一种用于电动汽车灵活充电的分散式源馈开关磁阻电机系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于电动汽车灵活充电的分散式源馈开关磁阻电机系统，包括一台开关磁阻电机和两台变换器T1～T2；开关磁阻电机具有四相定子绕组L1～L4且各相定子绕组中间抽头，变换器T1为定子绕组L1和L2励磁，变换器T2为定子绕组L3和L4励磁。本发明开关磁阻电机拓扑有五种工作模式包括：电池均压模式、直流充电模式、交互充电模式、直流级联充电模式、交流充电模式。相对于现有车载充电器，本发明电机系统输入可以是直流电源或交流电源，在不同的电池SOC条件下也能正常工作，并且能够应用于多个场合，输入和输出的电压、功率范围更广。
【专利说明】-种用于电动汽车灵活充电的分散式源馈开关磁阻电机系 统
【技术领域】
[0001] 本发明属于电机【技术领域】，具体涉及一种用于电动汽车灵活充电的分散式源馈开 关磁阻电机系统。
【背景技术】
[0002] 化石能源的短缺和温室气体的排放是当今世界面临的两个日趋严重的问题。作为 全球主要的石油消耗者和废弃排放者，汽车工业带来了很多能源问题和环境问题。根据国 际能源机构的统计数据表明，到2020年交通用油将占全球石油总消耗量的62%以上，汽车 尾气排放量将占空气污染源的64%以上。发展新能源汽车逐渐成为当前汽车工业的潮流所 趋。电动汽车以电能为能量运行，具有节能、环保、清洁等优点，能从根本上杜绝汽车的尾气 排放问题，改变汽车交通的能源消费结构，是缓解石油压力、解决全球变暖的有力手段。
[0003] 电动汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车，它们都是以电动机驱 动行驶。电动汽车的运行要求电机具备调速范围广、瞬时功率大、过载能力强、效率高和可 靠性好等特点。借助功率密度和效率高的优点，目前永磁无刷电机在电动汽车中得到了广 泛的应用，但是由于永磁体所用的稀土材料储量有限，使得永磁电机的成本较高，限制了其 进一步的发展和应用。在不依赖于稀土材料的电机中，开关磁阻电机以其低成本、高可靠 性、耐高温、转矩大和调速范围广等特性而受到关注。由于转矩波动较小，8/6开关磁阻电机 的使用较为广泛。图1 (a)所示为8/6开关磁阻电机的中心抽头，图1 (b)所示为相应的不 对称半桥变换器拓扑。中心抽头不需要通过特别的电机设计和硬件组合即可实现。
[0004] 在纯电动汽车和插电式混合动力汽车中，由于重量、空间和成本的限制，车载充电 器的充电功率一般低于3kW，输入电压一般低于230V，因而充电时间较长，一般在5?12h。 快速充电技术将有助于提升电动汽车的充电能力。通过提升变换器技术、将充电器与变换 器集成或者将充电器与电动机集成，可以实现大功率车载充电器，进而提升电动汽车的续 航里程。
[0005] -种20kW的基于裂相永磁电机的电动和充电系统，如图2所不，通过控制继电器 和开关管可以将电机绕组用于牵引模式或充电模式。电机绕组在牵引模式可以作为电动机 工作而在充电模式作为一个隔离的三相电压源工作。电压源通过逆变器给电池充电，从而 省去了外部的电池充电装置。在该系统中，逆变器、重新配置绕组的电机和开关器件组成了 大功率的电池充电器。但是这种车载充电器充电功率较低，且由于反电势的影响，谐波含量 较闻。
[0006] -种2. 3kW的使用不对称半桥功率变换器的开关磁阻电机系统，如图3所不，具备 车载充电和功率因数校正功能。但是其在外部配置了一个前端的DC-DC变换器，使得该拓 扑变得不太实用和灵活。在同一电机基础上，使用IPM(智能功率模块）建立的四相全桥变 换器，可以组成集成的开关磁阻电机充电器。但这种车载充电器忽略了直流电压源的充电 模式，同时系统的稳定性不高。
