一种基于双向无线电能传输的矩阵式电机驱动系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于双向无线电能传输的矩阵式电机驱动系统,在该系统中，能量传输方式采用耦合线圈型无线电能传输，信号传输方式采用无线通信技术。利用直接式矩阵变换器实现高频交流到低频交流的一步式功率变换，不仅去除了故障率高的直流母线电容，也减少了功率变换级数，极大地提高了可靠性和功率密度。通过车体内和车轮内变换器的协调控制实现双向功率传输能力，使制动能量回馈到电池侧，提高了能量利用效率。所设计的基于双向无线电能传输的矩阵式电机驱动系统，其应用范围不仅限于轮毂电机，对于具有无线化需求的特殊工业应用，例如机器人的关节驱动电机，也具有重要的参考价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双向无线电能传输的矩阵式电机驱动系统
本专利技术涉及一种驱动系统，具体涉及一种基于双向无线电能传输的矩阵式电机驱动系统，属于矩阵式电机驱动系统

技术介绍
轮毂电机(IWM)作为一种新型的电动汽车驱动电机，在轮毂内复合了电机、变速器、电气电路。相比于传统电动汽车在车体内安装电机的结构，轮毂电机省略了离合器、变速器、传动轴和机械差速器等结构，因此增加了车内利用面积、提高了机械传动效率。而且，轮毂电机使驱动汽车各个车轮的转矩能够实现直接独立控制，能够显著减小转向半径，增加汽车行驶轨迹控制的灵活性。更具有优势的是，利用各车轮的电气制动，回馈的能量可以给汽车电池充电，提高了能量的利用率。基于上述原因，对轮毂电机的研究已是新能源汽车领域的热点。目前，在轮毂电机驱动系统中，电池与电力电子变换装置一般安装在车体里，利用线缆与车轮内的轮毂电机交换能量和控制信号。由于汽车行驶时的机械震动与摩擦，这部分电缆容易出现断路故障，需要经常维护。为了避免此类故障的频发，日本东京大学的研究人员设计了一种基于双向无线电能传输的电机驱动样机(样机框架参考下图6)。它将基于电缆的有线电能传输替换成基于耦合线圈的无线电能传输，同时通过无线通信来实现信号交流。这种系统具有高可靠性、高效率、转矩可控性好、允许能量回馈的优点。然而，车轮部分的控制系统包含有直流储能电容和整流-逆变的两级式功率变换器，尚有改进的空间：直流储能电容作为功率变换器稳定性最差的部件，长期处于车轮内高温、震动的工况中、极易发生故障；轻便性也是有待改进的指标，两级式的功率变换结构和直流储能电容使系统集成度不高，会使车轮本就有限的空间更加局促，也增加了电机驱动系统的重量，从而会增加车轮簧下质量和轮毂的转动惯性，最终降低车轮操控的灵活性。
技术实现思路
本专利技术正是针对现有技术中存在的问题，提供一种基于双向无线电能传输的矩阵式电机驱动系统，本专利技术的目的是解决现有轮毂电机驱动系统功率转化级数多、功率密度低、轻便性不足、电缆和直流母线电容导致的运行不可靠的问题。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下，一种基于双向无线电能传输的矩阵式电机驱动系统，其特征在于，所述驱动系统包括：汽车电池(1.1)、全桥变换器(1.2)、副边无线充电系统的LCC补偿网络(1.3)、副边无线充电线圈(1.4)、原边无线充电线圈(1.5)、原边无线充电系统的LCC补偿网络(1.6)、三相-单相矩阵变换器(1.7)、三相电容滤波器(1.9)、永磁同步电机(1.8)；所述汽车电池(1.1)与全桥变换器(1.2)相连接；所述全桥变换器(1.2)与副边无线充电系统的LCC补偿网络(1.3)相连接；所述副边无线充电系统的LCC补偿网络(1.3)与副边无线充电线圈(1.4)相连接；所述副边无线充电线圈(1.4)对于原边无线充电线圈(1.5)，通过耦合磁场传递能量；所述原边无线充电线圈(1.5)与原边无线充电系统的LCC补偿网络(1.6)相连接；所述原