CN109361255B - 一种基于电机绕组开路的充放电电路拓扑 - Google Patents

一种基于电机绕组开路的充放电电路拓扑 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电机绕组开路的充放电电路拓扑，属于电力传动技术领域。本发明以前级双向DC/DC变换器与后级三相全桥变换器作为电机驱动和充放电器一体化拓扑。在电动汽车蓄电池与电网能量交互时，将电机驱动的三相全桥变换器重构成充放电驱动器，将电机定子绕组开路作为并网的滤波电感，并通过开关实现电机定子绕组的多种串联连接。本方法仅通过加入开关实现了该拓扑的多功能运行，包括电机驱动、充放电功能；通过开关将电机绕组串联起来增大了入网的滤波电感，提高了电流谐波的抑制能力；多功能拓扑的集成也提高了系统的功率密度。

Description

一种基于电机绕组开路的充放电电路拓扑
技术领域
本发明涉及电力传动技术领域，尤其涉及一种基于电机绕组开路的充放电电路拓扑。
背景技术
随着环境污染问题的日益严峻以及各种化石能源的过渡消耗，各种新型能源及相应产业成为了发展趋势，电动汽车是其中的典型代表，近些年来其相关技术及产业获得了快速发展。电动汽车的能量由车载蓄电池提供，因此通常需要配备车载充放电器将交流电网的能量转换到蓄电池中。车载充电器的重量和体积影响电动汽车的整体效率、功率密度和成本。但是目前所研究的车载型充电系统普遍存在成本高、体积大、重量大、功率等级低，并网电流谐波大等问题，因此，需要体积下、重量轻、功率密度高的车载充电器来提高整个电动汽车的性能。
传统的电动汽车具有独立的电机驱动设备和充放电设备，并且两种工作模式时分开工作的，这在电动汽车中占有较大的体积重量。由于电机驱动变换器和充放电变换器具有相同的拓扑结构，可以将其集成在一起实现单一结构的多功能运行。同时电机闲置时的电机绕组也可以利用成并网的滤波电感，这都降低系统的体积重量。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对具有电机驱动和充放电器功能的应用场合，提供一种基于电机绕组开路的充放电电路拓扑，解决系统控制器体积大、功率密度低的问题，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，同时将电机的电感串联起来获得较大的滤波电感来抑制电网电流的谐波。通过开关的切换来改变电流的流向消除不利于系统充放电运行的电磁转矩，电路拓扑还实现蓄电池与电网的能量交互。
技术方案：
一种基于电机绕组开路的充放电电路拓扑，包括蓄电池、双向DC/DC变换器、三相全桥变换器、永磁同步电机本体、开关、单相电网，蓄电池的两端连接双向DC/DC 变换器的输入端，双向DC/DC变换器的输出端连接三相全桥变换器的正负极，三相全桥变换器每个桥臂的中点引出一根输出线，电机三相定子绕组开路引出6个接线端子，单相电网有正负两个接线端，通过开关将桥臂中点输出接线端、电机绕组接线端、电网接线端连接成闭合回路，所述三相全桥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，开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6形成的三相全桥结构，作为电机驱动的逆变器，通过开关使a-A，b-B，c-C连接在一起，并且A1-B1-C1连接在一起构成星型结构，连接结构为a-A-A1-O,b-B-B1-O,c-C-C1-O、 a-A-A1-O,b-B1-B-O,c-C-C1-O、a-A-A1-O,b-B-B1-O,c-C1-C-O、a-A-A1-O,b-B1-B-O,c-C1-C-O 的电驱模式，其中，O为电机绕组的中性点，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，上桥臂开关管T1、T3和对应的下桥臂开关管 T2、T4形成单相全桥结构，作为单相充放电器的驱动器，桥臂中点有a、b两个接线端，开关管T5、T6不工作；定义电流流入A、B、C端为电流正方向，通过开关将A、B、C、 A1、B1、C1串联起来形成一个大电感，通过开关将a、b端、电感、电网连接起来，形成四个电机绕组串联的单相充放电结构，四种三相定子绕组串联连接结构为 a-A-A1-B-B1-C-C1-d-e-b、a-A-A1-B-B1-C1-C-d-e-b、a-A-A1-B1-B-C1-C-d-e-b或 a-A-A1-B1-B-C-C1-d-e-b，分别与模式1四种连接结构对应，通过电网电流的闭环控制产生4个开关信号驱动开关管。
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T6采用MOS管、三极管、IGBT中的任意一种。
进一步地，所述连接开关采用单刀双掷开关、继电器中的任意一种。
有益效果：
1、电机不运行时，驱动电机的三相变换器的结构被重构成充放电技术的驱动结构，不仅能够实现电网与蓄电池能量的交互，还能减少了开关管的使用；
