一种集成多种充电方式的开关磁阻电机电路及其控制方法

1.本发明涉及电子驱动技术领域，具体涉及一种集成多种充电方式的开关磁阻电机电路及其控制方法。


背景技术：

2.开关磁阻电机由于其稳定，结构简单，可靠性高，调速范围广，其应用场合越来越广；传统开关磁阻电机驱动车辆运行时基本由电池供电，当电池电量耗尽处于馈电模式时，需要将电池取出，或外接转换器进行充电，这样不仅使用不方便，而且由于需要额外的电力转换设备，增加了使用成本；进一步的，转换器不能适配所有规格型号的电池，为了适配范围广，充电设备的成本需要进一步提高；并且随着电动车市场需要进一步增大，往往车辆在亏电时，周围没有充电设备或使用需求大需要花费大量的时间排队，一定程度的影响车主的用车体验；同时由于电池与充电设备往往不是同一厂商生产，电池和充电设备型号不匹配导致充电效率得不到保证，严重时，甚至可能烧毁充电设备或导致电池的自燃等严重事故。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提供了一种集成多种充电方式的开关磁阻电机电路及其控制方法，解决现有技术中存在的问题。
4.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
5.一种集成多种充电方式的开关磁阻电机电路，包括：非对称半桥电路、pfc整流电路、光伏充电电路；
6.非对称半桥电路包括：非对称半桥电路的继电器kp1的一端与第一蓄电池vbat的正极相连；继电器kp1的另一端与功率开关管q1的集电极、功率开关管q3的集电极、功率开关管q5的集电极、二极管d3的阴极、功率开关管q7的集电极、二极管d5的阴极、电容c2的阳极相连、第一光伏电池板pv的正极相连；功率开关管q1的发射极与绕组l1的一端、q2的集电极相连；绕组l1的另一端与功率开关管q3的发射极、功率开关管q4的集电极相连；第一蓄电池vbat的负极与功率开关管q2的发射极、功率开关管q4的发射极、功率开关管q6的发射极、功率开关管q8的发射极、二极管d2的阳极、二极管d4的阳极、电容c2的阴极相连、第一光伏电池板pv的负极相连；功率开关管q5的发射极与二极管d2的阴极、绕组l2的一端相连；二极管d3的阳极与功率开关管q6的集电极、绕组l2的另一端；功率开关管q7的发射极与二极管d4的阴极、绕组l3的一端相连；绕组l3的一端相连；绕组l3的另一端与二极管d5的阳极、功率开关管q8的集电极相连；
7.pfc整流电路包括：pfc整流电路的第二蓄电池vbat的正极与电容c1的正极、继电器kp2的一端相连；功率开关管q3的集电极与二极管d3的阴极、功率开关管q7的集电极相连；继电器kp2的另一端与二极管d1的阴极相连；二极管d1的阳极与绕组l1的一端和功率开关管q2的集电极相连；绕组l1的另一端与功率开关管q3的发射极、功率开关管q4的集电极
相连；第二蓄电池vbat的负极与电容c1的阴极、功率开关管q2的发射极、功率开关管q4的发射极、功率开关管q6的发射极、二极管d4的阳极相连；二极管d3的阳极与功率开关管q6的集电极、单相市电端ac的一端相连；单相市电端ac的另一端与功率开关管q7的发射极、二极管d4的阴极相连；
8.光伏充电电路包括：光伏充电电路的第三蓄电池vbat的正极与电容c1的正极、继电器kp2的一端相连；功率开关管q3的集电极与电容c2的阳极、第二光伏电池板pv的正极相连；继电器kp2的另一端与二极管d1的阴极相连；二极管d1的阳极与功率开关管q2的集电极、绕组l1的一端相连；绕组l1的另一端与功率开关管q3的发射极和功率开关管q4的集电极相连；第三蓄电池vbat的负极与电容c1的阴极、功率开关管q2的发射极、功率开关管q4的发射极、电容c2的阴极、第二光伏电池板pv的负极相连。
9.进一步，pfc整流电路用于pfc工作模式下，在单相市电端外接交流电为电池充电；
10.光伏充电电路用于光伏充电模式下，通过光伏电池板侧经驱动器开关管构成的电路为电池侧充电；
