電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)與充放電集成系統(tǒng)研究

電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)與充放電集成系統(tǒng)研究

0電機(jī)電磁扭矩的研究近年來(lái)，能源消耗問(wèn)題日益嚴(yán)重。許多公司和科學(xué)家擔(dān)心電動(dòng)汽車對(duì)環(huán)境的好處。然而,對(duì)于電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō),其中一個(gè)主要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)弱點(diǎn)是充放電器,考慮到非車載充放電器不能隨時(shí)隨地充放電,本文主要研究車載充放電器目前廣泛應(yīng)用的車載充放電系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是相互獨(dú)立的,這使得二者的集成成為可能。近些年許多學(xué)者對(duì)新型的集成充放電器進(jìn)行了研究,隨著對(duì)集成拓?fù)溲芯康纳钊?國(guó)外學(xué)者已提出應(yīng)用在不同場(chǎng)合的拓?fù)漕愋?。?duì)于高度集成的系統(tǒng),由于繞組中通過(guò)交流電流,會(huì)在電機(jī)中形成電磁轉(zhuǎn)矩,如何利用或者消除電磁轉(zhuǎn)矩是研究集成結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。從目前的研究現(xiàn)狀上看,研究的方向主要集中在集成驅(qū)動(dòng)變換器在前級(jí)驅(qū)動(dòng)變換器集成的研究上,文獻(xiàn)針對(duì)充電模式下的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩問(wèn)題,文獻(xiàn)目前的研究普遍存在問(wèn)題有:驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,開(kāi)關(guān)器件較多;在電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)上作改進(jìn)導(dǎo)致電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,進(jìn)一步增加了制作難度和成本;充放電狀態(tài)時(shí),電機(jī)中會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,需要增加額外的機(jī)械結(jié)構(gòu);由于電機(jī)結(jié)構(gòu)的改變而導(dǎo)致控制策略難度增加以及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的損耗。本文重點(diǎn)研究充放電集成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),從電機(jī)繞組開(kāi)路方向?qū)︱?qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和電機(jī)三相繞組的配置進(jìn)行深入研究,圍繞消除充放電時(shí)不利的電磁轉(zhuǎn)矩問(wèn)題,提出基于電機(jī)繞組開(kāi)路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和充放電集成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),對(duì)比研究了單相全橋、三相全橋和三相四橋臂變換模式下的性能,并從定子繞組的串并聯(lián)角度研究不同通電方式下的電磁轉(zhuǎn)矩問(wèn)題,對(duì)比分析了不同結(jié)構(gòu)的集成度及濾波性能的優(yōu)缺點(diǎn),選擇出集成度最高、控制簡(jiǎn)單、成本最低的拓?fù)?并通過(guò)Matlab仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性。1高度集成的結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示,主要由蓄電池、DC-DC變換器、三相全橋變換器、電機(jī)以及相應(yīng)控制系統(tǒng)構(gòu)成。車載充放電系統(tǒng)如圖2所示,主要有蓄電池、DC-DC變換器、單相/三相全橋變換器、濾波器、電網(wǎng)及控制系統(tǒng)構(gòu)成。兩系統(tǒng)獨(dú)立工作,當(dāng)汽車處于運(yùn)行狀態(tài),電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行;當(dāng)汽車處于停車狀態(tài),蓄電池進(jìn)行充放電,電機(jī)驅(qū)動(dòng)變換器此時(shí)處于擱置狀態(tài)。由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)變換器和車載充放電器是相同的結(jié)構(gòu),因此可在充放電模式下將電機(jī)驅(qū)動(dòng)變換器重構(gòu)成車載充放電器。