一种基于双三相电机的电动汽车集成充电器及其控制方法

摘要

本发明涉及永磁电机技术，旨在提供一种基于双三相电机的电动汽车集成充电器及其控制方法。本发明采用双三相开绕组永磁电机，在其定子绕组两端打开并引出至定子壳体外，并通过模式开关分别与交流输入电源和电机变流器相连；所述模式开关通过重构双三相开绕组永磁电机的绕组作为电动汽车充电电路电感，使充电期间电机转子保持静止；电机绕组在充电期间被复用为交流侧滤波电感，与电机变流器共同构成整流电路。本发明可以实现充电状态和驱动状态的灵活切换，节省了电动汽车的硬件成本；重构方式基于原有的硬件条件，方案简单，通用性强。与传统电压外环‑电流内环电流前馈解耦控制相比，电流动态响应快；在控制运算中未使用电路参数，系统鲁棒性好。

说明书

技术领域

本发明涉及永磁电机技术，特别涉及一种基于双三相电机的电动汽车集成充电器及 其控制方法，属于电气技术领域。

背景技术

随着社会的进步，人们对于绿色低碳环保的可持续发展方式越发重视。近年来，全球发展大趋势逐渐向绿色、低碳发展方向转型。相对传统燃油车，电动汽车因其环保节 能的特征得到了研究人员的重视，有关电动汽车的研究蒸蒸日上。当前现存的车载交流 充电系统的充电功率普遍较低，且由于器件冗余，导致充电设备体积较大，不利于电动 汽车的发展。为了克服以上问题，高功率密度集成式车载交流充电系统逐渐成为一大热 点。

集成式车载交流充电系统采取复用电机绕组与变流器的集成化方案，在充电模式下， 通过绕组重构方式将电动汽车电机绕组作为储能滤波电感，同电机变流器一并构成整流 器。这种重构方式在不增加额外硬件的基础上将原有的电动汽车驱动系统转变为充电系 统，提高电动汽车充电功率的同时有效地节约了成本。

按照输入电源类型的不同，集成充电系统可分为单相交流充电系统和三相交流充电 系统，重构的电机包括三相永磁电机和多相永磁电机。多相永磁电机以其转矩脉动小、容错运行能力强、可复用绕组相数多的特点逐渐被集成充电系统广泛采用。但目前针对 于多相电机的绕组重构方式复杂，导致系统在不同充电模式下的通用性较差。且控制上 大都采用传统的电流前馈解耦控制方式，当系统运行在单相集成充电状态时存在控制延 时和较差的动态响应问题；当系统运行在三相集成充电系统时需要忽略交流侧滤波电感 参数差异才能加以应用，且由于同时存在多个PI控制器，控制参数整定困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于双三相电机的 电动汽车集成充电器及其控制方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种基于双三相电机的电动汽车集成充电器，该充电器的主电路包括单相/三相 交流输入电源、双三相永磁电机、电机变流器、直流侧电容和蓄电池；所述双三相永磁电机为双三相开绕组永磁电机，其定子绕组两端打开并引出至定子壳体外，并通过模式 开关分别与交流输入电源和电机变流器相连；所述模式开关通过重构双三相开绕组永磁 电机的绕组作为电动汽车充电电路电感，使充电期间电机转子保持静止；电机绕组在充 电期间被复用为交流侧滤波电感，与电机变流器共同构成整流电路。

作为优选方案，是以模式开关重构双三相电机拓扑，构成单相集成充电器和三相集 成充电器，用于在单相充电和三相充电两种方案的切换。

作为优选方案，对于单相交流电源输入的充电拓扑，记双三相永磁电机的相数n＝6， 选取双三相电机任一相绕组的序号记为N

作为优选方案，对于三相交流电源输入的充电拓扑，记双三相永磁电机的相数n＝6， 选取双三相电机任一相绕组的序号记为N

本发明进一步提高了基于双三相电机的电动汽车集成充电器的控制方法，在充电模 式下，模式开关闭合，通过绕组重构使得交流输入电源和电机变流器相连，此时电机绕组复用为滤波电感，绕组与电机变流器共同构成整流电路，交流输入电源给蓄电池充电；驱动模式下，模式开关断开，交流输入电源与电机变流器的连接断开，双三相电机作电 动机运行，此时的变流器为工作在逆变状态，蓄电池为双三相电机供电。

