自升压双凸极无刷直流发电系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种自升压双凸极无刷直流发电系统。本发明自升压双凸极无刷直流发电系统中的双凸极电机中包含电枢绕组以及相互之间磁耦合的两套励磁绕组，电枢绕组、桥式整流电路、第一套励磁绕组、二极管、第一个功率开关管、电容分别依次连接，第二套励磁绕组与不对称半桥、直流励磁源依次连接，发电机检测控制单元检测发电系统输出电压、输出电流及励磁电流，控制不对称半桥电路与第一个功率开关管占空比。本发明还公开了一种自升压双凸极无刷直流发电系统的控制方法，在定转速与变转速条件下，通过对励磁电流与第一个功率开关管占空比之间的协调控制，提高了发电系统效率及输出功率。
【专利说明】自升压双凸极无刷直流发电系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种双凸极无刷直流发电系统，尤其涉及一种自升压双凸极无刷直流发电系统，属于双凸极无刷直流发电【技术领域】。
【背景技术】
[0002]串联式混合动力汽车是一种采用车载直流发电机组和动力蓄电池组构成双动力源的纯电驱动的混合动力汽车。发动机与车轮之间没有机械动力耦合，发动机转速的变化与车轮转速没有机械联系，使得发动机在最佳效率点恒转速运行，提高了燃油经济性，降低排放。并联式混合动力汽车中，发动机与车轮之间存在机械耦合，因而与发动机同轴安装的车载直流发电机工作于变转速条件下。
[0003]车载直流发电机要求结构紧凑，采用水循环冷却方式，而功率变换电路部分与电机本体分离，需要另一套水冷系统，增加了成本和体积。
[0004]电励磁双凸极电机定转子结构简单，定子上嵌绕有励磁绕组，外接不控整流单元构成电励磁双凸极无刷直流发电系统，通过调节励磁绕组中的励磁电流，可以方便调节输出电压与电流，适合用于混合动力汽车与飞机等中的直流电源系统，例如发明专利CN102358198A公开了一种电动车车载发电系统及其控制方法,发电系统使用了电励磁双凸极电机与混合励磁双凸极电机作为车载直流发电机方案，简化了系统结构，降低了系统成本。然而电励磁双凸极无刷直流发电系统需要外部励磁源为励磁绕组提供励磁功率，降低了发电系统效率，混合励磁双凸极无刷直流发电系统中，混合励磁双凸极电机定子上需要永磁磁钢，提高了系统成本，由于永磁体在振动与高温环境中有不可逆退磁风险，降低了系统可靠性。
[0005]另一方面，电励磁双凸极无刷直流发电系统输出电压值被钳位在与其并联的动力蓄电池组电压值相同的直流母线上，通过调节安装在定子上的励磁绕组中的励磁电流，使发电系统输出给定的电流，满足动力蓄电池组充电与后级驱动系统的功率需求，然而电励磁双凸极无刷直流发电系统的输出特性是，随着励磁电流以及转速变化，发电系统输出的最大功率点对应的电压值并不能一直保持与外接的直流母线电压值相等，因此，转速或者励磁电流改变，电励磁双凸极无刷直流发电系统不能一直维持高效工作，甚至难以实现怠速发电。
[0006]如果在电励磁双凸极无刷直流发电系统后级增加升压电路，在不同励磁电流或者转速条件下，提高发电系统输出电压，使最大功率点对应的电压与母线电压保持一致，就可以最大效率地利用电励磁双凸极电机，提高了系统效率，然而升压电路前级需要大电感，而大电感体积重量较大，难以系统集成，并且会引起较大的电磁干扰。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题在于克服现有双凸极无刷直流发电系统所存在的不足，提供一种高效紧凑的自升压双凸极无刷直流发电系统。