CN110341503A - 一种集成化插电式混合动力汽车开关磁阻电机驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成化插电式混合动力汽车开关磁阻电机驱动系统，包括内燃机、发电机、整流器、牵引蓄电池、辅助蓄电池、开关磁阻电机三相定子绕组、第一～第五开关管、第一～第十二极管、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第一继电器和第二继电器。第一～第四开关管、第一～第八二极管、第一电感和第二电容构成驱动开关磁阻电机的功率变换器，第五开关管、第九二极管、第十二极管和第二电感构成DC/DC变换器。通过控制第一继电器和第二继电器的开合，实现插电式混合动力汽车不同工作状态。本发明利用开关磁阻电机特有结构和各相电气隔离特性，利用电机绕组和已有功率开关器件构成车载充电系统，降低电动车成本、增加充电灵活性。

Description

一种集成化插电式混合动力汽车开关磁阻电机驱动系统
技术领域
本发明属于插电式混合动力汽车，特别涉及了一种插电式混合动力汽车开关磁阻电机驱动系统。
背景技术
相比于混合动力汽车，插电式混合动力汽车(PHEV)有较大的电池容量，同时还可以接入电网对蓄电池进行充电。相比于纯电动汽车，插电式混合动力汽车有内燃机，内燃机可以带动发电机给蓄电池充电，提高混合动力汽车的续航里程。电驱动系统是插电式混合动力汽车的核心技术，永磁同步电机因为高的驱动效率和高的功率密度，在电动汽车驱动系统中应用最广泛。但永磁同步电机需要价格昂贵的稀土材料，提高了驱动系统的成本；同时电机中的永磁体存在退磁风险，降低了驱动系统的可靠性。开关磁阻电机结构简单、牢固，无永磁体；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，因此适用于电动汽车电驱动系统。然而，特殊的变换器结构和较大的转矩脉动限制了开关磁阻电机在电动汽车中的应用。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种集成化插电式混合动力汽车开关磁阻电机驱动系统。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种集成化插电式混合动力汽车开关磁阻电机驱动系统，包括内燃机、发电机、整流器、牵引蓄电池、辅助蓄电池、开关磁阻电机三相定子绕组、第一～第五开关管、第一～第十二极管、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第一继电器和第二继电器；发电机与内燃机机械连接，内燃机驱动发电机产生三相交流电，发电机与整流器电气连接，整流器将三相交流电整成直流电；第一电容的正极经第二继电器与整流器的正输出端相连，第一电容的负极与整流器的负输出端相连，开关磁阻电机三相定子绕组的一端分别与整流器的正输出端相连，开关磁阻电机三相定子绕组的另一端分别与第一～第三开关管的集电极相连，第一～第三开关管的发射极与整流器的负输出端相连，第一～第三开关管的发射极分别连接第一～第三二极管的阳极，第一～第三开关管的集电极分别连接第一～第三二极管的阴极，第四～第六二极管的阳极分别连接第一～第三开关管的集电极，第二电容的正极连接第四～第六二极管的阴极，第二电容的负极连接整流器的负输出端，第四开关管的集电极连接第二电容的正极和第七二极管的阴极，第四开关管的发射极连接第七二极管的阳极和第八二极管的阴极，第八二极管的阳极连接整流器的负输出端，第一电感的两端分别连接第八二极管的阴极和牵引蓄电池的正极，牵引蓄电池的正极与第一电感的公共端经第一继电器与整流器的正输出端相连，牵引蓄电池的负极与整流器的负输出端相连，第五开关管的集电极连接第十二极管的阴极和整流器的正输出端，第五开关管的发射极连接第九开关管的阴极和第十开关管的阳极，辅助蓄电池的阳极经第二电感与第九二极管的阴极相连，辅助蓄电池的负极与整流器的负输出端相连；通过控制第一继电器和第二继电器的开合，实现插电式混合动力汽车不同的工作状态。
进一步地，插电式混合动力汽车工作在驱动模式时，第二继电器闭合，通过控制第一继电器和发电机实现蓄电池单独驱动、发电机单独驱动和蓄电池-发电机共同驱动3种驱动状态。
进一步地，当插电式混合动力汽车处于轻载时，第一继电器闭合，发电机处于空闲状态，此时处于蓄电池单独驱动状态；当牵引蓄电池荷电状态低于设定值时，第一继电器断开，牵引蓄电池处于空闲状态，此时处于发电机单独驱动状态；当插电式混合动力汽车加速或爬坡时，第一继电器闭合，此时处于蓄电池-发电机共同驱动状态。
进一步地，当插电式混合动力汽车停止运行时，进入充电模式，电网充电接口经电磁干扰滤波器连接发电机与整流器之间的两相连接线。
