零转矩充放电功能的三相SRM集成功率系统及控制方法

零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统及控制方法
技术领域
1.零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统及控制方法，属于开关磁阻电机控制技术领域。


背景技术：

2.随着大量具有随机性和波动性的可再生能源接入电网，电动汽车不仅需要从电网获取电能为电池充电，而且需要作为分布式储能装置向电网放电，以起到“削峰填谷”、“调压调频”的作用。传统电动汽车电机驱动和车载充放电系统相互独立，这导致车辆驱动与充放电系统体积大、重量高、功率密度低，不符合未来电动车辆集成化、轻量化发展趋势。考虑到电动汽车电机驱动和电池充放电装置分时运行且功率拓扑存在共性，将电动汽车驱动和充放电用功率变换系统进行一体化集成设计，已成为解决当前电动汽车发展难题的重要技术途径。电动汽车集成功率系统通过对电机绕组和驱动器分时复用，将原有电机驱动系统重构为车载充电与放电系统，实现车辆驱动和充电的功能集成，不仅从结构上减小了车载功率变换装置的体积和重量，而且能充分利用驱动电机容量大的优势来获得高充电功率。
3.目前电动汽车驱动电机类型主要包括：交流感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机（switched reluctance motor，srm）。相比于交流感应电机和永磁同步电机，开关磁阻电机结构简单、可靠性高、容错性能好、调速范围宽、无需稀土永磁材料，并且其独立的相绕组和驱动器配置为重构充放电装置提供了更高自由度，十分适用于电动汽车驱动与充放电集成功率系统。
4.现有电动汽车srm集成功率系统存在如下缺点：（1）充放电过程中需要额外的转子锁紧装置。传统开关磁阻电机集成功率系统在电动汽车充放电过程中大多采用机械锁紧装置将电机转子固定，以防止由绕组电流引起的电机转动，造成车辆出现意想不到的移动。集成功率系统将srm定子绕组复用为充放电装置的滤波电感，充放电期间绕组通过的交变电流产生旋转磁场，将导致电机转动，给车辆充电带来危险。现有开关磁阻电机集成功率系统需要额外采用机械锁紧装置将电机转子固定，这不仅增加了系统体积和成本，而且长时间堵转运行容易磨损甚至烧坏电机。
5.（2）驱动模式单一。电动汽车要求驱动电机具有高起动转矩和宽调速范围，现有开关磁阻电机集成功率系统定子绕组为固定的串联或并联式结构，驱动模式单一，难以同时兼顾以上两种输出特性。
6.（3）充放电功率等级低。当前开关磁阻电机集成功率系统通常仅支持单相交流充放电功能，充放电功率等级低，难以满足未来电动汽车快速充放电需求，亟需设计同时支持三相交流充放电的大功率集成功率系统。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种通过对电机绕组和功率模块的分时复用，将原有电机驱动系统重构为车载充放电系统，实现电动汽车双模式
驱动、零转矩单相交流充放电、零转矩三相交流充放电等多种功能的一体化集成设计，减小车载功率变换装置体积和重量的零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统及控制方法。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统，包括开关磁阻电机、功率变换器以及控制功率变换器工作的运行控制器，其特征在于：功率变换器包括与开关磁阻电机内三相绕组对应的三个功率模块，三相绕组接入对应的功率模块中；功率模块包括第二功率模块以及有且仅有一个的第一功率模块；还设置有充电口，功率变换器还包括第一切换开关，在第一切换开关的第一开关状态下直流电源与三个功率模块相连或充电口通过三相绕组与直流电源相连；在第一切换开关的第二开关状态下充电口通过第二功率模块与直流电源相连，在第二功率模块中设置有改变其内绕组与充电口连接关系的第二切换开关。
9.优选的，充电口包括第一充电口以及第二充电口，第一充电口为三相交流充电口，第一充电口分别接入每个功率模块中，通过每个功率模块与直流电源相连；第二充电口为单相交流充电口，第二充电口通过第二功率模块与直流电源相连。
