CN107979321A - 复用励磁绕组的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统 - Google Patents

复用励磁绕组的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种复用励磁绕组的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统。该系统由蓄电池、充放电变换器、电励磁双凸极电机、逆变器、EMI滤波器和充放电切换开关等构成。充放电变换器由7个IGBT、2个二极管和电励磁双凸极电机的分段励磁绕组等构成，通过分段励磁绕组连接方式和控制方式，使电励磁双凸极电机能够适用于电动汽车驱动充电一体化系统，将电励磁双凸极电机的励磁控制回路和蓄电池充放电变换器中的电感相集成，降低了系统总损耗；在驱动运行时励磁绕组并联导通，各器件电流应力小，并能够调节励磁电流大小实现电机宽转速范围运行，刹车时实现电磁制动，能量回馈电池；充电运行时能实现大功率快速充电功能，电流纹波小。

Description

复用励磁绕组的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统
技术领域
本发明涉及一种用于电动汽车的复用励磁绕组的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统，属于电机系统及控制领域。
背景技术
目前，电动汽车上的电机主要采用感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机，这几种电机各有优缺点，其中感应电机结构牢固，加上如今矢量控制技术十分成熟，调速性能优越，适用于高速、大功率电动汽车，其缺点是小负荷范围内效率较低；永磁同步电机效率和功率密度高，但存在高速弱磁时引起的磁钢性能退化的问题，且电机设计难度相对较大；开关磁阻电机由于其自身结构和变流器结构简单可靠,输出单位功率相对成本最低，转速范围宽、散热能力强、制动能量回收效率高，但存在噪声和转矩脉动的问题。
国内一般采用永磁电机作为电动汽车的主要驱动电机，但由于提取稀土材料会对环境造成难以想象的破坏，并且随着需求的急速增长其价格问题越发严重，电机的工作环境较为恶劣，高温、过载和剧烈的振动问题等都将导致导磁性能的下降甚至出现退磁现象，降低永磁电机的性能，所以西方的电动汽车大量采用无稀土的感应电机，风靡一时的美国特斯拉电动汽车即采用了新型高效率交流异步电机，故电动汽车驱动电机系统中无永磁电机是其重要的技术发展方向之一。
双凸极电机是上世纪90年代美国著名电机专家T.A.Lipo等在传统磁阻类电机基础上提出的一种新型结构电机，该电机是在开关磁阻电机的定子(或转子)上增加了一套简单的励磁装置，如励磁绕组或永磁体，构成的新型结构磁阻类型电机。由于附加了励磁磁场，双凸极电机与无刷直流电机相近，使其在驱动领域具有良好的应用前景，受到国内外电机及其控制领域的广泛关注和研究。目前，双凸极电机是一种较为新型的电机，还未被广泛应用，但是，相对于开关磁阻电机的材料利用率低，双凸极电机具有功率密度大、输出转矩高的优势，因此从功率密度看更适合应用于电动汽车。
对于电励磁双凸极电机，由于其需要消耗额外的能量用于励磁，因此其效率相对较低。采用额外励磁回路控制励磁绕组的电流(他励形式)，能够方便调节励磁电流大小实现高速时弱磁升速，从而实现更高的转速运行，意味着电机体积可以更小；采用励磁绕组与电枢绕组串联励磁的方式(串励形式)，能够省去励磁电流调节回路，且起动转矩大，但是励磁电流大小取决于电枢电流大小从而无法直接控制。
电动汽车驱动系统一般采用一级DC/DC变换器和逆变器级联，通过前级DC/DC变换器首先将电池电压升高后，再通过级联逆变器驱动电机，从而降低电池电压等级并使电机获得更高的调速范围，一般DC/DC变换器较多采用Boost变换器、Buck-Boost变换器等。
除驱动系统外，充电系统也是电动汽车一个重要组成部分。一般电动汽车充电系统包括两种，车载充电系统和独立充电系统，车载型充电更加便捷，在任何有电源插座的地方均能充电，适用于夜间家用充电，但也伴随着汽车本身体积重量和费用增加的问题，且通常适用于低功率情况(一般小于3.5kW)。
