一种新型双定子开关磁阻电机集成充电功能驱动变换器
阅读说明：本技术 一种新型双定子开关磁阻电机集成充电功能驱动变换器 (Novel double-stator switched reluctance motor integrated charging function driving converter ) 是由 程鹤 廖朔 张动宾 闫文举 于东升 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型双定子开关磁阻电机集成充电功能驱动变换器,包括新型模块化U型双定子开关磁阻电机内外定子绕组、整流器直流母线电容2个、电动汽车蓄电池、第一继电器、第二继电器、分别用于内外定子绕组的6个开关管、6个二极管两套。每套开关管和二极管与母线电容构成驱动双定子开关磁阻电机内外定子绕组的功率变换器。母线电流由连接交流电网的整流器提供,通过第一继电器的开合来控制内外定子功率变换器的开合。断开时,通过驱动外定子,使内定子工作在发电状态实现隔离充电,通过控制第二继电器的开合来改变电动汽车工作模式,实现非隔离充电。本发明利用新型分段式双定子开关磁阻电机的内外定子结构及其电气隔离特性,利用电机绕组和已有功率开关器件构成具有隔离与非隔离充电功能的集成驱动变换器,减少功率开关管的使用,降低电动汽车成本,融合驱动与充电功能,同时增强安全性。(The invention discloses a novel double-stator switched reluctance motor integrated charging function driving converter which comprises two sets of 6 switching tubes and 6 diodes, wherein the two sets of 6 switching tubes and the two sets of 6 diodes are respectively used for an inner stator winding and an outer stator winding of a novel modularized U-shaped double-stator switched reluctance motor, 2 rectifier direct-current bus capacitors, an electric vehicle storage battery, a first relay and a second relay. Each set of switch tube, diode and bus capacitor form a power converter for driving the inner and outer stator windings of the double-stator switch reluctance motor. The bus current is provided by a rectifier connected with an alternating current power grid, and the opening and closing of the inner stator power converter and the outer stator power converter are controlled through the opening and closing of the first relay. When the electric vehicle is disconnected, the outer stator is driven, the inner stator works in a power generation state to realize isolated charging, and the working mode of the electric vehicle is changed by controlling the opening and closing of