11.非对称半桥电路用于电机驱动模式下，通过拓扑分配开关磁阻电机的三个绕组的电流，实现电机调速。
12.进一步，电机驱动模式的工作状态，包括：
13.电机驱动模式状态1：控制继电器kp1闭合，功率开关管q1、q4导通，拓扑中其他继电器和功率开关管均处于关断状态；此时第一蓄电池vbat和第一光伏电池板pv为绕组l1提供能量，电流从第一蓄电池vbat和第一光伏电池板流出，经过继电器kp1、功率开关管q1、绕组l1、功率开关管q4，最终流回第一蓄电池vbat和第一光伏电池板pv形成回路；
14.电机驱动模式状态2：在电机驱动模式状态1的条件下，关闭功率开关管q4，此时绕组上电流通过功率开关管q3的续流二极管，然后经过功率开关管q1流回绕组l1；同时第一光伏电池板pv的电流经过控制继电器kp1流进第一蓄电池vbat，再流回第一光伏电池板的负边形成回路；
15.电机驱动模式状态3：在电机驱动模式状态2的条件下，关闭功率开关管q1，此时绕组上的电流经过功率开关管q3的续流二极管，然后经过控制继电器kp1流进第一蓄电池vbat，然后电流继续经过功率开关管q2的续流二极管形成回路；同时第一光伏电池板pv的电流经过控制继电器kp1流进第一蓄电池vbat，再流回第一光伏电池板的负边形成回路。
16.进一步，pfc工作模式的工作状态，包括：
17.pfc工作模式状态1：控制继电器kp2吸合，功率开关管q2、q3导通，拓扑中其他继电器和功率开关管均处于关断状态；此时市电能量通过功率开关管q6、q7的续流二极管与二极管d3、d4组成的整流桥，然后电流经过功率开关管q3、绕组l1、功率开关管q2，流回整流桥的负边侧形成回路；
18.pfc工作模式状态2：在pfc工作模式状态1的条件下，关闭功率开关管q2、q3；此时，绕组l1上电流经过二极管d1、控制继电器kp2流向第二蓄电池vbat，然后经过功率开关管q4的续流二极管流回绕组l1形成回路。
19.进一步，光伏充电模式的工作状态，包括：
20.光伏充电模式状态1：控制继电器kp2吸合，功率开关管q2、q3导通，拓扑中其他继电器和功率开关管均处于关断状态；此时第二光伏电池板pv能量通过功率开关管q3、绕组
l1、功率开关管q2，流回第二光伏电池板pv的负边侧形成回路；
21.光伏充电模式状态2：在光伏充电模式状态1的条件下，关闭功率开关管q2、q3；此时，绕组l1上电流经过二极管d1、控制继电器kp2流向第三蓄电池vbat，然后经过功率开关管q4的续流二极管流回绕组l1形成回路。
22.本发明提供了一种集成多种充电方式的开关磁阻电机电路及其控制方法，具备以下有益效果：
23.集成多种充电方式的开关磁阻电机电路及其控制方法实现了在原有不对称半桥电路的基础上集成了电池的多种充电方法，在不增加成本的情况下实现了充电功能，可以增加电池的续航能力，增强控制器的功率密度，并且根据电池的型号可以做充电匹配，提高充电效率的同时，也能提高电池的使用寿命。
附图说明
24.图1为本发明一种集成多种充电方式的开关磁阻电机电路拓扑示意图；
25.图2显示了多端口转换驱动拓扑在电机驱动工作模式下，多端口转换驱动拓扑的等效电路；
26.图3显示了多端口转换驱动拓扑在pfc工作模式下，多端口转换驱动拓扑的等效电路；
27.图4显示了多端口转换驱动拓扑在光伏充电模式下，多端口转换驱动拓扑的等效电路；
28.图5展示了非对称半桥电路在驱动电机模式下第一种工作模态的电流流向情况；
29.图6展示了非对称半桥电路在驱动电机模式下第二种工作模态的电流流向情况；
30.图7展示了非对称半桥电路在驱动电机模式下第三种工作模态的电流流向情况；
31.图8展示了pfc整流电路在pfc工作模式下第一种工作模态的电流流向情况；
32.图9展示了pfc整流电路在pfc工作模式下第二种工作模态的电流流向情况；
33.图10展示了光伏充电电路在光伏充电模式下第一种工作模态的电流流向情况；
