CN110884373B - 以模式开关重构开绕组永磁电机的电动汽车集成充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及永磁电机技术，旨在提供一种以模式开关重构开绕组永磁电机的电动汽车集成充电系统。该充电系统的主电路包括交流输入电源、任意相永磁电机、电机驱动器、直流侧电容和蓄电池；任意相永磁电机为任意相开绕组永磁电机，其定子绕组两端打开并引出至定子壳体外，通过模式开关分别与交流输入电源和电机驱动器相连，共同构成整流电路；所述模式开关通过重构开绕组永磁电机的绕组作为电动汽车充电电路电感，使充电期间电机转子保持静止；所述交流输入电源是单相交流电源输入或三相交流电源输入。本发明基于常用的电动汽车集成充电系统，不增加任何硬件成本，方案通用性强，重构方式简单，能有效实现充电期间电机的转子静止。

Description

以模式开关重构开绕组永磁电机的电动汽车集成充电系统
技术领域
本发明涉及永磁电机技术，特别涉及一种以模式开关重构开绕组永磁电机的电动汽车集成充电系统，属于电气技术领域。
背景技术
随着生产力的不断提高，社会发展对石油、煤炭等化石能源的需求日益紧迫，由此带来环境污染和能源紧缺等问题。电动汽车以其节能环保的优势得到了世界各国研究人员的广泛关注，其相关驱动系统和充电系统的研究也取得飞速进步。目前电动汽车充电系统主要分为直流充电系统和车载交流充电系统，直流充电系统由于线路和器件的限制，安装成本高，便捷性差；车载交流充电系统成本较低，更有利于电动汽车的推广和普及。然而，目前现有的车载交流充电系统存在充电功率低、设备体积大、器件冗余等缺点，因此，研究高功率密度集成式车载交流充电系统成为目前电动汽车领域研究的一大热点。
电动汽车集成充电系统是指重构电动汽车电机绕组作为储能滤波电感，复用功率等级较高的电机驱动器作为整流器，从而构成新的高功率密度集成式车载充电系统。通过这种重构方式，不需要额外增加器件，将原有电动汽车驱动系统转变为充电系统，可以提高车载交流充电功率，节省车内空间，极大降低成本，从而促进电动汽车的普及。
集成充电系统按照输入电源类型分为单相交流充电系统和三相交流充电系统，重构的电机包括三相永磁电机和多相永磁电机。研究人员针对不同类型的输入电源和永磁电机分别提出了多种绕组重构的集成充电拓扑，其共同目标是保证充电期间电机的转子静止。但由于各种研究方案提出的绕组重构方式复杂多变，需要根据某一特定场合进行设计，而基于另一场合则不再适用，因而现有方案的通用性很差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种以模式开关重构开绕组永磁电机的电动汽车集成充电系统。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种以模式开关重构开绕组永磁电机的电动汽车集成充电系统，该充电系统的主电路包括交流输入电源、任意相永磁电机、电机驱动器、直流侧电容和蓄电池；所述任意相永磁电机为任意相开绕组永磁电机，其定子绕组两端打开并引出至定子壳体外，通过模式开关分别与交流输入电源和电机驱动器相连，共同构成整流电路；所述模式开关通过重构开绕组永磁电机的绕组作为电动汽车充电电路电感，使充电期间电机转子保持静止；所述交流输入电源是单相交流电源输入或三相交流电源输入。
本发明中，所述任意相开绕组永磁电机是对称绕组永磁电机或不对称绕组永磁电机。
本发明中，对于单相交流电源输入的充电拓扑，记任意相开绕组永磁电机的相数为n；选取任一相绕组的序号记为W0，其余各相绕组序号按逆时针方向依次为W1，W2，…，Wn-1；绕组W0，W1，W2，…，Wn-1同名端相连或首尾相连，连接后的绕组一端与单相交流电源一侧相连，另一端与电机驱动器相连，绕组与电机驱动器构成整流电路，使充电期间电机转子保持静止。
