一種考慮實際運行工況的可變數量并聯型電動汽車變流器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種考慮實際運行工況的可變數量并聯型電動汽車變流器，包括逆變器主電路模塊，模塊DSP控制電路，脈沖關斷控制電路，電機模塊，和電池模塊。本實用新型用N個三相變流器（功率較小）并聯代替傳統的單個三相變流器（功率較大），根據電動汽車的實際運行工況功率模塊器件結溫和電機定子相電流的實際大小，判斷所需要并聯工作的變流器的個數，通過合理數量的變流器的并聯，同時達到在特定工況及電流下變流器損耗最小的目的。本實用新型結構設計合理，具有變流器損耗低，功率器件的利用率較高以及成本大幅降低的優點，并且功率器件的可靠性基本保持不變。
【專利說明】
一種考慮實際運行工況的可變數量并聯型電動汽車變流器
技術領域
[0001]本實用新型涉及電動汽車變流器技術領域，具體涉及一種考慮實際運行工況的可變數量并聯型電動汽車變流器。
【背景技術】
[0002]伴隨著日益嚴峻的環境問題與能源問題，交通工具的變革也越來越緊迫，電動汽車取代內燃機汽車成為一種必然趨勢。電動汽車是以電動機作為驅動的，驅動電機的控制性能很大程度上決定了汽車的運行性能。而驅動電機的調速又依靠于變流器所提供的變頻電流，所以變流器對汽車的安全可靠運行起到了至關重要的作用；同時，變流器功率模塊額定功率等級的選取不僅關系到電動汽車的成本與其自身的利用率，還關系到變流器的損耗和電動汽車的續航里程。
[0003]截至目前，制約電動汽車發展的兩大主要因素是續航里程較短和價格相對昂貴。解決電動汽車續航里程較短的方法主要有兩種，其一是研發新型高能量密度大容量電池；其二是通過能源管理更合理有效的支配車載電源有限的電能。研發新型大容量電池雖然能從根源上解決車載電能少的問題，但研發周期很長，研發難度巨大，短時間內難以發生質的改變，而且存在價格上的巨大不確定性。能源管理無法做到從根本上提高電動汽車的續航里程，但通過管理能源，降低損耗，在短時間內可以有可觀的改善，同時價格不會有明顯的改變。所以能源管理是一個十分合理和必要的過渡過程。變流器作為能源管理中的一個重要對象，在保證其可靠性的同時降低其損耗也就十分重要了。
[0004]功率器件的可靠性與其自身損耗緊密聯系，目前基于功率器件可靠性的降損研究還處于起步階段，比較流行的方法是:I)降低器件的開關頻率，2)限制并降低電流幅值。這兩種方法都存在損害負載性能的缺點，實用性不強。
[0005]對于電動汽車用變流器，啟動過程中的功率是其他工況時的十幾甚至幾十倍，而啟動工況在所有運行工況中占的比例卻微乎其微，這就造成了功率模塊在絕大多數時候處于極低的利用率;同時在相同情況的小功率運行時，大功率變流器的開關損耗，特別是關斷損耗，比小功率變流器的關斷損耗大很多。這也是本實用新型的出發點，采用并聯較小功率模塊替代大功率模塊，依據器件的結溫以及負載功率的大小控制并聯工作的變流器的數量，達到確保電動汽車車變流器驅動性能不變的同時，減小器件損耗的目的。本實用新型優點之一在于有效降低器件損耗，大幅降低器件成本(以英飛凌FS200R07A1E3與FS75R07WE3_BIIA為例，單個大功率變流器與3個較小功率變流器價格比高于1.7)，同時實用性強。
【實用新型內容】
[0006]本實用新型目的在于克服現有技術的不足，通過采用多個較小功率變流器(多個較小變流器的總功率要大于等于單個大功率變流器額定功率)替代單個大功率變流器，根據變流器功率器件結溫和驅動電機定子相電流來控制并聯工作的變流器的數量，通過合理數量的變流器的并聯，達到保證負載性能和功率器件安全可靠性的同時，降低器件損耗的目的節約能量以延長電動汽車的續航里程。本實用新型除了結構設計合理，還能大幅降低購買變流器的成本，實用性較強。
[0007]本實用新型的目的至少通過如下技術方案之一實現。
[0008]—種考慮實際運行工況的可變數量并聯型電動汽車變流器，其包括變流器主電路模塊、DSP控制電路、脈沖關斷控制電路、電機模塊和電池模塊;電池模塊的輸出端與變流器主電路模塊的直流輸入端連接，變流器主電路模塊的交流輸出端與電機模塊的輸入端連接，變流器器件結溫通過溫度傳感器輸入到DSP控制電路，電機模塊的信號采集輸出端與DSP控制電路的輸入端連接，速度給定輸出端與DSP控制電路的輸入端連接，DSP控制電路的PWM脈沖信號輸出端與脈沖關斷控制電路的輸入端連接，脈沖關斷控制電路的輸出端分別與變流器主電路模塊各個逆變器驅動模塊信號輸入端連接，各逆變器驅動模塊的輸出與相應變流器控制端口相連。
