CN116683826A - 一种用于工程机械的九开关驱充一体化电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于工程机械的九开关驱充一体化电路，在充电模式中，九开关变换器重构成三相整流器，同时第二三相电机的第一定子绕组和第二定子绕组可与DC‑DC桥臂组合成Buck‑Boost电路；在驱动模式，九开关变换器能够实现单电机驱动和双电机驱动。虽然双电机驱动模式直流利用率低，调速范围小，但由于工程机械的驱动电机和抬升电机往往不同时工作，因此对双电机驱动要求不高。本发明电路可实现工程机械上集成驱动和充电，大大提高了工程机械工作时电机的利用率，具有电机利用率高、原理简单、可靠性高、充电功率大、功率密度高的优点。

Description

一种用于工程机械的九开关驱充一体化电路
技术领域
本发明涉及工程机械充电的技术领域，尤其是指一种用于工程机械的九开关驱充一体化电路。
背景技术
工程机械的驱动电机大多采用三相永磁同步电机或三相感应电机，传统的充电方式主要分为车载充电和车外充电，车载充电的充电器安装在车内，能直接接入电网充电，但体积和重量受到限制，因此存在着充电功率较小、车辆续航短的缺点；车外充电通过充电桩进行充电，充电桩输入直流电至电池。由于不占用车辆体积和重量，因此能设计成大功率充电。但存在着前期规划难、建设成本高的缺点。由于车辆的电机驱动***和车载充电***分时工作，而电路结构和所用器件非常相似，学者们提出利用电机驱动***实现电池充电功能，构造驱动与充电一体化电路。
工程机械一般配有多个电机，用于实现工程机械的特殊工作用途。对于常见的双三相电机的工作方案，一般是一个电机为行走电机，实现车辆的行走；一个电机为液压电机，实现推、挖、抬举等工程机械施工动作。基于双电机的双三相电机驱动充电一体化电路，目前最常见的方案是单相电网两端分别接入两个三相电机的中性点，两个三相电机的另一端分别与两个双向DC/AC变换器相连接，两个双向DC/AC变换器并联后与电池连接。由于工程机械工作的特殊性，两个电机同时工作的情况不多，更多的情况是一个电机工作，而另一个电机处于空闲状态。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种安全可靠、电机利用率更高的用于工程机械的九开关驱充一体化电路。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种用于工程机械的九开关驱充一体化电路，包括动力电池、DC-DC桥臂、九开关变换器、第一三相电机、第二三相电机、第一单触点开关、第二单触点开关、第三单触点开关、第一转换触点开关、第二转换触点开关、第三转换触点开关、第四转换触点开关和交流接口；
所述九开关变换器有三个桥臂，从左到右分别为第一、第二、第三桥臂，每个桥臂均有三个串联在一起的开关，共九个开关，并分成上、中、下三排，每排有三个开关，所述第一桥臂每两个开关之间的中点由上到下分别记作a1和b1，所述第二桥臂每两个开关之间的中点由上到下分别记作a2和b2，所述第三桥臂每两个开关之间的中点由上到下分别记作a3和b3；所述第一三相电机和第二三相电机包含三个定子绕组，从上到下分别为第一、二、三定子绕组，每个定子绕组均有两个端子；所述第一转换触点开关、第二转换触点开关、第三转换触点开关、第四转换触点开关均包含一个公共触点和两个转换触点，所述第一转换触点开关的两个转换触点分别为第一触点k11、第二触点k12，所述第二转换触点开关的两个转换触点分别为第一触点k21、第二触点k22，所述第三转换触点开关的两个转换触点分别为第一触点k31、第二触点k32，所述第四转换触点开关的两个转换触点分别为第一触点k41、第二触点k42；所述交流接口有三个端子，分别为第一、二、三端子；
所述DC-DC桥臂的负极经第三转换触点开关与动力电池的正极相连接，所述DC-DC桥臂的正极与九开关变换器直流侧的正极相连接；所述动力电池的负极经第四转换触点开关与九开关变换器直流侧的负极相连接；
所述第一三相电机的第一定子绕组的两端分别与九开关变换器的第一桥臂开关中点a1和交流接口的第一端子相连接，所述第一三相电机的第二定子绕组的两端分别与九开关变换器的第二桥臂开关中点a2和交流接口的第二端子相连接，所述第一三相电机的第三定子绕组的两端分别与第一转换触点开关的公共触点和交流接口的第二端子相连接；所述第一三相电机与交流接口的第一端子和第二端子相连接的三个端子为一组同名端，所述第一三相电机的其余三个端子为另一组同名端；
