CN107791875A - 一种电动汽车用九相永磁电驱重构型车载充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电动汽车用九相永磁电驱重构型车载充电系统，该系统包括三相电源、切换开关、九相永磁电机的九相永磁电机绕组、电容、三相组电压型逆变器、继电器、蓄电池。该充电系统充分利用电动汽车原有的九相逆变器、九相永磁电机绕组、控制及传感器单元等，并通过优化拓扑完成整流、逆变、功率因数校正，实现电机驱动、高功率因数充电、谐波治理等功能总集成。在充电时，利用六相绕组的三个独立中性点作为三相交流接口；六相绕组作为三相AC/DC整流器的滤波电感；余下三相绕组的自感重构为三相交错DC/DC变流器的储能电感。两套三相电压型逆变器实现AC/DC整流功能，一套三相电压型逆变器实现DC/DC直流变换功能。

Description

一种电动汽车用九相永磁电驱重构型车载充电系统
技术领域
本发明涉及一种电动汽车用九相永磁电驱重构型车载充电系统，应用于电动汽车等三相大功率车载充电应用场合。
背景技术
近年来，汽车保有量一直处于不断增长的趋势，不可再生能源的消耗也随之加剧，而且传统汽车排放的尾气造成了大气污染，其引发的雾霾问题也对人类健康构成了直接威胁。相比传统的内燃机汽车，电动汽车具有节能、环保、高效等优势。纯电动汽车是“零污染”的车辆，不消耗石油，不排放废气，电动机驱动噪声小，易于控制，可以获得良好的稳态特性和四象限(再生制动)运行的能力，代表了未来世界汽车发展的方向。作为电动汽车的关键技术，动力电池组的充电时间与续航里程是制约其推广的主要因素之一，而这些技术指标与动力电池组的充电技术息息相关。因此，电动汽车的充电技术受到了国内外学术界和工业界的重视。根据充电机所放位置的不同，电动汽车充电机可以分为非车载充电机和车载充电机。
根据现有的应用成果，具有车载型充电系统的电动汽车其电机驱动系统和蓄电池充电装置并不同时工作(不考虑刹车时候的储能)，即电动汽车运行时充电装置闲置，电动汽车充电时驱动系统静止。故根据实际需要通过控制整流器和逆变器分时工作用以分别实现充电和电驱功能，而且变流器中一般会含有大电感和大电容。这种结构无疑增加了电动汽车的重量和成本，浪费了电动汽车内有限的空间。
近年来，随着人们对快速充电、续航里程的需求越来越高，大功率、紧凑型车载充电机将是未来电动汽车的一个发展趋势。为了实现大功率快速充电，端电压越高，所需要的电源容量就越大，输入电源的相数就越多，一般为三相交流电源。同时，电动汽车因其特殊的性能要求与恶劣的运行环境，对电驱系统提出了苛刻的要求。与三相电机驱动相比，多相电机驱动系统具有许多突出的优点，如高效、低转矩脉动、容错能力强等，为电动汽车的动力执行机构提供了一种新的解决方案。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种电动汽车用九相永磁电驱重构型车载充电系统，以实现电动汽车驱动系统与蓄电池充电一体化混合拓扑结构。
技术方案：一种电动汽车用九相永磁电驱重构型车载充电系统，包括九相永磁电机所使用的九相永磁电机绕组和三相组电压型逆变器，还包括三相电源、电容、蓄电池；在充电时，其中两组三相电压型逆变器重构为一套三相AC/DC整流器，交流侧滤波电感采用所述九相永磁电机绕组的两套三相组绕组，并调整转子初始位置角为九相永磁电机的所述两套三相组绕组中心轴位置；另一组三相电压型逆变器重构为一套三相交错DC/DC变流器，所述永磁电机绕组的另外一套三相组绕组作为所述三相交错DC/DC变流器的储能电感；电容并接在所述三相AC/DC整流器输出侧和所述三相交错DC/DC变流器输入侧之间；其中，所述九相永磁电机绕组为开绕组结构，充电时所述九相永磁电机绕组一端改接成四个中性点，由三相电源输入的三相交流电从所述六相绕组的中性点流入，对并联在所述三相AC/DC整流器输出侧之间的蓄电池充电。
