專利名稱：車用集成起動/發(fā)電系統(tǒng)功率變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于車用控制裝置范圍，尤其是一種車用集成起動/發(fā)電系統(tǒng) 功率變換器。
背景技術(shù)：
隨著汽車擁有量的快速增加，能源消耗和尾氣排放問題也更加突出。不 斷增加的用電設(shè)備對車載電源的容量、效率等指標(biāo)提出了更高要求。
目前汽車廣泛采用獨立的爪極式發(fā)電機和直流起動電機。其中，爪極式 發(fā)電機最高效率僅為60%左右，低效率使得油耗和排放增加；發(fā)電機極限功率 只有約4kW，無法滿足未來更多車載用電設(shè)備需求；而且，直流起動電機容量 小，造成發(fā)動機起動過程中因燃料不完全燃燒而排放了更多尾氣。
為解決上述問題，出現(xiàn)了集成起動/發(fā)電系統(tǒng)，即將發(fā)動機上彼此獨立的 起動電機、發(fā)電機及機械飛輪進(jìn)行一體化設(shè)計，起動時系統(tǒng)電動運行，將曲 軸迅速拖至點火轉(zhuǎn)速；在怠速速度以上發(fā)電運行以供給車載用電設(shè)備；另外， 在怠速速度以上也可工作在電動狀態(tài)為發(fā)動機提供輔助動力。
由于安裝空間嚴(yán)格受限，為提高轉(zhuǎn)矩密度、功率密度及效率，基于永磁 交流電機的集成起動/發(fā)電系統(tǒng)逐漸受到重視。但由于運行工況非常復(fù)雜，并 且轉(zhuǎn)子磁鏈不可控，因此，解決寬速度區(qū)間的電壓穩(wěn)定、提高系統(tǒng)效率及降 低系統(tǒng)成本等問題很難解決。
通常采用兩電平變換器，有兩種常見的結(jié)構(gòu)。 一種是由六個功率開關(guān)器 件構(gòu)成三相整流/逆變器，其輸入、輸出分別與儲能元件和電機相連，該結(jié)構(gòu) 下，發(fā)電運行時必須采用弱磁控制技術(shù)，這使得系統(tǒng)效率較低，尤其在高速 輕載時系統(tǒng)效率更低。另一種結(jié)構(gòu)是采用不可控的二極管整流器結(jié)合降壓型 直流變換器，該結(jié)構(gòu)下，由于高速發(fā)電運行時母線電壓很高，對功率開關(guān)器 件的耐壓能力要求也高，使得系統(tǒng)成本增加；濾波電感、電容的容量相對較
大，使得控制器體積較大；此外，變換器開關(guān)頻率較高，電壓諧波也較大。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服了現(xiàn)有的兩電平變換器的上述缺陷，提供了 一種車用集成起動/發(fā)電系統(tǒng)功率變換器及其控制方法。本變換器輸出電壓諧
波小、開關(guān)頻率低，有利于提高系統(tǒng)效率；濾波電感、電容容量大大減小， 有利于降低系統(tǒng)體積；功率器件電壓應(yīng)力降低一半，可在低壓功率幵關(guān)器件 耐壓范圍內(nèi)有效壓縮電機的弱磁運行范圍，從而可以降低系統(tǒng)成本并使系統(tǒng) 效率得到提高。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取了如下技術(shù)方案。本實用新型含有 三電平整流/逆變器和三電平雙向升壓/降壓直流變換器2，兩部分相級聯(lián)，其
中
三電平整流/逆變器的輸入、輸出分別與雙向升壓/降壓直流變換器、三相 交流電機連接。當(dāng)電機電動運行時，整流/逆變器將直流變換器提供的直流電 逆變?yōu)槿嘟涣鞴┙o電機；當(dāng)電機發(fā)電運行時，整流/逆變器將電機發(fā)出的三 相交流電進(jìn)行可控整流后供給直流變換器。