[0007] 对于纯电动汽车和插电式混合动力汽车，尚无一种令人满意的车载充电器。现有 车载充电器很难满足输入和输出的电压、功率要求。同时，电池电压在不同的S0C (剩余电 量百分比）和充电电流下会有较大范围的变化。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种用于电动汽车灵活充电 的分散式源馈开关磁阻电机系统，其输入可以是直流电源或交流电源，在不同的电池 S0C 条件下也能正常工作，并且能够应用于多个场合，输入和输出的电压、功率范围更广。
[0009] -种用于电动汽车灵活充电的分散式源馈开关磁阻电机系统，包括一台开关磁阻 电机和两台变换器T1?T2 ;所述的开关磁阻电机具有四相定子绕组La?Ld且各相定子 绕组中间抽头，变换器T1为定子绕组La和Lb励磁，变换器T2为定子绕组Lc和Ld励磁；
[0010] 所述的变换器T1包括电池 E1、直流电容C1、四个开关管S0?S3和四个二极管 D0?D3 ;其中，电池 E1的正极与直流电容C1的一端、开关管S0的一端、二极管D1的阴极、 开关管S2的一端和二极管D3的阴极相连，电池 E1的负极与直流电容C1的另一端、开关管 S1的一端、二极管D0的阳极、开关管S3的一端和二极管D2的阳极相连，开关管S0的另一 端与定子绕组La的一端和二极管D0的阴极相连，二极管D1的阳极与定子绕组La的另一 端和开关管S1的另一端相连，开关管S2的另一端与定子绕组Lb的一端和二极管D2的阴 极相连，二极管D3的阳极与定子绕组Lb的另一端和开关管S3的另一端相连，定子绕组La 的抽头端为变换器T1的Na输出端，定子绕组Lb的抽头端为变换器T1的Nb输出端，四个 开关管S0?S3的控制极均接收外部设备提供的驱动信号；
[0011] 所述的变换器T2包括电池 E2、直流电容C2、四个开关管S4?S7和四个二极管 D4?D7 ;其中，电池 E2的正极与直流电容C2的一端、开关管S4的一端、二极管D5的阴极、 开关管S6的一端和二极管D7的阴极相连，电池 E2的负极与直流电容C2的另一端、开关管 S5的一端、二极管D4的阳极、开关管S7的一端和二极管D6的阳极相连，开关管S4的另一 端与定子绕组Lc的一端和二极管D4的阴极相连，二极管D5的阳极与定子绕组Lc的另一 端和开关管S5的另一端相连，开关管S6的另一端与定子绕组Ld的一端和二极管D6的阴 极相连，二极管D7的阳极与定子绕组Ld的另一端和开关管S7的另一端相连，定子绕组Lc 的抽头端为变换器T2的Nc输出端，定子绕组Ld的抽头端为变换器T2的Nd输出端，四个 开关管S4?S7的控制极均接收外部设备提供的驱动信号。
[0012] 当外部电源对所述的开关磁阻电机系统进行充电时，则变换器T1的Nb输出端与 变换器T2的Nc输出端相连，变换器T1的Na输出端和变换器T2的Nd输出端与外部电源 两端对应连接，所述的外部电源为直流源或交流源。
[0013] 当所述的开关磁阻电机系统内两台变换器T1?T2进入均压模式时，则变换器T1 的Nb输出端与变换器T2的Nc输出端相连，变换器T1的Na输出端与变换器T2的Nd输出 端相连，以实现电池电压高的变换器给电池电压低的变换器进行充电。
[0014] 当两辆电动汽车进行交互充电时，对于一辆电动汽车开关磁阻电机系统内的两台 变换器T1?T2,则变换器T1的Nb输出端与变换器T2的Nc输出端相连，变换器T1的Na 输出端与另一辆电动汽车开关磁阻电机系统内变换器T1的Na输出端相连，变换器T2的Nd 输出端与另一辆电动汽车开关磁阻电机系统内变换器T2的Nd输出端相连，以实现S0C高 的电动汽车给SOC低的电动汽车进行充电。
