CN110838750A - 一种基于六相开绕组电机驱动系统的车载集成充电机 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种基于六相开绕组电机驱动系统的车载集成充电机涉及一种车载集成充电机，目的是为了克服现有集成充电机在充电模式和V2G模式下，电动汽车电机会旋转、以及充电功率小的问题，包括六相开绕组电机、DC/AC功率变流器和DC/DC变换器；当车载集成充电机工作在充电模式时，网侧三相电输出的电能依次经六相开绕组电机、DC/AC功率变流器、DC/DC变换器、输入至待充电的蓄电池，为蓄电池充电；当车载集成充电机工作在车辆到电网V2G模式时，蓄电池输出的电能依次经DC/DC变换器、DC/AC功率变流器、六相开绕组电机输入至网侧三相电，将电能回馈至网侧三相电。

Description

一种基于六相开绕组电机驱动系统的车载集成充电机
技术领域
本发明涉及一种车载集成充电机，具体涉及一种基于开绕组电机的车载集成充电机装置。
背景技术
现有的电动汽车大多数是在汽车上安放一台车载充电机以实现充电功能，而电动汽车厂商为了兼顾电动汽车重量、体积和成本，通常只能安放小功率充电机，因此车载充电机多数只能实现慢充功能。集成充电机系统解决了这一问题，其利用电动汽车驱动器和电机绕组等自带器件来实现充电功能，同时充电机的最大充电功率可以为电动汽车驱动器的功率，能够实现快速充电功能。除此，集成充电机系统还可以将电动汽车电池暂时多余的能量回馈给电网，为电网提供能量缓冲，即V2G功能。
但是现有的集成充电机存在一些问题：
1、需要一些额外的器件和机械开关来实现不同模式(驱动模式、充电模式、V2G模式)的切换，这样不仅提高了系统的成本，也降低了系统的可靠性；
2、在充电模式和V2G模式下，电动汽车电机会旋转，这样需要离合器分离电机和车轮，会产生噪声和损耗，有安全隐患；
3、集成充电机功率受制约于电动汽车驱动系统的功率，对于小功率电机系统则无法实现大功率快速充电。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有集成充电机在充电模式和V2G模式下，电动汽车电机会旋转、以及充电功率小的问题，提供了一种基于六相开绕组电机驱动系统的车载集成充电机。
本发明的一种基于六相开绕组电机驱动系统的车载集成充电机，包括六相开绕组电机、DC/AC功率变流器和DC/DC变换器；
当车载集成充电机工作在充电模式时，网侧三相电输出的电能依次经六相开绕组电机、DC/AC功率变流器、DC/DC变换器、输入至待充电的蓄电池，为蓄电池充电；
当车载集成充电机工作在车辆到电网V2G模式时，蓄电池输出的电能依次经DC/DC变换器、DC/AC功率变流器、六相开绕组电机输入至网侧三相电，将电能回馈至网侧三相电；
六相开绕组电机的绕组包括第一A相绕组、第一B相绕组、第一C相绕组、第二A相绕组、第二B相绕组和第二C相绕组；
DC/AC功率变流器包括第一IGBT变换器、第二IGBT变换器、第三IGBT变换器和第四IGBT变换器，且第一IGBT变换器、第二IGBT变换器、第三IGBT变换器和第四IGBT变换器并联；
第一A相绕组、第一B相绕组、第一C相绕组、第二A相绕组、第二B相绕组和第二C相绕组的中部均与网侧三相电中对应相线电气连接；
第一A相绕组、第一B相绕组和第一C相绕组的首端均与第一IGBT变换器电气连接，第一A相绕组、第一B相绕组和第一C相绕组的尾端均与第二IGBT变换器电气连接，第二A相绕组、第二B相绕组和第二C相绕组的首端均与第三IGBT变换器电气连接，第二A相绕组、第二B相绕组和第二C相绕组的尾端均与第四IGBT变换器电气连接。
本发明的有益效果是：
1、当基于六相开绕组电机的车载充电机连接网侧三相电时，同时可以保证在充电模式和V2G模式下电机静止，同时电机绕组在不同工作模式下，无需任何额外的器件就可以实现自由切换，使得集成充电机系统具有高可靠性；
2、集成充电机的充电功率得到极大提升，最高可以达到电机功率的2倍。得益于六相开绕组电机的应用，集成充电机系统具有较强容错性，提升系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明的一种基于六相开绕组电机驱动系统的车载集成充电机的电路拓扑结构示意图；