10.优选的，功率变换器包括a相功率模块、b相功率模块、c相功率模块，开关磁阻电机中的a相绕组、b相绕组、c相绕组分别接入a相功率模块、b相功率模块、c相功率模块中；功率变换器均由2个全控型开关器件和1个单相全桥模块组成。
11.优选的，a相绕组为第一功率模块，b相功率模块和c相功率模块为第二功率模块，第一充电口通过a相功率模块、b相功率模块和c相功率模块内的绕组与电池组相连，第二充电口通过b相功率模块和c相功率模块内的绕组与电池组相连。
12.优选的，在开关磁阻电机中，a、b、c三相的每一相中，空间位置相对的定子绕组串联：a相定子绕组中空间位置相对的定子绕组a
11
和a
12
串联后构成a1绕组，空间位置相对的定子绕组a
21
和a
22
串联后构成a2绕组；b相定子绕组中空间位置相对的定子绕组b
11
和b
12
串联后构成b1绕组，空间位置相对的定子绕组b
21
和b
22
串联后构成b2绕组；c相定子绕组中空间位置相对的定子绕组c
11
和c
12
串联后构成a1绕组，空间位置相对的定子绕组c
21
和c
22
串联后构成c2绕组；空间位置相对的定子绕组串联后接入对应的功率模块中。
13.一种转矩充放电功能的三相srm集成功率控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤a，判断当前工作状态；运行控制器判断当前工作状态，当前工作为电机驱动运行状态时，执行步骤b，当前工作状态为零转矩三相交流充放电运行状态时，执行步骤c，当前工作状态为零转矩单相交流充放电运行状态时，执行步骤d；步骤b，控制第一切换开关处于第一开关状态，同时控制第二切换开关闭合；运行控制器同时根据开关磁阻电机的当前转速，切换三个功率模块对应绕组的连接关系，并返回步骤a；步骤c，控制第一切换开关处于第一开关状态，同时控制第二切换开关断开；a相、b相和c相绕组均被通以交流电，运行控制器使开关磁阻电机属于零转矩状态，由三相交流充电口为直流电源充电或由直流电源对三相交流充电口放电；步骤d，控制第一切换开关处于第二开关状态，同时控制第二切换开关断开； b相和c相绕组均被通以交流电，运行控制器使开关磁阻电机属于零转矩状态，由单相交流充电口为直流电源充电或由直流电源对单相交流充电口放电。
14.优选的，步骤b包括如下步骤：步骤b-1，比较开关磁阻电机当前转速与额定转速；步骤b-2，若开关磁阻电机当前转速低于额定转速，三个功率模块的绕组串联；步骤b-3，若开关磁阻电机当前转速高于额定转速，三个功率模块的绕组并联。
15.优选的，在步骤c中，使开关磁阻电机属于零转矩状态，包括如下步骤：步骤c-1，单独向a相绕组中通入直流电，使电机转子转至磁阻最小位置：a相定子和转子凸极完全对齐位置；步骤c-2，控制第二切换开关动作，使b相定子绕组中的b1绕组与c相定子绕组中的c1绕组相连， b相定子绕组中的b2绕组与c相定子绕组中的c2绕组相连；步骤c-3，向a相、b相和c相绕组中通入三相交流电；a1绕组和a2绕组被通入幅值和相位均相同的交流电，a相绕组产生的转矩为零；b1绕组和c1绕组被通入幅值和相位均相同的交流电，b2绕组和c2绕组被通入幅值和相位均相同的交流电，b相和c相绕组产生大小相等，方向相反的转矩；步骤c-4，在a相、b相和c相合转矩为零的状态下，完成三相交流充电口为直流电源充电或直流电源对三相交流充电口放电。
16.优选的，在步骤d中，使开关磁阻电机属于零转矩状态，包括如下步骤：步骤d-1，单独向a相绕组中通入直流电，使电机转子转至磁阻最小位置：a相定子和转子凸极完全对齐位置；步骤d-2，控制第二切换开关动作，使b相定子绕组中的b1绕组与c相定子绕组中的c1绕组相连， b相定子绕组中的b2绕组与c相定子绕组中的c2绕组相连；步骤d-3，向a相绕组通入直流电，向b相和c相绕组中通入交流电；a1绕组和a2绕组被通入直流电，a相绕组产生的转矩为零；b1绕组和c1绕组被通入幅值和相位均相同的交流电，b2绕组和c2绕组被通入幅值和相位均相同的交流电，b相和c相绕组产生大小相等，方向相反的转矩；步骤d-4，在a相、b相和c相合转矩为零的状态下，完成单相交流充电口为直流电源充电或直流电源对单相交流充电口放电。
