電動汽車變頻空調設計

陳書生 韓軍良 仝飛飛

摘? ?要：針對現有電動汽車空調的不足，本文設計了一款新穎的電動汽車變頻空調系統，風機采用兩電平逆變器驅動，空調壓縮機采用三電平逆變器驅動，主控單元采用DSP+FPGA的電路架構，系統控制采用基于Luenberger觀測器的無傳感器磁場定向控制策略，提升了電動汽車空調的性能，提高了用戶舒適性。

關鍵詞： 電動汽車;變頻空調;三電平逆變器;磁場定向控制

1 引言

目前的電動汽車空調系統構成比較簡單，存在效率較低、噪聲水平較高、電磁干擾大的不足，本文針對這一狀況，采用永磁同步電機作為空調壓縮機的驅動電機，采用三電平逆變器驅動壓縮機，應用無傳感器磁場定向控制策略，設計了一款綠色高效的電動汽車變頻空調系統。

2 系統整體設計

本文設計的電動汽車變頻空調系統架構如圖1所示，系統包括空調人機接口單元、空調控制單元、車內

溫度檢測單元、二電平逆變器、風機、三電平逆變器、壓縮機以及冷媒循環單元。空調人機接口單元提供了用戶友好的接口界面，車內溫度檢測單元實時檢測車內溫度，反饋給空調控制單元，空調控制單元經過溫度閉環控制后通過二電平逆變器驅動風機運行，通過三電平逆變器驅動壓縮機運行，實時調節風機和壓縮機的轉速，實現對車內空氣溫度的自動調節功能。

3 三電平逆變器設計

空調壓縮機是電動汽車變頻空調的關鍵部件，空調壓縮機采用三電平逆變器驅動。本文設計的三電平逆變器的電路拓撲結構圖如圖2所示。

三電平逆變器采用空間矢量脈寬調制技術（SVPWM），本文采用一種將三電平逆變器電壓空間矢量轉換為兩電平逆變器電壓空間矢量控制的快速算法，根據負載電流方向和直流側兩個平衡電容電壓的大小，調整正、負小矢量的作用時間來控制中點電位平衡。本算法運算速度快、精度高，易于用DSP編程實現。

4 壓縮機控制策略設計

電動汽車主控單元采用DSP+FPGA的電路架構，DSP作為系統控制核心，FPGA作為PWM通道拓展以及邏輯控制單元。主控芯片DSP采用TI公司的TMS320F28335，FPGA采用ALTERA公司Cyclone Ⅳ系列的EP4C6E22C8N。

在永磁同步電機轉子位置狀態估計的數學模型基礎上，采用基于Luenberger觀測器的無傳感器矢量控制策略[1-2]。Luenberger觀測器能有效避免滑模觀測器的抖振問題，而且動態響應快，估算精度高，實現簡單[3]。

本文設計的基于Luenberger觀測器的無傳感器控制結構框圖如圖3所示。空調壓縮機的三相電流經過CLARK變換后，得到兩相靜止坐標系下的電流 和 ，再經過PARK變換得到兩相旋轉坐標系下的電流 和 ，通過q軸和d軸的電流閉環控制后，輸出量經過PARK逆變換得到電壓信號 和 ，然后通過三電平SVPWM運算后，得到三電平逆變器的橋臂開關器件的控制信號。 、 、 、 送入Luenberger觀測器，得到實時估算的位置信號和轉速信號。

5 結論

本文提出的電動汽車變頻空調設計方案，空調壓縮機采用三電平逆變器驅動，采用基于Luenberger觀測器的無傳感器矢量控制策略。系統具有結構緊湊、轉矩脈動小、電磁干擾小、噪聲低、整機效率高的優點，對于提升電動汽車變頻空調的性能、提高用戶舒適性有重要意義。

參考文獻

[1] 周雙飛，黃海波，簡煒. Luenberger觀測器在永磁同步電機無傳感器控制中的應用研究[J]. 電機與控制應用，2017，44（10）： 59-62.

[2]? 張國強，王高林，徐殿國等. 基于單觀測器誤差信息融合的永磁電機無傳感器復合控制策略[J]. 中國電機工程學報，2017，37（20）： 6077-6082.

[3] Andreas Andersson， Torbj?rn Thiringer. Motion Sensorless IPMSM Control Using Linear Moving Horizon Estimation With Luenberger Observer State Feedback[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification， 2018， 4（2）：464-473.

作者簡介：

陳書生（1981--），男，河南項城人，碩士，研究方向：光伏逆變系統及電源系統。

項目來源： 1、河南省重點研發與推廣專項（科技攻關）“新能源汽車變頻空調關鍵技術研究”（182102210458）;? 2、南陽理工學院《傳感器原理與設計》、《生物化學》“課程思政”教育教學改革試點項目。