进一步地，在处于充电模式中，若第一继电器和第二继电器断开，此时由电网向牵引蓄电池充电；若第一继电器断开、第二继电器闭合，此时由发电机向辅助蓄电池充电；若第一继电器和第二继电器闭合，此时由牵引蓄电池向辅助蓄电池充电。
进一步地，所述第一～第五开关管为绝缘栅双极型晶体管。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明利用开关磁阻电机特有的结构和各相电气隔离的特性，利用电机绕组和已有的功率开关器件构成车载充电系统，可以提高整个系统的集成度、降低电动车的成本、增加充电的灵活性。
附图说明
图1是本发明的系统拓扑图；
图2是本发明蓄电池单独驱动示意图，包括(a)、(b)两幅子图；
图3是本发明发电机单独驱动示意图，包括(a)、(b)两幅子图；
图4是本发明牵引电池和发电机共同驱动示意图，包括(a)、(b)两幅子图；
图5是本发明去磁能量回收阶段示意图，包括(a)、(b)两幅子图；
图6是本发明电网向牵引电池充电示意图，包括(a)、(b)、(c)、(d)四幅子图；
图7是本发明发电机向辅助电池充电示意图，包括(a)、(b)两幅子图；
图8是本发明牵引电池向辅助电池充电示意图，包括(a)、(b)两幅子图。
标号说明：LA，LB、LC：开关磁阻电机三相定子绕组；Q1～Q5：功率开关管；D1～D10：二极管；C1、C2：电容；L1、L2：电感；J1、J2：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。
本发明设计了一种集成化插电式混合动力汽车开关磁阻电机驱动系统，如图1所示，发电机与内燃机(ICE)采用机械连接，内燃机驱动发电机产生三相交流电。发电机与二极管整流器采用电气连接，整流器将三相交流电整成直流电，为开关磁阻电机供电。在插电式混合动力汽车停止运行时，电网充电接口经过电磁干扰(EMI)滤波器，与发电机和整流器的两条连接线相连。C1是直流滤波电容，J2是继电器开关，用于接通和关断电容C1与直流母线的连接。LA，LB和LC是开关磁阻电机的三相定子绕组。三相绕组的一端连接在一起，绕组的另一端分别与三个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)Q1～Q3的集电极和三个二极管D4～D6的阳极相连。三个二极管D4～D6的阴极连接在一起，并与电容C2的正极相连。Q4，D8和电感L1组成了Buck变换器。Q1～Q4，D1～D8，电感L1和电容C2构成了驱动开关磁阻电机的功率变换器。Q5，D9～D10，电感L2组成了DC/DC变换器。J1是继电器开关，用于实现插电式混合动力汽车不同的工作模式。牵引蓄电池用于驱动开关磁阻电机，辅助蓄电池为车载用电器供电。
上述集成化插电式混合动力汽车开关磁阻电机驱动系统可以工作在驱动模式和在线充电模式。工作在驱动模式时，继电器J2闭合，根据行驶路况和司机驾驶需求，通过控制继电器J1和发电机可以实现蓄电池单独驱动、发电机单独驱动和蓄电池-发电机共同驱动三种工作状态。
(1)蓄电池单独驱动
如图2所示，以开关磁阻电机A相绕组为例，在轻载时，PHEV有蓄电池单独供电，发电机在空闲状态。继电器J1和IGBT Q1导通，牵引电池给A相绕组LA供电如图2中的(a)所示。在A相绕组去磁阶段，IGBT Q1关断，A相绕组LA换流，相电流流过绕组LA，二极管D4和电容C2，电流路径如图2中的(b)所示。
(2)发电机单独驱动
当牵引电池荷电状态(SOC)较低，PHEV由发电机单独驱动，此时蓄电池为空闲状态。继电器J1断开，IGBT Q1导通，内燃机驱动发电机产生三相交流电，整流器将三相交流电转换成直流电，发电机单独给A相绕组励磁，如图3中的(a)所示。在去磁过程，Q1断开，相电流流过电容C1，绕组LA，二极管D4和电容C2，电流路径如图3中的(b)所示。
(3)牵引电池和发电机共同驱动
当PHEV加速或爬坡，牵引电池和发电机共同工作驱动开关磁阻电机。继电器J1和IGBT Q1同时导通，牵引电池和发电机共同给定子绕组LA供电，如图4中的(a)所示。在绕组去磁阶段，IGBT Q1断开，储存在绕组LA中的能量回馈到电容C2中，如图4中的(b)所示。
(4)去磁能量回收阶段
在绕组去磁能量回收阶段，储能在A相绕组LA中的能量被释放到电容C2中，为了保持电容电压稳定，储存在电容C2中的去磁能量被储存在蓄电池中。这个过程分为两个阶段，当IGBT Q4导通，电流流过电容C2，Q4，电感L1到牵引电池，如图5中的(a)所示。当IGBT Q4断开，电流流过续流二极管D8，电感L1到牵引电池，如图5中的(b)所示。
上述集成化插电式混合动力汽车开关磁阻电机驱动系统可以利用电机绕组和以后的功率开关器件构成车载充电器，不需要外加任何元器件，提高整个驱动系统的灵活性和复用性。所提的驱动拓扑可以实现电网向牵引电池充电，发电机向辅助电池充电和牵引电池向辅助电池充电三种充电模式。
