CN102358198B - 一种电动车车载发电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动车车载发电系统。本发明的电动车车载发电系统采用双凸极无刷直流发电机，从而简化了系统结构，降低了系统成本；本发明利用控制器工作电源以及双凸极无刷直流发电机中的内部励磁源作为发电机控制器的电源，提高了发电机控制器的供电安全。本发明还公开了本发明电动车车载发电系统的控制方法，采用输出电流恒流调节和电压限制相结合的协调控制策略，能够实现发电系统、动力蓄电池组和驱动系统的功率配合和系统保护，优化系统能量消耗，延长动力蓄电池组的使用寿命。

Description

一种电动车车载发电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及发电系统，尤其涉及一种电动车车载发电系统及其控制方法。

背景技术

随着全球性的能源紧张与环境污染的加剧，汽车工业受到了能源、环境等因素的严峻考验和挑战，发展电动汽车是解决能源危机和环境污染的最佳途径。纯电动汽车由电动机驱动，使用车载动力蓄电池组的电能作为动力，是取代内燃机汽车、满足零排放的最终选择。但是目前由于充电站建设和汽车动力蓄电池组性能的限制，纯电动汽车受到续驶里程的制约，难以得到市场的认可。在向纯电动汽车方向发展的过程中，出现了多种有利于市场化的电动汽车车型。 

增程式电动汽车是一种配有地面充电和车载供电功能的纯电驱动的电动汽车，采用动力蓄电池组和发电机组作为动力源的驱动装置，由发动机为动力的发电机组及动力蓄电池组提供电能，发动机在固定最佳转速及最佳工况下带动发电机发电。串联式混合动力汽车是一种由汽车发动机和电机系统共同驱动的车辆，能够从可消耗的燃料、可充电能两类车载储存的能量中获得动力。发动机带动发电机发电，电能通过电机控制器直接送到电动机，由电动机驱动汽车，动力蓄电池组连接在发电机和电动机之间，起功率平衡作用。串联式结构可使发动机固定在效率较高的工况点上，可选用功率较小的发动机，并且减少了排放物。

以杭州赛恩斯科技有限公司出产的赛恩斯增程式电动客车为例，该增程式电动客车能量来源不仅来自于动力蓄电池组，也可以来自于发电机组，与纯电动汽车同样有着电机独立驱动能力。动力蓄电池先由地面电网充电，也可由汽车发动机在固定最佳转速及最佳工况下带动发电机供电。由于车载发动机一直工作在固定的高效转速下，有害气体排放达到最小，大大减小了环境污染。车载动力蓄电池组容量小于纯电动客车，整车成本明显低于同类型纯电动客车。

车载发电系统是增程式电动汽车和串联式混合动力汽车整车系统的重要组成部分，目前采用的车载发电系统主要为三相交流无刷同步发电系统、异步电机发电系统和永磁电机发电系统。三相交流无刷同步电机中三相交流无刷同步发电机气隙磁场容易调节，无电刷和滑环，实现了无刷化，缺点在于无刷化使得电机结构复杂，由于电励磁损耗的存在，效率和功率密度不佳。异步电机发电系统中异步发电机结构简单、价格低廉、维护方便，但是异步发电机需要由外部提供无功实现发电，并且存在调压调频困难的问题，控制方法复杂，整套系统成本高。永磁电机发电系统中永磁同步发电机无需励磁绕组和直流励磁源，效率和功率密度高，但是电机内部为永磁体励磁，气隙磁场调节困难，难以控制其输出电压。永磁同步发电机作发电运行时，需要外加功率变换器，增加了系统的成本和控制的复杂性。稀土永磁材料作为国家战略资源，开采和销售都受到严格限制，随着稀土永磁材料价格的不断上涨，永磁电机制造成本不断增加，使得永磁电机发电系统成本上升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有电动车车载发电系统所存在的不足，提供一种成本低廉、结构简单、控制灵活的电动车车载发电系统。

