CN104494457B - 一种电流源型插电混合动力汽车能量传送驱动装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电流源型插电混合动力汽车能量传送驱动装置及方法，电流源型整流器和电流源型逆变器均采用磁场定向控制；在电流源型整流器中，根据引擎/发电机组转矩参考值、直轴电流参考值、实际转速、电压、电流测量值产生整流器调制因数和控制延迟角；在电流源型逆变器中，根据驱动电机转速参考值、直流电流参考值、实际转速、电压、电流测量值产生逆变器调制因数和控制延迟角。

Description

一种电流源型插电混合动力汽车能量传送驱动装置及方法
技术领域
本发明涉及一种电流源型插电混合动力汽车能量传送驱动装置及方法，属于插电式混合动力汽车领域。
背景技术
随着燃油汽车排放问题的增多和世界化石燃料的减少，电动汽车和混合动力汽车引起了广泛的关注。基于引擎和电机的混合动力汽车成为下一代新能源汽车中最有潜力的选择方案。混合动力车具有更好的燃油经济性、较远的工作里程，而且方便为汽车添加燃料。由于传统的两电平电压源型逆变器结构和控制策略都比较简单，电压源型逆变器应用十分广泛。如今，绝大多数电动汽车、混合动力汽车都采用电压源型逆变器作为电力驱动。
以基于电压源型逆变器级联混合动力汽车为例，引擎拖动发电机发电、牵引电机及蓄电池经过功率变换器并联，并和直流母线相联。这种拓扑结构存在以下缺点：1、直流母线如果采用电解电容，其可靠性相对较低。如果直流母线采用薄膜电容，其成本相对较高。2、两电平电压源型逆变器dv/dt比较高，可能在轴承上产生电磁干扰、绝缘以及漏电流的问题。如果采用多电平电压源型逆变器，***开关器件增多，而且调制策略也更加复杂。3、电压源型逆变器不允许上、下桥臂同时导通，因此不具有短路故障容错能力。4、电压源型逆变器对于电压只有降压能力，而为了达到电机***较宽的调速范围，必须对电机进行弱磁控制。
为了改善混合动力汽车电压源型逆变器的上述问题，国内外提出了很多新的逆变器结构，主要集中于两个方面：软开关技术和多电平逆变器。在软开关技术方面，通过使用辅助电路，使得逆变器主要开关器件可以实现零电压或零电流开关，可以有效减小开关损耗和电磁干扰。多电平逆变器通过钳位方式、飞跨电容和级联方式产生多个电压等级，改善了逆变器输出电压谐波性能，减小了dv/dt。然而上述两种技术在直流母线上都使用直流电容作为储能元件，仍存在直流母线电容可靠性和成本设计困难的问题。而且电压源型逆变器的输出电压幅值总是低于直流母线电压，软开关和多电平逆变器馈电电机***仍然存在弱磁扩速的问题。
发明内容
发明目的：本发明提出一种电流源型插电混合动力汽车能量传送驱动装置及方法，使电流源型整流器和电流源型逆变器的输入侧电流平稳基本无波动，并且允许上、下桥臂器件直通，短路电流容错能力提高。
技术方案：本发明采用的技术方案为一种电流源型插电混合动力汽车能量传送驱动装置，包括蓄电池，该蓄电池连接在电压型全桥变换器的输入端，电压型全桥变换器的输出端接入变压器的初级线圈，变压器的两个次级线圈分别与第一电流源型全桥变换器和第二电流源型全桥变换器的输入端相连接，电流源型整流器通过第一直流母线电感与第一电流源型全桥变换器的输出端连接，发电机通过第一LC滤波器与电流源型整流器输出端相连接，电流源型逆变器通过第二直流母线电感与第二电流源型全桥变换器的输出端连接，电流源型逆变器输出端通过第二LC滤波器连接到电动机。
优选地，所述变压器为三端口高频变压器。
一种电流源型插电混合动力汽车能量传送驱动装置的控制方法，电流源型整流器和电流源型逆变器均采用磁场定向控制；在电流源型整流器中，根据引擎/发电机组转矩参考值、直轴电流参考值、实际转速、电压、电流测量值产生整流器调制因数ma1和控制延迟角α1；在电流源型逆变器中，根据驱动电机转速参考值、直流电流参考值、实际转速、电压、电流测量值产生逆变器调制因数和控制延迟角。