[0015] 当外部直流源对多辆电动汽车进行充电时，多辆电动汽车的开关磁阻电机系统级 联，对于一辆电动汽车开关磁阻电机系统内的两台变换器T1?T2,贝u变换器T1的Nb输出 端与变换器T2的Nc输出端相连，变换器T1的Na输出端与前一辆电动汽车开关磁阻电机 系统内变换器T2的Nd输出端相连，变换器T2的Nd输出端与后一辆电动汽车开关磁阻电 机系统内变换器T1的Na输出端相连，第一辆电动汽车开关磁阻电机系统内变换器T1的Na 输出端和最后一辆电动汽车开关磁阻电机系统内变换器T2的Nd输出端与外部直流源两端 对应连接。
[0016] 所述的四个开关管S1?S4均采用CoolMOS管。
[0017] 所述的二极管采用快恢复二极管。
[0018] 本发明开关磁阻电机系统具有以下有益技术效果：
[0019] (1)输入可以是直流电源或交流电源；中心抽头既可以与直流电压源相连，也可 以与交流电压源相连，电路均能正常进行充电。
[0020] (2)电压、功率范围广；通过多辆电动汽车的相连，可以将输入直接与大电压交流 源相连而无需使用降压变压器。
[0021] (3)适用于不同的电池 S0C条件；通过电池均压控制，可以让S0C高的电池给S0C 低的电池充电。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1 (a)为8/6开关磁阻电机带有中心抽头的绕组示意图。
[0023] 图1 (b)为带有中心抽头的8/6开关磁阻电机的结构示意图。
[0024] 图2为基于裂相永磁电机电动和充电系统的结构示意图。
[0025] 图3为使用不对称半桥功率变换器的开关磁阻电机系统的结构示意图。
[0026] 图4为本发明分散式源馈开关磁阻电机系统的结构示意图。
[0027] 图5为本发明分散式源馈开关磁阻电机系统电池均压模式的结构示意图。
[0028] 图6(a)?（b)分别为本发明分散式源馈开关磁阻电机系统两种电池均压模式的 原理示意图。
[0029] 图7为本发明分散式源馈开关磁阻电机系统直流充电模式的结构示意图。
[0030] 图8(a)?（d)分别为本发明分散式源馈开关磁阻电机系统四种直流充电模式的 原理示意图。
[0031] 图9为本发明分散式源馈开关磁阻电机系统交互充电模式的结构示意图。
[0032] 图10为本发明分散式源馈开关磁阻电机系统级联充电模式的结构示意图。
[0033] 图11为本发明分散式源馈开关磁阻电机系统交流充电模式的结构示意图。
[0034] 图12为本发明分散式源馈开关磁阻电机系统交流充电模式的多电平滞环控制原 理示意图。
[0035] 图13为本发明分散式源馈开关磁阻电机系统交流充电模式的输出多电平示意 图。
【具体实施方式】
[0036] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及【具体实施方式】对本发明的技术方案 及其相关工作原理进行详细说明。
[0037] 如图4所示，一种用于电动汽车灵活充电的分散式源馈开关磁阻电机系统，包括 一台开关磁阻电机和两台变换器T1?T2 ;开关磁阻电机具有四相定子绕组La?Ld且各 相定子绕组中间抽头，变换器T1为定子绕组La和Lb励磁，变换器T2为定子绕组Lc和Ld 励磁；
[0038] 变换器T1包括电池 E1、直流电容C1、四个开关管S0?S3和四个二极管D0?D3 ; 其中，电池 E1的正极与直流电容C1的一端、开关管S0的一端、二极管D1的阴极、开关管S2 的一端和二极管D3的阴极相连，电池 E1的负极与直流电容C1的另一端、开关管S1的一端、 二极管D0的阳极、开关管S3的一端和二极管D2的阳极相连，开关管S0的另一端与定子绕 组La的一端和二极管D0的阴极相连，二极管D1的阳极与定子绕组La的另一端和开关管 S1的另一端相连，开关管S2的另一端与定子绕组Lb的一端和二极管D2的阴极相连，二极 管D3的阳极与定子绕组Lb的另一端和开关管S3的另一端相连，定子绕组La的抽头端为 变换器T1的Na输出端，定子绕组Lb的抽头端为变换器T1的Nb输出端，四个开关管S0? S3的控制极均接收外部设备提供的驱动信号；
