CN105790628B - 一种基于功能集成式变换器的开关磁阻电机系统 - Google Patents

一种基于功能集成式变换器的开关磁阻电机系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于新型功能集成式变换器的开关磁阻电机系统，适用于开关磁阻电机驱动的插电式混合动力汽车。通过控制前端电路开关管的开通和关断，实现多种功能和运行模式，在发电机供电模式下，绕组电压被电池组提高，在电池供电模式下，绕组电压被电容提高，实现了多电平供电，进而加快了绕组的励磁和退磁。由于多电平模式的加入，电机的输出转矩能力得到明显改善。不仅在电动和制动过程中，电池组可以通过绕组复用以及变换器的控制实现充电，而且在汽车静止情况下，电池组也可以由外部电源接入实现灵活的充电，而且不需要任何额外的充电设备。通过控制变换器中各开关管，可以灵活地实现发电机、电池组、外部电源以及电机之间的能量转换。

Description

一种基于功能集成式变换器的开关磁阻电机系统
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种基于功能集成式变换器的开关磁阻电机系统。
背景技术
近年来，伴随着不可再生能源的快速消耗和城市中空气的污染程度加重，电动汽车和混合动力汽车逐渐成为了国内外学者的研究热点。电动汽车的排放量要比传统的内燃机汽车低，更加环保和节能，但是电动汽车的电池续航问题一直以来都是困扰学者们的难题。目前，混合动力和插电式混合动力汽车作为电动汽车和内燃机汽车的中间过渡产品，就显得及其重要。作为混合动力汽车的驱动电机，永磁同步电机是现在比较普遍的选择。但是，永磁电机的加工需要利用永磁材料，一方面，稀土资源的开发同样会对环境造成恶劣影响，另一方面，电机在恶劣环境下的性能会受到永磁材料高温退磁现象的影响。因此，很多学者都致力于研发新一代电动汽车的驱动电机。开关磁阻电机是一种具有很强竞争力的电机，作为无稀土电机的典型代表，具有启动转矩大、容错性能好、结构简单坚固、效率高、可靠性好等优点，非常适合电动汽车和混合动力汽车领域的应用。目前很多方案致力于提高电机效率，减小转矩波动，降低电机振动以及故障诊断与容错控制技术等，目的是为了使开关磁阻电机更加适用于电动汽车或者混合动力汽车。但是，在功率变换器的功能集成拓扑方面研究较少。
对于开关磁阻电机系统应用于电动汽车方面，一个紧凑而且可靠的功率变换器是必须的。目前已经有很多学者在研究开关磁阻电机的功率变换器拓扑结构。
本发明提出了一种新型功能集成式功率变换器，适用于开关磁阻电机驱动的插电式混合动力汽车。通过控制前端电路开关管的开通和关断，即可实现多种运行模式，例如多电平模式、发电机供电模式、电池供电模式、混合电源供电模式、运行充电模式以及静止充电模式。在发电机供电模式下，绕组电压被电池组提高，实现了多电平供电，进而加快了绕组的励磁和退磁。在电池供电模式下，由于额外的闲置母线电容，功率变换器自动组成四电平拓扑，同样加快了励磁和退磁过程。由于多电平模式的加入，电机的输出转矩能力得到明显改善。不仅在电动和制动过程中，电池组可以通过绕组复用以及变换器的控制实现充电，而且在汽车静止情况下，电池组也可以由外部电源接入实现灵活的充电，而且不需要任何额外的充电设备。通过控制变换器中各开关管，可以灵活地实现发电机、电池组、外部电源以及电机之间的能量转换。
发明内容
在传统的开关磁阻电机不对称半桥驱动拓扑的基础上，本发明提出了一种基于功能集成式变换器的开关磁阻电机系统。
本发明的技术方案如下：
本发明公开了一种基于功能集成式变换器的开关磁阻电机系统，包括开关磁阻电机、交流电机、集成式变换器、电流传感器、位置传感器以及控制器；
所述的开关磁阻电机具有三相定子绕组La、Lb和Lc；
所述的交流电机作为开关磁阻电机系统的发电机或启动电机；
所述的集成式变换器用于为开关磁阻电机实现如下运行模式：多电平模式、发电机供电模式、电池供电模式、混合电源供电模式、运行充电模式以及静止充电模式；
所述的电流传感器用于检测电机三相定子绕组上对应的三相绕组电流；
所述的位置传感器用于检测电机转子位置；
所述的控制器根据三相绕组电流、转子位置以及运行模式需求为集成式变换器中的功率开关器件提供控制信号。
所述的功能集成式变换器由一个前端电路和一个不对称半桥功率变换器并联而成；