本发明中，对于三相交流电源输入的充电拓扑，记对称绕组永磁电机的相数为n；选取任一相绕组的序号记为W0，其余各相绕组序号按逆时针方向依次为W1，W2，…，Wn-1；绕组Wi与绕组Wn-i同名端相连或首尾相连，连接后的绕组一端与三相交流电源的任一相相连，另一端与电机驱动器相连，绕组与电机驱动器构成整流电路，使充电期间电机转子保持静止。
本发明中，对于三相交流电源输入的充电拓扑，记不对称绕组永磁电机的相数为n；选取任一相绕组的序号记为W0，其余各相绕组序号按逆时针方向依次为W1，W2，…，Wn-1；记n＝3m，绕组Wi与绕组W4m-1-i同名端相连或首尾相连，连接后的绕组一端与三相交流电源的任一相相连，另一端与电机驱动器相连，绕组与电机驱动器构成整流电路，使充电期间电机转子保持静止。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明基于常用的电动汽车集成充电系统，不增加任何硬件成本，所有重构方式均基于系统原有的硬件条件，重构方式简单，能有效实现充电期间电机的转子静止。
(2)本发明适用于对称绕组永磁电机、不对称绕组永磁电机的重构，也适用于单相交流电源输入、三相交流电源输入的集成充电拓扑，方案通用性强。
(3)本发明提出的重构方式中，满足重构关系的电机绕组可以采用同名端相连，也可以采用首尾相连，增加系统等效电感值，提高充电电路性能。
附图说明
图1为本发明中电动汽车集成充电系统主电路图。
图2为任意相开绕组永磁电机绕组序号规定图。
图3为基于三相永磁电机的单相交流集成充电系统绕组重构图。
图4为基于五相永磁电机的三相交流集成充电系统绕组重构图。
图5为不对称绕组正交参考坐标系图。
图6为基于六相不对称绕组永磁电机的三相交流集成充电系统绕组重构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明提出的绕组重构方式作详细说明。
本发明基于常用的电动汽车集成充电系统，如图1所示，该充电系统主电路包括单相或三相的交流输入电源1、模式开关2、任意相永磁电机3、电机驱动器4、直流侧电容5和蓄电池6。任意相永磁电机3为开绕组电机，绕组重构后绕组一端与单相或三相交流输入电源1相连，另一端与电机驱动器4相连，共同构成整流电路。
本发明基于任意相开绕组永磁电机绕组重构，为分析方便，对任意相开绕组永磁电机绕组序号作如下规定，如图2所示：记任意相开绕组永磁电机的相数为n，选取任一相绕组记为W0，规定其余各相绕组序号按逆时针方向依次为Wi，W2，…，Wn-1。
(1)本发明提供的以模式开关重构开绕组永磁电机的电动汽车集成充电系统中，对于单相交流电源输入的充电拓扑，绕组W0，W1，W2，…，Wn-1同名端相连或首尾相连，连接后的绕组一端与单相交流电源一侧相连，另一端与电机驱动器相连。
任意相对称绕组永磁电机去耦变换矩阵为
Figure BDA0002286236840000031
其中，n为电机相数，α为绕组空间分布角，α＝2π/n。
设绕组中电流矩阵为
I＝Im[cos(kωt-θ0)，cos(kωt-θ1)，cos(kωt-θ2)，…，cos(kωt-θn-1)]
其中，Im为电流幅值，k为电流谐波次数，θi为第i相绕组中电流相位。
根据任意相电机去耦变换矩阵前两行和电流矩阵，可以得出电机相电流转矩平面分量为
Figure BDA0002286236840000041
