一種電池超級電容電動車開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電池超級電容電動車開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器，屬于電動汽車電機(jī)驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車最為核心的部分，目前技術(shù)較為成熟的直流電動機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)已在電動汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。相較于直流電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)，永磁同步電機(jī)具有高效率、高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度等優(yōu)點(diǎn)，在電動汽車領(lǐng)域極具競爭力。但由于依賴稀土永磁材料，其發(fā)展必然受到稀土資源和成本的制約。因此，研究高性能的無需稀土永磁材料的電機(jī)系統(tǒng)是電動汽車驅(qū)動電機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢。開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)作為新型無需稀土永磁材料電機(jī)的代表在近年來得到了廣泛的研究，其結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固，定轉(zhuǎn)子無永磁體且轉(zhuǎn)子無繞組，具有良好的高速性能和環(huán)境適應(yīng)性。此外，其控制靈活、起動扭矩大電流小、調(diào)速性能佳、容錯能力強(qiáng)，因而非常適合電動汽車的頻繁啟停、增減速、爬坡等工況。開關(guān)磁阻電機(jī)將是未來電動汽車驅(qū)動電機(jī)最為重要的選擇之一。
[0003]從電動汽車能量存儲的角度，將鋰電池與具備高功率密度的超級電容結(jié)合而構(gòu)成混合能量存儲系統(tǒng)，則可以使得存儲能源兼具高能量密度和高功率密度的特性，從而可更好地滿足電動車起動和加速性能要求，并可提高制動能量回收效率并改善電池壽命。電池和超級電容組合的混合能量存儲系統(tǒng)不僅可以用做混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車的輔助動力源，也可以作為純電動汽車的主動力源。因此，采用電池和超級電容混合能量存儲系統(tǒng)供電的電動汽車開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)則是未來電動汽車的一種典型的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。目前在電動汽車開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的研究中，主要是針對電池單源供電而進(jìn)行的，對于混合存儲除能源供電的開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)并沒有進(jìn)行系統(tǒng)研究。
[0004]功率變換器作為混合能量存儲系統(tǒng)與開關(guān)磁阻電機(jī)的功率傳輸接口，需要兼顧儲能源的接入和開關(guān)磁阻電機(jī)的控制。在目前的研究中，開關(guān)磁阻電機(jī)的功率主電路可以有多種形式，其中不對稱半橋主電路由于各相完全獨(dú)立、控制靈活、換相能力強(qiáng)、容錯能力強(qiáng)和可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在SRM驅(qū)動系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，也是目前最適合電動汽車應(yīng)用的SRM功率變換器。就電池接入開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器而言，目前主要有采用電池直接接入SRM功率變換器直流母線端的方式，以及分別采用Boost和Buck/Boost DC-DC變換器來實(shí)現(xiàn)母線電壓調(diào)節(jié)的方式。相對于直接接入母線的方式，利用DC-DC變換器可以降低母線電壓的波動，有利于緩解由于母線電壓波動而引起的SRM轉(zhuǎn)矩脈動，同時可避免SRM在續(xù)流或制動模式下對電池頻繁充電而影響電池壽命。
[0005]在新能源發(fā)電領(lǐng)域，近年來所研究的電池和超級電容的混合能量存儲系統(tǒng)的功率變換器主要有如下幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):1)全被動型結(jié)構(gòu)(拓?fù)?)，即電池與超級電容并聯(lián)直接接入逆變器直流母線端；2)半被動型結(jié)構(gòu)(拓?fù)?)，該結(jié)構(gòu)中超級電容(電池)經(jīng)雙向DC-DC變換器后與電池(超級電容)并聯(lián)接入直流母線端；3)全主動型結(jié)構(gòu)1 (拓?fù)?)，該結(jié)構(gòu)采用將電池和超級電容經(jīng)兩個獨(dú)立的雙向DC-DC變換器并聯(lián)后接入直流母線端的方式；4)全主動型結(jié)構(gòu)2 (拓?fù)?)，即采用一個雙輸入雙向DC-DC變換器來替代拓?fù)?)中的兩個DC-DC變換器的方法。相較于前三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，拓?fù)?采用緊湊的多輸入DC-DC變換器結(jié)構(gòu)可以有效降低系統(tǒng)成本和體積，同時可以實(shí)現(xiàn)雙儲能源功率可控和超級電容的高效利用，也增加了儲能源選取靈活度。因此，采用雙輸入或多輸入雙向DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將是實(shí)現(xiàn)混合能量存儲系統(tǒng)接入的一種最具潛力的方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]目的:為了解決電池、超級電容混合動力電動汽車開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中雙儲能源輸入的能量管理以及開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動控制問題，本發(fā)明提供一種電池超級電容電動車開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器。