[0039] 变换器T2包括电池 E2、直流电容C2、四个开关管S4?S7和四个二极管D4?D7 ; 其中，电池 E2的正极与直流电容C2的一端、开关管S4的一端、二极管D5的阴极、开关管S6 的一端和二极管D7的阴极相连，电池 E2的负极与直流电容C2的另一端、开关管S5的一端、 二极管D4的阳极、开关管S7的一端和二极管D6的阳极相连，开关管S4的另一端与定子绕 组Lc的一端和二极管D4的阴极相连，二极管D5的阳极与定子绕组Lc的另一端和开关管 S5的另一端相连，开关管S6的另一端与定子绕组Ld的一端和二极管D6的阴极相连，二极 管D7的阳极与定子绕组Ld的另一端和开关管S7的另一端相连，定子绕组Lc的抽头端为 变换器T2的Nc输出端，定子绕组Ld的抽头端为变换器T2的Nd输出端，四个开关管S4? S7的控制极均接收外部设备提供的驱动信号。
[0040] 本实施方式开关磁阻电机拓扑包含五种工作方式，分别为电池均压模式、直流充 电模式、交互充电模式、直流级联充电模式和交流充电模式。
[0041] 电池均压模式如图5所示，中心抽头NA与中心抽头ND直接相连，中心抽头N B与中 心抽头N。直接相连。当A、B相蓄电池电压UAB高于C、D相蓄电池电压Um时，相应的开关模 态如图6(a)?（b)所示。
[0042] 模态1 :如图6 (a)所示，开关管\、开关管S3和开关管S7导通，开关管Si、开关管 s2、开关管S4和开关管S6关断，电流从A、B相蓄电池 Uab流出，流过开关管\、电机绕组Lal4、 中心抽头NA、中心抽头N D、电机绕组Ld23、开关管S7、二极管D4、电机绕组1^。 14、中心抽头N。、中 心抽头NB、电机绕组Lb23、开关管S 3 ;此时，A、B相蓄电池 Uab传输能量给电机绕组。
[0043] 模态2 :如图6(b)所示，开关管关断，电流流过电机绕组Lal4、中心抽头Na、 中心抽头N d、电机绕组Ld23、二极管D7，流入蓄电池 Um后流过二极管D4、电机绕组1^。14、中心 抽头N。、中心抽头NB、电机绕组L b23、开关管S3、二极管％ ;此时，电机绕组传输能量给C、D相 蓄电池 υε(1。
[0044] 当C、D相蓄电池电压Um高于Α、Β相蓄电池电压UAB时，电路的工作模态与图6所 不模态类似。C、D相蓄电池 Ud先将能量传输给电机绕组，再由电机绕组将能量传输给A、B 相蓄电池 uab。通过控制开关管的导通和关断可以将SOC高的电池的能量传输给SOC低的 电池，实现电池电压的均衡控制。
[0045] 直流充电模式如图7所示，中心抽头NB和中心抽头N。直接相连，中心抽头N A和中 心抽头ND之间连接一个外部直流电压源。这种工作方式包含四种工作模态，具体模态如图 8(a)?（d)所示。
[0046] 模态1 :如图8(a)所示，开关管S3和开关管S7导通，开关管\、开关管Si、开关管 S2、开关管s4、开关管S5、开关管S6关断，电流从外部直流电压源流出，流过中心抽头N D、电机 绕组Ld23、开关管S7、二极管D4、电机绕组L el4、中心抽头N。、中心抽头NB、电机绕组Lb23、开关 管S 3、二极管％、电机绕组Lal4和中心抽头NA ;此时，外部直流电压源输送能量给电机绕组。
[0047] 模态2 :如图8 (b)所示，开关管\?S7关断，电流从外部直流电压源流出，流过中 心抽头ND、电机绕组L d23、二极管D7，流入蓄电池 Um，流过二极管D4、电机绕组1^。14、中心抽头 Nc、中心抽头NB、电机绕组Lb23、二极管D3,流入蓄电池 Uab，流过二极管D。、电机绕组Lal4、中心 抽头NA ;此时，外部直流电压源和电机绕组输送能量给A、B相蓄电池 Uab和C、D相蓄电池 Ucd。