17.与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：在本零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统及控制方法中，通过对电机绕组和功率模块的分时复用，将原有电机驱动系统重构为车载充放电系统，实现电动汽车双模式驱动、零转矩单相交流充放电、零转矩三相交流充放电等多种功能的一体化集成设计，减小车载功率变换装置的体积和重量。
18.在本零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统及控制方法中，充放电过程中无需额外的转子锁紧装置。通过零转矩控制实现充放电过程中转子合转矩为零的有益效果，使得电机转子在充放电过程中始终保持静止，消除了额外的转子锁紧装置。
19.在本零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统及控制方法中，电动汽车要求驱动电机同时兼顾低速大转矩和高速高功率两种输出特性，现有开关磁阻电机集成功率系统定子绕组为固定的串联或并联式结构，驱动模式单一，难以同时兼顾以上两种输出特性。所设计集成功率系统具有绕组串联和绕组并联两种驱动模式，可以满足电动汽车全速域高效率驱动运行。
20.在本零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统及控制方法中，同时实现了单相交流充放电和三相交流充放电，可以有效提高充放电功率等级，实现快速充放电。
21.在单相交流充放电状态下，b相和c相绕组及驱动器被重构为交错并联无桥功率因数校正（pfc）变换器，a相绕组及驱动器被重构为buck变换器。前级交错并联型无桥pfc变换器拟采用平均电流控制，通过电压外环和电流内环双闭环pi控制策略，将交流电压u
ac
输入转换为直流电压u
dc
输出，同时控制输入电流i
ac
跟踪输入电压波形，实现功率因数校正。后级buck变换器拟采用恒流与恒压输出两种控制方式，实现对电动汽车动力电池的恒流、恒压充电功能。
22.在三相交流充放电状态下，被重新配置成两组并联连接的三相电压型pwm整流器，采用预测直接功率控制，通过控制系统瞬时功率，完成高功率因数整流充电。集成功率系统有功功率参考值p
*
来自于电压外环，以实现直流侧稳压控制；同时无功功率参考值被设置为0，以保证网侧电流的单位功率因数。
附图说明
23.图1为零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统开关磁阻电机绕组结构示意图。
24.图2为零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统开关磁阻电机集成功率变换器电路图。
25.图3~5分别为a相绕组串联驱动模式集成功率变换器分别在s=1，0，-1下开关状态示意图。
26.图6~8分别为a相绕组并联驱动模式集成功率变换器分别在s=1，0，-1下开关状态示意图。
27.图9为零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统单相交流充放电功能接线图。
28.图10为零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统单相交流车载充电控制系统示意图。
29.图11为零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统单相交流并网控制系统示意图。
30.图12为零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统a相定转子完全对齐位置受力分析图。
31.图13为零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统三相交流充放电功能接线图。
32.图14为零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统三相交流充放电等效电路图。
