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              1. 電動驅動裝置以及電動設備的制作方法

                文檔序號:11181503
                電動驅動裝置以及電動設備的制造方法

                本實用新型屬于交流電機領域,特別涉及一種電動驅動裝置以及包含該電動驅動裝置的電動設備。



                背景技術:

                隨著各大城市霧霾天數和持續時間的增加,國家對燃油設備的尾氣排放管理越來越嚴格;另外,在封閉的室內工作環境中,燃油設備是禁止使用的;此外,石油這種能源是不可再生的,幾十年後將面臨枯竭。因此,將電作爲能源的電動設備如電動汽車、電動叉車等電動設備越來越受到生産商和消費者的青睐。它不但汙染小、可以通過可再生能源提供電能,而且與燃油設備相比,它還具有能源利用率高、結構簡單、噪聲小、動態性能好和便攜性高等優點。在石油資源越來越緊張的形勢下,大力發展電驅動裝置,特別是大功率電驅動裝置如電動戰車、電動軍艦、電動飛行器和電驅動航空母艦等等,對于國防安全具有深遠的意義。

                電池是電動設備的核心部件,由于目前電池制造技術水平的限制,電池單體在容量、電壓和性能上還是不能滿足電動設備的實際要求,爲了滿足電動設備高能量動力電源的要求,一般都將電池單體采用串並聯結合的方式成組使用,以滿足負載較大的功率需求。通過電池單體的並聯增加電池組的輸出電流,通過電池單體的串聯增加電池組的輸出電壓。

                在電動汽車行業,純電動乘用車的電池儲能系統一般具有96~110 節容量約爲45~80Ah的锂離子電池;純電動大巴的電池儲能系統一般具有150~200節容量約爲200~400Ah的锂離子電池。礦用電機車基本上都是由幾組電池組並聯來供電的,每組電池組又是由數十節電池單體串聯成組的。國內電動汽車車載電池大多采用電池單體先並聯再串聯的連接方式。

                根據國家標准的要求,人體的安全電壓是50伏,由于電動設備安全性能的要求,一般優先選用國家標准的電壓等級48、36、24、 12伏。而電動汽車裝備的電機功率一般都是幾十千瓦,如果采用單個三相電機的話,每一相的額定電流都是幾百安培,啓動電流和上坡時的電流更大,可超過一千安培。

                如圖2所示,由于電機的工作電流很大,大容量串並聯電池組的輸出電流也相應很大,一般爲幾十到幾千安培。串並聯電池組與逆變器之間的連接線、連接線與電池組的接頭、連接線與逆變器的接頭,都將由于流過大電流而導致嚴重發熱。這對連接線的電阻和絕緣性能、接頭緊固件的接觸電阻和絕緣保護都提出了較高的要求。因此,這也增加了生産成本,降低了系統的可靠性和安全性。

                大容量串並聯電池組的整體性能並不是通過電池單體的容量和數量進行線性疊加而增強的。電池單體成組後,電池組的能量密度、功率、性能、耐久性和安全性都會有一定程度的下降。而這種情況的産生是在生産和使用電池過程中,由于電池受到了制造工藝、電池老化和環境溫度等因素的影響,造成電池內阻、電壓、容量等參數的不一致。相同規格和型號的電池在相同運行環境下性能參數存在差異的現象稱爲電池的不一致性。對于電池組系統來說,不一致性是客觀存在的,且在電池組的充放電循環過程中,電池單體的充放電深度各不相同,電池組性能的發揮往往取決于性能最差的那個單體,造成電池組剩余容量無法完全發揮。這也導致部分電池單體過充電或者過放電,加劇整個電池組的性能劣化,嚴重時可能導致電池的爆炸或燃燒等安全事故。

                在電池組中,電池單體的電壓不一致性會對電池組造成較大的影響,影響到電池組的容量、性能、壽命和安全等多個方面。特別是,若幹個電壓不一致的電池並聯組成電池組後,非常容易出現電壓高的電池向電壓低的電池充電,形成電池組內部環流,造成電池組電量無意義地浪費,最終影響電池充放電效率。

                電池並聯的電池均衡問題對電池組的性能起著決定性作用,且直接影響到電動設備的整體性能。並聯電池組電流不平衡受多方面因素影響,包括電池容量、開路電壓、內阻、初始、極化等,各因素綜合作用,使並聯問題變得極其複雜。當電池一致性較好時,並聯連接方式對電池組的容量保持率沒有太大的影響,但是當電池組中出現短板電池或者將不匹配的電池並聯在一起時,參數不一致問題導致了電流不平衡,電流不平衡又會進一步導致使用條件的不一致,進而使電池組的循環性能變差。特別是,並聯電池數量的增加會加劇短板電池的影響。電池組中某個電池單體意外的壽命終結往往導致整體功能失效。

                在電池使用過程中,采用電池管理系統對電池單體進行實時在線監測,分析判斷並試圖消除或控制電池不一致性的方法稱爲電池均衡技術。但是,電池管理系統並不具備並聯管理能力,難以對並聯間各單體的能量流動進行管理。並聯電池數量的增加,管理的難度越大。

                因此電動設備核心部件的電池組中的電池均衡問題已經嚴重影響了大功率電動設備的續航和性能,進而影響了包括電動車、電動船、電動飛行器,乃至于國防上的電動戰車、電動軍艦、電動飛行器和電驅動航空母艦的發展。



                技術實現要素:

