CN105429536A - 一种集成起动发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种集成起动发电系统，包括三相双定子绕组电机、控制开关、第一逆变器、第二逆变器、第一电源以及第二电源；三相双定子绕组电机包括第一绕组和第二绕组，第一逆变器连接第一绕组以及第一电源，第二逆变器连接第二绕组以及第二电源；控制开关分别连接于第一绕组的中性点和第二绕组的中性点；当引擎关闭时，控制开关闭合，第一绕组和第二绕组的中性点互连，第一电源通过第一逆变器、三相双定子绕组电机以及第二逆变器组成三相交错并联降压电路，用于为第二电源充电。本发明的集成起动发电系统，不需要独立设计低压直流/直流变换器，利用电机中已有的绕组组成电感，配合两个逆变器形成充电回路，从而也有利于减小系统的尺寸及体积。

Description

一种集成起动发电系统

技术领域

本发明涉及电机驱动领域，尤其涉及混合动力汽车的起动发电技术领域，具体的讲是一种混合动力汽车用集成起动发电系统。

背景技术

集成式起动机发电机作为混合动力汽车，尤其是微型混合动力汽车的关键部件之一，在较高的燃油价格以及越来越严格的排放法规出台的背景下，已经越来越广泛的在混合动力汽车中被采用。

如图1所示，传统的双电源供电系统(如12V/48V系统，或者其它双电源系统)的集成式起动机发电机系统包括电机，驱动电机的逆变器，逆变器的(如48V或其它电压等级的)供电电源，低压直流/直流变换器(可供48V/12V电源之间的电能双向流动)以及另一电源(如12V或其它电压等级)。传统的起动发电系统所用电机为传统单绕组电机，并且使用了独立的低压直流变换器用于在48v及12v这两个电源之间的电能转换，即48V可以给12V充电，反之亦然。

如图1所示，在电机驱动模式时，驱动电机以辅助汽车引擎共同输出扭矩以牵引汽车；在制动能量回收模式时，电机运行于发电机模式(如汽车制动时)，逆变器将制动时发电机产生的能量回收至电池(图中48V)。

低压直流/直流变换器用以实现两个电池间的双向充电，例如：汽车引擎起动时，12V可以给48V充电；汽车驾驶期间，48V可以给12V充电；汽车制动时，48V可以给12V充电；在低速驾驶或紧急加速时，12V可以给48V充电。

如图2所示，为现有的一种驱动三相双绕组电机的系统，其包括三相双绕组电机及分别接于电机两套绕组的两个逆变器，由两个独立供电电源供电。该系统在某些领域有所应用，但没有应用于混合动力汽车中的集成起动机发电机系统，因为其两个电源(如48V及12V电池)之间的双向能量流动效率较低。

现有的两种技术至少存在以下缺点：

图1所示的现有技术没有充分考虑电机与电力电子部件(如逆变器及直流/直流变换器)的集成，因此其系统尺寸及体积有下降的空间。

图2所示的现有技术虽然可以提供低压直流/直流变换器(将三相双定子绕组的两套绕组在执行低压直流/直流变换器功能时作为三相变压器使用)的功能，但其转换效率非常低。

发明内容

本发明提出一种新型的无低压直流/直流变换器的起动发电系统，采用三相双定子绕组电机及双逆变器结构，以减小整个系统的尺寸和体积。

为了达到上述目的，本发明提供一种集成起动发电系统，包括三相双定子绕组电机、控制开关、第一逆变器、第二逆变器、第一电源以及第二电源；所述三相双定子绕组电机包括第一绕组和第二绕组，所述第一逆变器连接所述第一绕组以及第一电源，所述第二逆变器连接所述第二绕组以及第二电源；所述控制开关分别连接于所述第一绕组的中性点和第二绕组的中性点；当引擎关闭时，所述控制开关闭合，所述第一绕组和第二绕组的中性点互连，所述第一电源通过所述第一逆变器、三相双定子绕组电机以及所述第二逆变器组成三相交错并联降压电路，用于为所述第二电源充电。

进一步地，在一实施例中，当引擎启动时，所述控制开关断开，同时运行所述第一逆变器和第二逆变器以驱动所述三相双定子绕组电机以输出扭矩。

进一步地，在一实施例中，当引擎运行时，所述控制开关断开，所述第一逆变器输出相应的扭矩，所述第二逆变器不运行或运行在发电模式给所述第二电源充电。

进一步地，在一实施例中，当引擎运行时，所述控制开关断开，所述第一逆变器和第二逆变器运行在发电模式，分别给所述第一电源和第二电源充电。

进一步地，在一实施例中，所述第一电源为48V。

进一步地，在一实施例中，所述第二电源为12V。

本发明实施例的集成起动发电系统，不需要独立设计低压直流/直流变换器，利用电机中已有的绕组组成电感，配合两个逆变器形成充电回路，从而也有利于减小系统的尺寸及体积。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术一的结构示意图；

