CN113162514B - 开关磁阻电机功率变换器、控制方法、系统及电动汽车 - Google Patents

Abstract

本发明适用于开关磁阻电机技术领域，提供了一种开关磁阻电机功率变换器、控制方法、系统及电动汽车，上述开关磁阻电机功率变换器包括：第一开关管、第二开关管、第一电容、第二电容、第一继电器以及三个桥臂；第一开关管的发射极用于连接外部电池的正极，第一开关管的集电极连接第二开关管的发射极，第二开关管的集电极连接第一电容的第一端，第一电容的第二端分别连接第二电容的第一端和外部电池的正极；第二电容的第二端连接外部电池的负极；各个桥臂并联在第一开关管的集电极和外部电池的负极之间。本发明提供的开关磁阻电机功率变换器可以简化开关磁阻电机系统的电路结构，有效提高开关磁阻电机的运行效率。

Description

开关磁阻电机功率变换器、控制方法、系统及电动汽车

技术领域

本发明属于开关磁阻电机技术领域，尤其涉及一种开关磁阻电机功率变换器、控制方法、系统及电动汽车。

背景技术

电动汽车由于具有零尾气排放的巨大优势而受到人们的关注，在电动汽车领域中，开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)具有广阔的应用前景。传统的电动汽车的开关磁阻电机系统包括电源子系统、驱动子系统和电池，其中电池分别与电源子系统和驱动子系统连接。具体的，电源子系统包括整流器和功率因数校正电路(PowerFactorCorrection，PFC)，驱动子系统包括开关磁阻电机功率变换器和开关磁阻电机。其中电源子系统用于电网的能量输送至电池，驱动子系统用于利用电池中的能量驱动电机运转。

然而传统的开关磁阻电机系统需要使用大量的功率器件，占用的空间大，导致系统的功率密度和运行效率低下。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种开关磁阻电机功率变换器、控制方法、系统及电动汽车，能够简化开关磁阻电机系统的电路结构，提高开关磁阻电机的运行效率。

本发明实施例的第一方面提供了一种开关磁阻电机功率变换器，应用于具有三相绕组的开关磁阻电机系统，所述开关磁阻电机功率变换器包括：第一开关管、第二开关管、第一电容、第二电容、第一继电器、第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂；

所述第一开关管的发射极用于连接外部电池的正极，所述第一开关管的集电极分别连接所述第二开关管的发射极、所述第一桥臂的第一端以及所述第一继电器的第一端；

所述第一继电器的第二端分别连接所述第一桥臂的第二端、所述第二桥臂的第一端和所述第三桥臂的第一端；

所述第二开关管的集电极连接所述第一电容的第一端，所述第一电容的第二端分别连接所述第二电容的第一端以及所述外部电池的正极；所述第二电容的第二端分别连接所述外部电池的负极、所述第一桥臂的第三端、所述第二桥臂的第二端以及所述第三桥臂的第二端。

本发明实施例的第二方面提供了一种开关磁阻电机功率变换器控制方法，用于控制上述开关磁阻电机功率变换器的工作模式；所述工作模式包括低速驱动模式和高速驱动模式；所述方法包括：

向第一继电器发送闭合指令，向第一开关管发送导通指令，向第二开关管发送截止指令，以使得所述开关磁阻电机功率变换器工作在所述低速驱动模式；

向所述第一继电器发送闭合指令，向所述第一开关管发送截止指令，以使得所述开关磁阻电机功率变换器工作在所述高速驱动模式。

本发明实施例的第三方面提供了一种开关磁阻电机系统，包括上述开关磁阻电机功率变换器、具有三相绕组的开关磁阻电机、传感器模块以及控制器；所述控制器与所述开关磁阻电机功率变换器连接；所述开关磁阻电机功率变换器与所述开关磁阻电机连接；所述传感器模块安装在所述开关磁阻电机上，并与所述控制器通信连接；

所述传感器模块用于采集所述开关磁阻电机的运行状态信息，并向所述控制器发送所述运行状态信息；

所述控制器用于根据所述运行状态信息生成控制指令，通过执行上述开关磁阻电机功率变换器控制方法，控制所述开关磁阻电机功率变换器的工作模式，所述工作模式包括低速驱动模式和高速驱动模式；

在所述低速驱动模式和所述高速驱动模式中，所述开关磁阻电机功率变换器驱动所述开关磁阻电机运行。

本发明实施例的第四方面提供了一种电动汽车，包括如上所述的开关磁阻电机系统。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例提供的开关磁阻电机功率变换器应用于具有三相绕组的开关磁阻电机功率变换器的电动汽车，除包含三个桥臂外，还包含第一开关管、第二开关管、第一电容、第二电容以及第一继电器。具体的，第一开关管的发射极用于连接外部电池的正极，第一开关管的集电极分别连接第二开关管的发射极、第一桥臂的第一端以及第一继电器的第一端。第一继电器的第二端分别连接第一桥臂的第二端、第二桥臂的第一端和第三桥臂的第一端。第二开关管的集电极连接第一电容的第一端，第二电容的第二端分别连接第二电容的第一端以及外部电池的正极；第二电容的第二端分类连接外部电池的负极、第一桥臂的第二端、第二桥臂的第二端以及第三桥臂的第二端。以上器件可以使开关磁阻电机功率变换器工作在不同模式，能够简化开关磁阻电机系统的电路结构，并提高开关磁阻电机的运行效率和功率密度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中的开关磁阻电机功率变换器的结构示意图；

