[发明专利]一种电池超级电容电动车开关磁阻电机功率变换器

说明书

本发明采用一种三开关串联型双输入DC‑DC变换器与开关磁阻电机不对称半桥电路级联的功率变换器拓扑作为电池、超级电容混合动力电动汽车开关磁阻电机驱动系统的主功率变换器，其源端DC‑DC变换器可以实现电池和超级电容的双源接入，并使得后级不对称半桥功率变换器母线电压可调，而后级不对称半桥功率电路则可实现开关磁阻电机的驱动控制。本发明可以同时满足电池、超级电容双储能源输入控制和开关磁阻电机驱动控制的要求。此外，该功率变换器有效节省了开关管资源，可进一步降低系统成本和体积，具备高集成度、轻型化和低成本等优点。

技术领域

本发明涉及一种电池超级电容电动车开关磁阻电机功率变换器，属于电动汽车电机驱动技术领域。

背景技术

电机驱动系统是电动汽车最为核心的部分，目前技术较为成熟的直流电动机、交流感应电机和永磁同步电机已在电动汽车领域得到了广泛的应用。相较于直流电机和感应电机，永磁同步电机具有高效率、高功率密度、高转矩密度等优点，在电动汽车领域极具竞争力。但由于依赖稀土永磁材料，其发展必然受到稀土资源和成本的制约。因此，研究高性能的无需稀土永磁材料的电机系统是电动汽车驱动电机技术的发展趋势。开关磁阻电机（SRM）作为新型无需稀土永磁材料电机的代表在近年来得到了广泛的研究，其结构简单坚固，定转子无永磁体且转子无绕组，具有良好的高速性能和环境适应性。此外，其控制灵活、起动扭矩大电流小、调速性能佳、容错能力强，因而非常适合电动汽车的频繁启停、增减速、爬坡等工况。开关磁阻电机将是未来电动汽车驱动电机最为重要的选择之一。

从电动汽车能量存储的角度，将锂电池与具备高功率密度的超级电容结合而构成混合能量存储系统，则可以使得存储能源兼具高能量密度和高功率密度的特性，从而可更好地满足电动车起动和加速性能要求，并可提高制动能量回收效率并改善电池寿命。电池和超级电容组合的混合能量存储系统不仅可以用做混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车的辅助动力源，也可以作为纯电动汽车的主动力源。因此，采用电池和超级电容混合能量存储系统供电的电动汽车开关磁阻电机驱动系统则是未来电动汽车的一种典型的驱动系统结构。目前在电动汽车开关磁阻电机系统的研究中，主要是针对电池单源供电而进行的，对于混合存储除能源供电的开关磁阻电机系统并没有进行系统研究。

功率变换器作为混合能量存储系统与开关磁阻电机的功率传输接口，需要兼顾储能源的接入和开关磁阻电机的控制。在目前的研究中，开关磁阻电机的功率主电路可以有多种形式，其中不对称半桥主电路由于各相完全独立、控制灵活、换相能力强、容错能力强和可靠性强等优点，在SRM驱动系统中应用最为广泛，也是目前最适合电动汽车应用的SRM功率变换器。就电池接入开关磁阻电机功率变换器而言，目前主要有采用电池直接接入SRM功率变换器直流母线端的方式，以及分别采用Boost和Buck/Boost DC-DC变换器来实现母线电压调节的方式。相对于直接接入母线的方式，利用DC-DC变换器可以降低母线电压的波动，有利于缓解由于母线电压波动而引起的SRM转矩脉动，同时可避免SRM在续流或制动模式下对电池频繁充电而影响电池寿命。

在新能源发电领域，近年来所研究的电池和超级电容的混合能量存储系统的功率变换器主要有如下几种拓扑结构：1）全被动型结构（拓扑1），即电池与超级电容并联直接接入逆变器直流母线端；2）半被动型结构（拓扑2），该结构中超级电容（电池）经双向DC-DC变换器后与电池（超级电容）并联接入直流母线端；3）全主动型结构1（拓扑3），该结构采用将电池和超级电容经两个独立的双向DC-DC变换器并联后接入直流母线端的方式；4）全主动型结构2（拓扑4），即采用一个双输入双向DC-DC变换器来替代拓扑3）中的两个DC-DC变换器的方法。相较于前三种拓扑结构，拓扑4采用紧凑的多输入DC-DC变换器结构可以有效降低系统成本和体积，同时可以实现双储能源功率可控和超级电容的高效利用，也增加了储能源选取灵活度。因此，采用双输入或多输入双向DC-DC变换器的拓扑结构将是实现混合能量存储系统接入的一种最具潜力的方式。

发明内容