图2为本发明的一种基于六相开绕组电机驱动系统的车载集成充电机的工作在充电模式时的电路拓扑结构示意图；其中，L为DC/DC变换器电感、C为电池侧电容、Cdc为变流器直流母线侧电容、R为六相开绕组电机任一相绕组的等效电阻、Lσ为六相开绕组电机任一相绕组的等效电感、vga为公共电网侧A相电压、vgb为网侧B相电压、vgc为网侧C相电压、iga为A相绕组一条支路的电流、igb为B相绕组一条支路的电流、igc为C相绕组一条支路的电流、icv为整流变换器输出电流、iCdc为电容Cdc的电流、idc为直流链电流、iL为滤波电感电流、ic为电容C的电流、ibat为蓄电池电流；
图3为本发明的一种基于六相开绕组电机驱动系统的车载集成充电机的工作在V2G模式下的电路拓扑结构示意图；
图4为本发明的一种基于六相开绕组电机驱动系统的车载集成充电机的容错能力电路拓扑结构示意图；
图5为本发明的一种基于六相开绕组电机驱动系统的车载集成充电机工作在驱动模式下的电路拓扑结构示意图；其中蓄电池为六相开绕组电机供电，p1为第一IGBT变换器直流链正极、p2为第二IGBT变换器直流链正极、p3为第三IGBT变换器直流链正极、p4为第四IGBT变换器直流链正极、n1为第一IGBT变换器直流链负极、n2为第二IGBT变换器直流链负极、n3为第三IGBT变换器直流链负极、n4为第四IGBT变换器直流链负极。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种车载集成充电机，如图1所示，包括六相开绕组电机1、DC/AC功率变流器和DC/DC变换器2；
当车载集成充电机工作在充电模式时，网侧三相电3输出的电能依次经六相开绕组电机1、DC/AC功率变流器、DC/DC变换器2、输入至待充电的蓄电池4，为蓄电池4充电；
当车载集成充电机工作在车辆到电网V2G模式时，蓄电池4输出的电能依次经DC/DC变换器2、DC/AC功率变流器、六相开绕组电机1输入至网侧三相电3，将电能回馈至网侧三相电3；
六相开绕组电机1的绕组包括第一A相绕组、第一B相绕组、第一C相绕组、第二A相绕组、第二B相绕组和第二C相绕组；
DC/AC功率变流器包括第一IGBT变换器5、第二IGBT变换器6、第三IGBT变换器7和第四IGBT变换器8，且第一IGBT变换器5、第二IGBT变换器6、第三IGBT变换器7和第四IGBT变换器8并联；
第一A相绕组、第一B相绕组、第一C相绕组、第二A相绕组、第二B相绕组和第二C相绕组的中部均与网侧三相电3中对应相线电气连接；
第一A相绕组、第一B相绕组和第一C相绕组的首端均与第一IGBT变换器5电气连接，第一A相绕组、第一B相绕组和第一C相绕组的尾端均与第二IGBT变换器6电气连接，第二A相绕组、第二B相绕组和第二C相绕组的首端均与第三IGBT变换器7电气连接，第二A相绕组、第二B相绕组和第二C相绕组的尾端均与第四IGBT变换器8电气连接。
其中，网侧三相电3处可以配置有一个充电枪，该充电枪插头连接公共电网网侧三相电，而六相开绕组电机1包括两组三相绕组，共六个绕组，该六个绕组中每个绕组的中部均引出接头连接有插座，如图1所示，充电时将充电枪插头与插座部分连接。
进一步地，每个IGBT变换器均包括三个IGBT桥臂；
每个IGBT桥臂均包括上桥臂IGBT管和下桥臂IGBT管，上桥臂IGBT管的发射极与下桥臂IGBT管的集电极电气连接；
所有上桥臂IGBT管的集电极电气连接后通过DC/DC变换器2电气连接蓄电池4正极，所有下桥臂IGBT管的发射极电气连接后通过DC/DC变换器2电气连接蓄电池4负极。
进一步地，第一A相绕组的首端a1电气连接第一IGBT变换器的第一个IGBT桥臂的中点，第一A相绕组的尾端u1电气连接第二IGBT变换器的第一个IGBT桥臂的中点；第二B相绕组的首端b1电气连接第一IGBT变换器的第二个IGBT桥臂的中点，第二B相绕组的尾端v1电气连接第二IGBT变换器的第二个IGBT桥臂的中点；第二C相绕组的首端c1电气连接第一IGBT变换器的第三个IGBT桥臂的中点，第二C相绕组的尾端w1电气连接第二IGBT变换器的第三个IGBT桥臂的中点。
