CN113746382B - 电动汽车用轮毂永磁电机控制系统及其能量转化控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电动汽车用轮毂永磁电机控制系统及其能量转化控制策略，轮毂永磁电机的外定子和内定子的三相绕组出线端分别与两个变流器相连，两个变流器均为三相电压桥式逆变电路，两个变流器通过直流供电系统供电。控制系统根据路况实时的切换电机的运行状态，实现能量的自适应转化。当电动汽车处于爬坡阶段时，双定子共同工作于电动状态，为电动汽车提供较大的输出扭矩；当电动汽车处于下坡或刹车阶段时，内定子切换成发电状态，将电能回馈到电池中，提高电池的续航能力；当电动汽车处于平坦路况时，外定子处于电动状态，内定子不参与能量转换。本发明可以有效的提升轮毂电机的功率密度、增强能量利用率，解决电动汽车行驶里程受限的问题。

Description

电动汽车用轮毂永磁电机控制系统及其能量转化控制策略

技术领域

本发明涉及轮毂电动机及其控制技术领域，尤其涉及一种电动汽车用轮毂永磁电机控制系统及其能量转化控制策略。

背景技术

随着节能环保的要求越来越高，新能源电动车的使用量也在逐年增加，2035年我国电动汽车的数量将增至2000万辆，销量将占汽车总销量比率的50％。对于目前电动汽车普遍应用的单转子-单定子结构形式的轮毂永磁电机，在处于上坡、泥沙和凹地等需要电动汽车加大马力运行的路况时，电机将工作在过载状态，有可能发生整车动力不足及电机发热等负面问题。在下坡或刹车的制动状态时，单转子-单定子结构形式的轮毂永磁电机对电能的回收效率也相对偏低，造成了能源的浪费。

因此，需要一种可以增强能量利用率，有效提升蓄电池续航能力的方法。

发明内容

本发明提供了一种电动汽车用轮毂永磁电机控制系统及其能量转化控制策略，以解决现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种电动汽车用轮毂永磁电机控制系统，所述系统包括轮毂永磁电机、两个变流器和直流供电系统；

所述轮毂永磁电机的外定子和内定子的三相绕组出线端分别与两个变流器相连，两个变流器均为三相电压桥式逆变电路，两个变流器通过直流供电系统供电。

优选地，直流供电系统由蓄电池、超级电容和DC-DC变换控组成。

优选地，轮毂永磁电机为单转子-双定子轮毂永磁电机。

优选地，轮毂永磁电机为双转子-双定子轮毂永磁电机，在外转子和内转子之间添加有隔磁隔电的材料，用于使得外转子磁路与内转子磁路彼此相互独立，没有磁耦合关系。

本发明的另一方面还提供一种应用于权利要求3的电动汽车用轮毂永磁电机控制系统的控制方法，当轮毂永磁电机为单转子-双定子轮毂永磁电机，包括如下方法：

当需要电动汽车加大马力运行的路况时，与轮毂电机外定子绕组和内定子绕组相连的变流器均工作在逆变模式，外定子和内定子均处于电动状态；

当电动汽车处于下坡路况或刹车制动模式时，与轮毂电机外定子绕组相连的第一变流器仍工作在逆变模式，与轮毂电机内定子绕组相连的第二变流器工作在整流模式，多余的交流电能通过第二变流器变成直流电能，并通过DC-DC变换器和超级电容反馈到蓄电池；

当电动汽车处于城市平路或高速公路时，与轮毂电机外定子绕组相连的第一变流器工作在逆变模式，外定子处于电动状态，从而为车轮提供动力，此时，第二变流器和DC-DC变换器、超级电容以及蓄电池断开，第二变流器和内定子不参与能量转换。

优选地，当轮毂永磁电机为双转子-双定子轮毂永磁电机时，包括如下方法：

当需要电动汽车加大马力运行的路况时，第一变流器和第二变流器均工作于逆变模式，将直流电能变流成交流电能为轮毂永磁电机的外定子绕组和内定子绕供电；

当电动汽车处于下坡路况或刹车制动模式时，第一变流器处于逆变模式，外定子仍然处于电动状态从而维持电动汽车所需较少的电能，内定子将工作在发电状态，第二变流器处于整流模式，并将多余的交流电能变流成直流电能，进而通过DC-DC变换器和超级电容将直流电能回馈至蓄电池；