33.图15为零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统三相交流充放电控制系统示意图。
具体实施方式
34.图1~15是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~15对本发明做进一步说明。
35.零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统（以下简称集成功率系统），包括集成功率变换器、三相开关磁阻电机以及对集成功率变换器进行控制的运行控制器。
36.在本集成功率系统中，三相开关磁阻电机为三相12/8极，共有a、b、c三相，每相包含四个定子极，每个定子极上均绕有定子绕组。以a相为例，a相包含四个定子绕组a
11
、a
12
、a21
、a
22
，空间位置相对的定子绕组a
11
和a
12
串联后构成a1绕组，空间位置相对的定子绕组a
21
和a
22
串联后构成a2绕组，将a1和a2绕组的抽头n
a11
、n
a12
、n
a21
、n
a22
分别引出，如图1所示。同理，将b相四个定子绕组中b
11
、b
12
串联后构成b1绕组，b
21
、b
22
串联后构成b2绕组，并将b1和b2绕组的抽头n
b11
、n
b12
、n
b21
、n
b22
分别引出；将c相四个定子绕组中c
11
、c
12
串联后构成c1绕组，c
21
、c
22
串联后构成c2绕组，并将c1和c2绕组的抽头n
c11
、n
c12
、n
c21
、n
c22
分别引出。
37.集成功率变换器由电池组b、单刀双掷开关ka、继电器的常闭触点jb和jc、继电器的常开触点jm和jn、电容模块c
dc
、a相功率模块、b相功率模块、c相功率模块以及电池组b组成，其中a相功率模块、b相功率模块、c相功率模块均由2个全控型开关器件（igbt或mosfet）和1个单相全桥模块（由4个全控型开关器件及其对应的反并联二极管构成）组成，srm各相绕组与集成功率变换器的连接方式如图2所示：a相功率模块由2个全控型开关器件和1个单相h桥模块组成。2个全控型开关器件为s
a11
和s
a12
。单相h桥模块由s
a21
、s
a22
、s
a31
、s
a32
及其对应的反并联二极管d
a21
、d
a22
、d
a31
、d
a32
组成。其中开关器件s
a11
的源极、开关器件s
a12
的源极、单刀双掷开关ka的触点2、a1绕组的抽头n
a11
和a2绕组的抽头n
a21
相连；开关器件s
a21
的源极、开关器件s
a22
的漏极和a1绕组的抽头n
a12
相连；开关器件s
a31
的源极、开关器件s
a32
的漏极和a2绕组的抽头n
a22
相连；开关器件s
a11
的漏极、s
a21
的漏极、s
a31
的漏极、电容c
dc
的正极和单刀双掷开关ka的触点1相连；开关器件s
a12
的漏极、s
a22
源极、s
a32
的源极、电容c
dc
的负极和电池组b的负极相连。电池组b的正极连接单刀双掷开关ka。
38.b相功率模块由2个全控型开关器件和1个单相h桥模块组成。2个全控型开关器件为s
b11
和s
b12
。单相h桥模块由s
b21
、s
b22
、s
b31
、s
b32
及其对应的反并联二极管d
b21
、d
b22
、d
b31
、d
b32
组成。其中开关器件s
b11
的源极、开关器件s
b12
的源极、b1绕组的抽头n
b11
和常闭触点jb的一端相连；常闭触点jb的另一端和b2绕组的抽头n
b21
相连；开关器件s
b21
的源极、开关器件s
b22
的漏极和b1绕组的抽头n
b12
相连；开关器件s
b31
的源极、开关器件s
b32
的漏极和b2绕组的抽头n
b22
相连；开关器件s
b11
的漏极、s
b21
的漏极、s
b31
的漏极、电容c
dc
的正极和单刀双掷开关ka的触点1相连；开关器件s
b12
的漏极、s
b22
源极、s
b32
的源极、电容c
dc
的负极和电池组b的负极相连。
39.c相功率模块由2个全控型开关器件和1个单相h桥模块组成。2个全控型开关器件为s
c11
和s
c12
。单相h桥模块由s
c21
、s
c22
、s
c31
、s
c32
及其对应的反并联二极管d
