[发明专利]双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统及控制方法

说明书

本发明公开一种双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统及控制方法，包括蓄电池、充放电双向变换器、电流源型变换器、电励磁双凸极电机和切换开关，其中双凸极电机两段分裂式励磁绕组复用为电流源型变换器的直流侧储能电感。驱动运行模式下，两段励磁绕组同向并联，通过对充放电变换器的控制能够在电机转速较低时为直流侧提供恒定电流，并且实现电机的四象限运行及制动过程中的能量回馈。充电运行模式下，两段励磁绕组反向串联实现去磁效应，在实现零转矩输出的同时向蓄电池充电。该系统适用于电动汽车的驱动和充电一体化系统，具有开关器件少、可靠性高等优点，并且节省空间和成本，降低系统损耗。

技术领域

本发明涉及一种用于电动汽车的复用励磁绕组的双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统拓扑结构及其控制方法，属于电机系统及控制领域。

背景技术

电动汽车中的驱动电机，目前主流应用的是无刷直流电机和永磁同步电机等永磁电机以及感应电机和开关磁阻电机等无永磁体电机。无刷直流电机成本低且结构和控制简单，但是方波电流的控制方式导致其相对于永磁同步电机具有明显的转矩脉动问题。永磁同步电机具有较高的功率密度和较低的转矩脉动，且各转速下均保持较高的效率，尤其适用于电动汽车频繁启停和加减速的应用工况，因此成为市场上大部分厂商的首选方案。但是由于永磁体的存在，弱磁高速以及高温振动运行时可能引起磁钢性能退化，同时永磁材料较高的价格使得电机系统成本难以降低，永磁电机性能的优势并不能完全占据电动汽车消费市场。感应电机作为应用最多的无永磁体电机，其结构简单、成本低，能够在恶劣工况下稳定运行，并且在成熟的矢量控制技术下具有优异的调速性能，已在多款商用电动汽车领域获得了应用，其缺点主要在于低速时效率较低以及转子绕组上感应电流导致损耗较大。开关磁阻电机具有简单可靠的结构和最低的成本，同时宽调速范围和强散热能力使其能够适应商用电动汽车的各类复杂工况，但是开关磁阻电机只能在电感上升区出力，使其铁芯利用率较低，并且其固有的转矩脉动和噪声也限制了开关磁阻电机在家用电动汽车领域的推广。

除了以上传统电机类型外，双凸极电机作为一种新型电机同样适用于电动汽车领域应用。双凸极电机与开关磁阻电机在定转子结构上十分相似，均为凸极式结构，且转子侧无绕组，根据定子侧按励磁源不同分为永磁双凸极电机和电励磁双凸极电机。双凸极电机在电感上升区和下降区均能出力，提高了铁芯利用率和功率密度。电励磁双凸极电机在定子侧采用低成本的直流绕组励磁，励磁可控使其调磁调速控制简单方便，降低了对控制器的要求。与永磁双凸极电机相比，无永磁体使得成本降低40％左右，虽然增设的励磁绕组不可避免的增加了损耗，但是在大功率商用电动汽车、叉车等应用工况下，该损耗占比十分有限。因此，低成本、高可靠性并且调速性能优异的电励磁双凸极电机在电动汽车驱动电机应用领域具有巨大的潜力。

目前国内外主流驱动/充电集成化系统的电能变换器为DC/DC变换器级联DC/AC变换器构成的两级式联变换器，前后级耦合关系、系统运行的稳定性要求等使得级联变换器的应用存在较大限制，且多级式的结构需要额外的功率器件，增加成本的同时使得控制方式更加繁杂，不利于其广泛应用。科技的发展推动了电流源型变换器的兴起，电流源型变换器以其自身作为逆变器时的升压特性和作为整流器时的降压特性，在中大功率应用中占据比重逐渐增大，例如光伏并网、船舶重工等。电动汽车驱动时蓄电池侧至电机侧的升压要求和充电时电网侧至蓄电池侧的降压要求与电流源型变换器特性完美契合，将电流源型变换器应用于驱动/充电集成化系统中具有非常高的适配性。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种复用励磁绕组的双凸极电机电流源型驱动和充电一体化系统拓扑结构及其控制方法，能够实现电动汽车的驱动和充电一体化控制。