the second relay, so that non-isolated charging is realized. The invention utilizes the inner and outer stator structures of the novel sectional double-stator switched reluctance motor and the electrical isolation characteristic thereof, and utilizes the motor winding and the existing power switch device to form the integrated driving converter with the functions of isolation and non-isolation charging, thereby reducing the use of power switch tubes, reducing the cost of the electric automobile, combining the driving and charging functions and simultaneously enhancing the safety.)
技术领域
本发明涉及一种新型电机及其控制领域以及电动汽车蓄电池充电领域尤其涉及一种具有隔离与非隔离充电功能的集成驱动变换器。
背景技术
与传统汽车相比，电动汽车具有更多的优势，其零排放、低噪音以及高效节能的优点使其得到越来越多的人的关注。电动汽车驱动系统作为电动汽车的核心系统具有举足轻重的地位。开关磁阻电机作为电驱队列里的一员，因其低转矩密度、高转矩脉动和噪音大等主要缺点而限制了其推广使用。为了解决以上缺点，专利号为2019108191531公开了一种采用分段式U型定子结构，转子齿轴线错开一定机械角度的新型双定子开关磁阻电机，这种新型开关磁阻电机因其内外转子齿轴线错开一定机械角度能够有效降低转矩脉动，而且由于内外磁场解耦，所以当其工作时可以分为内定子励磁模式、外定子励磁模式和双定子励磁模式。这三种模式也为实现外定子电动-内定子发电或者内定子电动-外定子发电两种电气隔离的充电技术提供可能。目前常规的不对称半桥功率变换器应用于这种新型双定子开关磁阻电机需要更多的功率开关管器件，不仅增加了功率变换器的成本，还增加其损耗，因此还需要进一步改进其拓扑结构。
作为电动汽车核心技术，充电系统与电动汽车驱动系统同样重要。传统的电动汽车将驱动系统、牵引电池充电系统和辅助电池充电系统各自独立，这种模式增加了电动汽车的体积、重量、费用，限制了电动汽车的进一步发展。车载充电器作为当今电动汽车必不可少的设备，主要由电容器、变压器、电感、功率变换器、电源开关等电路元件组成。而这些元件驱动拓扑中也具备，因此，如能分时复用这些元件集成电驱系统与充电系统，能够极大地降低电动汽车的成本和体积，不失为一个可考虑的方案。
发明内容
为实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案予以实现。
一种新型双定子开关磁阻电机集成充电功能驱动变换器，其特征在于。
所述新型双定子开关磁阻电机由8个U型定子块组成、转子内外齿数为18，外定子齿的极性分布为N-S-S-N-N-S-S-N-N-S-S-N-N-S-S-N，内定子齿的极性分布为S-N-N-S-S-N- N-S-S-N-N-S-S-N-N-S；所述新型双定子开关磁阻电机包括内定子绕组和外定子绕组，转子内齿和外齿两轴线之间的夹角为7.5°，电机相数为四相；
