CN201207620Y

CN201207620Y - 车用集成起动/发电系统功率变换器

Info

Publication number: CN201207620Y
Application number: CNU2008200806130U
Authority: CN
Inventors: 许家群
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2008-05-16
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2018-05-16

Abstract

本实用新型属于车用控制装置范围，尤其是一种车用集成起动/发电系统功率变换器。本实用新型包括三电平整流/逆变器和三电平双向直流变换器。三电平整流/逆变器的一端与三电平双向直流变换器相连，另一端与电机相连。三电平双向直流变换器的一端与三电平整流/逆变器相连，另一端与储能元件相连。本实用新型按照集成起动/发电系统的功能需求，控制整流/逆变器分别工作在可控整流和逆变状态，控制直流变换器分别工作在降压和升压状态。本实用新型的输出电压谐波小、开关频率低，有利于提高系统效率；功率器件电压应力降低一半，可在低压功率器件耐压范围内有效压缩弱磁范围，使系统成本降低、效率提高，促进车辆的节能。

Description

车用集成起动/发电系统功率变换器

技术领域

本实用新型属于车用控制装置范围，尤其是一种车用集成起动/发电系统功率变换器。

背景技术

随着汽车拥有量的快速增加，能源消耗和尾气排放问题也更加突出。不断增加的用电设备对车载电源的容量、效率等指标提出了更高要求。

目前汽车广泛采用独立的爪极式发电机和直流起动电机。其中，爪极式发电机最高效率仅为60％左右，低效率使得油耗和排放增加；发电机极限功率只有约4kW，无法满足未来更多车载用电设备需求；而且，直流起动电机容量小，造成发动机起动过程中因燃料不完全燃烧而排放了更多尾气。

为解决上述问题，出现了集成起动/发电系统，即将发动机上彼此独立的起动电机、发电机及机械飞轮进行一体化设计，起动时系统电动运行，将曲轴迅速拖至点火转速；在怠速速度以上发电运行以供给车载用电设备；另外，在怠速速度以上也可工作在电动状态为发动机提供辅助动力。

由于安装空间严格受限，为提高转矩密度、功率密度及效率，基于永磁交流电机的集成起动/发电系统逐渐受到重视。但由于运行工况非常复杂，并且转子磁链不可控，因此，解决宽速度区间的电压稳定、提高系统效率及降低系统成本等问题很难解决。

通常采用两电平变换器，有两种常见的结构。一种是由六个功率开关器件构成三相整流/逆变器，其输入、输出分别与储能元件和电机相连，该结构下，发电运行时必须采用弱磁控制技术，这使得系统效率较低，尤其在高速轻载时系统效率更低。另一种结构是采用不可控的二极管整流器结合降压型直流变换器，该结构下，由于高速发电运行时母线电压很高，对功率开关器件的耐压能力要求也高，使得系统成本增加；滤波电感、电容的容量相对较大，使得控制器体积较大；此外，变换器开关频率较高，电压谐波也较大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服了现有的两电平变换器的上述缺陷，提供了一种车用集成起动/发电系统功率变换器及其控制方法。本变换器输出电压谐波小、开关频率低，有利于提高系统效率；滤波电感、电容容量大大减小，有利于降低系统体积；功率器件电压应力降低一半，可在低压功率开关器件耐压范围内有效压缩电机的弱磁运行范围，从而可以降低系统成本并使系统效率得到提高。

为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。本实用新型含有三电平整流/逆变器和三电平双向升压/降压直流变换器2，两部分相级联，其中：

三电平整流/逆变器的输入、输出分别与双向升压/降压直流变换器、三相交流电机连接。当电机电动运行时，整流/逆变器将直流变换器提供的直流电逆变为三相交流供给电机；当电机发电运行时，整流/逆变器将电机发出的三相交流电进行可控整流后供给直流变换器。

双向升压/降压直流变换器的输入、输出分别与储能元件、整流/逆变器连接。当电机电动运行时，直流变换器将储能元件提供的直流电升压后供给整流/逆变器；当电机发电运行时，直流变换器将整流/逆变器发出的直流电降压后供给储能元件进行充电。

本实用新型按照集成起动/发电系统的功能需求，对整流/逆变器、直流变换器进行不同的控制，使整流/逆变器分别工作在可控整流和逆变状态，使直流变换器分别工作在降压和升压状态。其中：

(1)电机发电运行时，控制整流/逆变器工作于可控整流状态，直流变换器工作在降压变换器状态；

(2)起动发动机或怠速转速以上为发动机提供辅助动力时，控制整流/逆变器工作于逆变器状态，直流变换器工作在升压变换器状态，从而使电机工作于电动状态。

本实用新型的有益效果，功率变换器的输出电压谐波小、开关频率低，有利于提高系统效率；滤波电感、电容容量大大减小，有利于减小系统体积；功率器件电压应力降低一半，可在低压功率器件耐压范围内有效压缩弱磁范围，在实现宽速度范围(600～6000r/min)稳压及辅助动力功能的同时，使系统成本降低、效率提高，促进车辆的节能。

