自勵異步發電機異步電動機串聯型混合電動汽車系統*

盛洋波， 盧子廣， 胡立坤， 廖一旭

(廣西大學 電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

0 引 言

考慮能源利用率以及目前技術可實行條件，發展混合電動汽車(Hybrid Electric Vehicle, HEV)是發展新能源汽車的必經之路[1]。HEV可有效提高燃油的利用率，減少對環境的污染，符合我國目前所倡導的生態文明建設的國策。HEV的發電機和驅動電機一般采用籠型異步電機和永磁同步電機。隨著汽車產業鏈的大規模發展，其電機容量達到數十千瓦，甚至高達上百千瓦，采用永磁同步電機嚴重受限于稀土資源的缺乏[2]，且稀土的伴生礦含有放射性元素，存在生態安全隱患。此外，永磁同步電機弱磁升速困難，在高溫、震動或過負荷條件下易出現退磁現象，且高速運行故障時會產生過高繞組電壓損壞變流器。因此，一些知名的HEV廠商，如雷諾、通用、奔馳、寶馬等更傾向于采用籠型異步電機[3]。異步電機價格便宜、堅固耐用、結構簡單，可顯著提高HEV系統對惡劣環境的適應能力，是目前全球HEV電機的主流產品。

在HEV零部件技術中，發電機和電動機的控制系統最為關鍵。異步發電機通常需要在機端并接電容組成獨立自勵異步發電機[4](Self-Excited Induction Generator, SEIG)才能在HEV上獨立供電，但SEIG不能有效維持其端電壓，帶載能力差。為保證供電質量，在SEIG機端并聯PWM變流器，同時采用不依賴電機數學模型的SEIG端電壓定向控制方法，可顯著提高SEIG端電壓的動靜態性能，有效解決各種電能質量問題[5,6]。異步電動機(Induction Motor, IM)調速控制通常采用矢量控制和直接轉矩控制。直接轉矩控制在HEV低速運行時轉矩脈動較大，不能滿足低速運行時的穩定高轉矩要求，且直接轉矩控制無電流內環，存在過流危險[7]；矢量控制采用雙閉環控制結構，將磁通和轉矩解耦，可實現轉矩的快速控制，滿足HEV的高性能調速要求[8]。

本文針對采用異步電機的串聯型HEV，給出HEV發電機工作模式下的系統結構，分別對SEIG側變流器的矢量控制方法和IM側變流器的矢量控制方法進行了分析設計，最后進行調速試驗，給出了實時控制效果。

1 異步電機的數學模型

異步電機有電動和發電兩種可逆運行狀態，本文選取電動運行狀態搭建數學模型，則在旋轉dq坐標系下的磁鏈方程為

(1)

式中:ψsd、ψsq——定子磁鏈的d、q軸分量；

ψrd、ψrq——轉子磁鏈的d、q軸分量；

isd、isq——定子電流的d、q軸分量；

ird、irq——轉子電流的d、q軸分量；

Lm——互感；

Ls——定子自感；

Lr——轉子自感。

dq坐標系下的電壓方程為

(2)

式中:usd、usq——定子電壓的d、q軸分量;

urd、urq——轉子電壓的d、q軸分量;

Rs、Rr——定子、轉子的電阻；

ωdqs、ωdqr——定子、轉子在dq坐標系的角速度；

p——微分算子。

電磁轉矩方程為

(3)

式中：np——極對數。

2 HEV系統及控制結構

2.1 HEV系統結構

串聯型HEV發電機工作模式下的系統結構如圖1所示。它由供電系統和驅動系統組成。供電系統由發動機、SEIG和SEIG側變流器組成。驅動系統由IM和IM側變流器組成，兩臺變流器背靠背連接。

圖1 串聯型HEV發電機工作模式下的系統結構

圖1中，供電系統變量和參數：uga、ugb、ugc為三相SEIG端電壓，iga、igb、igc為SEIG側變流器三相電流，ugdc為直流側電壓，C為勵磁電容，L為濾波電感，CG為直流側電容；驅動系統變量和參數：isa、isb、isc為異步電動機三相定子電流，CM為直流側電感，usdc為直流側電壓，其中，usdc=ugdc=udc。

SEIG側變流器的主要功能： 在HEV不同運行狀態下穩定持續地為HEV驅動系統供電，同時維持SEIG端電壓恒定。IM側變流器的主要功能： 驅動IM工作，實現HEV不同運行狀態下的高性能調速控制。

2.2 SEIG變流器控制結構

SEIG側變流器的控制框圖如圖2所示。采用基于SEIG端電壓定向的矢量控制方法，選取d軸方向為SEIG端電壓矢量旋轉方向，則變流器電流的d軸分量igd為有功分量，q軸分量igq為無功分量。

圖2 SEIG側變流器控制框圖

在圖2中，端電壓峰值和定向角觀測器模型如式(4)所示。

(4)