所述第二三相电机的第一定子绕组的两端分别与九开关变换器的第一桥臂开关中点b1和第三单触点开关相连接，所述第二三相电机的第二定子绕组的两端分别与九开关变换器的第二桥臂开关中点b2和第三单触点开关相连接，所述第二三相电机的第三定子绕组的两端分别与第二转换触点开关的公共触点和交流接口的第三端子相连接；所述第二三相电机与第三单触点开关和第二单触点开关相连接的三个端子为一组同名端，所述第二三相电机的其余三个端子为另一组同名端；
所述第一转换触点开关的第一触点k11和第二触点k12分别与九开关变换器的第二桥臂开关中点a2和九开关变换器的第三桥臂开关中点a3相连接；所述第二转换触点开关的第一触点k21和第二触点k22分别与九开关变换器的第三桥臂开关中点a3和九开关变换器的第三桥臂开关中点b3相连接；所述第三转换触点开关的第一触点k31和第二触点k32分别与动力电池的正、负极相连接；所述第四转换触点开关的第一触点k41和第二触点k42分别与动力电池的正、负极相连接；
所述第一单触点开关的两端分别与交流接口的第一端子和交流接口的第二端子相连接；所述第二单触点开关的两端分别与第二三相电机的第二定子绕组和交流接口的第三端子相连接；所述第三单触点开关的两端分别与DC-DC桥臂中点和第二三相电机的第二定子绕组相连接。
进一步，当所述第一转换触点开关的第一触点k11闭合、第二触点k12断开，所述第二转换触点开关的第一触点k21闭合、第二触点k22断开，所述第三转换触点开关的第一触点k31断开、第二触点k32闭合，所述第四转换触点开关的第一触点k41闭合、第二触点k42断开，所述第一单触点开关断开、第二单触点开关断开，所述第三单触点开关闭合，电路工作在电池充电模式，此时九开关变换器的下排三个开关保持开通，其余开关组成三相整流器，所述第二三相电机的第一定子绕组和第二定子绕组与DC-DC桥臂组成Buck-Boost电路；当所述第一转换触点开关的第一触点k11断开、第二触点k12闭合，所述第二转换触点开关的第一触点k21断开、第二触点k22闭合，所述第三转换触点开关的第一触点k31闭合、第二触点k32断开，所述第四转换触点开关的第一触点k41断开、第二触点k42闭合，所述第一单触点开关闭合、第二单触点开关闭合，所述第三单触点开关断开，电路工作在电机驱动模式。
进一步，在电池充电模式，当输入源为三相电网，所述交流接口的三个端子与电网相连接；在电机驱动模式，能选为单电机驱动或双电机驱动模式；在单电机驱动模式下，当所述第一三相电机工作时，所述九开关变换器的下排三个开关保持开通；当所述第二三相电机工作时，所述九开关变换器的上排三个开关保持开通。
进一步，所述第一三相电机和第二三相电机均为三个定子绕组的两端均引出接线的三相永磁同步电动机或三相感应电动机。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、器件利用率高
相比于传统的双电机的方案，本发明节省了DC-DC部分的滤波电感，减小了空间体积和车身重量。
2、原理简单、可靠性高
本发明切换至驱动模式时与传统三相电机驱动电路一致，采用传统电机控制即可；切换至充电模式时与传统三相PWM整流电路一致，只需进行功率因数校正控制即可，可实现电机转矩消除，可靠性高。
3、充电功率大、功率密度高
相比于传统的单相充电的方案，本发明由于采用了三相充电，充电功率得以提高。
附图说明
图1为本发明的电路原理图。
图2为本发明工作在电机驱动模式时的等效电路图。
图3为本发明工作在交流充电模式时的等效电路图。
图4为本发明工作在交流充电模式时的母线电压、动力电池端电压及动力电池充电电流图。
图5为本发明工作在单电机驱动模式时流过第一三相电机定子绕组的电流图。
图6为本发明工作在双电机驱动模式时流过第一三相电机和第一三相电机定子绕组的电流图
图7为本发明工作在交流充电模式时的输入电流THD图。
图8为本发明工作在交流充电模式时第一三相电机的电磁转矩图。
图9为本发明工作在交流充电模式时第二三相电机的电磁转矩图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例提供了一种用于工程机械的九开关驱充一体化电路，包括动力电池1、DC-DC桥臂2、九开关变换器3、第一三相电机4、第二三相电机5、第一单触点开关6、第二单触点开关7、第三单触点开关8、第一转换触点开关9、第二转换触点开关10、第三转换触点开关11、第四转换触点开关12和交流接口13；
