一种开绕组电机集成化车载双端口充电系统及其控制方法
阅读说明：本技术 一种开绕组电机集成化车载双端口充电系统及其控制方法 (Open-winding motor integrated vehicle-mounted dual-port charging system and control method thereof ) 是由 魏佳丹 王艺威 郭磊 周波 杨明 于 2021-07-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种开绕组电机集成化车载双端口充电系统及其控制方法,该系统包括带绕组中心抽头的开绕组电机及其驱动用双变换器、两个双端口PWM整流器和系统充电控制模块,所述绕组中心抽头用于在充电状态下将三相绕组一分为二形成两段绕组,两段绕组通过绕组中心抽头与电网三相交流电源相连,两个双端口PWM整流器的输入侧分别与两段绕组相连,输出侧分别用于连接两个独立负载。本发明实现对两个独立负载进行充电的功能,对在双端口不平衡充电状态下消除电机绕组复用带来的电磁转矩,解决了多能量源或多电池组在充电时负载不平衡或充电效率低的问题,可以避免充电过程中由于复用电机绕组使电机转动带来损耗和安全隐患,使充电性能更加稳定。(The invention discloses an integrated vehicle-mounted dual-port charging system of an open-winding motor and a control method thereof, wherein the system comprises the open-winding motor with a winding center tap, a driving dual-converter, two dual-port PWM rectifiers and a system charging control module, wherein the winding center tap is used for dividing a three-phase winding into two parts to form two sections of windings in a charging state, the two sections of windings are connected with a three-phase alternating current power supply of a power grid through the winding center tap, the input sides of the two dual-port PWM rectifiers are respectively connected with the two sections of windings, and the output sides of the two dual-port PWM rectifiers are respectively used for connecting two independent loads. The invention realizes the function of charging two independent loads, eliminates the electromagnetic torque caused by multiplexing the motor windings in a double-port unbalanced charging state, solves the problems of unbalanced load or low charging efficiency of a multi-energy source or a multi-battery pack during charging, can avoid the loss and potential safety hazard caused by the rotation of the motor due to multiplexing the motor windings in the charging process, and ensures that the charging performance is more stable.)