当电动汽车处于城市平路或高速公路时，第一变流器处于逆变模式，外定子仍然处于电动状态从而维持电动汽车所需的电能，蓄电池将不再为第二变流器提供电能，第二变流器和内定子绕组不工作。

由上述本发明的电动汽车用轮毂永磁电机控制系统及其能量转化控制策略提供的技术方案可以看出，本发明的系统可以使电动汽车根据不同的路况信息更改轮毂电机和变流器的工作模式，实现蓄电池与轮毂电机之间能量自适应的双向流动，不仅可以提高电动汽车用轮毂永磁电机的功率密度，提高轮毂永磁电机的马力和整体运行性能，还增强了能量的利用率，有效的提升了蓄电池的续航能力，解决了电动汽车行驶里程受限的技术问题。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为电动汽车用轮毂永磁电机控制系统的控制方法示意图；

图2为轮毂永磁电机为单转子-双定子轮毂永磁电机的结构示意图；

图3为轮毂永磁电机为双转子-双定子轮毂永磁电机的结构示意图；

附图标记说明：

1外定子 2外定子绕组 3转子永磁体 4转轴 5内定子绕组 6内定子 7外定子 8外定子绕组 9外转子永磁体 10转轴 11内定子绕组 12内定子 13内转子永磁体 14隔磁隔电材料。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且并不构成对本发明实施例的限定。

实施例

本实施例提供了一种电动汽车用轮毂永磁电机控制系统，包括轮毂永磁电机、两个变流器和直流供电系统，轮毂永磁电机的外定子和内定子的三相绕组出线端分别与两个变流器相连，两个变流器均为三相电压桥式逆变电路，两个变流器通过直流供电系统供电。本实施例中的直流供电系统由蓄电池、超级电容和DC-DC变换器组成。两个变流器分别为变流器1和变流器2，变流器1和变流器2均可以根据电动汽车的路况信息工作于逆变或整流模式，与直流供电系统进行能量自适应的双向传递。

轮毂永磁电机控制系统可以根据路况和电动汽车的负载情况实现蓄电池和电机之间能量的自适应转化。具体的，轮毂永磁电机为单转子-双定子轮毂永磁电机或双转子-双定子轮毂永磁电机，双转子-双定子轮毂永磁电机在外转子和内转子之间添加有隔磁隔电的材料，用于使得外转子磁路与内转子磁路彼此相互独立，没有磁耦合关系。

电动汽车用轮毂永磁电机控制系统的控制方法示意图如图1所示，图2为轮毂永磁电机为单转子-双定子轮毂永磁电机的结构示意图，当轮毂永磁电机为单转子-双定子轮毂永磁电机，包括如下方法：

当需要电动汽车加大马力运行的路况时，如上坡、泥沙、凹地等，蓄电池的直流电能经过超级电容和DC-DC变换控制器变流成适用于变流器1和变流器2的直流电能，与轮毂电机外定子绕组和内定子绕组相连的变流器1和2均工作在逆变模式，即蓄电池通过超级电容和DC-DC变换器向变流器和双定子传输能量，将直流电能变流成交流电能为轮毂永磁电机的外定子绕组和内定子绕供电。外定子和内定子均处于电动状态，外定子绕组电流和内定子绕组电流产生的磁场与转子永磁体产生的磁场相互耦合，形成一个主磁路，轮毂电机只有一个气隙磁场。转子通过变速齿轮箱和车轮相连，为电动汽车提供马力。由于此时外定子和内定子均处于电动状态，因此轮毂电机输出扭矩增大，向车轮提供双倍的扭矩，增加了电动汽车的动力。

当电动汽车处于下坡路况或刹车制动模式时，蓄电池的直流电能依旧为变流器1供电，与轮毂电机外定子绕组相连的变流器1仍工作在逆变模式，从而维持电动汽车所需的较少电能。内定子将工作在发电状态，与轮毂电机内定子绕组相连的变流器2工作在整流模式，多余的交流电能通过变流器2变成直流电能，并通过DC-DC变换器和超级电容反馈到蓄电池，以减少能源的浪费，此时，外定子处于电动状态，内定子处于发电状态，外定子绕组电流产生的磁场和内定子绕组电流产生的磁场与转子永磁体产生的磁场仍然形成一个主磁路。

