北工业大学，省部共建电工装备可靠 性与 智能化国家重点实验室，天津；河北工业大学，河北省电磁场 与电器可靠性重点实验室，天津）摘要：为解决现有电驱重构型（）双向车载充电机（）系统 仍存在周期性 充馈电转矩脉动的问题，此处基于绕组分裂 式开关磁阻电机（）提出一种新型的集 成 式系统。首先，完全复用传 统的不对 称半桥变换器（）组件，在不增加额外储能变换单元的条件下，结合特殊位置点定位法，实现零转矩 充馈电。其 次，分析了充电情况下无桥变换器的输入电流畸变成因，通过改进开关管控制策 略，进一步改 善输入电流波形。最后，基于一台三相极实验样机进行了相关实验，结果证明了所提系统的可行性。关键词：充电机；电驱 重 构型；电动 汽车；开关磁阻电机中图分类号：文献标识码：文章编号：（），）：（）（），（），？（）？，：；引言电动汽车因其 优越的行 驶 性能及环境友好型特性而成为我国重要的战略发 展 方向。随着智能电网和电动 汽 车 技 术的发展，为 有效地应对新能源高 渗透率下的发电侧功率波动，电动汽车到电网技术正受到 相关 学 者的研宄关注。其中，电动汽车储能源依据配电 网需求，通过双向变换器调节功 率流动方向。在此过程中，双向车 载变换器受到了广泛关注，其通过共用、重构电机驱动变换器的电力电子变换装置及电机绕组等完成电能的双向变换，在降低 成本与体积的同时，实现了电动汽车快速充电因具有 无稀土、启动转矩 大、调速范围广、环境适 应性强等优点，越来 越广泛应用于电动汽 车的电驱系统开发中。定稿日期：作者 简介：孙庆国（），男，副教授，研究方向为电机系统与电力 电子变流技术。文献基于传统提出了用双向电能变 换系统。然而，在电能双向变换过程中，由各相产 生的 周期性 瞬时总转 矩 会随着绕组通流量的增加而增 大，系统需配置额外的箝 位装置以避免电动汽 车振动。文献通过二极管 整流桥与 改进的电容转储型变换器相级联实现了驱动、充电功 能的集成。其中，在特殊的转 子位置点处实施的静止充电方 案 有效地避免了箝位装置的使用。然而，由于二极管整流桥的引入，电动汽车到电 网技术难以实施。同时，在文献中所提的系统中，电机电感常用作网侧电感，由其重构而成的前 级 充电变 换器均 为升 压型变换器。为 实现母线与电池电压的 匹配，基于原理的变换器被额外引入，这进一步增加了系统体积和成本。针对以上研宄存在的问题，此处基于绕组分裂式，提出了一种新型的车载双向变换器；通过在特殊的转子位置点处实施的 电能双电动汽 车用 电驱重 构型双向 车栽充电机向变 换 策略，避免了周期性瞬时 总转矩的产生；通过将电驱系统重构为两级双向变换器，避免了额外储能变换单元的引入。同时，在车 载 充电情 况下，分 析了无桥变换器的输入电流过零点畸变原因，通过改进的开关管控制策 略，改善了输入电流波形；最后，利用实验验证了所 提变换器及控制策略的可行性。所提双向车载变换器系统所提拓 扑及工作模式所提 双向拓扑 如图所示，其主要由传 统三相、带中间抽头的三相绕组分裂式、动力电池及 额外增 设的两个模式 切换开关构成。当接至端口，断 开 时，变换器处于电机驱动模式。当接至端口，闭合时，变换器处于双向充馈电模 式。其中，带中间抽头的三相开绕组分裂式接线端子有个，分别为入，人，（：，（：，入（：，入，其各相包 含的裂相绕组电感与，）匝数相同，电感量相等，在此充当两级双向变 换器的滤波电感。这里主要对处于双向充馈电模式下的变换器的具体工作方 式 进 行 分 析，其等 效电路图如图所示。带中间抽 头的三相开绕组电 机 合？，？曰孤曰；电机 绕组 抽头中点引：决疋疋驱动还疋充放电出线：，图所提 集成变 换器拓扑？，：图等 效电路图当电 网向动力 电池充电时，拓扑结 构 为无 桥 变换器与变 换器相级联。在 交 流输入的正、负半周期内，前 级无桥变换器 可以等效为 两个电源电压相反的 电路的组合，并 分别 实施对开 关管和的斩 波控制来调 节 直流母线电压匕。变换器由开关管、二极 管和构 成，用以实现匕到动力电池端电压的 降压变换。当动力电池向电 网馈电时，拓 扑 结 构为变换器与双变 换器相 级联。变换器由，和构 成，用以实现到的升压变换。