一种电动车车载发电系统，包括发电机、发电机控制器及控制器工作电源，所述发电机为双凸极无刷直流发电机，包括双凸极发电机及与双凸极发电机的三相交流输出端连接的第一整流滤波单元；所述发电机控制器包括励磁主电路、数字信号处理器，以及分别与数字信号处理器的信号输入端信号连接的励磁电流检测单元、输出电流检测单元、输出电压检测单元；所述励磁主电路包括顺次串接的励磁继电器、第二整流滤波单元、斩波电路；双凸极发电机的励磁源、励磁绕组通过励磁主电路连接；数字信号处理器分别与励磁主电路中的励磁继电器及斩波电路的控制端连接，并对其进行控制。

作为一优选方案，所述双凸极发电机包括永磁励磁机和电励磁双凸极电机；永磁励磁机作为双凸极发电机的励磁源，其输出端与所述励磁主电路的输入端连接。

作为另一优选方案，所述双凸极发电机为混合励磁双凸极电机；所述混合励磁双凸极电机包括至少两套电枢绕组，其中一套作为励磁源与所述励磁主电路的输入端连接，另一套与所述第一整流滤波单元连接。

进一步地，所述发电机控制器还包括一内部辅助电源，其输出端分别与发电机控制器中其它用电部件连接，其输入端分别通过一个防反二极管与控制器工作电源及励磁主电路中整流滤波单元的输出端连接。

一种如上所述电动车车载发电系统的控制方法，采用输出电流恒流调节和电压限制相结合的协调控制方法，具体包括：当输出电压检测单元检测到的双凸极无刷直流发电机的实际输出电压小于输出电压给定值时，发电机控制器按照输出电流给定值，根据输出电流检测单元检测到的双凸极无刷直流发电机的实际输出电流，通过斩波电路调整励磁电流的大小，使双凸极无刷直流发电机的输出电流跟踪输出电流给定值；当双凸极无刷直流发电机的实际输出电压大于输出电压给定值，发电机控制器根据按照输出电压给定值，通过斩波电路调节励磁电流的大小，使双凸极无刷直流发电机的输出电压稳定于输出电压给定值。

根据本发明的电动车车载发电系统还可得到一种电动汽车，包括车载发动机、动力蓄电池组、电池管理系统、驱动系统、整车控制器及车载发电系统，所述车载发电系统为上述电动车车载发电系统；所述双凸极无刷直流发电机由车载发动机同轴驱动，其输出端分别与动力蓄电池组及驱动系统连接；所述发电机控制器的数字信号处理器与整车控制器信号连接。

一种如上所述电动汽车的控制方法，根据电动汽车的实际运行工况，动态调整电动汽车的供电，具体包括：

当电动汽车巡航运行时，整车控制器通过电池管理系统断开动力蓄电池组的输出，动力蓄电池组不参与工作，仅由车载发电系统提供输出功率，整车控制器将驱动系统所需的功率信号发送至发电机控制器，由发电机控制器调节励磁电流，使发电系统输出功率等于驱动系统所需功率，车载发电系统输出电流等于驱动系统母线电流；

当电动汽车加速或爬坡运行时，整车控制器通过电池管理系统，闭合动力蓄电池组的输出回路，同时将驱动系统所需的功率信号发送至发电机控制器，发电机控制器增大励磁电流，调节输出电流达到最大输出电流，动力蓄电池组自动放电，由车载发电系统和动力蓄电池组共同为驱动系统提供功率；

当电动汽车停车充电运行时，整车控制器将驱动系统输出功率为零的状态信号发送至发电机控制器，发电机控制器调节励磁电流，使发电系统的输出电流等于动力蓄电池组最大充电电流，发电系统单独为动力蓄电池组充电；

当电动汽车减速或下坡运行时，整车控制器控制车轮回馈的能量经驱动系统返回到驱动系统母线，同时整车控制器通过检测驱动系统回馈的母线电流大小，向发电机控制器发送驱动系统回馈母线电流信号，发电机控制器根据回馈电流信号，调节励磁电流大小，使得车载发电系统输出电流与回馈电流之和等于动力蓄电池组最大充电电流，由车载发电系统和驱动系统共同为动力蓄电池组充电。