此外,電機(jī)的繞組由于具有較好的濾波性能,可被重構(gòu)成網(wǎng)側(cè)濾波電感,減小甚至消除額外的濾波電感。所形成高度集成的結(jié)構(gòu)如圖3所示,此集成電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了單一結(jié)構(gòu)的多功能運(yùn)行,包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)、整流充電和逆變并網(wǎng),相較于傳統(tǒng)兩者分離的系統(tǒng),其集成度得到了較大的提升。對(duì)于圖3所示電機(jī)驅(qū)動(dòng)和充放電集成系統(tǒng),其工作模式如下:當(dāng)系統(tǒng)工作于電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式時(shí),通過(guò)數(shù)字信號(hào)控制開(kāi)關(guān)器件使電機(jī)三相繞組構(gòu)成星形聯(lián)結(jié);當(dāng)系統(tǒng)工作于充放電模式時(shí),通過(guò)開(kāi)關(guān)器件使電機(jī)繞組開(kāi)路并與電網(wǎng)連接,集成系統(tǒng)被重構(gòu)成充放電模式,實(shí)現(xiàn)蓄電池與電網(wǎng)的能量雙向流動(dòng),電機(jī)定子繞組被構(gòu)造成入網(wǎng)濾波電感,濾除入網(wǎng)的電流諧波,滿足充放電模式下入網(wǎng)電流的低總諧波畸變率(TotalHarmonicsDistortion,THD)要求。存在的缺點(diǎn)為:當(dāng)繞組中流過(guò)交流電流時(shí),會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)或者振顫,這不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,還會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)損耗。為此本文基于如何消除轉(zhuǎn)矩進(jìn)行驅(qū)動(dòng)拓?fù)浜碗姍C(jī)繞組上的改進(jìn)。目前對(duì)于集成系統(tǒng)的研究方向主要集中在對(duì)驅(qū)動(dòng)拓?fù)涞难芯亢蛷碾姍C(jī)本體角度對(duì)定轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)配置的研究,來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)化集成。本文對(duì)已有的車載型充放電系統(tǒng)提出新的集成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于兼顧這兩個(gè)研究思路,不僅考慮驅(qū)動(dòng)拓?fù)涞募蓛?yōu)化,還兼顧電機(jī)結(jié)構(gòu),在不改變電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)導(dǎo)致控制的復(fù)雜度增加和成本提升的前提下,只將電機(jī)中性點(diǎn)打開(kāi),使繞組開(kāi)路同時(shí)引出6根連接線,重復(fù)利用電機(jī)電感作為交流濾波電感。本文從驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣嵌葘⑵浞殖扇?單相全橋變換模式、三相全橋變換模式和三相四橋臂變換模式,并從電磁轉(zhuǎn)矩、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電機(jī)復(fù)雜性、濾波性能等方面對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)。1.1電機(jī)創(chuàng)新連接結(jié)構(gòu)單相全橋變換集成拓?fù)淙鐖D4所示,充放電模式下由前兩個(gè)橋臂構(gòu)成單相全橋變換結(jié)構(gòu)。對(duì)于單相充放電,為了減小網(wǎng)側(cè)濾波電感,并全部利用電機(jī)的電感,電機(jī)的繞組可以重新配置成五種連接結(jié)構(gòu):四種三相定子繞組串聯(lián)連接結(jié)構(gòu);一種其中兩相定子繞組并聯(lián)再與第三相串聯(lián)結(jié)構(gòu),見(jiàn)表1。1.2橋采用三元轉(zhuǎn)子串聯(lián)串聯(lián)保護(hù)三相全橋變換集成拓?fù)淙鐖D5所示,充放電模式下由三相全橋構(gòu)成充放電結(jié)構(gòu)。電機(jī)的三相定子繞組可以重新配置成圖5連接結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)序號(hào)為Ⅵ:兩相繞組并聯(lián)與剩余一相繞組串聯(lián),如A、B繞組并聯(lián),再與C串聯(lián)。通過(guò)控制給定VT1.3相四橋臂結(jié)構(gòu)集成的三相四橋臂變換拓?fù)淙鐖D6所示,在前級(jí)三相全橋基礎(chǔ)上加入一個(gè)橋臂構(gòu)成三相四橋臂結(jié)構(gòu)。