式中：ugα、ugβ——三相SEIG端電壓經過Clarke變換后的兩相靜止坐標系α、β下的分量。

(5)

kgdp、kgdi、kgqp、kgqi——直流側電壓PI調節器和SEIG端電壓峰值PI調節器的比例、積分系數。

(6)

式中,kgap、kgai、kgap、kgai、kgap、kgai為SEIG側變流器三相電流PI調節器的比例、積分系數。

三相調制波經過SPWM調制后輸出6路PWM脈沖，然后驅動SEIG側變流器持續穩定地為處于不同運行狀態下的HEV驅動系統供電。

2.3 IM側變流器控制結構

IM側變流器采用基于轉子磁鏈定向的矢量控制方法，取d軸方向為轉子磁鏈ψr方向，則由等式可得轉子磁鏈方程為

(7)

由于d、q坐標系定向于轉子磁鏈方向，則ωdqs等于轉子磁鏈角速度ω1，ωdqr等于轉差角速度ωs，而籠型異步電動機轉子內部是短路的，轉子電壓在d、q軸上的分量urd=urq=0，則等式可簡化為

(8)

由等式(7)和式(8)可得轉子磁鏈ψr與定子電流勵磁分量isd的關系為

(9)

式中:Tr——轉子電磁時間常數。

由式(9)可知，轉子磁鏈ψr僅由定子電流勵磁分量isd決定，與轉矩分量isq無關，說明isd和isq是解耦的。

將式(3)的轉矩方程化為

(10)

由式(10)可知，若控制勵磁分量isd保證轉子磁鏈ψr不變，即可實現轉矩分量isq對電磁轉矩Te的快速控制，從而將IM等效為直流電動機。IM側變流器的控制框圖如圖3所示。

圖3中，轉子磁鏈和定向角觀測器采用的電流模型為

圖3 IM側變流器控制框圖

(11)

式中:ω——轉速反饋值；

ψrα、ψr β——轉子磁鏈的α、β分量；

isα、isβ——定子電流的α、β分量。

磁鏈ψr和定向角θr為

(12)

3 試驗結果

采用PM300DSA120智能功率模塊搭建SEIG側PWM變流器和IM側PWM變流器，分別采用TMS320F2812 DSP和dSPACE 單板控制器DS1104進行實時控制。通過1024線增量式編碼器測量IM轉速，采用LEM LA100-P電流傳感器和LEM LV28-P電壓傳感器測量SEIG側變流器的三相電流、IM三相定子電流、SEIG端電壓，及直流側電壓。SEIG側變流器參數： 濾波電感 1.7mH，直流側電容5000μF，開關頻率7kHz，死區時間4.3μs；IM側變流器參數： 直流側電容5000μF，開關頻率10kHz，死區時間5μs。SEIG和IM的參數如表1所示。

表1 SEIG和IM參數

由圖4(a)可看出，轉速響應時間為 0.15s，響應時間短；由圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)可看出，轉速變化時，電流跟蹤性能良好，轉矩Te呈現方波，且轉子磁鏈沒有變化，解耦效果明顯。

由圖4(e)可知，SEIG端電壓峰值由311V跌落至270V，后又恢復給定值311V，最大動態電壓41V，SEIG側變流器可有效維持機端電壓；由圖4(f)可知，直流側電壓由200V跌落至170V，后又恢復給定值200V，最大動態電壓30V。這表明HEV需要加速動能時，驅動系統能夠提供穩定的電源，保證了整個HEV正常運行。

HEV減速試驗結果(IM轉速給定值ω*由600r/min降低到200r/min)如圖5所示。由圖5(a)和圖5(b)可看出，速度和定子電流的跟蹤性能良好;由圖5(c)和圖5(d)可看出，轉矩和定子磁鏈解耦效果明顯，與加速試驗結果一致。

由圖5(e)、圖5(f)可知，SEIG端電壓峰值由311V上升至326V，最大動態電壓為15V，直流側電壓由200V上升至207V，最大動態電壓為7V，表明HEV減速時能將能量反饋至直流側。若在直流側接入低壓側帶蓄電池的雙向DC/DC變換器，可吸收減速時回饋的動能，提高HEV運行效率。

圖4 HEV加速試驗結果

圖5 HEV減速試驗結果

4 結 語

本文設計了一種發電電機和驅動電機均采用異步電機的串聯型HEV動力系統。該HEV系統由SEIG、雙PWM變流器和IM組成，兩個PWM變流器均采用矢量控制方法。試驗結果表明： HEV加速和減速時，IM的速度響應時間短，電磁轉矩和轉子磁鏈能夠實現解耦，調速控制效果好；同時，在HEV加速時，SEIG變流器能夠穩定持續提供加速所需要的動能；HEV減速時，IM變流器能夠將減速產生的動能回饋到直流側。該系統的良好運行效果為HEV的動力系統提供了新的選擇方案。

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