專利名稱：一種串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，特別涉及電動汽車系統(tǒng)的串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)包括集中式串聯(lián)混合動力系統(tǒng)與分布式串聯(lián)混合動力系統(tǒng)兩種形式，其基本結(jié)構(gòu)分別如圖1及圖2所示(冷卻系統(tǒng)、傳感器、電池監(jiān)控系統(tǒng)等部件未畫出)。陳清泉院士的專著《現(xiàn)代電動車技術(shù)》有相關(guān)內(nèi)容。
圖1為集中式串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)的示意圖，通過控制，發(fā)動機1驅(qū)動發(fā)電機2發(fā)出交流電，通過整流裝置3變換為直流電，為電池8充電，同時驅(qū)動電機逆變器4將直流電變換成變頻變壓的交流電以驅(qū)動交流電動機5，交流電動機5將電能轉(zhuǎn)化為機械能，將動力通過輸出軸6輸出。必要時，電池8也可作為能量輸出單元提供能量輸出。此外還有必要的控制、通訊、監(jiān)控及保障系統(tǒng)。
圖2為分布式串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)的示意圖(該例僅包含兩個支路)，整個能量傳遞與控制的過程與圖1相類似；不同之處僅在于能量分別分配到兩條不同支路的電機逆變器14和17與交流電動機15和18上，并分別將動力通過輸出軸S116與Sn19輸出。必要時，電池21也可作為能量輸出單元提供能量輸出。
將發(fā)電機G與整流裝置R定義為發(fā)電環(huán)節(jié)；將驅(qū)動電機逆變器C與交流電動機M定義為單電機驅(qū)動環(huán)節(jié)。圖1與圖2中的點狀虛線框中即為發(fā)電環(huán)節(jié)，中小功率系統(tǒng)一般由三相交流發(fā)電機和三相不控或可控整流裝置構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示，其中三相發(fā)電機部分的A、B和C表示三相發(fā)電機的三相繞組。圖1與圖2中的線段狀虛線框中即是電機驅(qū)動環(huán)節(jié)，中小功率系統(tǒng)一般由三相交流逆變器和三相交流電動機構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示，其中三相交流電機部分的A、B和C表示三相交流電機的三相繞組。此時串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)由中央控制器、發(fā)動機控制器、發(fā)動機、發(fā)電環(huán)節(jié)、一個或多個單電機驅(qū)動環(huán)節(jié)、通訊總線、電池、輸出軸以及冷卻系統(tǒng)和傳感器等部分共同組成。
無論集中式或分布式串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)，若發(fā)電機或整流裝置出現(xiàn)故障(發(fā)電機故障通常是繞組斷路，整流裝置故障通常是橋臂斷路)，則發(fā)電環(huán)節(jié)無法工作，整個串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)只能依靠電池作為能量輸出單元進行降功率運行。若逆變器或驅(qū)動電機出現(xiàn)問題(逆變器故障通常是橋臂斷路，驅(qū)動電機故障通常是繞組斷路)，則驅(qū)動環(huán)節(jié)無法正常工作，整個串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)將陷入癱瘓狀態(tài)。由以上分析可知，串聯(lián)混合動力系統(tǒng)的可靠性由發(fā)電和驅(qū)動子環(huán)節(jié)的可靠性來保障，一旦任一子環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將難以運行，從而導致整車只能降功率行駛，嚴重時將導致整車無法運行。因此提高這兩個環(huán)節(jié)的可靠性非常重要。
較大功率艦船上通常會采用多相電機技術(shù)來提高系統(tǒng)可靠性；在系統(tǒng)故障時，多相電機系統(tǒng)可以運用缺相控制技術(shù)繼續(xù)運行。但多相電機系統(tǒng)的控制相對復雜，對空間要求高且成本較高，更適用于具有較高功率等級、具有較大安裝空間的場合，難于在功率等級不高、安裝空間較小的電動汽車驅(qū)動領(lǐng)域加以應用。
