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用于新能源汽车的电机驱动和充电机集成系统控制策略研究

用于新能源汽车的电机驱动和充电机集成系统控制策略研究

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作者：游帅东南大学

学位级别：硕士

随着现代社会对化石能源的依赖加深,世界的化石能源逐渐出现了危机,而燃油汽车不仅消耗了大量的化石能源,还排放大量的汽车尾气,对环境造成严重的污染,因此,发展新能源汽车以补充甚至取代燃油汽车的使用,对节约能源和保护环境具有重要... 详细信息

随着现代社会对化石能源的依赖加深,世界的化石能源逐渐出现了危机,而燃油汽车不仅消耗了大量的化石能源,还排放大量的汽车尾气,对环境造成严重的污染,因此,发展新能源汽车以补充甚至取代燃油汽车的使用,对节约能源和保护环境具有重要的意义。新能源汽车需要两种不同的功率变换器,包括对电池充电的充电机和对驱动电机进行控制的电机驱动器。充电机除了基础的电池充电功能之外,还可以附加并网发电的功能,将电池能量作为电网电能的补充,实现电池的充分利用。由于新能源汽车的充电功率和电机驱动功率不断增大,充电机和电机驱动器的体积重量也在增大,因此在有限的汽车空间内提高变换器的功率密度,是研究的一大热点。本文提出了一种两级式的电机驱动和充电机集成系统,变换器由双有源桥式DC-DC变换器、三相四桥臂DC-AC变换器及辅助电路构成,电机采用鼠笼式三相异步电机,集成系统和单相电网相连。通过将变换器结构和电机绕组进行复用,可以实现电机驱动、电池并网发电和电池充电三种工作模式,减少了变换器的体积和成本。同时集成系统中消除了电解电容的使用,进一步提升了车载变换器的功率密度。本文首先对电机驱动和充电机集成系统的结构组成进行了详细的分析,对双有桥式DC-DC变换器、三相四桥臂DC-AC变换器和辅助电路在三种工作模式下的连接方式和实现功能进行了介绍。然后在电机驱动工作模式下,双有源桥式DC-DC变换器通过电池侧H桥的移相控制,生成带零电压的脉动直流母线;分析了异步电机的动态数学模型,并采用基于查表法的直接转矩控制法控制异步电机,通过在直流母线零电压时刻进行开关切换,实现了直流母线侧H桥和三相四桥臂的零电压开关,提升了系统的效率。在电池并网发电工作模式中,同样在直流母线上生成脉动的电压,三相四桥臂DC-AC变换器采用了有限集模型预测控制实现IGBT的零电压开关,并将电路的工作模态分解,详细分析了电路的工作原理。最后研究了三种不同的电池充电控制策略,包括基于boost原理和基于扩展移相策略的充电方式,其直流母线电压为电网整流波形,以及一种基于有限集模型预测的控制方式,直流母线电压为高频脉动波形。为了验证电机驱动、电池并网发电和电池充电三种工作模式的控制策略的有效性,在实验室中搭建了实物平台,进行了各种控制策略的原理验证,同时测量了变换器的传输效率,并和常用的充电机结构进行对比,体现了集成系统在效率上的优势。

关键词：新能源汽车集成充电机无电解电容异步电机控制零电压开关

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V2G应用中集成充电系统逆变运行特性研究

V2G应用中集成充电系统逆变运行特性研究

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作者：牛浩楠哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

电动汽车的普及促进了电网与电动汽车之间能量转换技术(Vehicle to Grid,V2G技术)的不断发展,具有V2G功能的电动汽车受车载式充电机体积及传输功率的限制,不能实现大功率能量转换。然而在电动汽车停驻时,如果将具有较高功率等级的驱动... 详细信息

