[发明专利]一种复合式无刷直流起动发电机系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种起动发电机系统，尤其涉及一种复合式无刷直流起动发电机系统及其控制方法，属于起动发电技术领域。

背景技术

电励磁双凸极电机结构简单，转子上无绕组，适合高速运行，提高电机功率密度，做发电运行时，不需要位置传感器，控制灵活方便。电励磁双凸极电机无论是电动还是发电运行需要独立直流励磁源，设置励磁机可以解决其可靠励磁问题。

起动发电一体化可以减小系统体积，使结构紧凑，特别是在汽车、飞机上的独立电源系统领域。电励磁双凸极电机作为起动发电机一体化运行时，起动转矩脉动较大，并且起动电流大，以提供较大的起动转矩，过大的起动电流会造成较大的线路损耗及线路压降，影响接在同一母线上部分直流负载的正常运行；另一方面，起动时转速低，起动电源电压通常为低压，而发电时为了提高发电系统效率，发电输出电压通常为高压，因此导致起动电源电压与发电输出电压之间的不平衡。

永磁电机功率密度高，做电动运行时，转矩脉动小，输出转矩高，并且可以采用无位置传感器控制策略，而发电运行时，由于无法调节永磁磁势，需要功率变换单元，调节输出功率,并且发电输出电压高，使功率开关管成本高，作为起动发电一体化设计时，同样面临起动电源电压与发电输出电压之间不平衡的问题。

目前起动发电技术方案主要应用在混合动力汽车起动发电一体化（ISG）技术方面，并且采用永磁电机作为起动发电机系统的方案较多，例如发明专利CN101814814A公开了一种起动发电机，该起动发电机为永磁外转子结构，内部的霍尔位置传感器检测转子内周面磁场，从而检测出转子位置，该发明结构紧凑，检测精度高。然而，由于无法调节永磁励磁磁势，发电时需要外部功率变换单元，可靠性低，成本高，永磁电机发电运行为大功率负载提供能量，使永磁体用量较多，同样提高了成本。飞机无刷直流起动发电机系统中，开关磁阻起动发电机系统得到成功应用，例如美国专利US005489810A公开了一种开关磁阻起动发电机方案，该起动发电机转子内圆与定子外圆安装冷却套管，采用空心电枢导线，该开关磁阻起动发电机适应高温高速环境下运行，从而提高功率密度，然而开关磁阻电机发电过程需要位置传感器以及全功率变换器，降低了系统可靠性，起动时相电流非正弦，电流尖峰大，导致起动转矩脉动大，噪音大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服克服现有技术所存在的起动电源电压与发电输出电压之间不平衡的问题，提供一种结构简单、可靠性高，成本低、控制灵活的复合式无刷直流起动发电机系统及其控制方法。

本发明的复合式无刷直流起动发电机系统，包括：无刷直流起动发电机、桥式不控整流电路、切换开关、双向桥式功率变换电路、不对称半桥电路、检测单元、蓄电池、起动切换控制单元以及发电控制单元；所述无刷直流起动发电机包括转子同轴连接的电励磁双凸极电机和永磁电机；电励磁双凸极电机电枢绕组输出端与桥式不控整流电路的桥臂中点连接，桥式不控整流电路的输出端构成复合式无刷起动发电机系统的发电输出端；永磁电机电枢绕组与双向桥式功率变换电路的桥臂中点连接；双向桥式功率变换电路的负输出端与不对称半桥电路的一个输出端、蓄电池的负极共同连接；所述切换开关包括静触点和第一动触点、第二动触点，静触点与双向桥式功率变换电路的正输出端连接，第一动触点与蓄电池的正极连接，第二动触点与不对称半桥电路的另一个输出端连接；不对称半桥电路的两个桥臂中点分别与电励磁双凸极电机的励磁绕组两端连接；所述起动切换控制单元分别与双向桥式功率变换电路的控制端、切换开关的控制端连接；所述发电控制单元与不对称半桥电路的控制端连接；所述检测单元用于对永磁电机电枢绕组相电流及电压、电励磁双凸极电机励磁电流、复合式无刷起动发电机系统发电输出端的输出电流及电压进行检测，并将永磁电机电枢绕组相电流及电压的检测信息传输至起动切换控制单元，将电励磁双凸极电机励磁电流、复合式无刷起动发电机系统发电输出端的输出电流及电压的检测信息传输至发电控制单元。

优选地，所述双向桥式功率变换电路为直流输出端带有滤波电容的双向桥式功率变换电路。

优选地，所述桥式不控整流电路为输出端带有滤波电容的桥式不控整流电路。

进一步地，永磁电机电枢绕组与双向桥式功率变换电路的桥臂中点通过一可控开关装置连接，该可控开关装置的控制端分别与起动切换控制单元、发电控制单元连接。该可控开关装置在起动过程及发电过程中始终闭合，仅当起动发电系统出现异常时由起动切换控制单元或发电控制单元控制其断开，从而可提高系统的安全性。

所述永磁电机可以采用转子永磁型永磁电机或定子永磁型永磁电机。