CN107364367A - 一种基于多励磁源电机的集成式电机驱动与车载充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多励磁源电机的集成式电机驱动与车载充电系统，包括依次连接的充电接口、切换装置、多励磁源电机、功率变换模块和动力电池模块，所述功率变换模块与所述动力电池之间通过继电器相连，所述功率变换模块母线侧并联有母线电容；所述切换装置，具有至少3个网侧接线端和m个电机侧接线端；所述多励磁源电机包括定子铁心、转子铁心、电枢绕组和励磁源；所述功率变换模块包括功率主电路和控制器。本发明可在不增加额外功率变换模块或改变电机性能指标的前提下，实现电池充电电压的匹配和全局高效率驱动和充电能力，且模式切换简单方便，在电动汽车系统集成领域有很好的应用前景。

Description

一种基于多励磁源电机的集成式电机驱动与车载充电系统

技术领域

本发明属于电动汽车系统集成技术领域，尤其是一种基于多励磁源电机的电动汽车用集成式电机驱动与车载充电系统。

背景技术

在全球能源危机和国内环境污染的严峻压力下，电动汽车已成为汽车工业的必然发展方向。随着近年来国内外电动汽车产业的不断发展，市场和整车厂商对电动汽车内电机驱动系统和动力电池及其车载充电系统的体积、重量、效率、成本等指标提出了越来越高的要求。以电动汽车驱动电机为例，为提高整车性能和实现轻量化目标，电机功率密度和效率不断提高，预计到2020年，将有峰值功率密度大于4kW/kg、最高效率超过96％的高性能乘用车驱动电机实现量产。类似的，产业界对下一代电力电子总成的功率密度、动力电池的能量密度等都提出了极高要求。因此，如何减小电动汽车内电驱、电池系统的体积和重量，提高整体效率，已成为国内外关注的焦点。

大功率车载充电机，因其不受充电桩限制，可以随时随地进行灵活快速充电的特性而得到广泛关注，但又由于其增加整车和电池系统的重量、体积和成本，一直没有得到大规模应用。针对这一技术难题，近年来，国内外都提出了一类集成式电机驱动与车载充电系统。该类系统中，在驱动模式下，动力电池通过驱动逆变器，在控制器的控制下将能量输送到电机，驱动电机运转；在充电模式下，利用电机绕组或增加额外的电抗器作为并网电抗器，驱动逆变器作为整流器，外部单相或三相电源通过逆变器反向运行，在控制器的控制下将能量输送到动力电池，实现电池充电。由于电机驱动逆变器的容量一般远大于充电机容量，因此，通过对电机驱动逆变器的分时复用，在该类系统中，原理上可以在不增加系统重量、体积和成本的基础上，实现大功率车载充电，但仍存在诸多缺陷。其中较为显著的是：在充电模式下，整流器工作在升压模式，如不增加额外的功率变换模块或改变动力电池的电压等级，则无法实现网侧电源电压和电池充电电压的匹配，从而或者无法实现整流器的高效率运行(如网侧电压为单相220V交流，电池电压为1200V直流)，或者根本无法达到电池充电电压(如网侧电压为单相220V交流，电池电压为144V直流)；而电池电压等级是配合电机本体参数而决定的，且电机本体参数与电机性能息息相关，往往不能做出妥协或更改。以上缺陷使得该类集成式系统改造复杂或需要增加额外元件，因此一直没有得到推广应用。

考虑到电动汽车用驱动电机的特殊应用场合，其应当同时具备高效率、高功率密度、高可靠性和宽调速范围等特性。针对以上性能需求，同时包含永磁励磁和电励磁的多励磁源电机设计方法及其磁场在线调控技术得到了广泛关注，特别地，对于一类特殊的定子励磁型电机，由于其励磁源均位于定子的独特优势，可以很方便地利用多励磁源设计方法实现永磁磁场的直接调控，从而令电机高效率地实现极宽的调速范围。

因此，基于多励磁源电机，发明一种易于实现的高效率集成式电机驱动与车载充电系统具有深远的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多励磁源电机的集成式电机驱动与车载充电系统，在充分满足电动汽车用电机驱动系统性能的基础上，通过合理配置逆变器各桥臂和电机绕组，在不增加额外器件和更改电机外特性的基础上，实现大功率、高效车载充电，且模式切换简单方便，从而解决现有技术存在的上述问题。

本发明采用的技术方案为：一种基于多励磁源电机的集成式电机驱动与车载充电系统，包括依次连接的充电接口、切换装置、多励磁源电机、功率变换模块和动力电池模块，所述功率变换模块与所述动力电池之间通过继电器相连，所述功率变换模块母线侧并联有母线电容；