电动汽车的普及促进了电网与电动汽车之间能量转换技术(Vehicle to Grid,V2G技术)的不断发展,具有V2G功能的电动汽车受车载式充电机体积及传输功率的限制,不能实现大功率能量转换。然而在电动汽车停驻时,如果将具有较高功率等级的驱动系统组件加入到充电机中不仅可以节约有限的空间,还可以提高系统的功率等级,所以这种适用于V2G服务的集成式充电机成为一个研究热点。因为V2G模式下,充电机在向电网馈电过程中要具有较宽的功率输出范围,较快的响应速度,而且还要满足严格地并网电流谐波要求。所以基于上述条件,本文主要研究一种集成充电机结构在并网逆变运行时的输出特性。其中前级为Z源变换器,后级为三相逆变器,并且采用三阶滤波装置。本文首先分析了双向充电机拓扑结构的选择以及工作原理,包括升压原理、调制技术等。通过建立系统并网运行时的数学模型,并且结合电网馈电的各种要求,提出了直流侧和交流侧的控制策略,为集成系统的分析以及搭建并网系统实验平台奠定基础。由于电动汽车自身空间的限制,本文提出了一种基于LCL滤波的集成式系统结构,即在并网运行模式中用电驱动系统的功率变换器代替并网逆变单元,用电机绕组来代替两组滤波电感,通过改变电机绕组连接方式来确保运行过程中不会产生电磁转矩,仿真结果表明三相定子绕组产生的最大转子转矩波动值较小。在此基础上改善了集成结构的控制方法,在控制系统中将得到的采样变量乘以相应系数矩阵可以有效减小各绕组之间互感的影响。另外采用一种基于集成系统的有源阻尼方法,有效降低了集成系统谐振点处的谐波含量,符合并网电流对各频次谐波的要求。搭建Z源并网实验平台,通过并网运行实验,验证了系统的可行性。在控制系统中加入反馈的电容电流环抑制了三阶滤波结构在谐振频率处产生的谐振尖峰,保证并网电流满足公用电网谐波要求。为了减少电流传感器带来的系统不稳定因素,用一种滤波电容电流估算算法代替电流传感器,将电容估算算法中所用到的积分器用两个串联的低通滤波器来代替,实验结果表明估算算法同样能达到较好地有源阻尼效果。

关键词：电动汽车 V2G 集成充电机绕组集成方式谐波

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基于准Z源软开关变换器的集成充电系统控制方法的研究

基于准Z源软开关变换器的集成充电系统控制方法的研究

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作者：徐国强哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

集成充电机利用电动汽车电机驱动系统的硬件实现充电,有望同时解决充电速度慢和一桩难求两个问题,因此获得广泛关注。Z源变换器因具有有源器件更少,可靠性更高等优点在电机驱动中得到广泛利用,为了实现集成充电有必要对Z源整流器进行研... 详细信息

集成充电机利用电动汽车电机驱动系统的硬件实现充电,有望同时解决充电速度慢和一桩难求两个问题,因此获得广泛关注。Z源变换器因具有有源器件更少,可靠性更高等优点在电机驱动中得到广泛利用,为了实现集成充电有必要对Z源整流器进行研究。集成充电系统复用电驱动系统硬件,不是按照充电功能设计主电路硬件,充电模式下不是效率最优,所以有必要提升效率。本文研究对象是一种通过工作在电感电流断续条件下实现软开关的三相准Z源整流器。为了使三相软开关准Z源整流器在某一工况下运行,首先对模型进行合理简化,利用开关平均方法建立其数学模型,平均模型说明了决定输出电压的因素,为输出电压的调节提供依据,小信号模型说明了系统在某一工作点的动态特性,为控制系统设计提供理论基础。然后通过软件扫频和阶跃响应验证小信号模型的准确性。最终基于小信号模型整定PI参数,实现了交流侧电流电压双闭环和直流侧电压闭环控制。针对系统的软开关运行进行研究。首先分析系统运行模式得到形成软开关的条件,在此基础上提出新的调制方法使系统在扇区边界仍然能够形成软开关。最后提出了准Z源网络电感值选择方法,通过等式和不等式约束寻找合适的电感值,能够预测形成软开关的输出电阻变化范围。基于系统的平均模型以及软开关运行条件,提出了一种恒流恒压控制策略,该策略实现了输出电阻变化时通过改变系统参数维持软开关,并实现一定程度的效率优化。为满足网侧电流的THD要求,使用比例-重复控制的复合控制方法抑制低次谐波,基于分段式三相电机使用载波移相方法抑制网侧高次谐波。基于三套准Z源网络并联的载波移相方法提出了通过切除一或两套网络的方法实现准Z源网络电感分级调节从而扩大能够形成软开关的输出电阻范围。最后通过硬件在环测试和实验顺序验证上述理论和方法。通过实验发现网侧电压存在尖峰,然后依据电压尖峰形成原因进行分类,对部分种类尖峰提出了抑制方案,提高了系统的效率。

关键词：集成充电机准Z源变换器电感电流断续软开关谐波抑制

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