电热约束下电动汽车准Z源逆变器驱动系统的优化控制研究

The ever-increasing peak torque and power density requirements of electric vehicle drives push the limits of motor and inverter, and also bring great challenge to drives design and control under that thermal environment. Electric vehicle drives based on quasi-Z-Source Inverter (qZSI) and permanent-magnet synchronous motors (PMSM) can improve the drive performance and reliability, while there are still some unsolved problems in the aspects of control strategy that follows from a tradeoff between performance and lifetime. In view of above, the applicant proposes an optimal control strategy under electrothermal constraints. It combines critical components’ temperature observer feedback based active thermal management with PMSM field-oriented-control (FOC) algorithm, efficiency optimization, qZSI control and voltage/current limiting in one global control approach, with the objective of maximizing performance inside electrothermal constraints. This project will mainly study some key technologies including the systemic approaches for loss analysis and estimation, electrothermal-control multi-domain model, DC-link voltage control of qZSI inside electrothermal constraints and dynamic current limit and switching frequency DC-link voltage adaptation for thermal management. The proposed optimal strategy will be performed in the laboratory research platform for typical vehicle load conditions, which will lay the foundation for improving of Electric vehicle drives’ performance and life using qusai-Z-source inverter and active thermal management technology.

电动汽车驱动系统日益增加的峰值转矩输出和功率密度等需求，加深了对电机和逆变器的约束并给该热环境下的设计与控制带来了巨大挑战。基于准Z源逆变器的永磁同步电机（PMSM）驱动系统能提升电动汽车的性能与可靠性，但综合权衡性能和寿命的控制等方面仍存在未解决的问题。鉴于此，申请者提出电热约束下的驱动系统优化控制策略。该策略在一个全局控制中集成了基于关键部件实时温度反馈的主动热管理控制，PMSM磁场定向控制，效率优化，准Z源逆变器控制，以及电压/电流限制，达到在实际系统电热约束内最大限度提高性能的目的。项目重点研究驱动系统级损耗的分析与估算方法，电热-控制多域模型，电热约束内的准Z源逆变器直流母线电压控制，以及实现主动热管理的电流限制幅值和开关频率的动态调节策略。对提出的优化控制策略在实验室研究平台上进行车辆典型负载工况测试，为实现用准Z源逆变器和主动热管理技术等提高驱动系统性能和寿命奠定基础。

随着电机驱动系统技术的快速发展以及电动汽车产业化的迫切需求，电动汽车对驱动系统的要求如高效率、高密度、高可靠性和低成本等日等益严苛。通常在满足不断增加的功率密度要求同时，会因采用减少逆变器尺寸或增加开关频率等技术措施带来热环境的挑战。. 本项目对电热约束下电动汽车准Z源逆变器驱动系统的优化控制问题展开研究，并建立电动汽车驱动系统的主动热管理控制的理论分析和应用技术体系，以提升驱动系统可靠性与动力性能。对驱动系统中准Z源逆变器的耦合电感和IGBT进行损耗分析，提出了结温估算方法，对永磁同步电机提出了一种热状态在线观测方法及其优化策略；在Simplorer仿真环境下，联合Maxwell和Icepak建立了驱动系统电-磁-热-控制多域耦合模型；提出了4主动热管理控制策略：种基于频段导向的逆变器主动热管理控制策略、基于实时结温观测的电动汽车逆变器动态限流策略、基于MPC的准Z源逆变器热优化控制策略和基于MPC的qZSI驱动系统主动热管理控制策略；为了提高系统的动态响应性能和减小损耗，提出了两种PMSM最大效率转矩比控制策略和基于QZSI直流母线电压控制的驱动系统优化控制策略，；在电磁多域模型下，提出了一种准Z源逆变器耦合电感纹波抑制方法；综合考虑多种不同调制策略，建立了准Z源逆变器的损耗、传热和寿命模型，对逆变器可靠性进行了研究。达到在实际系统电热约束下最大限度提升电动汽车的性能和可靠性的目标，从系统级角度综合权衡性能和寿命在电热约束下的优化控制。. 本项目研究成果为在电热约束下用准Z源逆变器和主动热管理技术等提高驱动系统性能和可靠性提供了工程应用价值。