基于箝位型三电平变换器的集成驱动充电电路和控制系统技术方案

本发明专利技术公开了基于箝位型三电平变换器的集成驱动充电电路和控制系统，属于电动汽车领域。本发明专利技术提出采用三电平变换器，并改变三电平变换器的中性点桥臂的开关方式来选择电机相绕组接入电网的方式，此时接入电网的相是可以通过变换器中的中性点桥臂来灵活选择和改变，结合电流控制策略来保证集成充电器在并网时不会产生电机转矩且损耗最低，零转矩的实现与转子位置角无关且损耗最低。通过对辅助桥臂进行调制，从而控制辅助电感上的电流来反向补偿电机驱动工况下三电平变换器流入电容中性点的电流，最终达到稳定中性点电位的目的。本发明专利技术添加了额外桥臂和额外电感，这些额外元件在并网时会接入电网从而使系统拥有全桥性质，可以提高并网的电能质量。

【技术实现步骤摘要】
基于箝位型三电平变换器的集成驱动充电电路和控制系统
本专利技术属于电动汽车领域，更具体地，涉及基于箝位型三电平变换器的集成驱动充电电路和控制系统。
技术介绍
纯电动汽车与插电式混合动力汽车可以有效减少碳排放，增加能源利用效率，未来将替代内燃机汽车。然而，目前电动汽车正面临着电池容量有限以及能量补给不便等问题，只有有效解决上述两个问题，电动汽车才能真正被大众所接受。对于电池能量补给不便的问题，目前的解决方法有换电以及扩建充电桩，但这两种方法都需要很昂贵的建设成本。还有一种方式是采用车载充电机，但这种装置受限于车内空间以及成本，一般来说功率等级不高，因此充电速率受限。利用电动汽车中已有的电力电子装置来实现车载充电功能，可以同时兼顾充电功率大、便捷的特点，具有比较高的实用价值。但目前相关文献中提出的集成充电系统存在充电过程会产生电机转矩和噪声的问题。例如专利CN109167551A中提出了一种集成充电功能的H桥汽车电机控制器，在利用三相电网对电池进行充电时，电机绕组上流过三相对称交流电流，该电流将产生交变转矩从而引起电机啸叫。
技术实现思路
针对现有技术复用电机控制器作为车载充电器时电机会产生转矩的问题，且要求零转矩的实现要与电机转子位置角无关；三电平变换器的中性点电位如何平衡，且与调制方式、调制系数、负载功率因数等无关的缺陷和改进需求，本专利技术提供了基于箝位型三电平变换器的集成驱动充电电路和控制系统，其目的在于在保证电机驱动性能的同时，能够实现零转矩并网，来对电池进行充放电管理。相较于已有的方案，本专利技术不存在充电过程中的电机转矩和噪声问题，而又具有集成度高、成本低的特点，且电机驱动性能较一般的驱动电机变换系统要好。为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提供了一种基于箝位型三电平变换器的单电机驱动单相并网集成驱动充电电路，所述集成驱动充电电路包括：一个箝位型三电平变换器、两个直流滤波电容、一个辅助电感、一个辅助两电平桥臂、一个工作模式切换模块、直流电源侧电气接口、电机系统交流侧电气接口和单相电网接口；所述箝位型三电平变换器由m个箝位型三电平桥臂构成，各箝位型三电平桥臂的正极Px短接在一起构成直流电源侧电气接口的正极P；各三电平桥臂的负极Nx短接在一起构成直流电源侧电气接口的负极N；三电平桥臂的交流接口ACx独立接出，共同构成电机系统交流侧电气接口，交流侧电气接口与m相交流电机相连；各三电平桥臂的中性点Ox接在一起构成箝位型三电平变换器的中性点O，x＝1，2，3...