[发明专利]一种电动车辆用双电源五相开绕组系统故障容错逆变器电路

说明书

技术领域

本发明涉及在车用逆变器发生供电电源故障、逆变器故障以及电机本体故障时都具有容错能力的电动车辆用开绕组逆变器电路，具体涉及一种电动车辆用双电源五相开绕组系统故障容错方法。

背景技术

汽车产业是国民经济的重要组成部分，在国民经济和社会发展中发挥着巨大作用。随着我国经济的加速发展和人民生活水平的迅速提高，汽车产业也必将迅猛发展，今后较长一段时期汽车需求量必将保持强劲的增长势头。另一方面，由汽车产业带来的能源紧张和环境污染等问题将更加突出，传统使用内燃机的汽车产业发展举步维艰。因此，加快推进和发展节能汽车与新能源汽车，既是有效缓解能源和环境压力，推动汽车产业可持续发展的紧迫任务，也是加快汽车产业转型升级、培育新的经济增长点和国际竞争优势的战略举措。

永磁容错电机不仅拥有永磁电机功率密度高、输出性能好的优点，还具备对电机本体及控制器的断路、短路故障的强容错能力，已成为电动汽车用动力驱动领域的研究热点。多相电机系统与传统的三相系统相比，具有如下优点：(1)在功率器件电压或电流等级受限制的特殊场合，能够实现大功率驱动；(2)由于电机相数增加，系统的可靠性得到提高；(3)由于电机相数增加，相比于三相系统，多相电机的输出机械转矩脉动减小，从而改善系统的性能；(4)电机系统由三维系统变为五维系统，维数的增加可使得电机的控制策略更加丰富。鉴于上述优点，使得多相容错电机系统在航空航天、船舶航海、电动汽车等场合有着重要应用。

传统的永磁电机驱动系统中，电机定子绕组一端星型连接，另一端与逆变器相连。日本学者Isao Takahashi在1989年首次提出将三角形连接的异步电机定子绕组拆开，把绕组六端引线分别接至两个三相逆变器，构成一种新型的电机拓扑结构——开绕组异步电机，如图1所示。相比较于传统的永磁电机驱动系统，将电机电枢绕组连接的中性点拆开，使电机呈现开绕组结构，而且电机的固有磁路特性不会改变，电机仍然具有高功率密度、高效率等优点，同时也满足电动汽车电机驱动系统容错运行的需要。当电机驱动系统出现故障时，故障相的电流或母线电压不会影响到其他正常相绕组，有效消除绕组之间的影响，提高电机自身可靠性。同时使得电机驱动系统控制更加灵活，电路拓扑更适用于容错控制，可实现电动汽车的不间断运行，提高电机驱动系统的可靠性。

电机驱动系统主要由电机本体、逆变器、控制器和传感器等部分组成，其可靠性直接关系到整个系统的安全平稳运行，任何部分的故障都有可能影响到整个系统的正常工作，甚至导致系统瘫痪和安全事故的发生。电动车辆用驱动系统的供电电源是系统中必不可少的部分，其在运行过程中，由于过流、过压以及元器件过热损坏等情况易于造成电源故障。逆变器是最常用的功率变换装置，功率开关器件由于经常暴露在外，高频的工作状态使得损耗较大、发热严重，其脆弱性使得开关管故障频繁发生。此外，车用电机内部定子故障也是多发性故障，如：定子绕组单相断路故障，匝间短路故障，定子绕组对地短路以及定子绕组相间短路。上述故障的发生轻则造成系统停机影响车辆运行，重则造成不可估量的严重性经济后果和人员伤亡。

本专利综合考虑上述系统可能出现的各种故障类型，结合逆变器拓扑结构的改进优化和控制策略的简单切换，使得任意故障的发生均可实现拓扑重构以及容错不间断运行在系统发生故障后首先对电机驱动系统进行故障检测，再对故障器件进行隔离，然后利用此电动车辆用开绕组逆变器容错电路进行拓扑重构和控制算法切换，保持整个系统的持续不间断运行。

发明内容

对于传统电动汽车驱动系统故障容错研究，一般是采用电路冗余技术和拓扑重构来实现系统容错。但是电路的冗余技术常是通过备用电路的配置实现系统不间断运行，易造成电路器件使用成本增加，资源浪费；逆变器拓扑重构通过原电路中健康期间的结构重构来实现系统容错运行，虽不增加硬件成本，但电机的容错控制策略复杂多变。另外，在现有电动汽车驱动系统故障容错研究中，往往都是针对系统的某一特定故障进行容错研究，而电动汽车驱动系统运行工况复杂，故障种类繁多，所以需展开对于电机驱动系统多种故障的综合容错策略的研究。