(1)电网向牵引电池充电
当PHEV停止运行时，交流电网可以给牵引电池充电。继电器J1和J2断开，SRM的转子被机械锁固定，电机绕组LA，LB和LC可以作为交错并联型升压变换器的储能电感，车载充电器可以被简化成三通道交错并联型升压功率因数校正(PFC)整流器。当电网电压在正半周期时，充电过程如图6所示。当IGBT Q1导通时，电流从电网正极流出，经过D7，LA，Q1，D10到电网负极，如图6中的(a)和(b)所示。当Q1关断时，电流经过电网，D7，D4，C2，D10，又回到电网，如图6中的(c)和(d)所示。前端三通道交错并联升压变换器可以控制相差120电角度，减小线电流的脉动。
(2)发电机向辅助电池充电
当PHEV停止运行时，发电机可以向辅助电池充电。继电器J1断开，继电器J2导通。Q5，D9，电感L2组成了降压(Buck)变换器。当Q5导通，电流流过Q5，电感L2到辅助电池，如图7中的(a)所示。当Q5断开，储存在电感L2中的能量经过二极管D9，被传送到辅助电池中，如图7中的(b)所示。
(3)牵引电池向辅助电池充电
此外，还可以实现牵引电池向辅助电池充电。继电器J1和J2同时导通，当Q5导通时，牵引电池同时向储能电感L2和辅助电池充电，如图8中的(a)所示。当Q5断开时，储存在L2中的能量继续给辅助电池充电，如图8中的(b)所示。
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 (6)

1.一种集成化插电式混合动力汽车开关磁阻电机驱动系统，其特征在于：包括内燃机、发电机、整流器、牵引蓄电池、辅助蓄电池、开关磁阻电机三相定子绕组、第一～第五开关管、第一～第十二极管、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第一继电器和第二继电器；发电机与内燃机机械连接，内燃机驱动发电机产生三相交流电，发电机与整流器电气连接，整流器将三相交流电整成直流电；第一电容的正极经第二继电器与整流器的正输出端相连，第一电容的负极与整流器的负输出端相连，开关磁阻电机三相定子绕组的一端分别与整流器的正输出端相连，开关磁阻电机三相定子绕组的另一端分别与第一～第三开关管的集电极相连，第一～第三开关管的发射极与整流器的负输出端相连，第一～第三开关管的发射极分别连接第一～第三二极管的阳极，第一～第三开关管的集电极分别连接第一～第三二极管的阴极，第四～第六二极管的阳极分别连接第一～第三开关管的集电极，第二电容的正极连接第四～第六二极管的阴极，第二电容的负极连接整流器的负输出端，第四开关管的集电极连接第二电容的正极和第七二极管的阴极，第四开关管的发射极连接第七二极管的阳极和第八二极管的阴极，第八二极管的阳极连接整流器的负输出端，第一电感的两端分别连接第八二极管的阴极和牵引蓄电池的正极，牵引蓄电池的正极与第一电感的公共端经第一继电器与整流器的正输出端相连，牵引蓄电池的负极与整流器的负输出端相连，第五开关管的集电极连接第十二极管的阴极和整流器的正输出端，第五开关管的发射极连接第九开关管的阴极和第十开关管的阳极，辅助蓄电池的阳极经第二电感与第九二极管的阴极相连，辅助蓄电池的负极与整流器的负输出端相连；通过控制第一继电器和第二继电器的开合，实现插电式混合动力汽车不同的工作状态。
2.根据权利要求1所述集成化插电式混合动力汽车开关磁阻电机驱动系统，其特征在于：插电式混合动力汽车工作在驱动模式时，第二继电器闭合，通过控制第一继电器和发电机实现蓄电池单独驱动、发电机单独驱动和蓄电池-发电机共同驱动3种驱动状态。
3.根据权利要求2所述集成化插电式混合动力汽车开关磁阻电机驱动系统，其特征在于：当插电式混合动力汽车处于轻载时，第一继电器闭合，发电机处于空闲状态，此时处于蓄电池单独驱动状态；当牵引蓄电池荷电状态低于设定值时，第一继电器断开，牵引蓄电池处于空闲状态，此时处于发电机单独驱动状态；当插电式混合动力汽车加速或爬坡时，第一继电器闭合，此时处于蓄电池-发电机共同驱动状态。
4.根据权利要求1所述集成化插电式混合动力汽车开关磁阻电机驱动系统，其特征在于：当插电式混合动力汽车停止运行时，进入充电模式，电网充电接口经电磁干扰滤波器连接发电机与整流器之间的两相连接线。
5.根据权利要求4所述集成化插电式混合动力汽车开关磁阻电机驱动系统，其特征在于：在处于充电模式中，若第一继电器和第二继电器断开，此时由电网向牵引蓄电池充电；若第一继电器断开、第二继电器闭合，此时由发电机向辅助蓄电池充电；若第一继电器和第二继电器闭合，此时由牵引蓄电池向辅助蓄电池充电。
6.根据权利要求1所述集成化插电式混合动力汽车开关磁阻电机驱动系统，其特征在于：所述第一～第五开关管为绝缘栅双极型晶体管。
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