CN108123491A - 一种高度集成的电机驱动和充放电器一体化拓扑 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高度集成的电机驱动和充放电器一体化拓扑，属于电力传动技术领域。本发明以前级双向DC/DC变换器与后级四桥臂双向变换器作为电机驱动和充放电器一体化拓扑，四桥臂双向变换器作为电机驱动逆变器和充放电变换器，但不同时工作，在实现蓄电池与电网能量双向流动时，将电机定子绕组作为并网的滤波电感。本方法能够通过一体化拓扑实现多种功能，包括电机驱动、充放电器技术中的整流功能和并网逆变功能；使用电机绕组作为滤波电感，消除了额外的滤波电感，大大节省开关器件和储能元件的使用，提高了系统的功率密度，有效抑制入网电流谐波；并且三相并联的单相充放电结构具有一定的容错性能。
Description
技术领域
本发明涉及电力传动技术领域，尤其涉及一种高度集成的电机驱动和充放电器一体化拓扑。
背景技术
当下，能源消耗越来越大，环境污染特别严重，汽车行业的尾气污染和能耗问题也急需解决，需要改善技术，提高利用率。电动汽车作为一种能有效提高能源利用率和降低污染物排放的有效解决方案，获得了广泛的关注。
但是目前所研究的车载型充电系统的重量和体积影响电动汽车的整体效率、性能和成本，普遍存在成本高、体积大、重量大、功率等级低并且对电网有不可忽略的谐波污染等问题，使得电动汽车无法与内燃机汽车相抗衡，阻碍了电动汽车的发展。因此需要一种体积小、重量轻、成本低、高度集成化、高功率密度并举较高的性能的集成控制器。
V2G技术是Vehicle-to-grid的简称即电动汽车与电网的能量交互。通常电动汽车与电网进行能量进行传输的方向是从电网将到汽车，但是随着电动汽车技术的成熟和新能源技术的发展，这些车载装置可以产生能量也可以储存能量。当汽车闲置时，可以将汽车剩余的能量传输到电网；当处于夜间用电量较少时，可以将电网能量给电动汽车充电；在用电高峰时，电网波动较大，可以利用电动汽车的蓄电池的能量向电网回馈，调节电网的功率因数，来保持电网的稳定性。主要实现的功能有：调节电网的频率，作为应急电源，平波峰去波谷，作为分布式电源接入抑制扰动，调节电网的功率因数。
依据目前的研究状况，具有车载型充电器的电动汽车的驱动系统和电池充放电装置并不同时工作，即电动汽车运行时充放电装置闲置，电动汽车充放电时驱动系统静止。故一般车载型充电器含有的2个变流器不同时工作，一个整流器用于给蓄电池充电，一个逆变器用于驱动电机，而且变流器中一般会含有大电感和大电容，这无疑会提高电动汽车的成本与重量，浪费汽车的有限空间资源。为此，在保证电动汽车的电池充电特性良好的基础上，研究电动汽车驱动系统与V2G(电池充放电系统)的一体化是具有非常重要的现实意义的。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对集成控制器成本高、体积质量大、集成度低、功率密度低的缺陷，提供一种高度集成的电机驱动和充放电器一体化拓扑，将电机驱动器与充放电驱动器集成在一起，能够提高系统的功率密度，增加充放电技术的容错性能，较大的电机绕组电感能抑制入网电流的谐波，并且三相定子绕组中通过相同的电流消除了不利于系统充放电运行的电磁转矩，通过充放电技术不仅能够实现电网与蓄电池能量的双向流动，还能平波峰去波谷，增加电网的稳定性。
技术方案：
一种高度集成的电机驱动和充放电器一体化拓扑，包括蓄电池、双向DC/DC变换器、四桥臂双向变换器、永磁同步电机本体、开关器件S1、单相电网，所述蓄电池的两端连接双向DC/DC变换器的输入端，所述双向DC/DC变换器的输出端连接四桥臂双向变换器的正负极，所述四桥臂双向变换器每个桥臂的中点引出一根输出线，与电机的三相线和电网的一端相连接，电网的另一端连接开关器件S1的一端，开关器件S1的另一端连接电机的中性点，所述四桥臂双向变换器可工作为整流器和逆变器，包括如下模式：
模式1，当电机处于运行状态时，开关S1处于断开状态使电机定子绕组中性点与电网分离，开关管T1、T2、T3、、T4、T5、T6形成三相全桥结构，开关管T7、T8处于断开状态，蓄电池通过双向DC/DC变换器得到稳定的直流母线电压，通过矢量控制驱动电机工作；