[0008]本发明的自升压双凸极无刷直流发电系统，包括:双凸极电机、整流电路、DC-DC变换电路、发电机检测控制单元、直流励磁源，以及一个电容、一个功率开关管、一个二极管；所述双凸极电机包括电枢绕组，以及相互之间磁耦合的两套励磁绕组:第一励磁绕组、第二励磁绕组，第一励磁绕组和第二励磁绕组分别具有第一端和第二端；所述电枢绕组与整流电路的输入端连接，第一励磁绕组的第一端与整流电路的正输出端连接，第一励磁绕组的第二端与所述功率开关管漏极、所述二极管的阳极共同连接，所述二极管的阴极与所述电容的正极共同相连，构成自升压双凸极无刷直流发电系统输出正端，所述电容的负极与所述功率开关管的源极相连接，构成自升压双凸极无刷直流发电系统输出负端；直流励磁源的正、负输出端分别与所述DC-DC变换电路的正、负输入端连接，DC-DC变换电路的正、负输出端分别与第二励磁绕组的第一端、第二端连接；第一励磁绕组的第一端与第二励磁绕组的第一端互为同名端；所述发电机检测控制单元对第二励磁绕组中的励磁电流以及自升压双凸极无刷直流发电系统的输出电流、输出电压进行检测，并根据检测结果对DC-DC变换电路及所述功率开关管进行控制。
[0009]进一步地，所述双凸极电机还包括电机冷却装置；所述整流电路、功率开关管、二极管、电容、DC-DC转换电路与发电机检测控制单元集成于所述双凸极电机的端盖上，并通过所述电机冷却装置进行冷却。
[0010]进一步地，所述发电机检测控制单元中预存有直流输出电流给定值与最优占空比的对应关系，以及发电机转速与最优占空比的对应关系；当发电系统工作在定转速工作模式下，发电机检测控制单元根据直流输出电流给定值与最优占空比的对应关系，确定当前设定的直流输出电流给定值所对应的最优占空比，并按照该最优占空比对所述功率开关管进行控制，同时根据检测到的实际直流输出电流，通过控制所述DC-DC变换电路调整第二励磁绕组中励磁电流的大小，使发电系统的直流输出电流跟踪直流输出电流给定值；当发电系统发电工作在变转速工作模式下，发电机检测控制单元根据发电机转速与最优占空比的对应关系，确定当前发电机转速所对应的最优占空比，并按照该最优占空比对所述功率开关管进行控制，同时根据检测到的实际直流输出电流，通过控制所述DC-DC变换电路调整第二励磁绕组中励磁电流的大小，使发电系统的直流输出电流跟踪直流输出电流给定值。
[0011]所述直流输出电流给定值与最优占空比的对应关系通过以下方法确定:在与实际运行相同的电压等级及相同转速条件下，在不同输出功率给定值下，通过调整功率开关管Ql的占空比使得第二套励磁绕组中的励磁电流达到最小值，且发电系统直流输出电流均跟踪给定值，并记录各输出功率下使得第二套励磁绕组中的励磁电流值最小的所述功率开关管的占空比，该占空比即为相应输出功率给定值下的最优占空比。
[0012]所述发电机转速与最优占空比的对应关系通过以下方法确定:在与实际运行相同的电压等级及最大励磁电流条件下，在不同转速下，调整所述功率开关管的占空比，使得发电系统输出功率达到此转速下、最大励磁条件下输出功率的最大值，记录此转速下使发电系统输出功率最大的功率开关管的占空比，该占空比即为此转速所对应的最优占空比。
[0013]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
1、电流通过第一励磁绕组起到自励的作用，显著降低了第二励磁绕组中的励磁功率，提闻了系统效率。[0014]2、第一励磁绕组作为大电感使用，嵌绕在定子铁芯上，功率开关管、二极管、电容等集成在电机端盖上，结构紧凑，便于冷却。
[0015]3、不同转速与给定输出电流，通过控制功率开关管占空比，可以降低励磁电流，降低励磁功率，提高发电系统效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的自升压双凸极无刷直流发电系统结构图；
图2为自升压双凸极无刷直流发电系统中双凸极电机的绕组示意图；
图3为定转速条件下，传统电励磁双凸极无刷直流发电系统输出特性曲线示意图；
图4为定转速条件下，自升压双凸极无刷直流发电系统中励磁电流不变，功率开关管占空比改变时，发电系统输出特性曲线示意图；