[0048] 模态3 :如图8 (c)所示，开关管S3导通，开关管\、开关管Si、开关管S2、开关管S4、 开关管s 5、开关管S6和开关管S7关断，电流从外部直流电压源流出，流过中心抽头N D、电机 绕组Ld23、二极管D7，流入蓄电池 Ud，流过二极管D4、电机绕组Lm、中心抽头Nc、中心抽头Nb、 电机绕组L b23、开关管&、二极管％、电机绕组Lal4和中心抽头Na;此时，外部直流电压源和电 机绕组输送能量给C、D相蓄电池 Ud。
[0049] 模态4 :如图8 (d)所示，开关管S7导通，开关管\、开关管Si、开关管S2、开关管S3、 开关管s 4、开关管S5和开关管S6关断，电流从外部直流电压源流出，流过中心抽头N D、电机 绕组Ld23、二极管D7，流入蓄电池 Ud，流过二极管D4、电机绕组Lm、中心抽头Nc、中心抽头Nb、 电机绕组L b23、开关管&、二极管％、电机绕组Lal4和中心抽头Na;此时，外部直流电压源和电 机绕组输送能量给A、B相蓄电池 Uab。
[0050] 交互充电模式如图9所示，由两辆相同结构的电动汽车组成，放电汽车的中心抽 头NA与充电汽车的中心抽头N A，相连，放电汽车的中心抽头ND与充电汽车的中心抽头ND，相 连，放电汽车的中心抽头N B与充电汽车的中心抽头N。相连，充电汽车的中心抽头NB，与充电 汽车的中心抽头N。，相连。放电汽车的电池 S0C比充电汽车的电池 S0C更高，交互充电模式 下电路的工作模态与直流充电模式类似。
[0051] 直流级联充电模式如图10所示，由N辆相同结构的电动汽车和一个大电压外部直 流源组成。级联充电模式的工作模态与直流充电模式类似，但是可以实现与大电压直流源 的连接，充电容量更大。
[0052] 交流充电模式如图11所示，中心抽头NB和中心抽头Nc直接相连，中心抽头N A和 中心抽头ND之间连接一个外部交流电压源。交流充电模式可等效为一个典型的级联型多 电平拓扑，共输出五个电平，分别是0, uab，uab+ued，-uab和- (uab+ued)。为了降低开关频率和 提高电能质量，在交流充电模式中使用了多电平滞环控制，如图12所示。与传统滞环控制 方法不同的是，在多电平滞环控制策略中，考虑了电池 S0C不相等的影响。当A、B相蓄电 池 UAB和C、D相蓄电池 Um的S0C相等时，输送给A、B相蓄电池 I和C、D相蓄电池 Um的能 量也相等，如图13所示。当A、B相蓄电池 UAB的S0C比C、D相蓄电池 Um的S0C小时，输送 给A、B相蓄电池 UAB的能量比输送给C、D相蓄电池 Um的能量更多；当A、B相蓄电池 I的 SOC比C、D相蓄电池 Um的SOC大时，输送给A、B相蓄电池 UAB的能量比输送给C、D相蓄电 池 Um的能量更少。通过电动车组的串联及相应控制，可以直接用高压电网对电动汽车充电 而无需借助降压变压器。
[0053] 在直流充电模式和交流充电模式中，需要获取电路的电感参数以设计控制环节。 由于开关磁阻电机的非线性，随着转子位置的变化，各相电感也不同。但是各相电感之和在 转子位置变化时基本保持一致，并且由于相电感的对称性以及四相电感在每个充电模态均 处于工作状态，因此电路的电感参数在转子位置变化时能够保持稳定。
【权利要求】
1. 一种用于电动汽车灵活充电的分散式源馈开关磁阻电机系统，包括一台开关磁阻电 机和两台变换器T1?T2 ;其特征在于：所述的开关磁阻电机具有四相定子绕组La?Ld且 各相定子绕组中间抽头，变换器T1为定子绕组La和Lb励磁，变换器T2为定子绕组Lc和 Ld励磁； 所述的变换器T1包括电池 E1、直流电容C1、四个开关管SO?S3和四个二极管DO? D3 ;其中，电池 E1的正极与直流电容C1的一端、开关管SO的一端、二极管D1的阴极、开关 管S2的一端和二极管D3的阴极相连，电池 E1的负极与直流电容C1的另一端、开关管S1 