CN115139824A

CN115139824A - 基于重构六相对称永磁同步电机的电动汽车集成充电系统

Info

Publication number: CN115139824A
Application number: CN202210996827.7A
Authority: CN
Inventors: 於锋; 汪治; 朱志豪
Original assignee: Nantong University
Current assignee: Nantong University
Priority date: 2022-08-19
Filing date: 2022-08-19
Publication date: 2022-10-04

Abstract

本发明公开了一种以基于重构六相对称永磁同步电机的电动汽车集成充电系统，包括单相交流输入、六相逆变器、六相对称永磁同步电机、输出滤波电容、动力电池和模式切换开关；在充电模式，六相对称永磁同步电机的对称四相绕组与六相逆变器的四组半桥构成两组双Boost并联再串联的整流结构，六相逆变器剩余的两组半桥与六相对称永磁同步电机剩余的两相绕组构成H桥型有源滤波器，用于抑制输出侧存在二次充电电流纹波。本发明基于常用的六相电驱重构型电动汽车集成充电系统，通过增加四个模式切换开关，就可实现网侧单位功率因数校正和直流侧二次功率纹波抑制功能，并通过合理分配六相电机的绕组，实现充电期间电机的转子静止。

Description

基于重构六相对称永磁同步电机的电动汽车集成充电系统

技术领域

本发明涉及以一种电动汽车集成充电系统，属于电力电子及电力拖动领域。

背景技术

随着社会的不断发展，对煤炭、石油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问题。电动汽车在行驶过程中无废气排出，相比于燃油车更加环保，并且由于电能的来源使多样化的，例如风能、太阳能、潮汐能、核能都可以高效的转化为电能，所以，由于电动汽车零排放、能源利用率高和结构简单等优点受到了世界各国研究人员的广泛关注，而制约电动汽车发展的重要因素之一就是充电技术。目前电动汽车充电系统主要分为直流充电系统与交流充电系统，直流充电系统由于其体积与成本原因并未全面普及。车载交流充电机成本较低，更有利于电动汽车的推广与普及，然而，目前现有的车载交流充电机仍存在充电功率低、设备体积大、重量大和成本昂贵等缺点，因此，电驱重构型车载充电机便成为目前电动汽车车载充电机研究的一大热点。

电驱重构型车载充电机通过复用原电驱系统已有的电机绕组、传感器与逆变器等，重构成新的高功率密度集成式系统，通过这种重构的方式，充分利用了原有系统已有的大部分功率器件，将原有的电驱系统转变为充电系统，可以节省车内空间、减轻整车重量、极大的降低成本，因其高度的集成化，从而利于电动汽车的普及。

在六相电驱重构集成充电系统单相慢充应用场合中，输出侧存在固有的二倍频功率脉动，这种低频的脉动会引起较大的充电电流脉动，严重影响充电效率，并且减少动力电池的使用寿命，同时还增加了安全隐患。

发明内容

发明目的：针对上述问题，提出一种基于重构六相对称永磁同步电机的电动汽车集成充电系统，以实现电动汽车电驱与动力电池充电功能总集成，同时抑制充电时二次电流纹波。

技术方案：基于重构六相对称永磁同步电机的电动汽车集成充电系统，包括：单相交流输入电源、六相对称永磁同步电机、六相逆变器、输出滤波电容、动力电池和模式切换开关K ₁、K ₂、K ₃、K ₄；

六相对称永磁同步电机包括两组三相绕组，分别由L_A绕组、L_A’绕组、L_C绕组以及L_B绕组、L_B’绕组、L_C’绕组构成，单相交流输入电源通过模式切换开关K ₃、K ₄分别连接六相对称永磁同步电机中两组三相绕组的中性点位置，六相对称永磁同步电机六相绕组接线端与六相逆变器的六个输出端分别相连，输出滤波电容和动力电池并联在六相逆变器的输入端；其中，六相对称永磁同步电机的L_C绕组通过模式切换开关K ₁连接所在三相绕组中性点位置或L_C’绕组，六相对称永磁同步电机的L_C’绕组通过模式切换开关K ₂连接所在三相绕组中性点位置或L_C绕组；

在电驱模式，断开模式切换开关K ₃、K ₄，通过模式切换开关K ₁将L_C绕组连接至中性点位置，通过模式切换开关K ₂将L_C’绕组连接至中性点位置，动力电池通过六相逆变器驱动六相对称永磁同步电机运行；

