电动汽车用单电源开绕组永磁同步电机驱动系统

摘要

本发明涉及一种电动汽车用单电源开绕组永磁同步电机驱动系统，将三相永磁同步电机定子绕组六根端引线分别接于两个标准的两电平逆变器，系统仅由一个直流电源供电，通过空间矢量脉宽调制后所产生的电压空间矢量，产生旋转的圆形磁场。该装置包括直流电压源(1)、第一逆变器(2)、第二逆变器(3)、电容(4)、开绕组永磁同步电机(5)、共模电压抑制矢量(6)。所述第一驱动逆变器连接永磁同步电机绕组的一端，第二逆变器连接到绕组另一端。这种驱动系统继承了三电平逆变器的优点，并减少了功率器件的数量，可应用在高电压大功率电机驱动领域；单电源的紧凑型设计，提高了装置的可靠性，同时在不增加冗余开关器件基础上仅对空间电压矢量的有效选择，就能起到抑制共模电压的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电动汽车用单电源开绕组永磁同步电机驱动系统，可应用于高电压大功率的驱动场合，属于电机驱动技术。

背景技术

永磁电机具有功率密度高、出力大等优点，能够满足低速大转矩、高功率密度的要求，但存在适应转速范围较窄、弱磁升速和调压控制困难的问题。为此各国学者对永磁电机提出了各种改进措施，如改进永磁电机结构及磁路，提出新型混合励磁结构以及特殊控制策略等方案，这些方案虽然在一定程度上达到调节电机气隙磁场的目的，但牺牲了永磁电机自身的功率密度、效率等性能，降低了永磁电机应用于电动汽车的优越性。Takahashi I首次提出一种绕组开路型异步电机，它两端连接2套逆变器。通过各逆变器协调控制，提高异步电机的转矩响应速度和频带范围将永磁同步电机的三相定子绕组的连接中性点分开，使电机呈现开绕组结构，各相独立工作，有效消除绕组之间的影响，提高电机自身的可靠性，相比于传统的两电平逆变器，开绕组的双逆变器结构能够在较低的开关频率下使输出电压的谐波含量减小，输出电压等级提高，同时，有效解决了电动汽车用永磁电机调速困难等问题。由于永磁电机的定转子磁路没有改变，电机具有高功率密度、高效率等优点。因此，有必要提出一种基于开绕组式永磁同步电机的驱动系统。

发明内容

技术问题：本发明针对车载电池容量限制和功率开关电压电流能力限制之下驱动功率等级低、存在共模电压，以及现有电动汽车用驱动系统存在调压困难等问题，提出电动汽车用单电源开绕组永磁同步电机的驱动系统，解决现有驱动系统中逆变器驱动功率密度低、输出电压谐波大和弱磁调速困难等问题，采用单电源的供电方式，同时对双逆变器的空间矢量调制技术进行改进，可抑制共模电压。本发明的内容是围绕电动汽车用单电源开绕组永磁同步电机驱动性能而进行设计的。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种电动汽车用单电源开绕组永磁同步电机驱动系统，该驱动系统包括直流电压源、第一逆变器、第二逆变器、电容、开绕组永磁同步电机、共模电压抑制矢量；第一逆变器、第二逆变器、电容并联接在直流电压源的两端，开绕组永磁同步电机的三个绕组的一端分别接在第一逆变器的三个输出端上，开绕组永磁同步电机的三个绕组的另一端分别接在第二逆变器的三个输出端上；共模电压抑制矢量H、J、L、N、Q、S调制成6组驱动信号，分别对应接第一逆变器和第二逆变器(3)的6组晶体管基极控制端；

永磁同步电机绕组采用开绕组结构，其六根端引线分别接于两个标准的两电平逆变器，驱动系统仅由一个直流电源供电，调制时采用不含共模电压的电压空间矢量。

直流电源采用标称电压为300V的电动汽车车载蓄电池组。

第一逆变器和第二逆变器均是电压型逆变器，该双逆变器结构可以实现三电平输出。

双逆变器结构在空间可产生19个电压空间矢量，有7个空间矢量不产生共模电压，它们位于空间位置H、J、L、N、Q、S和O处；对位于H、J、L、N、Q、S和O处的电压矢量进行调制，可有效抑制共模电压。

