一種采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為功率變壓器的動(dòng)力系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為功率變壓器的動(dòng)力系統(tǒng)，它包括電機(jī)控制器單元、儲(chǔ)電裝置、兩個(gè)功率變換器和電機(jī)組，儲(chǔ)電裝置、功率變換器和電機(jī)分別與電機(jī)控制器單元連接，一個(gè)功率變換器與儲(chǔ)電裝置連接，另一個(gè)功率變換器與外部電源連接，兩個(gè)功率變換器分別與電機(jī)組連接。該動(dòng)力系統(tǒng)可以高效的利用較低的系統(tǒng)電壓，輸出較大的功率，具有較大的儲(chǔ)電裝置差異性容忍度，可以混合使用不同種類的儲(chǔ)電裝置，容錯(cuò)能力強(qiáng)，系統(tǒng)制造柔性好，系統(tǒng)緊湊度高，重量低，成本低。
【專利說明】一種采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為功率變壓器的動(dòng)力系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種動(dòng)力系統(tǒng)，特別是一種采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為功率變壓器的動(dòng)力系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]新能源電動(dòng)汽車最主要的部件是動(dòng)力電池、電動(dòng)機(jī)和能量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)，而動(dòng)力電池要實(shí)現(xiàn)快速充電、安全等高性能，是技術(shù)門檻最高、也是利潤最集中的部分，目前仍沒有被很好的解決。新能源汽車對(duì)電池要求很高，必須具有高比能量、高比功率、快速充電和深度放電的性能，而且要求成本盡量低、使用壽命盡量長。傳統(tǒng)的鉛酸電池、鎳鎘電池和鎳氫電池本身技術(shù)比較成熟，但它們用在汽車上作為動(dòng)力電池則存在較大的問題。目前，越來越多的汽車廠家選擇采用鋰電池作為新能源汽車的動(dòng)力電池。
[0003]鋰電池具有體積小、質(zhì)量輕、工作電壓高(是鎳鎘電池、氫鎳電池的3倍)、比能量大(可達(dá)200WH/ kg，是氫鎳電池的3倍)、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)、無污染、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。目前阻礙動(dòng)力鋰離子電池發(fā)展的瓶頸是安全性能和汽車動(dòng)力電池的管理系統(tǒng)。安全性能方面，由于鋰離子動(dòng)力電池能量密度大、工作溫度高、工作環(huán)境惡劣使其安全性能大大降低，加上以人為本的安全理念，用戶對(duì)電池的安全性提出了非常高的要求。汽車動(dòng)力電池的管理系統(tǒng)方面，由于單個(gè)動(dòng)力鋰離子電池的工作電壓是3.7V，鐵鋰電池為3.2v為了達(dá)到汽車動(dòng)力需要的功率往往需要數(shù)百V電壓，因此必須由多個(gè)電池串聯(lián)而提高電壓，但由于電池難以做到完全均一的充放電，因此導(dǎo)致串聯(lián)的多個(gè)電池組內(nèi)的單個(gè)電池會(huì)出現(xiàn)充放電不平衡的狀況，電池會(huì)出現(xiàn)充電不足和過放電現(xiàn)象，而這種狀況會(huì)導(dǎo)致電池性能的急劇惡化，最終導(dǎo)致整組電池?zé)o法正常工作，甚至報(bào)廢，從而大大影響電池的使用壽命和可靠性能。以磷酸鐵鋰電池為例，其單體電池充放電次數(shù)正常情況下是2000次，但成組后整體的充放電次數(shù)往往只有30(Γ500次，使用的時(shí)間太短，比如早期北京奧運(yùn)會(huì)投入的電動(dòng)車輛只用了 3個(gè)月電池就不能用了，這使得動(dòng)力電池成本增加，不利于電動(dòng)汽車的推廣使用。
[0004]“單體充放電次數(shù)”是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中由專業(yè)人員操作進(jìn)行實(shí)踐的，但實(shí)際運(yùn)行中，溫度、濕度、震動(dòng)等都會(huì)影響電池壽命，因此，有人從技術(shù)、成本上得出結(jié)論，鋰電動(dòng)力系統(tǒng)充放電次數(shù)在70(Γ800次時(shí)，與燃油車的成本相平，若鋰電動(dòng)力系統(tǒng)充放電次數(shù)超過1000次，則綜合成本會(huì)優(yōu)于燃油車。但充放電次數(shù)如何超過1000次仍是個(gè)世界性難題。