，m，m表示交流电机的相数；两个直流滤波电容串联，且引出正极接口CP、负极接口CN以及中性点接口CO；正极接口CP接至直流电源侧电气接口的正极P；负极接口CN接至直流电源侧电气接口的负极N；工作模式切换模块有三个接口，分别为辅助电感接口LP、直流电容中性点接口COP和箝位型三电平变换器中性点接口IOP；辅助电感接口LP与辅助电感的一端相连；直流电容中性点接口COP与中性点接口CO相连；箝位型三电平变换器中性点接口IOP与中性点O相连；辅助电感有两个端口，一端接至工作模式切换模块的辅助电感接口LP，另一端与两电平桥臂单元的交流侧接口ACa相连；辅助两电平桥臂有正极Pa、负极Na以及交流侧接口ACa，正极Pa接至直流电源侧电气接口的正极P；负极Na接至直流电源侧电气接口的负极N；交流侧接口ACa与辅助电感单元的一端相连；箝位型三电平变换器中性点接口IOP与辅助电感接口LP共同构成单相电网接口，所述单相电网接口内部包含电网电压传感器，用于检测电网的电压。有益效果：本专利技术通过采用箝位型三电平变换器、辅助电感及桥臂，由于辅助电感及桥臂的中点电流补偿作用、三电平变换器相桥臂可工作在零电平开关模式，从而分别实现了驱动工况时中点电位的平衡，以及并网工况下接入电网的电机相绕组的任意选择因此实现任意电机转子d轴位置下的零转矩并网运行。优选地，所述工作模式切换模块包括M个功率二极管桥臂和一个功率晶体管桥臂；所述功率二极管桥臂的数量是辅助电感接口LP和箝位型三电平变换器中性点接口IOP数量之和，每个功率二极管桥臂的中性点连接辅助电感接口LP或箝位型三电平变换器中性点接口IOP；所述功率晶体管桥臂的中性点连接直流电容中性点接口COP；功率二极管桥臂的阴极和功率晶体管桥臂正极端短接，功率二极管桥臂的阳极和功率晶体管桥臂负极端短接。有益效果：一般的方法中切换都是通过机械开关实现的，这会使得系统的功率回路杂散电感变大从而恶化系统电磁兼容性能。本专利技术通过采用二极管桥臂和功率晶体管桥臂，由于二极管的单向导电性、功率晶体管的开关作用以及二极管和功率晶体管的高电路集成性，从而实现了工作模式的灵活切换以及电路电磁干扰的降低，由于引入的杂散电感很小，所以在保证切换功能的同时还能优化系统的电磁兼容性能。为实现上述目的，按照本专利技术的第二方面，提供了一种如第一方面所述的基于箝位型三电平变换器的单电机驱动单相并网集成驱动充电电路的控制系统，所述系统包括控制器，所述控制器用于向集成驱动充电电路中的工作模式切换模块发送运行于电机驱动工况的指令或者运行于并网功率变换工况的指令；所述工作模式切换模块用于接收来自控制器的模式切换指令，并根据指令改变内部的开关状态：当接收到运行于电机驱动工况的指令时，工作模式切换模块改变内部的开关状态，使得辅助电感接口LP、直流电容中性点接口COP与箝位型三电平变换器中性点接口IOP短接在一起；当接收到运行于并网功率变换工况的指令时，工作模式切换模块改变内部的开关状态，使得辅助电感接口LP与直流电容中性点接口COP断开、箝位型三电平变换器中性点接口IOP与直流电容中性点接口COP断开，且此时辅助电感接口LP接至单相电网的一端、箝位型三电平变换器中性点接口IOP接至单相电网的另一端。有益效果：本专利技术通过控制器对工作模式切换模块中开关的有效通断控制来实现对系统工作模式的整定，从而使得硬件能够有效工作于两种不同的工况。优选地，所述控制器包括对应于驱动电机工况的第一控制模块，所述第一控制模块包括一个m相交流电机控制单元、一个箝位型三电平变换器调制单元、一个箝位型三电平变换器的中性点电流平均值计算单元、一个直流滤波电容中性点电压控制环路以及一个辅助电感电流控制环路；所述m相交流电机控制单元，用于接收交流电机的电流检测信号以及交流电机转速信号，对电机转速和电流进行调节，使得电机转速和转矩达到控制要求，并输出控制电压指令给箝位型三电平变换器，输出控制电压指令和交流电机电流检测值给箝位型三电平变换器的中性点电流平均值计算单元；箝位型三电平变换器调制单元，用于接收来自m相交流电机控制单元的控制电压指令