边无线充电系统的LCC补偿网络(1.6)与三相-单相矩阵变换器(1.7)的单相交流输出接口(1、2)相连接；三相电容滤波器(1.9)的一端彼此连接，形成公共中性点，另一端分别与所述三相-单相矩阵变换器(1.7)的三相桥壁中心点(3、4、5)相连接；永磁同步电机(1.8)与三相电容滤波器(1.9)并联，永磁同步电机(1.8)的定子侧三相接口与所述三相-单相矩阵变换器(1.7)的三相桥壁中心点(3、4、5)相连接；永磁同步电机(1.8)的中性点与所述三相电容滤波器(1.9)的中性点同电位；所述基于双向无线电能传输系统的矩阵式电机驱动系统的功率方向与功率大小由三相-单相矩阵变换器(1.7)和全桥变换器(1.2)的控制模块决定，三相-单相矩阵变换器(1.7)由原边控制器(1.11)控制，全桥变换器(1.2)由副边控制器(1.10)控制。作为本专利技术的一种改进，系统参数满足以下条件：1)原副边LCC补偿网络各参数满足以下条件：其中，ω是补偿网络的谐振频率和原副边变换器的开关频率，Lpi是原边输入补偿电感，Lsi是副边输入补偿电感，Cpi是原边并联补偿电容，Csi是副边并联补偿电容。Lpe是原边线圈等效自感，Lpe＝Lpi＝Lp-1/(ω2Cpt)，其数值等于原边线圈自感Lp和原边自感削弱电容Cpt的串联等效电感值；Lse是副边线圈等效自感，Lse＝Lsi＝Ls-1/(ω2Cst)，其数值等于副边线圈自感Ls和副边自感削弱电容Cst的串联等效电感值；2)当以上条件都满足时，由三相-单相矩阵变换器(1.7)传递给全桥变换器(1.2)的传输功率表示为P＝MVp.rms.ωVs.rms.ωsin(θ)/(ωLpiLsi)，三相-单相矩阵变换器(1.7)对原边LCC补偿网络(1.6)输出电流有效值表示为Ipi.rms.ω＝MVsi.rms.ω/(ωLpiLsi)，以上公式中M是线圈互感，Vpi.rms.ω是三相-单相矩阵变换器(1.7)输出的原边激励电压基波有效值，Vsi.rms.ω是全桥变换器(1.2)输出的副边激励电压基波有效值，θ是原边激励电压基波vpi.ω超前于副边激励电压基波vsi.ω的相角；3)为了消除两侧变换器的无功电流，vpi.ω超前于vsi..ω的相角θ取90°或者-90°，当θ＝90°时，功率由电机(1.8)传递给汽车电池(1.1)；当θ＝-90°时，功率由汽车电池(1.1)传递给电机(1.8)。作为本专利技术的一种改进，功率方向控制的方式包括以下过程：1)所述原副边激励电压vpi和vsi的电压极性分别由原副边激励电压翻转信号S、Sdelay控制。原边激励电压翻转信号S与原边激励电压vpi的关系是：S是50％占空比的脉冲信号；S的上升沿时刻，三相-单相矩阵变换器(1.7)执行正相电流空间矢量调制，输出由正电平和零电平组成的阶梯电压vpi；S的下降沿时刻，三相-单相矩阵变换器(1.7)执行反相空间矢量调制，输出由负电平和零电平组成的阶梯电压vpi；副边激励电压翻转信号Sdelay与副边激励电压vsi的关系是：Sdelay是50％占空比的脉冲信号；Sdelay的上升沿时刻，全桥变换器(1.2)输出由正电平和零电平组成的阶梯电压vsi；Sdelay的下降沿时刻，全桥变换器(1.2)输出由负电平和零电平组成的阶梯电压vsi，副边激励电压vsi的零电平在一个开关周期内持续角等于αrad；2)所述vpi和vsi的基波vpi.ω和vsi.ω分别与S和Sdelay同步，以一个开关周期(0，Ts)为例(其他周期同理)，原边激励电压翻转信号S的上升沿超前于原边激励电压基波vpi.ω正峰值的时间近似为0.25Ts-0.5T0，副边激励电压翻转信号Sdelay的上升沿超前于副边激励电压基波vsi.ω正峰值的时间是0.25Ts；3)所述原副边激励电压翻转信号S和Sdelay，当两者保持固定的相位差时，原副边激励电压基波vpi.ω和vsi.ω亦能保持固定的相位差θ，当功率由电机(1.8)传递给汽车电池(1.1)，需要vpi.