双电机控制器电容纹波电流抑制研究

引言

传统的矢量调制技术是根据母线电压、目标输出电压幅值与相位计算某一开关时刻下的三相桥臂对应IGBT的占空比,因此一个稳定的母线电压对于系统的稳定性至关重要,而直流母线电容在电机控制器中能够起到吸收IGBT开关过程中脉冲电流冲击、平滑母线电压的作用,从而防止因负载突变、开关动作导致的电压大幅波动。

对于汽车产品,小型化、轻量化一直都是发展的主流方向。由于电容ESR的存在,纹波电流在电容上的损耗会引起电容温度的上升。而电容容芯的温度直接影响着电容的寿命,且电容的散热没有太多的变化,增大体积成了加强电容散热的主流方式。随着控制器功率密度的不断提升,支撑电容在整个控制器中的体积已经占到了30%左右,成本和重量则占到了整体的20%。

目前,国内外对于母线电容纹波抑制进行了较多的研究。美国橡树岭国家实验室针对一个双绕组电机,通过两套并联的IGBT采用移相控制方式分别控制两套绕组,电容器纹波电流降低了55%~75%,电池纹波电流降低了70%~90%,电容体积可以降低55%~75%。中车时代电气研究院的应婷通过分析并联系统中的谐振问题,对纹波电流谐振点分布规律进行了研究,通过调整匹配多电机系统母线的谐振频率,实现母线电容纹波电流的抑制。

1支撑电容纹波电流产生原理

对于由电池供能的电动汽车电机控制器,支撑电容主要是吸收IGBT开关过程中产生的电流脉冲,起到平滑母线电压、降低电池端纹波电流的作用。电容纹波电流是电容温升的主要来源,电容容芯温度越高,电容的使用寿命越短。本文探索了双电机/多电机系统不同控制器之间如何通过电容纹波电流相互抵消进而抑制电容纹波电流。纹波电流的降低不仅可以降低电容容芯温度,延长电容寿命,还能减少对电容容量的需求,减小电容体积,节约成本,在实现系统轻量化的同时具有较好的经济效益。

电动汽车双电机控制器系统拓扑结构如图1所示。

为了方便更好地理解电容纹波电流产生的过程,下面先就单电机控制器系统进行分析。单电机控制器系统拓扑结构如图2所示,根据基尔霍夫定律,电容上的纹波电流Ic等于电池电流Ib与IGBT输入端电流Id的代数和。假设母线电容的滤波效果非常好,电池电流Ib可以看成是一个相对稳定的直流量,IGBT输入端电流Id是一个与开关状态相关的脉冲电流。

下面通过分析单电机控制器在正弦脉宽调制(SPWM)下的Ib、Ic、Id电流状态,来理解电容纹波电流产生的过程。

母线电容的纹波电流Ic可表述为:

假设电机电流为相位互差120°的三相对称正弦电流波形,有:

式中:IS为电机线电流有效值。

1.1电池电流Ib的计算

根据交直流侧功率守恒,有:

即电池电流Ib满足:

式中:m为调制度:coS②为功率因数:7为控制器效率。

1.2SPWM调制下母线电容纹波电流计算

假设S(t)为SPWM的三角载波时域信号函数,三相正弦调制波为:

U/V/W三相上桥臂的开关信号有:

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

流过U/V/W三相上桥臂的电流满足:

IGBT输入端子总电流Id满足:

由公式(1)(4)得电容上的纹波电流可表示为:

根据文献可得一个周期内电容上纹波电流的有效值为:

1.3开关过程中的电流回路分析

控制器输出三相对称交流电路如图3所示。取框中对应的点进行分析,Iu为正向电流,Iv、IW为负向电流。

空间矢量调制向量六边形如图4所示,取电压矢量落在第一个扇区进行分析。

输出电压矢量:

式中:U1、U3为与第一扇区相邻的两个有效电压矢量:71、72为根据向量分解后得到的对应U1、U3分别需要的工作时间。

由于开关频率一般远高于电机的电气频率,为简化分析,在一个开关周期内,将电流视为恒定值。

对于七段式SPWM调制方式,载波周期分成左右对称的两部分。对图3中框出的电流分布,取左侧的这部分进行分析,得到各工作电压下IGBT的状态及电流导通路径如图5所示。