[0009]進一步優化地，脈沖關斷控制電路由N個鎖存器(L1、L2、L3)組成;各鎖存器的輸入端并聯后與DSP控制電路的PffM信號輸出端相連，各鎖存器(L1、L2、L3)的輸出端分別與對應的變流器相連，鎖存器的使能端與DSP的輸出端分別相連進一步優化地，變流器主電路模塊包括N個并聯變流器(例如Ml、M2、M3，N為正整數)，各變流器直流輸入端并聯連接，交流輸出端也并聯連接。
[0010]進一步優化地，脈沖關斷控制電路由N個鎖存器(L1、L2、L3)組成;各鎖存器的輸入端并聯后與DSP控制電路的PffM信號輸出端相連，各鎖存器(L1、L2、L3)的輸出端分別與對應的逆變器驅動模塊相連，鎖存器的使能端與DSP的輸出端分別相連。
[0011]進一步優化地，電機模塊由驅動電機、負載、霍爾電流傳感器和速度位置傳感器組成。
[0012]本實用新型用N個三相變流器(功率較小)并聯代替傳統的單個三相變流器(功率較大)，根據電動汽車的實際運行工況功率模塊器件結溫和電機定子相電流的實際大小，判斷所需要并聯工作的變流器的個數，通過合理數量的變流器的并聯，同時達到在特定工況及電流下變流器損耗最小的目的。
[0013]與現有技術相比，本實用新型具有如下優點和顯著效果:
[0014]首先，本實用新型通過采用多個較小功率變流器替代單個大功率變流器，根據變流器功率器件的結溫和驅動電機定子相電流來控制并聯工作的變流器的數量，通過合理數量的較小功率變流器的并聯，甚至單個較小功率變流器工作，達到在相對較小功率要求工況下，降低器件損耗的目的，節約能量以延長電動汽車的續航里程，同時還可以兼顧變流器功率模塊的安全可靠性能。
[0015]其次，在不同工況下，改變并聯工作的變流器的數量，使得變流器可以一直工作于接近額定功率的負荷狀態，因而功率器件的利用率得到了極大的提高，同時器件的穩定性依然可以得到保證，本實用新型還能大幅降低購買變流器的成本，實用性較強。
【附圖說明】
[0016]圖1是實例中考慮實際運行工況的可變數量并聯型電動汽車變流器總體構架圖。
[0017]圖2是實例中微處理器(DSP)內實現控制過程的方框圖。
[0018]圖3是實例中功率比較切出并聯變流器的邏輯流程圖。
[0019]圖4是實例中結溫比較切入并聯變流器的邏輯流程圖。
【具體實施方式】
[0020]以下結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進一步說明，但本實用新型的實施不限于此，本實用新型的關鍵在于對結構進行優化設計，需指出的是，以下若有未特別詳細說明之處，均是本領域技術人員可根據現有技術實現的。
[0021]如圖1所示考慮實際運行工況的可變數量并聯型電動汽車變流器，包括變流器主電路模塊(包含逆變器驅動模塊)、DSP控制電路、脈沖關斷控制電路、電機模塊和電池模塊。本電路能實現變并聯數量控制，電池模塊的輸出端與變流器主電路的直流輸入端連接，變流器主電路的交流輸出端與電機模塊的輸入端連接，電機模塊的信號采集輸出端與微控制器(DSP)的輸入端連接，速度給定輸出端與微控制器(DSP)的輸入端連接，DSP的PWM脈沖信號輸出端與脈沖關斷控制電路的輸入端連接，脈沖關斷控制電路的輸出端與變流器主電路模塊的逆變器驅動模塊驅動信號輸入端連接，脈沖關斷控制電路的使能端與DSP的輸出端相連。
[0022]微控制器采集驅動電機的定子相電流與轉子轉速位置信息，結合微處理器內部編程設計的控制方法(例如采用現有磁鏈定向控制F0C，直接轉矩控制DTC)以及調制方式(如電流跟蹤調制CFPWM，正弦脈寬調制SP麗，空間矢量調制SVM)來產生出PWM脈沖使變流器正常工作給驅動電機供電，同時通過溫度傳感器將檢測的功率器件結溫與預置安全結溫值(一般為110攝氏度)比較，不斷得出超出安全結溫值的幅度，來增加并聯接入工作的變流器的數量;反之，當實際負載功率減小時，通過實際負載功率與變流器額定功率的比較，確定需要并聯工作變流器數量以及需切出的變流器數量，變流器的切入切出依靠脈沖開關控制電路執行，切出前將所有PWM信號置低，將需要切出的變流器對應的鎖存器的使能端置低，即可完成切出操作。