模式2，当电机处于不运行状态时，开关S1处于闭合状态使电机定子绕组中性点与电网连接，电机的三相定子绕组作为三个滤波电感，上桥臂开关管T1、T3、T5、T7同时开通或关断，对应的下桥臂开关管T2、T4、T6、T8同时关断或开通，通过单相充放电结构并联集成形成三相并联的单相充放电结构，即开关管T1、T2、T7、T8形成单相H桥结构，通过电网电流的闭环控制产生4个开关信号驱动开关管，蓄电池、双向DC/DC变换器、H桥结构、电机定子A相绕组、单相电网构成单相充放电结构；
开关管T3、T4、T7、、T8形成单相H桥结构，通过电网电流的闭环控制产生4个开关信号驱动开关管，蓄电池、双向DC/DC变换器、H桥结构、电机定子B相绕组、单相电网构成单相充放电结构；
开关管T5、T6、T7、、T8形成单相H桥结构，通过电网电流的闭环控制产生4个开关信号驱动开关管，蓄电池、双向DC/DC变换器、H桥结构、电机定子C相绕组、单相电网构成单相充放电结构。
进一步地，双向DC/DC变换器采用双向Buck/Boost、双向Boost/Buck、双向Buck-Boost、双向Boost-Buck的任意一种。
进一步地，所述开关管T1至T8采用MOS管、三极管、IGBT中的任意一种。
进一步地，所述开关器件S1采用MOS管、三极管、IGBT、继电器中的任意一种。
有益效果：
1、电机不运行时，电机驱动的结构被重构成充放电技术的驱动结构，实现电网与蓄电池能量的双向流动，减少了开关管的使用，维持了电网的稳定性；
2、电机不运行时，电机驱动的结构被重构成充放电技术的驱动结构，电机的定子绕组被重构成并网的滤波电感，减少了储能元件的使用，大电感能够很好的抑制入网的电流谐波；
3、电机不运行时，电机驱动的结构被重构成充放电技术的驱动结构，通过控制将四桥臂变换器变成三个并联的H桥工作模式，使电机定子绕组中通过相同的电流，消除了系统的电磁转矩，有利于系统的稳定运行；
4、基于四桥臂变换器的电机驱动和充放电器一体化拓扑相比于传统分离的车载电机驱动和充放电拓扑，减少了开关器件和储能元件的使用，大幅降低了车载控制器的体积重量，且控制简单，并且三相并联具有一定的容错性能，可靠性高，更重要的是，便于实现集成化，提高系统的功率密度。
附图说明
图1为本发明的高度集成的电机驱动和充放电器一体化拓扑；
图2为电机驱动功能的结构；
图3为利用电机A、B、C相绕组的充放电技术中单相PWM整流/逆变集成结构；
图4为利用电机A相绕组的充放电技术中单相PWM整流/逆变结构；
图5为利用电机B相绕组的充放电技术中单相PWM整流/逆变结构；
图6为利用电机C相绕组的充放电技术中单相PWM整流/逆变结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种高度集成的电机驱动和充放电器一体化拓扑，包括蓄电池、双向DC/DC变换器、四桥臂双向变换器、永磁同步电机本体、开关器件S1、单相电网，所述四桥臂双向变换器可工作为整流器和逆变器，所述蓄电池的两端连接双向DC/DC变换器的输入端，所述双向DC/DC变换器的输出端连接四桥臂双向变换器的正负极，所述四桥臂双向变换器每个桥臂的中点引出一根输出线，与电机的三相线和电网的一端相连接，电网的另一端连接开关器件S1的一端，开关器件S1的另一端连接电机的中性点，包括如下模式：
模式1，当电机处于运行状态时，如图2所示，开关S1处于断开状态使电机定子绕组中性点与电网分离，开关管T1、T2、T3、、T4、T5、T6形成三相全桥结构驱动电机运行，开关管T7、T8处于断开状态，蓄电池通过双向DC/DC变换器得到稳定的直流母线电压。采样三相电流信号和电机转子位置信号，通过基于SVPWM的矢量控制，得到相应的6路PWM信号，使逆变器的6个开关管工作，从而驱动电机旋转。
模式2，当电机处于不运行状态时，开关S1处于闭合状态使电机定子绕组中性点与电网连接，电机的三相定子绕组作为三个滤波电感、开关管T1至T8构成的三个并联的单相整流结构，上桥臂开关管T1、T3、T5、T7同时开通或关断，对应的下桥臂开关管T2、T4、T6、T8同时关断或开通，通过单相充放电结构并联集成形成三相并联的单相充放电结构，如图3所示，具体的可看作图4、5、6分别单独实现充放电再进行并联集成，由于本结构采用的双向DC/DC变换器和三相全桥变换器可以实现能量的双向流动，因此可以通过相应的算法控制来实现蓄电池与电网的双向能量交互，当蓄电池能量多的时候可以通过对变换器的控制将蓄电池直流电压、电流变换成交流进入电网，当蓄电池能量不足时可以通过对变换器的控制将交流变成直流给蓄电池充电。
