[发明专利]一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法

说明书

本发明公开了一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法。构建混合储能单元，混合储能单元输出接至三相逆变器输入，三相逆变器输出接无刷直流电机三相绕组；处于制动，根据混合储能单元和三相逆变器构建两种制动矢量，通过两种矢量作用实现制动转矩控制时将制动能量回馈至超级电容；处于电动，根据混合储能单元和三相逆变器构建四种电动矢量，电机加速通过不同矢量作用实现蓄电池和超级电容的功率分担控制，电机恒速通过不同矢量作用实现换相阶段的转矩波动抑制。本发明在无刷直流电机制动减速运行、加速运行及恒速运行模式下均获得良好的控制性能，并且使用超级电容作为能量缓冲装置可以很好地缓解频繁充放电对蓄电池使用寿命的影响。

技术领域

本发明涉及一种无刷直流电机系统控制方法，特别是涉及了一种基于混合储能单元的无刷直流电机系统控制方法。

背景技术

无刷直流电机以其功率密度高、结构简单等优势被广泛应用于电动汽车、工业控制及航空航天等领域。在无刷直流电机的许多应用场合中，常以高能量密度的蓄电池作为主要的供电电源，但是蓄电池存在功率密度有限、充放电循环次数少等不足。例如在电动汽车应用场合，电机频繁的加减速会使电池进行大功率充放电，从而对蓄电池寿命产生不利影响。

近几年来，国内外学者提出应用超级电容/蓄电池混合储能单元的方法，相比于蓄电池，超级电容功率密度更高，并且频繁的充放电对其寿命几乎不产生影响。因此超级电容/蓄电池混合储能单元存在以下优势：在制动过程中电机可以将机械能转化为电能回馈至超级电容，提高能量利用率，并避免频繁充电对蓄电池造成的不利影响；在加速过程等电机需要输出高功率的场合，可以利用超级电容辅助蓄电池为电机供电，有效地缓解蓄电池因输出功率过高引起的寿命缩短问题。

E.Chemali和M.Peindl等人介绍了超级电容与蓄电池的发展现状，并对常见的混合储能单元结构进行了说明(IEEE Journal of Emerging and Selected Topics inPower Electron.,vol.4,no.3,pp.1117-1134,2016年9月)。被动式结构直接将超级电容与蓄电池并联连接至负载，是一种相对简单可靠的结构，超级电容与蓄电池的输出功率分别取决于各自内阻大小，但该结构由于蓄电池电压的钳位作用，超级电容电压利用范围有限。为了提升超级电容的电压利用范围，常用的方法是将超级电容通过双向DC-DC变换器连接至负载、蓄电池直接连接至负载，构成半主动式混合储能单元。还有学者提出将蓄电池与超级电容分别用两个DC-DC变换器连接至负载的主动式结构。上述添加DC-DC变换器的混合储能单元可以有效提升超级电容的电压利用范围，由于这种混合储能单元需要电感实现峰值功率传输，因此在电路设计中特别需要权衡系统的体积。

在以无刷直流电机作为动力元件的驱动系统中，由于电机的转矩性能是衡量驱动系统性能的关键指标，因此在设计混合储能单元的同时兼顾电机的转矩性能具有重要意义，目前已有学者展开了相关的研究(IEEE Trans.Veh.Technol.,vol.66,no.5,pp.3724-3738,2017年5月；IEEE Trans.Veh.Technol.,vol.60,no.1,pp.89-97,2011年1月)。但是鲜有方法在设计混合储能单元的同时考虑无刷直流电机的换相转矩波动问题，无刷直流电机在运行过程中存在的换相转矩波动将会导致产生较大的噪声和振动，降低电机运行的平稳性。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的上述不足，设计一种结构简单的超级电容/蓄电池混合储能单元，并提出基于混合储能单元的无刷直流电机运行控制策略，有效抑制换相转矩波动，使无刷直流电机在制动减速、加速、恒速运行模式下均获得良好的控制性能。

为了实现以上目的，如图1所示，本发明采用以下技术方案：