另一種提高串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力電動汽車可靠性的方法是采用系統(tǒng)備份。日本專利JP2004120906的“POWER SUPPLY CIRCUIT SYSTEM OF HYBRID ELECTRIC AUTOMOBILE”提出了類似辦法，其原理是每個車軸采用k(k＞＝2)的相互獨立的逆變器及交流電機，當某逆變器不能工作時，正常逆變器驅(qū)動與其相連接的電機，使車輛運行，從而提高運行可靠性。該專利對逆變器及驅(qū)動電機系統(tǒng)采用備份的方式實現(xiàn)冗余，未考慮如何提高發(fā)電環(huán)節(jié)的可靠性；且采用系統(tǒng)備份方式易造成體積與重量的增加，在車輛狹窄空間情況下安裝比較困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對電動汽車系統(tǒng)功率等級不高，空間體積有限，但對可靠性要求極高的實際情況，主要對串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)和電機驅(qū)動環(huán)節(jié)，以及由發(fā)電環(huán)節(jié)、電機驅(qū)動環(huán)節(jié)構(gòu)成的串聯(lián)混合動力系統(tǒng)提出了一種新的設(shè)計方案，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、體積較小且控制簡便的混合動力系統(tǒng)，以提高串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)可靠性。
本發(fā)明采用以下技術(shù)方案本發(fā)明串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)可分為G1與G2兩種模式。G1模式中，發(fā)電機子系統(tǒng)采用并聯(lián)支路數(shù)為a(a≥2)的三相交流發(fā)電機，整流裝置采用與發(fā)電機匹配的三相整流回路(該整流回路可以采用不控工作方式，也可以采用可控工作方式)并聯(lián)；G2模式中，發(fā)電機子系統(tǒng)采用并聯(lián)支路數(shù)為a(a≥2)的三相交流發(fā)電機，整流裝置采用與發(fā)電機匹配的多支路整流回路(該整流回路可以采用不控工作方式，也可以采用可控工作方式)。
發(fā)電機與整流裝置共同構(gòu)成有a-1次冗余的三相發(fā)電環(huán)節(jié)，同時輕載時發(fā)電環(huán)節(jié)采用部分發(fā)電子系統(tǒng)工作，還可以提高發(fā)電環(huán)節(jié)在整個運行范圍內(nèi)的效率。通過故障檢測環(huán)節(jié)可實時檢測系統(tǒng)狀態(tài)，無論是發(fā)電機繞組故障或整流裝置橋臂故障，甚至二者同時處于故障狀態(tài)，只要發(fā)電機每相至少擁有一個完好繞組，且該繞組對應整流橋臂完好，發(fā)電環(huán)節(jié)即可以降額工作，有效地提高了系統(tǒng)可靠性。
本發(fā)明串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)的電機驅(qū)動環(huán)節(jié)可分為D1模式與D2模式。D1模式中，電動機子系統(tǒng)采用并聯(lián)支路數(shù)為a(a≥2)的三相交流電機，逆變器子系統(tǒng)則采用與電動機相匹配的三相逆變器并聯(lián)D2模式中，電動機子系統(tǒng)采用并聯(lián)支路數(shù)為a(a≥2)的三相交流電機，逆變器子系統(tǒng)則采用與電動機相匹配的多橋臂逆變器，共同構(gòu)成有a-1次冗余的三相電機驅(qū)動環(huán)節(jié)。
兩種驅(qū)動模式下，都應采取同步驅(qū)動以及合理布線等方法，以保證各并聯(lián)支路對應逆變器橋臂的開關(guān)器件導通和關(guān)斷的一致性。同時輕載時使用少數(shù)逆變子系統(tǒng)，重載時使用全部逆變子系統(tǒng)可以提高電機驅(qū)動環(huán)節(jié)在整個運行范圍的的效率。通過故障檢測環(huán)節(jié)可實時檢測系統(tǒng)狀態(tài)，無論是驅(qū)動電機繞組故障或逆變器橋臂故障，甚至二者同時處于故障狀態(tài)，只要驅(qū)動電機每相至少擁有一個完好繞組，且該繞組對應橋臂也完好，驅(qū)動環(huán)節(jié)都可以降額工作，有效提高了系統(tǒng)可靠性。
本發(fā)明由于發(fā)電環(huán)節(jié)與電機驅(qū)動環(huán)節(jié)相對獨立，因此在確定系統(tǒng)拓撲的時候可以根據(jù)實際需求選擇適合結(jié)構(gòu)。發(fā)電環(huán)節(jié)與電機驅(qū)動環(huán)節(jié)中任一部分選擇本發(fā)明模式，即可有效提高整個串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)的可靠性。
