CN104029606B - 一种车用永磁同步电机增程器控制方法 - Google Patents

一种车用永磁同步电机增程器控制方法 Download PDF

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Abstract

一种车用永磁同步电机增程器控制方法，属于增程器控制技术领域。本发明采用永磁同步电机同时作为起动机和发电机，结构紧凑，功率密度高，发电效率高，不需要额外的起动电机，节约了空间和成本；发动机一直工作在高燃油效率转速区。同时利用电压、电流传感器检测值判断电池容量、驾驶员驾驶意图和驱动需求，不用改造原车辆以获得油门或者刹车踏板的行程信息，判断过程迅速准确。根据整车的功率需求，增程器可工作在多种模式下，能够有效延长车辆行驶里程，同时不影响车辆的动力性能，并可避免电池过度放电，从而延长电池寿命。

Description

一种车用永磁同步电机增程器控制方法
技术领域
本发明涉及一种车用增程器，尤其是永磁同步电机增程器的控制方法。
背景技术
随着世界上石油资源的日益紧缺和国家对于环保的日益重视，电动汽车受到越来越多的重视。但是目前市场上的电动汽车多采用蓄电池作为动力源，受限于电池技术的发展，电动汽车的行驶里程数一直不能够达到人们的预期，而且电动汽车的蓄电池寿命也因为经常性深度放电而大大减少。
车用增程器能够直接接入车辆的动力***，作为辅助动力源，通过发动机带动发电机发电，在车辆电池电量不足时为整车提供电能，可以延长电动汽车的行驶里程。当前，车用增程器有多种解决方案，但是仍然存在问题，如：某些增程器产品仅采用恒定的发电功率输出，不能最大限度地利用发动机和发电机的容量；另外一些增程器控制方法需要检测电池剩余电量，并且需要检测车辆油门踏板或者刹车踏板的行程实现对驾驶员驾驶意图判断，由此决定增程器的工作模式，如专利号CN102616148A所述增程器控制需要准确检测电池剩余电量和汽车踏板的行程。但是电池剩余电量难以准确判断，而且油门踏板或者刹车踏板行程检测需要专用踏板，或者对车辆现有踏板进行改装，从而增加了硬件成本和技术复杂性。
发明内容
本发明的目的是提供一种车用永磁同步电机增程器控制方法，通过检测母线电压和电流能够判断电池状态和驾驶员驾驶意图，从而决定永磁同步电机增程器的工作模式，可在确保车辆动力性的前提下提高燃油利用率，延长车辆行驶里程，并能防止蓄电池过充与过放电。
为了实现上述目的，本发明采用如图1所示的增程器8，包括：增程控制器1、发动机模块2、转子位置检测3、永磁同步电机4、电流检测1～451～54、电机控制器6、电压检测7组成。发动机模块2的发动机22和永磁同步电机4机械连接；永磁同步电机4的三相交流侧和电机控制器6的三相交流侧电气连接；电机控制器6的直流侧电气连接到车辆动力***的母线。
永磁同步电机4是起动/发电一体电机，在需要增程器工作时，首先作为起动电机，用于起动发动机22；当发动机转速达到发电设定转速时，永磁同步电机4作为发电机输出功率，发动机和永磁同步电机的转速保持恒定转速n。
本发明提供的增程器控制方法，是通过检测母线电压Udc、电流值Iload及其变化量，控制增程器分别工作于起动模式、增压模式、弱磁模式、回馈模式、停机模式。其中：
当母线电压Udc小于Udcmin，负载电流Iload高于Iloadmax，并且这种状态持续T1时间，则电池电量不足，增程器进入起动模式。
增程器处于工作状态时，当负载电流Iload大于Iloadmin、小于Iloadmax，并且Iload随时间的增加率小于ΔIload时，则整车处于车速比较平稳的状态，增程器工作在升压模式。