[0005]由于電動(dòng)汽車成本中，動(dòng)力系統(tǒng)要占一半左右，因此，盡管國家有政策支持與補(bǔ)貼，相關(guān)試點(diǎn)城市也在不斷擴(kuò)大，各地鼓勵(lì)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的積極性也很高，但由于電池技術(shù)本身尚有待攻克和完善之處，電動(dòng)汽車仍然沒能很好的發(fā)展起來。因此，盡管電動(dòng)汽車熱度很高，但來自終端的需求卻難以旺盛，這反過來限制了鋰電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
[0006]為了能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力鋰電池組的無充電站快速充電，具有高可靠性，減少電池成組效應(yīng)，使得整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)重量輕，體積小，組裝容易和制造便利，本發(fā)明繞開傳統(tǒng)電池簡單串聯(lián)后在通過一個(gè)功率變換器驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)的特點(diǎn)，創(chuàng)造性地提出采用多個(gè)應(yīng)用獨(dú)立儲(chǔ)電裝置轉(zhuǎn)子機(jī)械并聯(lián)的開關(guān)磁阻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠高效利用較低的系統(tǒng)電壓，輸出較大功率，能容忍儲(chǔ)電裝置間的差異性，容錯(cuò)能力強(qiáng)，系統(tǒng)制造柔性好，緊湊度高，重量低的采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為功率變壓器的動(dòng)力系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:一種采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為功率變壓器的動(dòng)力系統(tǒng)，它包括電機(jī)控制器單元、儲(chǔ)電裝置、兩個(gè)功率變換器和電機(jī)組，儲(chǔ)電裝置、功率變換器和電機(jī)分別與電機(jī)控制器單元連接，一個(gè)功率變換器與儲(chǔ)電裝置連接，另一個(gè)功率變換器與外部電源連接，兩個(gè)功率變換器分別與電機(jī)組連接。
[0009]所述的電機(jī)組包括一個(gè)或一個(gè)以上機(jī)械并聯(lián)的電機(jī)，每個(gè)電機(jī)都與兩個(gè)功率變換器直接連接。
[0010]所述的電機(jī)為開關(guān)磁阻電機(jī)。
[0011]所述的電機(jī)至少有一相包含了兩個(gè)獨(dú)立的線圈繞組，兩個(gè)線圈繞組分別與兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電路相連，驅(qū)動(dòng)電路分別與電儲(chǔ)能元件和外部電源連接，電機(jī)控制器單元通過兩套獨(dú)立的電源和驅(qū)動(dòng)電路，控制所述電機(jī)的四象限運(yùn)行。
[0012]所述的儲(chǔ)電裝置為能夠反復(fù)充放電的裝置。
[0013]它包括一個(gè)總控制器，電機(jī)控制器單元接收和執(zhí)行總控制器單元的控制信號(hào)，同時(shí)將電機(jī)控制單元采集的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳總控制器，并執(zhí)行基本的控制策略。
[0014]所述的電機(jī)為變壓器。
[0015]所述的控制策略包括電池管理控制策略、充電控制策略、儲(chǔ)電模組平衡控制策略、太陽能最大功率追蹤控制策略。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:該動(dòng)力系統(tǒng)可以高效的利用較低的系統(tǒng)電壓，輸出較大的功率，具有較大的儲(chǔ)電裝置差異性容忍度，可以混合使用不同種類的儲(chǔ)電裝置，容錯(cuò)能力強(qiáng)，系統(tǒng)制造柔性好，系統(tǒng)緊湊度高，重量低，成本低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為動(dòng)力系統(tǒng)連接框圖