所述九开关变换器3有三个桥臂，从左到右分别为第一、第二、第三桥臂，每个桥臂均有三个串联在一起的开关，共九个开关，并分成上、中、下三排，每排有三个开关，第一桥臂每两个开关之间的中点由上到下分别记作a1和b1，第二桥臂每两个开关之间的中点由上到下分别记作a2和b2，第三桥臂每两个开关之间的中点由上到下分别记作a3和b3；所述第一三相电机4和第二三相电机5包含三个定子绕组，从上到下分别为第一、二、三定子绕组，每个定子绕组均有两个端子；所述第一转换触点开关9、第二转换触点开关10、第三转换触点开关11、第四转换触点开关12均包含一个公共触点和两个转换触点，所述第一转换触点开关9的两个转换触点分别为第一触点k11、第二触点k12，所述第二转换触点开关10的两个转换触点分别为第一触点k21、第二触点k22，所述第三转换触点开关11的两个转换触点分别为第一触点k31、第二触点k32，所述第四转换触点开关12的两个转换触点分别为第一触点k41、第二触点k42；所述交流接口13有三个端子，分别为第一、二、三端子c1、c2、c3；
所述DC-DC桥臂2的负极经第三转换触点开关11与动力电池1的正极相连接，所述DC-DC桥臂2的正极与九开关变换器3直流侧的正极相连接；动力电池1的负极经第四转换触点开关12与九开关变换器3直流侧的负极相连接；
所述第一三相电机4的第一定子绕组的两端分别与九开关变换器3的第一桥臂开关中点a1和交流接口13的第一端子c1相连接，所述第一三相电机4的第二定子绕组的两端分别与九开关变换器3的第二桥臂开关中点a2和交流接口13的第二端子c2相连接，所述第一三相电机4的第三定子绕组的两端分别与第一转换触点开关9的公共触点和交流接口13的第二端子c2相连接；第一三相电机4与交流接口13的第一端子c1和第二端子c2相连接的三个端子为一组同名端，第一三相电机4的其余三个端子为另一组同名端；
所述第二三相电机5的第一定子绕组的两端分别与九开关变换器3的第一桥臂开关中点b1和第三单触点开关8相连接，所述第二三相电机5的第二定子绕组的两端分别与九开关变换器3的第二桥臂开关中点b2和第三单触点开关8相连接，所述第二三相电机5的第三定子绕组的两端分别与第二转换触点开关10的公共触点和交流接口13的第三端子c3相连接；第二三相电机5与第三单触点开关8和第二单触点开关7相连接的三个端子为一组同名端，第二三相电机5的其余三个端子为另一组同名端；
所述第一转换触点开关9的第一触点k11和第二触点k12分别与九开关变换器3的第二桥臂开关中点a2和九开关变换器3的第三桥臂开关中点a3相连接；所述第二转换触点开关10的第一触点k21和第二触点k22分别与九开关变换器3的第三桥臂开关中点a3和九开关变换器3的第三桥臂开关中点b3相连接；所述第三转换触点开关11的第一触点k31和第二触点k32分别与动力电池1的正、负极相连接；所述第四转换触点开关12的第一触点k41和第二触点k42分别与动力电池1的正、负极相连接；
所述第一单触点开关6的两端分别与交流接口13的第一端子c1和交流接口13的第二端子c2相连接；所述第二单触点开关7的两端分别与第二三相电机5的第二定子绕组和交流接口10的第三端子c3相连接；所述第三单触点开关8的两端分别与DC-DC桥臂2中点和第二三相电机5的第二定子绕组相连接。
上述电路的实现方式：当第一转换触点开关9的第一触点k11闭合、第二触点k12断开，第二转换触点开关10的第一触点k21闭合、第二触点k22断开，第三转换触点开关11的第一触点k31断开、第二触点k32闭合，第四转换触点开关12的第一触点k41闭合、第二触点k42断开，第一单触点开关6断开、第二单触点开关7断开，第三单触点开关8闭合，电路工作在电池充电模式，此时九开关变换器3的下排三个开关S3、S6、S9保持开通，其余开关组成三相整流器，第二三相电机5的第一定子绕组和第二定子绕组与DC-DC桥臂2组成Buck-Boost电路；当第一转换触点开关9的第一触点k11断开、第二触点k12闭合，第二转换触点开关10的第一触点k21断开、第二触点k22闭合，第三转换触点开关11的第一触点k31闭合、第二触点k32断开，第四转换触点开关12的第一触点k41断开、第二触点k42闭合，第一单触点开关6闭合、第二单触点开关7闭合，第三单触点开关8断开，电路工作在电机驱动模式。