图2是现有技术中应用在电动汽车中的开关磁阻电机系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的开关磁阻电机功率变换器的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的开关磁阻电机功率变换器控制方法的实现流程示意图；

图5是本发明实施例提供的开关磁阻电机功率变换器控制方法的另一实现流程示意图；

图6是本发明实施例提供的开关磁阻电机功率变换器的电流流向示意图；

图7是本发明实施例提供的开关磁阻电机功率变换器控制方法的另一实现流程示意图；

图8是本发明实施例提供的开关磁阻电机功率变换器的另一电流流向示意图；

图9是本发明实施例提供的开关磁阻电机功率变换器的运行曲线示意图；

图10是本发明实施例提供的开关磁阻电机功率变换器的另一电流流向示意图；

图11是本发明实施例提供的开关磁阻电机系统的结构示意图；

图12是本发明实施例提供的开关磁阻电机系统的控制原理图；

图13是本法实施例提供的开关磁阻电机系统的另一控制原理图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

开关磁阻电机具有效率高、成本低、输出转矩大河调速性能好的优势，因此可以应用在电动汽车中。图1示出了现有技术中的开关磁阻电机功率变换器电路结构，图2示出了现有技术中开关磁阻电机在电动汽车中的应用系统的结构。

图2中，传统的开关磁阻电机在电动汽车中的应用系统包括依次连接的整流电路、PFC电路、电池、不对称半桥式开关磁阻电机功率变换器和开关磁阻电机。其中，整流电路和PFC电路构成电源子系统，不对称半桥式开关磁阻电机功率变换器和开关磁阻电机构成驱动子系统。电源子系统用于将电网的能量输送至电池，驱动子系统用于利用电池中的能量驱动开关磁阻电机运转。在此类系统中，电源子系统与驱动子系统相互独立，需要大量的功率器件，占据的空间较大，导致系统的功率密度低下。

本发明提供了一种开关磁阻电机功率变换器、控制方法、系统及电动汽车，为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本发明实施例提供的开关磁阻电机功率变换器应用于具有三相绕组的开关磁阻电机系统。

图3示出了本发明实施例提供的开关磁阻电机功率变换器的电路结构示意图，参见图3，本发明实施例提供的开关磁阻电机功率变换器100可以包括：第一开关管S1、第二开关管S2、第一电容C1、第二电容C2、第一继电器J、第一桥臂110、第二桥臂120以及第三桥臂130。

第一开关管S1的发射极用于连接外部电池B的正极，第一开关管S1的集电极分别连接第二开关管S2的发射极、第一桥臂110的第一端以及第一继电器J的第一端。

第一继电器J的第二端分别连接所第一桥臂110的第二端、第二桥臂120的第一端和第三桥臂130的第一端。

第二开关管S2的集电极连接第一电容C1的第一端，第一电容C1的第二端分别连接第二电容C2的第一端以及外部电池B的正极；第二电容C2的第二端分别连接外部电池B的负极、第一桥臂110的第三端、第二桥臂120的第二端以及第三桥臂130的第二端。

在本实施例中，开关磁阻电机功率变换器100除桥臂外，还包含由第一开关管S1、第二开关管S2、第一电容C1、第二电容C2以及第一继电器J构成的前端电路，前端电路能够在保证电路稳定性的同时使开关磁阻电机功率变换器100具有更多的工作模式，从而实现更多的功能，提高系统的功率密度和运行效率。

在一些实施例中，第一桥臂110可以包括第三开关管S3、第四开关管S4、第一二极管D1以及第二二极管D2。

具体的，第一二极管D1的负极连接第一桥臂110的第一端，第三开关管S3的集电极连接第一桥臂110的第二端，第四开关管S4的发射极和第二二极管D2的正极分别连接第一桥臂110的第三端；第一二极管D1的正极和第四开关管S4的集电极分别连接第一桥臂110的第四端；第三开关管S3的发射极和第二二极管D2的负极分别连接第一桥臂110的第五端；第一桥臂110的第四端用于连接开关磁阻电机的A相绕组的第一端，第一桥臂110的第五端用于连接A相绕组的第二端。

在一些实施例中，第二桥臂120可以包括第五开关管S5、第六开关管S6、第三二极管D3以及第四二极管D4。

具体的，第三二极管D3的负极和第五开关管S5的集电极分别连接第二桥臂120的第一端，第六开关管S6的发射极和第四二极管D4的正极分别连接第二桥臂120的第二端；第三二极管D3的正极和第六开关管S6的集电极分别连接第二桥臂120的第三端；第五开关管S5的发射极和第四二极管D4的负极分别连接第二桥臂120的第四端；第二桥臂120的第三端用于连接开关磁阻电机的B相绕组的第一端和外部交流电源，第二桥臂120的第四端用于连接B相绕组的第二端。