c21
、d
c22
、d
c31
、d
c32
组成。其中开关器件s
c11
的源极、开关器件s
c12
的源极、c1绕组的抽头n
c11
和常闭触点jc的一端相连；常闭触点jc的另一端和c2绕组的抽头n
c21
相连；开关器件s
c21
的源极、开关器件s
c22
的漏极和c1绕组的抽头n
c12
相连；开关器件s
c31
的源极、开关器件s
c32
的漏极和c2绕组的抽头n
c22
相连；开关器件s
c11
的漏极、s
c21
的漏极、s
c31
的漏极、电容c
dc
的正极和单刀双掷开关ka的触点1相连；开关器件s
c12
的漏极、s
c22
源极、s
c32
的源极、电容c
dc
的负极和电池组b的负极相连。
40.三相充电口的其中一相（a相）与a1绕组的抽头n
a11
相连，三相充电口的第二相（b相）与b1绕组的抽头n
b11
相连，同时通过常开触点jm与c1绕组的抽头n
c11
相连；三相充电口的第三相（c相）通过继电器的常开触点jn与c2绕组的抽头n
c21
相连，同时与b2绕组的抽头n
b21
相连。单相充电口的其中一相通过常开触点jm与b1绕组的抽头n
b11
相连，同时与c1绕组的抽头n
c11
相连；单相充电口的另外一相通过继电器的常开触点jn与c2绕组的抽头n
c21
相连，同时与b2绕组的抽头n
b21
相连。电池组b为整个系统供电，并在系统外接交流电源后可由集成功率变换器为其充电。单刀双掷开关ka在电机驱动和三相交流充放电运行时均连接触点1，在单
相交流充放电运行时连接触点2。常闭触点jb和jc在电机驱动运行时保持常闭状态，在单相、三相交流充放电运行时保持断开状态，常开触点jm和jn在电机驱动运行时保持断开状态，在单相、三相交流充放电运行时保持闭合状态。电容模块包括电解电容c
dc
组成，驱动运行时能够吸收绕组的部分磁能，起到储能的作用；充放电运行时起到滤波的作用。
41.具体工作过程及工作原理如下：运行控制器可以根据电动汽车运行工况，控制集成功率变换器在双模式驱动运行、零转矩单相交流充放电运行以及零转矩三相交流充放运行等多种功能下运行，具体而言：1、双模式驱动运行。
42.电动汽车期望驱动电机系统在额定转速以下输出大转矩，满足车辆快速起步和加速需求，额定转速以上具有较宽的恒功率范围，确保高速下的动力性能。本发明采用srm双模式驱动，即在电动汽车启动或低速行驶时采用绕组串联驱动模式，以获得更大的启动转矩和更好的加速性能；在电动汽车高速行驶时采用绕组并联驱动模式，以扩宽电机调速范围，实现高速高功率运行。
43.以三相开关磁阻电机的a相绕组为例，开关磁阻电机运行在额定转速以下时，各相绕组采用串联驱动模式，以a相为例，开关状态如图3~5所示：（1）开关器件s
a21
和s
a32
导通，开关器件s
a11
、s
a12
、s
a22
、s
a31
关断，定义为开关状态s= 1，集成功率变换器和a相绕组中电流流向如图3所示。此时a1和a2串联连接，绕组两端电压等于直流电池组两端电压e，为正向励磁状态。
44.（2）开关器件s
a32
导通，开关器件s
a11
、s
a12
、s
a21
、s
a22
、s
a31
关断，定义为开关状态s= 0，功率变换器和a相绕组中电流流向如图4所示。此时a1和a2串联连接，绕组两端电压等于0，为零压续流状态。
45.（3）开关器件s
a11
、s
a12
、s
a21
、s
a22
、s
a31
、s
a32
全部关断，定义为开关状态s=
ꢀ‑
1，功率变换器和a相绕组中电流流向如图5所示。此时a1和a2串联连接，绕组两端电压等于-e，为反向励磁状态。
46.开关磁阻在额定转速以上运行时，各相绕组采用并联驱动模式，以a相为例，开关状态如图6~8所示：（1）开关器件s
a11
、s
a22
、s
a32
导通，开关器件s
a12
、s
a21
、s
a31
关断，定义为开关状态s= 1，集成功率变换器和a相绕组中电流流向如图6所示。此时a1和a2并联连接，绕组两端电压等于直流电池组两端电压e，为正向励磁状态。
47.（2）开关器件s
a12
、s
a22
、s
a32
导通，开关器件s
a11
、s
a21
、s
a31