作为优选方案，充电模式下，电机变流器同电机绕组共同构成PWM整流器；电机 变流器的每一相桥臂均通过相电流直接跟踪控制策略单独进行控制，该控制策略同时适 用于单相集成充电和三相集成充电两种充电方案。

发明原理描述：

双三相永磁电机是指定子由两套Y型连接的三相对称绕组组成的永磁电机，具有功 率密度高、脉动转矩小、容错能力强、可复用绕组相数多的特点，通常用于大功率高可靠性交流传动系统。本发明将双三相电机应用在高功率密度集成式车载交流充电系统， 并针对双三相永磁电机进行改进，将其定子绕组两端打开并引出至定子壳体外，形成双 三相开绕组永磁电机，通过模式开关分别与交流输入电源和电机变流器相连；电机绕组 在充电期间被复用为交流侧滤波电感，与电机变流器共同构成整流电路。本发明采用针 对双三相电机的绕组重构方案，直接控制模式开关重构双三相电机拓扑，根据输入电源 类型的不同分别构成单相集成充电器和三相集成充电器，实现单相和三相充电两种方案 的灵活切换。针对两种充电模式，本发明设计相电流直接跟踪控制策略，在相同的电压 外环控制下，通过对双三相电机每一相桥臂电流单独进行控制使得与同一相电源并联的 各绕组电流幅值、相位相同，在满足绕组重构的前提下实现转子静止和单位功率因数控 制，该控制方法同时适用于单相和三相集成充电拓扑。这样处置后，能够带来的好处是 充分利用双三相电机功率密度高、绕组可复用的特点，构成适用于单相和三相充电两种 模式的集成充电器，其充电控制策略简单，适用性强；同时在不增加额外硬件的基础上 将原有的电动汽车驱动系统转变为充电系统，提高电动汽车充电功率的同时有效地节约 成本。因而，能够克服原集成充电系统功率密度低、应用场合有限、控制复杂且成本较 高的缺点。

相对现有技术，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用双三相永磁电机，其功率密度高、脉动转矩小、容错能力强、可 复用绕组相数多，在结构上可以通过绕组重构适应单相集成充电和三相集成充电的要求。

(2)本发明可以实现充电状态和驱动状态的灵活切换，节省了电动汽车的硬件成本。同时，该充电器的重构方式均基于原有的硬件条件，所给重构方案简单，能有效保 障充电期间电机转子的静止。

(3)本发明给出的在充电模式下的充电控制方法，能通过相电流直接跟踪控制策略独立控制电机变流器的每一相桥臂，该方法同时适用于单相集成充电和三相集成充电两种充电方案，其通用性强。

(4)本发明中所给出的相电流直接跟踪控制属于实时控制，与传统电压外环-电流内环电流前馈解耦控制相比，电流动态响应快，在控制运算中未使用电路参数，系统的 鲁棒性好。

附图说明

图1为本发明中基于双三相电机的电动汽车集成充电器主电路图。

图2为双三相开绕组永磁电机的绕组编号图。

图3为单相交流集成充电状态下的双三相永磁电机绕组重构图。

图4为三相交流集成充电状态下的双三相永磁电机绕组重构图。

图5为集成充电器充电工作模式和驱动工作模式状态图。

图6为集成充电器相电流直接跟踪控制原理图。

具体实施方式

下将根据附图及具体实施方式对本发明提出的基于双三相电机的电动汽车集成充 电器及其充电控制方法作详细说明。

本发明是一种基于双三相电机的电动汽车集成充电器，其结构如图1所示，包括单相/三相交流输入电源1、模式开关2、双三相永磁电机3、电机变流器4、直流侧电容5 和蓄电池6。双三相永磁电机3为双三相开绕组电机，电机定子绕组原有接线柱保持不 变，绕组中性点打开，通过绕组重构及模式开关2改变中性点处绕组连接方式，直接与 输入侧的单相/三相交流输入电源1相连。在该种方案下，模式开关通过重构双三相开绕 组永磁电机的绕组作为电动汽车充电电路电感，使充电期间电机转子保持静止；电机绕 组在充电期间被复用为交流侧滤波电感，与电机变流器4共同构成整流电路。

本发明中单相充电模式和三相充电模式的切换基于双三相开绕组永磁电机绕组重 构。为了便于分析，对双三相开绕组永磁电机绕组进行编号，如图2所示。记双三相开 绕组永磁电机的相数n＝6，选取任一相绕组记为N