ω超前本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双向无线电能传输的矩阵式电机驱动系统，其特征在于，所述驱动系统包括：/n汽车电池(1.1)、全桥变换器(1.2)、副边无线充电系统的LCC补偿网络(1.3)、副边无线充电线圈(1.4)、原边无线充电线圈(1.5)、原边无线充电系统的LCC补偿网络(1.6)、三相-单相矩阵变换器(1.7)、三相电容滤波器(1.9)、永磁同步电机(1.8)；所述汽车电池(1.1)与全桥变换器(1.2)相连接；所述全桥变换器(1.2)与副边无线充电系统的LCC补偿网络(1.3)相连接；所述副边无线充电系统的LCC补偿网络(1.3)与副边无线充电线圈(1.4)相连接；所述副边无线充电线圈(1.4)对于原边无线充电线圈(1.5)，通过耦合磁场传递能量；所述原边无线充电线圈(1.5)与原边无线充电系统的LCC补偿网络(1.6)相连接；所述原边无线充电系统的LCC补偿网络(1.6)与三相-单相矩阵变换器(1.7)的单相交流输出接口(1、2)相连接；三相电容滤波器(1.9)的一端彼此连接，形成公共中性点，另一端分别与所述三相-单相矩阵变换器(1.7)的三相桥壁中心点(3、4、5)相连接；永磁同步电机(1.8)与三相电容滤波器(1.9)并联，永磁同步电机(1.8)的定子侧三相接口与所述三相-单相矩阵变换器(1.7)的三相桥壁中心点(3、4、5)相连接；永磁同步电机(1.8)的中性点与所述三相电容滤波器(1.9)的中性点同电位；所述基于双向无线电能传输系统的矩阵式电机驱动系统的功率方向与功率大小由三相-单相矩阵变换器(1.7)和全桥变换器(1.2)的控制模块决定，三相-单相矩阵变换器(1.7)由原边控制器(1.11)控制，全桥变换器(1.2)由副边控制器(1.10)控制。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于双向无线电能传输的矩阵式电机驱动系统，其特征在于，所述驱动系统包括：
汽车电池(1.1)、全桥变换器(1.2)、副边无线充电系统的LCC补偿网络(1.3)、副边无线充电线圈(1.4)、原边无线充电线圈(1.5)、原边无线充电系统的LCC补偿网络(1.6)、三相-单相矩阵变换器(1.7)、三相电容滤波器(1.9)、永磁同步电机(1.8)；所述汽车电池(1.1)与全桥变换器(1.2)相连接；所述全桥变换器(1.2)与副边无线充电系统的LCC补偿网络(1.3)相连接；所述副边无线充电系统的LCC补偿网络(1.3)与副边无线充电线圈(1.4)相连接；所述副边无线充电线圈(1.4)对于原边无线充电线圈(1.5)，通过耦合磁场传递能量；所述原边无线充电线圈(1.5)与原边无线充电系统的LCC补偿网络(1.6)相连接；所述原边无线充电系统的LCC补偿网络(1.6)与三相-单相矩阵变换器(1.7)的单相交流输出接口(1、2)相连接；三相电容滤波器(1.9)的一端彼此连接，形成公共中性点，另一端分别与所述三相-单相矩阵变换器(1.7)的三相桥壁中心点(3、4、5)相连接；永磁同步电机(1.8)与三相电容滤波器(1.9)并联，永磁同步电机(1.8)的定子侧三相接口与所述三相-单相矩阵变换器(1.7)的三相桥壁中心点(3、4、5)相连接；永磁同步电机(1.8)的中性点与所述三相电容滤波器(1.9)的中性点同电位；所述基于双向无线电能传输系统的矩阵式电机驱动系统的功率方向与功率大小由三相-单相矩阵变换器(1.7)和全桥变换器(1.2)的控制模块决定，三相-单相矩阵变换器(1.7)由原边控制器(1.11)控制，全桥变换器(1.2)由副边控制器(1.10)控制。


2.根据权利要求1所述的基于双向无线电能传输的矩阵式电机驱动系统，其特征在于，系统参数满足以下条件：
1)原副边LCC补偿网络各参数满足以下条件：