在电池充电模式，当输入源为三相电网，交流接口13的三个端子与电网相连接。在电机驱动模式，可选为单电机驱动、双电机驱动模式。如图2所示，在单电机驱动模式下，当第一三相电机4工作时，九开关变换器3的下排三个开关S3、S6、S9保持开通；当第二三相电机5工作时，九开关变换器3的上排三个开关S1、S4、S7保持开通；虽然双电机驱动模式直流利用率低，调速范围小，但由于工程机械的驱动电机和抬升电机往往不同时工作，因此，对双电机驱动要求不高。
具体地，所述第一三相电机4和第二三相电机5为三个定子绕组的两端均引出接线的三相永磁同步电动机或三相感应电动机。
下面分析转矩消除原理：
先对交流充电方式进行分析，其等效电路如图3所示，
电网电流为：
ig＝Imcosωt
其中，Im为电网电流幅值，ωt为电网电流相位。
根据电路连接方式，可得第一三相电机4的三个定子绕组的电流为：
ia＝Imcosωt
对式进行clark等功率变换：
其中，iα1和iβ1分别是第一三相电机4定子绕组电流的α方向分量和β方向分量且
可得iβ1＝0。
若三相电机为感应电机，由于定子绕组电流在αβ平面的夹角为定值，产生的磁场为脉动磁场，因此转子无法切割磁感线产生电流，也就无法产生转矩。
若三相电机为永磁同步电机：
对于第一三相电机4，进行Park变换：
其中θ为转子d轴与定子d轴的夹角。
令Iq＝0，得到θ＝0。
以表贴式永磁同步电机为例，其转矩为：
Te＝npψfiq
其中，np为转子极对数，ψf为转子磁链，iq为Park变换后的q轴电流。对于第一三相电机4，当θ为0时，Te＝0，没有启动转矩产生。
在MATLAB/Simulink中对三相输入充电模式进行仿真测试，结果如图4～图9所示。设置九开关变换器的直流端电压为700V，动力电池的端电压为400V，动力电池的充电电流为20A，从图4可以看出九开关变换器的直流端电压Udc稳定在700V，动力电池的端电压Ub稳定在400V，动力电池的充电电流Ib稳定在20A，跟踪效果良好；从图5和图6可以看出电路能够实现单电机或双电机运行；图7为三相输入电流的THD值，电流畸变小；从图8和图9可以看出充电过程中第一三相电机和第二三相电机的电磁转矩为0，实现了转矩消除。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化如改变三相电机或逆变桥臂的相序等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于工程机械的九开关驱充一体化电路，其特征在于：包括动力电池(1)、DC-DC桥臂(2)、九开关变换器(3)、第一三相电机(4)、第二三相电机(5)、第一单触点开关(6)、第二单触点开关(7)、第三单触点开关(8)、第一转换触点开关(9)、第二转换触点开关(10)、第三转换触点开关(11)、第四转换触点开关(12)和交流接口(13)；
所述九开关变换器(3)有三个桥臂，从左到右分别为第一、第二、第三桥臂，每个桥臂均有三个串联在一起的开关，共九个开关，并分成上、中、下三排，每排有三个开关，所述第一桥臂每两个开关之间的中点由上到下分别记作a1和b1，所述第二桥臂每两个开关之间的中点由上到下分别记作a2和b2，所述第三桥臂每两个开关之间的中点由上到下分别记作a3和b3；所述第一三相电机(4)和第二三相电机(5)包含三个定子绕组，从上到下分别为第一、二、三定子绕组，每个定子绕组均有两个端子；所述第一转换触点开关(9)、第二转换触点开关(10)、第三转换触点开关(11)、第四转换触点开关(12)均包含一个公共触点和两个转换触点，所述第一转换触点开关(9)的两个转换触点分别为第一触点k11、第二触点k12，所述第二转换触点开关(10)的两个转换触点分别为第一触点k21、第二触点k22，所述第三转换触点开关(11)的两个转换触点分别为第一触点k31、第二触点k32，所述第四转换触点开关(12)的两个转换触点分别为第一触点k41、第二触点k42；所述交流接口(13)有三个端子，分别为第一、二、三端子(c1)、(c2)、(c3)；
所述DC-DC桥臂(2)的负极经第三转换触点开关(11)与动力电池(1)的正极相连接，所述DC-DC桥臂(2)的正极与九开关变换器(3)直流侧的正极相连接；所述动力电池(1)的负极经第四转换触点开关(12)与九开关变换器(3)直流侧的负极相连接；