进一步地，第二A相绕组的首端a2电气连接第三IGBT变换器的第一个IGBT桥臂的中点，第二A相绕组的尾端u2电气连接第四IGBT变换器的第一个IGBT桥臂的中点；第二B相绕组的首端b2电气连接第三IGBT变换器的第二个IGBT桥臂的中点，第二B相绕组的尾端v2电气连接第四IGBT变换器的第二个IGBT桥臂的中点；第二C相绕组的首端c2电气连接第三IGBT变换器的第三个IGBT桥臂的中点，第二C相绕组的尾端w2电气连接第四IGBT变换器的第三个IGBT桥臂的中点。
进一步地，六相开绕组电机1为感应电机或永磁同步电机。
进一步地，六相开绕组电机1是电角度相位差为60°的对称电机、电角度相位差为30°的非对称电机、或电角度为0°的双三相电机。
具体地，参照图1～图5，对本发明的一种基于六相开绕组电机驱动系统的车载集成充电机阐述如下：
本发明提出一种基于六相开绕组电机驱动系统的车载集成充电机方案，其中车载集成充电机为六相开绕组电机1，六相开绕组电机1可为感应电机也可为永磁同步电机，同时六相开绕组电机需要是电角度相位差为60°的对称电机或是电角度相位差为30°的非对称电机或是电角度为0°的双三相电机。
本发明不需要任何额外的器件就可以实现集成装置切换为驱动模式、充电模式和V2G模式。而充电模式的最大充电功率可以为驱动模式的2倍(但是对于原有的电动汽车驱动系统的DC/DC变换器，其功率需要提升为原来的2倍)，使得集成装置可以实现快速充电。在充电模式和V2G模式下，六相开绕组电机1的电机转子并不会旋转，因此不需要机械制动就可以保证电动汽车静止。并且由于应用了六相开绕组电机1，集成装置具有较强容错能力，保证了系统的安全可靠。
如图2所示，可以看出每相绕组两条支路流过的电流大小相等，方向相反，因此在六相开绕组电机1的内部形成的电磁场相互抵消，六相开绕组电机1在充电模式下将会保持静止。工作在充电模式时，六相开绕组电机1绕组作为网侧的滤波电感使用，每个IGBT变换器中的对应桥臂合起来组成一个新的变换器来实现整流功能，新的变换器拓扑结构如图2中虚线框中所示。其中，第一A相绕组的首端a1所电气连接的桥臂、第一A相绕组的尾端u1所电气连接的桥臂、第二A相绕组的首端a2所电气连接的桥臂，第二A相绕组的尾端u2所电气连接的桥臂构成一个新的变换器，用于对A相电流进行整流。同理，第二B相绕组的首端b1所电气连接的桥臂、第二B相绕组的尾端v1所电气连接的桥臂、第二B相绕组的首端b2所电气连接的桥臂，第二B相绕组的尾端v2所电气连接桥臂构成一个新的变换器，用于对B相电流进行整流；第二C相绕组的首端c1所电气连接的桥臂，第二C相绕组的尾端w1所电气连接的桥臂、第二C相绕组的首端c2所电气连接的桥臂，第二C相绕组的尾端w2所电气连接的桥臂构成一个新的变换器，用于对C相电流进行整流。
对于集成装置的充电功率从图2中可以看出，其充电功率为2倍的驱动电机功率，但是集成装置充电模式下的网侧等效滤波电感为电机定子电感的四分之一。
如图3所示，给出集成充电机系统工作在V2G模式下的电路拓扑结构。与集成装置工作在充电模式时相类似，网侧三相电3的充电枪插头同样与集成装置中的插座相连接，六相开绕组电机1绕组作为滤波电感使用，六相开绕组电机1可以保持静止。与充电模式不同的是，能量从电池侧流向电网侧。
如图4所示，为集成装置的容错能力体现。当本集成装置工作在充电模式下，一个变换器中的一相IGBT桥臂或是多相桥臂损坏不能工作，如图4的第一IGBT变换器中的对应于a1、b1或c1中任意几个，本集成装置可以检测出这些桥臂不工作，虽然其他IGBT变换器依然可以正常工作，但是如果只有第一IGBT变换器1中某单独一相或几相桥臂不工作，那么六相开绕组电机1绕组流过的电流在电机内部将会形成旋转磁场，电机转子将会转动，电动汽车将会移动带来危险事故。因此本集成装置检测到故障后，立即令故障相桥臂连接同一电机绕组另一端的桥臂也停止工作，如第二IGBT变换器中相对应的对应于u1、v1或w1的桥臂，这样流过六相开绕组电机1绕组的电流在电机内部形成的磁场将不会令电机转动。因此通过分析可以得知，本集成装置即使在IGBT变换器某一相或几相桥臂出现故障时，集成装置依然可以正常运行。