进一步，定义新型双定子开关磁阻电机的内定子绕组分别为A、B、C和D相，外定子绕组分别为E、F、G和H相。所述的集成驱动变换器包括一个整流器，两个直流母线电容Co和Ci，12个功率开关管，12个二极管和一个电动汽车蓄电池，2个继电器。整流器将交流电整成直流电，外定子母线电容Co正极与整流器的正输出端相连，外定子母线电容Co负极与整流器的负输出端相连。外定子母线电容Co正极与开关管So1、So2的集电极以及二极管Do3、 Do4、Do5、Do6的负极相连。外定子母线电容Co负极与开关管So3、So4、So5、So6的发射极以及二极管Do1、Do2的正极相连。外定子绕组E、G的并联的公共端与开关管So1的发射极、二极管Do1的阴极相连接，绕组E的另一端连接二极管Do3的阳极与开关管So3的集电极，绕组G的另一端连接二极管Do4的阳极与开关管So4的集电极；外定子绕组F、H并联的公共端与开关管So2的发射极、二极管Do2的阴极相连接，绕组F的另一端连接二极管Do5的阳极与开关管So5的集电极，绕组H的另一端连接二极管Do6的阳极与开关管So6的集电极。外定子母线电容Co正极与负极两端分别经过继电器J1的两个端口分别与内定子母线电容Ci正极与负极两端相连。内定子母线电容Ci正极与开关管Si1、Si2的集电极相连，二极管 Di3、Di4、Di5、Di6的负极与电动汽车蓄电池正极相连；母线电容Ci正极与开关管Si1、Si2的集电极相连的公共端通过继电器J2与二极管Di3、Di4、Di5、Di6的负极以及电动汽车蓄电池正极相连的公共端连接，内定子母线电容Ci负极与开关管Si3、Si4、Si5、Si6的发射极以及二极管Di1、Di2的正极以及动汽车蓄电池负极相连。内定子绕组A、C并联的公共端与开关管 Si1的发射极、二极管Di1的阴极相连接，绕组A的另一端连接二极管Di3的阳极与开关管Si3的集电极，绕组C的另一端连接二极管Di4的阳极与开关管Si4的集电极；内定子绕组B、D 的并联的公共端与开关管Si2的发射极、二极管Di2的阴极相连接，绕组B的另一端连接二极管Di5的阳极与开关管Si5的集电极，绕组D的另一端连接二极管Di6的阳极与开关管Si6的集电极，通过控制继电器J1、J2的开合，实现电动汽车集成驱动变换器的驱动、隔离充电与非隔离充电功能模式的切换。
进一步，当电动汽车工作在驱动模式时，继电器J1、J2闭合，通过控制所有开关管的开关，实现内定子驱动、外定子驱动和双定子驱动三种工作模式。
进一步，当电动汽车工作在外定子驱动模式时，用到的功率开关器件为So1、So2、So3、So4、So5和So6，用到的二极管为Do1、Do2、Do3、Do4、Do5、Do6。
进一步，当电动汽车工作在内定子驱动模式时，用到的功率开关器件为Si1、Si2、Si3、Si4、Si5和Si6，用到的二极管为Di1、Di2、Di3、Di4、Di5和Di6。
进一步，当电动汽车工作在双定子驱动模式时，用到的功率开关器件为Si1、Si2、Si3、Si4、Si5、Si6，So1、So2、So3、So4、So5和So6，用到的二极管为Di1、Di2、Di3、Di4、 Di5、Di6、Do1、Do2、Do3、Do4、Do5和Do6。
进一步，当电动汽车停止运行时，进入充电模式时，通过控制继电器J1、J2开合，共有隔离充电和非隔离充电两种模式。
进一步，当电动汽车工作在隔离充电模式时，继电器J1断开、J2闭合，整流器连接交流电网，外定子工作在电动模式，内定子工作在发电模式以此形成电动-充电模式来给电动汽车蓄电池充电，完成电气隔离充电。
进一步，当电动汽车工作在非隔离充电模式时，继电器J1闭合、J2断开，整流器连接交流电网，利用已存在的内定子的绕组和功率变换器构成相位交错BUCK变换器，为电动汽车蓄电池充电。
进一步，所述的所有开关管为IGBT，也可电力MOSFET；二极管为快恢复二极管。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
相对于传统的功率变换器减少了功率开关管的使用，降低了成本，并能正常实现内定子、外定子、双定子三种驱动模式；而且通过重复使用牵引电机绕组和电力电子器件，利用新型双定子开关磁阻电机的双定子结构及其电气隔离特性，集成电力传动系统和电池充电功能为一体，实现牵引电池驱动电机、隔离充电与非隔离充电三种功能；提高了整个系统的集成化程度，降低了电动汽车的成本，增加了电动汽车充电的灵活性。
附图说明
图1是本发明集成变换器拓扑图。
图2是本发明驱动模式的三种状态，(a)是励磁状态，(b)是续流状态，(c)是退磁状态。
图3是本发明电气隔离型充电模式拓扑图。
图4是本发明非隔离型充电模式图。