优选地，控制电流源型整流器的电流向量幅值调制因数ma1和控制延迟角α1的计算包括以下步骤：
根据发电机实际a、b相电流ia1、ib1以及a、b相电压ua1、ub1计算获得发电机实际转矩T；
转矩参考值T*和实际转矩T经过转矩控制器生成发电机q轴电流参考值
电流派克变换模块将发电机实际电流变换为q轴电流iq1和d轴电流id1，电压派克变换模块将发电机实际电压变换为q轴电压uq1和d轴电压ud1；
电容补偿电流模块根据发电机实际q轴电流iq1、d轴电流id1、q轴电压uq1、d轴电压ud1获得q轴电容补偿电流iqc1和d轴电容补偿电流idc1；
由发电机q轴电流参考值和q轴电容补偿电流iqc1相减，得到q轴整流器电流参考值
由发电机d轴电流参考值和d轴电容补偿电流idc1相减，得到d轴整流器电流参考值
根据q轴逆变器电流参考值和d轴逆变器电流参考值由电流向量生成模块获得控制电流源型整流器的电流向量幅值调制因数ma1和控制延迟角α1。
优选地，获得控制电流源型逆变器的电流向量幅值调制因数ma2和控制延迟角α2的计算包括以下步骤：
将电动机实际a、b相电流ia2、ib2转换为q轴电流iq2和d轴电流id2，电压派克变换模块将电动机实际电压ua2、ub2转换为q轴电压uq2和d轴电压ud2；
电容补偿电流模块根据电动机实际q轴电流iq2、d轴电流id2、q轴电压uq2、d轴电压ud2获得q轴电容补偿电流iqc2和d轴电容补偿电流idc2；
由电动机q轴电流参考值和q轴电容补偿电流iqc2相减，得到q轴逆变器电流参考值
由电动机d轴电流参考值和q轴电容补偿电流iqc2相减d轴逆变器电流参考值
根据q轴逆变器电流参考值和d轴逆变器电流参考值由电流向量生成模块获得控制电流源型逆变器的电流向量幅值调制因数ma2和控制延迟角α2。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)电流源型整流器和电流源型逆变器在直流母线采用电感进行储能，无需直流母线电压。因此直流母线储存元件寿命长，成本低。电流源型整流器和电流源型逆变器由于在直流母线上具有电感，允许上、下桥臂器件直通，短路电流容错能力提高。
(2)电机转速升高使得反电动势和发电机端电压也升高。电流源型逆变器自身具有电压泵升能力，可以扩展混合动力汽车恒转矩工作范围。
(3)电流源型逆变器交流侧的输出电容不仅能够辅助各相电流之间的换流，而且起着电压滤波作用，可以提供较好的输出电压波形，并减小dv/dt数值。
(4)多端口的DC/DC变换器，采用三端口隔离型高频变压器，实现了蓄电池、引擎/发电机组、驱动电机的电气隔离，可以方便地交换蓄电池、引擎/发电机组、驱动电机的功率，进行能量管理。
(5)相比工频变压器隔离方案，采用隔离型高频变压器减轻了***的重量、减小了***的尺寸。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的控制框图；
图3为电流源型整流器控制模块的控制框图；
图4为电流源型逆变器控制模块的控制框图；
图5为电流源型插电混合动力汽车能量传送驱动装置的控制方法的工作模式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明包括额定输入电压为24V的蓄电池1，该蓄电池1连接在电压型全桥变换器2的输入端，电压型全桥变换器2的输出端接入三端口高频变压器3的初级线圈。三端口高频变压器3的匝比设定为1:10:10，其两个次级线圈分别与第一电流源型全桥变换器4和第二电流源型全桥变换器5的输入端相连接。电流源型整流器6通过第一直流母线电感10与第一电流源型全桥变换器4的输出端连接，发电机8通过第一LC滤波器12与电流源型整流器6输出端相连接。电流源型逆变器7通过第二直流母线电感11与第二电流源型全桥变换器5的输出端连接，电流源型逆变器7输出端通过第二LC滤波器13连接到电动机9。发电机和电动机的额定电压都是240V。三端口高频变压器3在电压型全桥变换器2和第一电流源型全桥变换器4、第二电流源型全桥变换器5之间实现功率变换。