雙向升壓/降壓直流變換器的輸入、輸出分別與儲能元件、整流/逆變器連 接。當(dāng)電機電動運行時，直流變換器將儲能元件提供的直流電升壓后供給整 流/逆變器；當(dāng)電機發(fā)電運行時，直流變換器將整流/逆變器發(fā)出的直流電降壓 后供給儲能元件進(jìn)行充電。
本實用新型按照集成起動/發(fā)電系統(tǒng)的功能需求，對整流/逆變器、直流變 換器進(jìn)行不同的控制，使整流/逆變器分別工作在可控整流和逆變狀態(tài)，使直 流變換器分別工作在降壓和升壓狀態(tài)。其中
(1) 電機發(fā)電運行時，控制整流/逆變器工作于可控整流狀態(tài)，直流變換 器工作在降壓變換器狀態(tài)；
(2) 起動發(fā)動機或怠速轉(zhuǎn)速以上為發(fā)動機提供輔助動力時，控制整流/ 逆變器工作于逆變器狀態(tài)，直流變換器工作在升壓變換器狀態(tài)，從而使電機
工作于電動狀態(tài)。
本實用新型的有益效果，功率變換器的輸出電壓諧波小、開關(guān)頻率低，
有利于提高系統(tǒng)效率；濾波電感、電容容量大大減小，有利于減小系統(tǒng)體積; 功率器件電壓應(yīng)力降低一半，可在低壓功率器件耐壓范圍內(nèi)有效壓縮弱磁范 圍，在實現(xiàn)寬速度范圍(600 6000i"/min)穩(wěn)壓及輔助動力功能的同時，使 系統(tǒng)成本降低、效率提高，促進(jìn)車輛的節(jié)能。

圖1是車用集成起動/發(fā)電系統(tǒng)功率變換器結(jié)構(gòu)圖
具體實施方式
下面結(jié)合圖1對本實用新型作進(jìn)一步說明
本實施例包括有三電平整流/逆變器1和雙向升壓/降壓直流變換器2兩部
分。三電平整流/逆變器1的輸入、輸出分別與雙向升壓/降壓直流變換器2、 三相交流電機3連接，雙向升壓/降壓直流變換器2的輸入、輸出分別與儲能 元件4、整流/逆變器l連接。
三電平整流/逆變器l由分壓電容及三個相同結(jié)構(gòu)的橋臂構(gòu)成，并與電機 3的三相繞組相連接。分壓電容C1與C2串聯(lián)后連接至直流母線上。a相橋臂 由可控功率開關(guān)器件和鉗位二極管連接而成，其中，四個可控功率開關(guān)器件 Sal Sa4依次串聯(lián)后接至直流母線上；鉗位二極管Dal和Da2按圖示方向串 聯(lián)后，分別連接到上半橋臂開關(guān)器件Sal、 Sa2的公共端和下半橋臂開關(guān)器件 Sa3、 Sa4的公共端。b、 c兩相橋臂結(jié)構(gòu)與a相橋臂相同。三相橋臂的輸出端， 即Sa2和Sa3公共端、Sb2和Sb3公共端、Sc2和Sc3的公共端分別與電機3 的三相繞組相連接；鉗位二極管的公共端，即Dal和Da2公共端、Dbl和Db2 公共端、Del和Dc2的公共端直接相連并與分壓電容Cl、 C2的公共端相連接。
雙向升壓/降壓直流變換器2由可控功率開關(guān)器件、二極管、分壓電容、 電感連接而成。其中，分壓電容Cdl與Cd2相串聯(lián)，Cfl與Cf2相串聯(lián)，其公 共端連接在一起；可控功率開關(guān)器件Ql和Q2、 二極管Dl和D2按圖示對稱連
接；電感L分別與Q1和D1、 Q2和D2的公共端相連接。
雙向直流變換器2的輸出端與三電平整流/逆變器1的直流母線相連接。
整流/逆變器1、直流變換器2中的可控功率開關(guān)器件Q1和Q2、Sal Sa4、 Sbl Sb4、 Scl Sc4可應(yīng)用MOSFET;若采用IGBT等高耐壓功率開關(guān)器件， 本實用新型所述的功率變換器也適用于高壓、大容量起動/發(fā)電系統(tǒng)。
本實施例中的功率變換器，適用于三相交流電機起動/發(fā)電系統(tǒng)，尤其適 用于永磁交流電機起動/發(fā)電系統(tǒng)。