Claims (6)

1.一种基于六相开绕组电机驱动系统的车载集成充电机，其特征在于，包括六相开绕组电机(1)、DC/AC功率变流器和DC/DC变换器(2)；
当所述车载集成充电机工作在充电模式时，网侧三相电(3)输出的电能依次经所述六相开绕组电机(1)、所述DC/AC功率变流器、所述DC/DC变换器(2)、输入至待充电的所述蓄电池(4)，为所述蓄电池(4)充电；
当所述车载集成充电机工作在车辆到电网V2G模式时，所述蓄电池(4)输出的电能依次经所述DC/DC变换器(2)、所述DC/AC功率变流器、所述六相开绕组电机(1)输入至网侧三相电(3)，将电能回馈至所述网侧三相电(3)；
所述六相开绕组电机(1)的绕组包括第一A相绕组、第一B相绕组、第一C相绕组、第二A相绕组、第二B相绕组和第二C相绕组；
所述DC/AC功率变流器包括第一IGBT变换器(5)、第二IGBT变换器(6)、第三IGBT变换器(7)和第四IGBT变换器(8)，且第一IGBT变换器(5)、第二IGBT变换器(6)、第三IGBT变换器(7)和第四IGBT变换器(8)并联；
所述第一A相绕组、第一B相绕组、第一C相绕组、第二A相绕组、第二B相绕组和第二C相绕组的中部均与网侧三相电(3)中对应相线电气连接；
所述第一A相绕组、第一B相绕组和第一C相绕组的首端均与所述第一IGBT变换器(5)电气连接，第一A相绕组、第一B相绕组和第一C相绕组的尾端均与第二IGBT变换器(6)电气连接，所述第二A相绕组、第二B相绕组和第二C相绕组的首端均与第三IGBT变换器(7)电气连接，所述第二A相绕组、第二B相绕组和第二C相绕组的尾端均与第四IGBT变换器(8)电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于六相开绕组电机驱动系统的车载集成充电机，其特征在于，
每个IGBT变换器均包括三个IGBT桥臂；
每个IGBT桥臂均包括上桥臂IGBT管和下桥臂IGBT管，上桥臂IGBT管的发射极与下桥臂IGBT管的集电极电气连接；
所有上桥臂IGBT管的集电极电气连接后通过DC/DC变换器(2)电气连接蓄电池(4)正极，所有下桥臂IGBT管的发射极电气连接后通过DC/DC变换器(2)电气连接蓄电池(4)负极。
3.根据权利要求2所述的一种基于六相开绕组电机驱动系统的车载集成充电机，其特征在于，
所述第一A相绕组的首端a1电气连接第一IGBT变换器的第一个IGBT桥臂的中点，第一A相绕组的尾端u1电气连接第二IGBT变换器的第一个IGBT桥臂的中点；所述第二B相绕组的首端b1电气连接第一IGBT变换器的第二个IGBT桥臂的中点，第二B相绕组的尾端v1电气连接第二IGBT变换器的第二个IGBT桥臂的中点；所述第二C相绕组的首端c1电气连接第一IGBT变换器的第三个IGBT桥臂的中点，第二C相绕组的尾端w1电气连接第二IGBT变换器的第三个IGBT桥臂的中点。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于六相开绕组电机驱动系统的车载集成充电机，其特征在于，
所述第二A相绕组的首端a2电气连接第三IGBT变换器的第一个IGBT桥臂的中点，第二A相绕组的尾端u2电气连接第四IGBT变换器的第一个IGBT桥臂的中点；所述第二B相绕组的首端b2电气连接第三IGBT变换器的第二个IGBT桥臂的中点，第二B相绕组的尾端v2电气连接第四IGBT变换器的第二个IGBT桥臂的中点；所述第二C相绕组的首端c2电气连接第三IGBT变换器的第三个IGBT桥臂的中点，第二C相绕组的尾端w2电气连接第四IGBT变换器的第三个IGBT桥臂的中点。
5.根据权利要求1所述的一种基于六相开绕组电机驱动系统的车载集成充电机，其特征在于，所述六相开绕组电机(1)为感应电机或永磁同步电机。
6.根据权利要求5所述的一种基于六相开绕组电机驱动系统的车载集成充电机，其特征在于，所述六相开绕组电机(1)是电角度相位差为60°的对称电机、电角度相位差为30°的非对称电机、或电角度为0°的双三相电机。
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