有益效果：

（1）双逆变器结构相比常见二极管钳位型、飞跃电容型三电平逆变器拓扑结构，减小了功率器件的数量，不存在中点电压不平衡等问题，特别适用于电动汽车驱动工况，减小了驱动装置的体积、重量和制造成本。

（2）每一功率开关器件只需在1/2最大供电电压下工作，降低了开关损耗，逆变器的效率得到提高。

（3）传统永磁同步电机三相定子绕组中性点分开，使电机绕组可以独立工作，有效消除绕组之间的影响，提高电机自身的可靠性。

（4）开绕组的双逆变器结构能够在较低的开关频率下使输出电压的谐波含量减小，输出功率等级提高。

（5）采用单电源的供电模式，调制时通过对电压空间矢量的有效选择，可抑制共模电压，使电动汽车能够平稳行驶。

（6）开绕组永磁同步具备很强的容错能力，再结合高性能的控制算法，实现电动汽车的不间断运行，避免事故和灾难发生。

（7）单电源的设计，系统结构更加紧凑，且易于蓄电池充放电的优化管理，适用于电动汽车的动力系统。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

其中有：直流电压源1、第一逆变器2、第二逆变器3、电容4、开绕组永磁同步电机5、共模电压抑制矢量6。

图2为本发明的双逆变器供电时的电压空间矢量分布图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

本发明提供的电动汽车用单电源开绕组永磁同步电机驱动系统，将三相永磁同步电机定子绕组中性点分开，六根端引线分别接于两个标准的电压型两电平逆变器，系统仅由一个直流电源供电，可实现三电平输出。系统既继承三电平逆变器的优点又减少了功率器件的数量，可应用在电动汽车等对功率要求比较高的驱动领域；单电源的紧凑型设计，提高了装置的可靠性，节省了空间，同时在不增加冗余开关器件或控制方法基础上仅对空间电压矢量的有效选择，就能起到抑制共模电压的效果。该装置包括直流电压源1、第一逆变器2、第二逆变器3、电容4、开绕组体永磁同步电机5、共模电压抑制矢量6。所述第一驱动逆变器2连接永磁同步电机绕组的一端，第二逆变器3连接到绕组另一端。本发明的优点是：与已有共模电压抑制技术相比，只需有效选择空间电压矢量便可对系统共模电压进行抑制，减小转矩脉动；与已有电动汽车驱动系统相比，在车载电池容量和功率开关电压电流能力限制之下可提高系统总功率，易于蓄电池充放电管理优化，提高电动汽车的运行性能和可靠性。

本发明公开电动汽车单电源开绕组永磁同步电机驱动系统，充分利用电压空间矢量调制原理，通过电压空间矢量的有效选择，实现无共模电压的输出，解决了传统永磁同步电机驱动系统转矩脉动大的缺点，同时单电源的设计，使电动汽车动力系统整体结构更紧凑，减小装置的体积。该装置配有两个互补对称逆变器,由一个直流电压源供电，与传统的单逆变器驱动系统相比，提高了直流电源的利用率，输出电压谐波含量低，两个逆变器配合工作，可实现三电平输出，并且能够在较低的开关频率下使输出电压的谐波含量减小。

所述的第一逆变器(2)、第二逆变器(3)均是标准的两电平电压型逆变器。

所述的单电源(1)采用标称电压为300V的电动汽车车载蓄电池组。

所述的电动汽车用单电源开绕组永磁同步电机驱动包括矢量控制、直接转矩控制等多种驱动形式。

本发明采用空间矢量脉宽调制技术，整个系统可以得到26=64个开关状态，但这64个开关状态中存在冗余项，在空间上只能产生18个非零空间矢量和1个零矢量。对于单独每个逆变器来讲可能存在共模电压，但是由两逆变器空间矢量叠加，合成空间矢量对于整个系统不会产生共模电压。选取不同的空间矢量，产生的共模电压（(u_a1o+u_b1o+u_c1o-u_a2o′-u_b2o′-u_c2o′)/3）不同。对于如图2所示的19个电压空间矢量，有7个空间矢量不产生共模电压，它们位于空间位置H、J、L、N、Q、S和O处。对位于H、J、L、N、Q、S和O处的电压矢量进行调制，可有效抑制共模电压。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。