用于控制电驱动单元中的多电平逆变器的方法和系统与流程

本公开涉及一种用于控制电驱动单元中的多电平逆变器（multi-levelinverter）的方法和系统。具体地，本公开涉及一种用于控制多电平逆变器的混合调制方法。

背景技术：

1、用于汽车应用的电驱动单元（edu）通常利用电力电子变换器（诸如逆变器）来从直流（dc）源向电机供应交流（ac）。特别地，多电平逆变器由于其生成更高质量的电压波形的能力而获得了突出性能，从而提高了整体系统效率并降低了电机绕组上的应力。这些逆变器通常用于电动车辆（ev）和混合动力电动车辆（hev）中，在电动车辆（ev）和混合动力电动车辆（hev）中，性能、效率和电磁兼容性是关键。

2、但是，在电驱动系统的不同扭矩-转速范围内操作多电平逆变器存在若干挑战。必须仔细管理关键性能指标，诸如电力变换效率（power conversion efficiency）、输出电流的总谐波失真（thd）、电磁干扰（emi）和中性点电压（neutral point voltage）稳定性，以确保可靠且有效的操作。已经开发了各种脉宽调制技术来解决这些挑战，但是在所有操作条件下同时优化这些指标仍然是复杂的。

技术实现思路

1、总体上，所公开的主题涉及用于控制电驱动单元（edu）中的多电平逆变器的方法和系统，特别关注于基于实时操作条件动态地调整逆变器操作和调制技术，以优化关键性能属性，诸如效率、总谐波失真（thd）、电磁干扰（emi）和中性点电压纹波。

2、根据本发明的第一方面，提供了一种用于控制电驱动单元（edu）中的多电平逆变器的计算机实现的方法，该逆变器能在两电平模式和三电平模式下操作，该方法包括由计算机系统处理电路：获取扭矩-转速操作点；确定描述效率、总谐波失真（thd）、电磁干扰（emi）和中性点电压纹波中的至少一个的关键性能指标（kpi）参数；响应于所获取的扭矩-转速操作点和所确定的关键性能指标参数，从包括三电平空间矢量脉宽调制（svpwm）、三电平不连续脉宽调制（dpwm）和两电平广义不连续脉宽调制（gdpwm）的多种技术中选择逆变器的脉宽调制技术；以及控制多电平逆变器在所获取的扭矩-转速操作点处在使用所选择的脉宽调制技术的逆变器操作模式下操作。

3、本发明解决的技术问题是，用于多电平逆变器的常规控制策略通常是静态的，并且不能动态地调整逆变器操作和调制方法以在变化的扭矩-转速条件下优化不同的性能标准。现有方法通常应用单一调制技术或逆变器模式，而不管负载、转速或驱动循环条件的变化，从而导致次优效率、增加的谐波失真、更大的电磁干扰和潜在的中性点电压不稳定性。

4、该问题的解决方案在于动态地获取实时扭矩-转速操作点并确定反映优先考虑的性能方面（诸如效率、thd、emi或中性点电压纹波）的kpi参数。基于kpi和当前操作点，该方法从针对两电平或三电平逆变器操作定制的一组候选方法中选择并应用适当的脉宽调制技术。这确保逆变器以针对当前系统条件优化的方式连续操作，而不是遵守固定的控制策略。

5、本发明的有利效果包括能够在宽的扭矩-转速范围内实现逆变器性能的全局优化，从而导致在三电平逆变器配置中，电驱动单元的能量效率提高、输出电流中的谐波含量减少、电磁干扰最小化（其中共模电压噪声与emi直接相关）以及中性点电压纹波的控制增强。因此，所描述的方法实现了混合脉冲宽度调制方法，其中两电平和三电平逆变器操作与不同调制技术的选择动态地结合，以在整个扭矩-转速操作范围内连续地优化关键性能指标，诸如效率、总谐波失真、电磁干扰和的中性点电压纹波，从而与常规静态调制方法相比提高了适应性、节能和系统鲁棒性。此外，所描述的调制方法可以用于电机的生成模式和再生模式两者。

6、根据一个示例，选择逆变器操作模式包括将扭矩-转速操作点与针对至少一个预定关键性能指标参数的预定扭矩-转速图谱（predetermined torque-speed map）匹配。通过将操作点与预设图谱匹配，系统可以有效地识别最合适的逆变器操作模式，而无需实时复杂计算。这促进了更快的控制决策，减少了处理器工作负载，并且基于针对特定性能目标的经验证的离线优化来实现一致的逆变器行为。

7、根据一个示例，确定关键性能指标参数包括确定加权关键性能指标参数，其中效率、总谐波失真、电磁干扰和中性点电压纹波中的每一个都被赋予相对权重。加权kpi结构的使用允许逆变器控制系统平衡多个冲突的性能需求。此外，加权kpi引入了根据外部要求（诸如客户偏好、法律标准或特定驾驶循环目标）对属性进行优先级排序的灵活性，从而实现针对不同操作场景的定制优化策略。

8、根据一个示例，实时调整至少一个关键性能指标参数的权重。kpi权重的实时调整确保逆变器控制策略保持响应于变化的车辆状况或驾驶风格。例如，当驾驶员选择车辆的“经济”驾驶模式时，kpi权重可以被转变到更高的效率权重。

9、根据一个示例，选择脉冲宽度调制技术包括将扭矩-转速操作点与给定加权关键性能指标参数的预定扭矩-转速图谱匹配。采用针对加权kpi优化的预设图谱简化了实时决策，从而确保快速选择最合适的调制策略。

