CN106849784A - 直流电动驱动装置以及电动设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流电动驱动装置以及电动设备。本发明提供的直流电动驱动装置，设置在电动设备中，用于驱动电动设备，包括：直流电机；直流电源；指令发送部；输出传感器；控制器；驱动器；斩波器，具有这样的特征：其中，直流电机具有2j个相互独立并且由m个绕组组成的电枢绕组支路、与绕组连接的2j×m个换向片、与换向片相接触的2j个相互独立的电刷，斩波器具有2j个与电刷一一对应的桥臂单元，直流电源包含2j个相互独立的电源单元，每个电源单元与一个桥臂单元、一个电刷一一对应连接，并对与该电刷连接的电枢绕组支路进行供电，j和m均为不小于2的正整数。

Description

直流电动驱动装置以及电动设备

技术领域

本发明属于直流电机领域，特别涉及一种直流电动驱动装置以及包含该直流电动驱动装置的电动设备。

背景技术

随着各大城市雾霾天数和持续时间的增加，国家对燃油设备的尾气排放管理越来越严格；另外，在封闭的室内工作环境中，燃油设备是禁止使用的；此外，石油这种能源是不可再生的，几十年后将面临枯竭。因此，将电作为能源的电动设备如电动汽车、电动叉车等电动设备越来越受到生产商和消费者的青睐。它不但污染小、可以通过可再生能源提供电能，而且与燃油设备相比，它还具有能源利用率高、结构简单、噪声小、动态性能好和便携性高等优点。在石油资源越来越紧张的形势下，大力发展电驱动装置，特别是大功率电驱动装置如电动战车、电动军舰、电动飞行器和电驱动航空母舰等等，对于国防安全具有深远的意义。

由于交流电机，特别是异步电机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜的优点，得到了广泛的应用，但是，它存在启动转矩小、启动电流很大、调速平滑性差、振动和噪声大以及控制算法复杂等缺点。即使采用最好的控制算法，交流电机中高次谐波的影响依然很大，在启动、制动、调速和低速时的性能都劣于直流电机。因此，对电动设备的性能要求很高的场合，例如家用变频空调、升降客梯、电动汽车等等，依然青睐于安装直流电动驱动装置。

在电池供电的电动设备如电动汽车中，电池是核心部件之一。由于目前电池制造技术水平的限制，一个电池单体在容量、电压和性能上还是不能满足电动设备的实际要求，为了满足该类电动设备高能量动力电源的要求，一般都将多个电池单体采用串并联结合的方式成组使用，以满足负载较大的功率需求。通过多个电池单体的并联增加电池组的输出电流，通过多个电池单体的串联增加电池组的输出电压。

在电动汽车行业，纯电动乘用车的电池储能系统一般具有96～110节容量约为45～80Ah的锂离子电池单体；纯电动大巴的电池储能系统一般具有150～200节容量约为200～400Ah的锂离子电池单体。矿用电机车基本上都是由几组电池组并联来供电的，每组电池组又是由数十节电池单体串联成组的。国内电动汽车车载电池大多采用多个电池单体先并联再串联的连接方式。

根据国家标准的要求，人体的安全电压是50伏，根据电动设备安全性能的要求，一般优先选用国家标准的电压等级48、36、24、12伏。而电动汽车装备的电机功率一般都是十千瓦级的，如果采用单个直流电机的话，每一相的额定电流都是几百到几千安培，启动和上坡时的电流更大。

如图2所示，由于电机的工作电流很大，大容量串并联电池组的输出电流也相应很大，一般为几百到几千安培。串并联电池组与斩波器之间的连接线、连接线与电池组的连接件、连接线与斩波器的连接件，都将由于流过大电流而导致发热严重。这对连接线的电阻和绝缘性能、连接件的接触电阻和绝缘保护都提出了较高的要求。同时，这也增加了生产成本，降低了系统的可靠性和安全性。

电池单体数量相同的情况下，串并联电池组的整体性能小于多个电池单体的性能总和。多个电池单体成组后，电池组的能量密度、功率、性能、耐久性和安全性都会有一定程度的下降。而这种情况的产生是由于电池受到了制造工艺、电池老化和环境温度等因素的影响，造成电池内阻、电压、容量等参数的不一致。相同规格和型号的电池在相同运行环境下性能参数存在差异的现象称为电池的不一致性。对于电池组系统来说，不一致性是客观存在的，而且在电池组的充放电循环过程中，电池单体的充放电深度各不相同，电池组的最大性能的发挥往往被性能最差的电池单体所限制，造成电池组整体容量无法全部发挥。这也导致部分电池单体过充电或者过放电，加剧整个电池组的性能劣化，严重时可能导致电池的爆炸或燃烧等安全事故。