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

1．采用双凸极发电机，转子上无绕组和永磁体，结构简单可靠，发电运行时无需功率变换器，降低了成本，简化了系统结构，具有成本低、结构简单和控制灵活的特点。

2．双凸极发电机的励磁源由内部永磁励磁机（电励磁双凸极发电机）或其中一套电枢绕组（混合励磁双凸极发电机）提供，不需要单独的外部励磁电源，简化了系统结构、降低使用环境要求。

3．通过输出电流恒流调节和电压限制相结合的控制方法，实现发电系统、动力蓄电池组和驱动系统的功率配合和系统保护，优化系统能量消耗，延长了动力蓄电池组的使用寿命。

4．恒流调节和电压限制由发电机控制器自动调节发电机的励磁电流实现，励磁电流调节容量小，损耗低，无需永磁电机输出的全功率变换装置，系统结构和控制简单。

附图说明

图1为本发明的电动车车载发电系统结构图；

图2为双凸极电机结构示意图，其中图（a）为电励磁双凸极电机，图（b）为混合励磁双凸极电机；

图3为发电机控制器结构图；

图4为电动车车载发电系统的控制方法原理框图；

图5为本发明的电动汽车巡航运行时的能量流向图；

图6为本发明的电动汽车加速或爬坡运行时的能量流向图；

图7为本发明的电动汽车充电运行时的能量流向图；

图8为本发明的电动汽车再生制动运行时的能量流向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的电动车车载发电系统，包括发电机、发电机控制器及控制器工作电源，所述发电机为双凸极无刷直流发电机，包括双凸极发电机及与双凸极发电机的三相交流输出端连接的第一整流滤波单元；所述发电机控制器包括励磁主电路、数字信号处理器，以及分别与数字信号处理器的信号输入端信号连接的励磁电流检测单元、输出电流检测单元、输出电压检测单元；所述励磁主电路包括顺次串接的励磁继电器、第二整流滤波单元、斩波电路；双凸极发电机的励磁源、励磁绕组通过励磁主电路连接；数字信号处理器分别与励磁主电路中的励磁继电器及斩波电路的控制端连接，并对其进行控制。

其一个实施例的结构如图1所示，双凸极发电机的三相电枢绕组输出端连接由全桥整流电路D1~D6和滤波电容C1组成的整流滤波单元，从而构成双凸极无刷直流发电机，输出直流电。该双凸极发电机内部包括永磁励磁机和电励磁双凸极电机，两者同轴转动。永磁励磁机的三相交流输出通过励磁主电路与电励磁双凸极电机的励磁绕组连接，提供励磁所需的励磁电流。如图所示，励磁主电路包括励磁继电器、整流电路D7~D12、滤波电容C2，以及由功率开关管T1、T2和续流二极管D13、D14组成的斩波电路，该斩波电路的输出与电励磁双凸极电机的励磁绕组两端连接。

本发明采用双凸极发电机构成双凸极无刷直流发电机。双凸极发电机的转子上无绕组和永磁体，结构简单可靠，发电运行时无需功率变换器；励磁电源由内部励磁源提供，不需要单独的外部励磁电源，从而简化了系统结构、降低了使用环境要求。本发明的双凸极发电机可以如图1所示采用永磁励磁机和电励磁双凸极电机构成，也可直接采用混合励磁双凸极电机。图2(a)为24/16极电励磁双凸极电机结构示意图，定子上嵌绕励磁绕组和电枢绕组，转子上无绕组和永磁体。图2(b)为24/16极混合励磁双凸极电机结构，定子铁心中安装有两组、四块永磁体，定子槽内同时嵌绕有励磁绕组和电枢绕组，电枢绕组分为两套或多套输出，其中一套电枢绕组通过励磁主电路与励磁绕组连接作为励磁源，为励磁绕组提供励磁电流，不需外部励磁源。