增程器处于工作状态时，当负载电流Iload大于Iloadmax，并且Iload随时间的增加率大于ΔIload时，则整车处于加速或者爬坡状态，增程器工作在弱磁模式。
增程器处于工作状态时，当负载电流Iload小于0时，则整车处于回馈模式，增程器进入回馈模式。
增程器处于升压模式时，当母线电压Udc高于Udcmax，电池电流Ib小于Ibmin，并且这种状态持续T2时间时，则电池的剩余电量较多，进入停机模式关闭增程器。
增程器在不同工作模式下的控制方法如下：
增程器处于起动模式时：增程控制器1利用转速给定n*、d轴电流给定Id *＝0作为给定量和永磁同步电机4实际转速n、实际d轴电流Id、实际q轴电流Iq作为反馈量的转速电流双闭环控制策略，输出矢量控制信号，通过电机控制器6控制永磁同步电机4作为起动电机带动发动机转速到达发动机怠速n，此时增程控制器1给发动机模块2起动信号，发动机22开始工作，继而带动永磁同步电机4发电。
增程器处于升压模式时：增程控制器1利用母线电压给定Udc *、d轴电流给定Id *＝0作为给定量和实际母线电压Udc、实际d轴电流Id、实际q轴电流Iq作为反馈量的电压电流双闭环控制策略，输出矢量控制信号，通过电机控制器6控制永磁同步电机4作为发电机给整车提供驱动功率，同时给电池充电。
增程器处于弱磁模式时：增程控制器1通过反向增加d轴电流Id实现对电机的磁，来降低母线电压Udc，直到检测到电池电流Ib<0，即电池工作在放电状态，此时增程控制器1利用当前的母线电压作为母线电压给定Udc *、根据发出永磁同步电机4最大功发电率需要的发电转矩Te和实际d轴电流Id来决定q轴电流给定Iq *作为给定量和实际母线电压Udc、实际d轴电流Id、实际q轴电流Iq作为反馈量的电压电流双闭环控制策略，输出矢量控制信号，通过电机控制器6控制永磁同步电机4作为发电机，和电池一起给整车提供驱动功率。
增程器处于回馈模式时：增程控制器1利用d轴电流给定Id *＝0、q轴电流给定Iq *＝0作为给定量和实际d轴电流Id、实际q轴电流Iq作为反馈量的电流闭环控制策略，输出矢量控制信号，通过电机控制器6控制永磁同步电机4不输出功率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.采用永磁同步电机同时作为起动机和发电机，结构紧凑，功率密度高，发电效率高，不需要额外的起动电机，节约了空间和成本；发动机一直工作在高燃油效率转速区。
2.利用电压、电流传感器检测值判断电池容量、驾驶员驾驶意图和驱动需求，不用改造原车辆以获得油门或者刹车踏板的行程信息，判断过程迅速准确。
3.根据整车的功率需求，增程器可工作在多种模式下，能够有效延长车辆行驶里程，同时不影响车辆的动力性能，并可避免电池过度放电，从而延长电池寿命。
附图说明
图1是电动汽车用增程器的结构框图
图2是增程器的控制方法框图
图中：1、增程控制器，2、发动机模块，3、转子位置检测，4、永磁同步电机，51～54、电流检测I～IV，6、电机控制器、7、电压检测，8、增程器。
具体实施方式
图1是车用永磁同步电机增程器的结构框图，增程器8由增程控制器1、发动机模块2、转子位置检测3、永磁同步电机4、电流检测1～451～54、电机控制器6、电压检测7组成。其中：
增程控制器1主要负责接收各种电压、电源等信号，经过处理后给电机控制器6和发动机模块3发出指令，其硬件载体可以是DSP、FPGA、ARM、PLC中的一种或者几种组合。
发动机模块2是由发动机控制器21和发动机22组成，发动机控制器21可以是机械式控制器也可以是电子控制器。发动机22可以是汽油发动机也可以是柴油发动机。
转子位置检测3用来检测永磁同步电机4当前的转子位置信息，输出信号给增程控制器1。硬件实现可以是霍尔式位置传感器、旋转变压器或者其他测量转子位置的传感器。