[0007]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種電池超級電容電動車開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器，包括:電池、超級電容、A相繞組、B相繞組、C相繞組，還包括:DC-DC變換器、不對稱半橋功率變換器，所述DC-DC變換器包括開關(guān)管S1、開關(guān)管S2、開關(guān)管S3，開關(guān)管S1、開關(guān)管S2、開關(guān)管S3相互串聯(lián)，電池、超級電容分別通過輸入濾波電感Lbl和輸入濾波電感Lul接入DC-DC變換器a和b兩點(diǎn)，所述開關(guān)管S3，開關(guān)管S1、開關(guān)管S2均反并有二極管，所述DC-DC變換器輸出端并聯(lián)有母線濾波電容C1 ;所述不對稱半橋功率變換器包括第一橋臂、第二橋臂、第三橋臂，所述第一橋臂包括開關(guān)管Sap、開關(guān)管San、功率二極管Dap、功率二極管Dan，所述開關(guān)管Sap、開關(guān)管San之間串入A相繞組，功率二極管Dap、功率二極管Dan構(gòu)成A相繞組關(guān)斷續(xù)流回路；所述第二橋臂包括開關(guān)管Sbp、開關(guān)管Sbn、功率二極管Dbp、功率二極管Dbn，所述開關(guān)管Sbp、開關(guān)管Sbn之間串入B相繞組，功率二極管Dbp、功率二極管Dbn構(gòu)成B相繞組關(guān)斷續(xù)流回路；第三橋臂包括開關(guān)管Scp、開關(guān)管Sen、功率二極管Dcp、功率二極管Dcn，所述開關(guān)管Scp、開關(guān)管Sen之間串入C相繞組，功率二極管Dcp、功率二極管Dcn構(gòu)成C相繞組關(guān)斷續(xù)流回路；所述第一橋臂、第二橋臂、第三橋臂之間相并聯(lián)，所述DC-DC變換器、不對稱半橋功率變換器相級聯(lián)。
[0008]—種電池超級電容電動車開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器工作方法，包括步驟如下: 步驟一:采用一個三開關(guān)管串聯(lián)型雙輸入DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電池和超級電容的混合儲能源接入；
步驟二:將三開關(guān)管級聯(lián)雙輸入DC-DC變換器與開關(guān)磁阻電機(jī)不對稱半橋功率變換器級聯(lián)，構(gòu)成整個電動汽車驅(qū)動電機(jī)的功率變換器拓?fù)洌?br> 步驟三:以三個開關(guān)管串聯(lián)型DC-DC變換器輸出端電壓以及超級電容輸出功率為控制參量，將DC-DC變換器的三個開關(guān)管在任意一個開關(guān)周期內(nèi)按兩管開通一管關(guān)斷的邏輯進(jìn)行控制，即可等效控制為兩個相對獨(dú)立的傳統(tǒng)的Buck/Boost雙向DC-DC變換器，從而實(shí)現(xiàn)電池和超級電容的能量傳輸控制，DC-DC變換器輸出端電壓即開關(guān)磁阻電機(jī)不對稱半橋功率變換器母線電壓亦能得到升壓和穩(wěn)定控制；
步驟四:三個開關(guān)管串聯(lián)型DC-DC變換器輸出端作為開關(guān)磁阻電機(jī)不對稱半橋電路的母線端，通過采用開關(guān)磁阻電機(jī)不對稱半橋電路實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)的驅(qū)動控制和能量回饋控制；
步驟五:通過對三開關(guān)管串聯(lián)型雙輸入DC-DC變換器控制，可使超級電容吸收不對稱半橋功率變換器控制開關(guān)磁阻電機(jī)時的續(xù)流回饋能量，避免對電池的頻繁充電，利于電池健康管理；
步驟六:利用整個電動汽車驅(qū)動電機(jī)功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合步驟三至步驟五所述的控制方法，可使得整個系統(tǒng)具備電池、超級電容的混合儲能源的接入能力，并可根據(jù)電動汽車特殊運(yùn)行工況要求實(shí)現(xiàn)對開關(guān)磁阻電機(jī)的控制。
[0009]有益效果:本發(fā)明提供的一種電池超級電容電動車開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器，對于電動汽車開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)而言，采用一種緊湊型的雙輸入DC-DC變換器與不對稱半橋功率變換器結(jié)合，可以同時滿足電池、超級電容雙儲能源輸入控制和開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動控制的要求。此外，該功率變換器有效節(jié)省了開關(guān)管資源，可進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本和體積，具備高集成度、輕型化和低成本等優(yōu)點(diǎn)。
[0010]1.本發(fā)明的功率變換器拓?fù)渲?，采用源端三個開關(guān)管串聯(lián)型DC-DC變換器可以同時控制電池和超級電容雙源的輸出能量分配，可避免開關(guān)磁阻電機(jī)關(guān)斷續(xù)流直接對電池充電而影響電池壽命，有利于電池的健康管理。
[0011 ] 2.本發(fā)明的功率變換器拓?fù)渲?，采用源端三個開關(guān)管串聯(lián)型DC-DC變換器可以實(shí)現(xiàn)后級不對稱半橋功率變換器電路的母線電壓升壓和調(diào)節(jié)，可以有效控制母線電壓波動，從而進(jìn)一步降低開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動，提高開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動性能。
[0012]3.本發(fā)明的電動汽車電機(jī)驅(qū)動功率變換器拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)電池和超級電容的雙源混合輸入控制和開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動控制，其儲能源端具備高能量密度和高功率密度的特性，更符合電動汽車復(fù)雜運(yùn)行工況以及續(xù)航能力的要求，可進(jìn)一步提升開關(guān)磁阻電機(jī)在未來電動汽車中的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的電池、超級電容混合動力電動汽車開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
圖2為本發(fā)明的電池、超級電容接入的三開關(guān)串聯(lián)式雙輸入DC-DC變換器拓?fù)洌?br> 圖3為圖2所述變換器的開關(guān)管S1和S2