图5是本发明非隔离型充电模式状态1图。
图6是本发明非隔离型充电模式状态2图。
图7是本发明非隔离充电模式控制流程图。
图8是本发明电气隔离型充电模式示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
如图1所示，交流电网充电接口与整流器二极管电气相连，将电网交流电整成直流电，为集成变换器母线供电。定义新型双定子开关磁阻电机的内定子绕组分别为A、B、C和D相，外定子绕组分别为E、F、G和H相。所述的集成驱动变换器包括一个整流器，两个直流母线电容Co和Ci，12个功率开关管，12个二极管和一个电动汽车蓄电池，2个继电器。整流器将交流电整成直流电，外定子母线电容Co正极与整流器的正输出端相连，外定子母线电容Co负极与整流器的负输出端相连。外定子母线电容Co正极与开关管So1、So2的集电极以及二极管Do3、Do4、Do5、Do6的负极相连。外定子母线电容Co负极与开关管So3、So4、So5、 So6的发射极以及二极管Do1、Do2的正极相连。外定子绕组E、G的并联的公共端与开关管 So1的发射极、二极管Do1的阴极相连接，绕组E的另一端连接二极管Do3的阳极与开关管 So3的集电极，绕组G的另一端连接二极管Do4的阳极与开关管So4的集电极；外定子绕组 F、H并联的公共端与开关管So2的发射极、二极管Do2的阴极相连接，绕组F的另一端连接二极管Do5的阳极与开关管So5的集电极，绕组H的另一端连接二极管Do6的阳极与开关管 So6的集电极。外定子母线电容Co正极与负极两端分别经过继电器J1的两个端口分别与内定子母线电容Ci正极与负极两端相连。内定子母线电容Ci正极与开关管Si1、Si2的集电极相连，二极管Di3、Di4、Di5、Di6的负极与电动汽车蓄电池正极相连；母线电容Ci正极与开关管Si1、Si2的集电极相连的公共端通过继电器J2与二极管Di3、Di4、Di5、Di6的负极以及电动汽车蓄电池正极相连的公共端连接，内定子母线电容Ci负极与开关管Si3、Si4、Si5、Si6的发射极以及二极管Di1、Di2的正极以及动汽车蓄电池负极相连。内定子绕组A、C并联的公共端与开关管Si1的发射极、二极管Di1的阴极相连接，绕组A的另一端连接二极管Di3的阳极与开关管Si3的集电极，绕组C的另一端连接二极管Di4的阳极与开关管Si4的集电极；内定子绕组B、D的并联的公共端与开关管Si2的发射极、二极管Di2的阴极相连接，绕组B的另一端连接二极管Di5的阳极与开关管Si5的集电极，绕组D的另一端连接二极管Di6的阳极与开关管Si6的集电极，通过控制继电器J1、J2的开合，实现电动汽车集成驱动变换器的驱动、隔离充电与非隔离充电功能模式的切换。上述集成驱动变换器系统，通过控制继电器 J1、J2的开合，实现电动汽车集成驱动变换器的驱动、隔离充电与非隔离充电功能，可以工作在驱动模式、隔离充电模式以及非隔离充电模式三种状态。
本发明由于内定子和外定子具有相似的结构，相同的功率变换器，内、外定子均可采用相同拓扑结构。导电相序内外定子分别为A-B-C-D和E-F-G-H。如图1所示，不相邻的相，如A和C，或B和D不能同时导通，所以A相和C相可以由位置控制信号驱动同一上开关管Si1，电流斩波信号驱动的下开关Si3和Si4用来控制A、C相，B相和D相、E相和G 相、F相和H相绕组也都使用相同的拓扑。二极管整流器用于将电网的交流电源转换为直流电源充电模式的电源，并连接到内外定子变换器的直流母线。继电器J1是用来连接或断开内外定子的功率变换器、继电器J2用来改变工作模式。
(1)驱动模式
如图1所示，当电动汽车工作在驱动模式时，继电器J1、J2的闭合，双定子开关磁阻电机由电池同时给内外定子驱动拓扑供电，双定子开关磁阻电机工作电动状态。以驱动内定子A、 C相绕组为例，在驱动模式下，继电器J1和J2是闭合的，内、外定子由同一电池供电。不相邻的两相可以看作是一个模块。如图2所示在图2中有三种运行状态，即(a)是励磁状态， (b)是续流状态，(c)是退磁状态，与传统的开关磁阻电机相似。以内定子A相为例，上开关管Si1由位置信号驱动，在导通角度内保持开启，下开关管Si3由电流斩波信号驱动。使实际相电流跟踪给定值，以此实现开关磁阻电机的CCC(电流斩波控制)控制方式。或者上开关管 Si1由位置信号驱动，在导通角度内保持开启，下开关管Si3由电压PWM斩波信号驱动。使实际相电流跟踪给定值，以此实现开关磁阻电机的电压PWM控制方式。下面详细说明图2 三种状态的工作流程。
