电动汽车用电驱重构型双向车载充电机_孙庆国.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
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