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CN103414337A - 一种电动车开关磁阻电机功率变换器拓扑结构 - Google Patents

一种电动车开关磁阻电机功率变换器拓扑结构 Download PDF

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Abstract

一种电动车开关磁阻电机功率变换器拓扑结构，在开关磁阻电机不对称半桥功率变换器前增加了双向Buck-Boost变换器，当开关磁阻电机工作在电动状态时，蓄电池经过正向Boost-DC/DC变换器实现升压，对开关磁阻电机不对称半桥功率变换器供电；当开关磁阻电机工作在制动状态时，开关磁阻电机不对称半桥功率变换器通过反向Buck变换器对蓄电池充电，将电动车动能转换为蓄电池的电能；当电动车工作在充电状态时，开关磁阻电机不旋转，交流电源通过开关磁阻电机的绕组、不对称半桥功率变换器构成车载充电器直接给蓄电池充电，不需要外接元件，交流电整成直流电，直流电通过Buck变换器给蓄电池充电，并实现功率因数校正，有效提高了系统的可靠性与灵活性，具有较强实用性与通用性。

Description

一种电动车开关磁阻电机功率变换器拓扑结构
技术领域
本发明涉及一种开关磁阻电机驱动系统，特别是一种电动车开关磁阻电机功率变换器拓扑结构。
背景技术
开关磁阻电机结构简单、牢固；具有高的可靠性和鲁棒性；启动转矩大；宽的调速范围；在宽的转速和转矩工作区内保持较高的效率；可以再生制动，回收能量，因此适用于电动汽车驱动系统。但现有的开关磁阻电机驱动系统技术存在的问题是不能同时实现“电动、制动、充电”三种工作状态。对于蓄电池供电的电动车开关磁阻电机驱动系统，采用DC/DC前端变换器可以提高功率变换器供电电压，减小供电电流，减小功率变换器的体积，提高效率；降低蓄电池电压波动对驱动性能的影响；通过泵升母线电压，可以降低反电动势的影响，增大电机高速时功率输出能力。采用DC/DC Boost变换器可以提高开关磁阻电机功率变换器供电电压，但其为单向变换器，电机去磁和制动时，脉冲电流直接给蓄电池充电，当回馈电流过大时，可损害蓄电池。利用电机自身绕组和功率变换器的车载充电系统可以有效降低电动车的成本、增加充电的灵活性。
发明内容
本发明的目的是克服已有技术中存在的问题，提供一种能实现电动、制动、充电三种工作状态的电动车开关磁阻电机功率变换器拓扑结构。
本发明的目的是这样实现的：该电机功率变换器拓扑结构，在开关磁阻电机不对称半桥功率变换器前增加双向Buck-Boost变换器；所述的双向Buck-Boost变换器包括电容C1、电容C2、开关管T1、开关管T2、续流二极管DT1、续流二极管DT2和电感Ld；开关管T1的集电极与开关管T2的发射极连接，开关管T2的集电极为正输出端，开关管T1的发射极为负输出端，在正输端和负输出端上连接有电容C2，在开关管T1和开关管T2的集电极和发射极上分别并联有续流二极管DT2、续流二极管DT1；电容C1和电感Ld构成LC型滤波，电感Ld的一端连接在开关管T1的集电极和开关管T2的发射极之间，电感Ld的另一端连接电容C1的一端并作为正输入端，电容C1的另一端接开关管T1的发射极并作为负输入端。
有益效果，由于采用了上述电动车开关磁阻电机功率变换器拓扑结构，能实现电动、制动、充电三种工作状态下；电动车开关磁阻电机功率变换器不同的主电路结构形式，而不需要外接元件；（1） 当开关磁阻电机工作在电动状态时，蓄电池经过正向Boost-DC/DC变换器实现升压，对开关磁阻电机不对称半桥功率变换器供电；结合开关磁阻电机在低速轻载与高速重载时的特性，实时调节功率变换器供电电压，实现电机低速轻载时的低损耗与低噪音，同时增大高转速时的输出功率；（2）当开关磁阻电机工作在制动状态时，开关磁阻电机不对称半桥功率变换器通过反向Buck变换器对蓄电池充电，将电动车动能转换为蓄电池的电能，实现电动车动能回馈蓄电池；（3）当电动车工作在充电状态时，开关磁阻电机不旋转，交流电源通过开关磁阻电机的绕组、不对称半桥功率变换器构成车载充电器直接给蓄电池充电，交流电整成直流电，直流电通过Buck变换器给蓄电池充电，并实现功率因数校正。利用电机绕组与功率变换器，完成车载充电，实现功率因数校正，减少了对电网的污染。性价比高、实用性强，效果好，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的电动车开关磁阻电机功率变换器拓扑，是在开关磁阻电机不对称半桥功率变换器前增加了双向Buck-Boost变换器。
