CN1990298A - 一种分布式串联混合动力系统 - Google Patents

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Abstract

一种电动汽车的分布式串联混合动力系统，包括由并联的逆变器[3]、[4]和发电机G组成的发电环节，由逆变器[1]，[2]、接触器箱C和电机[M1]、[M2]组成的两路电机驱动环节；逆变器[1]和[2]通过带可控开关的接触器箱C与两台驱动电机[M1]和[M2]相连。发电环节采用可控整流方式，其可控整流装置与电机驱动环节的逆变器采用拓扑结构相同、容量相同且数量相同或更多的BUCK逆变器，发电环节采用两个BUCK的逆变器并联，以作冗余；两个电机驱动环节各自采用一个BUCK的逆变器。独立电源系统控制单元IPCU控制发电环节可控整流与电机驱动环节的互换以及单逆变器驱动双电机。本发明可使易损的电力电子装置可以互换，而且控制简便，提高了系统可靠性。

Description

一种分布式串联混合动力系统
技术领域
本发明属于串联式混合动力系统，特别涉及电动汽车系统的分布式串联结构混合动力系统。
背景技术
串联结构混合动力系统包括集中式串联混合动力系统与分布式串联混合动力系统两种形式，其基本结构分别如图1及图2所示(冷却系统、传感器、电池监控系统等部件未画出)。陈清泉院士的专著《现代电动车技术》有相关内容。
图1为集中式串联结构混合动力系统的示意图，通过控制，发动机1驱动发电机2发出交流电，通过整流装置3变换为直流电，为电池8充电，同时驱动电机逆变器4将直流电变换成变频变压的交流电以驱动交流电动机5，交流电动机5将电能转化为机械能，将动力通过输出轴6输出。必要时，电池8也可作为能量输出单元提供能量输出。此外还有必要的控制、通讯、监控及保障系统。
图2为分布式串联结构混合动力系统的示意图(该例仅包含两个支路)，整个能量传递与控制的过程与图1相类似；不同之处仅在于能量分别分配到两条不同支路的电机逆变器14和17与交流电动机15和18上，并分别将动力通过输出轴S116与Sn19输出。必要时，电池21也可作为能量输出单元提供能量输出。
将发电机G与整流装置R定义为发电环节；将驱动电机逆变器C与交流电动机M定义为单电机驱动环节。图1与图2中的点状虚线框内即为发电环节。中小功率系统的发电环节一般由三相交流发电机和三相不控或可控整流装置构成，其结构简图如图3所示，其中三相发电机部分的A、B和C表示三相发电机的三相绕组。图1与图2中的线段状虚线框中即是电机驱动环节。中小功率系统的电机驱动环节一般由三相交流逆变器和三相交流电动机构成，其结构简图如图4所示，其中三相交流电机部分的A、B和C表示三相交流电机的三相绕组。此时串联式混合动力系统由中央控制器、发动机控制器、发动机、发电环节、一个或多个单电机驱动环节、通讯总线、电池、输出轴以及冷却系统和传感器等部分共同组成。
在分布式串联结构混合动力系统中故障率较高的通常是电力电子装置，即发电环节的整流装置和电机驱动环节的逆变装置。若整流装置出现故障则发电环节无法正常工作，严重时整个串联式混合动力系统只能依靠电池作为能量输出单元进行降功率运行。若一个逆变器出现故障，就不得不关闭另外一个逆变器，否则车辆方向将不受控；若两个逆变器出现问题则电机驱动环节无法正常工作，整个串联式混合动力系统将陷入瘫痪状态。由以上分析可知，分布式串联混合动力系统的可靠性由发电和驱动子环节的可靠性来保障，一旦任一子环节出现故障，系统将难以运行，从而导致整车只能降功率行驶，严重时将导致整车无法运行。因此提高这两个环节的可靠性非常重要。