大功率充电通常采用独立充电器进行，独立充电系统需要地面充电装置，主要包括专用或通用充电机，以及其充电站等，这些充电站对充电技术方式和充电的安全性要求相对更高，并且随着电动汽车的驾驶量显著增加，采用该方式充电需要建造大量的充电站，占用较大的土地面积，造价昂贵。而驱动充电一体化系统可以巧妙的利用电机驱动系统进行车载大功率的充电，或是将汽车上的电能回馈给电网，并且无需车载大功率器件，所以，大功率的驱动充电一体化系统目前是一大研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提出一种电励磁双凸极电机复用励磁绕组的驱动充电一体化系统结构。
本发明另一目的是提供一种上述驱动充电一体化系统的控制方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
如图1所示的复用励磁绕组的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统，其车载部分主要包括电池、充放电DC/DC变换器、三相桥式逆变器、电励磁双凸极电机、充放电切换开关、EMI滤波器、充电插座、检测控制电路等，其特征在于：充放电DC/DC变换器由7个开关管S1～S7、2个二极管D1～D2、电励磁双凸极电机的两段励磁绕组F1和F2，以及电容C1构成，其中两个开关管S1、S2与两个二极管D1、D2相串联构成两个桥臂，中点分别连接至电励磁双凸极电机两段励磁绕组的一端，另外4个开关管S3～S6构成两个桥臂，中点分别连接至电励磁双凸极电机两段励磁绕组的另一端，另外1个开关管S7位于两组桥臂中间，电容位于充放电DC/DC变换器输出侧；电励磁双凸极电机的励磁绕组设置为两段式结构，三相电枢绕组设置为开放式结构，一端连至三相桥式变换器，另一端连接至充放电切换开关K1，充放电切换开关K1依次连接车载EMI滤波器和三相电源插座，系统的驱动、制动和充电通过充放电切换开关K1切换实现。
电励磁双凸极电机采用6N/4N极或6N/5N极结构，N需为大于等于2的正偶数，电机具有对称性的励磁分段结构，若电机励磁绕组存在M段相互对称且独立的线圈数，M＝P*N，P为正整数，将电机槽间相距最近的P个线圈相串联组成一段励磁绕组，使得各段励磁绕组的自感值不随电机转子位置而改变，并且各段励磁绕组间互感值约为0，若N等于2，电励磁双凸极电机具有2段励磁绕组；若N大于2，各段励磁绕组可根据双凸极电机励磁工作原理通过串联或并联方式组成2段励磁绕组。
当系统处于驱动运行状态时，充电插座不连接电网，切换开关K1自然闭合，将电励磁双凸极电机三相绕组一端完全短路，使得电励磁双凸极电机工作于星型绕组连接方式，EMI滤波器不工作；当充电插座连接电网后，切换开关K1依靠电网电能自动打开，将电励磁双凸极电机三相开放式绕组与EMI滤波器直接相连，等效为充电运行状态的三相电感。
控制器通过电流传感器采集电励磁双凸极电机的位置信号、励磁绕组电流信号和电枢绕组电流信号，通过电压传感器采集电池电压信号和充放电DC/DC变换器输出侧电容电压信号，经过控制器汇总得到输出控制信号，在驱动或充电模式下以不同的策略控制13个IGBT开关管的开通关断。
利用上述驱动充电一体化系统的具体控制策略如下：
驱动工作模式下的控制策略，其控制步骤如下：
驱动工作模式下的控制策略如下：
1)切换开关K1闭合，开关管S3、S5、S7关断；
2)由电压传感器采样电池电压Ubat，由电流传感器采样励磁绕组F1和励磁绕组F2的励磁电流IF1和IF2，IF1和IF2理想情况下应相等，设IF1和IF2均等于IF，开关管S1和S2处于PWM状态，按以下关系式计算开关管S1、S2的占空比D1，理想情况下开关管S1和开关管S2的占空比相等，以该占空比控制励磁绕组F1和励磁绕组F2，从而使稳态运行时的励磁电流大小为：
Te为电机给定输出转矩，ω为电机给定转速,RF和RP分别为电机励磁绕组和电枢绕组电阻，ke为电机电动势系数，故可通过以上关系式控制开关管S1和开关管S2的占空比控制稳态时励磁电流的大小，为消除励磁绕组F1和励磁绕组F2的电流间差异，通过开关管S1和开关管S2分别对励磁绕组F1和励磁绕组F2的电流进行独立控制。
3)同时，电压传感器采样充放电DC/DC变换器的输出侧直流母线电压Udc，开关管S4和S6处于PWM状态，按以下关系式计算开关管S4、S6的占空比D2，理想情况下两开关管占空比相同，以该占空比控制开关管S4、S6，从而控制稳态时充放电DC/DC变换器的输出侧直流母线电压的幅值Udc为：