永磁同步电机4是起动/发电一体式永磁同步电机，其转轴和发动机22机械连接；其三相交流侧经过电流检测151和电机控制器6相连。其作用为：在增程器8起动时作为起动电机起动发动机22，在增程器8处于工作模式时作为发电机给整车提供功率。
电流检测151是利用电流传感器等电流检测方式来检测永磁同步电机4三相电压Ia、Ib、Ic中的任意两项，再输出信号给增程控制器1。
电流检测252、电流检测353、电流检测454这三个是利用电流传感器等电流检测方式分别检测电机输出电流Idc，负载电流Iload和电池电流Ib，再再输出信号给增程控制器1。电流检测252、电流检测353、电流检测454这三个可以只使用任意两个或者三个都使用。
电机控制器6是一种由六个全控型开关元件组成的三相全桥，电机控制器6交流侧和永磁同步电机4交流侧电气连接，直流侧和车辆动力***母线电气连接。当增程器8起动时，电机控制器6控制永磁同步电机4起动；当增程器8处于工作模式时，永磁同步电机4发出的电通过电机控制器6流向母线，来提供整车电能。
电压检测7利用电压传感器等其他电压检测方式来检测母线电压Udc，再输出信号到增程控制器1。
图2是增程器的控制方法框图。增程控制器1根据电压检测7和电流检测252、电流检测353、电流检测454这三个中的任意两个，即可以得到母线电压Udc、电机输出电流Idc、负载电流Iload、电池电流Ib这4个量，利用电流检测1检测永磁同步电机的三相电流Ia、Ib、Ic，再通过矢量变换15变为永磁同步电机4d轴电流Id、q轴电流Iq。根据这几个信号，增程控制器1判断当前电池状态和驾驶员的驾驶意图，从而判断增程器是否起动以及决定增程器的工作模式。具体判断方法如下：
当母线电压Udc小于Udcmin，负载电流Iload高于Iloadmax，并且这种状态持续T1时间，则电池电量不足，增程器进入起动模式。
增程器处于工作状态时，当负载电流Iload大于Iloadmin、小于Iloadmax，并且Iload随时间的增加率小于ΔIload时，则整车处于车速比较平稳的状态，增程器工作在升压模式。
增程器处于工作状态时，当负载电流Iload大于Iloadmax，并且Iload随时间的增加率大于ΔIload时，则整车处于加速或者爬坡状态，增程器工作在弱磁模式。
增程器处于工作状态时，当负载电流Iload小于0时，则整车处于回馈模式，增程器进入回馈模式。
增程器处于可控整流模式时，当母线电压Udc高于Udcmax，电池电流Ib小于Ibmin，并且这种状态持续T2时间时，则电池剩余电量较多，进入停机模式关闭增程器。
根据增程器的工作模式，再通过电机控制器6控制永磁同步电机4运行状态。具体实现过程如下：
增程器起动模式具体实现过程如转速电流双闭环11所示：利用d轴电流给定Id *＝0作为给定量，永磁同步电机4的实际d轴电流Id作为反馈量，通过电流闭环输出d轴电压Ud；同时利用转速给定n*作为给定量，永磁同步电机4的实际转速n、实际q轴电流Iq作为反馈量，通过转速电流双闭环输出q轴电压Uq。再通过矢量控制信号调制输出PWM信号G1～G6到电机控制器6，电机控制器6的六路开关元件61～66根据G1～G6信号控制永磁同步电机4作为起动电机带动发动机22转速到达发动机怠速n。