2、电机不运行时，电机的三相定子绕组被串联成并网的滤波电感，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，将电机绕组串联起来，通过开关改变流入绕组的电流方向，由于绕组通过相同的电流，产生的合成磁势为零或者为脉振磁势，消除了系统的电磁转矩，有利于系统的稳定运行；
4、基于电机绕组开路的充放电电路拓扑相比于传统分离的车载电机驱动和充放电拓扑，减少了电感和开关管的使用，大幅降低了系统控制器的体积重量，便于实现系统的集成化，提高系统的功率密度。
附图说明
图1为本发明的一种基于电机绕组开路的充放电电路拓扑；
图2为三相定子绕组串联连接结构a-A-A1-B-B1-C-C1-d-e-b的充放电模式；
图3为三相定子绕组串联连接结构a-A-A1-O,b-B-B1-O,c-C-C1-O的电驱模式；
图4为三相定子绕组串联连接结构a-A-A1-B1-B-C-C1-d-e-b的充放电模式；
图5为三相定子绕组串联连接结构a-A-A1-O,b-B1-B-O,c-C-C1-O的电驱模式；
图6为三相定子绕组串联连接结构a-A-A1-B-B1-C1-C-d-e-b的充放电模式；
图7为三相定子绕组串联连接结构a-A-A1-O,b-B-B1-O,c-C1-C-O的电驱模式；
图8为三相定子绕组串联连接结构a-A-A1-B1-B-C1-C-d-e-b的充放电模式；
图9为三相定子绕组串联连接结构a-A-A1-O,b-B1-B-O,c-C1-C-O的电驱模式。
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，一种基于电机绕组开路的充放电电路拓扑，包括蓄电池、双向DC/DC变换器、三相全桥变换器、永磁同步电机本体、开关器件、单相电网，蓄电池的两端连接双向DC/DC变换器的输入端，双向DC/DC变换器的输出端连接三相全桥变换器的正负极，三相全桥变换器每个桥臂的中点引出一根输出线，电机三相定子绕组开路引出6 个接线端子，单相电网有正负两个接线端，通过开关将桥臂中点输出接线端、电机绕组接线端、电网接线端连接成闭合回路。所述三相全桥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，开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6形成三相全桥结构，作为电机驱动的逆变器，通过开关使a-A，b-B，c-C连接在一起，并且A1-B1-C1连接在一起构成星型结构，如图3、5、7、9所示，连接结构为a-A-A1-O,b-B-B1-O,c-C-C1-O、 a-A-A1-O,b-B1-B-O,c-C-C1-O、a-A-A1-O,b-B-B1-O,c-C1-C-O、a-A-A1-O,b-B1-B-O,c-C1-C-O 的电驱模式，其中，O为电机绕组的中性点，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，开关管T1、T2、T3、T4形成单相全桥结构，作为单相充放电器的驱动器，桥臂中点有a、b两个接线端，开关管T5、T6不工作；定义电流流入A、B、C端为电流正方向，通过开关将A、B、C、A1、B1、C1串联起来形成一个大电感，通过开关将a、b端、电感、电网连接起来。电机的三相定子绕组可以配置形成四种电机连接结构：四种三相定子绕组串联连接结构分别为 a-A-A1-B-B1-C-C1-d-e-b、a-A-A1-B1-B-C-C1-d-e-b、a-A-A1-B-B1-C1-C-d-e-b、 a-A-A1-B1-B-C1-C-d-e-b；形成三个电机绕组串联的单相充放电结构，通过电网电流的闭环控制产生4个开关信号驱动开关管。
图2、图3包括逆变器桥臂中点引出的a，b，c三个接线端，6个开关S1、S2、S3、 S4、S5、S6，电机三相绕组的6个接线端A、B、C、A1、B1、C1，单相电网。图中开关有三个端口，黑色为固定端，开关可以切换到0或者1实现导通和关断。如图3所示，当开关S1、S2、S3、S4、S5、S6全部切换到1时，处于电机驱动状态；如图2所示，当 S1＝1，S2＝0，S3＝0，S4＝1，S5＝0，S6＝0时，三相定子绕组串联连成a-A-A1-B-B1-C-C1-d-e-b 模式，处于单相充放电模式，由于三相绕组中流过相同的电流，即ia＝ib＝ic，形成的合成磁势为0，不产生有害的电磁转矩。
图4、图5包括逆变器桥臂中点引出的a，b，c三个接线端，6个开关S1、S2、S3、 S4、S5、S6，电机三相绕组的6个接线端A、B、C、A1、B1、C1，单相电网。图中开关有三个端口，黑色为固定端，开关可以切换到0或者1实现导通和关断。如图5所示，当开关S1、S2、S3、S4、S5、S6全部切换到1时，处于电机驱动状态；如图4所示，当 S1＝1，S2＝0，S3＝0，S4＝1，S5＝0，S6＝0时，三相定子绕组串联连成a-A-A1-B1-B-C-C1-d-e-b 模式，处于单相充放电模式，由于三相绕组中流过的电流关系为ia＝-ib＝ic，形成的合成磁势为脉振磁势，平均电磁转矩为零。