技术领域
本发明属于电力电子与电力传动技术领域，涉及新能源汽车车载充电系统技术，具体涉及一种开绕组电机集成化车载双端口充电系统及其控制方法。
背景技术
随着内燃机的出现，煤、石油、天然气等资源被日渐广泛的开采和利用，但也带来了严重的环境问题。据《BP世界能源统计年鉴2020》中的数据统计，中国是当今世界碳排放量第一的大国，因此采取合理的措施减少碳排放量，改善环境问题显得尤为重要。电动汽车采用“电”这种清洁能源作为动力，对于缓解环境问题具有极大的意义。《中国制造2025》文件中也提出重点发展节能与新能源汽车。然而，目前电池技术发展在短时间内无法取得突破，纯电汽车的里程问题是大部分消费者购置电动汽车时望而却步的理由，尽管各大厂商通过增大动力电池容量以及车身轻量化等方案增加续航里程，但采用全铝车身的纯电汽车却拥有更加昂贵的成本，且增大电池容量的同时又会增加车重，存在一定的边界效应。因此，对于电动汽车充电系统的研究目前具有非常巨大的现实意义。
电动汽车充电机目前可分为车载充电机与非车载独立充电机两大类。对于非车载充电机而言，虽然可以满足充电性能和充电效率，但普遍存在建设成本高，充电不方便等问题，同时使用非车载快充对电池有较大损伤，造成电池寿命急剧衰减。因此，从便利性和经济效益的角度而言，车载充电机更加具有优势。但是车载充电机一直以来存在负荷重，体积大，提高整车重量等问题，这与整车轻量化，提高车辆续航里程的目标相悖，这也是一直以来限制车载充电机大规模发展和应用的主要原因。因此，研究电机驱动充电集成一体化系统一直是业界持续关注的热点。
对于电动汽车车载集成充电系统而言，一般通过分时复用电机绕组及其驱动系统重构成充电用电变换器，从而达到减轻整车重量，实现轻量化与集成化的目标。但对于一般的车载集成充电系统而言，只有一个充电输出端口间接给整车电池组充电，难免存在充电效率低的问题，对于一些并联大功率充电的方案，由于充电设备以及家用电网存在诸多不平衡和不理想的情况，各个并联变换器间极易产生环流损耗，不平衡的输出功率还容易导致电机振动并且产生噪声，严重的可能产生安全隐患，并且在面对多电池组或动力源充电时还需要增设额外变换器用于二次变换，不仅增加成本，还降低了系统可靠性。
目前电动汽车一般以效率较高且环保无污染的氢燃料电池作为动力电池，但燃料电池在外部负载变化时，电池输出电压波动会比较大，在汽车行驶过程中，常常出现加速、爬坡、启停等工况，若只采用燃料电池单能量源供电难免捉襟见肘，因此，现有的氢能源汽车通常结合蓄电池或超级电容，形成多能量源混合动力系统。而针对多能量源动力系统的车载充电机至今还未有深入研究，要实现该类集成充电机，目前有数个关键问题亟待解决：
1、复用电机绕组作为滤波电感进行充电，交变的充电电流流经绕组必然会产生旋转磁场，生成电磁转矩，导致电机转子振动发出噪声甚至旋转产生不必要的损耗，影响充电的稳定性与安全性。
2、针对双端口独立负载充电，充电过程中根据不同的负载特性会影响整个充电系统的控制参数，在不平衡负载的情况下，会出现双端口之间功率不平衡的状态，不平衡的电流容易造成电机部分绕组过热从而影响整个系统甚至损坏电机。
3、电动汽车电池的负载特性一般比较复杂，在充电过程中会出现先恒流后恒压的过程，会造成充电功率动态变化，充电系统需要考虑变功率负载的动态特性。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的集成化车载充电系统对于多能量源不平衡负载带来的充电困难，充电时电机振动产生损耗，充电功率不平衡或充电功率变化带来的一系列问题，提供一种开绕组电机集成化车载双端口充电系统及其控制方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种开绕组电机集成化车载双端口充电系统，包括带绕组中心抽头的开绕组电机及其驱动用双变换器、两个双端口PWM整流器和系统充电控制模块，所述绕组中心抽头用于在充电状态下将三相绕组一分为二形成两段绕组，两段绕组通过绕组中心抽头与电网三相交流电源相连，两个双端口PWM整流器的输入侧分别与两段绕组相连，输出侧分别用于连接两个独立负载，所述系统充电控制模块用于实现双端口的独立充电控制。