D1为由上一步骤中确定的开关管S1和开关管S2的占空比，Ubat为上一步骤采样得到的电池电压，IF为上一步骤采样得到的励磁电流，RF为电机励磁绕组电阻，通过以上关系式控制开关管S1、S2、S4和S6的占空比协调实现充放电DC/DC变换器输出电压的控制。
4)同时，采集电励磁双凸极电机的位置信号，逆变器开关管S8～S13按传统驱动电励磁双凸极电机的开关导通逻辑开通关断，通过电流传感器检测三相电枢绕组电流进行闭环控制，根据指令控制电机输出转矩。
稳态时，每励磁段绕组电流大小及充放电DC/DC变换器输出电压大小的具体推导计算如下：
以三相12/10极电励磁双凸极电机为例，其电枢绕组定义为A相、B相、C相绕组，两段励磁绕组定义为F1和F2绕组。采用线性电感模型，当A相电枢绕组自感上升时通入正电流，C相电枢绕组自感下降时通入负电流，B相绕组自感不变时，定义电动势系数为：
其中，LAF和LCF分别为单独一段励磁绕组与A相绕组和C相绕组的互感，θ为转子机械角度，根据两段励磁绕组的对称性，另一段励磁绕组与A相绕组和C相绕组的互感值相同。
电励磁双凸极电机输出电磁转矩可近似表示为：
其中，Te为输出电磁转矩，iA,iB,iC分为三相电枢绕组电流，IP为相电流幅值，IF为一段励磁绕组的励磁电流，LBF为单独一段励磁绕组与B相绕组的互感。
DC/DC变换器输出侧直流母线电压可以表示为：
其中，Udc为DC/DC变换器输出侧直流母线电压，RF为电机励磁绕组电阻，D1为理想条件下开关管S1和开关管S2的占空比，D2为理想条件下开关管S4和开关管S6的占空比，Ubat为电池电压。
根据电励磁双凸极电机端电压与反电势的关系，有：
DmUdc＝2keIFω+2IPRP (4)
其中，ω为电机机械转速，RP为电机电枢绕组电阻，Dm为电枢绕组电流斩波占空比。
励磁绕组电流与电枢绕组电流存在如下关系：
2IF(1-D2)＝IPDm (5)
根据关系式(1)～(5)，可以推导得到励磁电流表达式：
当电机转速较高，励磁绕组电阻和电枢绕组电阻较小时，上式可化简为：
其中，IF1为稳态时励磁绕组F1的电流，IF2为稳态时励磁绕组F2的电流。式(6)、(7)也可通过能量守恒关系得到验证，故通过控制开关管S1和开关管S2的占空比即可控制稳态时励磁电流的大小，实际操作中，由于电机励磁绕组等可能存在不对称性，为保证励磁绕组F1和励磁绕组F2的电流相同，开关管S1和开关管S2的占空比可能不完全相同，开关管S1和开关管S2的占空比应由各自励磁绕组的电流决定。
通过PI调节器可调节各开关管占空比，从而调节驱动运行动态时的励磁电流大小和DC/DC变换器输出侧母线电压，PI调节器的参数影响了系统的动态响应过程，可在控制器中加入功率前馈调节，加快动态响应过程和系统的稳定性，最终各开关管占空比和励磁电流大小和DC/DC变换器输出侧母线电压应满足式(3)、式(6)。
制动工作模式下的控制策略如下：
1)切换开关K1闭合，开关管S7开通，开关管S1、S2、S4、S6关断；
2)电流传感器采样获得的蓄电池充电电流和励磁绕组电流的大小，开关管S3、S5处于PWM状态，控制蓄电池充电的电流和励磁绕组电流的幅值，即当励磁绕组电流偏大时，减小S3、S5的占空比，当励磁绕组电流偏小时，增大S3、S5的占空比，而蓄电池充电电流大小为两段励磁绕组电流大小之和，此时电励磁双凸极电机的励磁绕组电流处于反向励磁状态；
3)同时，采集电励磁双凸极电机的位置信号，逆变器开关管S8～S13按传统驱动电励磁双凸极电机的开关导通逻辑开通关断，通过电流传感器检测三相电枢绕组电流进行闭环控制，根据指令控制电机实现电磁制动。
在电磁制动模式下，若存在励磁电流，电机便能作为发电状态运行，电动汽车动能变为电能传递至DC/DC变换器输出侧电容上，电容电压升高，此时通过控制DC/DC变换器，将电容能量经过励磁绕组回馈至电池，同时励磁绕组流过电流实现对电机的励磁。当电动汽车剩余动能较小时，电机发出的电能不足以使励磁绕组流过电流，则此时无法实现电磁制动，剩余动能需通过传统刹车的方式转化为热能。
励磁绕组电流大小与电枢绕组电流大小间应满足一定关系，使得DC/DC变换器输出侧母线电容电压值在电磁制动过程时保持不变，否则可能会导致该处电压过高烧毁器件，如采用两个PI控制器对励磁电流大小和电枢电流大小分别进行控制，一个PI控制器输入量为DC/DC变换器输出侧母线电容电压值，经过调节器得到给定的励磁电流大小,另一个PI控制器根据给定的制动转矩确定电枢电流大小,即可使DC/DC变换器输出侧母线电容电压值在电磁制动过程时保持不变。也可采用其他的方式获得给定励磁电流大小和电枢电流大小，实现电磁制动，但制动过程控制策略不变。