增程器升压模式具体实现过程如双闭环12所示：利用一个比当前母线电压Udc高ΔU的母线电压给定Udc *作为给定量，当前母线电压Udc、永磁同步电机4实际q轴电流Iq作为反馈量，通过电压电流双闭环输出q轴电压Uq；同时利用d轴电流给定Id *＝0作为给定量，永磁同步电机4的实际d轴电流Id作为反馈量，通过电流闭环输出d轴电压Ud。再通过矢量控制信号调制输出PWM信号G1～G6到电机控制器6，电机控制器6的六路开关元件61～66根据G1～G6信号控制永磁同步电机4发电。当实际母线电压Udc等于母线电压给定Udc *时，继续在当前母线电压Udc的基础上增加ΔU得到新的母线电压给定Udc *作为给定量，再重复上述双闭环控制过程。直到根据检测到的实际母线电压Udc和实际电机输出电流Idc，得到永磁同步电机4的发电功率P＝UdcIdc等于发电机的额定发电功率，或者电池电流Ib大于电池最大充电电流Ibmax时，则以当前的实际母线电压Udc作为母线电压给定值Udc *，维持永磁同步电机4作为发电机给整车提供驱动功率同时给电池充电的状态。
增程器弱磁模式利用d轴电流id来对电机进行弱磁，降低母线电压Udc，从而让永磁同步电机4和电池一起给整车提供功率。具体实现过程如双闭环13所示：用一个比实际母线电压Udc低ΔU的母线电压给定Udc *作为给定量，当前母线电压Udc、永磁同步电机4实际d轴电流Id作为反馈量，通过电压电流双闭环输出d轴电压Ud；同时根据永磁同步电机4最大发电功率Pmax，根据Temax＝9.55Pmax/n来得到最大发电转矩Temax，利用转矩Temax和实际d轴电流Id得到q轴电流给定Iq *作为给定量，实际q轴电流Iq作为反馈量，通过电流闭环输出q轴电压Uq。再通过矢量控制信号调制输出PWM信号G1～G6到电机控制器6，电机控制器6的六路开关元件61～66根据G1～G6信号控制永磁同步电机4发电。当实际母线电压Udc等于母线电压给定Udc *时，继续在实际母线电压Udc的基础上减ΔU得到新的母线电压给定Udc *作为给定量，再重复上述双闭环控制过程。直到检测到电池电流Ib<0，即电池工作在放电状态，则以当前的实际母线电压Udc作为母线电压给定值Udc *，维持永磁同步电机4和电池一起给整车提供功率的状态。
增程器回馈模式具体实现过程如双闭环13所示：利用d轴电流给定Id *＝0作为给定量，永磁同步电机4实际d轴电流Id作为反馈量，通过电流闭环输出d轴电压Ud；同时利用q轴电流给定Iq *＝0作为给定量，永磁同步电机4实际q轴电流Iq作为反馈量，通过电流闭环输出q轴电压Uq。再通过矢量控制信号调制输出PWM信号G1～G6到电机控制器6，电机控制器6的六路开关元件61～66根据G1～G6信号控制永磁同步电机4不输出功率。

Claims (6)

1.一种车用永磁同步电机增程器控制方法，其特征在于：永磁同步电机增程器包括增程控制器(1)、发动机模块(2)、转子位置检测元件(3)、永磁同步电机(4)、电流检测元件Ⅰ～Ⅳ(51～54)、电机控制器(6)、电压检测元件(7)；发动机模块(2)的发动机(22)和永磁同步电机(4)机械连接；永磁同步电机(4)的三相交流侧和电机控制器(6)的三相交流侧电气连接；电机控制器(6)的直流侧电气连接到车辆动力***的母线；所述永磁同步电机(4)是起动/发电一体电机；
增程控制器(1)通过电压检测元件(7)和电流检测元件III(53)检测车辆动力***母线电压Udc、电流值Iload及电压电流的变化量，控制增程器分别工作于起动模式、增压模式、弱磁模式、回馈模式、停机模式；
电流检测元件I(51)检测永磁同步电机的三相电流，电流检测元件II(52)检测车辆动力***母线电流，电流检测元件Ⅳ(54)检测电池电流；
电流检测元件Ⅰ～Ⅳ(51～54)及电压检测元件(7)的输出端均连接到增程控制器(1)中，增程控制器(1)的控制端分别与发动机控制器(21)与电机控制器(6)相连。
2.根据权利要求1所述的车用永磁同步电机增程器控制方法，其特征在于：