图5为定转速条件下，自升压双凸极无刷直流发电系统中功率开关管占空比与励磁电流变化时，发电系统输出特性曲线示意图；
图6为不同转速下，相同励磁电流情况下，传统电励磁双凸极无刷直流发电系统输出特性曲线示意图；
图7为相同转速下，相同励磁电流情况下，自升压双凸极无刷直流发电系统中功率开关管占空比改变时，发电系统输出特性曲线示意图；
图8为不同转速下，相同励磁电流情况下，自升压双凸极无刷直流发电系统中功率开关管占空比改变时，发电系统输出特性曲线示意图；
图9为自升压双凸极无刷直流发电系统定转速条件的控制流程图；
图10为自升压双凸极无刷直流发电系统变转速条件的控制流程图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明:
图1显示了本发明的一个优选实施例的结构示意图，其中虚线框中为本发明的自升压双凸极无刷直流发电系统。本实施例中，DC-DC转换电路采用不对称半桥电路，整流电路采用桥式不控整流电路，直流励磁源采用蓄电池。如图所示，该自升压双凸极无刷直流发电系统包括双凸极电机、桥式不控整流电路、功率开关管、二极管、电容、不对称半桥电路、蓄电池、发电机检测控制单元。其中，双凸极电机中包括三相电枢绕组以及两套相互之间磁耦合的励磁绕组，如图2所示，每隔三个定子极的定子槽内嵌绕有第一套励磁绕组Lfl、第二套励磁绕组Lf2，双凸极电机三相电枢绕组采用星形接法连接。如图1所示，双凸极电机三相电枢绕组输出端分别与由二极管DfD6构成的桥式不控整流电路的各桥臂中点连接，第一套励磁绕组Lfl 一端与桥式整流电路Df D6输出正端连接，第一套励磁绕组Lfl另一端与功率开关管Ql漏极、二极管D7的阳极共同连接，二极管D7的阴极与电容Cl的正极共同相连，构成自升压双凸极无刷直流发电系统输出正端，电容Cl负极与功率开关管Ql的源极相连接，构成自升压双凸极无刷直流发电系统输出负端。蓄电池正端与不对称半桥电路(由功率开关管Q2、Q3以及二极管D8、D9构成)正端相连，蓄电池负端与该不对称半桥电路负端相连，双凸极电机第二套励磁绕组Lf2的两端分别与不对称半桥电路的两个桥臂中点相连。第一套励磁绕组Lfl的高电位端/低电位端与第二套励磁绕组Lf2的高电位端/低电位端互为同名端(图中用*标注出了一对同名端)，这样，两套励磁绕组所产生的磁势相互增强。如图所示，发电机检测控制单元利用电流传感器Hif、Hig以及分压电阻分别对第二套励磁绕组Lf2中的励磁电流厶、发电系统直流输出电流，及发电系统直流输出电压进行检测，并且产生控制信号控制第一个功率开关管Ql及不对称半桥电路中的功率开关管Q2，Q3。
[0018]上述直流发电系统中，第一套励磁绕组Lfl在电机转子转动过程中，电感值恒定不变，第一套励磁绕组Lfl作为自励作用的同时还作为大电感使用，从图中可以看出，第一套励磁绕组Lfl与二极管D7、功率开关管Ql及电容Cl共同构成一个升压电路。由于升压电路中的大电感已集成在双凸极电机的定子槽内，而升压电路中其余的元部件结构紧凑，适合集成。本实施例中，桥式不控整流电路、功率开关管Ql、二极管D7、电容Cl、不对称半桥电路与发电机检测控制单元共同集成在双凸极电机端盖上，共用双凸极电机壳体中的水冷却循环系统。
[0019]传统电励磁双凸极无刷直流发电系统在相同转速下，其输出功率与输出电压特性曲线如图3所示，其中Ud。为与发电系统直流母线并联的动力蓄电池组的电压值，可以看出，对于不同励磁电流If，发电系统输出的最大功率所在的电压值无法一直保持与输出电压Ud。相同，例如当励磁电流为If3时，此时输出Udc电压下，发电系统达到了该励磁电流下最大功率，输出功率为P3，而当给定功率降低至P1，此时调节励磁电流至Ifl，使输出功率跟踪给定，然而输出电压Udc条件下，发电系统并不能达到该励磁电流Ifl下最大功率输出。