由于绕组W0，W1，W2，…，Wn-1同名端相连或首尾相连，则θ0＝θ1＝θ2＝…θn-1，因此，上式可以化简为
Figure BDA0002286236840000042
根据上式可知，通过绕组W0，W1，W2，…，Wn-1同名端相连或首尾相连的重构方式，使得电流转矩平面分量Ia＝Iβ＝0，电机不产生电磁转矩，从而实现充电期间电机的转子静止。
电机绕组不对称时通过相同的分析可得到同样的结论。
以基于三相永磁电机的单相交流集成充电系统为例，对绕组重构方式进行详细说明，如图3所示：图示为双电机驱动集成充电系统，三相开绕组永磁电机201(202)的W0绕组300、W1绕组301、W2绕组302两端打开，并引出至定子壳体外，绕组同名端相连，重构后的绕组一端与单相交流电源10相连，另一端分别与电机驱动器101的三条桥臂相连，则绕组电流相位满足θ0＝θ1＝θ2，从而实现充电期间电机输出转矩为零，转子保持静止。三相绕组与电机驱动器101共同组成并联单相H桥电路，可按照单相整流电路的一般方法进行控制，实现恒压充电和单位功率因数校正等。特别地，若W0绕组300、W1绕组301、W2绕组302首尾相连，构成单相整流电路，等效电感值将增大3倍，提高滤波效果，但功率器件承受的电流也将变为原来的3倍。
(2)本发明提供的以模式开关重构开绕组永磁电机的电动汽车集成充电系统中，对于三相交流电源输入的充电拓扑，对于对称绕组永磁电机，绕组Wi与绕组Wn-i同名端相连或首尾相连，连接后的绕组一端与三相交流电源的任一相相连，另一端与电机驱动器相连。
与(1)中类似，根据任意相电机去耦变换矩阵前两行和电流矩阵，可以得出电机相电流转矩平面分量，由于绕组Wi与绕组Wn-i同名端相连或首尾相连，则θi＝θn-i，因此，电流转矩平面分量为
Figure BDA0002286236840000043
根据上式可知，通过绕组Wi与绕组Wn-i同名端相连或首尾相连的重构方式，使得电流转矩平面分量Ia≠0，Iβ＝0，在电机内部产生脉振磁场，不产生启动转矩，从而实现充电期间电机的转子静止。
以基于五相永磁电机的三相交流集成充电系统为例，对绕组重构方式进行详细说明，如图4所示：图示为基于五相永磁电机的三相交流集成充电系统，五相开绕组永磁电机203的W0绕组500、W1绕组501、W2绕组502、W3绕组503、W4绕组504两端打开，并引出至定子壳体外，W0绕组500一端单独与电源A相11相连，另一端与电机驱动器102第一条桥臂1-1相连；W1绕组501与W4绕组504同名端相连，重构后的绕组一端与电源B相12相连，另一端分别与电机驱动器102第二条桥臂1-2、第三条桥臂1-3相连；W2绕组502与W3绕组503同名端相连，重构后的绕组一端与电源C相13相连，另一端分别与电机驱动器102第三条桥臂1-3、第四条桥臂1-4相连，则绕组电流相位满足θ1＝θ4，θ2＝θ3，从而实现充电期间电机输出转矩为零，转子保持静止。五相绕组与电机驱动器102共同组成三相全桥整流电路，可按照三相整流电路的一般方法进行控制，实现恒压充电和单位功率因数校正等。
(3)本发明提供的以模式开关重构开绕组永磁电机的电动汽车集成充电系统中，对于三相交流电源输入的充电拓扑，对于不对称绕组永磁电机，记n＝3m，绕组Wi与绕组W4m-1-i同名端相连或首尾相连，连接后的绕组一端与三相交流电源的任一相相连，另一端与电机驱动器相连。
任意相对称绕组永磁电机去耦变换矩阵为
Figure BDA0002286236840000051
其中，n为电机相数，β为绕组空间分布角。
若将正交坐标系的横轴正方向固定在前m相绕组的中间，相当于将参考坐标系逆时针旋转β(m-1)/2角度，参考坐标系如图5所示，则变换矩阵为