在一些实施例中，第三桥臂130可以包括第七开关管S7、第八开关管S8、第五二极管D5以及第六二极管D6。

具体的，第五二极管D5的负极和第七开关管S7的集电极分别连接第三桥臂130的第一端，第八开关管S8的发射极和第六二极管D6的正极分别连接第三桥臂130的第二端；第五二极管D5的正极和第八开关管S8的集电极分别连接第三桥臂130的第三端；第七开关管S7的发射极和第六二极管D6的负极分别连接第三桥臂130的第四端；第三桥臂130的第三端用于连接开关磁阻电机的C相绕组的第一端和外部交流电源，第三桥臂130的第四端用于连接C相绕组的第二端。

本发明实施例提供的开关磁阻电机功率变换器可以在简化电路结构的基础上提高开关磁阻电机的运行效率和功率密度。

本发明实施例提供的开关磁阻电机功率变换器控制方法用于控制上述开关磁阻电机功率变换器100的工作模式，工作模式包括低速驱动模式和高速驱动模式。图4示出了本发明实施例提供的开关磁阻电机功率变换器控制方法的实现流程，参见图4，上述控制方法可以包括步骤S101至S102。

在实际应用中，当电动汽车正常行驶时，根据行驶速度选用低速驱动模式或高速驱动模式。

S101：向第一继电器J发送闭合指令，向第一开关管S1发送导通指令，向第二开关管S2发送截止指令，以使得开关磁阻电机功率变换器100工作在低速驱动模式。

图5示出了步骤S101的具体实现流程，参见图5，在一些实施例中，S101可以包括步骤S201至S210。

S201：保持第一继电器J闭合、第一开关管S1导通以及第二开关管S2截止，并循环执行步骤S202至S210。

图6示出了开关磁阻电机100在低速驱动模式下部分时段的电流流向，需要说明的是，图6仅以A相绕组的运行为例，省略了其余部分的电路结构。

S202：向第三开关管S3和第四开关管S4发送导通指令，以使开关磁阻电机功率变换器10为A相绕组励磁，流经A相绕组的电流上升。

参见图6(a)，此时第三开关管S3和第四开关管S4导通，外部电池B通过第一开关管S1的反并联二极管为A相绕组励磁。

S203：向第三开关管S3和第四开关管S4发送截止指令，以使开关磁阻电机功率变换器10为A相绕组退磁，流经A相绕组的电流下降。

参见图6(b)，此时第三开关管S3和第四开关管S4截止，A相绕组通过第一开关管S1将电能反馈至外部电池B。

S204：向第三开关管S3发送截止指令，向第四开关管S4发送导通指令，以使开关磁阻电机功率变换器10处于零电压续流状态，流经A相绕组的电流下降。

参见图6(c)，第三开关管S3截止，第四开关管S4导通，此时A相绕组的电流通过第四开关管S4和第二二极管D2循环。

具体的，流经A相绕组的电流在零电压续流状态中的下降速度，相对于在退磁状态中的下降速度缓慢。

此外，图6(d)示出了第一电容C1充电过程的电流流向，此阶段中A相绕组通过第二开关管S2的反并联二极管为第一电容充电，当充电完成后，第一电容C1没有放电通道，相当于开路状态。经过第一电容充电C1的充电，开关磁阻电机功率变换器100完成初始化。

S205：向第五开关管S5和第六开关管S6发送导通指令，以使开关磁阻电机功率变换器10为B相绕组励磁，流经B相绕组的电流上升。

S206：向第五开关管S5和第六开关管S6发送截止指令，以使开关磁阻电机功率变换器10为B相绕组退磁，流经B相绕组的电流下降。

S207：向第五开关管S5发送截止指令，向第六开关管S6发送导通指令，以使开关磁阻电机功率变换器10处于零电压续流状态，流经B相绕组的电流下降。

S208：向第七开关管S7和第八开关管S8发送导通指令，以使开关磁阻电机功率变换器10为C相绕组励磁，流经C相绕组电流上升。

S209：向第七开关管S7和第八开关管S8发送截止指令，以使开关磁阻电机功率变换器10为C相绕组退磁，流经C相绕组的电流下降。

S210：向第七开关管S7发送截止指令，向第八开关管S8发送导通指令，以使开关磁阻电机功率变换器10处于零电压续流状态，流经C相绕组的电流下降。

当开关磁阻电机的转速达到预设的第一临界转速时，开关磁阻电机功率变换器100将由低速驱动模型切换至高速驱动模式，即进入步骤S102。其中，第一临界转速为开关磁阻电机机械特性中，恒转矩运行区向恒功率运行区的过渡点的转速。