所述的前端电路包括一个交流电机，一个整流电路/逆变器，一个电容器，一个电池组，一个继电器，带反并联二极管的第一开关管、带反并联二极管的第二开关管、第一续流二极管和第二续流二极管；其中，交流电机的输出端与整流/逆变器的输入接口相连，整流电路/逆变器的正极输出端与电容器的一端以及第二续流二极管的阴极相连，整流电路/逆变器的负极输出端与电容器的另一端、第一开关管的一端以及第一续流二极管的阴极相连，第一续流二极管的阳极与电池组的负极相连，电池组的正极与第一开关管的另一端以及第二开关管的一端相连，第二开关管的另一端与第二续流二极管的阳极相连，两个开关管的控制极接收控制器提供的信号；
不对称半桥功率变换器由三组功率变换单元并联而成，所述的功率变换单元包含带反并联二极管的第三开关管、带反并联二极管的第四开关管、第三续流二极管和第四续流二极管；第三开关管的一端与第三续流二极管的阴极相连，第三开关管的另一端与对应相定子绕组的首端以及第四续流二极管的阴极相连，第四续流二极管的阳极与第四开关管的一端相连，第四开关管的另一端与对应相定子绕组的尾端以及第三续流二极管的阳极相连。
所述的所有带反并联二极管的开关管均采用带反并联快速恢复二极管的CoolMOS管或IGBT。
优选的，所述的所有续流二极管均采用快速恢复二极管。
附图说明
图1为基于开关磁阻电机功能集成式变换器的混合动力汽车示意图。
图2为基于前端电路的新型功能集成式变换器电路。
图3(a)为前端电路的开关模式1:S01开通,S02开通。
图3(b)为前端电路的开关模式2:S01关断,S02开通。
图3(c)为前端电路的开关模式3:S01开通,S02关断。
图3(d)为前端电路的开关模式4:S01关断,S02关断。
图4(a)为集成式变换器的励磁模式E1。
图4(b)为集成式变换器的励磁模式E2。
图4(c)为集成式变换器的励磁模式E3。
图4(d)为集成式变换器的零电压续流模式。
图5(a)为集成式变换器的退磁模式D1。
图5(b)为集成式变换器的退磁模式D2。
图5(c)分别为集成式变换器的退磁模式D3。
图5(d)分别为集成式变换器的退磁模式D4。
图5(e)分别为集成式变换器的退磁模式D5。
图5(f)分别为集成式变换器的退磁模式D6。
图6(a)为传统功率变换器供电时的开关磁阻电机相电流和相电压关系。
图6(b)为发电机驱动的新型变换器供电时的开关磁阻电机相电流和相电压关系。
图6(c)为电池驱动的新型变换器供电时的开关磁阻电机相电流和相电压关系。
图6(d)为双电源驱动的新型变换器供电时的开关磁阻电机相电流和相电压关系。
图7(a)～(c)分别为双电源能量交换的三个工作阶段示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式，对本发明的技术方案及其相关工作原理进行详细说明。
图1给出了基于功能集成式变换器的开关磁阻电机系统用于混合动力汽车的示意图，主要由内燃机，交流电机作为发电机或启动电机，储能装置(电池组和电容器)，能量控制单元包括集成式变换器和控制器，以及开关磁阻电机作为汽车动力驱动电机构成，图1中虚线框选部分即为基于功能集成式变换器的开关磁阻电机系统。
所提出的新型功能集成式功率变换器是由一个前端电路和一个传统的不对称半桥功率变换器组成，如图2所示。前端电路包括一个交流电机G/M，一个整流电路/逆变器R/I，一个电容器C，一个电池组B，一个继电器J，两个带反并联二极管的开关管(第一开关管S01和第二开关管S02)，两个续流二极管(第一续流二极管D01和第二续流二极管D02)，通过与不对称半桥变换器电路连接，可以实现不同的工作模式。电路中使用的开关管内部均具有反并联快速恢复二极管。在新型电路拓扑中，电池组B用来交互连接发电机实现发电机供电模式的多电平运行，电容C同样用来提升电池组供电模式的母线电压。退磁电流和制动电流可以直接通过第一开关管S01中的反并联二极管回馈电源，用来给电池组充电。图3给出了前端电路的四种开关模式，可以通过控制前端电路中的第一开关管S01和第二开关管S02灵活实现。
不对称半桥功率变换器由三组功率变换单元并联而成，所述的功率变换单元，以第一组为例，包含带反并联二极管的第三开关管S1、带反并联二极管的第四开关管S2、第三续流二极管D1和第四续流二极管D2；第三开关管S1的一端与第三续流二极管D1的阴极相连，第三开关管S1的另一端与对应相定子绕组的首端以及第四续流二极管D2的阴极相连，第四续流二极管D2的阳极与第四开关管S2的一端相连，第四开关管S2的另一端与对应相定子绕组的尾端以及第三续流二极管D1的阳极相连，图2中的S1-S6均为带反并联二极管的开关管，优选采用带反并联快速恢复二极管的CoolMOS管或IGBT；D1-D6均为续流二极管, 优选采用快速恢复二极管。