在充电模式，闭合模式切换开关K ₃、K ₄，通过模式切换开关K ₁和K ₂将L_C绕组与L_C’绕组相连，单相交流输入电源与六相对称永磁同步电机的L_A、L_A’、L_B、L_B’绕组的中性点位置连接，L_A、L_B、L_A’、L_B’绕组的接线端与六相逆变器中的四组半桥构成两组双Boost并联再串联的整流结构，对交流侧进行功率因数校正，并对输入的交流电进行整流与升压；L_C绕组与L_C’绕组串联后，与六相逆变器中的两组半桥构成H桥型有源滤波器，吸收直流侧的二次功率纹波，抑制动力电池的充电电流纹波。

有益效果：该充电系统的主电路包括单相交流输入、六相逆变器、六相对称永磁同步电机、输出滤波电容、动力电池和模式切换开关；在充电模式，六相对称永磁同步电机的对称四相绕组与六相逆变器的四组半桥构成两组双Boost并联再串联的整流结构，六相逆变器剩余的两组半桥与六相对称永磁同步电机剩余的两相绕组构成H桥型有源滤波器，用于抑制输出侧存在二次充电电流纹波。

本发明基于常用的六相电驱重构型电动汽车集成充电系统，在原有电驱系统的基础上只需要增加四个切换开关，就可实现网侧单位功率因数校正和直流侧二次功率纹波抑制功能，在提高充电电流质量的同时，有效降低了系统的成本与体积；并且通过合理分配六相电机的绕组实现充电期间电机的转子静止，从而有效提高了充电过程中的安全性。

附图说明

图1为本发明电动汽车集成充电系统结构示意图；

图2为充电模式下系统简化拓扑结构；

图3为网侧电压和网侧电流仿真结果；

图4为无有源滤波器系统充电电流仿真结果；

图5为以模式开关重构六相对称永磁同步电机的电动汽车集成充电系统充电电流仿真结果；

图6为以模式开关重构六相对称永磁同步电机的电动汽车集成充电系统绕组分配示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种基于重构六相对称永磁同步电机的电动汽车集成充电系统，包括：单相交流输入电源1、六相对称永磁同步电机2、六相逆变器3、输出滤波电容4、动力电池5和模式切换开关K ₁、K ₂、K ₃、K ₄。

六相对称永磁同步电机2包括两组三相绕组，分别由L_A绕组、L_A’绕组、L_C绕组以及L_B绕组、L_B’绕组、L_C’绕组构成，单相交流输入电源1通过模式切换开关K ₃、K ₄分别连接六相对称永磁同步电机2中两组三相绕组的中性点位置，六相对称永磁同步电机2六相绕组接线端与六相逆变器3的六个输出端分别相连，输出滤波电容4和动力电池5并联在六相逆变器3的输入端。其中，六相对称永磁同步电机2的L_C绕组通过模式切换开关K ₁连接所在三相绕组中性点位置或L_C’绕组，六相对称永磁同步电机2的L_C’绕组通过模式切换开关K ₂连接所在三相绕组中性点或L_C绕组。

在电驱模式，断开模式切换开关K ₃、K ₄，将模式切换开关K ₁连接至a点，即将L_C绕组连接至中性点位置，将模式切换开关K ₂连接至c点，即将L_C’绕组连接至中性点位置，此时，动力电池5通过六相逆变器3驱动六相对称永磁同步电机2运行。

在充电模式，闭合模式切换开关K ₃、K ₄，将模式切换开关K ₁连接至b点，将模式切换开关K ₂连接至d点，即将L_C绕组与L_C’绕组连接，此时，单相交流输入电源1通过模式切换开关K ₃、K ₄与六相对称永磁同步电机2的L_A、L_A’、L_B、L_B’绕组的中性点位置连接，L_A、L_B、L_A’、L_B’绕组的接线端再与六相逆变器3中的四组半桥构成双Boost并联再串联的整流结构，对交流侧进行功率因数校正，并对输入的交流电进行整流与升压。而L_C绕组与L_C’绕组串联后，与六相逆变器3中的两组半桥构成H桥型有源滤波器，吸收直流侧的二次功率纹波，抑制动力电池5的充电电流纹波。

本实施例中，通过复用与重构六相对称永磁同步电机绕组与六相逆变器，在充电时将六相对称永磁同步电机的四相绕组和与六相逆变器的四组半桥重构为一种双Boost并联再串联的整流电路，实现对网侧的功率因数校正与升压功能，同时将剩余的两相绕组与两组半桥通过模式切换开关重构为一个H桥型有源滤波器，抑制直流侧二次功率纹波，实现较小的充电电流脉动，获得高质量充电电流，以延长动力电池的使用寿命，提高充电效率。

