引言

傳統(tǒng)的矢量調(diào)制技術(shù)是根據(jù)母線電壓、目標(biāo)輸出電壓幅值與相位計算某一開關(guān)時刻下的三相橋臂對應(yīng)IGBT的占空比,因此一個穩(wěn)定的母線電壓對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要,而直流母線電容在電機(jī)控制器中能夠起到吸收IGBT開關(guān)過程中脈沖電流沖擊、平滑母線電壓的作用,從而防止因負(fù)載突變、開關(guān)動作導(dǎo)致的電壓大幅波動。

對于汽車產(chǎn)品,小型化、輕量化一直都是發(fā)展的主流方向。由于電容ESR的存在,紋波電流在電容上的損耗會引起電容溫度的上升。而電容容芯的溫度直接影響著電容的壽命,且電容的散熱沒有太多的變化,增大體積成了加強(qiáng)電容散熱的主流方式。隨著控制器功率密度的不斷提升,支撐電容在整個控制器中的體積已經(jīng)占到了30%左右,成本和重量則占到了整體的20%。

目前,國內(nèi)外對于母線電容紋波抑制進(jìn)行了較多的研究。美國橡樹嶺國家實驗室針對一個雙繞組電機(jī),通過兩套并聯(lián)的IGBT采用移相控制方式分別控制兩套繞組,電容器紋波電流降低了55%~75%,電池紋波電流降低了70%~90%,電容體積可以降低55%~75%。中車時代電氣研究院的應(yīng)婷通過分析并聯(lián)系統(tǒng)中的諧振問題,對紋波電流諧振點(diǎn)分布規(guī)律進(jìn)行了研究,通過調(diào)整匹配多電機(jī)系統(tǒng)母線的諧振頻率,實現(xiàn)母線電容紋波電流的抑制。

1支撐電容紋波電流產(chǎn)生原理

對于由電池供能的電動汽車電機(jī)控制器,支撐電容主要是吸收IGBT開關(guān)過程中產(chǎn)生的電流脈沖,起到平滑母線電壓、降低電池端紋波電流的作用。電容紋波電流是電容溫升的主要來源,電容容芯溫度越高,電容的使用壽命越短。本文探索了雙電機(jī)/多電機(jī)系統(tǒng)不同控制器之間如何通過電容紋波電流相互抵消進(jìn)而抑制電容紋波電流。紋波電流的降低不僅可以降低電容容芯溫度,延長電容壽命,還能減少對電容容量的需求,減小電容體積,節(jié)約成本,在實現(xiàn)系統(tǒng)輕量化的同時具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

電動汽車雙電機(jī)控制器系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了方便更好地理解電容紋波電流產(chǎn)生的過程,下面先就單電機(jī)控制器系統(tǒng)進(jìn)行分析。單電機(jī)控制器系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示,根據(jù)基爾霍夫定律,電容上的紋波電流Ic等于電池電流Ib與IGBT輸入端電流Id的代數(shù)和。假設(shè)母線電容的濾波效果非常好,電池電流Ib可以看成是一個相對穩(wěn)定的直流量,IGBT輸入端電流Id是一個與開關(guān)狀態(tài)相關(guān)的脈沖電流。

下面通過分析單電機(jī)控制器在正弦脈寬調(diào)制(SPWM)下的Ib、Ic、Id電流狀態(tài),來理解電容紋波電流產(chǎn)生的過程。

母線電容的紋波電流Ic可表述為:

假設(shè)電機(jī)電流為相位互差120°的三相對稱正弦電流波形,有:

式中:IS為電機(jī)線電流有效值。

1.1電池電流Ib的計算

根據(jù)交直流側(cè)功率守恒,有:

即電池電流Ib滿足:

式中:m為調(diào)制度:coS②為功率因數(shù):7為控制器效率。

1.2SPWM調(diào)制下母線電容紋波電流計算

假設(shè)S(t)為SPWM的三角載波時域信號函數(shù),三相正弦調(diào)制波為:

U/V/W三相上橋臂的開關(guān)信號有:

EQ \* jc3 \* hps19 \o\al(\s\up 8(

流過U/V/W三相上橋臂的電流滿足:

IGBT輸入端子總電流Id滿足:

由公式(1)(4)得電容上的紋波電流可表示為:

根據(jù)文獻(xiàn)可得一個周期內(nèi)電容上紋波電流的有效值為:

1.3開關(guān)過程中的電流回路分析

控制器輸出三相對稱交流電路如圖3所示。取框中對應(yīng)的點(diǎn)進(jìn)行分析,Iu為正向電流,Iv、IW為負(fù)向電流。

空間矢量調(diào)制向量六邊形如圖4所示,取電壓矢量落在第一個扇區(qū)進(jìn)行分析。

輸出電壓矢量:

式中:U1、U3為與第一扇區(qū)相鄰的兩個有效電壓矢量:71、72為根據(jù)向量分解后得到的對應(yīng)U1、U3分別需要的工作時間。

由于開關(guān)頻率一般遠(yuǎn)高于電機(jī)的電氣頻率,為簡化分析,在一個開關(guān)周期內(nèi),將電流視為恒定值。

對于七段式SPWM調(diào)制方式,載波周期分成左右對稱的兩部分。對圖3中框出的電流分布,取左側(cè)的這部分進(jìn)行分析,得到各工作電壓下IGBT的狀態(tài)及電流導(dǎo)通路徑如圖5所示。