34.图11展示了光伏充电电路在光伏充电模式下第二种工作模态的电流流向情况。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
36.一种集成了多种充电方式的开关磁阻电机电路包括控制继电器kp1，控制继电器kp2、功率开关管q1、功率开关管q2、功率开关管q3、功率开关管q4、功率开关管q5、功率开关管q6、功率开关管q7、功率开关管q8、蓄电池vbat、二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、二极管d5、绕组l1、绕组l2、绕组l3、电容c1、电容c2、单相市电端ac、光伏电池板pv；继电器kp1的一端与蓄电池vbat的正极、电容c1的正极、继电器kp2的一端相连；继电器kp1的另一端与功率开关管q1的集电极、功率开关管q3的集电极、功率开关管q5的集电极、二极管d3的阴极、功率开关管q7的集电极、二极管d5的阴极、电容c2的阳极、光伏电池板pv的正极相连；继电器kp2的另一端与二极管d1的阴极相连；二极管d1的阳极与功率开关管q1的发射极、功率开关管q2的集电极、绕组l1的一端相连；绕组l1的另一端与功率开关管q3的发射
极、功率开关管q4的集电极相连；蓄电池vbat的负极与电容c1的阴极、功率开关管q2的发射极、功率开关管q4的发射极、功率开关管q6的发射极、功率开关管q8的发射极、二极管d2的阳极、二极管d4的阳极、电容c2的阴极、光伏电池板pv的负极相连；功率开关管q5的发射极与二极管d2的阴极、绕组l2的一端相连；二极管d3的阳极与功率开关管q6的集电极、绕组l2的另一端、单相市电端ac的一端相连；单相市电端ac的另一端与功率开关管q7的发射极、二极管d4的阴极、绕组l3的一端相连；绕组l3的另一端与二极管d5的阳极、功率开关管q8的集电极相连；在使用时，l1指的是6/4极开关磁阻电机的第一相绕组，l2指的是6/4极开关磁阻电机的第二相绕组，l3指的是6/4极开关磁阻电机的第三相绕组；其中功率开关管q1的发射极与q4的集电极连接的是6/4极开关磁阻电机的第一相绕组，功率开关管q5的发射极与q6的集电极连接的是6/4极开关磁阻电机的第二相绕组，功率开关管q7的发射极与q8的集电极连接的是6/4极开关磁阻电机的第三相绕组；进一步地，功率开关管q1、功率开关管q2、功率开关管q3、功率开关管q4、功率开关管q5、功率开关管q6、功率开关管q7、功率开关管q8根据驱动电机电流电压的大小关系可以为mos管或igbt管。
37.一种集成多种充电方式的开关磁阻电机电路及其控制方法，包括非对称三相半桥电路(如图2)、pfc整流电路(如图3)和光伏充电电路(如图4)；
38.其中，非对称半桥电路包括第一蓄电池vbat、控制继电器kp1、功率开关管q1～q8、二极管d2～d5、绕组l1～l3、电容c2；非对称半桥电路的继电器kp1的一端与第一蓄电池vbat的正极相连；继电器kp1的另一端与功率开关管q1的集电极、功率开关管q3的集电极、功率开关管q5的集电极、二极管d3的阴极、功率开关管q7的集电极、二极管d5的阴极、电容c2的阳极相连、第一光伏电池板pv的正极相连；功率开关管q1的发射极与绕组l1的一端、q2的集电极相连；绕组l1的另一端与功率开关管q3的发射极、功率开关管q4的集电极相连；第一蓄电池vbat的负极与功率开关管q2的发射极、功率开关管q4的发射极、功率开关管q6的发射极、功率开关管q8的发射极、二极管d2的阳极、二极管d4的阳极、电容c2的阴极相连、第一光伏电池板pv的负极相连；功率开关管q5的发射极与二极管d2的阴极、绕组l2的一端相连；二极管d3的阳极与功率开关管q6的集电极、绕组l2的另一端；功率开关管q7的发射极与二极管d4的阴极、绕组l3的一端相连；绕组l3的另一端与二极管d5的阳极、功率开关管q8的集电极相连。
