电动驱动装置以及电动设备的制作方法

本发明属于交流电机领域，特别涉及一种电动驱动装置以及包含该电动驱动装置的电动设备。

背景技术：

随着各大城市雾霾天数和持续时间的增加，国家对燃油设备的尾气排放管理越来越严格；另外，在封闭的室内工作环境中，燃油设备是禁止使用的；此外，石油这种能源是不可再生的，几十年后将面临枯竭。因此，将电作为能源的电动设备如电动汽车、电动叉车等电动设备越来越受到生产商和消费者的青睐。它不但污染小、可以通过可再生能源提供电能，而且与燃油设备相比，它还具有能源利用率高、结构简单、噪声小、动态性能好和便携性高等优点。在石油资源越来越紧张的形势下，大力发展电驱动装置，特别是大功率电驱动装置如电动战车、电动军舰、电动飞行器和电驱动航空母舰等等，对于国防安全具有深远的意义。

电池是电动设备的核心部件，由于目前电池制造技术水平的限制，电池单体在容量、电压和性能上还是不能满足电动设备的实际要求，为了满足电动设备高能量动力电源的要求，一般都将电池单体采用串并联结合的方式成组使用，以满足负载较大的功率需求。通过电池单体的并联增加电池组的输出电流，通过电池单体的串联增加电池组的输出电压。

在电动汽车行业，纯电动乘用车的电池储能系统一般具有96～110节容量约为45～80Ah的锂离子电池；纯电动大巴的电池储能系统一般具有150～200节容量约为200～400Ah的锂离子电池。矿用电机车基本上都是由几组电池组并联来供电的，每组电池组又是由数十节电池单体串联成组的。国内电动汽车车载电池大多采用电池单体先并联再串联的连接方式。

根据国家标准的要求，人体的安全电压是50伏，由于电动设备安全性能的要求，一般优先选用国家标准的电压等级48、36、24、12伏。而电动汽车装备的电机功率一般都是几十千瓦，如果采用单个三相电机的话，每一相的额定电流都是几百安培，启动电流和上坡时的电流更大，可超过一千安培。

如图2所示，由于电机的工作电流很大，大容量串并联电池组的输出电流也相应很大，一般为几十到几千安培。串并联电池组与逆变器之间的连接线、连接线与电池组的接头、连接线与逆变器的接头，都将由于流过大电流而导致严重发热。这对连接线的电阻和绝缘性能、接头紧固件的接触电阻和绝缘保护都提出了较高的要求。因此，这也增加了生产成本，降低了系统的可靠性和安全性。

大容量串并联电池组的整体性能并不是通过电池单体的容量和数量进行线性叠加而增强的。电池单体成组后，电池组的能量密度、功率、性能、耐久性和安全性都会有一定程度的下降。而这种情况的产生是在生产和使用电池过程中，由于电池受到了制造工艺、电池老化和环境温度等因素的影响，造成电池内阻、电压、容量等参数的不一致。相同规格和型号的电池在相同运行环境下性能参数存在差异的现象称为电池的不一致性。对于电池组系统来说，不一致性是客观存在的，且在电池组的充放电循环过程中，电池单体的充放电深度各不相同，电池组性能的发挥往往取决于性能最差的那个单体，造成电池组剩余容量无法完全发挥。这也导致部分电池单体过充电或者过放电，加剧整个电池组的性能劣化，严重时可能导致电池的爆炸或燃烧等安全事故。

在电池组中，电池单体的电压不一致性会对电池组造成较大的影响，影响到电池组的容量、性能、寿命和安全等多个方面。特别是，若干个电压不一致的电池并联组成电池组后，非常容易出现电压高的电池向电压低的电池充电，形成电池组内部环流，造成电池组电量无意义地浪费，最终影响电池充放电效率。

电池并联的电池均衡问题对电池组的性能起着决定性作用，且直接影响到电动设备的整体性能。并联电池组电流不平衡受多方面因素影响，包括电池容量、开路电压、内阻、初始、极化等，各因素综合作用，使并联问题变得极其复杂。当电池一致性较好时，并联连接方式对电池组的容量保持率没有太大的影响，但是当电池组中出现短板电池或者将不匹配的电池并联在一起时，参数不一致问题导致了电流不平衡，电流不平衡又会进一步导致使用条件的不一致，进而使电池组的循环性能变差。特别是，并联电池数量的增加会加剧短板电池的影响。电池组中某个电池单体意外的寿命终结往往导致整体功能失效。

在电池使用过程中，采用电池管理系统对电池单体进行实时在线监测，分析判断并试图消除或控制电池不一致性的方法称为电池均衡技术。但是，电池管理系统并不具备并联管理能力，难以对并联间各单体的能量流动进行管理。并联电池数量的增加，管理的难度越大。