一种提高串联结构混合动力电动汽车可靠性的方法是采用系统备份。日本专利JP2004120906的“POWER SUPPLY CIRCUIT SYSTEM OF HYBRID ELECTRIC AUTOMOBILE”提出了类似办法，其原理是每个车轴采用k(k＞＝2)的相互独立的逆变器及交流电机，当某逆变器不能工作时，正常逆变器驱动与其相连接的电机，使车辆运行，从而提高运行可靠性。该专利对逆变器及驱动电机系统采用备份的方式实现冗余，未考虑如何提高发电环节的可靠性；而且采用系统备份方式易造成体积与重量的增加，在车辆狭窄空间情况下安装比较困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对电动汽车系统功率等级不高，空间体积有限，但对可靠性要求极高的实际情况，提出一种新的分布式串联混合动力系统。本发明对易损的电力电子装置可以互换，而且控制简便，可以提高分布式串联结构混合动力系统可靠性。
本发明采用以下技术方案：
本发明两个电机驱动环节的逆变器通过一个带可控开关的接触器箱与两台驱动电机相连。该接触器箱具有I1、I2两组三相动力输入端，O1、O2两组三相动力输出端和若干控制/状态信号端；在接触器内部，O1动力输出端与I1动力输入端直接相连，O1动力输出端与I2动力输入端通过一组可控开关相连；同样，O2动力输出端与I2动力输入端直接相连，O2动力输出端与I1动力输入端通过另一组可控开关相连。通过控制可控开关的通断就可以将一台逆变器的电力提供给一台电机或两台电机。当任一逆变器发生故障时，关闭该逆变器，接通与无故障逆变器相连的可控开关，将电力提供到两台电机上，便可保证只要有一台逆变器工作，则两台驱动电机都可以工作，也就是说车辆最少可以保持以相同转矩、降功率运行。
同理，本发明电机驱动环节逆变器通过带可控开关的接触器箱与电机相连的方案，也可以扩展到由两个以上逆变器及其驱动电机组成的分布式串联混合动力的电机驱动环节。
本发明分布式串联混合动力系统发电环节采用可控整流方式，其可控整流装置与电机驱动环节的逆变器采用拓扑结构相同、容量相同且数量相同或更多的BUCK逆变器，发电环节采用两个BUCK的逆变器并联，以作冗余；两个电机驱动环节各自采用一个BUCK的逆变器。
首先，本发明可控整流可以将发电机运行在电动状态，起到启动电动机的作用，从而将发电环节的动力源——发动机快速带到较高转速点火；其次，为提高前述分布式混合动力系统在不同工况下的效率，发动机通常工作在一条转矩几乎恒定而转速变化的最优效率曲线上。发电环节采用可控整流，可以控制输出电压在发动机转速变化时保持恒定；第三，这种方案考虑了发电环节不仅需要为电机驱动环节提供有功功率还需要提供无功功率的情形，以及发电环节的冗余，为发电环节和电机驱动环节的电力电子装置具有互换提供前提。当前述分布式串联混合动力任一逆变器发生故障时，均可用它他逆变器替换。极限情形是当发电环节的逆变器均损坏的情况下，可以将电机驱动环节的一个逆变器拆下替换到发电环节，保证整个系统可以降功率运行。
上述分布式串联混合动力系统发电环节可控整流与电机驱动环节的互换，单逆变器驱动双电机等功能的实现依靠独立电源系统控制单元IPCU(Independent Power Control Unit)的控制。IPCU是一个基于DSP的智能监控单元，具有多路模拟采集通道和数字输入输出I/O通道，以及提供CAN总线接口。
本发明独立电源系统控制单元IPCU的控制方法为：IPCU接收车辆控制单元的信息，检测前述分布式串联混合动力各环节、各部件的状态；IPCU综合以上信息，确定发电环节和电机驱动环节四个逆变器和接触器箱的工作状态，并向这四个逆变器和接触器箱发出控制指令。下面以发电环节逆变器和电机驱动环节逆变器数量均为二的情形为例，说明IPCU控制方法。