关断，定义为开关状态s= 0，集成功率变换器和a相绕组中电流流向如图7所示。此时a1和a2并联连接，绕组两端电压等于0，为零压续流状态。
48.（3）开关器件s
a12
、s
a21
、s
a31
导通，开关器件s
a11
、s
a22
、s
a32
关断，定义为开关状态s=
ꢀ‑
1，集成功率变换器和a相绕组中电流流向如图8所示。此时a1和a2并联连接，绕组两端电压等于直流电池组两端电压-e，为反向励磁状态。
49.2、零转矩单相交流充放电运行。
50.通过绕组和驱动器件复用，srm集成功率系统可以重构为车载充电系统，可以实现零转矩单相交流充放电和零转矩三相交流充放电功能。零转矩单相交流充放电功能的接线
图如图9所示，此时开关ka连接至触点2，常闭触点jb和jc断开，常开触点jm和jn闭合，绕组抽头n
b11
和n
c11
通过充电线连接单相交流充电接口的一端，绕组抽头n
b21
和n
c21
通过充电线连接在单相交流充电口的另一端。
51.单相交流充电系统的等效电路和控制框图如图10所示。单相交流充电功能下开关器件s
a11
、s
a12
、s
a22
、s
a32
、s
b11
、s
b12
、s
b21
、s
b31
、s
c11
、s
c12
、s
c21
、s
c31
始终保持关断状态，此时b相和c相绕组及驱动器被重构为交错并联无桥功率因数校正（pfc）变换器，a相绕组及驱动器被重构为buck变换器。前级交错并联型无桥pfc变换器拟采用平均电流控制，通过电压外环和电流内环双闭环pi控制策略，将交流电压u
ac
输入转换为直流电压u
dc
输出，同时控制输入电流i
ac
跟踪输入电压波形，实现功率因数校正。后级buck变换器拟采用恒流与恒压输出两种控制方式，实现对电动汽车动力电池的恒流、恒压充电功能，即在充电初始阶段对动力电池进行恒流充电，达到一定电压值后转为恒压充电。
52.集成功率变换器运行在单相并网放电功能下的等效电路如图11所示。单相交流并网放电功能下开关器件s
a11
、s
a12
、s
a21
、s
a31
、s
b11
、s
b12
、s
c11
、s
c12
始终保持关断状态，此时b相和c相绕组及驱动器被重构为单相pwm逆变器，a相绕组及驱动器被重构为boost变换器。前级boost变换器将电池电压升高到指定值，其控制原理与充电模式buck变换器相一致。后级单相pwm逆变器直接以并网电流为控制目标，采用电流单环控制，使逆变器以单位功率因数向电网输出电能，或对电网进行无功补偿。
53.充放电过程中，为避免绕组电流造成的转子转动，需实现转子上的受力平衡，即零转矩控制。在单相交流充放电过程中，b相和c相绕组被通以交流电，a相绕组中为整流后的直流电。
54.如图12所示，为了实现零转矩充放电，将a相绕组作为固定转子相，充电之前先对a相通恒定直流电，将转子吸引至磁阻最小位置处，即a相定子和转子完全对齐位置，将此位置作为充电位置，此时无论a相通多大直流电转子切向方向均不再受力。
55.如图9和图10所示，b相和c相绕组采用了交错相连的连接方式，即b1和c1相连，b2和c2相连，充放电期间b1和c1流过幅值和相位均相同的交流电，b2和c2流过幅值和相位均相同的交流电，b相和c相绕组由通电产生的转矩大小相等，方向相反，相互抵消。综合分析，a、b、c三相绕组产生的转矩，最终可实现合转矩为零的有益效果，使得电机转子在充放电过程中始终保持静止，实现零转矩充放电。
56.3、零转矩三相交流充放运行。
57.集成功率变换器在三相交流充电和放电功能下，开关ka连接至触点1，常闭触点jb和jc断开，常开触点jm和jn闭合，绕组抽头n
a11
和直接通过充电线连接至三相交流充电接口，绕组抽头n
b11
和n
c11
通过充电线连接后接至三相交流充电接口，绕组抽头n
b21
和n
c21
通过充电线连接后接至三相交流充电接口，具体如图13所示。
58.集成功率变换器在三相交流充电和放电功能下，开关器件s
a11
、s
a12
、s
b11
、s
b12
、s
c11
、s
c12
始终保持关断状态，此时a、b、c三相绕组及驱动器被重构为两组并联连接的三相pwm整流/逆变器，其等效电路如图14所示。大功率三相充电功能下，srm集成功率系统被重新配置成两组并联连接的三相电压型pwm整流器，其控制系统框图如图15所示。采用预测直接功率控制，通过控制系统瞬时功率，完成高功率因数整流充电。集成功率系统有功功率参考值p