在电池组中，电池单体的电压不一致性会对电池组造成较大的影响，影响到电池组的容量、性能、寿命和安全等多个方面。特别是，若干个电压不一致的电池并联组成电池组后，非常容易出现电压高的电池向电压低的电池充电，形成电池组内部环流，造成电池组电量无意义地浪费，最终影响电池充放电效率。

电池并联的电池均衡问题对电池组的性能起着决定性作用，且直接影响到电动设备的整体性能。并联电池组电流不平衡受多方面因素影响，例如电池容量、开路电压、内阻、初始、极化等。当电池一致性较好时，并联连接方式对电池组的容量保持率没有太大的影响，但是当电池组中出现短板电池或者将不匹配的电池并联在一起时，参数不一致问题导致了电流不平衡，电流不平衡又会进一步导致使用条件的不一致，进而使电池组的循环性能变差。特别是，并联电池数量的增加会加剧短板电池的影响。电池组中某个电池单体意外的寿命终结往往导致整体功能失效。

在电池使用过程中，采用电池管理系统对电池单体进行实时在线监测，分析判断并试图消除或控制电池不一致性的方法称为电池均衡技术。但是，电池管理系统并不具备并联管理能力，难以对并联间各电池单体的能量流动进行管理。另外，并联电池数量越多，管理的难度越大。

综上所述，作为电动设备核心部件之一的电池组中的电池均衡问题已经严重影响了大功率电动设备的续航和性能，进而影响了包括电动车、电动船、电动飞行器，乃至于国防上的电动战车、电动军舰、电动飞行器和电驱动航空母舰的发展。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种直流电动驱动装置以及包含该直流电动驱动装置的电动设备。

<结构一>

本发明提供了一种直流电动驱动装置，设置在电动设备中，用于驱动电动设备，包括：直流电机，具有额定电压以及额定电流；直流电源，具有与额定电压相对应的恒定电压的电源，用于提供与额定电流相对应的直流电；指令发送部，发送与直流电机输出的转速或转矩的值相对应的指令信号；输出传感器，检测直流电机输出的转速或转矩，并发送对应的输出反馈信号；控制器，根据指令信号和输出反馈信号计算并输出运行控制信号以及电机控制信号；驱动器，在运行控制信号作用下进入工作状态或停止状态，在工作状态下根据电机控制信号产生驱动信号；斩波器，在驱动信号的作用下将直流电转换为电压可控的直流电并提供给直流电机，具有这样的特征：其中，直流电机具有2j个相互独立并且由m个绕组组成的电枢绕组支路、与绕组连接的2j×m个换向片、与换向片相接触的2j个相互独立的电刷，斩波器具有2j个与电刷一一对应的桥臂单元，直流电源包含2j个相互独立的电源单元，每个电源单元与一个桥臂单元、一个电刷一一对应连接，并对与该电刷连接的电枢绕组支路进行供电，j和m均为不小于2的正整数。

在本发明提供的直流电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，斩波器为双极式斩波器或单极式斩波器，当斩波器为桥式的双极式斩波器时，2j个相互独立的电刷根据对应的直流电机的主磁极极性均分成两组电刷组，斩波器具有与两组电刷组分别相对应的2个桥臂部，每个桥臂部包含与j个电刷一一对应的桥臂单元，每个桥臂单元含有一个斩波桥臂以及与该斩波桥臂反向并联连接的续流二极管，向对应的电刷提供线电流，斩波桥臂包含了两个串联连接的功率开关管，每个功率开关管与一个续流二极管反向并联连接，j为不小于2的正整数。

在本发明提供的直流电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，当电刷的引出线的额定电流为I₁，直流电机的额定电流为I_N时，电枢绕组支路的个数2j满足下述条件：j＞I_N÷I₁，j为不小于2的正整数。

在本发明提供的直流电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，电枢绕组的连接方式是叠绕组，主磁极的励磁方式是永磁、他励、串励、并励或复励。