所述充电接口满足GB/T 20234.2-2015要求，可以接入单相或三相交流电源；

所述切换装置，具有至少3个网侧接线端和m个电机侧接线端，m≥3；切换装置在第一状态时，保证所述m个电机侧接线端之间均有稳定的电连接，且所述网侧接线端与所述电机侧接线端之间有稳定的电隔离；切换装置在第二状态时，保证所述m个电机接线端之间有稳定的电隔离，且依据不同的应用场合，所述网侧接线端与不同所述电机侧接线端之间有稳定的电连接；

所述多励磁源电机包括定子铁心、转子铁心、电枢绕组和励磁源；多励磁源电机，可以是外定子、内转子结构，也可以是外转子、内定子结构；所述电枢绕组，一般位于定子铁心，相数为m，一般而言，m≥3；所述励磁源由永磁体和励磁绕组组成，两者既可以在定子铁心上，也可以在转子铁心上，所述永磁体可以是钕铁硼等稀土永磁材料，也可以是铁氧体等非稀土永磁材料；所述励磁绕组相数为n，一般而言，n≥1；

所述功率变换模块包括功率主电路和控制器；所述功率主电路包括m+n个全桥桥臂，所有桥臂的母线侧正极和负极分别连接在一起，构成所述功率主电路的直流侧正极和直流侧负极；所述m+n个桥臂中，m个桥臂为电枢桥臂，且存在m个电枢输出端；n个桥臂为励磁桥臂，且存在n个励磁输出端；

所述动力电池模块一般为多组电池经串并联组合而成，可以是锂离子电池，也可以是铅酸电池等，且所述动力电池模块具有电池正极和电池负极。

所述电枢绕组的一端与所述切换装置中的电机侧接线端相连，另一端与所述电枢输出端相连；

所述励磁绕组的一端与所述励磁输出端相连，另一端与电池正极相连；

所述功率变换模块的直流侧正极与电池正极通过继电器相连，直流侧负极与电池负极直接相连；

在本发明的驱动模式下，切换装置在第一状态，继电器闭合，所述电枢绕组、电枢桥臂、母线电容和动力电池模块构成电枢全桥逆变电路，在控制器的控制下实现基本电机驱动功能；同时，所述励磁绕组、励磁桥臂和动力电池模块构成直流变换电路，在控制器的控制下，调节励磁绕组中的电流，实现电机的在线调磁功能，让电机在较宽的转速范围内均实现高效率运行；

在充电模式下，切换装置在第二状态，继电器打开，所述充电接口与所述电枢绕组相连，所述电枢绕组作为网侧电抗器，和电枢桥臂、母线电容组成第一级升压全桥整流电路，在控制器的控制下，实现网侧功率因数校正和整流功能，其输出直流电压可以低于或高于电池充电电压，从而保证变换器的高效率运行；同时，所述励磁绕组和励磁桥臂组成第二级直流变换电路，可以为升压电路、降压电路或升降压电路，通过调整前级整流电路的输出电压，实现电池电压匹配和充电控制功能；

由于励磁绕组的参数对电机性能的影响远小于电枢绕组，因此，在不改变电枢绕组设计，即不改变电机基本性能的前提下，通过对励磁绕组的合理设计和控制，依据以上所述结构，本发明可以实现电池充电电压的匹配和全局高效率驱动和充电功能。

有益效果：与现有同类集成式电机驱动与车载充电系统相比，具有以下优点：

1.在驱动模式下，通过合理控制电枢桥臂和励磁桥臂，可以同时实现电机驱动系统的高效、宽调速运行；

2.在充电模式下，可以在不改变电枢绕组设计，即不影响电机性能的基础上，通过合理设计和控制励磁绕组及其励磁桥臂，组成直流变换器，从而完成充电电压匹配和高效率充电。

附图说明

图1为基于多励磁源电机的集成式电机驱动与车载充电系统的结构框图；

图2为以五相磁通切换型混合励磁电机为例的集成式电机驱动与车载充电系统的一般拓扑；

图3为以五相磁通切换型混合励磁电机为例的集成式电机驱动与车载充电系统在驱动模式下的等效电路结构框图；

图4为以五相磁通切换型混合励磁电机为例的集成式电机驱动与车载充电系统在单相充电模式下的等效电路结构框图。

图5为以五相磁通切换型混合励磁电机为例的集成式电机驱动与车载充电系统在三相充电模式下的等效电路结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，在图中，充电接口1、切换装置2、多励磁源电机3、功率变换模块4和动力电池模块7依次相连，所述功率变换模块4与动力电池模块7通过继电器5相连，所述功率变换模块母线侧并联有母线电容6。