因此电动设备核心部件的电池组中的电池均衡问题已经严重影响了大功率电动设备的续航和性能，进而影响了包括电动车、电动船、电动飞行器，乃至于国防上的电动战车、电动军舰、电动飞行器和电驱动航空母舰的发展。

技术实现要素：

本发明是为解决上述问题而进行的，提供了一种电驱动装置和电动设备。

<结构一>

本发明提供了一种电动驱动装置，设置在电动设备中，用于驱动电动设备，包括：多相交流电机，其相数为k，具有额定线电压以及额定线电流；直流电源，具有与多相交流电机的额定线电压相对应的恒定电压，用于提供与额定线电流相对应的直流电；指令发送部，发送与多相交流电机输出的转速或转矩的值相对应的指令信号；电流传感器，检测构成多相交流电机的多相绕组单元的线电流，并发送与检测的线电流值对应的反馈信号；输出传感器，检测多相交流电机输出的转速或转矩，并发送对应的输出信号；控制器，根据指令信号、反馈信号以及输出信号计算输出控制信号；驱动器，根据控制信号产生驱动信号；逆变器，在驱动信号的作用下将直流电转换为交流电并提供给多相交流电机，具有这样的特征：其中，多相交流电机具有j个相互独立且参数相同的多相绕组单元，逆变器具有与j个多相绕组单元一一对应连接的j个相互独立且参数相同的逆变单元，每个逆变单元具有k个相互并列连接且参数相同的逆变桥臂向对应的多相绕组单元提供k路线电流，直流电源具有j个相互独立且参数相同的电池单元，分别对应连接j个逆变单元，驱动器具有j个相互独立且参数相同的驱动单元，分别与j个逆变单元相连接，k为大于2的正整数，j为大于1的正整数。

本发明提供的电动驱动装置还可以具有这样的技术特征：其中，当逆变单元的单个桥臂正常输出的最大电流有效值为I₁，多相交流电机的最大线电流有效值为I_N时，多相绕组单元的个数j满足下述条件：j＞I_N÷I₁，其中，j为大于1的正整数。

本发明提供的电动驱动装置还可以具有这样的特征：其中，电池单元是由一个电池单体构成、或是由至少两个电池单体串联而成。

本发明提供的电动驱动装置还可以具有这样的特征：其中，多相交流电机为异步电机或同步电机，多相绕组单元在电枢上是对称分布的，多相绕组单元的连接方式可以是星形联结或多角形环形联结，多相交流电机绕组的并绕根数和极对数的积能被多相绕组单元的个数j整除。

本发明提供的电动驱动装置还可以具有这样的特征：其中，每个逆变桥臂含有相互串联连接的上桥臂功率开关单元以及下桥臂功率开关单元，上桥臂功率开关单元以及下桥臂功率开关单元均是由一个功率开关管构成、或是多个性能参数一致的功率开关管并联而成的。

本发明提供的电动驱动装置还可以具有这样的特征：其中，逆变单元是由单个智能功率模块构成的或是多个类型和参数相同的功率开关管组合构成的，功率开关管为电力场效应晶体管(PowerMOSFET)、门极可关断晶闸管(GTO)、集成门极换流晶闸管(IGCT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、电力双极型晶体管中(GTR)和门极换流晶闸管(SGCT)中的任意一种。

<结构二>

进一步，本发明还提供了一种含有上述电动驱动装置的电动设备。

发明的作用与效果

根据本发明提供的电动驱动装置以及电动设备，由于多相交流电机具有j个相互独立且参数相同的多相绕组单元，逆变器具有与j个多相绕组单元一一对应连接的j个相互独立且参数相同的逆变单元，每个逆变单元具有k个相互并列连接且参数相同的逆变桥臂向对应的多相绕组单元提供k路线电流，直流电源具有j个相互独立且参数相同的电池单元，分别对应连接j个逆变单元，驱动器具有j个相互独立且参数相同的驱动单元，分别与j个逆变单元相连接，所以电池组的电池单体不采用并联技术，仅仅采用串联技术构成电池单元，消除电池单体并联后产生的电池均衡问题。在供电方面，由多个相对小容量的电池单元代替了单个的大容量串并联电池组，在电池单体数量相同的情况下，减小了电池由于并联引起的整体性能衰减，提高了能量密度、功率、性能、耐久性和安全性，可以为电动设备的续航和性能提供更好的保障。

而且，相对于串并联电池组的输出电流，电池单元的输出电流较小，所以，电池单元与逆变单元之间的连接线、连接线与电池单元的接头、连接线与逆变单元的接头对电阻和绝缘的要求较低。所以不仅降低了生产的难度和成本，还有助于提高系统的可靠性和安全性。