充电工作模式下的控制策略如下：
1)切换开关K1打开，电网通过充电插座和EMI滤波器连接到电机的开放式绕组的一端；
2)电流传感器检测三相电枢绕组电流，逆变器开关管S8～S13工作于三相桥式整流模式，控制三相电枢绕组电流大小，逆变器输出直流电压高于蓄电池电压；
3)电流传感器采样获得的蓄电池充电电流和励磁绕组电流的大小，充放电DC/DC变换器中开关管S3～S6采用以下两种效果相同的工作模式之一：
a)开关管S1、S2、S4、S5、S7关断，开关管S3、S6以轮换PWM方式工作，使驱动充电变换器工作于降压模式，用于控制电池充电电流大小，即当电池充电电流偏大时，减小S3、S6的占空比，当电池充电电流偏小时，增大S3、S6的占空比；
b)开关管S1、S2、S3、S6、S7关断，开关管S4、S5以轮换PWM方式工作，使驱动充电变换器工作于降压模式，用于控制电池充电电流大小，即当电池充电电流偏大时，减小S4、S5的占空比，当电池充电电流偏小时，增大S4、S5的占空比。
其中轮换PWM方式指：令S3开通，S6以PWM方式工作，当电池充电电流过大时，减小S6的占空比，当充电电流过小时增大S6的占空比，一段时间后(一般以几个工频周期作为轮换时间)，令S6开通，S3以PWM方式工作，当电池充电电流过大时，减小S3的占空比，当充电电流过小时增大S3的占空比，采用轮换PWM方式能够均匀各个器件的发热。
本发明与现有技术的比较及原理分析如下：
目前，用于电动汽车的驱动充电一体化系统结构多针对永磁电机、异步电机和开关磁阻电机，暂无针对电励磁双凸极电机适用的驱动充电一体化系统，尤其是能够同时满足正常驱动效率高、励磁电流可调、制动能量回馈、恒流充电、充电时无转矩输出等特点的拓扑结构。
本发明通过分段励磁绕组连接方式和控制方式，使电励磁双凸极电机能够适用于电动汽车驱动充电一体化系统，将电励磁双凸极电机的励磁控制回路和蓄电池充放电变换器中的电感相集成，降低了系统总损耗；在驱动运行时励磁绕组并联导通，各器件电流应力小，并能够调节励磁电流大小实现电机宽转速范围运行，刹车时实现电磁制动，能量回馈电池；充电运行时能实现大功率快速充电功能，电流纹波小。
在电动汽车驱动状态下，由于电励磁双凸极电机在驱动模式时需要额外励磁电流用于励磁，存在效率较低的问题，针对该问题，本发明将励磁绕组复用于前级DC/DC变换器，由励磁绕组同时实现DC/DC变换器的升压和双凸极电机的励磁功能，既可以省去传统电励磁双凸极电机的额外励磁电源，还能够将励磁功率损耗纳入蓄电池变换器，提升双凸极电机在驱动运行过程中的运行效率。
此外，区别于一般的串励形式电励磁双凸极电机驱动拓扑结构，本发明提出的拓扑能够调节励磁电流大小，便于实现励磁调节，使电机在较宽转速范围内具备较高的运行效率。并且，一般电励磁双凸极电机均采用单段励磁绕组的形式，采用两段绕组相并联的形式，可减小驱动时每段绕组上的电流应力，适用于本发明中励磁绕组通过较大的电流。而在电动汽车制动时，两段励磁绕组仍能并联反向励磁，使电机直接输出反向转矩，实现电磁制动。
在电动汽车充电模式下，为了尽量抑制电机转矩输出，从而减小充电时的额外能量损耗，双凸极电机励磁绕组需分为两段，并且两段励磁绕组需反向串联通过电流，本发明特殊的DC/DC变换器的开关管布置方式使得DC/DC变换器侧无需额外的切换开关，即能实现充电时两段励磁绕组反向串联充电。当三相电枢绕组通过正弦交流电时，双凸极电机一半区域产生正转矩，另一半区域产生负转矩，从而相互抵消，同时为了防止励磁绕组反向串联通电后，等效电感值近似为0，需采用对称的特殊励磁绕组连接方式，使得两段励磁绕组间互感值近似为0。不能采用槽间间隔相连的励磁绕组连接方式，也不可采用分层励磁绕组的连接方式。
附图说明
图1为电励磁双凸极电机复用励磁绕组的驱动充电一体化系统结构示意图；
图2为针对12/10极电励磁双凸极电机的励磁绕组连接方式示意图；
图3为电励磁双凸极电机4段励磁绕组串联为两段励磁绕组示意图；
图4为电励磁双凸极电机4段励磁绕组并联为两段励磁绕组示意图；
图5为驱动模式下电机起动过程中的电机励磁绕组F1的电流仿真波形
图6为驱动模式下电机起动过程中的DC/DC变换器输出侧电压仿真波形
图7为驱动模式下电机起动过程中的电机转速仿真波形
图8为制动模式下电机能量回馈电池充电电流仿真波形