S102：向第一继电器发送闭合指令，向第一开关管发送截止指令，以使得开关磁阻电机功率变换器工作在高速驱动模式。

图7示出了步骤S102的具体实现流程，参见图7，在一些实施例中，S102可以包括步骤S301至S307。

S301：保持第一继电器J闭合、第一开关管S1截止，并循环执行步骤S302至S307。

图8示出了开关磁阻电机功率变换器在高速驱动模式下部分时段的电流流向，需要说明的是，图8对电路结构进行了部分省略，未示出第三桥臂部分。

图9示出了开关磁磁阻电机功率变换器在高速驱动模式下的运行曲线。图9的横坐标为开关磁阻电机转子的转动角度，纵坐标由上至下分别为绕组的电感、流经绕组的电流以及开关磁阻电机功率变换器的母线电压。

S302：向第二开关管S2发送截止指令，向第四开关管S4发送导通指令，并对流经A相绕组的电流进行斩波控制。

S302对应图8(a)和图8(b)中的电流流向以及图9中的0至θ0部分的曲线。

在一些实施例中，S302可以包括步骤S401至S403。

S401：保持第二开关管S2截止、第四开关管S4导通，并循环执行步骤S402至S403。

S402：当流经A相绕组的电流减小至第一电流阈值时，向第二开关管S2发送导通指令，以使开关磁阻电机功率变换器10为A相绕组励磁，流经A相绕组的电流增大；

参见图8(a)，此时第一开关管S1和第二开关管S2截止，第三开关管S3和第四开关管S4均导通，外部电池B通过第一开关管S1的反并联二极管为A相绕组励磁。

S403：当流经A相绕组的电流增大至第二电流阈值时，向第二开关管S2发送截止指令，以使开关磁阻电机功率变换器处于零电压续流状态，流经A相绕组的电流减小。

参见图8(b)，此时第二开关管S2导通，第一开关管S1、第三开关管S3以及第四开关管S4均截止，流经A相绕组的电流通过第四开关管S4和第二二极管D2循环，电流减小。

具体的，第一电流阈值小于第二电流阈值。

通过循环执行S402至S403，可以将流经A相绕组的电流控制在第一电流阈值与第二电流阈值之间，从而维持恒定的转矩；A相绕组的电感逐渐增大，此阶段内母线电压保持不变，即为第二电容两端的电压U_C2。此外，S302阶段内，流经B相绕组和C相绕组的电流均为零，C相绕组的电感减小，B相绕组的电感维持在最小值。

S303：向第二开关管S2、第五开关管S5以及第六开关管S6发送导通指令，向第三开关管S3和第四开关管S4发送截止指令，以使开关磁阻电机功率变换器10为A相绕组退磁、为B相绕组励磁，流经A相绕组的电流下降，流经B相绕组的电流上升。

S303对应图8(c)和图8(d)中的电流流向以及图9中θ1至θ3部分的曲线，此步骤为换相的过程。

换相过程分为两个阶段，第一阶段对应图8(c)和图9中θ1至θ2部分；第二阶段对应图8(d)和图9中的θ2至θ3部分。

第一阶段：A相绕组产生的感生电势为第一电容C1和第二电容C2充电，并为B相绕组建立磁场，流经A相绕组的电流快速下降，流经B相绕组的电流快速上升；在此过程中母线电压提升至第一电容C1和第二电容C2的两端电压之和U_C1+U_C2。

第二阶段：A相绕组的感生电势下降至U_C1+U_C2，第一电容C1开始放电，A相绕组、第一电容C1和第二电容C2共同为B相绕组供电；当第一电容C1放电完毕，母线电压下降至U_C2。

S303过程中，流经A相绕组的电流下降至零，A相绕组的电感上升达到最大值；流经B相绕组的电流由零开始增大，B相绕组的电感由最小值开始增大；流经C相绕组的电流为零，C相绕组的电感继续减小。

S304：向第二开关管S2发送截止指令，向第六开关管S6发送导通指令，并对流经B相绕组的电流进行斩波控制。

S304对应图9中θ3至θ4部分的曲线。

在一些实施例中，S304可以包括步骤S501至S503。

S501：保持第二开关管S2截止、第六开关管S6导通，并循环执行步骤S502至S503。

S502：当流经B相绕组的电流减小至第一电流阈值时，向第二开关管S2发送导通指令，以使开关磁阻电机功率变换器10为B相绕组励磁，流经B相绕组的电流增大；

S503：当流经B相绕组的电流增大至第二电流阈值时，向第二开关管S2发送截止指令，以使开关磁阻电机功率变换器处于零电压续流状态，流经B相绕组的电流减小。

具体的，第一电流阈值小于第二电流阈值。

通过循环执行S502至S503，可以将流经B相绕组的电流控制在第一电流阈值与第二电流阈值之间，从而维持恒定的转矩；B相绕组的电感逐渐增大，此阶段内母线电压保持不变，即为第二电容两端的电压U_C2。此外，S304阶段内，流经C相绕组和A相绕组的电流均为零，A相绕组的电感减小，C相绕组的电感维持在最小值。