工作状态I：当IPCU检测到发电环节和电机驱动环节四个逆变器以及接触器箱无故障，车辆控制单元需要电机驱动环节两个逆变器工作在逆变状态，发电环节的两个逆变器工作在逆变状态时，IPCU控制发电环节和电机驱动环节四个逆变器，将其均置于电机驱动状态，启动发电环节和电机驱动环节四个逆变器接受驱动指令。这种工作状态对应的车辆工况是低速纯电动工况，电机驱动环节由蓄电池供电驱动车辆低速行驶，发电环节由蓄电池供电起动发动机。
工作状态II：当IPCU检测到发电环节和电机驱动环节四个逆变器以及接触器箱无故障，车辆控制单元需要电机驱动环节两个逆变器工作在逆变状态，发电环节两个逆变器工作在可控整流状态时，IPCU控制电机驱动环节两个逆变器将其置于电机驱动状态、启动电机驱动环节两个逆变器接受驱动指令，使发电环节两个逆变器置于可控整流状态、启动发电环节两个逆变器接受发电控制指令。这种工作状态对应的是车辆串联混合动力工况，电机驱动环节由发电机供电(或与蓄电池共同供电)驱动车辆行驶，发电环节将发动机提供的机械功率转化为电压、电流可控的电能提供给电机驱动环节，以及为蓄电池充电。
工作状态III：当IPCU检测到发电环节两个逆变器以及接触器箱无故障、电机驱动环节两个逆变器之一出现故障，车辆控制单元需要电机驱动环节两个逆变器工作在逆变状态，发电环节两个逆变器工作在可控整流状态时，IPCU使发电环节两个逆变器置于可控整流状态、启动发电环节两个逆变器接受发电指令；同时关闭故障电机驱动环节两个逆变器之一，将无故障的逆变器置于电机驱动状态，使其接受驱动指令，并将接触器箱中与无故障逆变器相连的可控开关接通。由于电机驱动环节逆变器的故障，发电环节负载减轻，也可以关闭发电环节两个逆变器中的任意一个，从而提高这种故障状态下的系统效率。这种工作状态对应的是车辆串联混和动力电机驱动环节故障工况。结合本发明提出的分布式串联混合动力系统结构，IPCU可以保证电机驱动环节只要有一台逆变器工作，则两台驱动电机都可以工作，也就是说车辆最少可以保持以相同转矩、降功率运行。
工作状态IV：当IPCU检测到电机驱动环节两个逆变器以及接触器箱无故障、发电环节两个逆变器之一出现故障，车辆控制单元需要电机驱动环节两个逆变器工作在逆变状态，发电环节两个逆变器工作在可控整流状态时，IPCU关闭发电环节两个逆变器之一，使另一个逆变器置于可控整流状态、启动这个逆变器接受发电指令；同时，IPCU控制电机驱动环节两个逆变器将其置于电机驱动状态、启动逆这两个逆变器接受驱动指令。这种工作状态对应的是车辆串联混和动力发电环节出现部分故障工况。结合本发明提出的分布式串联混合动力系统结构，IPCU可以保证发电环节只要有一台逆变器工作，则前述分布式串联混合动力系统可以工作。
工作状态V：当检测到电机驱动环节两个逆变器以及接触器箱无故障、发电环节两个逆变器均出现故障，车辆控制单元需要电机驱动环节两个逆变器工作在逆变状态，发电环节两个逆变器工作在可控整流状态。由于发电环节已的可控整流装置已经完全损坏，IPCU需要完全关闭发电环节和电机驱动环节四个逆变器以及接触器箱，并通知车辆控制单元切断蓄电池开关、关闭发动机。随后可以用电机驱动环节的一个逆变器替换发电环节的一个逆变器，并重新启动所有系统。IPCU再次检测到电机驱动环节的两个逆变器以及接触器箱无故障，将电机驱动环节的一个逆变器置于发电状态，启动这个逆变器接受发电指令，将电机驱动环节的另一个无故障的逆变器置于电机驱动状态，使其接受驱动指令，同时将接触器箱中与这个无故障逆变器相连的可控开关接通。这种工作状态对应的是车辆串联混和动力发电环节完全故障工况，结合本发明提出的分布式串联混合动力系统结构，IPCU可以保证只要有两台逆变器工作，在逆变器的互换后，发电环节可以降功率发电，电机驱动环节的两台驱动电机都可以工作，也就是说车辆最少可以保持以相同转矩、降功率运行。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为集中式串联结构混合动力系统结构示意图；