，进行载波调制后，输出箝位型三电平变换器中功率开关的驱动信号，输出到箝位型三电平桥臂；箝位型三电平变换器的中性点电流平均值计算单元，用于接收来自m相交流电机控制单元的第k拍控制电压指令值v*[k]，以及第k拍交流电机电流检测值i[k]，通过交流电机的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于箝位型三电平变换器的单电机驱动单相并网集成驱动充电电路，其特征在于，所述集成驱动充电电路包括：一个箝位型三电平变换器、两个直流滤波电容、一个辅助电感、一个辅助两电平桥臂、一个工作模式切换模块、直流电源侧电气接口、电机系统交流侧电气接口和单相电网接口；/n所述箝位型三电平变换器由m个箝位型三电平桥臂构成，各箝位型三电平桥臂的正极Px短接在一起构成直流电源侧电气接口的正极P；各三电平桥臂的负极Nx短接在一起构成直流电源侧电气接口的负极N；三电平桥臂的交流接口ACx独立接出，共同构成电机系统交流侧电气接口，交流侧电气接口与m相交流电机相连；各三电平桥臂的中性点Ox接在一起构成箝位型三电平变换器的中性点O，x＝1,2,3...,m，m表示交流电机的相数；/n两个直流滤波电容串联，且引出正极接口CP、负极接口CN以及中性点接口CO；正极接口CP接至直流电源侧电气接口的正极P；负极接口CN接至直流电源侧电气接口的负极N；/n工作模式切换模块有三个接口，分别为辅助电感接口LP、直流电容中性点接口COP和箝位型三电平变换器中性点接口IOP；辅助电感接口LP与辅助电感的一端相连；直流电容中性点接口COP与中性点接口CO相连；箝位型三电平变换器中性点接口IOP与中性点O相连；/n辅助电感有两个端口，一端接至工作模式切换模块的辅助电感接口LP，另一端与两电平桥臂单元的交流侧接口ACa相连；/n辅助两电平桥臂有正极Pa、负极Na以及交流侧接口ACa，正极Pa接至直流电源侧电气接口的正极P；负极Na接至直流电源侧电气接口的负极N；交流侧接口ACa与辅助电感单元的一端相连；/n箝位型三电平变换器中性点接口IOP与辅助电感接口LP共同构成单相电网接口，所述单相电网接口内部包含电网电压传感器，用于检测电网的电压。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于箝位型三电平变换器的单电机驱动单相并网集成驱动充电电路，其特征在于，所述集成驱动充电电路包括：一个箝位型三电平变换器、两个直流滤波电容、一个辅助电感、一个辅助两电平桥臂、一个工作模式切换模块、直流电源侧电气接口、电机系统交流侧电气接口和单相电网接口；
所述箝位型三电平变换器由m个箝位型三电平桥臂构成，各箝位型三电平桥臂的正极Px短接在一起构成直流电源侧电气接口的正极P；各三电平桥臂的负极Nx短接在一起构成直流电源侧电气接口的负极N；三电平桥臂的交流接口ACx独立接出，共同构成电机系统交流侧电气接口，交流侧电气接口与m相交流电机相连；各三电平桥臂的中性点Ox接在一起构成箝位型三电平变换器的中性点O，x＝1,2,3...,m，m表示交流电机的相数；
两个直流滤波电容串联，且引出正极接口CP、负极接口CN以及中性点接口CO；正极接口CP接至直流电源侧电气接口的正极P；负极接口CN接至直流电源侧电气接口的负极N；
工作模式切换模块有三个接口，分别为辅助电感接口LP、直流电容中性点接口COP和箝位型三电平变换器中性点接口IOP；辅助电感接口LP与辅助电感的一端相连；直流电容中性点接口COP与中性点接口CO相连；箝位型三电平变换器中性点接口IOP与中性点O相连；
辅助电感有两个端口，一端接至工作模式切换模块的辅助电感接口LP，另一端与两电平桥臂单元的交流侧接口ACa相连；