在本发明提供的直流电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，电源单元为电池组或交流电源经整流滤波后得到的整流电源，电池组是由至少一个电池单体构成的。

在本发明提供的直流电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，斩波器是由至少一个智能功率模块构成的或是包含了多个功率开关管，功率开关管为电力场效应晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管、绝缘栅双极型晶体管、电力双极型晶体管和门极换流晶闸管中的任意一种。

在本发明提供的直流电动驱动装置中，还可以具有这样的特征，还包括：电流传感器，其中，电流传感器检测电刷的引出线的线电流值，并发送对应的电流反馈信号，控制器根据指令信号、电流反馈信号和输出反馈信号计算并输出运行控制信号以及电机控制信号。

<结构二>

进一步，本发明还提供了一种含有上述直流电动驱动装置的电动设备。

发明的作用与效果

根据本发明提供的直流电动驱动装置以及电动设备，由于直流电机具有2j个相互独立并且由m个绕组组成的电枢绕组支路、与绕组连接的2j×m个换向片、与换向片相接触的2j个相互独立的电刷，斩波器具有2j个与电刷一一对应的桥臂单元，直流电源包含2j个相互独立的电源单元，每个电源单元与一个桥臂单元、一个电刷一一对应连接，并对与该电刷连接的电枢绕组支路进行供电，所以每个电源单元的输出电流相对于直流电源总电流来说较小，电源单元与斩波器之间的连接线、连接线与电源单元的连接件、连接线与斩波器的连接件，对接触电阻和绝缘的要求较低，不但降低了生产的难度和成本，还有助于提高系统的可靠性和安全性。

此外，本发明的直流电动驱动装置能够打破国外对于大电流驱动装置的垄断和封锁，使得该直流电动驱动装置不仅能够取代污染大、启动速度慢和能源利用率低的燃油发动机而应用于目前无法采用电动机的重型机车上，如卡车、推土机、挖土机等重型机车等，还能够应用于军事上需要更大电流的电动战车、电动军舰和电驱动航空母舰上，实现了低压大电流的直流电动驱动装置的国产化。而且与交流电机驱动装置相比较，系统性能更加优越。

因此，本发明的直流电动驱动装置以及电动设备具有结构设计简单、合理，成本低，发热量小，工作性能稳定、安全可靠，使用寿命长等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的直流电动驱动装置的电路结构示意图；以及

图2为现有技术中的大电流直流电动驱动装置的电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明直流电动驱动装置以及电动设备作具体阐述。

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

直流电动驱动装置10设置在电动设备如电动工具、四轴飞行器、电动汽车、电动船舶、工业用电动叉车、电动军事设备内，用于驱动电动设备。

图1是本实施例中的直流电动驱动装置的电路结构示意图。

如图1所示，直流电动驱动装置10包括直流电机11、直流电源12、指令发送部13、输出传感器14、控制器15、驱动器18以及斩波器19。

直流电机11具有额定电压以及额定电流。直流电机11具有主磁极111和至少一个电枢112。在实施例中，直流电机具有一个电枢112。电枢112为直流电机的转子。

主磁极111为直流电机11提供工作磁场。主磁极的励磁方式是永磁、他励、串励、并励或复励。如果主磁极为他励励磁方式，则他励的励磁绕组为单独供电和控制，与电枢绕组独立。如果主磁极为并励励磁方式，则并励的励磁绕组由单独的桥式可逆斩波器以及与直流电源12电压相同的独立直流电源和驱动电路18供电。在本实施例中，主磁极111采用串励的励磁方式。

电枢112包括2j个电枢绕组支路1121、2j×m个换向片(图中未显示)以及2组电刷组1122。

电枢绕组支路1121独立安装在电枢112上。电枢绕组支路1121是由m个缠绕在电枢上的绕组所组成的，m为2以上的正整数。电枢绕组支路1121中绕组的连接方式是叠绕组。在正常工作时，所有的电枢绕组支路的电流互不影响，相互独立。