图2是本发明的开关磁阻电机工作在电动状态时，电动车开关磁阻电机功率变换器电路结构示意图；
图3是本发明的开关磁阻电机工作在制动状态时，电动车开关磁阻电机功率变换器电路结构示意图；
图4是本发明的开关磁阻电机工作在充电状态时，电动车开关磁阻电机功率变换器电路结构示意图；
图5是本发明的开关磁阻电机工作在充电状态模式                                               时，电动车开关磁阻电机功率变换器电路结构示意图；
图6是本发明的开关磁阻电机工作在充电状态模式
Figure 2013103718461100002DEST_PATH_IMAGE004
时，电动车开关磁阻电机功率变换器电路结构示意图；
图7是本发明的开关磁阻电机工作在充电状态模式
Figure 2013103718461100002DEST_PATH_IMAGE006
时，电动车开关磁阻电机功率变换器电路结构示意图；
图8是本发明的开关磁阻电机工作在充电状态模式
Figure 2013103718461100002DEST_PATH_IMAGE008
时，电动车开关磁阻电机功率变换器电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
实施例1：在开关磁阻电机不对称半桥功率变换器前增加双向Buck-Boost变换器；所述的双向Buck-Boost变换器包括电容C1、电容C2、开关管T1、开关管T2、续流二极管DT1、续流二极管DT2和电感Ld；开关管T1的集电极与开关管T2的发射极连接，开关管T2的集电极为正输出端，开关管T1的发射极为负输出端，在正输端和负输出端上连接有电容C2，在开关管T1和开关管T2的集电极和发射极上分别并联有续流二极管DT2、续流二极管DT1；电容C1和电感Ld构成LC型滤波，电感Ld的一端连接在开关管T1的集电极和开关管T2的发射极之间，电感Ld的另一端连接电容C1的一端并作为正输入端，电容C1的另一端接开关管T1的发射极并作为负输入端。
（1） 当开关磁阻电机工作在电动状态时，蓄电池经过正向Boost-DC/DC变换器实现升压，对开关磁阻电机不对称半桥功率变换器供电；
（2）当开关磁阻电机工作在制动状态时，开关磁阻电机不对称半桥功率变换器通过反向Buck变换器对蓄电池充电，将电动车动能转换为蓄电池的电能；
（3）当电动车工作在充电状态时，开关磁阻电机不旋转，交流电源通过开关磁阻电机的绕组、不对称半桥功率变换器构成车载充电器直接给蓄电池充电；不需要外接元件，交流电整成直流电，直流电通过Buck变换器给蓄电池充电，并实现功率因数校正。
图1中，在三相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器前增加了双向Buck-Boost变换器构成电动车开关磁阻电机功率变换器。蓄电池加在双向Buck-Boost变换器之前，交流电源通过不对称半桥功率变换器的任意两相，如A相和B相，及双向Buck-Boost变换器对蓄电池充电。
图2中，开关磁阻电机工作在电动状态时，前端双向Buck-Boost变换器开关管T2始终断开，前端DC/DC变换器工作在Boost模式，通过调节开关管T1，泵升蓄电池电压UC1至UC2，蓄电池经过二极管DT1，对不对称半桥功率变换器及开关磁阻电机供电，能量流方向如图2中箭头所示。
图3中，开关磁阻电机工作在制动状态时，前端双向Buck-Boost变换器开关管T1始终断开，前端DC/DC变换器工作在Buck模式，通过调节开关管T2，降低电压UC2至UC1，不对称半桥功率变换器及开关磁阻电机将电动车动能转换为电能，对蓄电池进行充电，二极管DT2提供续流回路，能量流方向如图3中箭头所示。