辅助两电平桥臂有正极Pa、负极Na以及交流侧接口ACa，正极Pa接至直流电源侧电气接口的正极P；负极Na接至直流电源侧电气接口的负极N；交流侧接口ACa与辅助电感单元的一端相连；
箝位型三电平变换器中性点接口IOP与辅助电感接口LP共同构成单相电网接口，所述单相电网接口内部包含电网电压传感器，用于检测电网的电压。


2.如权利要求1所述的集成驱动充电电路，其特征在于，所述工作模式切换模块包括M个功率二极管桥臂和一个功率晶体管桥臂；
所述功率二极管桥臂的数量是辅助电感接口LP和箝位型三电平变换器中性点接口IOP数量之和，每个功率二极管桥臂的中性点连接辅助电感接口LP或箝位型三电平变换器中性点接口IOP；
所述功率晶体管桥臂的中性点连接直流电容中性点接口COP；
功率二极管桥臂的阴极和功率晶体管桥臂正极端短接，功率二极管桥臂的阳极和功率晶体管桥臂负极端短接。


3.一种如权利要求1或2所述的基于箝位型三电平变换器的单电机驱动单相并网集成驱动充电电路的控制系统，其特征在于，所述系统包括控制器，所述控制器用于向集成驱动充电电路中的工作模式切换模块发送运行于电机驱动工况的指令或者运行于并网功率变换工况的指令；
所述工作模式切换模块用于接收来自控制器的模式切换指令，并根据指令改变内部的开关状态：
当接收到运行于电机驱动工况的指令时，工作模式切换模块改变内部的开关状态，使得辅助电感接口LP、直流电容中性点接口COP与箝位型三电平变换器中性点接口IOP短接在一起；
当接收到运行于并网功率变换工况的指令时，工作模式切换模块改变内部的开关状态，使得辅助电感接口LP与直流电容中性点接口COP断开、箝位型三电平变换器中性点接口IOP与直流电容中性点接口COP断开，且此时辅助电感接口LP接至单相电网的一端、箝位型三电平变换器中性点接口IOP接至单相电网的另一端。


4.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述控制器包括对应于驱动电机工况的第一控制模块，所述第一控制模块包括一个m相交流电机控制单元、一个箝位型三电平变换器调制单元、一个箝位型三电平变换器的中性点电流平均值计算单元、一个直流滤波电容中性点电压控制环路以及一个辅助电感电流控制环路；
所述m相交流电机控制单元，用于接收交流电机的电流检测信号以及交流电机转速信号，对电机转速和电流进行调节，使得电机转速和转矩达到控制要求，并输出控制电压指令给箝位型三电平变换器，输出控制电压指令和交流电机电流检测值给箝位型三电平变换器的中性点电流平均值计算单元；
箝位型三电平变换器调制单元，用于接收来自m相交流电机控制单元的控制电压指令，进行载波调制后，输出箝位型三电平变换器中功率开关的驱动信号，输出到箝位型三电平桥臂；
箝位型三电平变换器的中性点电流平均值计算单元，用于接收来自m相交流电机控制单元的第k拍控制电压指令值v*[k]，以及第k拍交流电机电流检测值i[k]，通过交流电机的电压电流方程和载波调制的方式，计算得到kTs至(k+1)Ts之间的箝位型三电平变换器的中性点电流平均值inp并输出给直流滤波电容中性点电压控制环路，Ts为开关周期；
直流滤波电容中性点电压控制环路，用于计算两个直流滤波电容电压的差值，将差值输入到电压调节器VR，计算得到补偿电流指令i*comp，该指令与inp相加得到辅助电感电流指令i*L，并输出给辅助电感电流控制环路；
辅助电感电流控制环路，用于计算i*L与实际电感电流之间的差值，将差值输入到电流调节器CR，计算得到电感电压控制信号UL，对UL进行标幺化处理后，与三角载波进行比较，从而得到两电平桥臂单元的驱动信号，输出给辅助两电平桥臂。