而对于本发明的自升压双凸极无刷直流发电系统，在相同励磁电流下，通过改变功率开关管Ql占空t匕，实现升压功能，发电系统最大输出功率不变，而最大功率对应的电压值提高，输出特性曲线如图4所示。因此对于不同励磁电流，可设置不同的功率开关管Ql占空比，使发电系统在该励磁电流下输出的最大功率所对应的电压值与母线并联的蓄电池电压值Udc保持一致，所得到的输出特性曲线如图5所示，从而实现励磁调节与功率开关管Ql的协调控制，此时相对传统电励磁双凸极无刷直流发电系统，相同转速、相同输出特性下，第二套励磁绕组中的励磁电流较小，降低了励磁功率。为了能够在实际运行中缩短系统调节时间，需将功率开关管Ql占空比与给定功率的对应关系预存进发电机检测控制单元内，具体操作如下:在与实际运行相同的电压等级及相同转速条件下，在不同输出功率给定值下，通过调整功率开关管Ql的占空比使得第二套励磁绕组中的励磁电流达到最小值，且发电系统直流输出电流均跟踪给定值，并记录各功率输出下使得第二套励磁绕组中的励磁电流值最小的功率开关管Ql的占空比，该占空比即为相应输出功率给定值下的最优占空比；将不同输出功率给定值与其所对应的功率开关管Ql的最优占空比之间的数量关系存入发电机检测控制单元中。本发明的发电系统发电工作时，定转速条件下的控制流程如图9所示，当检测到发电系统输出功率给定值P*改变，查询发电机检测控制单元，确定此给定值P*所对应的功率开关管Ql的最优占空比Dqi，发电机检测控制单元按照最优占空比Dqi生成信号PWMqi控制功率开关管Q1，并根据检测到的实际输出，通过控制不对称半桥电路中功率开关管Q2，Q3，控制励磁电流的大小，使发电系统的输出跟踪给定值，并且等待发电系统输出功率给定值改变。
[0020]图6显示了传统电励磁双凸极无刷直流发电系统在不同转速下，相同励磁电流，输出功率与输出电压特性曲线，其中Ud。为与发电系统直流母线并联的蓄电池电压值。可以看出，对于不同转速n，发电系统输出的最大功率所在的电压值无法一直保持与输出电压Udc相同,例如当转速n为n3时,此时输出Ud。电压下,发电系统达到了该转速下最大功率,输出功率为P3，而当转速降为Ii1时，此时输出电压Udc条件下，发电系统并不能达到该转速下最大功率输出，甚至当转速较低，发电系统无法怠速发电工作。而对于本发明的自升压双凸极无刷直流发电系统，相同励磁电流、相同转速下，通过改变功率开关管Ql占空比，实现升压功能，可使得发电系统最大输出功率不变，而最大功率对应的电压值提高，此时发电系统的输出特性曲线如图7所示。因此对于不同转速，可设置不同的功率开关管Ql占空比，使发电系统在该转速下输出的最大功率所对应的电压值与母线并联的蓄电池电压值Ud。保持一致，如图8所示。这样，当转速较低，传统电励磁双凸极无刷直流发电系统无法怠速发电时，自升压双凸极无刷直流发电系统可以通过控制Ql占空比实现发电输出。为了能够在实际运行中缩短系统调节时间，需将功率开关管Ql占空比与给定功率下转速的对应关系预存进发电机检测控制单元内，具体操作如下:在与实际运行相同的电压等级及最大励磁电流条件下，在不同转速下，调整功率开关管Ql的占空比，使得发电系统输出功率达到此转速下、最大励磁条件下输出功率的最大值，记录此转速下使发电系统输出功率最大的功率开关管Ql的占空比，该占空比即为此转速所对应的最优占空比。将不同转速值与功率开关管Ql的最优占空比之间的数量关系存入发电机检测控制单元中。本发明的发电系统发电工作时，变转速工作模式下的控制流程如图10所示，当发电机转速n改变，查询发电机检测控制单元，确定此转速n所对应的功率开关管Ql的最优占空比Dqi，发电机检测控制单元按照该最优占空比Dqi生成信号PWMqi控制功率开关管Q1，并根据检测到的实际输出，通过控制不对称半桥电路中功率开关管Q2, Q3，控制励磁电流的大小,使发电系统的输出跟踪给定值，并且等待发电机转速改变。
【权利要求】