S305：向第二开关管S2、第七开关管S7以及第八开关管S8发送导通指令，向第五开关管S5和第六开关管S6发送截止指令，以使开关磁阻电机功率变换器10为B相绕组退磁、为C相绕组励磁，流经B相绕组的电流下降，流经C相绕组的电流上升。

S305对应图9中θ4至θ6部分的曲线，此步骤为换相的过程。与S303实质相同，S305也分为两个阶段，分别对应图9中θ4至θ5部分和θ5至θ6部分，

第一阶段：B相绕组通过感生电势为第一电容C1和第二电容C2充电，并为C相绕组建立磁场，流经B相绕组的电流快速下降，流经C相绕组的电流快速上升，母线电压上升至U_C1+U_C2。

第二阶段：B相绕组、第一电容C1和第二电容C2共同为C相绕组供电，当第一电容C1放电完毕，母线电压下降至U_C2。

S305过程中，流经B相绕组的电流下降至零，B相绕组的电感上升达到最大值；流经C相绕组的电流由零开始增大，C相绕组的电感由最小值开始增大；流经A相绕组的电流为零，A相绕组的电感继续减小。

S306：向第二开关管S2发送截止指令，向第八开关管S8发送导通指令，并对流经C相绕组的电流进行电流斩波控制。

S306对应图9中θ6至θ7部分的曲线。

在一些实施例中，S306可以包括步骤S601至S603。

S601：保持第二开关管S2截止、第八开关管S8导通，并循环执行步骤S401至S402。

S602：当流经C相绕组的电流减小至第一电流阈值时，向第二开关管S2发送导通指令，以使开关磁阻电机功率变换器10为C相绕组励磁，流经C相绕组的电流增大；

S603：当流经C相绕组的电流增大至第二电流阈值时，向第二开关管S2发送截止指令，以使开关磁阻电机功率变换器处于零电压续流状态，流经C相绕组的电流减小。

通过循环执行S602至S603，可以将流经C相绕组的电流控制在第一电流阈值与第二电流阈值之间，从而维持恒定的转矩；C相绕组的电感逐渐增大，此阶段内母线电压保持不变，即为第二电容两端的电压U_C2。此外，S306阶段内，流经A相绕组和B相绕组的电流均为零，B相绕组的电感减小，A相绕组的电感维持在最小值。

S307：向第二开关管S2、第三开关管S3以及第四开关管S4发送导通指令，向第七开关管S7和第八开关管S8发送截止指令，以使开关磁阻电机功率变换器10为C相绕组退磁、为A相绕组励磁，流经C相绕组的电流下降，流经A相绕组的电流上升。

S307对应图9中θ7至θ9部分的曲线，此步骤为换相的过程。与S303实质相同，S307也分为两个阶段，分别对应图9中θ7至θ8部分和θ8至θ9部分，

第一阶段：C相绕组通过感生电势为第一电容C1和第二电容C2充电，并为A相绕组建立磁场，流经C相绕组的电流快速下降，流经A相绕组的电流快速上升，母线电压上升至U_C1+U_C2。

第二阶段：C相绕组、第一电容C1和第二电容C2共同为A相绕组供电；当第一电容C1放电完毕，母线电压下降至U_C2。

S307过程中，流经C相绕组的电流下降至零，C相绕组的电感上升达到最大值；流经A相绕组的电流由零开始增大，A相绕组的电感由最小值开始增大；流经B相绕组的电流为零，B相绕组的电感继续减小。

由S302至S307可知，本发明实施例提供的开关磁阻电机可以充分利用第一电容C1的充放电功能，上一绕组续流的电能会暂时存储在第一电容C1中，并在为下一绕组励磁时将电能释放。上述过程可以提高开关磁阻电机功率变换器100的母线电压。

本发明实施例提供的开关磁阻电机功率变换器控制方法可以使电机运行在低速驱动模式或高速驱动模式，提高电能利用率和电机的运行效率。当上述方法应用于电动汽车时，可以有效提高汽车的续航里程。

在一些实施例中，开关磁阻电机功率变换器10的工作模式还包括充电模式，本发明实施例提供的开关磁阻电机功率变换器控制方法还可以包括S103。

在实际应用中，当电动汽车驻车充电时，应用上述充电模式。

具体的，S103：向第一继电器J发送断开指令，向第一开关管S1和第三开关管S3发送导通指令，向第二开关管S2、第五开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7以及第八开关管S8发送截止指令，以使开关磁阻电机功率变换器10工作在充电模式。

在一些实施例中，S103可以包括S701至S703。

S701：保持第一继电器J断开，保持第一开关管S1和第三开关管S3导通，保持第二开关管S2、第五开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7以及第八开关管S8截止，并循环执行步骤S702至S703。

图10示出了开关磁阻电机功率变换器100在充电模式下的电流流向。需要说明的是，图10中对部分开路的元件或支路进行了省略。

S702：向第四开关管S4发送导通指令，以使开关磁阻电机功率变换器10为A相绕组励磁。

参见图10(a)，S702过程中，第四开关管S4导通，第三二极管D3、第五二极管D5、第六开关管S6的反并联二极管以及第八开关管S8的反并联二极管构成整流电路，第三开关管S3、第四开关管S4、A相绕组以及第一二极管D1构成升压式斩波电路。交流电经过上述整流电路转换为直流电，并为A相绕组励磁。

