CN110239350A - 一种电动汽车用多通道模块化电驱系统 - Google Patents

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刘兴
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Abstract

本发明公开了一种电动汽车用多通道模块化电驱系统，包括n个逆变单元与多通道永磁同步电机，每个逆变单元包含一组蓄电池，三相电压型逆变器以及一组切换开关。在系统正常运行时，系统可以采用单电源/多电源供电模式，并且可以根据负载情况主动投/切逆变单元，切换供电模式，有效提升系统运行效率，实现系统高效运行；在系统出现故障时，多通道电机的高容错型能，配合一定的控制策略，可以大大提高系统可靠性，实现电驱系统在故障状况下的安全与稳定运行。该系统充分利用多通道电机的高冗余性特点与模块化技术的高可靠性特点，还能够在有效提高续航里程的同时简单高效的实现电池组的拆卸与维护及电池组的标准化。

Description

一种电动汽车用多通道模块化电驱系统
技术领域
本发明涉及一种电动汽车用多通道模块化电驱系统，应用于电动汽车等大功率电机驱动场合，属于电机驱动技术。
背景技术
相较于传统的内燃机汽车，电动汽车具有节能、环保等优点，大力发展电动汽车是缓解当前世界性环境与能源问题的有效手段。电驱系统作为电动汽车的核心单元，对可靠性与安全性的要求极高，因此，具有高容错性能的电机及其驱动技术得到了国内外学者的广泛关注。
目前，电动汽车用容错技术发展方向主要包括备份式容错、多相化容错及多通道模块化设计等三大类。其中，备份式容错技术可靠性较高，然而绕组与控制器利用率比较低，在一定程度上减小了电动汽车的能量存储空间；多相化容错技术控制自由度较高，然而随着相数的增加，控制策略也会随之复杂化。
多通道模块化设计具有诸多优点：首先，多通道设计由于通道间的电磁耦合，因此具有低转矩脉动，高效等优点；其次，通道间的对立控制可以采用成熟、可靠的三相电机驱动技术；然后，多通道模块化技术有利于降低单个模块的供电电源功率，若保持电压不变，则可大大降低电流等级，减少电池组并联模块数目；最后，模块化设计可靠性极高，故障时切除故障模块或是采用多相电机容错技术均可实现系统安全、稳定运行，容错手段实施方便、灵活。因此有必要提出一种基于多通道电机的模块化电驱系统。
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多通道模块化电驱系统，以提高系统可靠性与安全性。
技术方案：一种电动汽车用多通道模块化电驱系统，包括n个逆变单元以及多通道永磁同步电机；每个所述逆变单元均包括一组蓄电池、三相电压型逆变器以及一组切换开关，所述一组蓄电池连接三相电压型逆变器的输入端，所述三相电压型逆变器的输出端通过所述切换开关连接到所述多通道永磁同步电机的三相绕组。
进一步的，所述多通道永磁同步电机采用分裂绕组结构，包括n个中性点与3*n相绕组，每三相绕组连接至一个中性点上构成一通道，每个所述逆变单元通过切换开关分别对应连接一组三相绕组。
进一步的，所述每个所述逆变单元的一组蓄电池为标称电压为300V的电动汽车车载蓄电池组。
有益效果：(1)与传统三相电机驱动系统相比，多通道模块化电机驱动系统具有可靠性高、容错性强、转矩脉动低等优点，同时有利于提高系统功率等级。
(2)与传统多相电机驱动系统相比，多通道模块化电机驱动系统具有控制策略简单易行、可靠性高、效率高等优势。
(3)通过控制切换开关可以实现三相电驱系统单个模块的投/切操作，可在故障状态下实现系统容错运行，或是在正常运行状态下匹配负载功率，以提高系统运行效率。
(4)采用多电源供电不仅可以有效提高汽车续航里程数，还可以简单高效的实现电池组的拆卸与维护，并且可以有效减少电池组得并联数目，降低单个电池组的功率等级，进而实现电池组的标准化。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
其中，1-1,2-1,…n-1为蓄电池组，1-2,2-2,…n-2为三相电压型逆变器，1-3,2-3,…n-3为切换开关；
图2为系统发生故障时的容错运行方案；
图3为12槽/8极三相永磁同步电机有限元几何模型；
图4为12槽/8极三相永磁同步电机惯常绕组连接方式；