在上述驅(qū)動環(huán)節(jié)中，逆變器的開關(guān)器件，都可以用k個支路并聯(lián)的方式(可以用器件并聯(lián)方式實現(xiàn))進一步實現(xiàn)冗余，提高系統(tǒng)可靠性。
本發(fā)明在集中式與分布式串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力的電傳動系統(tǒng)中，采用含有并聯(lián)支路的三相發(fā)電機及與其匹配的整流裝置取代現(xiàn)有三相發(fā)電環(huán)節(jié)，采用含有并聯(lián)支路的三相驅(qū)動電機及與其匹配的逆變器取代現(xiàn)有的三相驅(qū)動環(huán)節(jié)，采用改進的發(fā)電環(huán)節(jié)及電機驅(qū)動環(huán)節(jié)構(gòu)成的高可靠性串聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)取代現(xiàn)有串聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，從而極大的提高了電傳動系統(tǒng)的可靠性。同時，輕載時使用少數(shù)發(fā)電及逆變子系統(tǒng)，重載時使用全部發(fā)電及逆變子系統(tǒng)可以提高串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)在整個運行范圍的效率。
本發(fā)明使用含有并聯(lián)支路的三相發(fā)電環(huán)節(jié)與三相電機驅(qū)動環(huán)節(jié)，在不顯著增加系統(tǒng)體積、重量和控制難度的前提下，利用并聯(lián)支路實現(xiàn)冗余，能夠有效的提高串聯(lián)混合動力系統(tǒng)的可靠性與安全性；并且在整個運行范圍內(nèi)提高系統(tǒng)效率。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。
圖1為集中式串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為分布式串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為普通串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)中的發(fā)電環(huán)節(jié)示意圖；圖4為普通串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)中的單電機驅(qū)動環(huán)節(jié)示意圖；圖5為本發(fā)明由并聯(lián)支路數(shù)為2的三相交流發(fā)電機及2個并聯(lián)的三相整流裝置組成的高可靠性發(fā)電環(huán)節(jié)原理圖；圖6為本發(fā)明由并聯(lián)支路數(shù)為2的三相交流發(fā)電機及6支路整流裝置組成的高可靠性發(fā)電環(huán)節(jié)原理圖；圖7為圖5所示的發(fā)電環(huán)節(jié)中發(fā)電機繞組出現(xiàn)故障情況示意圖；圖8為圖5所示的發(fā)電環(huán)節(jié)中整流裝置橋臂出現(xiàn)故障情況示意圖；圖9為圖5所示的發(fā)電環(huán)節(jié)中發(fā)電機繞組與整流裝置橋臂同時出現(xiàn)故障情況示意圖；圖10為由并聯(lián)支路數(shù)為2的三相交流驅(qū)動電機及2個并聯(lián)的三相逆變器組成的本發(fā)明電機驅(qū)動環(huán)節(jié)原理圖；圖11為由并聯(lián)支路數(shù)為2的三相交流驅(qū)動電機及6支路逆變器組成的本發(fā)明電機驅(qū)動環(huán)節(jié)原理圖；圖12為圖10所示的電機驅(qū)動環(huán)節(jié)中逆變器橋臂出現(xiàn)故障情況示意圖；圖13為圖10所示的電機驅(qū)動環(huán)節(jié)中驅(qū)動電機繞組出現(xiàn)故障情況示意圖；圖14為圖10所示的電機驅(qū)動環(huán)節(jié)中驅(qū)動電機繞組與逆變器橋臂同時出現(xiàn)故障情況示意圖；圖15為采用了本發(fā)明發(fā)電環(huán)節(jié)及電機驅(qū)動環(huán)節(jié)的集中式串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖16為采用了本發(fā)明發(fā)電環(huán)節(jié)及電機驅(qū)動環(huán)節(jié)的分布式串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