S703：向第四开关管S4发送截止指令，以使A相绕组和开关磁阻电机功率变换器10共同为外部电池B充电。

参见图10(b)，S703过程中，第四开关管S4截止，上述整流电路和A相绕组共同为外部电池500充电。

在执行S702至S703的过程中，根据电网相位控制第四开关管S4的截止与导通，以使A相绕组的电流与电网电压同相位，从而增大电路的功率因数。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

图11示出了本发明实施例提供的开关磁阻电机系统的结构示意图，参见图11，本发明实施例提供一种开关磁阻电机系统100包括上述开关磁阻电机功率变换器100、具有三相绕组的开关磁阻电机200、传感器模块300以及控制器400。控制器400与开关磁阻电机功率变换器100连接；开关磁阻电机功率变换器100与开关磁阻电机200连接；传感器模块300安装在开关磁阻电机200上，并与控制器400通信连接。

传感器模块300用于采集开关磁阻电机200的运行状态信息，并向控制器400发送运行状态信息。

控制器400用于根据运行状态信息生成控制指令，通过执行如上所述的开关磁阻电机功率变换器控制方法，控制开关磁阻电机功率变换器100的工作模式，工作模式包括低速驱动模式和高速驱动模式。

在低速驱动模式和高速驱动模式中，开关磁阻电机功率变换器100驱动开关磁阻电机200运行。

传感器模块300采集的运行状态信息包括开关磁阻电机200的转子位置信息，具体的，转子位置信息可以包括角度信息，传感器模块300可以包括红外传感器、可见光传感器等。

图12示出了本发明实施例提供的低速驱动模式和高速驱动模式下的控制原理图，参见图12，驱动模式的控制过程包括：

步骤一：根据目标转速ω*确定当前应用低速驱动模式或是高速驱动模式。

步骤二：根据目标转速ω*和实际转速ω的差值δω，应用PI控制得到目标电流值i*。

步骤三：将目标电流值i*与实际电流值i相减，得到电流误差信号δi。

步骤四：根据电流误差信号基于滞环控制进行电流斩波控制。

步骤五：根据转子位置信息θ进行换相控制。

其中实际转速ω为根据转子位置信息θ计算得到。

控制器400还用于控制开关磁阻电机功率变换器100运行于充电模式。

由S701至S703可知，在充电过程中，仅有第四开关管S4的通断发生变化。在本实施例中，通过对第四开关管进行控制可以实现充电过程中的功率因数校正。

图13示出了本发明实施例提供的充电模式下的控制原理图，参见图13，充电模式的控制过程包括：

步骤一：根据电池的实际电压u_b和阈值电压u_s的大小关系确定充电类型。

其中，充电类型可以包括恒流充电和恒压充电，阈值电压为恒流充电向恒压充电转变的电压值。当实际电压小于等于阈值电压时，采用恒流充电；当实际电压大于阈值电压时，采用恒压充电。采用两种充电类型可以有效沿程电池使用寿命。

步骤二：确定给定电流值。

若为恒流充电，则获取恒流充电的预设电流i_s作为给定电流值i_a’。

若为恒压充电，则计算给定电压u_b*和实际电压u_b的电压差值δu_b，根据电压差值进行PI控制，计算得到给定电流值i_a’。

其中，给定电压u_b*可以为接近电池满电电压的值。

步骤三：将给定电流值i_a’与电网侧电压u_ac相乘，得到与电网侧电压同相位的电流给定信号i_a*。

步骤四：计算电流给定信号i_a*和实际电流i_a的电流差值δi_a，根据电流差值δi_a进行PI控制得到PWM输入信号。

步骤五：根据PWM输入信号生成PWM波，控制第四开关管S4的通断。

本发明实施例提供一种电动汽车，包括上述开关磁阻电机系统。

参见图11，本发明实施例提供的电动汽车包括上述开关磁阻电机系统10和电池500。对照图2和图11可知，本发明实施例提供的开关磁阻电机系统10在应用于电动汽车中时，无需再单独设置整流电路和PFC电路，开关磁阻电机系统10即可实现传统系统中驱动子系统和电源子系统的功能，即完成电网到电池的电能转换以及利用电池中的电能驱动开关磁阻电机200。具体的，在电动汽车行驶过程中，当开关磁阻电机200换相或制动时，电能可以由绕组经过开关磁阻电机功率变换器100回馈至电池500；在电动汽车驻车充电过程中，开关磁阻电机功率变换器100可以作为PFC电路工作。

可见，本发明实施例提供的开关磁阻电机系统10应用于电动汽车中可以显著简化电路结构，节约空间，提高系统的功率密度。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种开关磁阻电机功率变换器，其特征在于，应用于具有三相绕组的开关磁阻电机系统，所述开关磁阻电机功率变换器包括：第一开关管、第二开关管、第一电容、第二电容、第一继电器、第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂；