图5为12槽/8极三相永磁同步电机分裂绕组连接方式；
图6为4组电池组并联供电方式；
图7为4组电池组独立供电方式。
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，一种电动汽车用多通道模块化电驱系统，包括n个逆变单元1,2,…n以及多通道永磁同步电机4。
多通道永磁同步电机4采用分裂绕组结构，包括n个中性点与3*n相绕组，即绕组A1、A2、…、An，绕组B1、B2、…、Bn，绕组C1、C2、…、Cn；每三相绕组连接至一个中性点上构成一通道，如绕组A1、B1与C1连接至中性点N1上，构成第一通道，绕组A2、B2与C2连接至中性点N2上，构成第二通道。
每个逆变单元均包括一组蓄电池，三相电压型逆变器以及一组切换开关，蓄电池为标称电压为300V的电动汽车车载蓄电池组。每个逆变单元中，蓄电池连接三相电压型逆变器的输入端，三相电压型逆变器的输出端通过切换开关分别对应连接多通道永磁同步电机4的一组三相绕组。切换开关用于实现对应逆变单元的投/切操作，可在故障状态下实现系统容错运行或是在正常运行状态下提高系统运行效率。
本发明公开的电动汽车用多通道模块化电驱系统，在系统某个模块发生故障时，通过控制切换开关可以简单高效的实现系统的容错控制。图2所示为由2号逆变单元发生故障时系统的容错运行，此时二号切换开关2-3断开，其余切换开关均闭合，系统由其余单元的蓄电池供电。
本发明公开的电动汽车用多通道模块化电驱系统，其中多通道永磁同步电机采用基于分裂绕组设计的三相永磁同步电机。这里以常用的12槽/8极三相永磁同步电机为例，图3所示为电机有限元几何模型，图4所示为惯常绕组连接方式，图5所示为四通道连接方式。可以看出，一台12槽/8极的三相电机可以拆分为4套三相绕组结构，实现4通道工作。进一步的，用于拆分的三相电机定子槽数目q与永磁体极数目2p的匹配关系应满足：q/p＝Z，其中Z为正整数。
本系统由于采用多电源供电技术，有利于减少并联的电池组模块数目，有效降低单个电池组的功率等级，进而实现电池组的标准化。这里以由4.2V/2500mAh的锂电池组成的标称电压为300V的锂电池组为例，若此电池组以3kW功率放电以满足负载要求，则放电电流为10A，需要4组300V的电池组并联来满足放电电流要求，并且由于不可避免的电池电压差异，需要采用均流技术实现模块均流至2.5A，如图6所示。如图7所示，若采用图5所示4通道电机，则需要4组300V的子电池组，每组电池组放电电流为2.5A，无需模块并联，更无需采用均流技术。此外，比起串并联组成的锂电池组，仅由锂电池串联组成的电池组在安装与维护方面更加方便。
本发明提供的一种电动汽车用多通道模块化电驱系统基于多通道电机系统与模块化技术设计，充分利用多通道电机的高冗余性特点与模块化技术的高可靠性特点，能够实现电驱系统高效、安全、稳定运行，还能够在有效提高续航里程的同时简单高效的实现电池组的拆卸与维护及电池组的标准化。在系统正常运行时，系统可以采用单电源/多电源供电模式，并且可以根据负载情况主动投/切逆变单元，切换供电模式，有效提升系统运行效率，实现系统高效运行；在系统出现故障时，多通道电机的高容错型能，配合一定的控制策略，可以大大提高系统可靠性，实现电驱系统在故障状况下的安全与稳定运行。
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)

1.一种电动汽车用多通道模块化电驱系统，其特征在于：包括n个逆变单元(1,2,…n)以及多通道永磁同步电机(4)；每个所述逆变单元均包括一组蓄电池、三相电压型逆变器以及一组切换开关，所述一组蓄电池连接三相电压型逆变器的输入端，所述三相电压型逆变器的输出端通过所述切换开关连接到所述多通道永磁同步电机(4)的三相绕组。
2.根据权利要求1所述的电动汽车用多通道模块化电驱系统，其特征在于：所述多通道永磁同步电机(4)采用分裂绕组结构，包括n个中性点与3*n相绕组，每三相绕组连接至一个中性点上构成一通道，每个所述逆变单元通过切换开关分别对应连接一组三相绕组。
3.根据权利要求2所述的电动汽车用多通道模块化电驱系统，其特征在于：所述每个所述逆变单元的一组蓄电池为标称电压为300V的电动汽车车载蓄电池组。
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