在交流输出正、负半周期内，前级双变换器 可以等效为两个电源电压相反的电路的组合，并分别通 过控制常开、斩波和常开、斩波实现降压输出。零转矩静止充馈电策略的运行遵循“磁阻 最小 原理”，即磁通总要沿着磁阻最小的路 径闭合。为避免磁路 饱和造成的繁琐数据推导，在此基于线性模型，对所 提静止充馈电策略进行定性分析。其中，的 电磁 转 矩可表示为：）（）式中：，和 分 别为 磁共能、相绕组电流、转子位置角和 相绕组电感。进一步可得三相绕组在 任一运行点产生的瞬时性总转矩为：命士卜令冷峰）根据式（）可得，在 基于电机 绕组复用 的充馈电模式下，仅通 过控制相绕组电流幅值不 能实现瞬时性总转矩为 零。因此，在各相绕组对 称的前提下，通过选取特 殊 位置点的方式实现零 转矩静止充馈电，如图所示。图特殊转 子 位置点选 取示意图当相 被预先通电处于定、转子凸极 对 齐位置处，即时，各相绕组电感 关于转子位置的变 化 率 满足：从二基于图所 示的充馈电等 效电路可得：第 卷第期年月电 力电子技术 ，？（）将式（），（）代入式（）可得：（）式（）表明，所提双向系统在特殊的转 子位置点处可实现静止充馈电，有效地避免电动汽车振 动。输入电流过零点畸变分析及优化在 充电模 式下，考虑到图所示的无桥等 效电路的运行对称性，在此仅对交流输入正半周期内的波形进行分析。当输入电流和输入电压同相 位时，电感压降将导致交流 侧合成电压参考 值：滞后于输入电流参考值，因此在过零点后的范围内，与，的极性要保持 相反。然而，受制于二极管的单 方向传输特性，无桥变换器交流侧仅能输出正电平或者零电平，无法输出负 电平，进而导致输入电流实际值因等效励磁电压不足而难以跟踪如图所示。为求得输入电流波形畸 变的 角度 范围，假设电网电压、输入电流参考值和交 流侧合成电压参考值的表达式分别如下：？；（）式中：，分别为电网电压、输入电流参考值和交流侧 合 成电压参 考值的幅值为工频角频 率。图相 量图及波形图 在范围内，无桥电路的交流侧合成电压实际值因无法输出负电平被箝位为零。此时，即为，忽略电感 的等效串联电阻，则输入电流实际值的表达式为：（），（）式中：为相 在定转子凸极 对 齐位置处时，两相的分裂绕组电感之和，即，（，、）。由式（）可知丄不再跟踪输入电流参考 值，电流波形产生了畸变。同时，在？范围内小于理论值（，使得当？时，必然有；。因此，在的一段时间内，仍需保持 为零，直至为止。假设 在时刻跟踪上，则有如下所示：）（）可解得：？（）对应到图中则有？。至此，电流过零点畸变 过程结束。结合以上分析及图所示的等 效电路可得，在范围内，可通过同时对，进行斩波 控制，使得交流侧桥臂电压在正、负电平间变化以合成所需励磁电压。同理，在 交流输入负半周期的畸变角度范围内，即时，同时对，进行斩 波控制。通过上述方式 不仅消除了输入电流过零点畸 变 现 象，且避免了死区时间的设置。控制策 略考 虑到车载双向变 换器系统中电能双向流动的控制需求，前级变换器采用基于同步坐标系 的虚 拟 矢量控制策略以实现有 功 分量和无功分量的独立控制，如图所示。图前级变换器控制框图 利 用二阶 广 义积分器锁相环（）实现锁相及电网电压轴分量的获取；通过对电流信号进行四分之一周期的延时获 得电流 信号的轴分量；使用陷波器以避免 充馈电过程中直 流 母线电压的二次脉动 被引入控制 环节。其中，轴电流给定值因充馈电模式的选择而不同，在 充电模式下，其通过电压外环控制器获 得，在馈电模式下，其 通过并网功 率控制器获得，在此选择给定常值指令。轴电流给定值设置为零，以实现单位功率因数运行 充馈电。同时，结合控制所得的，及电感测量值，利用式（）可得输入电流优化下相应开关管的动作范围。结合电 网 电压电动汽 车用电驱重构 型双向车 栽充电机丄：刀、（格）（）输入电流优化 后结果办办卜（格）（输入电流未优化结果，（格）（格）（稳态实验结 果图充电模式 实验结 果母线电压给定值为；通 过双向可编程直流电源设置动力电池的标 称电压为。此外，米样频 率 为，开关 频率 为。充馈电模 式下的实验结果见图。其中，和化分别 为网侧电压、网侧电流和直流 母线电压；和分别为动力电池的端电压和电流（充电电流为负值，馈电电流为正值）；和分别为电机的瞬时性总转矩和相的角度位置。