所述第一开关管的发射极用于连接外部电池的正极，所述第一开关管的集电极分别连接所述第二开关管的发射极、所述第一桥臂的第一端以及所述第一继电器的第一端；

所述第二开关管的集电极连接所述第一电容的第一端，所述第一电容的第二端分别连接所述第二电容的第一端以及所述外部电池的正极；所述第二电容的第二端分别连接所述外部电池的负极、所述第一桥臂的第三端、所述第二桥臂的第二端以及所述第三桥臂的第二端；

所述第一桥臂包括第三开关管、第四开关管、第一二极管以及第二二极管；

所述第二桥臂包括第五开关管、第六开关管、第三二极管以及第四二极管；

所述第三桥臂包括第七开关管、第八开关管、第五二极管以及第六二极管；

所述第一二极管的负极连接所述第一桥臂的第一端，所述第三开关管的集电极连接所述第一桥臂的第二端；所述第四开关管的发射极和所述第二二极管的正极分别连接所述第一桥臂的第三端；所述第一二极管的正极和所述第四开关管的集电极分别连接所述第一桥臂的第四端；所述第三开关管的发射极和所述第二二极管的负极分别连接所述第一桥臂的第五端；所述第一桥臂的第四端用于连接所述开关磁阻电机的A相绕组的第一端，所述第一桥臂的第五端用于连接所述A相绕组的第二端；

所述第三二极管的负极和所述第五开关管的集电极分别连接所述第二桥臂的第一端，所述第六开关管的发射极和所述第四二极管的正极分别连接所述第二桥臂的第二端；所述第三二极管的正极和所述第六开关管的集电极分别连接所述第二桥臂的第三端；所述第五开关管的发射极和所述第四二极管的负极分别连接所述第二桥臂的第四端；所述第二桥臂的第三端用于连接所述开关磁阻电机的B相绕组的第一端和外部交流电源，所述第二桥臂的第四端用于连接所述B相绕组的第二端；

所述第五二极管的负极和所述第七开关管的集电极分别连接所述第三桥臂的第一端，所述第八开关管的发射极和所述第六二极管的正极分别连接所述第三桥臂的第二端；所述第五二极管的正极和所述第八开关管的集电极分别连接所述第三桥臂的第三端；所述第七开关管的发射极和所述第六二极管的负极分别连接所述第三桥臂的第四端；所述第三桥臂的第三端用于连接所述开关磁阻电机的C相绕组的第一端和外部交流电源，所述第三桥臂的第四端用于连接所述C相绕组的第二端；

所述第一继电器的第一端连接所述第一二极管的负极，所述第一继电器的第二端连接所述第三开关管的集电极；

所述第一桥臂的第二端、所述第二桥臂的第一端和所述第三桥臂的第一端分别连接所述第一继电器的第二端。

2.一种开关磁阻电机功率变换器控制方法，其特征在于，用于控制如权利要求1所述的开关磁阻电机功率变换器的工作模式；所述工作模式包括低速驱动模式和高速驱动模式；所述方法包括：

向第一继电器发送闭合指令，向第一开关管发送导通指令，向第二开关管发送截止指令，以使得所述开关磁阻电机功率变换器工作在所述低速驱动模式；

向所述第一继电器发送闭合指令，向所述第一开关管发送截止指令，以使得所述开关磁阻电机功率变换器工作在所述高速驱动模式。

3.如权利要求2所述的一种开关磁阻电机功率变换器控制方法，其特征在于，基于如权利要求1所述的开关磁阻电机功率变换器，所述工作模式还包括充电模式，所述方法还包括：

向所述第一继电器发送断开指令，向所述第一开关管和第三开关管发送导通指令，向所述第二开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管以及第八开关管发送截止指令，以使所述开关磁阻电机功率变换器工作在所述充电模式。

4.如权利要求2所述的一种开关磁阻电机功率变换器控制方法，其特征在于，所述向第一继电器发送闭合指令，向第一开关管发送导通指令，向第二开关管发送截止指令，以使得所述开关磁阻电机功率变换器工作在所述低速驱动模式，包括：