10、根据一个示例，选择脉冲宽度调制技术包括当在扭矩-转速操作点处优先考虑电流总谐波失真（thd）的减少和电驱动单元中的效率的最大化时，选择三电平空间矢量脉冲宽度调制（svpwm）。在这些条件下使用三电平svpwm提高了电流波形质量，同时降低了edu损耗，直接有助于提高系统效率。改进的谐波性能还有益于电机寿命和电磁兼容性。

11、根据一个示例，选择脉冲宽度调制技术包括当在扭矩-转速操作点处优先考虑效率的最大化和电磁干扰的最小化（emi）时选择三电平不连续脉冲宽度调制（dpwm）。在高优先级emi-敏感区域中采用三电平dpwm允许显著的切换损耗降低并降低共模电压噪声，直接解决emi发射。这导致改进的对电磁兼容性标准的遵守和增强的整体驱动单元效率。

12、根据一个示例，选择脉冲宽度调制技术包括在扭矩-转速操作点对应于高扭矩、低速区域时选择两电平广义不连续脉冲宽度调制（gdpwm）以最大化效率。在高扭矩、低速操作期间采用两电平gdpwm有助于最小化逆变器负载重的情况下的切换损耗，从而在苛刻的负载条件下产生更好的热管理和改进的整体系统可靠性。这里，应当相对于作为整体的给定扭矩-转速图谱来看高速和低扭矩，其中例如可以认为高速与高于最高转速的50%的转速相关，并且可以认为低扭矩是低于扭矩转速图谱中的最大扭矩的50%的扭矩。也可以设置其他阈值以适合任何给定的实施方式。

13、根据一个示例，根据前述示例中任一项所述的方法，其中，所述多电平逆变器包括t型中性点钳位（tnpc）拓扑。集成tnpc拓扑利用其在三电平逆变器配置中平衡切换损耗、电压应力和谐波性能的固有优点，从而提供系统成本、复杂性和性能之间的有效折衷。此外，tnpc拓扑允许两电平和三电平调制。还可以使用其他三电平逆变器拓扑来实现所描述的方法。

14、根据一个示例，该方法还可以包括响应于edu操作点在扭矩-转速范围内的变化而在多种脉宽调制技术之间动态地改变。允许调制技术之间的动态切换提供了在所有驾驶条件下保持最佳系统行为的强大方式。它确保逆变器始终在与电驱动单元的瞬时需求最佳匹配的状态下操作。

15、根据一个示例，针对扭矩-转速操作点选择逆变器的脉宽调制技术包括：通过模拟或检索在扭矩-转速操作点处的每种调制技术的性能数据来评估在操作点处的每种可用调制技术的关键性能指标（kpi）参数，该性能数据包括效率、总谐波失真（thd）和中性点电压纹波的值。使用模拟或预先检索的性能数据允许更快且更准确地确定最佳调制技术，而不仅仅依赖于简化的实时模型，从而增强逆变器控制策略的保真度和响应性。

16、根据一个示例，针对扭矩-转速操作点选择逆变器的脉宽调制技术包括将扭矩-转速操作点与预先计算的查找表匹配，该查找表将每个扭矩-转速区域与基于至少一个关键性能指标参数的优化的优选调制技术相关联。预先计算的查找表提供了用于调制选择的低延迟决策工具，减少了在操作期间对密集计算的需要，同时保持基于离线分析或经验数据的高度优化。

17、根据一个示例，选择调制技术还包括使用逆变器和电驱动单元的存储的特性模型来计算在扭矩-转速操作点处的每种调制技术的预测的kpi值，比较预测的kpi值，以及选择导致kpi值在预设范围内的调制技术。使用存储的模型预测kpi值使得能够通过将逆变器和机器行为直接结合到调制选择过程中来实现更精确和情景感知（context-aware）的控制决策。这提高了操作一致性，并允许在广泛的条件下进行微调性能适应。

18、根据一个示例，在操作期间连续监测kpi参数，并且如果kpi参数偏离可接受的阈值，则动态调整调制技术。连续kpi监测和动态调整确保即使在存在干扰、老化效应或外部变化的情况下系统性能也保持在预设的可接受极限内，从而提高电驱动系统的可靠性。

19、还提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括：程序代码，该程序代码用于在由处理电路执行时执行根据示例中任一项所述的方法；和非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质包括指令，这些指令在由处理电路执行时使处理电路执行根据示例中任一项所述的方法。

20、根据第二方面，提供了一种用于控制电驱动单元（edu）中的多电平逆变器的计算机系统，该逆变器能在两电平模式和三电平模式下操作，该计算机系统包括处理电路，该处理电路被配置为：获取扭矩-转速操作点；确定描述效率、总谐波失真（thd）、电磁干扰（emi）和中性点电压纹波中的至少一个的关键性能指标（kpi）参数；响应于所获取的扭矩-转速操作点和所确定的关键性能指标参数，从包括三电平空间矢量脉宽调制（svpwm）、三电平不连续脉宽调制（dpwm）和两电平广义不连续脉宽调制（gdpwm）的多种技术中选择逆变器的脉宽调制技术；以及控制多电平逆变器以在所获取的扭矩-转速操作点处在使用所选择的脉宽调制技术的所选择的逆变器操作模式下操作。

21、该第二方面的效果和特征在很大程度上类似于上面结合第一方面描述的效果和特征。

22、当研究所附权利要求和以下描述时，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征以创建除以下描述的实施例之外的实施例。