基于磁通切换型电机的集成式电机驱动与车载充电系统研究

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集成式电机驱动与车载充电系统,是一种仅利用电动汽车内原有电机驱动系统,在不增加额外功率器件的基础上,通过对电机绕组的重构和功率变换器的分时复用,来构造车载充电机的一类新型电动汽车用车载充电系统,该类系统因其可以在不占用车内空间且不增加成本的情况下实现车载充电而受到广泛关注。但是,目前已经提出的集成式车载充电系统仍存在需要增加额外器件、充电时电机会产生启动和脉振转矩、以及电网电压与电池电压无法匹配等问题,制约了其在电动汽车中的大规模应用。因此,本文在总结和梳理了集成式车载充电系统的瓶颈和需求的基础上,提出了可以同时解决集成式系统多个瓶颈的基于多相混合励磁型磁通切换(Hybrid-Excitation Flux-Switching,HEFS)电机的集成式电机驱动与车载充电系统,并对其展开了深入研究。主要内容可分为以下几个部分:1)在分析集成式车载充电系统的优势和瓶颈的基础上,从集成式车载充电系统几个关键瓶颈的角度出发,综述了现有集成式系统对该类系统关键瓶颈问题的解决方案,并分析了构造集成式车载充电系统所用电机最需要的一些特点与特性;2)依赖多相HEFS电机独有的特点,提出了基于多相HEFS电机的集成式电机驱动与车载充电系统的通用拓扑结构;3)提出了基于五相HEFS电机的集成式车载充电系统,并全面分析了其单相/三相充电模式的工作原理、两种模式下的绕组连接方式筛选方法、电流平衡控制策略和无锁相环(Phase-Lock Loop,PLL)的功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)运行解决方案等,并进行了仿真验证和定量分析;4)提出了基于六相HEFS电机的集成式车载充电系统,同样对其工作原理、绕组连接方式和控制方法进行了讨论,并进行了仿真验证和定量分析;5)提出了电机绕组参数综合优化方法,建立了HEFS电机电枢和励磁绕组的约束条件,讨论了系统输出功率和运行效率的计算方法,并最终给出了绕组参数综合优化方法的一般流程;6)以一台五相HEFS电机为算例,利用提出的综合优化方法对其原有绕组参数进行了优化,在保证电动模式电机性能的前提下,大幅提升了系统的输出功率和稳态运行效率,并进行了仿真验证;7)设计并制作了一台通用型可扩展三相电机驱动控制器,对其功能模块、机械结构和硬件电路进行了设计、加工和基本测试;8)搭建了集成式车载充电系统实验平台,实验验证了所提出的集成式车载充电系统的可行性和绕组参数综合优化方法的有效性。
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