当继电器J闭合时，电机可以由发电机和电池组成的双电源供电，也可以由发电机单独供电。在这种状态下，图4中(a)、(b)和(d)给出了新型拓扑在不同电压下的一相励磁模式。图4(a)为励磁模式E1，此时第一开关管S01开通和第二开关管S02关断，A相励磁由双电源供电；图4(b)为励磁模式E2，此时第一开关管 S01和第二开关管S02全部关断，A相励磁由发电机单独供电；图4(d)为零电压续流模式。
当继电器J断开且第二开关管S02闭合时，电机由电池组单独供电，变换器等效为一个四电平变换器，这种情况下的励磁模式如图4(a)和(c)所示。和传统不对称半桥电路相比，电容C可以看成是在原电路的基础上添加了一个额外的充电电容。当第一开关管S01开通时，额外的充电电容电压在励磁模式下作用于绕组上，可以快速建立励磁电流，如图4(a)所示。当第一开关管S01关断时，A 相励磁由电池组单独供电，此时为励磁模式E3，如图4(c)。退磁电流可以在退磁模式下通过电容的重复充电快速衰减，有利于减小高速运行时电流拖尾到电感下降区间造成的制动转矩。
图5所示为新型变换器在不同电压情况下的一相退磁模式。图5(a)为退磁电压U1+U2情况下A、B两相电流不重叠时的快速退磁模式D1；图5(b)为退磁电压U1+U2情况下A、B两相电流重叠时的快速退磁模式D2，此时B相电流在零电压续流状态；图5(c)为退磁电压U1+U2情况下A、B两相电流重叠时的快速退磁模式D3，此时的B相绕组由A相绕组供电；图5(d)为退磁电压U1+U2情况下的退磁模式D4，此时的B相绕组同时由双电源和A相绕组供电；图5(e)为退磁电压U1情况下的退磁模式D5，此时的B相绕组同时由发电机和A相绕组供电；图5(f)为退磁电压U2情况下的退磁模式D6，此时的B相绕组同时由电池组和A 相绕组供电。
在一个相电流周期内，每一相绕组都存在三个电流工作模式：1)励磁模式； 2)零电压续流模式；3)退磁模式。基于前端电路的新型变换器的电流工作模式在绕组换向区间内，与传统变换器的电流工作模式不同，图6为不同电源供电时的相电流和相电压关系。如图6(a)所示，在传统不对称半桥功率变换器中，相电压在+U1和–U1之间切换。而在新型功率变换器中，多电平同时在发电机供电模式和电池供电模式下由快速励磁和快速退磁实现，如图6(b)和(c)。
通过对前端电路中的第一开关管S01和第二开关管S02以及继电器J的控制，可以灵活地选择发电机供电模式、电池供电模式以及双电源供电模式。
运行模式P1—发电机供电：当继电器J闭合，第一开关管S01和第二开关管 S02均关断时，电机由发电机单独供电，其开关模式如图3(d)所示，这种情况下的相电流和相电压如图6(b)所示；
在A相的励磁区间和B相的退磁区间重叠区域内，当A相退磁电流ia比B 相励磁电流ib大时，A相电流回馈双电源给电池充电，并同时给B相绕组供电，帮助B相建立励磁电流，如图5(c)所示。在这种情况下的退磁电压为电池组B 和电容C的电压之和，绕组A可以等效为一个供电电源。此时，A相的绕组电压和电流的表达式为
ia＝idc＋ib (2)
其中，Ra为A相绕组电感,ia为A相绕组电流,θ为转子位置角,La(θ)为A相绕组电感,ib为B相绕组电流,idc为母线电流；
当A相退磁电流ia比B相励磁电流ib小时，电源不足以建立B相励磁电流， B相绕组由发电机和A相绕组共同供电，如图5(e)所示。在这种情况下，A相的退磁电压为电容C的电压，A相绕组的电压和电流的表达式为
ia＝-idc+ib (4)
在A相的退磁区间和B相的零电压续流区间的重叠区域内，A相电流回馈双电源并给电池充电，此时B相通过下开关管和二极管进行零电压续流。在这种情况下，A相的退磁电压为电池组B和电容C的电压之和，A相电压可以用公式(3)表达，A相的电流就是母线电流；
相似地，在A相的励磁区间内，当C相退磁电流比A相励磁电流大时，C 相电流回馈双电源给电池充电，并同时给A相绕组供电，帮助A相建立励磁电流。在这种情况下，A相绕组的励磁电压为电池组B和电容C的电压之和，绕组C可以等效为一个供电电源。此时，A相的绕组电压和电流的表达式为
ia＝-idc+ic (6)
在A相的励磁区间内，当C相退磁电流比A相励磁电流小时，电源输出电流到A相绕组，A相绕组同时由发电机和C相绕组供电。此时，A相的绕组电压和电流的表达式为
ia＝idc+ic (8)