为验证本发明的技术问题，构建了以模式开关重构六相对称永磁同步电机的电动汽车集成充电系统的简化拓扑电路，如图2所示，它主要由双Boost并联再串联的整流电路和有源滤波器电路构成。在本实施例中，单相交流电源电压幅值155.56V；频率50Hz；六相电机绕组2.4mH；输出滤波电容4700uF；充电电流10A；输出功率1.7kW；动力电池容量50Ah。

在本实施例中，图3为网侧电压与电流波形，可以看出，充电过程中电源输入电压v _s和输入电流i _s波形相位基本一致并且电流呈正弦状态，满足单位功率因数运行要求。

图4为原六相电驱重构型集成充电系统的充电电流波形，该系统不含有源滤波器，可以看出，当系统只有输出滤波电容而无有源滤波器时，充电电流在10A左右剧烈脉动，纹波高达14A左右，这种大脉动的充电电流会导致电池过热，带来安全隐患，并且会降低电池的使用寿命。

图5为本发明提出的以模式开关重构六相对称永磁同步电机的电动汽车集成充电系统动力电池侧充电电流波形，由图可见，充电电流纹波在10A左右轻微脉动，纹波由图4的14A左右降低至图5的1.5A左右，电流脉动抑制效果显著。

图6为以模式开关重构六相对称永磁同步电机的电动汽车集成充电系统绕组分配示意图，由图5可见，由于L_A与L_A’是处于并联状态的，所以L_A上的相电流i _a与L_A’上的相电流i _a’是相等的，即i _a=i _a’；同理，由于L_B与L_B’是处于并联状态的，所以L_B上的相电流i _b与L_B’上的相电流i _b’是相等的，即i _b=i _b’，由图6可见，L_A与L_A’是处于对立位置的一组绕组，而且L_A与L_A’上的相电流i _a与i _a’大小相等，L_A与L_A’方向相反，其合成的电压矢量始终为0。同理，L_B与L_B’是处于对立位置的一组绕组，而且L_B与L_B’上的相电流i _b与i _b’大小相等，L_B与L_B’方向相反，其合成的电压矢量也始终为0，并且由于系统重构，L_C与L_C’串联，L_C的相电流i _c与L_C’上的相电流i _c’大小与方向都相等，这六个电压矢量合成的最终电压矢量只会在一个方向上，并不会旋转，因此可得，应用在六相对称永磁同步电机的本系统在充电模式下能够保持电机静止，这确保了充电时候的安全性，并且对电机转子的初始位置并无要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.基于重构六相对称永磁同步电机的电动汽车集成充电系统，其特征在于，包括：单相交流输入电源(1)、六相对称永磁同步电机(2)、六相逆变器(3)、输出滤波电容(4)、动力电池(5)和模式切换开关K ₁、K ₂、K ₃、K ₄；

六相对称永磁同步电机(2)包括两组三相绕组，分别由L_A绕组、L_A’绕组、L_C绕组以及L_B绕组、L_B’绕组、L_C’绕组构成，单相交流输入电源(1)通过模式切换开关K ₃、K ₄分别连接六相对称永磁同步电机(2)中两组三相绕组的中性点位置，六相对称永磁同步电机(2)六相绕组接线端与六相逆变器(3)的六个输出端分别相连，输出滤波电容(4)和动力电池(5)并联在六相逆变器(3)的输入端；其中，六相对称永磁同步电机(2)的L_C绕组通过模式切换开关K ₁连接所在三相绕组中性点位置或L_C’绕组，六相对称永磁同步电机(2)的L_C’绕组通过模式切换开关K ₂连接所在三相绕组中性点位置或L_C绕组；

在电驱模式，断开模式切换开关K ₃、K ₄，通过模式切换开关K ₁将L_C绕组连接至中性点位置，通过模式切换开关K ₂将L_C’绕组连接至中性点位置，动力电池(5)通过六相逆变器(3)驱动六相对称永磁同步电机(2)运行；

在充电模式，闭合模式切换开关K ₃、K ₄，通过模式切换开关K ₁和K ₂将L_C绕组与L_C’绕组相连，单相交流输入电源(1)与六相对称永磁同步电机(2)的L_A、L_A’、L_B、L_B’绕组的中性点位置连接，L_A、L_B、L_A’、L_B’绕组的接线端与六相逆变器(3)中的四组半桥构成两组双Boost并联再串联的整流结构，对交流侧进行功率因数校正，并对输入的交流电进行整流与升压；L_C绕组与L_C’绕组串联后，与六相逆变器(3)中的两组半桥构成H桥型有源滤波器，吸收直流侧的二次功率纹波，抑制动力电池(5)的充电电流纹波。