從圖5中可以看到,在U0矢量和U7矢量時,電機(jī)通過IGBT下三管或上三管形成閉環(huán),此時與電池、電容之間是沒有能量交換的,故Id處無電流,電池端的電流給電容充電。

在U1矢量下,U相上管導(dǎo)通,Id處電流與電機(jī)U相電流一致,由于電池端電流Ib小于U相電流Iu,根據(jù)基爾霍夫定律,電容對外放電,且滿足：

在U3矢量下,U相電流從U相上橋臂IGBT流過,V相電流經(jīng)V相上管二極管續(xù)流,W相電流從W相下橋臂IGBT通過,IGBT輸入端子處的電流Id等于IW,且滿足：

通過對上述過程的分析,對于單電控,在零矢量)U0、U7電壓矢量)時電池對電容充電,在有效工作電壓矢量時,電容對外放電。

2雙電機(jī)控制器紋波電流抑制

從上述分析過程可知,電容在零矢量時進(jìn)行充電,在工作矢量時對外放電,電容充放電過程中的電流即電容的紋波電流,如圖6中Ic曲線所示。

對于雙電機(jī)控制器,先將其視為兩個相互獨(dú)立的控制器,則兩個控制器會分別在其母線支撐電容上產(chǎn)生一個紋波電流。根據(jù)支撐電容上的紋波電流特點(diǎn),通過調(diào)整兩個控制器的載波相移,使得兩個電容紋波電流的正負(fù)相抵,進(jìn)而實現(xiàn)紋波電流抑制功能。

圖7中兩個控制器載波相位分別相差0°和90°,最終在母線支撐電容的合成紋波電流(Ic曲線)上存在較大差異,可以發(fā)現(xiàn),移相90°后電容上的紋波電流得到明顯抑制。

根據(jù)公式(7)(8)(9),對于雙電控IGBT輸入端子總電流Id滿足:

根據(jù)參考文獻(xiàn):

式中:ISn,k和ISn,k′分別為兩個控制器的輸出電流:n為開關(guān)周期計數(shù):fSW為開關(guān)頻率:k為電流基波計數(shù):fm和fm′分別為兩個控制器的電流基波頻率:an,k、αn,k分別為兩個控制器的三角載波對應(yīng)于n、k計數(shù)時的相角。

特別地,當(dāng)兩個控制器輸出電流頻率、幅值一致時,公式(16)可表示為:

如上述方程所示,可以對兩個控制器的載波進(jìn)行移相,使得兩個控制器的載波不一致來減小紋波電流。

3仿真與實驗

針對上述分析,建立電機(jī)仿真模型進(jìn)行分析驗證。

3.1單電機(jī)控制器紋波電流仿真

電機(jī)l轉(zhuǎn)速為3000r/min,輸出扭矩100N·m,仿真得到的電池電流Ib、電容紋波電流Ic、IGBT輸入端子處電流Id波形如圖8所示:一個開關(guān)周期內(nèi)的電容電流波形與載波、調(diào)制波的關(guān)系如圖9所示:U/V/W上橋臂電流波形如圖10所示。

仿真結(jié)果與前文中對紋波電流的分析一致。

3.2雙電機(jī)控制器紋波電流仿真

建立雙電機(jī)控制器模型,通過控制兩個控制器的三角載波的相位變化,對比電容紋波電流抑制效果。

電機(jī)l運(yùn)行轉(zhuǎn)速1000r/min,輸出扭矩200N·m,電機(jī)2運(yùn)行轉(zhuǎn)速2000r/min,輸出扭矩100N·m,只改變載波相移角度,電容紋波電流波形對比如圖11所示。

從圖11中可以看到,當(dāng)載波移相90°后,電容紋波電流明顯減小。從圖12中可以看出,電容紋波電流波頭數(shù)更多了,最大幅值從-400A降到了不到200A,電容紋波電壓也有所下降。

3.3實驗驗證

搭建雙電機(jī)控制系統(tǒng)如圖13所示,分別在載波位移為0°和載波位移為90°的情況下測試電容的溫升情況。

測試條件:母線電壓350V,冷卻液溫度65℃,冷卻液流量8L/min,電機(jī)1運(yùn)行于3000r/min、120N·m電動工況,電機(jī)2運(yùn)行于4000r/min、80N·m電動工況。

圖14為電容溫升結(jié)果對比。實驗結(jié)果顯示,載波位移為0°時,電容容芯最高溫度為108℃,載波位移調(diào)整為90°后,電容容芯的最高溫度降至104℃。

4結(jié)語

本文通過對IGBT開關(guān)周期內(nèi)不同開關(guān)狀態(tài)下控制器上電流的瞬態(tài)路徑進(jìn)行分析,梳理了電容紋波電流產(chǎn)生的基本原因,并提出一種在多電機(jī)系統(tǒng)中通過載波移相對電容紋波電流進(jìn)行抑制的方法。在項目具體實施過程中,采取該方法進(jìn)行雙電機(jī)控制,仿真和實驗結(jié)果均顯示電容紋波電流得到了有效抑制,電容溫升大幅降低。該方法的充分應(yīng)用,不僅可以有效降低雙電機(jī)控制器系統(tǒng)的電機(jī)振動和噪聲,還能夠有效延長變流器支撐電容的使用壽命。