发电机控制器如图1所示，包括为控制器内部其它部分供电的内部辅助电源，励磁主电路、数字信号处理器，以及分别与数字信号处理器的信号输入端信号连接的励磁电流检测单元、输出电流检测单元、输出电压检测单元。其中励磁电流检测单元包括设置于电励磁双凸极电机励磁绕组的一端的一个电流传感器，该电流传感器的输出端经过励磁电流检测调理电路后，连接数字信号处理器的励磁电流信号输入端。输出电流检测单元包括设置于双凸极无刷直流发电机的输出端的一电流传感器，该电流传感器经过输出电流检测调理电路后，连接数字信号处理器的输出电流信号输入端。输出电压检测单元包括设置于双凸极无刷直流发电机的输出端的一电压测量装置，该电压测量装置经过输出电压检测调理电路后，连接数字信号处理器的输出电压信号输入端。数字信号处理器还分别与励磁继电器、斩波电路的控制端连接，并对其进行控制。

本发明中，发电机控制器中采用两路供电，如图1所示，励磁主电路中的整流滤波单元的输出端串接反流二极管D15后与内部辅助电源相连，为内部辅助电源单向供电；控制器工作电源的输出端串接反流二极管D16后，连接内部辅助电源的输入端。当永磁励磁机起动运行时，励磁主电路中的整流滤波单元的输出电压低于控制器工作电源电压，此时由控制器工作电源为内部辅助电源供电；随着转速上升，励磁主电路中的整流滤波单元的输出电压高于控制器工作电源电压时，则自适应地切换为由永磁励磁机整流、滤波后的输出为内部辅助电源供电，控制器工作电源不再为内部辅助电源供电。当励磁机发生故障时，励磁主电路中的整流滤波单元的输出电压为零，此时自适应地由控制器工作电源供电。

发电机控制器的控制原理如图3所示，数字信号处理器通过励磁电流检测单元、输出电流检测单元和输出电压检测单元，得到励磁电流i _f  、输出电流i _L 和输出电压U _dc 信号，经过模/数转换，转换为数字信号。根据这些数字信号以及来自整车控制器的控制信号，数字信号处理器发出PWM脉宽调制波，经过驱动放大隔离电路后，控制励磁主电路中功率开关管的开通和关断，调节输出励磁电流的大小。

本发明的电动车车载发电系统用于电动汽车时，如图1所示，双凸极无刷直流发电机由车载发动机同轴驱动，其输出端连接电动汽车的动力蓄电池组和驱动系统，动力蓄电池组与电池管理系统相连，整车控制器通过CAN总线与电池管理系统和发电机控制器中的数字信号处理器通信。发电机控制器通过输出电压检测单元检测发电机的输出电压U _dc ，通过输出电流检测单元检测发电机输出电流i _L ，通过励磁电流检测单元检测励磁电流i _f 。根据检测得到的电量信号以及来自整车控制器的控制信号，数字信号处理器发出PWM脉宽调制波，经过驱动放大隔离电路后，控制功率开关管T1、T2的导通和关断，调节励磁电流的大小。数字信号处理器根据检测得到的励磁电流i _f 大小，控制励磁继电器的保护动作。

本发明的电动车车载发电系统采用输出电流恒流调节和电压限制相结合的协调控制方法，如图4所示，通过输出电压检测得到输出电压实际值U _dc ，当输出电压小于输出电压给定值U _ref （例如，该值可设置为动力蓄电池组的电压限定值，用以保护蓄电池组），发电机控制器接收来自整车控制器的输出电流给定值i _Lref ，与通过输出电流检测得到输出电流实际值i _L ，二者比较后经过输出电流调节器，得到励磁电流给定值i _fref1 ，与通过励磁电流检测得到励磁电流实际值i _f ，二者比较后经过励磁电流调节器，得到励磁电流调节量，调节占空比D输出PWM脉宽调制波，控制励磁电流的大小，使得输出电流跟踪整车控制器的输出电流给定值；当输出电压U _dc 大于输出电压给定值U _ref ，输出电压给定值U _ref 与输出电压检测得到的输出电压实际值比较，经过输出电压调节器后，得到励磁电流给定值i _fref2 ，与通过励磁电流检测得到的励磁电流实际值i _f 比较，经过励磁电流调节器后，得到励磁电流调节量，调节占空比D输出PWM脉宽调制波，控制励磁电流的大小，使得输出电压稳定于电压给定值U _ref 。