图2为分布式串联结构混合动力系统结构示意图；
图3为现有技术串联结构混合动力系统中的发电环节示意图；
图4为现有技术串联结构混合动力系统中的单电机驱动环节示意图；
图5为本发明具体实施方式的分布式电机驱动环节连接示意图；
图6为本发明具体实施方式接触器箱结构示意图；
图7为本发明具体实施方式的原理图；
图8为本发明独立电源系统控制单元IPCU的原理图。
具体实施方式
图5所示为本发明的分布式电机驱动环节。两个电机驱动环节的逆变器通过一个带可控开关的接触器箱与两台驱动电机相连。逆变器1的三相动力输出a11、b11、c11接至接触器箱C的动力输入端，接触器箱C的动力输出端a12、b12、c12与电机M1的三相绕组相连；逆变器2的三相动力输出a21、b21、c21接至接触器箱C的动力输入端，接触器箱C的动力输出端a22、b22、c22与电机M2的三相绕组相连。
接触器箱C的内部结构如图6所示，接触器箱C具有I1、I2两组三相动力输入端，O1、O2两组三相动力输出端和若干控制/状态信号端C1、C2；在接触器内部，O1动力输出端与I1动力输入端直接相连，O1动力输出端与I2动力输入端通过一组可控开关相连；同样，O2动力输出端与I2动力输入端直接相连，O2动力输出端与I1动力输入端通过另一组可控开关相连。通过控制可控开关的通断就可以将一台逆变器的电力提供给一台电机或两台电机。当任一逆变器发生故障时，关闭该逆变器，接通与无故障逆变器相连的可控开关，将电力提供到两台电机上，这样可以保证只要有一台逆变器工作，则两台驱动电机都可以工作，也就是说车辆最少可以保持以相同转矩、降功率运行。
本发明的分布式串联混合动力系统结构如图7所示，发电环节由逆变器3，4和发电机G组成，两个电机驱动环节由逆变器1，2、接触器箱C和电机M1，M2组成。系统正常工作时逆变器1，2工作在逆变状态，逆变器3，4工作在可控整流状态，逆变器1，2，3，4状态切换和接触器箱C的控制均由IPCU实现，车辆控制单元根据整车运行状态的要求，将逆变器1，2，3，4和接触器箱C的工作状态等控制信号发给IPCU。
如图8所示，IPCU的主控单元采用DSP，数字量信号通过光耦输入至DSP的I/O管脚，模拟量信号通过A/D调理电路，将模拟量转换为0~3.3VDC输入至DSP的A/D管脚，同时DSP通过I/O管脚，经过三态总线收发器，输出至接触器箱C的控制信号端；CAN信号通过CAN接口和高速光耦与DSP实时传送。
基于CAN总线，逆变器1、2、3、4的工作状态设置和故障状态实时与IPCU的DSPTMS320LF2407A传送；接触器箱C的故障状态经光耦TLP521传送给IPCU的DSPTMS320LF2407A，接触器箱C的控制信号由DSP发出，通过三态总线收发器74HC245进行电平转换和驱动放大后输出到接触器箱C的控制信号端。
IPCU控制的过程如下：
当IPCU检测到逆变器1、2、3、4以及接触器箱C无故障，车辆控制单元需要逆变器1和2工作在逆变状态，逆变器3和4工作在逆变状态时，IPCU控制逆变器1、2、3、4，将其均置于电机驱动状态，启动逆变器1和4接受驱动指令。
当IPCU检测到逆变器1、2、3、4以及接触器箱C无故障，车辆控制单元需要逆变器1和2工作在逆变状态，逆变器3和4工作在可控整流状态时，IPCU控制逆变器1和2将其置于电机驱动状态、启动逆变器1和2接受驱动指令，使逆变器3和4置于可控整流状态、启动逆变器3和4接受发电控制指令。
当IPCU检测到逆变器3和4以及接触器箱C无故障、逆变器1或逆变器2出现故障，车辆控制单元需要逆变器1和2工作在逆变状态，逆变器3和4工作在可控整流状态时，IPCU使逆变器3和4置于可控整流状态、启动逆变器3和4接受发电指令；同时关闭故障逆变器1或2，将无故障逆变器2或1置于电机驱动状态，使其接受驱动指令，并将接触器箱C中与无故障逆变器2或1相连的可控开关接通。由于逆变器1或2的故障，发电环节负载减轻，也可以关闭逆变器3和4中的任意一个，从而提高这种故障状态下的系统效率。