(1)对于单相充电模式，电源1为单相交流输入电源，将三个绕组N

任意相对称绕组永磁电机去耦变换矩阵为：

其中，n为电机相数，α为绕组空间分布角，α＝2π/n。

设绕组中电流矩阵为：

I＝I

其中，I

根据上述去耦变换矩阵前两行及电流矩阵，可得出电机相电流转矩平面分量为：

当处于单相充电模式时，通过绕组重构，将绕组N

根据上式可知，当处于单相充电模式时，若采用绕组N

以A组为例，如图3所示，A组中的N

(2)对于三相充电模式，电源1为三相交流输入电源，记双三相永磁电机的相数 n＝6，将双三相电机任一相绕组的序号记为N

任意相不对称绕组永磁电机去耦变换矩阵为：

其中，n为电机相数，β为绕组空间分布角。

若将正交坐标系的横轴正方向固定在前m相绕组的中间，相当于将参考坐标系逆时 针旋转β(m-1)/2角度，参考坐标系如图5所示，则变换矩阵为：

由于绕组N

在三相充电模式下，双三相开绕组永磁电机的绕组N

本发明中，整个电动汽车的工作模式包括充电模式与驱动模式。充电模式下，模式开关闭合，通过绕组重构使得交流输入电源和电机变流器相连，此时电机绕组复用为滤 波电感，绕组与电机变流器共同构成整流电路；驱动模式下，模式开关断开，交流输入 电源与电机变流器的连接断开，双三相电机作电动机运行，此时的变流器为工作在逆变 状态。以三相交流电源输入为例，充电模式和驱动模式的切换如图5所示。此时电机绕 组等效为储能、滤波电感，与电机变流器4构成PWM整流器，由交流电源1向蓄电池 供电。驱动模式下，将绕组中性点闭合、断开模式开关2，即可恢复为原有驱动状态， 此时能量流向相反，由蓄电池6为系统供电，驱动电机运行。与传统驱动、充电独立的 系统相比，集成充电系统利用了电机变流器4进行充电，可以十分方便地获得更高的充 电功率，并且省去了独立的车载充电装置，无需增加额外器件，从而极大降低系统成本。

考虑到集成充电系统拓扑的“多相性”，本发明根据集成充电系统拓扑结构和性能要求，设计相电流直接跟踪控制策略对每一相桥臂电流单独进行控制，该控制方案适用 于任意相数的集成充电拓扑。该方案同时兼顾了集成充电系统控制中电流的均衡性和动 态响应性。

相电流直接跟踪控制策略原理如图6所示。对于基于双三相电机的电动汽车集成充 电器拓扑，电机变流器4中的一相桥臂的上下两个开关管控制直流侧电容充电和放电，使输出电流i

以一相桥臂的控制为例，介绍基于双三相电机的集成充电器相电流直接跟踪控制原 理。相电流直接跟踪控制策略为双闭环控制系统，外环为直流电压控制环，直流母线电压u

当基于双三相电机的电动汽车集成充电器运行在单相集成充电模式时，经过绕组重 构，六相绕组按前述绕组重构连接方式被重构为A、B两组，每组的三个绕组并联，两 组分别连接在单相输入电源1的正负极。因此，各相绕组电流可单独采用相电流直接跟 踪控制，且各相电压外环控制相同。电流指令分配环节提供相互并联的绕组电流的给定 值，在数值上都等于PI控制器输出与电源相位的乘积，因此，经过上述直接电流跟踪 控制后，与同一相电源并联的各绕组电流幅值、相位相同，符合绕组重构的电流均衡条 件，从而实现转子静止和单位功率因数控制。

当基于双三相电机的电动汽车集成充电器运行在三相集成充电模式时，六相绕组按 前述绕组重构连接方式被重构为三组，每组的两个绕组并联，分别和三相输入电源1的A、B、C相相连，此时对各相绕组电流采用相电流直接控制时，各相电压外环的控制 仍然相同。电流指令分配环节提供相互并联的绕组电流的给定值，由于三相电源A、B、 C相位互差120°，该环节将为三组相互并联的绕组提供幅值相等、相位互差120°的电流 给定值，在数值上等于PI控制器输出分别与A、B、C相输出电源相位的乘积。由前述 分析可知，上述控制方式不依赖于实际电路参数，控制结果将严格遵循给定值，绕组电 流的幅值和相位仍相同，该方案对三相集成充电模式的控制依然有效。