對(duì)于單相充放電器,電機(jī)的三相定子繞組可以重新配置成圖6連接結(jié)構(gòu),將繞組配置結(jié)構(gòu)定義為結(jié)構(gòu)序號(hào)為Ⅶ:A、B、C三相定子繞組并聯(lián)連接,并且從中性點(diǎn)引出連接線與電網(wǎng)連接,通過(guò)控制使A、B、C三相定子繞組流過(guò)相同的電流。2在充電模式下，絞鎖的旋轉(zhuǎn)特性在實(shí)現(xiàn)電路拓?fù)浼珊?電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式下采用傳統(tǒng)i2.1不同擴(kuò)大分組結(jié)構(gòu)的空間合成磁動(dòng)勢(shì)交流電機(jī)繞組電流、磁動(dòng)勢(shì)都是隨時(shí)間變化的,考慮其空間的位置,定義空間矢量,再基于空間坐標(biāo)系對(duì)電機(jī)繞組由于通入交流電而形成的空間磁動(dòng)勢(shì)進(jìn)行分析。在繞組的重構(gòu)過(guò)程中定義A、B、C三相為電流流入的正參考方向,定義三相繞組交流電流為i電機(jī)定子繞組在充放電模式下,由于繞組中通入交流電,在電機(jī)中形成電磁轉(zhuǎn)矩,本文對(duì)繞組結(jié)構(gòu)Ⅰ～Ⅶ七種連接方式下的空間合成磁動(dòng)勢(shì)和平均電磁轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行分析。在空間坐標(biāo)系下,七種繞組配置下的合成磁動(dòng)勢(shì)的矩陣表達(dá)形式為對(duì)于不同變換模式的繞組配置下流過(guò)繞組的電流關(guān)系為將式(3)～式(5)代入式(2)可得七種繞組的空間合成磁動(dòng)勢(shì)為則空間合成磁動(dòng)勢(shì)矩陣f式中,F從式(6)、式(7)知合成磁動(dòng)勢(shì)為零或?yàn)槊}振磁動(dòng)勢(shì)。永磁電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為式中,F由于轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)幅值F通過(guò)式(7)、式(9)可得七種繞組結(jié)構(gòu)的電磁轉(zhuǎn)矩的矩陣為其中當(dāng)繞組中通過(guò)相同電流時(shí),在不同繞組配置下,由于流過(guò)繞組的參考方向不同而導(dǎo)致空間合成磁動(dòng)勢(shì)發(fā)生變化,繞組結(jié)構(gòu)Ⅰ和結(jié)構(gòu)Ⅶ合成磁動(dòng)勢(shì)為零,對(duì)外表現(xiàn)的電感為零,其濾波性能主要取決于漏電感大小;繞組結(jié)構(gòu)Ⅱ～Ⅵ為脈振磁動(dòng)勢(shì),其對(duì)外表現(xiàn)為三相合成電感,濾波感值相對(duì)于前者較大。從式(6)、式(9)得出,平均電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算與定轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)夾角δ有關(guān),當(dāng)定子合成磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子合成磁動(dòng)勢(shì)夾角為零時(shí),平均電磁轉(zhuǎn)矩為零,因此在進(jìn)行集成拓?fù)涑浞烹姷臅r(shí)刻將轉(zhuǎn)子調(diào)到指定位置,電磁轉(zhuǎn)矩為零,轉(zhuǎn)子不會(huì)旋轉(zhuǎn)。不同繞組配置下的空間合成磁動(dòng)勢(shì)圖如圖7所示,合成磁動(dòng)勢(shì)為固定角度的脈振磁動(dòng)勢(shì)。繞組序號(hào)結(jié)構(gòu)Ⅰ～Ⅵ與圖7a～圖7f一一對(duì)應(yīng),結(jié)構(gòu)Ⅶ對(duì)應(yīng)圖7a。集成拓?fù)鋵?duì)比見(jiàn)表2。從表2可以看出,在處于充放電模式時(shí),雖然都可以解決電磁轉(zhuǎn)矩問(wèn)題,但在驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)上,單相全橋相較于三相全橋和三相四橋臂結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)器件使用較少;在濾波性能上,結(jié)構(gòu)Ⅰ和Ⅶ的濾波性能相較于結(jié)構(gòu)Ⅱ～Ⅵ的脈振磁動(dòng)勢(shì)所表征的電感濾波性能較差;在電機(jī)繞組聯(lián)結(jié)上結(jié)構(gòu)Ⅶ改動(dòng)較少,開(kāi)關(guān)器件較少。綜合考慮單相全橋變換下結(jié)構(gòu)Ⅱ～Ⅴ最優(yōu),消除了不利的電磁轉(zhuǎn)矩,不僅實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)拓?fù)涞募?還可以利用電機(jī)電感減小或者消除并網(wǎng)濾波電感。