2组电刷组1122按照其空间位置所对应的主磁极111的极性不同分成两组，且分别连接直流电机的两组电源线，并且与换向器的换向片相接触。每个电刷组包含j个相互独立的电刷。2j个电刷均匀分布在直流电机的由换向片构成的换向器上，与直流电机主磁极的位置相对应，每个电刷至少可与一个换向片相接触。其中的一组电刷沿电机的圆周方向均匀分布，另一组电刷的空间位置安装在不同组相邻的两个电刷中间。在本实施例中，电刷采用窄电刷，其尺寸略小于换向片的尺寸。在本实施例中，每个电刷至少可与一个以上的换向片同时接触。

直流电源12具有与额定电压相对应的恒定电压，用于提供与额定电流相对应的直流电。直流电源12为电池组或交流电源经整流滤波后得到的整流源，在本实施例中，直流电源12选用电池组。

指令发送部13发送与直流电机11输出的转速或转矩的值相对应的指令信号。

输出传感器14检测直流电机11输出的转速或力矩并输出相对应的输出反馈信号。输出反馈信号被控制器15接收。

电流传感器20检测直流电机11的电刷引出线的线电流值，并输出相对应的电流反馈信号。电流反馈信号被控制器15接收。

控制器15根据指令发送部13的指令信号、输出传感器14的输出反馈信号以及电流传感器20的电流反馈信号计算驱动器的运行控制信号16和电机控制信号17。

驱动器18在运行控制信号16控制下进入工作状态，并根据电机控制信号17产生驱动斩波器19工作的驱动信号。

斩波器19在驱动器18发出的驱动信号作用下将恒压直流电转换为平均电压可控的直流电并提供给直流电机11。在本实施例中，斩波器19为桥式的双极式斩波器。

斩波器19具有与2组电刷组分别相对应的2个桥臂部191。每个桥臂部191包含与j个电刷一一对应的桥臂单元1911。每个桥臂单元1911含有一个斩波桥臂19111以及两个与该斩波桥臂19111反向并联连接的续流二极管，共同向对应的电刷提供线电流。

斩波桥臂19111含有相互串联连接的上桥臂功率开关管以及下桥臂功率开关管。也就是说，每个电刷的引出线电流由2个功率开关管和2个二极管构成的1个桥臂单元1911提供。

上桥臂功率开关管以及下桥臂功率开关管分别反向并联连接一个续流二极管。上桥臂功率开关管和下桥臂功率开关管具有相同的预定最大连续工作电流，它是功率开关管的一个重要参数，只有在这个电流值以下时，功率开关管才有可能稳定运行，如果工作电流超过这个电流值，功率开关管就会由于过流而被击穿，从而损坏。考虑到各种不同工作环境的影响，一般来说，电刷的引出线的额定电流要小于这个最大连续工作电流，一般取为最大连续工作电流的0.5～0.8倍。

上桥臂功率开关管或下桥臂功率开关管均为全控型的功率开关管，可采用电力场效应晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管、绝缘栅双极型晶体管、电力双极型晶体管和门极换流晶闸管中的任意一种。在本实施例中，该功率开关管为电力场效应晶体管。

当电刷的引出线的额定电流为I₁，直流电机11的额定电流为I_N时，电枢绕组支路1121的个数2j满足下述条件：j＞I_N÷I₁，j为不小于2的正整数。

实施例的作用与效果

根据本发明提供的直流电动驱动装置以及电动设备，由于直流电机具有2j个相互独立并且由m个绕组组成的电枢绕组支路、与绕组连接的2j×m个换向片、与换向片相接触的2j个相互独立的电刷，斩波器具有2j个与电刷一一对应的桥臂单元，直流电源包含2j个相互独立的电源单元，每个电源单元与一个桥臂单元、一个电刷一一对应连接，并对与该电刷连接的电枢绕组支路进行供电，所以每个电源单元的输出电流相对于直流电源总电流来说较小，电源单元与斩波器之间的连接线、连接线与电源单元的接插件、连接线与斩波器的接插件，对接触电阻和绝缘的要求较低，不但降低了生产的难度和成本，还有助于提高系统的可靠性和安全性。

此外，本发明的直流电动驱动装置能够打破国外对于大电流驱动装置的垄断和封锁，使得该直流电动驱动装置不仅能够取代污染大、启动速度慢和能源利用率低的燃油发动机而应用于目前无法采用电动机的重型机车上，如卡车、推土机、挖土机等重型机车等，还能够应用于军事上需要更大电流的电动战车、电动军舰和电驱动航空母舰上，实现了低压大电流的直流电动驱动装置的国产化。而且与交流电机驱动装置相比较，系统性能更加优越。