1.如图2(a)所示，在励磁状态，Si1和Si3导通，A相由电池励磁，相电流迅速上升。
2.如图2(b)所示，在续流状态，Si1是导通的，Si3是关闭的，而相电流流过A相绕组经二极管Di3，然后流入开关管Si1，此状态下相电流会缓慢减小。
3.如图2(c)所示在退磁状态下，Si1和Si3均关闭。此时相电流通过二极管Di1、A 相、二极管Di3再到电池。负母线电压加载到相绕组上相电流会迅速降至零。
其他相的工作状态与A相同，这里不做描述。然后按照传统开关磁阻电机的控制模式，应用此驱动拓扑进行控制内外定子，实现新型分段式双电子开关磁阻电机工作在内定子励磁模式、外定励磁模式和双定子励磁模式，通过调节开通角、关断角使双定子开关磁阻电机工作在电动或者发电状态。
(2)非隔离充电模式
本发明也可用于利用电机绕组和线圈以及现有的电气元件对电池进行充电。集成功率变换器所能实现的两种充电方式，包括非隔离充电与隔离充电模式。在充电模式下，离合器在驱动电机和机械传动系统之间应该断开连接。如图1所示，非隔离充电时，J1继电器闭合，J2继电器断开。二极管整流器将电网交流电转换到直流电源，绕组和内定子的功率变换器构成相位交错BUCK降压变换器为电池充电。图4为利用集成二极管整流器、内定子绕组和它的功率变换器实现的非隔离充电拓扑。如图1所示，电池充电电流为A、B、C、D相绕组电流之和。绕组A和C是并联的，绕组B和D也是并联的，由功率开关管Si1和Si2分别控制；下开关管Si3、Si4、Si5、Si6始终保持为关断状态。两组绕组的工作状态是相似的。在图 4的基础上，以相绕组A和C为例，运行状态如图5、6所示。下面就具体运行过程做出详细说明。
1.如图5所示，电容器Ci与整流器并联，当Si1闭合时，电流从电容器Ci正极、开关管Si1、绕组A和C、二极管Di3和Di4流入电池，因为电池的正电压施加在绕组A和C上，所以此时绕组A和C电流增加。
2.如图6所示，当开关管Si1断开时，绕组A和C上的电流方向不变、电流流过二极管Di3和Di4流入电池，然后再流过反向二极管Di1返回绕组，此阶段为绕组续流阶段，因为电池的负电压施加在绕组A和C上，所以电流减小。
以上为开关管通断后的工作过程，然后通过传统的BUCK变换器控制方法进行非隔离充电，所谓交错是指通过控制开关管的斩波相位错开180°从而使A、C相电流相位与B、 D相电流相位错开180°。图7是本发明非隔离充电模式控制流程图，控制流程图采用的是电压电流双闭环控制模式。给定电压UB*与实际电池电压UB之间的电压误差输入具有限幅的电压PI控制器，内环引用由外环控制器输出的电流给定值ich*，并且与电池的充电电流 ich进行了比较，得出电流误差输入到电流PI控制器。由内环控制器的输出加上UB，再与整流器输入电压UC进行除法，得到PWM产生模块的占空比分别控制功率开关管Si1和Si2。当较大时，外环PI控制器达到限幅值ichm*，此时充电电流参考值对于内环是常量。这种模式可以称为恒流充电模式。当很小的时候，充电电压参考值是恒定的，充电电流会随着电池电压的增加而减小，这模式可称为恒压充电模式。
(3)隔离充电模式
隔离充电时，如图1所示，继电器J1闭合，J2断开。由于提出的分段式双定子开关磁阻电机机械结构上几乎没有内、外定子之间的磁场耦合，所以可以利用双定子结构实现电气隔离充电变得可。由整流器将电网中的交流电整流成直流电作为电源为内定子提供动力，调整内定子的开通关断角，通过内定子功率变换器控制内定子使其工作在电动机状态；与此同时，调节外定子的开通角、关断角使其工作在发电状态，以此作为发电机，由外定子功率变换器控制为电池充电，具体拓扑图如图3所示。该模式的原理图和能量流动如图8所示，内定子电机把电能转换成机械能，然后外定子再作为发电机将转子机械能转换为电能。双定子开关磁阻电机可以作为一个具有电隔离功能旋转-隔离变压器，为电池提供充电电源。