圖2為開關(guān)磁阻電機(jī)作為變壓器運(yùn)行示意圖A ；
圖3為開關(guān)磁阻電機(jī)作為變壓器運(yùn)行示意圖B。

【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于以下所述。
[0019]如圖1所示，一種采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為功率變壓器的動(dòng)力系統(tǒng)，它包括電機(jī)控制器單元、儲(chǔ)電裝置、兩個(gè)功率變換器和電機(jī)組，儲(chǔ)電裝置、功率變換器和電機(jī)分別與電機(jī)控制器單元連接，一個(gè)功率變換器與儲(chǔ)電裝置連接，另一個(gè)功率變換器與外部電源連接，兩個(gè)功率變換器分別與電機(jī)組連接。
[0020]所述的電機(jī)組包括一個(gè)或一個(gè)以上機(jī)械并聯(lián)的電機(jī)，每個(gè)電機(jī)都與兩個(gè)功率變換器直接連接。
[0021]所述的電機(jī)為開關(guān)磁阻電機(jī)。
[0022]所述的電機(jī)至少有一相包含了兩個(gè)獨(dú)立的線圈繞組，兩個(gè)線圈繞組分別與兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電路相連，驅(qū)動(dòng)電路分別與電儲(chǔ)能元件和外部電源連接，電機(jī)控制器單元通過兩套獨(dú)立的電源和驅(qū)動(dòng)電路，控制所述電機(jī)的四象限運(yùn)行。
[0023]所述的儲(chǔ)電裝置為能夠反復(fù)充放電的裝置。
[0024]它包括一個(gè)總控制器，電機(jī)控制器單元接收和執(zhí)行總控制器單元的控制信號(hào)，同時(shí)將電機(jī)控制單元采集的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳總控制器，并執(zhí)行基本的控制策略。
[0025]所述的電機(jī)為變壓器。
[0026]所述的控制策略包括電池管理控制策略、充電控制策略、儲(chǔ)電模組平衡控制策略、太陽能最大功率追蹤控制策略。
[0027]如圖1所示，動(dòng)力系統(tǒng)可以由多個(gè)動(dòng)力單元組成，每個(gè)動(dòng)力單元中的開關(guān)磁阻電機(jī)機(jī)械并聯(lián)，各電機(jī)都有獨(dú)立的電機(jī)控制單元和兩個(gè)功率放大器。
[0028]電機(jī)控制器單元可以分別控制兩套獨(dú)立的電源實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，每一個(gè)控制器單元都執(zhí)行接收自總控制器單元的控制規(guī)定信號(hào)，如轉(zhuǎn)速控制、轉(zhuǎn)矩控制、轉(zhuǎn)子位置控制等。同時(shí)將該電機(jī)控制單元的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳總控制器，每一個(gè)控制單元通過通訊系統(tǒng)對(duì)該動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，并作出基本的控制策略。如對(duì)儲(chǔ)電裝置信息的采集就可以采用電池管理系統(tǒng)(BMS)收集電池系統(tǒng)的信息。
[0029]基本控制策略中電池管理控制策略包括電池在充電的時(shí)候電壓超過了上限電壓就需要停止充電，電池單體放電的時(shí)候電壓超過了下限電壓就需要停止放電，電池模組過熱就需要打開散熱裝置，降低功率運(yùn)行甚至停止運(yùn)行。當(dāng)控制器發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)達(dá)到了電池管理系統(tǒng)設(shè)置的上限或者下限值，就會(huì)采取相應(yīng)的控制策略，保證電池運(yùn)行在安全合理高效的范圍內(nèi)。
[0030]充電控制策略包括系統(tǒng)在外接電源上充電的時(shí)候，為了保證外接電源不過載，就會(huì)在總控制器上通過設(shè)置功率限值在實(shí)現(xiàn)保證外部電源不過載的情況下最大速度的充電。
[0031]由于每一個(gè)電池單元由于制造的原因不可能一模一樣，同樣每一個(gè)模組更不可能一模一樣，因而儲(chǔ)電模組平衡控制策略就是每一個(gè)子系統(tǒng)根據(jù)自身系統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的狀況米用不同的控制策略。總控制器通過針對(duì)不同的子系統(tǒng)狀況發(fā)出不同的控制指令，以保證每一個(gè)子系統(tǒng)都可以盡可能的發(fā)揮最大的能力。