2.2電流放電模式針對(duì)上述的單相全橋集成結(jié)構(gòu)進(jìn)行工作狀態(tài)的分析,采用基于PR調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)交流分量無(wú)靜差調(diào)節(jié)模態(tài)1:當(dāng)電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí),開(kāi)關(guān)管VT模態(tài)2:當(dāng)電機(jī)處于不運(yùn)行狀態(tài)時(shí),以結(jié)構(gòu)Ⅳ繞組配置為例,開(kāi)關(guān)管VT在電機(jī)的電磁特性方面,由于三相繞組中通過(guò)相同的電流,但是由于電流流進(jìn)的同名端不同,形成的A、B、C三相磁動(dòng)勢(shì)空間合成為脈振磁動(dòng)勢(shì),因此在電機(jī)中平均電磁轉(zhuǎn)矩為零。在充電(整流)模式下,需要穩(wěn)定的輸出電壓,單位功率因數(shù)運(yùn)行和網(wǎng)側(cè)電流THD小于5%。其控制框圖如圖8所示,為維持輸出電壓的穩(wěn)定,外環(huán)采用基于PI調(diào)節(jié)器的直流母線電壓閉環(huán),輸出電感電流在放電(并網(wǎng))模式下,需要單位功率因數(shù)運(yùn)行和網(wǎng)側(cè)電流THD小于5%。其控制框圖如圖9所示,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電流無(wú)靜差調(diào)節(jié),內(nèi)環(huán)采用基于PR的電流閉環(huán),PR的輸出u3未來(lái)能源適應(yīng)電力系統(tǒng)下的仿真為了驗(yàn)證本文提出的基于電機(jī)繞組開(kāi)路的集成拓?fù)湔_性和可行性,進(jìn)行了相應(yīng)的仿真分析,仿真參數(shù)見(jiàn)表3。針對(duì)上述所提出的集成拓?fù)浞謩e進(jìn)行充放電仿真,圖10為單相全橋驅(qū)動(dòng)充電模式下,繞組聯(lián)結(jié)方式為結(jié)構(gòu)Ⅳ的電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩波形,從圖7定子合成磁動(dòng)勢(shì)可以看出,其合成磁動(dòng)勢(shì)超前A相60°,當(dāng)δ=60°時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)子與合成磁動(dòng)勢(shì)存在夾角,有電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生,電機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)發(fā)生略微旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速在0～2r/min的轉(zhuǎn)速下波動(dòng),電磁轉(zhuǎn)矩也在±2N·m的范圍內(nèi)變化,串聯(lián)繞組連接結(jié)構(gòu)Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ同理會(huì)出現(xiàn)上述情況,這不利于充電狀態(tài)下系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)δ=0°時(shí),轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)與合成磁動(dòng)勢(shì)夾角為零,通過(guò)式(9)計(jì)算可知電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都為零,通過(guò)圖10b仿真結(jié)果得以驗(yàn)證。圖11a和圖11b分別是δ=0°時(shí)三相全橋變換和三相四橋臂變換的仿真結(jié)果,可以看出同樣具有抑制電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的能力。從三種類型的驅(qū)動(dòng)模式的對(duì)比可以看出,都具有抑制電磁轉(zhuǎn)矩方面的能力,解決了充放電時(shí)由于交流電通入而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的問(wèn)題,但是綜合考慮濾波性能、電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)以及開(kāi)關(guān)器件的數(shù)量,單相全橋變換模式下各相繞組配置為結(jié)構(gòu)Ⅱ～Ⅴ時(shí)具有更好的性能。針對(duì)單相全橋變換模式下的性能指標(biāo)進(jìn)行仿真,將網(wǎng)側(cè)電感和串入的電機(jī)繞組共同作為濾波電感,圖12a、圖12b是整流充電和逆變放電模式下的仿真波形,可以看出單相全橋變換結(jié)構(gòu)在充放電兩種狀態(tài)下都可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行,電網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻率,同時(shí)電流相位可以跟蹤電壓相位,采用PR調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)節(jié),電流的有效值穩(wěn)定在15A左右,對(duì)電網(wǎng)電流進(jìn)行傅里葉分析可得,電流THD=2.64%,未串入電機(jī)繞組THD=2.90%,如圖12c所示,滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)THD<5%的要求,驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的可行性。