图9为制动模式下电机转速仿真波形
图10为充电模式下电机电枢电流仿真波形
图11为充电模式下电池充电电流仿真波形。
具体实施方式
实施例一:
如图1所示的电励磁双凸极电机复用励磁绕组的驱动充电一体化系统，其车载部分主要包括电池、充放电DC/DC变换器、三相桥式逆变器、电励磁双凸极电机、充放电切换开关、EMI滤波器、充电插座、检测控制电路和控制器(如DSP28335等)等。其中电励磁双凸极电机采用12/10极结构，其电枢绕组和两段励磁绕组的布置如图2所示，当电励磁双凸极电机励磁绕组段数大于两段时，可采用串联或并联的形式划分为两段，如图3所示为4段励磁绕组串联成两段的示意图，如图4所示为4段励磁绕组并联成两段的示意图。各器件按图1所示电路拓扑进行连接。当电动汽车处于驱动运行时，三相触点不连接电网，切换开关K1自然闭合；当三相触点连接外部三相电网电源后，切换开关K1依靠电网电能自动打开。
控制器通过电流传感器采集电励磁双凸极电机的位置信号、励磁绕组电流信号和电枢绕组电流信号，通过电压传感器采集电池电压信号和充放电DC/DC变换器输出侧电容电压信号，经过控制器汇总得到输出控制信号，在驱动或充电模式下以不同的策略控制13个IGBT开关管的开通关断。
实施例二:
本实例在实施例一的基础上，实施电动汽车处于驱动状态的控制策略。
1)切换开关K1闭合，开关管S3、S5、S7关断；
2)由电压传感器采样电池电压Ubat，由电流传感器采样励磁绕组F1和励磁绕组F2的励磁电流IF1和IF2，IF1和IF2理想情况下应相等，设IF1和IF2均等于IF，开关管S1和S2处于PWM状态，按以下关系式计算开关管S1、S2的占空比D1，理想情况下开关管S1和开关管S2的占空比相等，以该占空比控制励磁绕组F1和励磁绕组F2，从而使稳态运行时的励磁电流大小为：
Te为电机给定输出转矩，ω为电机给定转速,RF和RP分别为电机励磁绕组和电枢绕组电阻，ke为电机电动势系数，故可通过以上关系式控制开关管S1和开关管S2的占空比控制稳态时励磁电流的大小，为消除励磁绕组F1和励磁绕组F2的电流间差异，通过开关管S1和开关管S2分别对励磁绕组F1和励磁绕组F2的电流进行独立控制。
3)同时，电压传感器采样充放电DC/DC变换器的输出侧直流母线电压Udc，开关管S4和S6处于PWM状态，按以下关系式计算开关管S4、S6的占空比D2，理想情况下两开关管占空比相同，以该占空比控制开关管S4、S6，从而控制稳态时充放电DC/DC变换器的输出侧直流母线电压的幅值Udc为：
D1为由上一步骤中确定的开关管S1和开关管S2的占空比，Ubat为上一步骤采样得到的电池电压，IF为上一步骤采样得到的励磁电流，RF为电机励磁绕组电阻，通过以上关系式控制开关管S1、S2、S4和S6的占空比协调实现充放电DC/DC变换器输出电压的控制。
4)同时，采集电励磁双凸极电机的位置信号，逆变器开关管S8～S13按传统驱动电励磁双凸极电机的开关导通逻辑开通关断，通过电流传感器检测三相电枢绕组电流进行闭环控制，根据指令控制电机输出转矩。
实施例三:
本实例在实施例一的基础上，实施电动汽车处于制动状态的控制策略。
1)切换开关K1闭合，开关管S7开通，开关管S1、S2、S4、S6关断；
2)电流传感器采样获得的蓄电池充电电流和励磁绕组电流的大小，开关管S3、S5处于PWM状态，控制蓄电池充电的电流和励磁绕组电流的幅值，即当励磁绕组电流偏大时，减小S3、S5的占空比，当励磁绕组电流偏小时，增大S3、S5的占空比，而蓄电池充电电流大小为两段励磁绕组电流大小之和，此时电励磁双凸极电机的励磁绕组电流处于反向励磁状态；
3)同时，采集电励磁双凸极电机的位置信号，逆变器开关管S8～S13按传统驱动电励磁双凸极电机的开关导通逻辑开通关断，通过电流传感器检测三相电枢绕组电流进行闭环控制，根据指令控制电机实现电磁制动。
实施例四:
本实例在实施例一的基础上，实施电动汽车处于充电模式下运行的控制策略。
1)切换开关K1打开，电网通过充电插座和EMI滤波器连接到电机的开放式绕组的一端；
2)电流传感器检测三相电枢绕组电流，逆变器开关管S8～S13工作于三相桥式整流模式，控制三相电枢绕组电流大小，逆变器输出直流电压高于蓄电池电压；
3)电流传感器采样获得的蓄电池充电电流和励磁绕组电流的大小，充放电DC/DC变换器中开关管S3～S6采用以下工作模式：开关管S1、S2、S4、S5、S7关断，开关管S3、S6以轮换PWM方式工作，使驱动充电变换器工作于降压模式，用于控制电池充电电流大小，即当电池充电电流偏大时，减小S3、S6的占空比，当电池充电电流偏小时，增大S3、S6的占空比。