电压型全桥变换器2、第一电流源型全桥变换器4、第二电流源型全桥变换器5、电流源型整流器6和电流源型逆变器7中的开关器件应具有反向电压阻断能力，可为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和二极管串联形式。第一直流母线电感10和第二直流母线电感11利用电感的特性，保持电流源型整流器6和电流源型逆变器7的输入侧电流平稳基本无波动。发电机8和电动机9的输入侧需要第一LC滤波器和第二LC滤波器滤除低次谐波电流和电压，并辅助电流源型整流器6和电流源型逆变器7换相。
如图2所示，电压型全桥变换器2中四个IGBT开关按照桥臂对角开关同时导通，同一桥臂上下器件互补导通原则动作。电压型全桥变换器触发脉冲2.11以50％占空比触发脉冲控制电压型全桥变换器2中的IGBT开关，该触发脉冲相位是在第一电流源型全桥变换器控制模块2.12中，通过直流母线电流参考值和直流母线电流实际值idc1的闭环控制产生第一电流源型全桥变换器4的控制移相角因此第一电流源型全桥变换器4中开关器件的相位是在第二电流源型全桥变换器控制模块2.13中，通过直流母线电流参考值和直流母线电流实际值idc2的闭环控制产生第二电流源型全桥变换器模块2.5的控制移相角因此第二电流源型全桥变换器5中开关器件的相位是在电流源型整流器控制模块2.14中，根据其输入量转矩参考值T1 *、直轴电流参考值实际发电机转速n1、实际发电机a、b相电压va1、vb1、实际发电机a、b相电流ia1、ib1，电流源型整流器控制模块2.14产生电流源型整流器6的调制因数ma1和控制延迟角α1。在电流源型逆变器控制模块2.15中，根据其输入量电动机直轴电流参考值电动机转速参考值电动机实际转速n2、实际电动机a、b相电压ua2、ub2、实际电动机a、b相电流ia2、ib2，电流源型逆变器控制模块2.15产生电流源型逆变器7的调制因数ma2和控制延迟角α2。
图3显示了电流源型整流器控制模块2.14的内部结构，其中转矩计算模块3.1根据发电机8实际a、b相电流ia1、ib1以及a、b相电压ua1、ub1计算获得发电机8实际转矩T。转矩参考值T*和实际转矩T经过转矩控制器3.5生成发电机q轴电流参考值电流派克变换模块3.2将发电机8实际电流变换为q轴电流iq1和d轴电流id1，电压派克变换模块3.3将发电机8实际电压变换为q轴电压uq1和d轴电压ud1。电容补偿电流模块3.4根据发电机8实际q轴电流iq1、d轴电流id1、q轴电压uq1、d轴电压ud1获得q轴电容补偿电流iqc1和d轴电容补偿电流idc1。由发电机q轴电流参考值和q轴电容补偿电流iqc1相减，得到q轴整流器电流参考值由发电机d轴电流参考值和d轴电容补偿电流idc1相减，得到d轴整流器电流参考值根据q轴逆变器电流参考值和d轴整流器电流参考值由电流向量生成模块3.6获得电流向量幅值调制因数ma1和控制延迟角α1。
如图4所示，电流派克变换模块4.1将电动机实际a、b相电流ia2、ib2转换为q轴电流iq2和d轴电流id2，电压派克变换模块4.2将电动机实际电压ua2、ub2转换为q轴电压uq2和d轴电压ud2。电容补偿电流模块4.4根据电动机实际q轴电流iq2、d轴电流id2、q轴电压uq2、d轴电压ud2获得q轴电容补偿电流iqc2和d轴电容补偿电流idc2。由电动机q轴电流参考值和q轴电容补偿电流iqc2相减，得到q轴逆变器电流参考值由电动机d轴电流参考值和q轴电容补偿电流iqc2相减d轴逆变器电流参考值根据q轴逆变器电流参考值和d轴逆变器电流参考值由电流向量生成模块4.5获得电流向量幅值调制因数ma2和控制延迟角α2。
如图5所示，当混合动力车处于启动或加速过程，***运行于工作模式1功能模块1，即蓄电池和由引擎带动的发电机8共同驱动电动机9运行。当混合动力车处于高速巡航过程，***运行于工作模式2，由引擎带动的发电机8既为电动机9提供能量，又给蓄电池充电。当混合动力车处于制动或下坡减速时，***运行于工作模式3，由引擎带动的发电机8和电动机9都处于发电状态，给蓄电池充电。

