[发明专利]一种基于双向无线电能传输的矩阵式电机驱动系统

权利要求书

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)的三相桥臂中心点(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)的三相桥臂中心点(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；

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，L_pi是原边输入补偿电感，L_si是副边输入补偿电感，C_pi是原边并联补偿电容，C_si是副边并联补偿电容，L_pe是原边线圈等效自感，L_pe＝L_pi＝L_p-1/(ω²C_pt)，其数值等于原边线圈自感L_p和原边自感削弱电容C_pt的串联等效电感值；L_se是副边线圈等效自感，L_se＝L_si＝L_s-1/(ω²C_st)，其数值等于副边线圈自感L_s和副边自感削弱电容C_st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＝MV_pi.rmsωV_sirms.ωsin(θ)/(ωL_piL_si)，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I_pi.rms.ω＝MV_si.rms.ω/(ωL_piL_si)，以上公式中M是线圈互感，V_pi.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，V_si.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v_pi.ω超前于副边激励电压基波v_si.ω的相角；

3)为了消除两侧变换器的无功电流，v_pi.ω超前于v_si.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)；

功率方向控制的方式包括以下过程：

1)原副边激励电压v_pi和v_si的电压极性分别由原副边激励电压翻转信号S、S_delay控制，原边激励电压翻转信号S与原边激励电压v_pi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v_pi；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v_pi；副边激励电压翻转信号S_delay与副边激励电压v_si的关系是：S_delay是50％占空比的脉冲信号；S_delay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v_si；S_delay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v_si，副边激励电压v_si的零电平在一个开关周期内持续角等于αrad；

2)所述v_pi和v_si的基波v_pi.ω和v_si.ω分别与S和S_delay同步，在一个开关周期(0，T_s)里，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v_pi.ω正峰值的时间为0.25T_s-0.5T₀，副边激励电压翻转信号S_delay的上升沿超前于副边激励电压基波v_si.ω正峰值的时间是0.25T_s；其中T_s为开关周期T_s、T₀为电流空间矢量调制的零矢量作用时间；

3)所述原副边激励电压翻转信号S和S_delay，当两者保持固定的相位差时，原副边激励电压基波v_pi.ω和v_si.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v_pi.ω超前于v_si.ω的相角θ＝90°，令电压翻转信号延迟时间T_delay，即S超前于S_delay的时间，是即0.25T_s-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v_pi.ω超前于v_si.ω的相角θ＝-90°，令电压翻转信号延迟时间T_delay是0.75T_s-0.5T₀即可满足上述要求；

4)所述电压翻转信号延迟时间T_delay和v_pi.ω超前于v_si.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Shift＝0时，对应电机驱动工况，功率由汽车电池(1.1)传递给电机(1.8)。