所述充电接口1满足GB/T 20234.2-2015要求，可以接入单相或三相交流电源；

所述切换装置2，具有至少3个网侧接线端21和m个电机侧接线端22；切换装置2在第一状态时，保证所述m个电机侧接线端22之间均有稳定的电连接，且所述网侧接线端21与所述电机侧接线端22之间有稳定的电隔离；切换装置2在第二状态时，保证所述m个电机接线端21之间有稳定的电隔离，且依据不同的应用场合，所述网侧接线端22与不同所述电机侧接线端21之间有稳定的电连接；

所述多励磁源电机3包括定子铁心31、转子铁心32、电枢绕组33和励磁源34；所述电枢绕组33，一般位于定子铁心31，相数为m，一般而言，m≥3；所述励磁源34由永磁体341和励磁绕组342组成，两者既可以在定子铁心31上，也可以在转子铁心32上，所述永磁体341可以是钕铁硼等稀土永磁材料，也可以是铁氧体等非稀土永磁材料；所述励磁绕组342相数为n，一般而言，n≥1；

所述功率变换模块4包括功率主电路41和控制器42；所述功率主电路41包括m+n个全桥桥臂，所有桥臂的母线侧正极和负极分别连接在一起，构成所述功率主电路的直流侧正极415和直流侧负极416；所述m+n个桥臂中，m个桥臂为电枢桥臂411，且存在m个电枢输出端412；n个桥臂为励磁桥臂413，且存在n个励磁输出端414；

所述动力电池模块7一般为多组电池经串并联组合而成，且所述动力电池模块7具有电池正极71和电池负极72。

所述电枢绕组33的一端与所述切换装置2中的电机侧接线端22相连，另一端与所述电枢输出端412相连；

所述励磁绕组342的一端与所述励磁输出端414相连，另一端与电池正极71相连；

所述功率变换模块4的直流侧正极415与电池正极71通过继电器5相连，直流侧负极416与电池负极72直接相连；

本发明中，所述多励磁源电机3，可以是外定子、内转子结构，也可以是外转子、内定子结构。

本发明中，动力电池模块7可以是锂离子电池，也可以是铅酸电池等。

工作原理：在驱动模式下，切换装置2在第一状态，继电器5闭合，所述电枢绕组33、电枢桥臂411、母线电容6和动力电池模块7构成电枢全桥逆变电路，在控制器42的控制下实现基本电机驱动功能；

在驱动模式下，切换装置2在第一状态，继电器5闭合，所述励磁绕组342、励磁桥臂413和动力电池模块7构成直流变换电路，在控制器42的控制下，通过调节励磁绕组中的电流，实现电机的在线调磁功能；

在充电模式下，切换装置2在第二状态，继电器5打开，所述充电接口1与所述电枢绕组33相连，选择若干相所述电枢绕组33作为网侧电抗器，和电枢桥臂411、母线电容6组成全桥整流电路，在控制器42的控制下，实现网侧功率因数校正和整流功能，其中电枢绕组的选择原则为:通电时保证电机不产生转矩；

在充电模式下，切换装置2在第二状态，继电器5打开，所述励磁绕组342和励磁桥臂413组成直流变换电路，实现电池电压匹配和充电控制功能；

由于励磁绕组342的参数对电机性能的影响远小于电枢绕组33，因此，通过对励磁绕组342的合理设计和控制，依据以上所述结构，实现电池充电电压的匹配和全局高效率驱动和充电功能。

以下以基于五相磁通切换型混合励磁电机的集成式电机驱动和车载充电系统为例，对本发明的工作原理进行具体说明：

如图2，为基于五相磁通切换型混合励磁电机的集成式电机驱动和车载充电系统的结构框图，其中五相磁通切换型混合励磁电机具有五相电枢绕组A1-A5，一相励磁绕组F；功率变化模块具有五相电枢桥臂L1-L5，一相励磁桥臂L6；其余与图1一致；

当切换装置在第一状态，且继电器闭合时，该系统处于驱动模式，其结构框图如图3所示：电枢绕组A1-A5、电枢桥臂L1-L5和母线电压C组成全桥逆变电路，驱动电机工作；励磁绕组F和励磁桥臂L6组成直流斩波电路，调节励磁电流，实现在线调磁；