运行模式P2—电池组供电：当继电器J断开，开关管S02开通时，电机由电池组单独供电。此时功率变换器等效为一个四电平变换器，其开关模式如图3(b) 所示，这种情况下的相电流和相电压如图6(c)所示。运行模式P2和运行模式P1 类似，不同点是电源由发电机变成了电池，电容C在电路中重复充电并作为一个额外的电源在换相区间内提高母线电压。
运行模式P3—双电源供电：当继电器J闭合，开关管S01开通时，电机由发电机和电池组串联供电，其开关模式如图3(a)或(c)所示，这种情况下的相电流和相电压如图6(d)所示。在A相励磁和退磁区间，相电压都为电池组电压和电容电压之和，在A相退磁区间内可以用式(3)表达，在A相励磁区间内可以用式 (5)表达。
当混合动力汽车处于静止状态时，通过控制驱动电路中的功率开关管，可以让电容C给电池组B充电，主要包含两个工作阶段，如图7(a)和(b)所示。在工作阶段1中，开关管S1-S6同时开通，使各相绕组全部励磁。在工作阶段2中，开关管S1-S6同时关断，使各相绕组全部退磁，储存在各绕组中的能量通过二极管D1-D6转换到电容C和电池组B中。在这个过程中，通过控制开关管的开关状态，可以让电容上的能量灵活地给电池组充电。相电流在工作阶段1中的表达式为
其中，Ik0、Ikm、T、D分别为初始相电流、最大相电流、开关周期和占空比。
工作阶段2中的相电流表达式为
通过利用三相绕组同时进行励磁和退磁，最大和最小的母线电压为
因此，工作阶段2中的电池充电电流为
通常发电机也具有启动器的作用，即在静止条件下启动引擎。因此，电池组需要给电容C充电启动引擎，电机M/G作为电动机使用。在这种情况下就需要工作阶段3，如图7(c)所示，电池组给各相绕组提供励磁。需要说明的是，此时的电容电压应该比电池组的电压低，电容无法给各相绕组提供励磁。然后同时关断开关管S1-S6，绕组能量回馈电容和电池组并且给电池充电，工作在7(c) 所示的阶段2，在这个过程中，电池的能量转移到电容中。

Claims (3)

1.一种基于功能集成式变换器的开关磁阻电机系统，包括开关磁阻电机、集成式变换器、电流传感器、位置传感器以及控制器；其特征在于：
所述的开关磁阻电机具有三相定子绕组La、Lb 和Lc；
所述的集成式变换器由一个前端电路和一个不对称半桥功率变换器并联而成；
所述的前端电路包括一个交流电机，一个整流电路/逆变器，一个电容器，一个电池组，一个继电器，带反并联二极管的第一开关管、带反并联二极管的第二开关管、第一续流二极管和第二续流二极管；其中，交流电机的输出端通过继电器与整流电路/逆变器的输入接口相连，整流电路/逆变器的正极输出端与电容器的一端以及第二续流二极管的阴极相连，整流电路/逆变器的负极输出端与电容器的另一端、第一开关管的一端以及第一续流二极管的阴极相连，第一续流二极管的阳极与电池组的负极相连，电池组的正极与第一开关管的另一端以及第二开关管的一端相连，第二开关管的另一端与第二续流二极管的阳极相连，两个开关管的控制极接收控制器提供的信号；
不对称半桥功率变换器由三组功率变换单元并联而成，所述的功率变换单元包含带反并联二极管的第三开关管、带反并联二极管的第四开关管、第三续流二极管和第四续流二极管；第三开关管的一端与第三续流二极管的阴极相连，第三开关管的另一端与对应相定子绕组的首端以及第四续流二极管的阴极相连，第四续流二极管的阳极与第四开关管的一端相连，第四开关管的另一端与对应相定子绕组的尾端以及第三续流二极管的阳极相连；
所述的交流电机作为开关磁阻电机系统的发电机；
所述的集成式变换器用于为开关磁阻电机实现如下运行模式：多电平模式、发电机供电模式、电池供电模式、混合电源供电模式、运行充电模式以及静止充电模式；
所述的电流传感器用于检测电机三相定子绕组上对应的三相绕组电流；
所述的位置传感器用于检测电机转子位置；
所述的控制器根据三相绕组电流、转子位置以及运行模式需求为集成式变换器中的功率开关器件提供控制信号。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机系统，其特征在于：所述的所有带反并联二极管的开关管均采用带反并联快速恢复二极管的CoolMOS管或IGBT。
3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机系统，其特征在于：所述的所有续流二极管均采用快速恢复二极管。
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