当IPCU检测到逆变器1和2以及接触器箱C无故障、逆变器3或逆变器4出现故障，车辆控制单元需要逆变器1和2工作在逆变状态，逆变器3和4工作在可控整流状态时，IPCU关闭逆变器3或4，使逆变器4或3置于可控整流状态、启动逆变器4或3接受发电指令；同时，IPCU控制逆变器1和2将其置于电机驱动状态、启动逆变器1和2接受驱动指令。
当IPCU实时检测到逆变器1和2以及接触器箱C无故障、逆变器3和4均出现故障，车辆控制单元需要逆变器1和2工作在逆变状态，逆变器3和4工作在可控整流状态，此时，由于发电环节的可控整流装置已经完全损坏，IPCU完全关闭逆变器1、2、3、4以及接触器箱C，并通知车辆控制单元切断蓄电池开关、关闭发动机。随后可以用逆变器1(或2)替换逆变器3(或4)，并重新启动所有系统。IPCU再次检测到逆变器1和2以及接触器箱无故障，将逆变器1(或2)置于发电状态，启动逆变器1(或2)接受发电指令；将无故障逆变器2(或1)置于电机驱动状态，使其接受驱动指令，同时将接触器箱中与无故障逆变器2(或1)相连的可控开关接通。这种工作状态对应的是车辆串联混和动力发电环节完全故障工况，结合本发明提出的分布式串联混合动力系统结构，IPCU可以保证只要有两台逆变器工作，在逆变器的互换后，发电环节可以降功率发电，电机驱动环节的两台驱动电机都可以工作，也就是说车辆最少可以保持以相同转矩、降功率运行。

Claims (4)

1、一种分布式串联混合动力系统，其特征在于主要包括由并联的逆变器[3]、[4]和发电机G组成的发电环节，由逆变器[1]，[2]、接触器箱C和电机[M1]、[M2]组成的两路电机驱动环节；逆变器[1]和[2]通过带可控开关的接触器箱C与两台驱动电机[M1]和[M2]相连；逆变器[1]的三相动力输出[a11]、[b11]、[c11]接至接触器箱C的动力输入端，接触器箱C的动力输出端[a12]、[b12]、[c12]与电机[M1]的三相绕组相连；逆变器[2]的三相动力输出[a21]、[b21]、[c21]接至接触器箱C的动力输入端，接触器箱C的动力输出端[a22]、[b22]、[c22]与电机[M2]的三相绕组相连；独立电源系统控制单元IPCU控制发电环节可控整流与电机驱动环节的互换以及单逆变器驱动双电机。
2、按照权利要求1所述的分布式串联混合动力系统，其特征在于所述的接触器箱C有I1、I2两组三相动力输入端，O1、O2两组三相动力输出端和若干控制/状态信号端C1、C2；在接触器内部，O1动力输出端与I1动力输入端直接相连，O1动力输出端与I2动力输入端通过一组可控开关相连；O2动力输出端与I2动力输入端直接相连，O2动力输出端与I1动力输入端通过另一组可控开关相连。
3、按照权利要求1所述的分布式串联混合动力系统，其特征在于所述的独立电源系统控制单元IPCU的主控单元采用DSP，数字量信号通过光耦输入至DSP的I/O管脚；模拟量信号通过A/D调理电路，将模拟量转换为0~3.3VDC输入至DSP的A/D管脚，同时DSP通过I/O管脚，经过三态总线收发器，输出至接触器箱C的控制信号端；CAN信号通过CAN接口和高速光耦与DSP实时传送。
4、按照权利要求1或3所述的分布式串联混合动力系统，其特征在于所述的独立电源系统控制单元IPCU检测分布式串联混合动力系统各环节、各部件的状态，控制发电环节和电机驱动环节的逆变器[1]、[2]、[3]和[4]以及接触器箱C的工作状态，并控制逆变器[1]、[2]、[3]、[4]的互换和接触器箱C的可控开关。
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