不仅如此，本发明的电驱动装置的实现，有助于打破国外对于大电流驱动装置的垄断和封锁，促进电动设备的发展和壮大，使得该电驱动装置不仅能够取代污染大、启动速度慢和能源利用率低的燃油发动机而应用于目前无法采用电动机的重型机车上，如叉车、卡车、推土机、挖土机等重型机车等，还能够应用于军事上需要更大电流的电动战车、电动飞行器、电动军舰和电驱动航空母舰上，实现了低压大电流的电驱动装置的国产化。而且与燃油驱动装置相比较，系统性能更加优越，可靠性更高，容错能力更强。

因此，本发明的电动驱动装置具有结构设计简单、合理，成本低，发热量小，工作性能稳定、安全可靠，使用寿命长等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的电动驱动装置的电路结构示意图；以及

图2为现有技术中的大电流多相交流电机、逆变器和串并联电池组的电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

电动驱动装置10设置在电动设备如电动工具、四轴飞行器、电动汽车、电动船舶、工业用电动叉车、电动军事设备内，用于驱动电动设备。

图1是本实施例中的电动驱动装置的电路结构示意图。

如图1所示，电动驱动装置10包括多相交流电机11、直流电源12、指令发送部13、电流传感器14、输出传感器15、控制器16、驱动器17以及逆变器18。

多相交流电机11的相数为k，具有额定线电压以及额定线电流。多相交流电机11具有安装在一个电枢或多个电枢上的j个相互独立且参数相同的多相绕组单元111，j的个数可以通过多相交流电机11绕组的并绕根数和极对数之积进行平均拆分，j的个数大于等于2。拆分前后，多相交流电机绕组和j个多相绕组单元的绕组相数、绕组相序、绕组匝数、绕组联结方式、额定电压和额定电流总和保持不变。

在本实施例中，k为三，即多相交流电机11为三相交流电机，相应的，多相绕组单元111为三相绕组，每个三相绕组具有三个呈三角形连接的绕组A、B、C。

在本实施例中，电枢为多相交流电机的定子或转子，多相交流电机为异步电机或同步电机。

直流电源12具有与多相交流电机11的额定线电压相对应的恒定电压，用于提供与额定线电流相对应的直流电。在本实施例中，直流电源为动力电池。直流电源12具有j个相互独立且参数相同的电池单元121。

每个电池单元121均是由一个电池单体构成的、或是由至少两个电池单体串联而成的。所以，j个电池单元121在装置中不存在电的耦合关系，不存在电池单体由于电压不等而引起的环流等问题，消除了电池单体并联引起的电池均衡问题，直流电源的总容量与j个电池单元121容量之和基本相等。

指令发送部13发送与多相交流电机11输出的转速或转矩的值相对应的指令信号。

电流传感器14检测多相绕组单元111的线电流，并发送与检测的线电流值对应的反馈信号。反馈信号被控制器16接收。

输出传感器15检测多相交流电机11输出的转速或转矩，并发送对应的输出信号。对应的输出信号被控制器16接收。输出传感器15可为转速传感器或转矩传感器。在本实施例中，输出传感器15采用转速传感器。

控制器16根据指令发送部13的指令信号、电流传感器14的反馈信号以及输出传感器15的输出信号计算输出控制信号。

驱动器17根据控制信号产生驱动逆变器工作的驱动信号。

逆变器18在驱动信号的作用下将直流电转换为交流电并提供给多相交流电机11。逆变器18包括分别与j个多相绕组单元111相对应的j个逆变单元181。

每个逆变单元181具有三个相互并列连接、结构和功率开关管都相同的A相逆变桥臂、B相逆变桥臂以及C相逆变桥臂。A相逆变桥臂的输出线连接着A相绕组与C相绕组的接点，B相逆变桥臂的输出线连接着B相绕组与A相绕组的接点，C相逆变桥臂的输出线连接着C相绕组与B相绕组的接点，分别向绕组提供线电流。

每个逆变桥臂含有相互串联连接的上桥臂功率开关单元141a以及下桥臂功率开关单元141b。

上桥臂功率开关单元141a以及下桥臂功率开关单元141b均是由一个功率开关管构成、或是多个性能参数一致的功率开关管并联而成的。在本实施例中，每个三相绕组111是由六个功率开关管构成的逆变单元181单独驱动。

上桥臂功率开关单元141a以及下桥臂功率开关单元141b具有相同的最大连续工作电流。只有在最大连续工作电流以下时，功率开关管才有可能长期稳定运行，如果工作电流超过这个电流值，功率开关管就会由于过流而被击穿损坏。

在本实施例中，逆变单元可以由单个智能功率模块构成，也可以采用多个类型和参数相同的功率开关管组合而成。

功率开关管为电力场效应晶体管(PowerMOSFET)、门极可关断晶闸管(GTO)、集成门极换流晶闸管(IGCT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、电力双极型晶体管中(GTR)和门极换流晶闸管(SGCT)中的任意一种。