按照集成起動/發(fā)電系統(tǒng)的功能需求，對整流/逆變器l、直流變換器2采 用不同的控制方法，使整流/逆變器1分別工作在可控整流和逆變狀態(tài)，使直 流變換器2分別工作在降壓和升壓狀態(tài)。
(l)起動發(fā)動機時，控制整流/逆變器1工作于逆變器狀態(tài)，直流變換器 2工作在升壓狀態(tài)，此時電機3工作于怠速轉(zhuǎn)速以下的電動狀態(tài)。按如下規(guī)則 控制直流變換器2:<formula>formula see original document page 6</formula>
式中，t^w為整流器/逆變器l的直流母線電壓；t/s為儲能元件4的電壓; D為功率開關(guān)器件Ql和Q2的占空比。
控制D > 0.5，具體數(shù)值根據(jù)系統(tǒng)實際要求確定。此時，儲能元件4電壓f^ 經(jīng)直流變換器2升壓后供給整流/逆變器1，通過整流/逆變器1逆變?yōu)槿嘟?流電輸入電機3，使電機3電動運行拖動發(fā)動機曲軸旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)起動過程。 (2)電機3為發(fā)動機提供輔助動力時，控制整流/逆變器1工作于逆變器 狀態(tài)，直流變換器2工作在升壓狀態(tài)，此時電機3工作于怠速轉(zhuǎn)速以上的電 動狀態(tài)。按如下規(guī)則控制直流變換器2:
<formula>formula see original document page 6</formula>控制D > 0.5，具體數(shù)值根據(jù)電機實際轉(zhuǎn)速確定。此時，儲能元件4電壓C/
經(jīng)直流變換器2升壓后供給整流/逆變器1，通過其逆變?yōu)槿嘟涣麟娸斎腚?機3，電機3電動運行，可以為發(fā)動機提供輔助動力。
(3)電機3發(fā)電運行時，控制整流/逆變器1工作于可控整流狀態(tài)，直流 變換器2工作在降壓狀態(tài)。按如下規(guī)則控制直流變換器2:
控制D〈0.5，具體數(shù)值根據(jù)整流器/逆變器l的母線電壓確定。此時，電 機3發(fā)電運行，經(jīng)整流/逆變器1進(jìn)行可控整流后，輸出直流電壓通過直流變 換器2降壓后為儲能元件4充電，儲能元件4存儲的電能供給車載用電設(shè)備。
權(quán)利要求1、車用集成起動/發(fā)電系統(tǒng)功率變換器，其特征在于包括有三電平整流/逆變器(1)和三電平雙向直流變換器(2)；其中三電平整流/逆變器(1)的一端與三電平雙向直流變換器(2)相連，另一端與電機(3)相連；三電平雙向直流變換器(2)的一端與三電平整流/逆變器(1)相連，另一端與儲能元件(4)相連。
專利摘要本實用新型屬于車用控制裝置范圍，尤其是一種車用集成起動/發(fā)電系統(tǒng)功率變換器。本實用新型包括三電平整流/逆變器和三電平雙向直流變換器。三電平整流/逆變器的一端與三電平雙向直流變換器相連，另一端與電機相連。三電平雙向直流變換器的一端與三電平整流/逆變器相連，另一端與儲能元件相連。本實用新型按照集成起動/發(fā)電系統(tǒng)的功能需求，控制整流/逆變器分別工作在可控整流和逆變狀態(tài)，控制直流變換器分別工作在降壓和升壓狀態(tài)。本實用新型的輸出電壓諧波小、開關(guān)頻率低，有利于提高系統(tǒng)效率；功率器件電壓應(yīng)力降低一半，可在低壓功率器件耐壓范圍內(nèi)有效壓縮弱磁范圍，使系統(tǒng)成本降低、效率提高，促進(jìn)車輛的節(jié)能。
文檔編號H02M7/797GK201207620SQ20082008061
公開日2009年3月11日 申請日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月16日
發(fā)明者許家群 申請人:北京工業(yè)大學(xué)