*
来自于电压外环，以实现直流侧稳压控制；无功功率参考值q
*
被设置为0，以保证网侧电流
的单位功率因数。
59.对于三相并网放电功能，集成功率系统以电压型三相pwm逆变器运行。如图15所示，系统仍采用预测直接功率控制，此时取消电压外环，有功和无功功率参考值（p
*
和q
*
）由电网调度获得。
60.充放电过程中，为避免绕组电流造成的转子转动，需实现转子上的受力平衡，即零转矩控制。在三相交流充放电过程中，a相、b相和c相绕组均被通以交流电。如图8所示，为了实现零转矩充放电，将a相绕组作为固定转子相，充电之前先对a相通恒定直流电，将转子吸引至磁阻最小位置处，即a相定子和转子完全对齐位置，将此位置作为充电位置，此时a相通交流电转子切向方向不再受力。如图13和图14所示，b相和c相绕组采用了交错相连的连接方式，即b1和c1相连，b2和c2相连，充放电期间b1和c1流过幅值和相位均相同的交流电，b2和c2流过幅值和相位均相同的交流电，b相和c相绕组由通电产生的转矩大小相等，方向相反，相互抵消。综合分析，a、b、c三相绕组产生的转矩，最终可实现合转矩为零的有益效果，使得电机转子在充放电过程中始终保持静止，实现零转矩充放电。
61.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统，包括开关磁阻电机、功率变换器以及控制功率变换器工作的运行控制器，其特征在于：功率变换器包括与开关磁阻电机内三相绕组对应的三个功率模块，三相绕组接入对应的功率模块中；功率模块包括第二功率模块以及有且仅有一个的第一功率模块；还设置有充电口，功率变换器还包括第一切换开关，在第一切换开关的第一开关状态下直流电源与三个功率模块相连或充电口通过三相绕组与直流电源相连；在第一切换开关的第二开关状态下充电口通过第二功率模块与直流电源相连，在第二功率模块中设置有改变其内绕组与充电口连接关系的第二切换开关。2.根据权利要求1所述的零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统，其特征在于：充电口包括第一充电口以及第二充电口，第一充电口为三相交流充电口，第一充电口分别接入每个功率模块中，通过每个功率模块与直流电源相连；第二充电口为单相交流充电口，第二充电口通过第二功率模块与直流电源相连。3.根据权利要求1所述的零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统，其特征在于：功率变换器包括a相功率模块、b相功率模块、c相功率模块，开关磁阻电机中的a相绕组、b相绕组、c相绕组分别接入a相功率模块、b相功率模块、c相功率模块中；功率变换器均由2个全控型开关器件和1个单相全桥模块组成。4.根据权利要求2所述的零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统，其特征在于：a相绕组为第一功率模块，b相功率模块和c相功率模块为第二功率模块，第一充电口通过a相功率模块、b相功率模块和c相功率模块内的绕组与电池组相连，第二充电口通过b相功率模块和c相功率模块内的绕组与电池组相连。5.根据权利要求1所述的零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统，其特征在于：在开关磁阻电机中，a、b、c三相的每一相中，空间位置相对的定子绕组串联：a相定子绕组中空间位置相对的定子绕组a
11
和a
12
串联后构成a1绕组，空间位置相对的定子绕组a
21
和a
22
串联后构成a2绕组；b相定子绕组中空间位置相对的定子绕组b
11
和b
12
串联后构成b1绕组，空间位置相对的定子绕组b
21
和b
22
串联后构成b2绕组；c相定子绕组中空间位置相对的定子绕组c
11
和c
12
串联后构成a1绕组，空间位置相对的定子绕组c
21
和c
22