测试实例一：
按实施例一和实施例二控制电励磁双凸极电机复用励磁绕组的驱动充电一体化系统，进行电机起动过程的仿真，仿真参数如下：电池电压250V，DC/DC变换器输出端给定电压600V；电机采用12/10极电励磁双凸极电机，该电机电枢绕组自感为恒定值3.8mH，电枢绕组间互感为恒定值1.9mH，励磁绕组自感为恒定值8.5mH，励磁绕组间互感为0mH，电枢绕组与励磁绕组间互感大小随电机转子位置而波动，其幅值为2mH，所有绕组电阻值均设为0.2Ω；电机给定转速2000rpm，给定每段励磁绕组电流25A，电机负载转矩20N·m，电机转动惯量0.2kg·m2，开关管开关频率限制10kHz，电路中电容容值大小为1mF。
电机起动过程中的励磁绕组F1的电流仿真波形如图5所示，DC/DC变换器输出侧电压仿真波形如图6所示，电机转速仿真波形如图7所示。其中，仿真波形前0.6s为电机起动加速时的暂态过程，0.6s后为电机励磁电流、DC/DC变换器输出电压和电机转速均达到稳态后的情况。
如图5所示，由于电机励磁绕组复用于DC/DC变换器，在仿真初始阶段会存在给电路中电容充电的过程，故存在初始冲击电流，随后电机励磁电流受到电流闭环的控制，稳定至给定励磁电流附近，存在的纹波电流是由于电枢绕组电流换向及电枢绕组和励磁绕组间的互感引起，在传统的以他励方式控制励磁电流的系统下同样存在。如图6所示，DC/DC变换器输出电压在电机加速状态时存在一定的超调，随后能够通过电压闭环控制在给定电压附近。如图7所示，电机能够实现平稳的加速，并随后稳定在给定转速附近。
该实例验证本发明所述系统能够在复用励磁绕组的情况下，实现电机励磁电流可控和电机驱动电压可控的功能，从而实现对电机的正常驱动。
测试实例二：
按实施例一和实施例三控制电励磁双凸极电机复用励磁绕组的驱动充电一体化系统，进行电机电磁制动能量回馈电池过程的仿真，仿真参数如下：
电池电压250V；电机采用12/10极电励磁双凸极电机，该电机电枢绕组自感为恒定值3.8mH，电枢绕组间互感为恒定值1.9mH，励磁绕组自感为恒定值8.5mH，励磁绕组间互感为0mH，电枢绕组与励磁绕组间互感大小随电机转子位置而波动，其幅值为2mH，所有绕组电阻值均设为0.2Ω；初始转速2000rpm，给定转速线性下降，初始给定每段励磁绕组电流-10A，电机负载转矩0N·m，电机转动惯量0.2kg·m2，开关管开关频率限制10kHz，电路中电容容值大小为1mF。
制动模式下电机能量回馈电池充电电流仿真波形如图8所示，电机转速仿真波形如图9所示。其中，仿真波形前0.9s为电机电磁制动的过程，在该区间内，图8所示的电池充电电流幅值持续减小，即电机励磁绕组电流持续下降，当0.9s后为电机励磁电流减为0，电机不再输出负转矩，故电机转速不再下降，最终稳定在480rpm左右，如图9所示。此时剩余部分的能量无法回馈至电池，但仍能通过实施例一和实施例二的方式使电机输出负转矩实现电磁制动。
该实例验证本发明所述系统，能够实现对电机的电磁制动，并将部分能量回馈至电池。
测试实例三：
按实施例一和实施例四控制电励磁双凸极电机复用励磁绕组的驱动充电一体化系统，连接三相电网后，进行大功率充电的仿真，仿真参数如下：
电机采用12/10极电励磁双凸极电机，该电机电枢绕组自感为恒定值3.8mH，电枢绕组间互感为恒定值1.9mH，励磁绕组自感为恒定值8.5mH，励磁绕组间互感为0mH，电枢绕组与励磁绕组间互感大小随电机转子位置而波动，其幅值为2mH，所有绕组电阻值均设为0.2Ω；负载为200V的电池串联1Ω电阻，给定充电电流60A，DC/DC变换器电容给定电压400V，开关管开关频率限制5kHz，电路中电容容值大小为1mF。
充电模式下电机电枢电流仿真波形如图10所示，电池充电电流仿真波形如图11所示。其中，图10所示三相电枢电流可通过SVPWM控制实现其电流三相正弦化，该电流为未经EMI滤波器滤波后的电流，故存在高次谐波。电池充电电流如图11所示，最终可稳定在60A左右。由于此种充电方式下电机两段励磁绕组反向串联，故电机输出转矩近似为0。
该实例验证本发明所述系统，能够通过三相电网实现对电池的高速大功率充电。