当切换装置在第二状态，且继电器打开时，该系统处于充电模式，对于不同的切换装置，充电模式可以包括单相充电模式和三相充电模式；

如图4，为该系统的单相充电模式结构框图，两相电枢绕组A1-A2、电枢桥臂L1-L2和母线电容C组成单相全桥整流电路Stage I，完成功率因数校正和第一级升压整流功能；励磁绕组F和励磁桥臂L6构成直流降压(Buck)电路Stage II，调整Stage I的输出电压，完成与电池充电电压的匹配；

如图5，为该系统的三相充电模式结构框图，电枢绕组A1-A5、电枢桥臂L1-L5和母线电容C组成三相全桥整流电路Stage I，其中L2与L3、L4与L5桥臂的上下开关管同时导通关断，完成功率因数校正和第一级升压整流功能；励磁绕组F和励磁桥臂L6构成直流降压(Buck)电路Stage II，调整Stage I的输出电压，完成与电池充电电压的匹配；

本发明中由励磁绕组和励磁桥臂构成的直流变换电路(图4、图5中的Stage II)，可根据具体网侧电压和电池电压等级，重构为直流升压(Boost)电路或直流升降压(Buck-boost)电路。

总之，本发明将多励磁源电机应用于集成式电机驱动和车载充电系统中，可实现全局高效率且切换简单的电机驱动和电池充电功能。与现有集成式系统相比，可在不增加额外功率变换模块或改变电机本体设计的前提下，实现电池充电电压的匹配和高效率驱动和充电能力，且模式切换简单方便，基本没有改变原电机驱动器主电路。因此，本发明所述基于多励磁源电机的集成式电机驱动和车载充电系统具有很高的科研价值和工程实用价值。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于多励磁源电机的集成式电机驱动与车载充电系统，其特征在于，包括依次连接的充电接口（1）、切换装置（2）、多励磁源电机（3）、功率变换模块（4）和动力电池模块（7），所述功率变换模块（4）与动力电池模块（7）通过继电器（6）相连，所述功率变换模块（4）母线侧并联有母线电容（5）；

所述充电接口（1）满足接入单相或三相交流电源；

所述切换装置（2），具有至少3个网侧接线端（21）和m个电机侧接线端（22），m≥3；切换装置（2）具有两个切换状态；切换装置（2）在第一状态时， m个电机侧接线端（22）之间均有稳定的电连接，且所述网侧接线端（21）与电机侧接线端（22）之间有稳定的电隔离；切换装置（2）在第二状态时， m个电机接线端（22）之间有稳定的电隔离，所述网侧接线端（21）与不同电机侧接线端（22）之间有稳定的电连接；

所述多励磁源电机（3）包括定子铁心（31）、转子铁心（32）、电枢绕组（33）和励磁源（34）；所述电枢绕组（33），位于定子铁心（31），相数为m，m≥3；所述励磁源（34）由永磁体（341）和励磁绕组（342）组成；所述励磁绕组（342）相数为n，n≥1；

所述功率变换模块（4）包括功率主电路（41）和控制器（42）；所述功率主电路（41）包括m+n个全桥桥臂，所有桥臂的母线侧正极和负极分别连接在一起，构成所述功率主电路的直流侧正极（415）和直流侧负极（416）；所述m+n个桥臂中，m个桥臂为电枢桥臂（411），且存在m个电枢输出端（412）；n个桥臂为励磁桥臂（413），且存在n个励磁输出端（414）；

所述动力电池模块（7）为多组电池经串并联组合而成，且所述动力电池模块具有电池正极（71）和电池负极（72）；

所述电枢绕组（33）的一端与所述切换装置（2）中的电机侧接线端（22）相连，另一端与所述电枢输出端（412）相连；

所述励磁绕组（342）的一端与所述励磁输出端（414）相连，另一端与电池正极（71）相连；

所述功率变换模块（4）的直流侧正极（415）与电池正极（71）通过继电器（6）相连，直流侧负极（416）与电池负极（72）直接相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于多励磁源电机的集成式电机驱动与车载充电系统，其特征在于，所述多励磁源电机（3）是外定子、内转子结构，或是外转子、内定子结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于多励磁源电机的集成式电机驱动与车载充电系统，其特征在于，所述励磁源（34）位于定子铁心（31），或者位于转子铁心（32）。

4.根据权利要求1所述的一种基于多励磁源电机的集成式电机驱动与车载充电系统，其特征在于，所述永磁体（341）是钕铁硼，或是铁氧体。

5.根据权利要求1所述的一种基于多励磁源电机的集成式电机驱动与车载充电系统，其特征在于，其特征在于，所述动力电池模块（7）是锂离子电池，或是铅酸电池。