39.pfc整流电路包括第二蓄电池vbat、控制继电器kp2、二极管d1、二极管d3～d4、绕组l1、功率开关管q3～q4、功率开关管q6～q7、单相市电端ac、电容c1；pfc整流电路的第二蓄电池vbat的正极与电容c1的正极、继电器kp2的一端相连；功率开关管q3的集电极与二极管d3的阴极、功率开关管q7的集电极相连；继电器kp2的另一端与二极管d1的阴极相连；二极管d1的阳极与绕组l1的一端和功率开关管q2的集电极相连；绕组l1的另一端与功率开关管q3的发射极、功率开关管q4的集电极相连；第二蓄电池vbat的负极与电容c1的阴极、功率开关管q2的发射极、功率开关管q4的发射极、功率开关管q6的发射极、二极管d4的阳极相连；二极管d3的阳极与功率开关管q6的集电极、单相市电端ac的一端相连；单相市电端ac的另一端与功率开关管q7的发射极、二极管d4的阴极相连。
40.光伏充电电路包括第三蓄电池vbat、控制继电器kp2、二极管d1、功率开关管q2～q3、电容c2、第二光伏电池板pv；光伏充电电路的第三蓄电池vbat的正极与电容c1的正极、继电器kp2的一端相连；功率开关管q3的集电极与电容c2的阳极、第二光伏电池板pv的正极
相连；继电器kp2的另一端与二极管d1的阴极相连；二极管d1的阳极与功率开关管q2的集电极、绕组l1的一端相连；绕组l1的另一端与功率开关管q3的发射极和功率开关管q4的集电极相连；第三蓄电池vbat的负极与电容c1的阴极、功率开关管q2的发射极、功率开关管q4的发射极、电容c2的阴极、第二光伏电池板pv的负极相连。
41.本发明驱动拓扑中的l1指的是6/4极开关磁阻电机的第一相的绕组，功率开关管q1的发射极与功率开关管q1的集电极连接6/4极开关磁阻电机的第一相绕组的一端，功率开关管q3的发射与功率开关管q4的集电极连接6/4极开关磁阻电机的第一相绕组的另一端。
42.本发明驱动拓扑中的l2指的是6/4极开关磁阻电机的第二相绕组，功率开关管q5的发射极与二极管d2阴极连接6/4极开关磁阻电机的第二相绕组的一端，功率开关管q6的集电极与二极管d5的阳极连接6/4极开关磁阻电机的第二相绕组的另一端。
43.本发明驱动拓扑中的l3指的是6/4极开关磁阻电机的第三相绕组，功率开关管q7的发射极与二极管d4的阴极连接6/4极开关磁阻电机的第一相绕组的一端，功率开关管q8的集电极与二极管d5的阳极连接6/4极开关磁阻电机的第一相绕组的另一端。
44.驱动电机模式工作时，拓扑以非对称半桥电路形式工作；控制继电器kp1打开，而控制继电器kp2关断；此时的电路等效为非对称半桥电路，电机转动时，在合适的时机打开对应相的功率开关管，使电流流过开关磁阻电机的绕组，再以合适的占空比控制绕组电流，达到理想的控制效果。
45.市电充电模式时，拓扑以pfc整流电路形式工作；控制继电器kp2打开，而控制继电器kp1关断；此时，功率开关管q1、功率开关管q2、功率开关管q4、功率开关管q5、功率开关管q6、功率开关管q7、功率开关管q8在该模式下驱动信号保持低电平；同时ac口接市电，电路等效成pfc整流电路；通过控制功率开关管q3的占空比使市电电流追踪市电电压实现功率因数校正，减少无功损耗，提高充电效率。
46.光伏电池板充电模式时，拓扑以光伏充电电路形式工作；控制继电器kp2打开，而控制继电器kp1关断；此时，功率开关管q1、功率开关管q4、功率开关管q5、功率开关管q6、功率开关管q7、功率开关管q8在该模式下驱动信号保持低电平；同时光伏阵列接入拓扑，电路变成光伏充电电路；通过控制功率开关管q2、q3的占空比，并且可选择引入mppt算法，实现最大功率跟踪控制，使光伏电池板工作在最大功率点，实现电路的高效充电。
47.上述实施例中功率开关管q1、功率开关管q2、功率开关管q4、功率开关管q5、功率开关管q6、功率开关管q7、功率开关管q8在该模式下驱动信号保持低电平，功率开关管是需要驱动信号的，驱动信号是从基极进入；单相市电ac端只在市电充电模式下接入到控制器中，其他两种模式(电机驱动模式和光伏充电模式)下皆是处于断开的状态。