当电动车工作在充电状态时，开关磁阻电机不旋转，在图1中，开关管T1、Q1、Q3、Q5、Q6始终断开；在图4中，不对称半桥功率变换器中的续流二极管D1、D2、D3、D4、开关管Q2和Q4，及开关磁阻电机的绕组La、Lb构成了功率因数校正(PFC)电路；电容C1，开关管T2，续流二极管DT2，电感Ld构成Buck变换器电路；交流电源通过开关磁阻电机的绕组、不对称半桥功率变换器，将交流电整成直流电，并实现功率因数校正；直流电通过Buck变换器给蓄电池充电。
功率因数校正(PFC)电路工作在四种工作模式下，
Figure 54836DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 345878DEST_PATH_IMAGE004
模式工作在交流电源的正半周期，
Figure 938665DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 333874DEST_PATH_IMAGE008
模式工作在交流电源的负半周期。
图5中，模式
Figure 148246DEST_PATH_IMAGE002
：在电源正半周期，开关管Q4闭合，如图中箭头所示，工作回路为从电源正经过开关磁阻电机绕组Lb，开关管Q4，续流二极管D2，到电源负，此过程给开关磁阻电机绕组Lb充电。
图6中，模式：在电源正半周期，开关管Q4打开，如图中箭头所示，工作回路为从电源正经过开关磁阻电机绕组Lb，续流二极管D3，电容C2，续流二极管D2，到电源负，此过程为电源和开关磁阻电机绕组Lb给电容C2充电。
图7中，模式
Figure 300059DEST_PATH_IMAGE006
：在电源负半周期，开关管Q2闭合，如图中箭头所示，工作回路为从电源正经过开关磁阻电机绕组La，开关管Q2，续流二极管D4，到电源负，此过程给开关磁阻电机绕组La充电。
图8中，模式
Figure 498959DEST_PATH_IMAGE008
：在电源负半周期，开关管Q2打开，如图中箭头所示，工作回路为从电源正经过开关磁阻电机绕组La，续流二极管D1，电容C2，续流二极管D4，到电源负，此过程为电源和开关磁阻电机绕组La给电容C2充电。
如图3所示，端双向Buck-Boost变换器开关管T1始终断开，前端DC/DC变换器工作在Buck模式，通过调节开关管T2，降低电压UC2至UC1，电容C2中储存的电能，对蓄电池进行充电，二极管DT2提供续流回路，能量流方向如图3中箭头所示。
同理，任意相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器前增加双向Buck-Boost变换器构成了电动车开关磁阻电机功率变换器，如四相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器前增加双向Buck-Boost变换器构成了电动车开关磁阻电机功率变换器，五相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器前增加双向Buck-Boost变换器构成了电动车开关磁阻电机功率变换器，两相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器前增加双向Buck-Boost变换器构成了电动车开关磁阻电机功率变换器，六相开关磁阻电机不对称半桥功率变换器前增加双向Buck-Boost变换器构成了电动车开关磁阻电机功率变换器。

Claims (1)

1.一种电动车开关磁阻电机功率变换器拓扑结构，该电机功率变换器拓扑结构包括：开关磁阻电机不对称半桥功率变换器，其特征在于：在开关磁阻电机不对称半桥功率变换器前增加双向Buck-Boost变换器；
所述的双向Buck-Boost变换器包括电容C1、电容C2、开关管T1、开关管T2、续流二极管DT1、续流二极管DT2和电感Ld；开关管T1的集电极与开关管T2的发射极连接，开关管T2的集电极为正输出端，开关管T1的发射极为负输出端，在正输端和负输出端上连接有电容C2，在开关管T1和开关管T2的集电极和发射极上分别并联有续流二极管DT2、续流二极管DT1；电容C1和电感Ld构成LC型滤波，电感Ld的一端连接在开关管T1的集电极和开关管T2的发射极之间，电感Ld的另一端连接电容C1的一端并作为正输入端，电容C1的另一端接开关管T1的发射极并作为负输入端。
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