[0023]進一步實施地(僅作為例子)，DSP控制電路輸出的PWM脈沖信號，由電機模塊的霍爾電流傳感器和速度位置傳感器測量的信息和給定的速度信息，結合微處理器內部編程設計的控制方法(如磁鏈定向控制F O C，直接轉矩控制D T C )以及調制方式(電流跟蹤調制CFPffM，正弦脈寬調制SPWM，空間矢量調制SVM)來產生;脈沖關斷控制電路(T1、T2、T3 )的開通與關斷控制信號(使能)由DSP控制電路產生輸出。在切出其中一路逆變器時，需要在一個采樣周期內，將六路PWM信號置低后，關斷所需要切出逆變器對應的鎖存器使能，然后恢復正常PWM信號輸出。脈沖關斷控制電路(T1、T2、T3)的開通與關斷信號的產生，是通過器件實時結溫與設定的預設安全結溫Tref的對比、器件的額定功率與實時負載功率共同決定的，器件的結溫不超過110攝氏度，器件的功率不超出額定功率的1.5倍。器件實時結溫與設定安全結溫的對比控制著并聯變流器數量的增加，當實際結溫超出安全結溫時，設置溫度梯度以迅速反應并不斷增加并聯變流器的數量。器件的額定功率(反映為電流)與實際運行功率對比控制并聯變流器數量的減少，實際運行功率小于K倍器件額定功率時(滿足條件的最小倍數K值)，則通過脈沖關斷控制電路關斷N-K個變流器。進一步優化地，以溫度梯度為增加變流器的控制量，需要一個絕對安全溫度值Tab(功率器件一般為150攝氏度)，溫度梯度表示為A T=(Tab-Tref)/(N-l)，Δ T決定了控制的靈敏度，Tab與Tref越接近，靈敏度越高。上述結溫控制變流器數量增加是為了在短時大功率運行時不用頻繁切入變流器;功率控制變流器數量減少是為了時刻讓處于工作的變流器的數量最少，已達到降低損耗的目的。
[0024]圖2是微處理器(DSP)內實現脈沖產生與輸出，并切斷相應變流器脈沖信號的控制框圖，框圖以磁鏈定向控制，空間矢量調制(SVM)為例，通過給定速度信號η*與反饋速度信號η的比較產生電流轉矩分量iq*，定子電流磁鏈分量id*保持不變，產生的電流分量iq*、id*分別與經坐標變換(Clarke及Park變換)反饋回的電流iq、id比較，得到電壓分量vd，vq。電壓分量與位置反饋信號theta通過Park逆變換提供SVM調制所需的信號最終產生PffM脈沖信號。結溫比較單元通過將器件實際結溫與預設安全結溫比較，控制并聯變流器數量的增加；電流比較單元通過獲取的電流信息并與預設值比較，計算出所需要的并聯變流器的數量，切除不需要的變流器的驅動脈沖信號。
[0025]圖3是本實例中電流比較的具體流程圖，當負載過載η倍(示例取1.5倍)時，切出所有變流器，當負載處于額定值與1.5倍額定值之間，所有變流器都處于切入狀態；負載處于(Ν-1)倍變流器額定功率與額定負載之間，切出一個變流器，以此類推，至工作時切出(Ν-1)個變流器，圖3以3個并聯變流器說明。
[0026]圖4是本實例中結溫比較的具體流程圖，首先切入一個變流器，若結溫超過預設安全結溫值Tref，則在絕對安全結溫值Tab(器件最高結溫一般不超過150攝氏度)與預設安全結溫值Tref之間設置溫度梯度Δ T = (Tab-Tref)/(N-l )，器件溫度每個Λ T切入一個變流器，圖例中以3個變流器并聯。
【主權項】
1.一種考慮實際運行工況的可變數量并聯型電動汽車變流器，其特征在于包括變流器主電路模塊、DSP控制電路、脈沖關斷控制電路、電機模塊和電池模塊;電池模塊的輸出端與變流器主電路模塊的直流輸入端連接，變流器主電路模塊的交流輸出端與電機模塊的輸入端連接，變流器器件結溫通過溫度傳感器輸入到DSP控制電路，電機模塊的信號采集輸出端與DSP控制電路的輸入端連接，速度給定輸出端與DSP控制電路的輸入端連接，DSP控制電路的PffM脈沖信號輸出端與脈沖關斷控制電路的輸入端連接，脈沖關斷控制電路的輸出端分別與變流器主電路模塊各個逆變器驅動模塊信號輸入端連接，各逆變器驅動模塊的輸出與相應變流器控制端口相連。2.根據權利要求1所述的一種考慮實際運行工況的可變數量并聯型電動汽車變流器，其特征在變流器主電路模塊包括N個并聯的變流器。3.根據權利要求1所述的一種考慮實際運行工況的可變數量并聯型電動汽車變流器，其特征在于脈沖關斷控制電路由N個鎖存器(L1、L2、L3)組成;各鎖存器的輸入端并聯后與DSP控制電路的PffM信號輸出端相連，各鎖存器(L1、L2、L3)的輸出端分別與對應的變流器相連，鎖存器的使能端與DSP的輸出端分別相連。4.根據權利要求1所述的一種考慮實際運行工況的可變數量并聯型電動汽車變流器，其特征在于電機模塊由驅動電機、負載、霍爾電流傳感器和速度位置傳感器組成。
【文檔編號】H02P21/12GK205622566SQ201620146567
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年2月28日
【發明人】王學梅, 汪緒彬, 張波
【申請人】華南理工大學