当电动汽车处于城市平路或高速公路时，蓄电池的直流电能依旧为变流器1供电，与轮毂电机外定子绕组相连的变流器1工作在逆变模式，外定子处于电动状态，从而为车轮提供动力，此时，变流器2和DC-DC变换器、超级电容以及蓄电池断开，变流器2和内定子不参与能量转换。外定子绕组电流产生的磁场与转子永磁体产生的磁场形成一个气隙磁场，等价于传统单转子-单定子结构形式的轮毂电机的工作模式。

图3为轮毂永磁电机为双转子-双定子轮毂永磁电机的结构示意图，当轮毂永磁电机为双转子-双定子轮毂永磁电机时，包括如下方法：

当电动汽车处于上坡、泥沙、凹地等需要电动汽车加大马力运行的路况，下坡路况或刹车制动模式，以及城市平路或高速公路时，外定子和内定子与变流器1和变流器2的工作模式相同。

当需要电动汽车加大马力运行的路况时，上坡、泥沙、凹地等，蓄电池的直流电能经过超级电容和DC-DC变换控制器变流成适用于变流器1和变流器2的直流电能，变流器1和变流器2均工作于逆变模式，将直流电能变流成交流电能为轮毂永磁电机的外定子绕组和内定子绕供电。外定子绕组电流形成的外定子磁场和外转子永磁体磁场耦合成一个气隙磁场，内定子绕组电流形成的内定子磁场和内转子永磁体磁场耦合成一个气隙磁场。由于在外转子永磁体和内转子永磁体之间加有隔磁隔电材料，示意性的，本实施例中的隔磁隔电材料为外部涂有绝缘漆的铜环，两个气隙磁场彼此独立，没有耦合关系，相当于两台传统单转子-单定子结构的轮毂电机共同向车轮提供马力，加强了电动汽车的动力。

当电动汽车处于下坡路况或刹车制动模式下，蓄电池的直流电能依旧为变流器1供电，变流器1处于逆变模式，外定子仍然处于电动状态从而维持电动汽车所需较少的电能。外定子绕组电流形成的外定子磁场和外转子永磁体磁场耦合成一个气隙磁场，相当于一台工作在轻载模式的电动机。内定子将工作在发电状态，变流器2处于整流模式，并将多余的交流电能变流成直流电能，进而通过DC-DC变换器和超级电容将直流电能回馈至蓄电池。内定子绕组电流形成的内定子磁场和内转子永磁体磁场耦合成一个气隙磁场，相当于一台发电机。

当电动汽车处于城市平路或高速公路时，蓄电池的直流电能依旧为变流器1供电，变流器1处于逆变模式，外定子仍然处于电动状态从而维持电动汽车所需的电能，蓄电池将不再为变流器2提供电能，变流器2和内定子绕组不工作。内转子和内定子不参与能量转换，与单转子-双定子结构的轮毂永磁电机相同，此时，外定子绕组电流形成的外定子磁场和转子永磁体磁场耦合成一个气隙磁场，相当于一台传统的单转子-单定子结构的轮毂电机。

综上所述，本实施例提高了轮毂永磁电机的功率密度和电机的运行性能，增强了能量的回收利用率，有效的提升了蓄电池的续航能力和电动汽车的行驶里程，节约电能，且可带来显著的经济效益。

本领域技术人员应能理解上述的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

在实际应用中，上述信号处理装置也可以设置在电子式互感器的内部的其它位置。本发明实施例并不局限上述信号处理装置的具体放置位置，上述信号处理装置在电子式互感器的内部中的任何放置方式都在本发明实施例的保护范围中。

本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的各类网络元素的数量可能小于一个实际网络中的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种电动汽车用轮毂永磁电机控制系统，其特征在于，所述系统包括轮毂永磁电机、两个变流器和直流供电系统；