图2为现有技术二的结构示意图；

图3为本发明实施例的集成起动发电系统的结构示意图；

图4为本发明的集成起动发电系统的一具体实施例的结构示意图；

图5为图4所示具体实施例的当引擎启动时的系统工作示意图；

图6为图4所示具体实施例的当引擎运行时的系统工作示意图；

图7为图4所示具体实施例的当引擎运行且处于发电模式时的系统工作示意图；

图8为图4所示具体实施例的当引擎关闭时的系统工作示意图；

图9为图8所示实施例的三相交错并联电路中的一路Buck电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明针对具有双电源供电系统结构的混合动力汽车，设计一种新型的集成式起动机发电机系统，与当前应用较多的具有独立的低压直流/直流变换器的系统不同，本发明提出一种新型的无低压直流/直流变换器的结构，采用三相双定子绕组电机及双逆变器结构，来完成低压直流/直流变换器的功能(无需单独的低压直流/直流变换器)，并减小了整个系统的尺寸和体积。

图3为本发明实施例的集成起动发电系统的结构示意图。如图所示，本实施例的集成起动发电系统包括：三相双定子绕组电机1、控制开关2、第一逆变器3、第二逆变器4、第一电源5以及第二电源6；所述三相双定子绕组电机1包括第一绕组11和第二绕组12，所述第一逆变器3连接所述第一绕组11以及第一电源5，所述第二逆变器4连接所述第二绕组12以及第二电源6。

所述控制开关2分别连接于所述第一绕组11的中性点和第二绕组12的中性点。

当引擎关闭时，所述控制开关2闭合，所述第一绕组11和第二绕组12的中性点互连，所述第一电源5通过所述第一逆变器3、三相双定子绕组电机1以及所述第二逆变器4组成三相交错并联降压电路，用于为所述第二电源6充电。

由上述可以看出，本发明实施例提出的拓扑结构包括一个三相双定子绕组电机，由两个独立且共地的电源供电的逆变器，其输出分别接于电机的两套绕组的一端，并且三相双定子绕组电机的两套绕组的中性点通过控制开关2相互连接，以执行低压直流/直流变换器的功能时将系统作为一个并联交错的降压电路(如48V给12V充电)或一个交错并联的升压电路(12V给48V充电)。

如图4所示，在一具体实施例中，其工作模式如下：

①开关S1断开时：逆变器1及逆变器2分别可以独立控制，均可以运行于电机驱动及发电回收给相应电源充电的模式，取决于不同行驶条件下该系统的上级控制器发出的指令。

②开关S1闭合时(此时汽车停止行驶，发动机关闭)：逆变器1及逆变器2，以及开关S1闭合后，双绕组电机的两套绕组相应的每相绕组形成串联而成的电感(三个)，从而组成三相交错并联的降压或升压电路，降压时48V给12V充电，升压时12V给48V充电，所用电感相同。

图5为图4所示具体实施例的当引擎启动时的系统工作示意图。如图5所示，当引擎起动时，S1断开该系统通过同时运行两个逆变器驱动三相双定子绕组电机以输出最大扭矩，或者通过指令分别控制两个逆变器输出合适的扭矩。

图6为图4所示具体实施例的当引擎运行时的系统工作示意图。如图6所示，当逆变器1辅助引擎且逆变器2发电时，S1断开，当汽车运行要求该系统输出辅助扭矩，并且逆变器1可以单独输出时，逆变器1输出相应的扭矩。如此时不要求12V电池充电，则逆变器2不运行；如此时要求12V电池充电，则逆变器2运行于发电模式给12V充电。

图7为图4所示具体实施例的当引擎运行且处于发电模式时的系统工作示意图。如图7所示，当引擎运行且处于发电模式时，S1断开，当汽车停止或减速时，两个逆变器均工作在发电模式并给两个电池充电。

图8为图4所示具体实施例的当引擎关闭时的系统工作示意图。如图8所示，汽车停止，引擎关闭，此时处于低电压直流/直流变换模式，12V电池需要持续充电，48V通过逆变器1，双定子绕组(闭合开关S1后)，以及逆变器2共同组成三相交错并联的降压电路给12V电池持续充电。

以下详细描述下当控制开关S1闭合时，即三相双定子绕组电机的两个定子绕组中性点互连使得通过两个逆变器就可以完成48V及12V两个电池之间的电能转换的详细工作模式。

当S1闭合时，以48V给12V充电为例，系统运行在3相交错并联的Buck工作模式。下面以3相交错并联(即3路Buck电路，该3路Buck电路为并联关系，并运行于交错模式，3路Buck的开关管控制信号互相成120度相位差)中的一路Buck为例加以说明，如图9所示。