串联后构成c2绕组；空间位置相对的定子绕组串联后接入对应的功率模块中。6.一种通过权利要求1~5任一项所述的零转矩充放电功能的三相srm集成功率系统实现的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤a，判断当前工作状态；运行控制器判断当前工作状态，当前工作为电机驱动运行状态时，执行步骤b，当前工作状态为零转矩三相交流充放电运行状态时，执行步骤c，当前工作状态为零转矩单相交流充放电运行状态时，执行步骤d；步骤b，控制第一切换开关处于第一开关状态，同时控制第二切换开关闭合；运行控制器同时根据开关磁阻电机的当前转速，切换三个功率模块对应绕组的连接关系，并返回步骤a；步骤c，控制第一切换开关处于第一开关状态，同时控制第二切换开关断开；a相、b相和c相绕组均被通以交流电，运行控制器使开关磁阻电机属于零转矩状态，由三相交流充电口为直流电源充电或由直流电源对三相交流充电口放电；
步骤d，控制第一切换开关处于第二开关状态，同时控制第二切换开关断开； b相和c相绕组均被通以交流电，运行控制器使开关磁阻电机属于零转矩状态，由单相交流充电口为直流电源充电或由直流电源对单相交流充电口放电。7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：步骤b包括如下步骤：步骤b-1，比较开关磁阻电机当前转速与额定转速；步骤b-2，若开关磁阻电机当前转速低于额定转速，三个功率模块的绕组串联；步骤b-3，若开关磁阻电机当前转速高于额定转速，三个功率模块的绕组并联。8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：在步骤c中，使开关磁阻电机属于零转矩状态，包括如下步骤：步骤c-1，单独向a相绕组中通入直流电，使电机转子转至磁阻最小位置：a相定子和转子凸极完全对齐位置；步骤c-2，控制第二切换开关动作，使b相定子绕组中的b1绕组与c相定子绕组中的c1绕组相连， b相定子绕组中的b2绕组与c相定子绕组中的c2绕组相连；步骤c-3，向a相、b相和c相绕组中通入三相交流电；a1绕组和a2绕组被通入幅值和相位均相同的交流电，a相绕组产生的转矩为零；b1绕组和c1绕组被通入幅值和相位均相同的交流电，b2绕组和c2绕组被通入幅值和相位均相同的交流电，b相和c相绕组产生大小相等，方向相反的转矩；步骤c-4，在a相、b相和c相合转矩为零的状态下，完成三相交流充电口为直流电源充电或直流电源对三相交流充电口放电。9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：在步骤d中，使开关磁阻电机属于零转矩状态，包括如下步骤：步骤d-1，单独向a相绕组中通入直流电，使电机转子转至磁阻最小位置：a相定子和转子凸极完全对齐位置；步骤d-2，控制第二切换开关动作，使b相定子绕组中的b1绕组与c相定子绕组中的c1绕组相连， b相定子绕组中的b2绕组与c相定子绕组中的c2绕组相连；步骤d-3，向a相绕组通入直流电，向b相和c相绕组中通入交流电；a1绕组和a2绕组被通入直流电，a相绕组产生的转矩为零；b1绕组和c1绕组被通入幅值和相位均相同的交流电，b2绕组和c2绕组被通入幅值和相位均相同的交流电，b相和c相绕组产生大小相等，方向相反的转矩；步骤d-4，在a相、b相和c相合转矩为零的状态下，完成单相交流充电口为直流电源充电或直流电源对单相交流充电口放电。

技术总结
零转矩充放电功能的三相SRM集成功率系统及控制方法，属于开关磁阻电机控制技术领域。其特征在于：功率变换器包括与开关磁阻电机内三相绕组对应的三个功率模块；还设置有充电口，功率变换器还包括第一切换开关，在第一切换开关的第一开关状态下直流电源与三个功率模块相连或充电口通过三相绕组与直流电源相连；在第一切换开关的第二开关状态下充电口通过第二功率模块与直流电源相连。在本零转矩充放电功能的三相SRM集成功率系统及控制方法中，通过对电机绕组和功率模块的分时复用，将原有电机驱动系统重构为车载充放电系统，实现电动汽车双模式驱动、零转矩充放电等多种功能的一体化集成设计，减小车载功率变换装置的体积和重量。积和重量。积和重量。


技术研发人员：李存贺 熊立新 赵博 焦提操 边敦新 杜钦君 尹文良 李海涛
受保护的技术使用者：山东理工大学
技术研发日：2023.06.03
技术公布日：2023/10/6