以G1發(fā)電模式為例，進一步說明本發(fā)明串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)。圖5是由并聯(lián)支路數(shù)為2的三相交流發(fā)電機及2個并聯(lián)的三相整流裝置組成的本發(fā)明的發(fā)電環(huán)節(jié)。如圖5所示，A1與A2為并聯(lián)的A相發(fā)電機繞組，B1與B2為并聯(lián)的B相發(fā)電機繞組，C1與C2為并聯(lián)的C相發(fā)電機繞組；a1、a2、b1、b2、c1和c2是分別與A1、A2、B1、B2、C1和C2對應的橋臂。
在輕載情況下，可依靠發(fā)電機繞組A1、B1和C1及整流橋臂a1、b1和c1構(gòu)成的部分發(fā)電子系統(tǒng)工作；重載情況下，全部發(fā)電子系統(tǒng)同時工作；可以提高發(fā)電環(huán)節(jié)在整個運行范圍的效率。
如圖7所示，當故障檢測環(huán)節(jié)檢測到發(fā)電環(huán)節(jié)中的發(fā)電機單個或多個繞組出現(xiàn)故障時(通常為繞組斷路，以X號表示，下同)，只要發(fā)電機每相都有至少一個繞組完好，無須任何處理發(fā)電環(huán)節(jié)仍可繼續(xù)工作。當A2與B1兩個發(fā)電機繞組出現(xiàn)故障時，無需任何處理，系統(tǒng)可以依靠由發(fā)電機繞組A1、B2、C1和C2及對應整流橋臂a1、b2、c1和c2組成的發(fā)電環(huán)節(jié)繼續(xù)工作，有效提高了系統(tǒng)的可靠性。
如圖8所示，當檢測到發(fā)電環(huán)節(jié)中的整流裝置的一個或多個橋臂出現(xiàn)故障時(通常是半個橋臂斷路，以X號表示，下同)，只要發(fā)電機各相都至少有一個對應橋臂完好，無須任何處理發(fā)電環(huán)節(jié)仍可繼續(xù)工作。當b2與c1兩個整流橋臂出現(xiàn)故障時，無需任何處理，系統(tǒng)可以依靠由發(fā)電機繞組B1、C2、A1和A2及對應整流橋臂b1、c2、a1和a2組成的發(fā)電環(huán)節(jié)繼續(xù)工作，有效提高了系統(tǒng)的可靠性。
如圖9所示，當檢測到發(fā)電環(huán)節(jié)中的發(fā)電機繞組與整流裝置的橋臂同時發(fā)生故障時，只要發(fā)電機每相至少擁有一個完好繞組，且該繞組對應整流橋臂完好，發(fā)電環(huán)節(jié)即可以繼續(xù)工作。當A1和C1兩個發(fā)電機繞組出現(xiàn)故障，且c1和b2兩個整流橋臂出現(xiàn)故障時，無需任何處理，系統(tǒng)可以依靠由發(fā)電機繞組A2、B1和C2及對應整流橋臂a2、b1和c2組成的發(fā)電環(huán)節(jié)繼續(xù)工作。
下面以D1驅(qū)動方式為例，進一步說明本發(fā)明電機驅(qū)動環(huán)節(jié)。圖10是由并聯(lián)支路數(shù)為2的三相交流驅(qū)動電機及2個并聯(lián)的三相逆變器組成的高可靠性電機驅(qū)動環(huán)節(jié)。如圖10所示，A1與A2為并聯(lián)的A相電動機繞組，B1與B2為并聯(lián)的B相電動機繞組，C1與C2為并聯(lián)的C相電動機繞組；a1、a2、b1、b2、c1和c2是分別與A1、A2、B1、B2、C1和C2對應的橋臂。必須采用同步驅(qū)動以及合理布線等適當控制方法，來保證電動機并聯(lián)繞組對應橋臂的開關(guān)器件導通與關(guān)斷的一致性，即a1與a2、b1與b2、c1與c2三對橋臂的開關(guān)器件的導通與關(guān)斷一致。
在輕載情況下，可依靠電動機繞組A1、B1和C1及逆變橋臂a1、b1和c1組成的部分逆變子系統(tǒng)工作；重載情況下，全部逆變子系統(tǒng)同時工作；可以提高驅(qū)動環(huán)節(jié)在整個運行范圍的效率。
如圖12所示，當檢測到驅(qū)動環(huán)節(jié)中的逆變器單個或多個橋臂出現(xiàn)故障時(通常為半個橋臂斷路，以X號表示，下同)，只要驅(qū)動電機每相都至少有對應一個完好橋臂，無須任何處理驅(qū)動環(huán)節(jié)仍可完成四象限方式運行。當逆變橋臂b1出現(xiàn)故障時，無需任何處理，系統(tǒng)可以依靠由電動機繞組A1和A2、B2、C1和C2及對應逆變橋臂a1和a2、b2、c1和c2組成的驅(qū)動環(huán)節(jié)繼續(xù)工作，此時仍需保證逆變器橋臂a1和a2上的開關(guān)器件同時導通和關(guān)斷，c1和c2上的開關(guān)器件同時導通與關(guān)斷。
如圖13所示，當檢測到驅(qū)動環(huán)節(jié)中的驅(qū)動電機單個或多個繞組出現(xiàn)故障時(通常為繞組斷路)，只要驅(qū)動電機每相都至少有一個完好繞組，無須任何處理驅(qū)動環(huán)節(jié)仍可完成四象限方式運行。當電動機中A2和B1兩個繞組出現(xiàn)故障時，無需任何處理，系統(tǒng)可以依靠由電動機繞組A1、B2、C1和C2及對應橋臂a1、b2、c1和c2構(gòu)成的驅(qū)動環(huán)節(jié)繼續(xù)工作，此時仍需保證逆變器橋臂c1和c2上的開關(guān)器件同時導通與關(guān)斷。