Figure BDA0002286236840000061
由于绕组Wi与绕组W4m-1-i同名端相连或首尾相连，则θi＝θ4m-1-i，与(2)中推导过程类似，可得电流转矩平面分量Ia≠0，Iβ＝0，在电机内部产生脉振磁场，不产生启动转矩，从而实现充电期间电机的转子静止。特别地，对于4m-1-i＞n-1，4m-1-i应减去总绕组数3m，变为m-1-i。
以基于六相不对称绕组永磁电机的三相交流集成充电系统为例，对绕组重构方式进行详细说明，如图6所示：图示为基于六相不对称绕组永磁电机的三相交流集成充电系统，六相开绕组永磁电机204的W0绕组600、Wi绕组601、W2绕组602、W3绕组603、W4绕组604、W5绕组605两端打开，并引出至定子壳体外，W0绕组600与Wi绕组601同名端相连，重构后的绕组一端单独与电源A相21相连，另一端与电机驱动器103第一条桥臂2-1、第二条桥臂2-2相连；W2绕组602与W5绕组605同名端相连，重构后的绕组一端与电源B相22相连，另一端分别与电机驱动器103第三条桥臂2-3、第四条桥臂2-4相连；W3绕组603与W4绕组604同名端相连，重构后的绕组一端与电源C相23相连，另一端分别与电机驱动器103第五条桥臂2-5、第六条桥臂2-6相连，则绕组电流相位满足θ0＝θ1，θ2＝θ5，θ3＝θ4，从而实现充电期间电机输出转矩为零，转子保持静止。六相绕组与电机驱动器103共同组成三相全桥整流电路，可按照三相整流电路的一般方法进行控制，实现恒压充电和单位功率因数校正等。

Claims (2)

1.一种以模式开关重构开绕组永磁电机的电动汽车集成充电系统，该充电系统的主电路包括交流输入电源、任意相永磁电机、电机驱动器、直流侧电容和蓄电池；其特征在于，所述任意相永磁电机为任意相开绕组永磁电机，其定子绕组两端打开并引出至定子壳体外，通过模式开关分别与交流输入电源和电机驱动器相连，共同构成整流电路；所述模式开关通过重构开绕组永磁电机的绕组作为电动汽车充电电路电感，使充电期间电机转子保持静止；所述交流输入电源是单相交流电源输入或三相交流电源输入；其中，
（1）对于单相交流电源输入的充电拓扑，记任意相开绕组永磁电机的相数为n；选取任一相绕组的序号记为W0，其余各相绕组序号按逆时针方向依次为W1，W2，···，W n-1；绕组W0，W1，W2，···，W n-1同名端相连或首尾相连，连接后的绕组一端与单相交流电源一侧相连，另一端与电机驱动器相连，绕组与电机驱动器构成整流电路，使充电期间电机转子保持静止；
（2）对于三相交流电源输入的充电拓扑，记对称绕组永磁电机的相数为n；选取任一相绕组的序号记为W0，其余各相绕组序号按逆时针方向依次为W1，W2，···，W n-1；绕组W i 与绕组W n-i 同名端相连或首尾相连，连接后的绕组一端与三相交流电源的任一相相连，另一端与电机驱动器相连，绕组与电机驱动器构成整流电路，使充电期间电机转子保持静止；
（3）对于三相交流电源输入的充电拓扑，记不对称绕组永磁电机的相数为n；选取任一相绕组的序号记为W0，其余各相绕组序号按逆时针方向依次为W1，W2，···，W n-1；记n =3m，绕组W i 与绕组W4m-1-i 同名端相连或首尾相连，连接后的绕组一端与三相交流电源的任一相相连，另一端与电机驱动器相连，绕组与电机驱动器构成整流电路，使充电期间电机转子保持静止。
2.根据权利要求1所述的电动汽车集成充电系统，其特征在于，所述的任意相开绕组永磁电机是对称绕组永磁电机或不对称绕组永磁电机。
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