进一步的，重构的所述三相AC/DC整流器采用并联型三相PWM变换器拓扑结构。
进一步的，包括切换开关和继电器，通过切换开关和继电器的配合，将所述九相永磁电机绕组一端改接成四个中性点，并将三相电源接入形成充电模式；或将所述九相永磁电机绕组一端改接成三中性点，并将蓄电池接入所述三相AC/DC整流器输出侧，形成仅由蓄电池供电的电驱模式。
有益效果：(1)与三相电机驱动相比，九相电机驱动系统具有高效、低转矩脉动、容错能力强的优点，为电动汽车的动力执行机构提供一种新的解决方案。
(2)九相永磁电驱重构型车载充电系统通过共用电驱大定额逆变器及电机绕组可获得更大的系统功率和更低成本的充电效果。
(3)三相交流接口的设计，可有效提高车载充电机的功率等级，实现大功率快速充电。
(4)重构型三相AC/DC整流器采用并联型三相PWM变换器拓扑结构，可有效提高系统的功率等级、可靠性及效率。
(5)重构型三相交错DC/DC直流变换器能够在较低的开关频率下使输出电压、电流的谐波含量减小，并可有效提高直流变换的转换效率和动态性能。
(6)通过对九相永磁电机六相绕组相电流的合理分配，可控制基波转矩电流分量为零，进而实现零平均转矩输出，防止电机转子转动。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
其中有：三相电源1、切换开关2、九相永磁电机绕组3-1,3-2,3-3、电容4、三相组电压型逆变器5-1,5-2,5-3、继电器6、蓄电池7；
图2为充电过程中九相永磁电机的电磁转矩有限元分析。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明提供的电动汽车用九相永磁电驱重构型车载充电系统，九相永磁电机定子采用开绕组结构。电驱模式下，九相永磁电机绕组3-1,3-2,3-3的一端接成三中性点，另一端九根端引线分别接至三组三相电压型逆变器5-1,5-2,5-3，此时系统仅由蓄电池7供电，并采用矢量控制或直接转矩控制便可实现九相永磁电机的变频调速控制。九相永磁电机的设计，保留该特种电机高转矩密度的同时降低了电磁转矩脉动率，为电动汽车的动力执行机构提供了一种新的解决方案。
而后仅通过动作切换开关2和继电器6，即可切换到充电模式，此时电机九相绕组3-1,3-2,3-3的一端改接成四个中性点，另一端九根端引线依旧分别接至三组三相电压型逆变器5-1,5-2,5-3。同时一组三相电压型逆变器5-3重构成一套三相交错DC/DC变流器，九相永磁电机互差120°的三相绕组3-3作为重构型三相交错DC/DC变流器的储能电感，该重构能有效减小开关器件电流应力和输出电流纹波，提高系统容量和电能质量，此时蓄电池7具有较宽的标称电压选择范围，可选用280V-400V高压蓄电池组。
余下的两组三相电压型逆变器5-1,5-2及两套三相组绕组3-1,3-2重构成一套三相AC/DC整流器，此时绕组3-1,3-2作为AC/DC整流器交流侧滤波电感；电容4并接在三相AC/DC整流器输出侧和三相交错DC/DC变流器输入侧之间。由三相电源1输入的三相交流电从六相绕组3-1,3-2的中性点流入，对并联在三相AC/DC整流器输出侧之间的蓄电池7充电。由于重构的三相AC/DC整流器采用并联型三相PWM变换器拓扑结构型式，使该整流器具有较高的功率等级、可靠性和效率，三相电源1采用380V电网电压。充电时输入的三相交流电从两套三相组绕组3-1,3-2的中性点流入，此时各相绕组内流过的是大小、方向相同的零序电流，故电机内部无任何旋转磁场，充电时转子保持静止。如图1所示，系统用作电驱时，切换开关2闭合，继电器6投切至b位置；系统作充电时，切换开关2断开，继电器6投切至a位置。