1.自升压双凸极无刷直流发电系统，其特征在于，包括:双凸极电机、整流电路、DC-DC变换电路、发电机检测控制单元、直流励磁源，以及一个电容、一个功率开关管、一个二极管；所述双凸极电机包括电枢绕组，以及相互之间磁耦合的两套励磁绕组:第一励磁绕组、第二励磁绕组，第一励磁绕组和第二励磁绕组分别具有第一端和第二端；所述电枢绕组与整流电路的输入端连接，第一励磁绕组的第一端与整流电路的正输出端连接，第一励磁绕组的第二端与所述功率开关管漏极、所述二极管的阳极共同连接，所述二极管的阴极与所述电容的正极共同相连，构成自升压双凸极无刷直流发电系统输出正端，所述电容的负极与所述功率开关管的源极相连接，构成自升压双凸极无刷直流发电系统输出负端；直流励磁源的正、负输出端分别与所述DC-DC变换电路的正、负输入端连接，DC-DC变换电路的正、负输出端分别与第二励磁绕组的第一端、第二端连接；第一励磁绕组的第一端与第二励磁绕组的第一端互为同名端；所述发电机检测控制单元对第二励磁绕组中的励磁电流以及自升压双凸极无刷直流发电系统的输出电流、输出电压进行检测，并根据检测结果对DC-DC变换电路及所述功率开关管进行控制。
2.如权利要求1所述自升压双凸极无刷直流发电系统，其特征在于，所述整流电路为桥式不控整流电路。
3.如权利要求1所述自升压双凸极无刷直流发电系统，其特征在于，所述DC-DC变换电路为不对称半桥电路。
4.如权利要求1所述自升压双凸极无刷直流发电系统，其特征在于，所述双凸极电机还包括电机冷却装置；所述整流电路、功率开关管、二极管、电容、DC-DC转换电路与发电机检测控制单元集成于所述双凸极电机的端盖上，并通过所述电机冷却装置进行冷却。
5.如权利要求1至4任一项所述自升压双凸极无刷直流发电系统，其特征在于， 所述发电机检测控制单元中预存有发电系统输出功率给定值与最优占空比的对应关系，以及发电机转速与最优`占空比的对应关系； 当发电系统工作在定转速工作模式下，发电机检测控制单元根据直流输出功率给定值与最优占空比的对应关系，确定当前设定的发电系统输出功率给定值所对应的最优占空t匕，并按照该最优占空比对所述功率开关管进行控制，同时根据检测到的实际直流输出电流，通过控制所述DC-DC变换电路调整第二励磁绕组中励磁电流的大小，使发电系统的直流输出电流跟踪直流输出电流给定值； 当发电系统发电工作在变转速工作模式下，发电机检测控制单元根据发电机转速与最优占空比的对应关系，确定当前发电机转速所对应的最优占空比，并按照该最优占空比对所述功率开关管进行控制，同时根据检测到的实际直流输出电流，通过控制所述DC-DC变换电路调整第二励磁绕组中励磁电流的大小，使发电系统的直流输出电流跟踪直流输出电流给定值。
6.如权利要求5所述自升压双凸极无刷直流发电系统，其特征在于，所述发电系统输出功率给定值与最优占空比的对应关系通过以下方法确定:在与实际运行相同的电压等级及相同转速条件下，在不同输出功率给定值下，通过调整功率开关管Ql的占空比使得第二套励磁绕组中的励磁电流达到最小值，且发电系统直流输出电流均跟踪给定值，并记录各输出功率下使得第二套励磁绕组中的励磁电流值最小的所述功率开关管的占空比，该占空比即为相应输出功率给定值下的最优占空比。
7.如权利要求5所述自升压双凸极无刷直流发电系统，其特征在于，所述发电机转速与最 优占空比的对应关系通过以下方法确定:在与实际运行相同的电压等级及最大励磁电流条件下，在不同转速下，调整所述功率开关管的占空比，使得发电系统输出功率达到此转速下、最大励磁条件下输出功率的最大值，记录此转速下使发电系统输出功率最大的功率开关管的占空比，该占空比即为此转速所对应的最优占空比。
【文档编号】H02P9/30GK103684160SQ201310653490
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2013年12月5日
【发明者】张卓然, 于立, 孙莉, 严仰光 申请人:南京航空航天大学