所述轮毂永磁电机的外定子和内定子的三相绕组出线端分别与两个变流器相连，两个变流器均为三相电压桥式逆变电路，两个变流器通过直流供电系统供电；

所述电动汽车用轮毂永磁电机控制系统通过如下方法进行控制：

当轮毂永磁电机为单转子-双定子轮毂永磁电机，包括如下方法：

当需要电动汽车加大马力运行的路况时，与轮毂电机外定子绕组和内定子绕组相连的变流器均工作在逆变模式，外定子和内定子均处于电动状态；

当电动汽车处于下坡路况或刹车制动模式时，与轮毂电机外定子绕组相连的第一变流器仍工作在逆变模式，与轮毂电机内定子绕组相连的第二变流器工作在整流模式，多余的交流电能通过第二变流器变成直流电能，并通过DC-DC变换器和超级电容反馈到蓄电池；

当电动汽车处于城市平路或高速公路时，与轮毂电机外定子绕组相连的第一变流器工作在逆变模式，外定子处于电动状态，从而为车轮提供动力，此时，第二变流器和DC-DC变换器、超级电容以及蓄电池断开，第二变流器和内定子不参与能量转换；

或，

当轮毂永磁电机为双转子-双定子轮毂永磁电机时，在外转子和内转子之间添加有隔磁隔电的材料，用于使得外转子磁路与内转子磁路彼此相互独立，没有磁耦合关系，具体包括如下方法：

当需要电动汽车加大马力运行的路况时，第一变流器和第二变流器均工作于逆变模式，将直流电能变流成交流电能为轮毂永磁电机的外定子绕组和内定子绕供电；

当电动汽车处于下坡路况或刹车制动模式时，第一变流器处于逆变模式，外定子仍然处于电动状态从而维持电动汽车所需较少的电能，内定子将工作在发电状态，第二变流器处于整流模式，并将多余的交流电能变流成直流电能，进而通过DC-DC变换器和超级电容将直流电能回馈至蓄电池；

当电动汽车处于城市平路或高速公路时，第一变流器处于逆变模式，外定子仍然处于电动状态从而维持电动汽车所需的电能，蓄电池将不再为第二变流器提供电能，第二变流器和内定子绕组不工作。

2.根据权利要求1所述的电动汽车用轮毂永磁电机控制系统，其特征在于，所述的直流供电系统由蓄电池、超级电容和DC-DC变换控组成。

3.一种应用于权利要求1的电动汽车用轮毂永磁电机控制系统的控制方法，其特征在于，当轮毂永磁电机为单转子-双定子轮毂永磁电机，包括如下方法：

当需要电动汽车加大马力运行的路况时，与轮毂电机外定子绕组和内定子绕组相连的变流器均工作在逆变模式，外定子和内定子均处于电动状态；

当电动汽车处于下坡路况或刹车制动模式时，与轮毂电机外定子绕组相连的第一变流器仍工作在逆变模式，与轮毂电机内定子绕组相连的第二变流器工作在整流模式，多余的交流电能通过第二变流器变成直流电能，并通过DC-DC变换器和超级电容反馈到蓄电池；

当电动汽车处于城市平路或高速公路时，与轮毂电机外定子绕组相连的第一变流器工作在逆变模式，外定子处于电动状态，从而为车轮提供动力，此时，第二变流器和DC-DC变换器、超级电容以及蓄电池断开，第二变流器和内定子不参与能量转换。

4.一种应用于权利要求1的电动汽车用轮毂永磁电机控制系统的控制方法，其特征在于，当轮毂永磁电机为双转子-双定子轮毂永磁电机时，包括如下方法：

当需要电动汽车加大马力运行的路况时，第一变流器和第二变流器均工作于逆变模式，将直流电能变流成交流电能为轮毂永磁电机的外定子绕组和内定子绕供电；

当电动汽车处于下坡路况或刹车制动模式时，第一变流器处于逆变模式，外定子仍然处于电动状态从而维持电动汽车所需较少的电能，内定子将工作在发电状态，第二变流器处于整流模式，并将多余的交流电能变流成直流电能，进而通过DC-DC变换器和超级电容将直流电能回馈至蓄电池；

当电动汽车处于城市平路或高速公路时，第一变流器处于逆变模式，外定子仍然处于电动状态从而维持电动汽车所需的电能，蓄电池将不再为第二变流器提供电能，第二变流器和内定子绕组不工作。