保持所述第一继电器闭合、所述第一开关管导通以及所述第二开关管截止，并循环执行以下步骤：

向第三开关管和第四开关管发送导通指令，以使所述开关磁阻电机功率变换器为A相绕组励磁，流经所述A相绕组的电流上升；

向所述第三开关管和所述第四开关管发送截止指令，以使所述开关磁阻电机功率变换器为所述A相绕组退磁，流经所述A相绕组的电流下降；

向所述第三开关管发送截止指令，向所述第四开关管发送导通指令，以使所述开关磁阻电机功率变换器处于零电压续流状态，流经所述A相绕组的电流下降；

向第五开关管和第六开关管发送导通指令，以使所述开关磁阻电机功率变换器为B相绕组励磁，流经所述B相绕组的电流上升；

向所述第五开关管和所述第六开关管发送截止指令，以使所述开关磁阻电机功率变换器为所述B相绕组退磁，流经所述B相绕组的电流下降；

向所述第五开关管发送截止指令，向所述第六开关管发送导通指令，以使所述开关磁阻电机功率变换器处于零电压续流状态，流经所述B相绕组的电流下降；

向第七开关管和第八开关管发送导通指令，以使所述开关磁阻电机功率变换器为C相绕组励磁，流经所述C相绕组电流上升；

向所述第七开关管和所述第八开关管发送截止指令，以使所述开关磁阻电机功率变换器为所述C相绕组退磁，流经所述C相绕组的电流下降；

向所述第七开关管发送截止指令，向所述第八开关管发送导通指令，以使所述开关磁阻电机功率变换器处于零电压续流状态，流经所述C相绕组的电流下降。

5.如权利要求2所述的一种开关磁阻电机功率变换器控制方法，其特征在于，所述向所述第一继电器发送闭合指令，向所述第一开关管发送截止指令，以使得所述开关磁阻电机功率变换器工作在所述高速驱动模式，包括：

保持所述第一继电器闭合、所述第一开关管截止，并循环执行以下步骤：

向所述第二开关管发送截止指令，向第四开关管发送导通指令，并对流经A相绕组的电流进行斩波控制；

向所述第二开关管、第五开关管以及第六开关管发送导通指令，向第三开关管和所述第四开关管发送截止指令，以使所述开关磁阻电机功率变换器为所述A相绕组退磁、为B相绕组励磁，流经所述A相绕组的电流下降，流经所述B相绕组的电流上升；

向所述第二开关管发送截止指令，向所述第六开关管发送导通指令，并对流经所述B相绕组的电流进行斩波控制；

向所述第二开关管、第七开关管以及第八开关管发送导通指令，向所述第五开关管和所述第六开关管发送截止指令，以使所述开关磁阻电机功率变换器为所述B相绕组退磁、为C相绕组励磁，流经所述B相绕组的电流下降，流经所述C相绕组的电流上升；

向所述第二开关管发送截止指令，向所述第八开关管发送导通指令，并对流经所述C相绕组的电流进行电流斩波控制；

向所述第二开关管、所述第三开关管以及所述第四开关管发送导通指令，向所述第七开关管和所述第八开关管发送截止指令，以使所述开关磁阻电机功率变换器为所述C相绕组退磁、为所述A相绕组励磁，流经所述C相绕组的电流下降，流经所述A相绕组的电流上升。

6.如权利要求5所述的一种开关磁阻电机功率变换器控制方法，其特征在于，所述向所述第二开关管发送截止指令，向所述第四开关管发送导通指令，并对流经A相绕组的电流进电流斩波控制，包括：

保持所述第二开关管截止、第四开关管导通，并循环执行以下步骤：

当流经所述A相绕组的电流减小至第一电流阈值时，向所述第二开关管发送导通指令，以使所述开关磁阻电机功率变换器为所述A相绕组励磁，流经所述A相绕组的电流增大；

当流经所述A相绕组的电流增大至第二电流阈值时，向所述第二开关管发送截止指令，以使所述开关磁阻电机功率变换器处于零电压续流状态，流经所述A相绕组的电流减小。

7.如权利要求3所述的一种开关磁阻电机功率变换器控制方法，其特征在于，所述向所述第一继电器发送断开指令，向所述第一开关管和所述第三开关管发送导通指令，向所述第二开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管以及第八开关管发送截止指令，以使所述开关磁阻电机功率变换器工作在所述充电模式，包括：

保持所述第一继电器断开，保持所述第一开关管和所述第三开关管导通，保持所述第二开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管以及所述第八开关管截止，并循环执行以下步骤：

向第四开关管发送导通指令，以使所述开关磁阻电机功率变换器为A相绕组励磁；

向所述第四开关管发送截止指令，以使所述A相绕组和所述开关磁阻电机功率变换器共同向外部电池充电。

8.一种开关磁阻电机系统，其特征在于，包括如权利要求1所述的开关磁阻电机功率变换器、具有三相绕组的开关磁阻电机、传感器模块以及控制器；所述控制器与所述开关磁阻电机功率变换器连接；所述开关磁阻电机功率变换器与所述开关磁阻电机连接；所述传感器模块安装在所述开关磁阻电机上，并与所述控制器通信连接；

所述传感器模块用于采集所述开关磁阻电机的运行状态信息，并向所述控制器发送所述运行状态信息；

所述控制器用于根据所述运行状态信息生成控制指令，通过执行如权利要求2至7任一项所述的开关磁阻电机功率变换器控制方法，控制所述开关磁阻电机功率变换器的工作模式，所述工作模式包括低速驱动模式和高速驱动模式；

在所述低速驱动模式和所述高速驱动模式中，所述开关磁阻电机功率变换器驱动所述开关磁阻电机运行。

9.一种电动汽车，其特征在于，包括如权利要求8所述的开关磁阻电机系统。

Images