在本实施例中，j个相互独立的电池单元121分别与j个相互独立且参数相同的逆变单元181相连接并给j个相互独立且参数相同的多相绕组单元111供电。

控制器16还根据上桥臂功率开关单元141a以及下桥臂功率开关单元141b之间的预定工作周期，以及根据与上桥臂功率开关单元141a以及下桥臂功率开关单元141b在相应的工作时间内的导通电流相对应的脉冲信号，向驱动器13提供信号。

驱动器17具有j个相互独立参数相同的驱动单元171，每个驱动单元171同时接收到控制器16发出的相同信号，j个驱动单元171分别与j个逆变单元181相连接。每个驱动单元171都可以发出A相驱动信号、B相驱动信号以及C相驱动信号，该三相驱动信号分别驱动A相逆变桥臂、B相逆变桥臂以及C相逆变桥臂上的上桥臂功率开关单元141a以及下桥臂功率开关单元141b，使其导通或关闭。

本实施例中的多相绕组单元的个数j为整数，满足如下条件：j＞I_N÷I₁。该式中I₁为单个桥臂在各种不同工况下都可以正常输出的最大连续工作电流值；I_N为多相交流电机线电流在各种不同工况下可能出现的最大有效值。

j的确定思路如下：首先根据采购要求、性价比和可靠性等因素选择合适的功率开关管，确定单个功率开关管在各种不同工况下都可以正常输出的最大连续工作电流值，然后根据上式计算并向上取整得到j。

j的个数也可以通过多相交流电机绕组导线的并绕根数和极对数的积来进行平均拆分，如果电机绕组导线不是并绕的或难以拆分成所要求的个数时，可以利用等效原理重新设计绕组，把绕组的并绕根数和极对数的积确定为j或j的整数倍，再进行平均拆分。

当然，也可以不根据I₁来确定j，而是直接设定j，然后再来选择合适的开关管和拆分绕组导线，只要保证导线拆分后电机的性能不变且单个桥臂能够稳定提供多相绕组单元的线电流即可。

对于逆变器来说，任意一个逆变桥臂的输出电流仅仅与其相连接的多相绕组单元有关系，与其他的多相绕组单元及其对应的逆变桥臂输出电流没有任何电的耦合联系。因此，消除了低压大电流系统中功率开关管并联均流的问题。即使某一相的所有逆变桥臂的开关管存在开关特性不一致的情况，导致每个多相绕组单元所产生的力矩在导通过程和关断过程这两个瞬间内的大小不一致，但是由于开关管导通和关断过程的时间非常短，一般都是纳秒级的，而电机及其负载又是一个相对很大的惯性物体，这个力矩不一致的影响微乎其微，完全可以忽略不计。

实施例的作用与效果

根据本实施例提供的电动驱动装置以及电动设备，由于多相交流电机具有j个相互独立且参数相同的多相绕组单元，逆变器具有与j个多相绕组单元一一对应连接的j个相互独立且参数相同的逆变单元，每个逆变单元具有k个相互并列连接且参数相同的逆变桥臂向对应的多相绕组单元提供k路线电流，直流电源具有j个相互独立且参数相同的电池单元并分别对应连接j个逆变单元，驱动器具有j个相互独立且参数相同的驱动单元，分别与j个逆变单元相连接，所以电池组的电池单体不需要采用并联技术，仅仅采用串联技术构成电池单元，即可消除了电池单体并联后产生的电池均衡问题。在供电方面，由多个相对小容量的电池单元代替了单个的大容量串并联电池组，在电池单体数量相同的情况下，减小了电池由于并联引起的整体性能衰减，提高了能量密度、功率、性能、耐久性和安全性，可以为电动设备的续航和性能提供更好的保障。

而且，相对于串并联电池组的输出电流，电池单元的输出电流较小，所以，电池单元与逆变单元之间的连接线、连接线与电池单元的接头、连接线与逆变单元的接头对电阻和绝缘的要求较低。所以不仅降低了生产的难度和成本，还有助于提高系统的可靠性和安全性。

不仅如此，本实施例的电驱动装置的实现，有助于打破国外对于大电流驱动装置的垄断和封锁，促进电动设备的发展和壮大，使得该电驱动装置不仅能够取代污染大、启动速度慢和能源利用率低的燃油发动机而应用于目前无法采用电动机的重型机车上，如叉车、卡车、推土机、挖土机等重型机车等，还能够应用于军事上需要更大电流的电动战车、电动飞行器、电动军舰和电驱动航空母舰上，实现了低压大电流的电驱动装置的国产化。而且与燃油驱动装置相比较，系统性能更加优越，可靠性更高，容错能力更强。

综上所述，本实施例的电动驱动装置具有结构设计简单、合理，成本低，发热量小，工作性能稳定、安全可靠，使用寿命长等优点。。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。