进一步地，所述双端口PWM整流器的输出端口之间相互独立，通过绕组中心抽头连接的双PWM整流器无零序回路，充电运行过程中无零序环流损耗，采用准直接功率控制策略结合最小功率输出控制方法，控制双端口输出功率在各种工况下始终保持一致，结合独立电枢绕组电流内环的控制，使得输出端口可以独立控制，并且控制两段电枢绕组上流过的三相电流大小相等方向相反，消除在不平衡充电状态下的复用电枢绕组产生的电磁转矩脉动。
本发明提供一种开绕组电机集成化车载双端口充电系统的控制方法，其采用双端口充电准直接功率控制策略，具体包括如下步骤：
S1：采集电网侧三相电压ea、eb、ec，电机两段绕组上三相电流ia1、ib1、ic1、ia2、ib2、ic2，以及两个整流器输出电压Udc1、Udc2；
S2：将采集到的电压信号ea、eb、ec和电流信号ia1、ib1、ic1、ia2、ib2、ic2进行Clark变换得到αβ坐标系下的两相电压eα、eβ和两相电流iα1、iβ1、iα2、iβ2；
S3：利用采集到的整流器输出电压Udc1、Udc2，将给定输出电压Udc1 *、Udc2 *与实际输出电压Udc1、Udc2相减得到输出电压误差ΔUdc1、ΔUdc2，将输出电压误差ΔUdc1、ΔUdc2经过PI控制器得到输出电流给定值Idc1 *、Idc2 *；这里给定输出电压Udc1 *、Udc2 *是根据充电需求给出的给定电压，这是一个可以外部调整的量；
S4：将采集到的整流器输出电压Udc1、Udc2分别与计算得到的输出电流给定值Idc1 *、Idc2 *相乘获得有功功率给定值P1 *、P2 *，根据最小功率输出控制方法计算得到最终有功功率给定值P*，利用得到的有功功率给定值P*与αβ坐标系下的两相电压eα、eβ计算αβ坐标系下两相电流给定值iα *、iβ *；
S5：将计算得到αβ坐标系下两相电流给定值iα *、iβ *分别与两段绕组在αβ坐标系下的两相电流iα1、iβ1和iα2、iβ2相减得到电流误差Δiα1、Δiβ1和Δiα2、Δiβ2，再将电流误差Δiα1、Δiβ1、Δiα2、Δiβ2经过各自的PR控制器得到αβ坐标系下两相电压给定值uα1 *、uβ1 *、uα2 *、uβ2 *；
S6：利用计算得到αβ坐标系下的两相电压eα、eβ与αβ坐标系下两相电压给定值uα1 *、uβ1 *、uα2 *、uβ2 *相减进行解耦得到αβ坐标系下两相电压误差Δuα1、Δuβ1、Δuα2、Δuβ2，并将其输入SVPWM控制模块生成对应整流器的开关信号。
进一步地，所述步骤S4中最小功率输出控制的具体方法为：比较双端口外环调制后的输出功率给定值P1 *、P2 *，获得二者中较小值Pmin *＝Min(P1 *,P2 *)，计算二者差值ΔP*＝|P1 *-P2 *|，再设置补偿系数K，最终有功功率给定值P*＝Pmin *+KΔP*，当K＝0时，系统工作在最小功率输出状态，当0＜K＜1时，系统工作在功率平衡补偿状态，当K＝1时，系统工作在最大功率输出状态。
本发明的设计原理为：充电状态下开绕组电机的各相绕组被分为两段，在对称负载时两段绕组上流过大小相同方向相反的电流，可消除开绕组电机绕组复用时产生的电磁转矩，在准直接功率控制达到双端口输出功率一致的状态下，在负载不对称、电机绕组不对称等各种工况下，两段电枢绕组上流过的三相电流依然可以通过电流环的控制，产生的大小相等方向相反且相位相同的磁通，从而消除电机在不平衡充电状态下的产生的电磁转矩脉动。
本发明针对电动汽车多能量源混合型动力系统集成化多端口车载充电的要求，采用开绕组结构驱动电机结合双变换器，引出电机各相绕组的中心抽头，作为集成化充电系统的电网输入端，双变换器的两个直流端分别作为两个不同的输出端口，驱动用双变换器为三相桥式逆变器，在充电状态下复用为整流器，在充电模式复用驱动电机的绕组与双逆变器构成双PWM整流器，分别给两个不同的电源充电，采用准直接功率策略，通过直接控制电机侧两相绕组的电流，实现对充电电流与电机转矩的同时控制，并采用最小功率输出的控制原则，在双输出端口功率变化条件下实现独立充电控制功能。
有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：
1、本发明充分结合开绕组电机驱动系统结构特点，将电枢绕组一分为二，构造双PWM整流器，实现对两个独立负载充电的功能。