增程控制器(1)通过电压检测元件(7)测量车辆动力***母线电压Udc；通过电流检测元件III(53)测量车辆动力***负载电流值Iload；当母线电压Udc小于Udcmin，负载电流Iload高于Iloadmax，并且这种状态持续时间为T1，则电池电量不足，增程器进入起动模式；此时Udcmin＝55V，Iloadmax＝100A，T1＝5s；
增程器处于工作状态时，当负载电流Iload大于Iloadmin并且小于Iloadmax，并且Iload随时间的增加率小于ΔIload时，则整车处于车速比较平稳的状态，增程器工作在增压模式；此时Iloadmin＝0A，Iloadmax＝80A，ΔIload＝20A/s；
增程器处于工作状态时，当负载电流Iload大于Iloadmax时，并且Iload随时间的增加率大于ΔIload时，则整车处于加速或者爬坡状态，增程器工作在弱磁模式；此时Iloadmax＝80A，ΔIload＝20A/s；
增程器处于工作状态时，当负载电流Iload小于0时，则整车处于回馈模式，增程器进入回馈模式；
增程器处于增压模式时，当母线电压Udc高于Udcmax，电池电流Ib小于Ibmin，并且这种状态持续时间时为T2，则电池的剩余电量较多，进入停机模式关闭增程器；Udcmax＝60V，Ibmin＝10A，T2＝5s；
所述Udcmin，Udcmax分别为母线电压的最小值和最大值，Iloadmin和Iloadmax分别为负载电流的最小值和最大值，ΔIload为负载电流的增加率，Ibmin为电池电流的最小值。
3.根据权利要求2所述的车用永磁同步电机增程器控制方法，其特征在于：增程器处于起动模式时：增程控制器(1)利用永磁同步电机(4)的转速给定n*、d轴电流给定Id *＝0作为给定量和永磁同步电机(4)实际转速n、实际d轴电流Id、实际q轴电流Iq作为反馈量的转速电流双闭环控制策略，输出矢量控制信号，通过电机控制器(6)控制永磁同步电机作为起动电机带动发动机转速到达发动机怠速n，此时增程控制器(1)给发动机模块(2)起动信号，发动机开始工作，继而带动永磁同步电机发电；其中永磁同步电机(4)的d轴和q轴电流由永磁同步电机(4)三相电流经过矢量变换得到的。
4.根据权利要求2所述的车用永磁同步电机增程器控制方法，其特征在于：增程控制器(1)处于增压模式时：增程控制器(1)利用母线电压给定Udc *、d轴电流给定Id *＝0作为给定量和实际母线电压Udc、实际d轴电流Id、实际q轴电流Iq作为反馈量的电压电流双闭环控制策略，输出矢量控制信号，通过电机控制器(6)控制永磁同步电机作为发电机给整车提供驱动功率，同时给电池充电。
5.根据权利要求2所述的车用永磁同步电机增程器控制方法，其特征在于：增程器处于弱磁模式时：增程控制器(1)通过反向增加d轴电流Id实现对电机弱磁，来降低母线电压Udc，直到检测到电池电流Ib<0，即电池工作在放电状态，此时增程控制器(1)利用当前的母线电压作为母线电压给定Udc *、根据发出永磁同步电机(4)最大功发电率需要的发电转矩Te和实际d轴电流Id来决定q轴电流给定Iq *作为给定量和实际母线电压Udc、实际d轴电流Id、实际q轴电流Iq作为反馈量的电压电流双闭环控制策略，输出矢量控制信号，通过电机控制器(6)控制永磁同步电机作为发电机，和电池一起给整车提供驱动功率。
6.根据权利要求2所述的车用永磁同步电机增程器控制方法，其特征在于：增程器处于回馈模式时：增程控制器(1)利用d轴电流给定Id *＝0、q轴电流给定Iq *＝0作为给定量和实际d轴电流Id、实际q轴电流Iq作为反馈量的电流闭环控制策略，输出矢量控制信号，通过电机控制器(6)控制永磁同步电机处于空载状态，不给整车提供电功率。
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