图4包括蓄电池、双向DC/DC变换器、电机A相绕组作为滤波电感、单相全桥变换器可工作为整流器和逆变器、永磁同步电机本体、开关器件S1、单相电网，通过对双向DC/DC变换器的电压电流闭环控制实现逆变器输入端的直流电压的稳定，通过对入网电流的闭环控制产生开关信号驱动H桥工作，实现电网与蓄电池之间的能量的双向流动。
图5包括蓄电池、双向DC/DC变换器、电机B相绕组作为滤波电感、单相全桥变换器、永磁同步电机本体、开关器件S1、单相电网，通过对双向DC/DC变换器的电压电流闭环控制实现逆变器输入端的直流电压的稳定，通过对入网电流的闭环控制产生开关信号驱动H桥工作，实现电网与蓄电池之间的能量的双向流动。
图6包括蓄电池、双向DC/DC变换器、电机C相绕组作为滤波电感、单相全桥变换器、永磁同步电机本体、开关器件S1、单相电网，通过对双向DC/DC变换器的电压电流闭环控制实现逆变器输入端的直流电压的稳定，通过对入网电流的闭环控制产生开关信号驱动H桥工作，实现电网与蓄电池之间的能量的双向流动。
由于电机转子为永磁体，通过相应的控制，使电机A、B、C绕组中通过相同的电流，形成的A、B、C三相磁势空间合成为0，因此在电机中不形成电磁转矩，消除有害的电磁转矩。
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 (4)
1.一种高度集成的电机驱动和充放电器一体化拓扑，其特征在于，包括蓄电池、双向DC/DC变换器、四桥臂双向变换器、永磁同步电机本体、开关器件S1、单相电网，所述蓄电池的两端连接双向DC/DC变换器的输入端，所述双向DC/DC变换器的输出端连接四桥臂双向变换器的正负极，所述四桥臂双向变换器每个桥臂的中点引出一根输出线，与电机的三相线和电网的一端相连接，电网的另一端连接开关器件S1的一端，开关器件S1的另一端连接电机的中性点，所述四桥臂双向变换器可工作为整流器和逆变器，包括如下模式：
模式1，当电机处于运行状态时，开关S1处于断开状态使电机定子绕组中性点与电网分离，开关管T1、T2、T3、、T4、T5、T6形成三相全桥结构，开关管T7、T8处于断开状态，蓄电池通过双向DC/DC变换器得到稳定的直流母线电压，通过矢量控制驱动电机工作；
模式2，当电机处于不运行状态时，开关S1处于闭合状态使电机定子绕组中性点与电网连接，电机的三相定子绕组作为三个滤波电感，上桥臂开关管T1、T3、T5、T7同时开通或关断，对应的下桥臂开关管T2、T4、T6、T8同时关断或开通，通过单相充放电结构并联集成形成三相并联的单相充放电结构，即开关管T1、T2、T7、T8形成单相H桥结构，通过电网电流的闭环控制产生4个开关信号驱动开关管，蓄电池、双向DC/DC变换器、H桥结构、电机定子A相绕组、单相电网构成单相充放电结构；开关管T3、T4、T7、、T8形成单相H桥结构，通过电网电流的闭环控制产生4个开关信号驱动开关管，蓄电池、双向DC/DC变换器、H桥结构、电机定子B相绕组、单相电网构成单相充放电结构；开关管T5、T6、T7、、T8形成单相H桥结构，通过电网电流的闭环控制产生4个开关信号驱动开关管，蓄电池、双向DC/DC变换器、H桥结构、电机定子C相绕组、单相电网构成单相充放电结构。
2.根据权利要求2所述的高度集成的电机驱动和充放电器一体化拓扑，其特征在于，双向DC/DC变换器采用双向Buck/Boost、双向Boost/Buck、双向Buck-Boost、双向Boost-Buck的任意一种。
3.根据权利要求2所述的高度集成的电机驱动和充放电器一体化拓扑，其特征在于，所述开关管T1至T8采用MOS管、三极管、IGBT中的任意一种。
4.根据权利要求2所述的高度集成的电机驱动和充放电器一体化拓扑，其特征在于，所述开关器件S1采用MOS管、三极管、IGBT、继电器中的任意一种。
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