圖12d是充電模式下的輸出端直流母線電壓的波形,采用基于PI的電壓閉環(huán),給定為400V,可以看出輸出電壓可以穩(wěn)定在400V左右,波動(dòng)為±2V,小于母線電壓的1%,在允許的范圍內(nèi)。4電機(jī)串聯(lián)串聯(lián)方式對(duì)穩(wěn)定性的影響為進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析,在充放電時(shí)只利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的前兩個(gè)橋臂,構(gòu)成單相全橋變換器,利用一臺(tái)繞組開(kāi)路的永磁電機(jī)樣機(jī)進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)。以STM32F103芯片為控制核心,實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出端直流電壓和電網(wǎng)電流的控制,硬件框圖如圖13所示。電壓傳感器分別采樣電網(wǎng)電壓、直流母線電壓,電流傳感器采樣網(wǎng)側(cè)電流,經(jīng)過(guò)相應(yīng)的調(diào)理電路送進(jìn)ARM控制器實(shí)現(xiàn)算法控制,并產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)。所產(chǎn)生的PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)觸發(fā)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)管,開(kāi)關(guān)管VT從表2的對(duì)比和仿真的結(jié)果可以看出,單相全橋驅(qū)動(dòng)下的電機(jī)繞組串聯(lián)方式性能較優(yōu),以繞組配置結(jié)構(gòu)Ⅳ為例,結(jié)構(gòu)Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ具備相同的性能,針對(duì)所提出的這種集成拓?fù)溥M(jìn)行了穩(wěn)態(tài)充放電實(shí)驗(yàn),并對(duì)比了電機(jī)繞組串入前后的性能。圖15所示為單相全橋變換結(jié)構(gòu)下未串入電機(jī)電感的實(shí)驗(yàn)波形,網(wǎng)側(cè)電感為2mH。圖15a是整流狀態(tài)波形,實(shí)驗(yàn)條件是在電機(jī)繞組未串入電路,而網(wǎng)側(cè)電感單獨(dú)作為濾波電感的整流充電實(shí)驗(yàn)波形,功率為2870W,功率因數(shù)為0.999,電壓外環(huán)的給定電壓為400V,而實(shí)際輸出端直流母線電壓U圖16是單相全橋變換結(jié)構(gòu)下串入電機(jī)電感的實(shí)驗(yàn)波形,電機(jī)每相電感為0.15mH,網(wǎng)側(cè)電感為2mH。圖16a是整流狀態(tài)的波形,實(shí)驗(yàn)條件是在三相電機(jī)繞組和入網(wǎng)電感共同作為網(wǎng)側(cè)的濾波電感的條件下的整流充電實(shí)驗(yàn)波形,功率為2880W,功率因數(shù)為0.999,電壓外環(huán)的給定電壓為400V,測(cè)得直流母線電壓為412V,在誤差允許范圍內(nèi),并且電網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻率同相位。網(wǎng)側(cè)電流的有效值為13.1A,電流THD=2.87%,其詳細(xì)的諧波分量如圖16d所示。通過(guò)圖15c和圖16d的FFT分析對(duì)比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明單相全橋驅(qū)動(dòng)變換結(jié)構(gòu)由于串入電機(jī)繞組能提高網(wǎng)側(cè)諧波電流的抑制能力,或等同于相同的諧波情況下由于電機(jī)電感的利用減小了額外并網(wǎng)電感的體積、質(zhì)量。并網(wǎng)模式下的實(shí)驗(yàn)波形如圖16b所示,電網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓正好相差180°,電流穩(wěn)定在9.88A,與給定的電流值基本一致,可以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)節(jié)。圖16c是在系統(tǒng)不運(yùn)行情況下所測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)u5電機(jī)5不同確立的集成拓?fù)溽槍?duì)傳統(tǒng)車載充放電器在電動(dòng)汽車中占用較大體積、質(zhì)量的問(wèn)題,從充電器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和電機(jī)驅(qū)