本发明适用于基于电励磁双凸极电机复用励磁绕组的驱动充电一体化系统，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，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于电动汽车的复用励磁绕组的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统，其特征在于：车载部分主要包括电池、充放电DC/DC变换器、三相桥式逆变器、电励磁双凸极电机、充放电切换开关、EMI滤波器、充电插座、检测控制电路等，电池与充放电DC/DC变换器输入端相连，充放电DC/DC变换器输出端与三相桥式逆变器输入端相连，电励磁双凸极电机的励磁绕组复用于充放电DC/DC变换器，电励磁双凸极电机的三相电枢绕组设置为开放式结构，一端连至三相桥式变换器，另一端连接至充放电切换开关K1，充放电切换开关K1依次连接车载EMI滤波器和三相电源插座，系统的驱动、制动和充电通过充放电切换开关K1切换实现。
2.根据权利要求1所述用于电动汽车的复用励磁绕组的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统，其特征在于：充放电DC/DC变换器由7个开关管S1～S7、2个二极管D1～D2、电励磁双凸极电机的两段励磁绕组F1和F2，以及电容C1构成，其中两个开关管S1、S2与两个二极管D1、D2相串联构成两个桥臂，中点分别连接至电励磁双凸极电机两段励磁绕组的一端，另外4个开关管S3～S6构成两个桥臂，中点分别连接至电励磁双凸极电机两段励磁绕组的另一端，另外1个开关管S7位于两组桥臂中间，电容C1位于充放电DC/DC变换器输出侧。
3.根据权利要求1所述用于电动汽车的复用励磁绕组的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统，其特征在于：电励磁双凸极电机两段励磁绕组的分段方式主要指6N/4N极或6N/5N极结构的电励磁双凸极电机，N需为大于等于2的正偶数，电机具有对称性的励磁分段结构，若电机励磁绕组存在M段相互对称且独立的线圈数，M＝P*N，P为正整数，将电机槽间相距最近的P个线圈相串联组成一段励磁绕组，使得各段励磁绕组的自感值不随电机转子位置而改变，并且各段励磁绕组间互感值约为0，若N等于2，电励磁双凸极电机具有2段励磁绕组；若N大于2，各段励磁绕组可根据双凸极电机励磁工作原理通过串联或并联方式组成2段励磁绕组。
4.根据权利要求1所述用于电动汽车的复用励磁绕组的电励磁双凸极电机驱动充电一体化系统，其特征在于：充放电切换开关K1的控制方式如下：当系统处于驱动运行状态时，充电插座不连接电网，切换开关K1自然闭合，将电励磁双凸极电机三相绕组一端完全短路，使得电励磁双凸极电机工作于星型绕组连接方式，EMI滤波器不工作；当充电插座连接电网后，切换开关K1依靠电网电能自动打开，将电励磁双凸极电机三相开放式绕组与EMI滤波器直接相连，等效为充电运行状态的三相电感。
5.基于权利要求1-4任一所述系统的电动汽车控制方法，其特征在于：驱动工作模式下的控制策略如下：
1)切换开关K1闭合，开关管S3、S5、S7关断；
2)由电压传感器采样电池电压Ubat，由电流传感器采样励磁绕组F1和励磁绕组F2的励磁电流IF1和IF2，IF1和IF2理想情况下应相等，设IF1和IF2均等于IF，开关管S1和S2处于PWM状态，按以下关系式计算开关管S1、S2的占空比D1，理想情况下开关管S1和开关管S2的占空比相等，以该占空比控制励磁绕组F1和励磁绕组F2，从而使稳态运行时的励磁电流大小为：
<mrow> <msub> <mi>I</mi> <mi>F</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>D</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>a</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>e</mi> </msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msubsup> <mi>I</mi> <mi>F</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <msub> <mi>R</mi> <mi>