CN110271443B - 一种插电式混合动力汽车开关磁阻电机传动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种插电式混合动力汽车开关磁阻电机传动系统，包括开关磁阻发电机，开关磁阻电动机，前端变换器，牵引蓄电池和辅助蓄电池。开关磁阻发电机与内燃机相连，通过内燃机带动进行发电。开关磁阻发电机包括三相定子绕组及其功率变换器，开关磁阻电动机包括三相定子绕组及其功率变换器。通过控制5个继电器的开合实现插电式混合动力汽车不同的工作模式切换。本发明设计了无需稀土材料的开关磁阻电机驱动系统，适用于电动汽车电驱动系统；本发明利用电机绕组与现有功率变换器实现不同的驱动模式和灵活的充电功能，无需外接元件。

Description

一种插电式混合动力汽车开关磁阻电机传动系统
技术领域
本发明属于插电式混合动力汽车领域，特别涉及了一种插电式混合动力汽车传动系统。
背景技术
相比于混合动力汽车，插电式混合动力汽车有较大的电池容量，同时还可以接入电网充电。相比于纯电动汽车，插电式混合动力汽车有内燃机，有较长的循环里程，可以消除里程焦虑。插电式混合动力汽车在当前的电池技术水平下，是较好的选择。电驱动系统和车载蓄电池充电系统是插电式混合动力汽车重要的两个组成部分。目前商用的电动汽车大多采用永磁同步电机，但永磁电机需要稀土材料，价格高昂的稀土材料限制了永磁同步电机广泛大批量应用。
目前，通常采用独立的车载充电器给插电式混合动力汽车的牵引蓄电池充电。然而，当插电式混合动力汽车在充电状态时，电机驱动系统是在停止状态。由于车载充电器是由功率开关器件和电感构成，因此可以利用电机驱动系统的功率开关器件和电机绕的电感构成充电系统，提高整个系统的集成度和充电灵活性，并减少系统的成本和体积。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种插电式混合动力汽车开关磁阻电机传动系统。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种插电式混合动力汽车开关磁阻电机传动系统，包括开关磁阻发电机、前端变换器、开关磁阻电动机、牵引蓄电池和辅助蓄电池；所述开关磁阻发电机包括开关磁阻发电机三相定子绕组、第一～第三二极管、和第一～第三开关管以及第一～第三继电器，第一二极管的阳极连接第一开关管的集电极，第二二极管的阳极连接第二开关管的集电极，第三二极关管的阳极连接第三开关管的集电极，开关磁阻发电机A相定子绕组的一端连接第一二极管的阳极，开关磁阻发电机A相定子绕组的另一端经第一继电器与内燃机交流电输出端相连，开关磁阻发电机B相定子绕组的一端连接第二二极管的阳极，开关磁阻发电机B相定子绕组的另一端经第二继电器与内燃机交流电输出端相连，开关磁阻发电机C相定子绕组的一端连接第三二极管的阳极，开关磁阻发电机C相定子绕组的另一端经第三继电器与牵引蓄电池的正极相连；所述前端变换器包括第一电感、第一电容、上开关管和下开关管，下开关管的集电极连接上开关管的发射极，第一电感的两端分别连接牵引蓄电池的正极和下开关管的集电极，第一电容的两端分别连接下开关管的发射极和上开关管的集电极；所述开关磁阻电动机包括开关磁阻电动机三相定子绕组、第四～第九二极管、第四～第九开关管、第四继电器和第五继电器，第四开关管的发射极连接第四二极管的阴极，第五开关管的集电极连接第五二极管的阳极，第六开关管的发射极连接第六二极管的阴极，第七开关管的集电极连接第七二极管的阳极，第八开关管的发射极连接第八二极管的阴极，第九开关管的集电极连接第九二极管的阳极，开关磁阻电动机A相定子绕组的两端分别连接第四二极管的阴极和第五二极管的阳极，开关磁阻电动机B相定子绕组的两端分别连接第六二极管的阴极和第七二极管的阳极，开关磁阻电动机C相定子绕组的两端分别连接第八二极管的阴极和第九二极管的阳极，第四继电器的一端连接第五开关管的集电极，第