图9中示出了各个开关管，命名为Q1～Q12，电机定子绕组L1～L6，与逆变器及电机绕组相连接的电线w1～w6，电源与逆变器相连的正负母线的各段导线w7～w18。

当48V给12V充电时，其中一路Buck电路工作如下(Buck工作时每个周期有两个阶段，即充电阶段和续流阶段)：

(1)充电(48V输出电能，给12V充电)：此时控制Q1导通，Q7闭合。电流走向为：48V电池阳极(+)经过w7，再经过Q1的IGBT(或者MOSFET，或者其他类型开关管，此时控制Q1导通)，再经过w1，L1，S1，L4，w4，Q7的反并联二极管(此时Q7控制其闭合，所以电流走其反并联二极管)，w13，12V阳极(+)，再到12V阴极(-)，亦即两个电源的共同的地，亦即48V电源的阴极，最终形成了48V给12V充电的充电回路。

(2)续流(48V并不输出电能，但12V同样在被充电，是通过绕组电感上存储的能量进行释放，给12V充电)：此时Q1控制为闭合。由于上个过程中存储在电感中(L1及L4)的能量，并由于前述走过L1及L4的电流方向不会发生变化，因此该过程的电流流向为：L1，S1，L4，通过w4，Q7的反并联二极管，到12V阳极(+)，再到12V阴极(-)，亦即48V阴极(-)及两个电源共同的地，再通过w10，Q2的反并联二极管(此时Q2控制为闭合)，再通过w1，回到L1，形成闭合回路。

需要注意的是，上述过程中未控制为导通的Q(IGBT，或MOSFET或其他开关管)均为闭合状态。当然，如果考虑到3路交错并联的情况，Q3～Q6，Q9～Q12也需根据实际情况进行导通及关断的控制。实际过程中，Q7～Q12，以及Q2，Q4，Q6在48V给12V充电过程中是不需要进行开通，即导通控制的。

上述描述的为第一路Buck。另外，由Q3，L2，S1，L5，以及相应的其他Q的反并联二极管，及相应的导线w，就可以形成第二路Buck。同理，Q5，L3，S1，L6，以及相应的其他Q的反并联二极管及相应的导线w便形成第三路Buck。每路Buck电路本身的工作都会有充电阶段和续流阶段，当然如前所述，这两个阶段都会对12V电源进行充电。

本发明实施例利用三相双定子绕组电机的两套绕组组成可以用于三相交错并联降压或升压电路来执行48V和12V电池双向充放电的功能，从而不需要独立设计低压直流/直流变换器来实现改功能，而独立设计低压直流/直流变换器需要独立的储能电感(如双向降压升压电路中需要该电感)，从而增加尺寸及体积。而本发明则利用了电机中已有的绕组组成电感，配合两个逆变器1及2形成充电回路，有利于减小系统的尺寸及体积。

本发明实施例的集成起动发电系统，不需要独立设计低压直流/直流变换器，利用电机中已有的绕组组成电感，配合两个逆变器形成充电回路，从而也有利于减小系统的尺寸及体积。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种集成起动发电系统，其特征在于，所述系统包括三相双定子绕组电机、控制开关、第一逆变器、第二逆变器、第一电源以及第二电源；

所述三相双定子绕组电机包括第一绕组和第二绕组，所述第一逆变器连接所述第一绕组以及第一电源，所述第二逆变器连接所述第二绕组以及第二电源；

所述控制开关分别连接于所述第一绕组的中性点和第二绕组的中性点；

当引擎关闭时，所述控制开关闭合，所述第一绕组和第二绕组的中性点互连，所述第一电源通过所述第一逆变器、三相双定子绕组电机以及所述第二逆变器组成三相交错并联降压电路，用于为所述第二电源充电。

2.根据权利要求1所述的集成起动发电系统，其特征在于，当引擎启动时，所述控制开关断开，同时运行所述第一逆变器和第二逆变器以驱动所述三相双定子绕组电机以输出扭矩。

3.根据权利要求1所述的集成起动发电系统，其特征在于，当引擎运行时，所述控制开关断开，所述第一逆变器输出相应的扭矩，所述第二逆变器不运行或运行在发电模式给所述第二电源充电。

4.根据权利要求1所述的集成起动发电系统，其特征在于，当引擎运行时，所述控制开关断开，所述第一逆变器和第二逆变器运行在发电模式，分别给所述第一电源和第二电源充电。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的集成起动发电系统，其特征在于，所述第一电源为48V。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的集成起动发电系统，其特征在于，所述第二电源为12V。