[0032]其中每個(gè)電機(jī)控制器根據(jù)通訊獲得的該系統(tǒng)內(nèi)部儲(chǔ)電系統(tǒng)的剩余WH數(shù)、每個(gè)單體的電壓、溫度以及元件的健康程度，再結(jié)合自身的情況對(duì)控制器指令進(jìn)行個(gè)性化的執(zhí)行操作。如在儲(chǔ)電裝置剩余WH數(shù)量不同的時(shí)候進(jìn)行保證荷電態(tài)相同的同步放電。即WH數(shù)大的儲(chǔ)電裝置放電功率較大，WH數(shù)小的儲(chǔ)電裝置放電功率較小。所有的儲(chǔ)電裝置盡可能同步完成放電。當(dāng)有儲(chǔ)能裝置達(dá)到過放電門限時(shí)，為保證其不損壞則停止放電操作同時(shí)通過控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)使其充入一定的電量。每個(gè)儲(chǔ)電裝置在充電時(shí)都進(jìn)行獨(dú)立充電，可以通過電機(jī)控制器將其充電到最佳狀態(tài)，以保證每一個(gè)子系統(tǒng)在可以保證自身安全和壽命的情況下，盡可能的發(fā)揮最大的能力。
[0033]如圖1所示的系統(tǒng)框圖中，開關(guān)磁阻電機(jī)可以運(yùn)行在電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)兩種狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)采用儲(chǔ)能元件儲(chǔ)存的電力以電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)可以直接通過控制器驅(qū)動(dòng)與儲(chǔ)電元件相連的功率轉(zhuǎn)換器將儲(chǔ)電元件所儲(chǔ)存的電量或外部電源轉(zhuǎn)化為動(dòng)力。在需要的時(shí)候也可以將輸入電機(jī)的機(jī)械功率發(fā)出電回饋到儲(chǔ)電裝置或外部電源。磁阻電機(jī)具體處于何種運(yùn)行狀態(tài)，是通過總控制器針對(duì)控制目標(biāo)通過數(shù)據(jù)計(jì)算將總的控制任務(wù)分別下達(dá)到每一個(gè)電機(jī)控制器單元，每個(gè)電機(jī)控制器單元再采用一定控制策略對(duì)不同的開關(guān)器件實(shí)施控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)分別可以通過2個(gè)獨(dú)立的電源實(shí)現(xiàn)4象限運(yùn)行。
[0034]由于單相開關(guān)磁阻電機(jī)一般無自啟動(dòng)能力，如果電機(jī)上只有一相上有兩個(gè)繞組，在實(shí)際使用過程中可以采用先用多相的繞組先將磁阻電機(jī)將轉(zhuǎn)子啟動(dòng)，再由控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)為單相運(yùn)行也可是實(shí)現(xiàn)順利啟動(dòng)。
[0035]如圖2所示，開關(guān)磁阻電機(jī)可以作為變壓器使用，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)存的電能通過k5、k6、k7、k8 4個(gè)開關(guān)器件逆變成交流電，通過電機(jī)本體完成磁場耦合，在另外一個(gè)線圈上產(chǎn)生交流電壓，通過并聯(lián)在kl、k2、k3、k4開關(guān)器件上的二極管dl、d2、d3、d4進(jìn)行全橋整流變?yōu)橹绷麟娤蛲饨釉O(shè)備供電；當(dāng)外接電能通過kl、k2、k3、k4逆變成交流電，再通過電機(jī)本體完成磁場耦合，在另外一個(gè)線圈上產(chǎn)生交流電壓，通過并聯(lián)在開關(guān)器件k5、k6、k7、k8上的二極管d5、d6、d7、d8進(jìn)行全橋整流變?yōu)橹绷麟娤騼?chǔ)能系統(tǒng)充電。
[0036]如圖3所示外接電能通過kl、k2、k3、k4逆變成交流通過電機(jī)本體完成磁場耦合，在電機(jī)一個(gè)相線圈上產(chǎn)生交流電壓，通過并聯(lián)在開關(guān)器件上的兩個(gè)續(xù)流二極管vd4和vd3和系統(tǒng)原來就有的續(xù)流二極管vdl和vd2組成的全橋整流電路后變?yōu)橹绷麟娤騼?chǔ)能系統(tǒng)充電。