所述第一三相电机(4)的第一定子绕组的两端分别与九开关变换器(3)的第一桥臂开关中点a1和交流接口(13)的第一端子(c1)相连接，所述第一三相电机(4)的第二定子绕组的两端分别与九开关变换器(3)的第二桥臂开关中点a2和交流接口(13)的第二端子(c2)相连接，所述第一三相电机(4)的第三定子绕组的两端分别与第一转换触点开关(9)的公共触点和交流接口(13)的第二端子(c2)相连接；所述第一三相电机(4)与交流接口(13)的第一端子(c1)和第二端子(c2)相连接的三个端子为一组同名端，所述第一三相电机(4)的其余三个端子为另一组同名端；
所述第二三相电机(5)的第一定子绕组的两端分别与九开关变换器(3)的第一桥臂开关中点b1和第三单触点开关(8)相连接，所述第二三相电机(5)的第二定子绕组的两端分别与九开关变换器(3)的第二桥臂开关中点b2和第三单触点开关(8)相连接，所述第二三相电机(5)的第三定子绕组的两端分别与第二转换触点开关(10)的公共触点和交流接口(13)的第三端子(c3)相连接；所述第二三相电机(5)与第三单触点开关(8)和第二单触点开关(7)相连接的三个端子为一组同名端，所述第二三相电机(5)的其余三个端子为另一组同名端；
所述第一转换触点开关(9)的第一触点k11和第二触点k12分别与九开关变换器(3)的第二桥臂开关中点a2和九开关变换器(3)的第三桥臂开关中点a3相连接；所述第二转换触点开关(10)的第一触点k21和第二触点k22分别与九开关变换器(3)的第三桥臂开关中点a3和九开关变换器(3)的第三桥臂开关中点b3相连接；所述第三转换触点开关(11)的第一触点k31和第二触点k32分别与动力电池(1)的正、负极相连接；所述第四转换触点开关(12)的第一触点k41和第二触点k42分别与动力电池(1)的正、负极相连接；
所述第一单触点开关(6)的两端分别与交流接口(13)的第一端子(c1)和交流接口(13)的第二端子(c2)相连接；所述第二单触点开关(7)的两端分别与第二三相电机(5)的第二定子绕组和交流接口(10)的第三端子(c3)相连接；所述第三单触点开关(8)的两端分别与DC-DC桥臂(2)中点和第二三相电机(5)的第二定子绕组相连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于工程机械的九开关驱充一体化电路，其特征在于，当所述第一转换触点开关(9)的第一触点k11闭合、第二触点k12断开，所述第二转换触点开关(10)的第一触点k21闭合、第二触点k22断开，所述第三转换触点开关(11)的第一触点k31断开、第二触点k32闭合，所述第四转换触点开关(12)的第一触点k41闭合、第二触点k42断开，所述第一单触点开关(6)断开、第二单触点开关(7)断开，所述第三单触点开关(8)闭合，电路工作在电池充电模式，此时九开关变换器(3)的下排三个开关(S3)、(S6)、(S9)保持开通，其余开关组成三相整流器，所述第二三相电机(5)的第一定子绕组和第二定子绕组与DC-DC桥臂(2)组成Buck-Boost电路；当所述第一转换触点开关(9)的第一触点k11断开、第二触点k12闭合，所述第二转换触点开关(10)的第一触点k21断开、第二触点k22闭合，所述第三转换触点开关(11)的第一触点k31闭合、第二触点k32断开，所述第四转换触点开关(12)的第一触点k41断开、第二触点k42闭合，所述第一单触点开关(6)闭合、第二单触点开关(7)闭合，所述第三单触点开关(8)断开，电路工作在电机驱动模式。
3.根据权利要求2所述的一种用于工程机械的九开关驱充一体化电路，其特征在于，在电池充电模式，当输入源为三相电网，所述交流接口(13)的三个端子与电网相连接；在电机驱动模式，能选为单电机驱动或双电机驱动模式；在单电机驱动模式下，当所述第一三相电机(4)工作时，所述九开关变换器(3)的下排三个开关(S3)、(S6)、(S9)保持开通；当所述第二三相电机(5)工作时，所述九开关变换器(3)的上排三个开关(S1)、(S4)、(S7)保持开通。
4.根据权利要求1所述的一种用于工程机械的九开关驱充一体化电路，其特征在于，所述第一三相电机(4)和第二三相电机(5)均为三个定子绕组的两端均引出接线的三相永磁同步电动机或三相感应电动机。
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