5.如权利要求3的控制系统，其特征在于，所述控制器包括对应于并网功率变换工况的第二控制模块，所述第二控制模块包括交流电机转子d轴位置角判断单元、交流电机绕组接入电网方式确定单元、电网电压锁相环单元、并网电流控制单元以及桥臂调制单元；
交流电机转子d轴位置角判断单元，用于判断出交流电机转子d轴位置角，输出给交流电机绕组接入电网方式确定单元、并网电流控制单元；
交流电机绕组接入电网方式确定单元，用于根据电机的d轴位置角选择箝位型三电平变换器中某一相桥臂的中点对应的开关导通，使得对应相的电机绕组与单相电网相连，同时其他相的箝位型三电平桥臂将工作于两电平模式，输出交流电机绕组接入电网的相编号给并网电流控制单元；
电网电压锁相环单元，用于接收来自电网电压传感器的电压检测信号，并计算得到电网电压的瞬时相位以及幅值，并输出给并网电流控制单元；
并网电流控制单元包括：并网电流指令生成模块、d轴电流指令生成模块、dq轴系下电流负反馈计算模块、比例-多谐振电流调节器、电网电压前馈计算模块以及坐标逆变换模块；
并网电流指令生成模块，用于接收电网电压锁相环单元的电网电压瞬时相位及幅值信号，同时接收并网功率指令信号，根据功率与电压电流之间的关系，得到并网电流指令，输出给d轴电流指令生成模块；
d轴电流指令生成模块，用于接收并网电流指令以及电机位置角和绕组接入相编号，根据电网电流与d轴电流之间的矢量关系，由电网电流指令计算得到d轴电流指令，输出给dq轴系下电流负反馈计算模块；
dq轴系下电流负反馈计算模块，用于接收d轴电流指令以及电机相电流检测值，将q轴电流指令设置为零，首先对电机相电流做坐标变换得到d、q轴电流，d、q轴电流再与d、q轴电流指令相减得到误差项，输出给比例-多谐振电流调节器；
比例-多谐振电流调节器，用于接收误差项，分别执行比例调节器和多谐振调节器的运算后，相加得到反馈控制输出量，输出给电网电压前馈计算模块；
电网电压前馈计算模块，用于接收电网电压传感器的电压检测信号以及电机位置角和绕组接入的模式，并由此计算出电网电压在d、q轴的分量，分别加到对应轴的反馈控制输出量上，得到最终的电压控制输出量，输出给坐标逆变换模块；
坐标逆变换模块，用于接收电压控制输出量以及电机位置角，计算得到m相坐标系下的电压输出量，输出给桥臂调制单元；
桥臂调制单元，用于接收绕组接入的模式以及m相坐标系下的电压输出量，首先根据绕组接入的模式对接入电网的那一相的三电平桥臂上、下开关实行封锁；然后将电压输出量中接入电网的那一相的分量标幺化，再与三角载波进行比较得到辅助两电平桥臂的驱动信号，输出到辅助两电平桥臂；电压输出量中的其他相的分量标幺化后，与三角载波进行比较得到三电平变换器中对应相桥臂上、下开关的驱动信号，输出到箝位型三电平桥臂。


6.一种基于箝位型三电平变换器的多电机驱动三相并网集成驱动充电电路，其特征在于，包括X个箝位型三电平变换器、两个直流滤波电容、Y个辅助电感、Y个辅助两电平桥臂、一个工作模式切换模块、直流电源侧电气接口、电机系统交流侧电气接口、三相电网接口；
每个箝位型三电平变换器由m个箝位型三电平桥臂构成，各箝位型三电平桥臂的正极Px短接在一起构成直流电源侧电气接口的正极P；各三电平桥臂的负极Nx短接在一起构成直流电源侧电气接口的负极N；三电平桥臂的交流接口ACx独立接出，共同构成电机系统交流侧电气接口，交流侧电气接口与m相交流电机相连；各三电平桥臂的中性点Ox接在一起构成变换器的中性点O，x＝1,2,3...,m，m表示交...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋栋，高加楼，李柏杨，周敏，孙伟，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42