如圖14所示，當檢測到驅(qū)動環(huán)節(jié)中的電動機繞組與逆變器橋臂同時發(fā)生故障時，只要驅(qū)動電機每相至少擁有一個完好繞組，且該繞組對應逆變橋臂也完好，驅(qū)動環(huán)節(jié)都可以正常工作。當電動機繞組A1和C2故障，逆變器橋臂a1和b2出現(xiàn)故障時，無需任何處理，系統(tǒng)可以依靠由電動機繞組A2、B1和C1以及對應逆變橋臂a2、b1和c1構(gòu)成的驅(qū)動環(huán)節(jié)繼續(xù)工作，有效提高了系統(tǒng)可靠性。
在串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)中，可根據(jù)實際需求確定系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)。可在發(fā)電環(huán)節(jié)與電機驅(qū)動環(huán)節(jié)中任一部分選用本發(fā)明模式，即可有效提高串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)的可靠性。本發(fā)明集中式串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖15所示，發(fā)電環(huán)節(jié)可以采用G1模式、G2模式或普通模式，電動環(huán)節(jié)可以采用D1模式、D2模式或普通模式，與其它系統(tǒng)一起構(gòu)成集中式串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)。本發(fā)明分布式串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖16所示，發(fā)電環(huán)節(jié)可以采用G1模式、G2模式或普通模式，電動環(huán)節(jié)可以采用D1模式、D2模式或普通模式，與其它系統(tǒng)一起構(gòu)成集中式串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)，主要包括組成發(fā)電環(huán)節(jié)的發(fā)電機子系統(tǒng)G與整流裝置R，組成電機驅(qū)動環(huán)節(jié)的驅(qū)動電機逆變器子系統(tǒng)C與交流電動機子系統(tǒng)M、電池[8]、輸出軸[6]，其特征在于發(fā)電機子系統(tǒng)G采用并聯(lián)支路數(shù)為a(a≥2)的三相交流發(fā)電機，整流裝置R采用與發(fā)電機匹配的并聯(lián)三相整流回路或多支路整流回路；電機驅(qū)動環(huán)節(jié)中電動機子系統(tǒng)M采用并聯(lián)支路數(shù)為a(a≥2)的三相交流電機，驅(qū)動電機逆變器子系統(tǒng)C采用與交流電動機相匹配的并聯(lián)三相逆變器或多橋臂逆變器。
2.按照權(quán)利要求1所述的串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)，其特征在于電機驅(qū)動環(huán)節(jié)的驅(qū)動電機逆變子系統(tǒng)C的開關(guān)器件可采用k個支路并聯(lián)的方式。
全文摘要
一種串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)，主要包括組成發(fā)電環(huán)節(jié)的發(fā)電機子系統(tǒng)G與整流裝置R，組成電機驅(qū)動環(huán)節(jié)的驅(qū)動電機逆變器子系統(tǒng)C與交流電動機子系統(tǒng)M、蓄電池[8]、輸出軸[6]，其特征在于發(fā)電機子系統(tǒng)G采用并聯(lián)支路數(shù)為a(a≥2)的三相交流發(fā)電機，整流裝置R采用與發(fā)電機匹配的并聯(lián)三相整流回路或多支路整流回路；電機驅(qū)動環(huán)節(jié)中電動機子系統(tǒng)M采用并聯(lián)支路數(shù)為a(a≥2)的三相交流電機，驅(qū)動電機逆變器子系統(tǒng)C采用與交流電動機相匹配的并聯(lián)三相逆變器或多橋臂逆變器。本發(fā)明對交流發(fā)電機、整流回路、電機逆變器、電動機各子系統(tǒng)提供了有效冗余，在子系統(tǒng)故障時仍能夠保障系統(tǒng)有效運行，從而有效提高串聯(lián)結(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號B60L11/02GK1966303SQ200510086890
公開日2007年5月23日 申請日期2005年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月17日
發(fā)明者溫旭輝, 華旸, 劉鈞 申請人:中國科學院電工研究所