图6、图7包括逆变器桥臂中点引出的a，b，c三个接线端，6个开关S1、S2、S3、 S4、S5、S6，电机三相绕组的6个接线端A、B、C、A1、B1、C1，单相电网。图中开关有三个端口，黑色为固定端，开关可以切换到0或者1实现导通和关断。如图7所示，当开关S1、S2、S3、S4、S5、S6全部切换到1时，处于电机驱动状态；如图6所示，当 S1＝1，S2＝0，S3＝0，S4＝1，S5＝0，S6＝0时，三相定子绕组串联连成a-A-A1-B-B1-C1-C-d-e-b 模式，处于单相充放电模式，由于三相绕组中流过的电流关系为ia＝ib＝-ic，形成的合成磁势为脉振磁势，平均电磁转矩为零。
图8、图9包括逆变器桥臂中点引出的a，b，c三个接线端，6个开关S1、S2、S3、 S4、S5、S6，电机三相绕组的6个接线端A、B、C、A1、B1、C1，单相电网。图中开关有三个端口，黑色为固定端，开关可以切换到0或者1实现导通和关断。如图9所示，当开关S1、S2、S3、S4、S5、S6全部切换到1时，处于电机驱动状态；如图8所示，当 S1＝1，S2＝0，S3＝0，S4＝1，S5＝0，S6＝0时，三相定子绕组串联连成a-A-A1-B1-B-C1-C-d-e-b 模式，处于单相充放电模式，由于三相绕组中流过的电流关系为ia＝-ib＝-ic，形成的合成磁势为脉振磁势，平均电磁转矩为零。
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)

1.一种基于电机绕组开路的充放电电路拓扑，其特征在于，包括蓄电池、双向DC/DC变换器、三相全桥变换器、永磁同步电机本体、开关、单相电网，蓄电池的两端连接双向DC/DC变换器的输入端，双向DC/DC变换器的输出端连接三相全桥变换器的正负极，三相全桥变换器每个桥臂的中点引出一根输出线，电机三相定子绕组开路引出6个接线端子，单相电网有正负两个接线端，通过开关将桥臂中点输出接线端、电机绕组接线端、电网接线端连接成闭合回路，所述三相全桥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，开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6形成的三相全桥结构，作为电机驱动的逆变器，通过开关使a-A，b-B，c-C连接在一起，并且A1-B1-C1连接在一起构成星型结构，连接结构为a-A-A1-O,b-B-B1-O,c-C-C1-O、a-A-A1-O,b-B1-B-O,c-C-C1-O、a-A-A1-O,b-B-B1-O,c-C1-C-O、a-A-A1-O,b-B1-B-O,c-C1-C-O的电驱模式，其中，O为电机绕组的中性点，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，上桥臂开关管T1、T3和对应的下桥臂开关管T2、T4形成单相全桥结构，作为单相充放电器的驱动器，桥臂中点有a、b两个接线端，开关管T5、T6不工作；定义电流流入A、B、C端为电流正方向，通过开关将A、B、C、A1、B1、C1串联起来形成一个大电感，通过开关将a、b端、电感、电网连接起来，形成四个电机绕组串联的单相充放电结构，四种三相定子绕组串联连接结构为a-A-A1-B-B1-C-C1-d-e-b、a-A-A1-B-B1-C1-C-d-e-b、a-A-A1-B1-B-C1-C-d-e-b或a-A-A1-B1-B-C-C1-d-e-b，分别与模式1四种连接结构对应，通过电网电流的闭环控制产生4个开关信号驱动开关管，三相定子绕组串联连成a-A-A1-B-B1-C-C1-d-e-b模式时，由于三相绕组中流过相同的电流，即ia＝ib＝ic，形成的合成磁势为0，不产生有害的电磁转矩，三相定子绕组串联连成a-A-A1-B-B1-C1-C-d-e-b模式时，由于三相绕组中流过的电流关系为ia＝ib＝-ic，形成的合成磁势为脉振磁势，平均电磁转矩为零，三相定子绕组串联连成a-A-A1-B1-B-C1-C-d-e-b模式时，由于三相绕组中流过的电流关系为ia＝-ib＝-ic，形成的合成磁势为脉振磁势，平均电磁转矩为零，三相定子绕组串联连成a-A-A1-B1-B-C-C1-d-e-b模式时，由于三相绕组中流过的电流关系为ia＝-ib＝ic，形成的合成磁势为脉振磁势，平均电磁转矩为零。
2.根据权利要求1所述的一种基于电机绕组开路的充放电电路拓扑，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1所述的一种基于电机绕组开路的充放电电路拓扑，其特征在于，所述开关管T1至T6采用MOS管、三极管、IGBT中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于电机绕组开路的充放电电路拓扑，其特征在于，所述开关采用单刀双掷开关、继电器中的任意一种。
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