的一端、二极管DO的阳极、开关管S3的一端和二极管D2的阳极相连，开关管SO的另一端 与定子绕组La的一端和二极管DO的阴极相连，二极管D1的阳极与定子绕组La的另一端 和开关管S1的另一端相连，开关管S2的另一端与定子绕组Lb的一端和二极管D2的阴极 相连，二极管D3的阳极与定子绕组Lb的另一端和开关管S3的另一端相连，定子绕组La的 抽头端为变换器T1的Na输出端，定子绕组Lb的抽头端为变换器T1的Nb输出端，四个开 关管SO?S3的控制极均接收外部设备提供的驱动信号； 所述的变换器T2包括电池 E2、直流电容C2、四个开关管S4?S7和四个二极管D4? D7 ;其中，电池 E2的正极与直流电容C2的一端、开关管S4的一端、二极管D5的阴极、开关 管S6的一端和二极管D7的阴极相连，电池 E2的负极与直流电容C2的另一端、开关管S5 的一端、二极管D4的阳极、开关管S7的一端和二极管D6的阳极相连，开关管S4的另一端 与定子绕组Lc的一端和二极管D4的阴极相连，二极管D5的阳极与定子绕组Lc的另一端 和开关管S5的另一端相连，开关管S6的另一端与定子绕组Ld的一端和二极管D6的阴极 相连，二极管D7的阳极与定子绕组Ld的另一端和开关管S7的另一端相连，定子绕组Lc的 抽头端为变换器T2的Nc输出端，定子绕组Ld的抽头端为变换器T2的Nd输出端，四个开 关管S4?S7的控制极均接收外部设备提供的驱动信号。
2. 根据权利要求1所述的分散式源馈开关磁阻电机系统，其特征在于：当外部电源对 所述的开关磁阻电机系统进行充电时，则变换器T1的Nb输出端与变换器T2的Nc输出端 相连，变换器T1的Na输出端和变换器T2的Nd输出端与外部电源两端对应连接，所述的外 部电源为直流源或交流源。
3. 根据权利要求1所述的分散式源馈开关磁阻电机系统，其特征在于：当所述的开关 磁阻电机系统内两台变换器T1?T2进入均压模式时，则变换器T1的Nb输出端与变换器 T2的Nc输出端相连，变换器T1的Na输出端与变换器T2的Nd输出端相连，以实现电池电 压高的变换器给电池电压低的变换器进行充电。
4. 根据权利要求1所述的分散式源馈开关磁阻电机系统，其特征在于：当两辆电动汽 车进行交互充电时，对于一辆电动汽车开关磁阻电机系统内的两台变换器T1?T2,贝u变换 器T1的Nb输出端与变换器T2的Nc输出端相连，变换器T1的Na输出端与另一辆电动汽 车开关磁阻电机系统内变换器T1的Na输出端相连，变换器T2的Nd输出端与另一辆电动 汽车开关磁阻电机系统内变换器T2的Nd输出端相连，以实现S0C高的电动汽车给S0C低 的电动汽车进行充电。
5. 根据权利要求1所述的分散式源馈开关磁阻电机系统，其特征在于：当外部直流源 对多辆电动汽车进行充电时，多辆电动汽车的开关磁阻电机系统级联，对于一辆电动汽车 开关磁阻电机系统内的两台变换器T1?T2,则变换器T1的Nb输出端与变换器T2的Nc输 出端相连，变换器T1的Na输出端与前一辆电动汽车开关磁阻电机系统内变换器T2的Nd 输出端相连，变换器T2的Nd输出端与后一辆电动汽车开关磁阻电机系统内变换器T1的Na 输出端相连，第一辆电动汽车开关磁阻电机系统内变换器T1的Na输出端和最后一辆电动 汽车开关磁阻电机系统内变换器T2的Nd输出端与外部直流源两端对应连接。
6. 根据权利要求1所述的分散式源馈开关磁阻电机系统，其特征在于：所述的八个开 关管SO?S7均采用CoolMOS管。
7. 根据权利要求1所述的分散式源馈开关磁阻电机系统，其特征在于：所述的八个二 极管DO?D7均采用快恢复二极管。
【文档编号】H02J7/00GK104158240SQ201410353831
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】胡义华, 甘醇, 王晓明, 王宁, 李武华 申请人:浙江大学