电动汽车在实际运行中，包括巡航、加速或减速、停车充电、爬坡或下坡多种运行工况，不同工况下，所需的供电情况也不同，为此，本发明根据电动汽车的实际运行工况，动态调整电动汽车的供电。电动车实际运行时，驱动系统和电池管理系统通过CAN总线分别将驱动系统和动力蓄电池组的状态信号发送至整车控制器，发电机控制器根据整车控制器的控制信号和经过检测调理电路后得到的励磁电流i _f  、输出电流i _L 和输出电压U _dc  信号，调节励磁电流改变输出电流的大小，满足发电系统、动力蓄电池组和驱动系统的功率匹配和系统保护要求。

本发明的电动汽车巡航运行时能量流向图如图5所示，当驱动电机转速或转矩处于一定的较小的变化范围内，整车控制器判断电动汽车处于巡航运行，此时驱动系统所需功率较低，整车控制器通过电池管理系统，断开动力蓄电池组的输出，动力蓄电池组不参与工作，仅由发电系统提供输出功率，整车控制器将驱动系统所需的功率信号发送至发电机控制器，由发电机控制器调节励磁电流，使发电系统输出功率等于驱动系统所需功率，发电系统输出电流等于驱动系统母线电流。

电动汽车加速或爬坡运行时能量流向图如图6所示，当驱动电机转速增加，超出一定的变化范围，整车控制器判断电动汽车处于加速运行，当驱动电机转矩增加，超出一定的变化范围，整车控制器判断电动汽车处于加速或爬坡运行，整车控制器通过电池管理系统，闭合动力蓄电池组的输出回路，同时将驱动系统所需的功率信号发送至发电机控制器，发电机控制器增大励磁电流，调节输出电流达到最大输出电流，动力蓄电池组自动放电，由发电系统和动力蓄电池组共同为驱动系统提供功率。

电动汽车停车充电运行时能量流向图如图7所示，当驱动电机的转矩或转速为零，整车控制器判断电动汽车处于停车充电运行，整车控制器将驱动系统输出功率为零的状体信号发送至发电机控制器，发电机控制器调节励磁电流，使发电系统的输出电流等于动力蓄电池组最大充电电流，发电系统单独为动力蓄电池组充电。

电动汽车减速或下坡运行时能量流向图如图8所示，当驱动电机转速减小，超出一定的变化范围，整车控制器判断电动汽车处于减速运行，当驱动电机转矩减小，且超出一定的变化范围，整车控制器判断电动汽车处于减速或下坡运行，整车控制器通过驱动电机控制器，使得车轮回馈的能量经驱动系统返回到驱动系统母线，同时整车控制器通过检测驱动系统回馈的母线电流大小，向发电机控制器发送驱动系统回馈母线电流信号，发电机控制器根据回馈电流信号，调节励磁电流大小，使得发电系统输出电流与回馈电流之和等于动力蓄电池组最大充电电流，由发电系统和驱动系统共同为动力蓄电池组充电。

Claims (7)