因此，本发明的直流电动驱动装置以及电动设备具有结构设计简单、合理，成本低，发热量小，工作性能稳定、安全可靠，使用寿命长等优点。

另外，当电源单元为电池组时，电池组内的电池单体可以不需要并联技术，仅仅采用串联技术即可满足要求，消除多个电池单体并联后产生的电池均衡问题，也免除了为减小多个电池单体的不一致性而产生的费用。在供电方面，由多个相对小容量的串联电池组代替了单个的大容量的串并联电池组，在电池单体数量相同的情况下，减小了电池由于并联引起的整体性能衰减，提高了能量密度、功率、性能、耐久性和安全性，可以为电动设备的续航和性能提供更好的保障。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种直流电动驱动装置，设置在电动设备中，用于驱动所述电动设备，包括：

直流电机，具有额定电压以及额定电流；

直流电源，具有与所述额定电压相对应的恒定电压的电源，用于提供与所述额定电流相对应的直流电；

指令发送部，发送与所述直流电机输出的转速或转矩的值相对应的指令信号；

输出传感器，检测所述直流电机输出的转速或转矩，并发送对应的输出反馈信号；

控制器，根据所述指令信号和所述输出反馈信号计算并输出运行控制信号以及电机控制信号；

驱动器，在所述运行控制信号作用下进入工作状态或停止状态，在工作状态下根据所述电机控制信号产生驱动信号；

斩波器，在所述驱动信号的作用下将所述直流电转换为电压可控的直流电并提供给所述直流电机，

其特征在于：

其中，所述直流电机具有2j个相互独立并且由m个绕组组成的电枢绕组支路、与所述绕组连接的2j×m个换向片、与所述换向片相接触的2j个相互独立的电刷，

所述斩波器具有2j个与所述电刷一一对应的桥臂单元，

所述直流电源包含2j个相互独立的电源单元，每个所述电源单元与一个所述桥臂单元、一个所述电刷一一对应连接，并对与该电刷连接的所述电枢绕组支路进行供电，

所述j和所述m均为不小于2的正整数。

2.根据权利要求1所述的直流电动驱动装置，其特征在于：

其中，所述斩波器为双极式斩波器或单极式斩波器，

当所述斩波器为桥式的双极式斩波器时，2j个相互独立的所述电刷根据对应的所述直流电机的主磁极极性均分成两组电刷组，

所述斩波器具有与所述两组电刷组分别相对应的2个桥臂部，每个桥臂部包含与j个所述电刷一一对应的桥臂单元，

每个所述桥臂单元含有一个斩波桥臂以及与该斩波桥臂反向并联连接的续流二极管，向对应的所述电刷提供线电流，

所述斩波桥臂包含了两个串联连接的功率开关管，每个所述功率开关管与一个所述续流二极管反向并联连接，

所述j为不小于2的正整数。

3.根据权利要求1所述的直流电动驱动装置，其特征在于：

其中，当所述电刷的引出线的额定电流为I₁，所述直流电机的所述额定电流为I_N时，所述电枢绕组支路的个数2j满足下述条件：

j＞I_N÷I₁。

所述j为不小于2的正整数。

4.根据权利要求1所述的直流电动驱动装置，其特征在于：

其中，所述电枢绕组的连接方式是叠绕组，

所述主磁极的励磁方式是永磁、他励、串励、并励或复励。

5.根据权利要求1所述的直流电动驱动装置，其特征在于：

其中，所述电源单元为电池组或交流电源经整流滤波后得到的整流电源，

所述电池组是由至少一个电池单体构成的。

6.根据权利要求1所述的直流电动驱动装置，其特征在于：

其中，所述斩波器是由至少一个智能功率模块构成的或是包含了多个功率开关管，

所述功率开关管为电力场效应晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管、绝缘栅双极型晶体管、电力双极型晶体管和门极换流晶闸管中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的直流电动驱动装置，其特征在于，还包括：

电流传感器，

其中，所述电流传感器检测所述电刷的引出线的线电流值，并发送对应的电流反馈信号；

所述控制器根据所述指令信号、所述电流反馈信号和所述输出反馈信号计算并输出运行控制信号以及电机控制信号。

8.一种电动设备，其特征在于，包括：

权利要求1～7中任一项所述的直流电动驱动装置。