附图说明

图1是车用集成起动/发电系统功率变换器结构图

具体实施方式

下面结合图1对本实用新型作进一步说明：

本实施例包括有三电平整流/逆变器1和双向升压/降压直流变换器2两部分。三电平整流/逆变器1的输入、输出分别与双向升压/降压直流变换器2、三相交流电机3连接，双向升压/降压直流变换器2的输入、输出分别与储能元件4、整流/逆变器1连接。

三电平整流/逆变器1由分压电容及三个相同结构的桥臂构成，并与电机3的三相绕组相连接。分压电容C1与C2串联后连接至直流母线上。a相桥臂由可控功率开关器件和钳位二极管连接而成，其中，四个可控功率开关器件Sa1～Sa4依次串联后接至直流母线上；钳位二极管Da1和Da2按图示方向串联后，分别连接到上半桥臂开关器件Sa1、Sa2的公共端和下半桥臂开关器件Sa3、Sa4的公共端。b、c两相桥臂结构与a相桥臂相同。三相桥臂的输出端，即Sa2和Sa3公共端、Sb2和Sb3公共端、Sc2和Sc3的公共端分别与电机3的三相绕组相连接；钳位二极管的公共端，即Da1和Da2公共端、Db1和Db2公共端、Dc1和Dc2的公共端直接相连并与分压电容C1、C2的公共端相连接。

双向升压/降压直流变换器2由可控功率开关器件、二极管、分压电容、电感连接而成。其中，分压电容Cd1与Cd2相串联，Cf1与Cf2相串联，其公共端连接在一起；可控功率开关器件Q1和Q2、二极管D1和D2按图示对称连接；电感L分别与Q1和D1、Q2和D2的公共端相连接。

双向直流变换器2的输出端与三电平整流/逆变器1的直流母线相连接。

整流/逆变器1、直流变换器2中的可控功率开关器件Q1和Q2、Sa1～Sa4、Sb1～Sb4、Sc1～Sc4可应用MOSFET；若采用IGBT等高耐压功率开关器件，本实用新型所述的功率变换器也适用于高压、大容量起动/发电系统。

本实施例中的功率变换器，适用于三相交流电机起动/发电系统，尤其适用于永磁交流电机起动/发电系统。

按照集成起动/发电系统的功能需求，对整流/逆变器1、直流变换器2采用不同的控制方法，使整流/逆变器1分别工作在可控整流和逆变状态，使直流变换器2分别工作在降压和升压状态。

(1)起动发动机时，控制整流/逆变器1工作于逆变器状态，直流变换器2工作在升压状态，此时电机3工作于怠速转速以下的电动状态。按如下规则控制直流变换器2：

U_{inverter} = \frac{D}{1 - D} U_{B}

式中，U_inverter为整流器/逆变器1的直流母线电压；U_B为储能元件4的电压；D为功率开关器件Q1和Q2的占空比。

控制D>0.5，具体数值根据系统实际要求确定。此时，储能元件4电压U_B经直流变换器2升压后供给整流/逆变器1，通过整流/逆变器1逆变为三相交流电输入电机3，使电机3电动运行拖动发动机曲轴旋转，从而实现起动过程。

(2)电机3为发动机提供辅助动力时，控制整流/逆变器1工作于逆变器状态，直流变换器2工作在升压状态，此时电机3工作于怠速转速以上的电动状态。按如下规则控制直流变换器2：

U_{inverter} = \frac{D}{1 - D} U_{B}

控制D>0.5，具体数值根据电机实际转速确定。此时，储能元件4电压U_B经直流变换器2升压后供给整流/逆变器1，通过其逆变为三相交流电输入电机3，电机3电动运行，可以为发动机提供辅助动力。

(3)电机3发电运行时，控制整流/逆变器1工作于可控整流状态，直流变换器2工作在降压状态。按如下规则控制直流变换器2：

U_{B} = \frac{D}{1 - D} U_{inverter}

控制D<0.5，具体数值根据整流器/逆变器1的母线电压确定。此时，电机3发电运行，经整流/逆变器1进行可控整流后，输出直流电压通过直流变换器2降压后为储能元件4充电，储能元件4存储的电能供给车载用电设备。

Claims

1、车用集成起动/发电系统功率变换器，其特征在于：包括有三电平整流/逆变器(1)和三电平双向直流变换器(2)；其中：三电平整流/逆变器(1)的一端与三电平双向直流变换器(2)相连，另一端与电机(3)相连；三电平双向直流变换器(2)的一端与三电平整流/逆变器(1)相连，另一端与储能元件(4)相连。