新能源汽车多源直接混合电驱动柔性开绕组拓扑及控制策略研究

For the requirements improving the performance of the electric drives in new energy vehicles, the improvements introduced by open-end winding topology in available speed range, common-mode rejection, switch fault tolerance, and so on, are preparing it to be a comparatively ideal converter scheme. But as for the requirements of multi-sources hybrid electric drives, the common DC-bus topology is not feasible to integrate different sources directly, since the dual inverters share the same DC-bus; meanwhile, the isolated DC-bus topology causes the bearing currents and electromagnetic interference aggravated, since there are high frequency pulsation components between the two sets of DC-buses. To fix the dilemma, a flexible open-end winding converter topology and its control strategy are proposed in this proposal for hybrid electric drives with multi-sources integrated directly. The main research interesting points as follows: a novel type of open-end winding topology, coalescing the common DC-bus and isolated DC-bus structures, is proposed, resulting in a great enhancement in the common-mode rejection capability of this direct integration hybrid electric drives; furthermore, based on the proposed topology, the corresponding flexible open-end topologies and the switch fault tolerance strategies are invented, resulting in further enhancement and optimization both in the operating performance throughout the speeds and in the switch fault tolerant performance for this direct integration hybrid electric drive. At last, based on these proposed schemes, the cooperated control strategies for the power and energy correspondingly are studied deeply, aiming to provide an exploring strategy for high performance hybrid drive topology and control for these new energy vehicle applications.

针对新能源汽车高性能电驱动技术发展的要求，开绕组拓扑在调速范围、开关管故障容错能力等方面所表现出的优势，使其成为电驱动较为理想的变流拓扑方案。但就多源混合电驱动而言，共母线结构因无法进行母线电压的灵活配置，因而无法实现多源直接混合电驱动；而独立母线结构由于母线间存在高频脉动，因而加剧了电驱动系统的轴电流和电磁辐射干扰等问题。鉴于此，本项目提出了多源直接混合电驱动柔性开绕组拓扑及其控制策略，主要研究包括：研究并提出了基于共母线与独立母线相融合的开绕组拓扑，从而有效提升了多源直接混合电驱动系统的共模抑制性能；在所提开绕组拓扑基础上，研究并提出了相应的柔性开绕组拓扑和开关管故障容错运行方案，进一步提升和优化了多源直接混合电驱动系统的高、低速运行性能和故障容错运行性能，并基于此对多源直接混合电驱动系统的功率和能量协同控制策略进行了研究，为新能源汽车混合电驱动高性能拓扑及控制方案提供一种探索性研究。

针对新能源汽车高性能电驱动技术发展的要求，开绕组拓扑在调速范围、共模抑制、容错能力等方面所表现出的优势，使其成为电驱动较为理想的变流拓扑方案。但就混合驱动需求言，共母线结构因失去了两逆变器母线电压配置的灵活性，不具备单级混合驱动能力；而独立母线结构两组母线间存在高频电压脉动，加剧了电驱动系统轴电流、电磁辐射干扰等。鉴于此，本项目提出并研究了共中线开绕组电驱动拓扑和控制策略，主要研究成果概括如下：.针对共中线开绕组电驱动系统，分析了全速度范围内开绕组异步电驱动和永磁电驱动系统的状态，并设计了控制方案，为共中线开绕组系统控制算法设计奠定了理论基础；对3D-SVPWM和3D-AZSPWM两种调制策略的调制范围进行了量化分析，并提出了过调制策略，提升了电压输出能力，为含零序回路的拓扑提供了调制算法；针对零序电流交流特征，研究了交流单相交流量控制方案，并提出了统一模型，为各方案的比较提供了理论基础；提出了一种基于受限单极性的开关管开路故障诊断方案，实现了共中线开绕组拓扑故障开关管的准确鉴别；研究了共中线开绕组剩余两相容错运行和重构容错运行方案，提升了开关管发生开路故障后系统的运行性能；提出了基于LCL和基于三相四桥臂的共模抑制方案，可进一步抑制共中线开绕组电驱动系统对地共模；研究并设计了共中线开绕组电驱动系统柔性变换方案，提升共中线系统运行和配置的灵活性；对混合储能情况，双逆变器间的能量流转和分配方案进行了初探，为后续针对工程应用性研究提供了理论基础。总之，项目围绕基于共中线开绕组拓扑的新能源汽车电驱动系统展开研究，相关研究成果，不仅可以应用于共中线开绕组拓扑，也为共母线和独立母线开绕组拓扑的运行提供参考，部分研究结果也为电机控制算法设计提供参考。在容错运行策略、混合储能应用等方面研究尚不够深入，有待进一步研究完善。在后续工作中还会力图将项目的研究成果更多地应用到工程实际，促进新能源汽车电驱动系统技术水平的提升。