本发明的优点是：与已有电驱重构型车载充电机相比，该结构型式完全复用电动汽车原有的电驱逆变器、电机绕组以及控制单元等，只需额外增设切换开关和继电器便可实现并联型三相PWM整流及三相交错DC/DC直流变换的高效率、高可靠性等充电机制，易于蓄电池充电管理优化。
本发明的电动汽车用九相永磁电驱重构型车载充电系统，充分利用大定额多相逆变器及多相电机绕组来获得更大的系统功率和更低成本的充电效果，以满足大功率快充应用场合的需求。同时通过对九相永磁电机六相绕组相电流的合理分配，可控制基波转矩电流分量为零，进而实现零平均转矩输出，防止电机转子转动。
为证明上述技术问题，本发明定义转子初始位置角为两套三相组绕组3-1,3-2中心轴位置，即γ＝20°。此时，六相组的解耦变换矩阵可表示为：
其中，α为转矩平面α轴分量，β为转矩平面β轴分量，x为谐波平面x轴分量，y为谐波平面y轴分量。
令三相电源的输出电流为：
其中，Im为电流有效值，ω为角频率，t为时间。
结合绕组相电流分配原则，即：
其中，iA1、iA2、iB1、iB2、iC1和iC2分别为绕组相电流。
因此，可得六相绕组系统转矩平面(α-β)及谐波平面(x-y)电流分量为：
可以看出，充电时三相交流电会在永磁电机转矩平面α轴上激励转矩分量，而β轴分量恒为零，因此会引起脉动转矩，但并不会产生旋转的磁场，转子上不会输出电磁转矩。图2为充电过程中九相永磁电机的电磁转矩分析，电机输出平均转矩为零，且幅值很低，不足以产生电机旋转的启动转矩。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种电动汽车用九相永磁电驱重构型车载充电系统，其特征在于：包括九相永磁电机所使用的九相永磁电机绕组和三相组电压型逆变器，还包括三相电源(1)、电容(4)、蓄电池(7)；在充电时，其中两组三相电压型逆变器(5-1,5-2)重构为一套三相AC/DC整流器，交流侧滤波电感采用所述九相永磁电机绕组的两套三相组绕组(3-1,3-2)，并调整转子初始位置角为九相永磁电机的所述两套三相组绕组(3-1,3-2)中心轴位置；另一组三相电压型逆变器(5-3)重构为一套三相交错DC/DC变流器，所述永磁电机绕组的另外一套三相组绕组(3-3)作为所述三相交错DC/DC变流器的储能电感；电容(4)并接在所述三相AC/DC整流器输出侧和所述三相交错DC/DC变流器输入侧之间；其中，所述九相永磁电机绕组为开绕组结构，充电时所述九相永磁电机绕组一端改接成四个中性点，由三相电源(1)输入的三相交流电从所述六相绕组(3-1,3-2)的中性点流入，对并联在所述三相AC/DC整流器输出侧之间的蓄电池(7)充电。
2.根据权利要求1所述的电动汽车用九相永磁电驱重构型车载充电系统，其特征在于：重构的所述三相AC/DC整流器采用并联型三相PWM变换器拓扑结构。
3.根据权利要求1所述的电动汽车用九相永磁电驱重构型车载充电系统，其特征在于：包括切换开关(2)和继电器(6)，通过切换开关(2)和继电器(6)的配合，将所述九相永磁电机绕组一端改接成四个中性点，并将三相电源(1)接入形成充电模式；或将所述九相永磁电机绕组一端改接成三中性点，并将蓄电池接入所述三相AC/DC整流器输出侧，形成仅由蓄电池供电的电驱模式。
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