四继电器的另一端经第五继电器与辅助蓄电池的正极相连，第五二极管的阴极、第七二极管的阴极和第九二极管的阴极分别连接第四继电器与第五继电器的公共端，第一二极管的阴极、第二二极管的阴极、第三二极管的阴极、第五开关管的集电极、第七开关管的集电极和第九开关管的集电极分别连接上开关管的集电极，第一开关管的发射极、第二开关管的发射极、第三开关管的发射极、下开关管的发射极、第四二极管的阳极、第六二极管的阳极、第八二极管的阳极、第四开关管的发射极、第六开关管的发射极、第八开关管的发射极和辅助蓄电池的负极分别与牵引蓄电池的负极相连；上述所有开关管均并联有二极管，所并联的二极管的阳极连接开关管的发射极，二极管的阴极连接开关管的集电极；通过控制第一～第五继电器的开合实现插电式混合动力汽车不同工作模式的切换。
基于上述技术方案的优选方案，当插电式混合动力汽车处于驱动状态时，通过控制前端变换器，实现5种驱动模式，即蓄电池单独驱动模式，开关磁阻发电机单独驱动模式，蓄电池和开关磁阻发电机混合驱动模式，开关磁阻发电机混合驱动并给蓄电池充电模式和再生制动模式。
基于上述技术方案的优选方案，第二继电器、第三继电器和第四继电器打开，第一继电器和第五继电器闭合，此时插电式混合动力汽车处于驱动状态；当牵引蓄电池荷电状态高于阈值a时，处于蓄电池单独驱动模式，内燃机关闭，牵引蓄电池通过前端变换器给开关磁阻电动机供电；当处于开关磁阻发电机单独驱动模式，牵引蓄电池关闭，开关磁阻发电机发出的电能直接供给开关磁阻电动机；当车辆加速或重载时，处于蓄电池和开关磁阻发电机混合驱动模式，开关磁阻发电机发出的功率小于开关磁阻电动机需求的功率，牵引蓄电池补足额外的功率；当蓄电池荷电状态低于阈值b时，且车辆在轻载时，处于开关磁阻发电机混合驱动并给蓄电池充电模式，开关磁阻发电机发出的功率供给开关磁阻电动机，同时给牵引蓄电池充电；在下坡时，处于再生制动模式，开关磁阻发电机停止工作，开关磁阻电动机工作在发电模式，将车辆的机械能转换成电能并储能在牵引蓄电池中。
基于上述技术方案的优选方案，插电式混合动力汽车处于充电状态时，能够实现三种充电模式，即电网给牵引蓄电池充电模式，电网给辅助蓄电池充电模式和牵引蓄电池给辅助蓄电池充电模式。
基于上述技术方案的优选方案，第二继电器、第三继电器和第四继电器闭合，第一继电器和第五继电器打开，此时能够实现电网给牵引蓄电池充电模式和电网给辅助蓄电池充电模式；开关磁阻发电机A相定子绕组、B相定子绕组、第一开关管及其并联的二极管、第二开关管及其并联的二极管、第一二极管和第二二极管组成前端整流器，将交流电整成直流电，并实现功率因数校正；前端变换器工作在Buck模式，构成了牵引蓄电池充电器；开关磁阻电动机A相定子绕组、第四开关管及其并联的二极管以及第四二极管组成了辅助蓄电池充电器；
第四继电器闭合且第五继电器打开，此时实现牵引蓄电池给辅助蓄电池充电模式，利用开关磁阻电动机A相定子绕组、第四开关管及其并联的二极管以及第四二极管组成了辅助蓄电池充电器。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明设计了无需稀土材料的开关磁阻电机驱动系统，开关磁阻电机结构简单、牢固；具有高的可靠性和鲁棒性；启动转矩大；宽的调速范围；在宽的转速和转矩工作区内保持较高的效率；可以再生制动，回收能量，适用于电动汽车电驱动系统。
本发明可以实现不同的驱动模式和灵活的充电功能，而不需要外接元件，利用电机绕组与现有功率变换器，完成车载充电，实现功率因数校正，减少了对电网的污染。性价比高、实用性强，效果好，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的整体结构拓扑图；
图2是本发明5种驱动模式示意图，包括(a)、(b)、(c)、(d)、(e)5幅子图，分别代表5种驱动模式；
图3是本发明G2T和G2A两种充电模式示意图；
图4是本发明T2A充电模式示意图。