2、本发明可以有效抑制电动汽车复用电机绕组进行充电产生的电磁转矩，避免充电过程中由于复用电机绕组使电机转动带来损耗和安全隐患，使充电性能更加稳定。
3、本发明采用准功率控制策略，在静止坐标系下直接控制电枢绕组的两相电流，无需旋转变换，省去电网侧电角度的计算环节，简化控制算法。
4、本发明通过最小功率输出的控制原则，在双端口输出负载不平衡变化的条件下实现双端口输出功率一致，消除了电机绕组在不平衡充电状态下的转矩脉动，解决了多能量源或多电池组在充电时负载不平衡或充电效率低的问题。
附图说明
图1为开绕组电机集成化车载双端口充电系统控制框图；
图2为充电过程中三相交流电源A相输入电压与电流波形图；
图3为两个端口输入三相电流波形图，其中，图3(a)为端口一输入三相电流波形，图3(b)为端口二输入三相电流波形；
图4为两个端口输入三相电流波形傅里叶分析结果图，其中，图4(a)为端口一输入三相电流波形傅里叶分析结果图，图4(b)为端口二输入三相电流波形傅里叶分析结果；
图5为电磁转矩波形图，其中，图5(a)为未采用本发明控制策略进行充电时转子上产生的电磁转矩波形图，图5(b)为采用本发明控制策略进行充电时转子上产生的电磁转矩波形。
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价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明提供一种开绕组电机集成化车载双端口充电系统，包括带绕组中心抽头的开绕组电机及其驱动用双变换器、两个双端口PWM整流器和系统充电控制模块，绕组中心抽头用于在充电状态下将三相绕组一分为二形成两段绕组，两段绕组通过绕组中心抽头与电网三相交流电源相连，两个双端口PWM整流器的输入侧分别与两段绕组相连，输出侧分别用于连接两个独立负载，双端口PWM整流器的输入侧设置有滤波电感，双端口PWM整流器的输出侧连接着母线电容，系统充电控制模块用于实现双端口的独立充电控制。
车载双端口充电系统通过打开开绕组永磁同步电机的绕组中点引出中心抽头，复用绕组及其驱动用双逆变器重构成双端口充电系统，由此重构成的双端口充电系统，无需添加额外功率电子器件，并且可以实现对外部两个端口进行同时充电。
参照图1，在充电状态下，电机三相绕组中心抽头与电网三相交流电源相连，通过中心抽头将三相绕组一分为二，两段对称绕组复用为双端口PWM整流器输入侧滤波电感，驱动用双逆变器复用为两套充电用的PWM整流器，其直流侧输出侧分别连接母线电容和独立的负载，电网电流经过电机两段绕组和双端口PWM整流器给两个独立负载充电，充电系统采用准直接功率(QDPC)控制策略，通过直接控制电机侧两相绕组的电流，实现对充电电流与电机转矩的同时控制，双端口输出之间负载相互独立，通过绕组中心抽头并联的双PWM整流系统中无零序回路，系统充电运行过程无环流损耗，在不对称负载的工况下，采用双端口准直接功率控制策略结合最小功率输出的控制原则，控制双端口输出功率在各种工况下始终保持一致，结合独立电流内环的控制下实现双端口充电的独立控制。
基于上述系统方案，本发明提供一种开绕组电机集成化车载双端口充电系统的控制方法，其采用双端口充电准直接功率控制策略，具体包括如下步骤：
S1：采集电网侧三相电压ea、eb、ec，电机两段绕组上三相电流ia1、ib1、ic1、ia2、ib2、ic2，以及两个整流器输出电压Udc1、Udc2；
S2：将采集到的电压信号ea、eb、ec和电流信号ia1、ib1、ic1、ia2、ib2、ic2进行Clark变换得到αβ坐标系下的两相电压eα、eβ和两相电流iα1、iβ1、iα2、iβ2；
S3：利用采集到的整流器输出电压Udc1、Udc2，将给定输出电压Udc1 *、Udc2 *与实际输出电压Udc1、Udc2相减得到输出电压误差ΔUdc1、ΔUdc2，将输出电压误差ΔUdc1、ΔUdc2经过PI控制器得到输出电流给定值Idc1 *、Idc2 *；
S4：将采集到的整流器输出电压Udc1、Udc2分别与计算得到的输出电流给定值Idc1 *、Idc2 *相乘获得有功功率给定值P1 *、P2 *，根据最小功率输出控制方法计算得到最终有功功率给定值P*，利用得到的有功功率给定值P*与αβ坐标系下的两相电压eα、eβ计算αβ坐标系下两相电流给定值iα *、iβ *；