其中，ω是补偿网络的谐振频率和原副边变换器的开关频率，Lpi是原边输入补偿电感，Lsi是副边输入补偿电感，Cpi是原边并联补偿电容，Csi是副边并联补偿电容，Lpe是原边线圈等效自感，Lpe＝Lpi＝Lp-1/(ω2Cpt)，其数值等于原边线圈自感Lp和原边自感削弱电容Cpt的串联等效电感值；Lse是副边线圈等效自感，Lse＝Lsi＝Ls-1/(ω2Cst)，其数值等于副边线圈自感Ls和副边自感削弱电容Cst的串联等效电感值；
2)当以上条件都满足时，由三相-单相矩阵变换器(1.7)传递给全桥变换器(1.2)的传输功率表示为P＝MVp.rms.ωVs.rms.ωsin(θ)/(ωLpiLsi)，三相-单相矩阵变换器(1.7)对原边LCC补偿网络(1.6)输出电流有效值表示为Ipi.rms.ω＝MVsi.rms.ω/(ωLpiLsi)，以上公式中M是线圈互感，Vpi.rms.ω是三相-单相矩阵变换器(1.7)输出的原边激励电压基波有效值，Vsi.rms.ω是全桥变换器(1.2)输出的副边激励电压基波有效值，θ是原边激励电压基波vpi.ω超前于副边激励电压基波vsi.ω的相角；
3)为了消除两侧变换器的无功电流，vpi.ω超前于vsi..ω的相角θ取90°或者-90°，当θ＝90°时，功率由电机(1.8)传递给汽车电池(1.1)；当θ＝-90°时，功率由汽车电池(1.1)传递给电机(1.8)。


3.根据权利要求1所述的基于双向无线电能传输的矩阵式电机驱动系统，其特征在于，功率方向控制的方式包括以下过程：
1)所述原副边激励电压vpi和vsi的电压极性分别由原副边激励电压翻转信号S、Sdelay控制。原边激励电压翻转信号S与原边激励电压vpi的关系是：S是50％占空比的脉冲信号；S的上升沿时刻，三相-单相矩阵变换器(1.7)执行正相电流空间矢量调制，输出由正电平和零电平组成的阶梯电压vpi；S的下降沿时刻，三相-单相矩阵变换器(1.7)执行反相空间矢量调制，输出由负电平和零电平组成的阶梯电压vpi；副边激励电压翻转信号Sdelay与副边激励电压vsi的关系是：Sdelay是50％占空比的脉冲信号；Sdelay的上升沿时刻，全桥变换器(1.2)输出由正电平和零电平组成的阶梯电压vsi；Sdelay的下降沿时刻，全桥变换器(1.2)输出由负电平和零电平组成的阶梯电压vsi，副边激励电压vsi的零电平在一个开关周期内持续角等于αrad；
2)所述vpi和vsi的基波vpi.ω和vsi.ω分别与S和Sdelay同步，以一个开关周期(0，Ts)为例(其他周期同理)，原边激励电压翻转信号S的上升沿超前于原边激励电压基波vpi.ω正峰值的时间近似为0.25Ts-0.5T0，副边激励电压翻转信号Sdelay的上升沿超前于副边激励电压基波vsi.ω正峰值的时间是0.25Ts；
3)所述原副边激励电压翻转信号S和Sdelay，当两者保持固定的相位差时，原副边激励电压基波vpi.ω和vsi.ω亦能保持固定的相位差θ，当功率由电机(1.8)传递给汽车电池(1.1)，需要vpi.ω超前于vsi.ω的相角θ＝90°，令电压翻转信号延迟时间Tdelay，即S超前于Sdelay的时间，是即0.25Ts-0.5T0可满足上述要求；当功率由汽车电池(1.1)传递给电机(1.8)，需要vpi.ω超前于vsi.ω的相角θ＝-90°，令电压翻转信号延迟时间Tdelay是0.75Ts-0.5T0即可满足上述要求；
4)所述电压翻转信号延迟时间Tdelay和vpi.ω超前于vsi.ω的相角θ是功率方向的控制参数，都由功率方向设定位Shift确定。当Shift＝1时，对应能量回馈制动工况，功率由电机(1.8)传递给汽车电池(1.1)；当Shi...

【专利技术属性】
技术研发人员：王政，关蕾，吴佳丽，刘鹏程，程明，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32