从图5中可以看到,在U0矢量和U7矢量时,电机通过IGBT下三管或上三管形成闭环,此时与电池、电容之间是没有能量交换的,故Id处无电流,电池端的电流给电容充电。

在U1矢量下,U相上管导通,Id处电流与电机U相电流一致,由于电池端电流Ib小于U相电流Iu,根据基尔霍夫定律,电容对外放电,且满足：

在U3矢量下,U相电流从U相上桥臂IGBT流过,V相电流经V相上管二极管续流,W相电流从W相下桥臂IGBT通过,IGBT输入端子处的电流Id等于IW,且满足：

通过对上述过程的分析,对于单电控,在零矢量)U0、U7电压矢量)时电池对电容充电,在有效工作电压矢量时,电容对外放电。

2双电机控制器纹波电流抑制

从上述分析过程可知,电容在零矢量时进行充电,在工作矢量时对外放电,电容充放电过程中的电流即电容的纹波电流,如图6中Ic曲线所示。

对于双电机控制器,先将其视为两个相互独立的控制器,则两个控制器会分别在其母线支撑电容上产生一个纹波电流。根据支撑电容上的纹波电流特点,通过调整两个控制器的载波相移,使得两个电容纹波电流的正负相抵,进而实现纹波电流抑制功能。

图7中两个控制器载波相位分别相差0°和90°,最终在母线支撑电容的合成纹波电流(Ic曲线)上存在较大差异,可以发现,移相90°后电容上的纹波电流得到明显抑制。

根据公式(7)(8)(9),对于双电控IGBT输入端子总电流Id满足:

根据参考文献:

式中:ISn,k和ISn,k′分别为两个控制器的输出电流:n为开关周期计数:fSW为开关频率:k为电流基波计数:fm和fm′分别为两个控制器的电流基波频率:an,k、αn,k分别为两个控制器的三角载波对应于n、k计数时的相角。

特别地,当两个控制器输出电流频率、幅值一致时,公式(16)可表示为:

如上述方程所示,可以对两个控制器的载波进行移相,使得两个控制器的载波不一致来减小纹波电流。

3仿真与实验

针对上述分析,建立电机仿真模型进行分析验证。

3.1单电机控制器纹波电流仿真

电机l转速为3000r/min,输出扭矩100N·m,仿真得到的电池电流Ib、电容纹波电流Ic、IGBT输入端子处电流Id波形如图8所示:一个开关周期内的电容电流波形与载波、调制波的关系如图9所示:U/V/W上桥臂电流波形如图10所示。

仿真结果与前文中对纹波电流的分析一致。

3.2双电机控制器纹波电流仿真

建立双电机控制器模型,通过控制两个控制器的三角载波的相位变化,对比电容纹波电流抑制效果。

电机l运行转速1000r/min,输出扭矩200N·m,电机2运行转速2000r/min,输出扭矩100N·m,只改变载波相移角度,电容纹波电流波形对比如图11所示。

从图11中可以看到,当载波移相90°后,电容纹波电流明显减小。从图12中可以看出,电容纹波电流波头数更多了,最大幅值从-400A降到了不到200A,电容纹波电压也有所下降。

3.3实验验证

搭建双电机控制系统如图13所示,分别在载波位移为0°和载波位移为90°的情况下测试电容的温升情况。

测试条件:母线电压350V,冷却液温度65℃,冷却液流量8L/min,电机1运行于3000r/min、120N·m电动工况,电机2运行于4000r/min、80N·m电动工况。

图14为电容温升结果对比。实验结果显示,载波位移为0°时,电容容芯最高温度为108℃,载波位移调整为90°后,电容容芯的最高温度降至104℃。

4结语

本文通过对IGBT开关周期内不同开关状态下控制器上电流的瞬态路径进行分析,梳理了电容纹波电流产生的基本原因,并提出一种在多电机系统中通过载波移相对电容纹波电流进行抑制的方法。在项目具体实施过程中,采取该方法进行双电机控制,仿真和实验结果均显示电容纹波电流得到了有效抑制,电容温升大幅降低。该方法的充分应用,不仅可以有效降低双电机控制器系统的电机振动和噪声,还能够有效延长变流器支撑电容的使用寿命。