最小功率输出控制的具体方法为：比较双端口外环调制后的输出功率给定值P1 *、P2 *，获得二者中较小值Pmin *＝Min(P1 *,P2 *)，计算二者差值ΔP*＝|P1 *-P2 *|，再设置补偿系数K，最终有功功率给定值P*＝Pmin *+KΔP*，当K＝0时，系统工作在最小功率输出状态，当0＜K＜1时，系统工作在功率平衡补偿状态，当K＝1时，系统工作在最大功率输出状态。
S5：将计算得到αβ坐标系下两相电流给定值iα *、iβ *分别与两段绕组在αβ坐标系下的两相电流iα1、iβ1和iα2、iβ2相减得到电流误差Δiα1、Δiβ1和Δiα2、Δiβ2，再将电流误差Δiα1、Δiβ1、Δiα2、Δiβ2经过各自的PR控制器得到αβ坐标系下两相电压给定值uα1 *、uβ1 *、uα2 *、uβ2 *；
S6：利用计算得到αβ坐标系下的两相电压eα、eβ与αβ坐标系下两相电压给定值uα1 *、uβ1 *、uα2 *、uβ2 *相减进行解耦得到αβ坐标系下两相电压误差Δuα1、Δuβ1、Δuα2、Δuβ2，并将其输入SVPWM控制模块生成对应整流器的开关信号。
本发明还提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质存储有计算机程序，在处理器执行所述计算机程序时可实现以上所描述的方法。所述计算机可读介质可以被认为是有形的且非暂时性的。非暂时性有形计算机可读介质的非限制性示例包括非易失性存储器电路(例如闪存电路、可擦除可编程只读存储器电路或掩膜只读存储器电路)、易失性存储器电路(例如静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路)、磁存储介质(例如模拟或数字磁带或硬盘驱动器)和光存储介质(例如CD、DVD或蓝光光盘)等。计算机程序包括存储在至少一个非暂时性有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括或依赖于存储的数据。计算机程序可以包括与专用计算机的硬件交互的基本输入/输出系统(BIOS)、与专用计算机的特定设备交互的设备驱动程序、一个或多个操作系统、用户应用程序、后台服务、后台应用程序等。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
基于上述方案，为了验证上述开绕组电机集成化车载双端口充电系统的充电效果，构建了开绕组永磁同步电机数学模型，双逆变器驱动电路模型，以及双端口准直接功率控制模型进行仿真验证，使用220V三相交流电接入开绕组永磁电机绕组三相绕组中心抽头，由重构的双PWM整流器对后级两独立负载进行充电测试，采用准直接功率控制。测试过程中主要参数设置如下表所示：
仿真设定参数
仿真在进行到0.1s时对输出端口二进行突加负载，负载2由80Ω变为50Ω。
具体的仿真结果和分析如下：
图2为充电过程中三相交流电源A相输入电压与电流波形，两者的相位几乎保持一致，在准直接功率控制方式下，电网侧功率因数可以稳定在0.996以上，满足并网功率因数的要求，具有较高的电网电能利用率。
如图3和图4所示，其中，图3(a)为端口一输入三相电流波形，图3(b)为端口2输入三相电流波形，如图4(a)与图4(b)是分别对其中一相进行傅里叶分析得到的结果。电流波形的THD为0.83％和0.76％，正弦度较好，说明在定频控制下的调制方式可以有效控制电流波形。
如图5所示，其中，图5(a)为未采用本发明控制策略进行充电时转子上产生的电磁转矩波形，图5(b)为采用本发明控制策略进行充电时转子上产生的电磁转矩波形，可以证实本发明通过采用准直接功率控制结合最小功率输出的原则，实现了双端口充电的功率平衡，有效解决了不平衡负载状态下双端口充电系统的电机振动与噪声问题。
通过仿真测试验证了本发明所提出的开绕组电机集成化车载双端口充电系统结合准直接功率控制方法可以实现对两个独立负载进行充电的功能，对在双端口不平衡充电状态下消除电机绕组复用带来的电磁转矩，相比于传统的电动汽车车载充电系统，采用本发明可以有效解决多能量源或多电池组在充电时负载不平衡或充电效率低的问题，并且可以避免充电过程中由于复用电机绕组使电机转动带来损耗和安全隐患，使充电性能更加稳定。
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