主要标号说明：LGA，LGB和LGC：开关磁阻发电机的三相定子绕组；LMA，LMB和LMC是开关磁阻电动机的三相定子绕组；Q1～Q11：功率开关管；D1～D20二极管；L1：电感；C1：电容；J1～J5：继电器。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，一种插电式混合动力汽车开关磁阻电机传动系统，包括开关磁阻发电机，开关磁阻电动机，前端变换器，牵引蓄电池和辅助蓄电池。开关磁阻发电机与内燃机相连，通过内燃机带动进行发电；LGA，LGB和LGC是开关磁阻发电机的三相定子绕组，三个功率开关管Q1～Q3和六个二极管D1～D6构成了开关磁阻发电机功率变换器。前端变换器由双向DC/DC变换器组成，包括电感L1，电容C1，包括开关管Q4和Q5，二极管D7和D8。LMA，LMB和LMC是开关磁阻电动机的三相定子绕组，开关管Q6～Q11和二极管D9～D20构成了开关磁阻电动机功率变换器。通过控制继电器J1～J5的开合实现插电式混合动力汽车不同的工作模式切换。
如图2所示，当插电式混合动力汽车在驱动状态时，通过控制前端变换器，可以实现五种驱动模式，能量流方向如图中箭头所示。在启动阶段蓄电池单独驱动，内燃机关闭，功率流如图2中的(a)所示。开关磁阻发电机单独驱动如图2中的(b)所示，此时蓄电池关闭，发电机发出的功率等于电动机需求的功率。蓄电池和开关磁阻发电机混合驱动如图2中的(c)所示，此场合应用在高功率状态，蓄电池补充不足的功率。开关磁阻发电机混合驱动并给蓄电池充电如图2中的(d)所示，发电机多余的能量储能在蓄电池中。再生制动如图2中的(e)所示，电动机工作在发电模式，将车辆机械能转换成电能储能在蓄电池中。
如图3所示，当插电式混合动力汽车在充电状态时，继电器J2，J3和J4关闭，继电器J1和J5打开。开关磁阻发电机绕组LGA和LGB，功率开关Q1和Q2，二极管D1，D2，D4和D5组成了前端整流器，将交流电整成直流电，并实现功率因数校正功能，减小对电网的污染；前端变换器工作在Buck模式，从而构成了牵引蓄电池充电器；开关磁阻电动机绕组LMA，开关管Q6，二极管D9和D10组成了辅助电池充电器，为辅助电池充电。综上，图3实现了电网给牵引蓄电池充电模式(G2T)和电网给辅助蓄电池充电模式(G2A)。
如图4所示，当继电器J4关闭，继电器J5打开时，该集成驱动变换器可实现牵引电池给辅助电池充电模式(T2A)。此时同样利用开关磁阻电动机绕组LMA，开关管Q6，二极管D9和D10组成了Buck变换器给辅助电池充电。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种插电式混合动力汽车开关磁阻电机传动系统，其特征在于：包括开关磁阻发电机、前端变换器、开关磁阻电动机、牵引蓄电池和辅助蓄电池；所述开关磁阻发电机包括开关磁阻发电机三相定子绕组、第一～第三二极管、和第一～第三开关管以及第一～第三继电器，第一二极管的阳极连接第一开关管的集电极，第二二极管的阳极连接第二开关管的集电极，第三二极关管的阳极连接第三开关管的集电极，开关磁阻发电机A相定子绕组的一端连接第一二极管的阳极，开关磁阻发电机A相定子绕组的另一端经第一继电器与交流电源相连，开关磁阻发电机B相定子绕组的一端连接第二二极管的阳极，开关磁阻发电机B相定子绕组的另一端经第二继电器与交流电源相连，开关磁阻发电机C相定子绕组的一端连接第三二极管的阳极，开关磁阻发电机C相定子绕组的另一端经第三继电器与牵引蓄电池的正极相连；所述前端变换器包括第一电感、第一电容、上开关管和下开关管，下开关管的集电极连接上开关管的发射极，第一电感的两端分别连接牵引蓄电池的正极和下开关管的集电极，第一电容的两端分别连接下开关管的发射极和上开关管的集电极；所述开关磁阻电动机包括开关磁阻电动机三相定子绕组、第四～第九二极管、第四～第九开关管、第四继电器和第五继电器，