[0037]本發(fā)明的動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部電機(jī)之間機(jī)械并聯(lián)可以避免傳統(tǒng)電池串聯(lián)后造成的成組效應(yīng)，總控制器根據(jù)每個(gè)電機(jī)控制器提供的信息，可以根據(jù)沒個(gè)電池的不同狀況，使它們工作在不同的工作狀態(tài)，個(gè)性化的工作狀態(tài)保證了每一個(gè)電池組都可以工作在安全的范圍內(nèi)，從而避免了成組效應(yīng)的發(fā)生。
[0038]同時(shí)可以用開關(guān)磁阻電機(jī)作為一個(gè)功率變壓器，可以很方便的將外接電源的能量充入儲(chǔ)能電源，其充電功率大，速度快，由于沒有增加過多的零件，幾乎不需要增加任何系統(tǒng)重量整個(gè)系統(tǒng)就具有低壓大功率快速充電的能力。如果用于電動(dòng)汽車也將很容易通過傳統(tǒng)的電網(wǎng)獲得補(bǔ)充能量，使用極為方便。
【權(quán)利要求】
1.一種采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為功率變壓器的動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于:它包括電機(jī)控制器單元、儲(chǔ)電裝置、兩個(gè)功率變換器和電機(jī)組，儲(chǔ)電裝置、功率變換器和電機(jī)分別與電機(jī)控制器單元連接，一個(gè)功率變換器與儲(chǔ)電裝置連接，另一個(gè)功率變換器與外部電源連接，兩個(gè)功率變換器分別與電機(jī)組連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為功率變壓器的動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于:所述的電機(jī)組包括一個(gè)或一個(gè)以上機(jī)械并聯(lián)的電機(jī)，每個(gè)電機(jī)都與兩個(gè)功率變換器直接連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為功率變壓器的動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于:所述的電機(jī)為開關(guān)磁阻電機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為功率變壓器的動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于:所述的電機(jī)至少有一相包含了兩個(gè)獨(dú)立的線圈繞組，兩個(gè)線圈繞組分別與兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電路相連，驅(qū)動(dòng)電路分別與電儲(chǔ)能元件和外部電源連接，電機(jī)控制器單元通過兩套獨(dú)立的電源和驅(qū)動(dòng)電路，控制所述電機(jī)的四象限運(yùn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為功率變壓器的動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于:所述的儲(chǔ)電裝置為能夠反復(fù)充放電的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為功率變壓器的動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于:它包括一個(gè)總控制器，電機(jī)控制器單元接收和執(zhí)行總控制器單元的控制信號(hào)，同時(shí)將電機(jī)控制單元采集的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳總控制器，并執(zhí)行基本的控制策略。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為功率變壓器的動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于:所述的電機(jī)為變壓器。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為功率變壓器的動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于:所述的控制策略包括電池管理控制策略、充電控制策略、儲(chǔ)電模組平衡控制策略、太陽能最大功率追蹤控制策略。
【文檔編號(hào)】B60L11/18GK104129314SQ201410343617
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】毛珂 申請(qǐng)人:成都宇能通能源開發(fā)有限公司