1.一种电动车车载发电系统，包括发电机、发电机控制器及控制器工作电源，其特征在于，所述发电机为双凸极无刷直流发电机，包括双凸极发电机及与双凸极发电机的三相交流输出端连接的第一整流滤波单元；所述发电机控制器包括励磁主电路、数字信号处理器，以及分别与数字信号处理器的信号输入端信号连接的励磁电流检测单元、输出电流检测单元、输出电压检测单元；所述励磁主电路包括顺次串接的励磁继电器、第二整流滤波单元、斩波电路；双凸极发电机的励磁源、励磁绕组通过励磁主电路连接；数字信号处理器分别与励磁主电路中的励磁继电器及斩波电路的控制端连接，并对其进行控制；所述电动车车载发电系统采用输出电流恒流调节和电压限制相结合的协调控制方法，具体包括：当输出电压检测单元检测到的双凸极无刷直流发电机的实际输出电压小于输出电压给定值时，发电机控制器按照输出电流给定值，根据输出电流检测单元检测到的双凸极无刷直流发电机的实际输出电流，通过斩波电路调整励磁电流的大小，使双凸极无刷直流发电机的输出电流跟踪输出电流给定值；当双凸极无刷直流发电机的实际输出电压大于输出电压给定值，发电机控制器根据按照输出电压给定值，通过斩波电路调节励磁电流的大小，使双凸极无刷直流发电机的输出电压稳定于输出电压给定值。

2.如权利要求1所述电动车车载发电系统，其特征在于，所述双凸极发电机包括永磁励磁机和电励磁双凸极电机；永磁励磁机作为双凸极发电机的励磁源，其输出端与所述励磁主电路的输入端连接。

3.如权利要求1所述电动车车载发电系统，其特征在于，所述双凸极发电机为混合励磁双凸极电机；所述混合励磁双凸极电机包括至少两套电枢绕组，其中一套作为励磁源与所述励磁主电路的输入端连接，其余电枢绕组中的一套与所述第一整流滤波单元连接。

4.如权利要求1所述电动车车载发电系统，其特征在于，所述发电机控制器还包括一内部辅助电源，其输出端分别与发电机控制器中其它用电部件连接，其输入端分别通过一个防反二极管与控制器工作电源及励磁主电路中整流滤波单元的输出端连接。

5.如权利要求1所述电动车车载发电系统，其特征在于，所述协调控制方法还包括，当励磁电流检测单元检测到的励磁电流超出预设的安全范围时，发电机控制器控制励磁继电器关断。

6.一种电动汽车，包括车载发动机、动力蓄电池组、电池管理系统、驱动系统、整车控制器及车载发电系统，其特征在于，所述车载发电系统为权利要求1至4任一项所述电动车车载发电系统；所述双凸极无刷直流发电机由车载发动机同轴驱动，其输出端分别与动力蓄电池组及驱动系统连接；所述发电机控制器的数字信号处理器与整车控制器信号连接。

7.一种如权利要求6所述电动汽车的控制方法，其特征在于，根据电动汽车的实际运行工况，动态调整电动汽车的供电，具体包括：

当电动汽车巡航运行时，整车控制器通过电池管理系统断开动力蓄电池组的输出，动力蓄电池组不参与工作，仅由车载发电系统提供输出功率，整车控制器将驱动系统所需的功率信号发送至发电机控制器，由发电机控制器调节励磁电流，使发电系统输出功率等于驱动系统所需功率，车载发电系统输出电流等于驱动系统母线电流；

当电动汽车加速或爬坡运行时，整车控制器通过电池管理系统，闭合动力蓄电池组的输出回路，同时将驱动系统所需的功率信号发送至发电机控制器，发电机控制器增大励磁电流，调节输出电流达到最大输出电流，动力蓄电池组自动放电，由车载发电系统和动力蓄电池组共同为驱动系统提供功率；

当电动汽车停车充电运行时，整车控制器将驱动系统输出功率为零的状态信号发送至发电机控制器，发电机控制器调节励磁电流，使发电系统的输出电流等于动力蓄电池组最大充电电流，发电系统单独为动力蓄电池组充电；

当电动汽车减速或下坡运行时，整车控制器控制车轮回馈的能量经驱动系统返回到驱动系统母线，同时整车控制器通过检测驱动系统回馈的母线电流大小，向发电机控制器发送驱动系统回馈母线电流信号，发电机控制器根据回馈电流信号，调节励磁电流大小，使得车载发电系统输出电流与回馈电流之和等于动力蓄电池组最大充电电流，由车载发电系统和驱动系统共同为动力蓄电池组充电。

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