充电模式下电池端恒流充电的稳 态运行的实验结果见图。图为输入电流 未经优化的实验结果，可以看出，输入电流在过零点处存在明显畸变。图中输入电流畸变现象得到有效抑制。此时输入电流谐 波 畸变率由降低至。充电模式下电池端由切换至恒流充电的动态运行的实验结果见图，可见，系统运行于单位功率因数，稳定于。同时，稳态 和 动态充电实验下的心保持为 零处于位置处，表明充电过程中电机处于静止状态。图馈电模式实验 结果馈电模 式下并网 电流指令给定值为（有效图充电模式实验结果的实 际相位及调制输出的信号，前级变 换器的门极信 号生 成如表所 示。表门极 信号生成模式相位（？）（）充电（），）（）（）馈电 后 级变换器的控制框图如图所示，其主要包括 充电模 式下 的电池恒压恒流充电控制 和馈电模式下的 电压电流双闭环控制。前 者 产 生门极驱动信 号以实现降压充电，后者产生门极 驱 动信号以实现直流母线电压稳定。图后级变 换器控制框图 实验为验证所提车 载双向变换器系统及控制策略的有效性，基 于一台带中 间抽头的额定功率为的三相极进行了相关的实验验证。其中，电机主要参 数：额定功 率，额定电压，额定电流，额定转矩，额定转速，相电阻，最 小相电感，处相电感，最 大相电感；所用不对称 半桥变 换器由个型绝缘 栅双极型 晶体管（）和个型整 流二极管构成；直流母线电容为个的电容并联组成；霍尔 型传感器和分别用于检测电压和电流；电机的瞬 时性输出转矩根据转子位置和 相电流；查转矩角位置相电流表 获得；控制器采用基于模块编程的，多功 能可重配置模块；采用一台额定视在功率 为，输出电压为的单相隔离变压器后接接触调压 器的形式将交流电源输出电压调节 为（有 效值）；直流）？（和）；（格）（）动态 实验结果）寸）名）？）。寸）？势？（宏）（）（逛）（珐？！（途。寸）（雪）￥（迄（垄）妄）一。！（￥。寸）：、）？）（寸）（垄（运）？）（奪）作为驱动信号，可认为其处于高电位时导通，低电位时关断。由图可知，下降沿总是先 于、上升沿，上升沿总慢于下 降沿，即在开关 管 关断后，其两端电压才开始上升；而在开关 管导通前，两端电压己下降至零，此时开关 管工作在状态下。结论提出 了一种模 块 化多端口无线电能传 输系统，针对所提系统 推 导了其功率传输特性以及软开关实现方法。相关理论分析 为系统功率相位控制的方式 提 供了理论依 据。为了证明理论推导的正确性，搭建了一个三端口的无线电能传 输系统。实验结果 表明，通过 控制 各端口相位能够实现单值）时的稳态运行的实验结 果以及给定值由切换至时的动态运行的实验结果见图。可见，仏稳定于，系统运行于单位功率因数状态。同时，保持为 零，处于位置处，表明馈电过程中 电机处于静止状态。结论此处结合绕组分裂式开关磁阻电机和传统的不对 称半桥驱动功率变换器，提出了一种 新型的集成式电驱重构型车载双向变 换器系统。通过引入集成驱动 复用技术，利用三相中间抽头 式 开 关磁阻电机，在避免引入额外储能变 换单元的前提下，实现了静止车载双向充馈电，有 效地解决了电机 绕组复用带 来的 电动汽车振动问题。进一步地，分析了无桥充电变 换器的输入电流 畸 变成因，改进开关 管 控制策略，优 化了输入电流波形。在此基础上，搭建了一台实验样 机并验证了所提双向变换器系统的可行 性。参 考文献 ，？（上接第页），（）：於锋，张蔚，刘春 华，等电动汽 车用电驱 重构型充电系统及其关键技术综述电力自动化设备，（）：，：，？，（）：，？，（）：，？，（）：佟明昊，程明，许芷源，等电动 汽车 用车 载集成式充电系统若干关键技术问题及解决方案电工技 术学 报，（）：输入多输出功率流动 或多输入单输出功率流动，系统 效率可达。当相位满足推导条件时，端口能工作在软开关 状 态下。参考文献薛明，杨庆新，章鹏 程，等无 线电能传 输技术应用研究现状与 关键问题电工技术学 报，（）：，？，？，（）：龙淑 群，李 志忠，秦 俊豪，等基于 拓扑的四通路无线电能传 输系统电力电子技术，（）：，？，（）：卢伟国，陈 伟铭，李慧荣多负载多线圈无线电能传输系统各路输出的恒压特性 设计电工技 术学报，（）：第卷第期电力 电子技术，年月