Claims (5)

1.一种电流源型插电混合动力汽车能量传送驱动装置，其特征在于，包括蓄电池(1)，该蓄电池(1)连接在电压型全桥变换器(2)的输入端，电压型全桥变换器(2)的输出端接入变压器(3)的初级线圈，变压器(3)的两个次级线圈分别与第一电流源型全桥变换器(4)和第二电流源型全桥变换器(5)的输入端相连接，电流源型整流器(6)通过第一直流母线电感(10)与第一电流源型全桥变换器(4)的输出端连接，发电机(8)通过第一LC滤波器(12)与电流源型整流器(6)输出端相连接，电流源型逆变器(7)通过第二直流母线电感(11)与第二电流源型全桥变换器(5)的输出端连接，电流源型逆变器(7)输出端通过第二LC滤波器(13)连接到电动机(9)。
2.根据权利要求1所述的电流源型插电混合动力汽车能量传送驱动装置，其特征在于，所述变压器(3)为三端口高频变压器。
3.一种电流源型插电混合动力汽车能量传送驱动装置的控制方法，其特征在于，电流源型整流器和电流源型逆变器均采用磁场定向控制；在电流源型整流器中，根据发电机(8)转矩参考值、直轴电流参考值、实际转速、电压、电流测量值产生整流器调制因数(ma1)和控制延迟角(α1)；在电流源型逆变器中，根据电动机(9)转速参考值、直轴电流参考值、实际转速、电压、电流测量值产生逆变器调制因数(ma2)和控制延迟角(α2)。
4.根据权利要求3所述的电流源型插电混合动力汽车能量传送驱动装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据发电机(8)实际a、b相电流(ia1、ib1)以及a、b相电压(ua1、ub1)计算获得发电机(8)实际转矩(T)；
转矩参考值(T*)和实际转矩(T)经过转矩控制器(3.5)生成发电机q轴电流参考值
电流派克变换模块(3.2)将发电机(8)实际电流变换为q轴电流(iq1)和d轴电流(id1)，电压派克变换模块(3.3)将发电机(8)实际电压变换为q轴电压(uq1)和d轴电压(ud1)；
电容补偿电流模块(3.4)根据发电机(8)实际q轴电流(iq1)、d轴电流(id1)、q轴电压(uq1)、d轴电压(ud1)获得q轴电容补偿电流(iqc1)和d轴电容补偿电流(idc1)；
由发电机q轴电流参考值和q轴电容补偿电流(iqc1)相减，得到q轴整流器电流参考值
由发电机d轴电流参考值和d轴电容补偿电流(idc1)相减，得到d轴逆变器电流参考值
根据q轴逆变器电流参考值和d轴逆变器电流参考值由电流向量生成模块(3.6)获得控制电流源型整流器(6)的电流向量幅值调制因数(ma1)和控制延迟角(α1)。
5.根据权利要求3所述的电流源型插电混合动力汽车能量传送驱动装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
将电动机(9)实际a、b相电流(ia2、ib2)转换为q轴电流(iq2)和d轴电流(id2)，电压派克变换模块(4.2)将电动机(9)实际电压(ua2、ub2)转换为q轴电压(uq2)和d轴电压(ud2)；
电容补偿电流模块(4.4)根据电动机(9)实际q轴电流(iq2)、d轴电流(id2)、q轴电压(uq2)、d轴电压(ud2)获得q轴电容补偿电流(iqc2)和d轴电容补偿电流(idc2)；
由电动机q轴电流参考值和q轴电容补偿电流(iqc2)相减，得到q轴逆变器电流参考值
由电动机d轴电流参考值和q轴电容补偿电流(iqc2)相减，得到d轴逆变器电流参考值
根据q轴逆变器电流参考值和d轴逆变器电流参考值由电流向量生成模块(4.5)获得控制电流源型逆变器(7)的电流向量幅值调制因数(ma2)和控制延迟角(α2)。
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