F</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>e</mi> </msub> <msub> <mi>R</mi> <mi>P</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msubsup> <mi>k</mi> <mi>e</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <msubsup> <mi>I</mi> <mi>F</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
Te为电机给定输出转矩，ω为电机给定转速,RF和RP分别为电机励磁绕组和电枢绕组电阻，ke为电机电动势系数，故可通过以上关系式控制开关管S1和开关管S2的占空比控制稳态时励磁电流的大小，为消除励磁绕组F1和励磁绕组F2的电流间差异，通过开关管S1和开关管S2分别对励磁绕组F1和励磁绕组F2的电流进行独立控制；
3)同时，电压传感器采样充放电DC/DC变换器的输出侧直流母线电压Udc，开关管S4和S6处于PWM状态，按以下关系式计算开关管S4、S6的占空比D2，理想情况下两开关管占空比相同，以该占空比控制开关管S4、S6，从而控制稳态时充放电DC/DC变换器的输出侧直流母线电压的幅值Udc为：
<mrow> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>D</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>a</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>I</mi> <mi>F</mi> </msub> <msub> <mi>R</mi> <mi>F</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>D</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
D1为由上一步骤中确定的开关管S1和开关管S2的占空比，Ubat为上一步骤采样得到的电池电压，IF为上一步骤采样得到的励磁电流，RF为电机励磁绕组电阻，通过以上关系式控制开关管S1、S2、S4和S6的占空比协调实现充放电DC/DC变换器输出电压的控制；
4)同时，采集电励磁双凸极电机的位置信号，逆变器开关管S8～S13按传统驱动电励磁双凸极电机的开关导通逻辑开通关断，通过电流传感器检测三相电枢绕组电流进行闭环控制，根据指令控制电机输出转矩。
6.根据权利要求5所述系统的电动汽车控制方法，其特征在于：制动工作模式下的控制策略如下：
1)切换开关K1闭合，开关管S7开通，开关管S1、S2、S4、S6关断；
2)电流传感器采样获得的蓄电池充电电流和励磁绕组电流的大小，开关管S3、S5处于PWM状态，控制蓄电池充电的电流和励磁绕组电流的幅值，蓄电池充电电流大小为两段励磁绕组电流大小之和，此时电励磁双凸极电机的励磁绕组电流处于反向励磁状态；
3)同时，采集电励磁双凸极电机的位置信号，逆变器开关管S8～S13按传统驱动电励磁双凸极电机的开关导通逻辑开通关断，通过电流传感器检测三相电枢绕组电流进行闭环控制，根据指令控制电机实现电磁制动。
7.根据权利要求5所述系统的电动汽车控制方法，其特征在于：充电工作模式下的控制策略如下：
1)切换开关K1打开，电网通过充电插座和EMI滤波器连接到电机的开放式绕组的一端；
2)电流传感器检测三相电枢绕组电流，逆变器开关管S8～S13工作于三相桥式整流模式，控制三相电枢绕组电流大小，逆变器输出直流电压高于蓄电池电压；
3)电流传感器采样获得的蓄电池充电电流和励磁绕组电流的大小，充放电DC/DC变换器中开关管S3～S6采用以下两种效果相同的工作模式之一：
a)开关管S1、S2、S4、S5、S7关断，开关管S3、S6以轮换PWM方式工作，使驱动充电变换器工作于降压模式，用于控制电池充电电流大小；
b)开关管S1、S2、S3、S6、S7关断，开关管S4、S5以轮换PWM方式工作，使驱动充电变换器工作于降压模式，用于控制电池充电电流大小。
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