第四开关管的发射极连接第四二极管的阴极，第五开关管的集电极连接第五二极管的阳极，第六开关管的发射极连接第六二极管的阴极，第七开关管的集电极连接第七二极管的阳极，第八开关管的发射极连接第八二极管的阴极，第九开关管的集电极连接第九二极管的阳极，开关磁阻电动机A相定子绕组的两端分别连接第四二极管的阴极和第五二极管的阳极，开关磁阻电动机B相定子绕组的两端分别连接第六二极管的阴极和第七二极管的阳极，开关磁阻电动机C相定子绕组的两端分别连接第八二极管的阴极和第九二极管的阳极，第四继电器的一端连接第五开关管的集电极，第四继电器的另一端经第五继电器与辅助蓄电池的正极相连，第五二极管的阴极、第七二极管的阴极和第九二极管的阴极分别连接第四继电器与第五继电器的公共端，第一二极管的阴极、第二二极管的阴极、第三二极管的阴极、第五开关管的集电极、第七开关管的集电极和第九开关管的集电极分别连接上开关管的集电极，第一开关管的发射极、第二开关管的发射极、第三开关管的发射极、下开关管的发射极、第四二极管的阳极、第六二极管的阳极、第八二极管的阳极、第四开关管的发射极、第六开关管的发射极、第八开关管的发射极和辅助蓄电池的负极分别与牵引蓄电池的负极相连；上述所有开关管均并联有二极管，所并联的二极管的阳极连接开关管的发射极，二极管的阴极连接开关管的集电极；通过控制第一～第五继电器的开合实现插电式混合动力汽车不同工作模式的切换。
2.根据权利要求1所述插电式混合动力汽车开关磁阻电机传动系统，其特征在于：当插电式混合动力汽车处于驱动状态时，通过控制前端变换器，实现5种驱动模式，即蓄电池单独驱动模式，开关磁阻发电机单独驱动模式，蓄电池和开关磁阻发电机混合驱动模式，开关磁阻发电机混合驱动并给蓄电池充电模式和再生制动模式。
3.根据权利要求2所述插电式混合动力汽车开关磁阻电机传动系统，其特征在于：第二继电器、第三继电器和第四继电器闭合，第一继电器和第五继电器打开，此时插电式混合动力汽车处于驱动状态；当牵引蓄电池荷电状态高于阈值a时，处于蓄电池单独驱动模式，内燃机关闭，牵引蓄电池通过前端变换器给开关磁阻电动机供电；当处于开关磁阻发电机单独驱动模式，牵引蓄电池关闭，开关磁阻发电机发出的电能直接供给开关磁阻电动机；当车辆加速或重载时，处于蓄电池和开关磁阻发电机混合驱动模式，开关磁阻发电机发出的功率小于开关磁阻电动机需求的功率，牵引蓄电池补足额外的功率；当蓄电池荷电状态低于阈值b时，且车辆在轻载时，处于开关磁阻发电机混合驱动并给蓄电池充电模式，开关磁阻发电机发出的功率供给开关磁阻电动机，同时给牵引蓄电池充电；在下坡时，处于再生制动模式，开关磁阻发电机停止工作，开关磁阻电动机工作在发电模式，将车辆的机械能转换成电能并储能在牵引蓄电池中。
4.根据权利要求1所述插电式混合动力汽车开关磁阻电机传动系统，其特征在于：插电式混合动力汽车处于充电状态时，能够实现三种充电模式，即电网给牵引蓄电池充电模式，电网给辅助蓄电池充电模式和牵引蓄电池给辅助蓄电池充电模式。
5.根据权利要求4所述插电式混合动力汽车开关磁阻电机传动系统，其特征在于：第二继电器、第三继电器和第四继电器打开，第一继电器和第五继电器闭合，此时能够实现电网给牵引蓄电池充电模式和电网给辅助蓄电池充电模式；开关磁阻发电机A相定子绕组、B相定子绕组、第一开关管及其并联的二极管、第二开关管及其并联的二极管、第一二极管和第二二极管组成前端整流器，将交流电整成直流电，并实现功率因数校正；前端变换器工作在Buck模式，构成了牵引蓄电池充电器；开关磁阻电动机A相定子绕组、第四开关管及其并联的二极管以及第四二极管组成了辅助蓄电池充电器；
第四继电器闭合且第五继电器打开，此时实现牵引蓄电池给辅助蓄电池充电模式，利用开关磁阻电动机A相定子绕组、第四开关管及其并联的二极管以及第四二极管组成了辅助蓄电池充电器。
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