                本實用新型是爲解決上述問題而進行的,提供了一種電驅動裝置和電動設備。

                <結構一>

                本實用新型提供了一種電動驅動裝置,設置在電動設備中,用于驅動電動設備,包括:多相交流電機,其相數爲k,具有額定線電壓以及額定線電流;直流電源,具有與多相交流電機的額定線電壓相對應的恒定電壓,用于提供與額定線電流相對應的直流電;指令發送部,發送與多相交流電機輸出的轉速或轉矩的值相對應的指令信號;電流傳感器,檢測構成多相交流電機的多相繞組單元的線電流,並發送與檢測的線電流值對應的反饋信號;輸出傳感器,檢測多相交流電機輸出的轉速或轉矩,並發送對應的輸出信號;控制器,根據指令信號、反饋信號以及輸出信號計算輸出控制信號;驅動器,根據控制信號産生驅動信號;逆變器,在驅動信號的作用下將直流電轉換爲交流電並提供給多相交流電機,具有這樣的特征:其中,多相交流電機具有j 個相互獨立且參數相同的多相繞組單元,逆變器具有與j個多相繞組單元一一對應連接的j個相互獨立且參數相同的逆變單元,每個逆變單元具有k個相互並列連接且參數相同的逆變橋臂向對應的多相繞組單元提供k路線電流,直流電源具有j個相互獨立且參數相同的電池單元,分別對應連接j個逆變單元,驅動器具有j個相互獨立且參數相同的驅動單元,分別與j個逆變單元相連接,k爲大于2的正整數,j爲大于1的正整數。

                本實用新型提供的電動驅動裝置還可以具有這樣的技術特征:其中,當逆變單元的單個橋臂正常輸出的最大連續工作電流值爲I1,多相交流電機的最大線電流有效值爲IN時,多相繞組單元的個數j滿足下述條件:j>IN÷I1,其中,j爲大于1的正整數。

                本實用新型提供的電動驅動裝置還可以具有這樣的特征:其中,電池單元是由一個電池單體構成、或是由至少兩個電池單體串聯而成。

                本實用新型提供的電動驅動裝置還可以具有這樣的特征:其中,多相交流電機爲異步電機或同步電機,多相繞組單元在電樞上是對稱分布的,多相繞組單元的連接方式可以是星形聯結或多角形環形聯結,多相交流電機繞組的並繞根數和極對數的積能被多相繞組單元的個數j整除。

                本實用新型提供的電動驅動裝置還可以具有這樣的特征:其中,每個逆變橋臂含有相互串聯連接的上橋臂功率開關單元以及下橋臂功率開關單元,上橋臂功率開關單元以及下橋臂功率開關單元均是由一個功率開關管構成、或是多個性能參數一致的功率開關管並聯而成的。

                本實用新型提供的電動驅動裝置還可以具有這樣的特征:其中,逆變單元是由單個智能功率模塊構成的或是多個類型和參數相同的功率開關管組合構成的,功率開關管爲電力場效應晶體管(Power MOSFET)、門極可關斷晶閘管(GTO)、集成門極換流晶閘管(IGCT)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、電力雙極型晶體管中(GTR)和門極換流晶閘管(SGCT)中的任意一種。

                <結構二>

                進一步,本實用新型還提供了一種含有上述電動驅動裝置的電動設備。

                實用新型的作用與效果

                根據本實用新型提供的電動驅動裝置以及電動設備,由于多相交流電機具有j個相互獨立且參數相同的多相繞組單元,逆變器具有與 j個多相繞組單元一一對應連接的j個相互獨立且參數相同的逆變單元,每個逆變單元具有k個相互並列連接且參數相同的逆變橋臂向對應的多相繞組單元提供k路線電流,直流電源具有j個相互獨立且參數相同的電池單元,分別對應連接j個逆變單元,驅動器具有j個相互獨立且參數相同的驅動單元,分別與j個逆變單元相連接,所以電池組的電池單體不采用並聯技術,僅僅采用串聯技術構成電池單元,消除電池單體並聯後産生的電池均衡問題。在供電方面,由多個相對小容量的電池單元代替了單個的大容量串並聯電池組,在電池單體數量相同的情況下,減小了電池由于並聯引起的整體性能衰減,提高了能量密度、功率、性能、耐久性和安全性,可以爲電動設備的續航和性能提供更好的保障。

                而且,相對于串並聯電池組的輸出電流,電池單元的輸出電流較小,所以,電池單元與逆變單元之間的連接線、連接線與電池單元的接頭、連接線與逆變單元的接頭對電阻和絕緣的要求較低。所以不僅降低了生産的難度和成本,還有助于提高系統的可靠性和安全性。

                不僅如此,本實用新型的電驅動裝置的實現,有助于打破國外對于大電流驅動裝置的壟斷和封鎖,促進電動設備的發展和壯大,使得該電驅動裝置不僅能夠取代汙染大、啓動速度慢和能源利用率低的燃油發動機而應用于目前無法采用電動機的重型機車上,如叉車、卡車、推土機、挖土機等重型機車等,還能夠應用于軍事上需要更大電流的電動戰車、電動飛行器、電動軍艦和電驅動航空母艦上,實現了低壓大電流的電驅動裝置的國産化。而且與燃油驅動裝置相比較,系統性能更加優越,可靠性更高,容錯能力更強。

                因此,本實用新型的電動驅動裝置具有結構設計簡單、合理,成本低,發熱量小,工作性能穩定、安全可靠,使用壽命長等優點。

                附圖說明

                圖1爲本實用新型實施例的電動驅動裝置的電路結構示意圖;以及

                圖2爲現有技術中的大電流多相交流電機、逆變器和串並聯電池組的電路結構示意圖。

                具體實施方式

                以下結合附圖來說明本實用新型的具體實施方式。

                電動驅動裝置10設置在電動設備如電動工具、四軸飛行器、電動汽車、電動船舶、工業用電動叉車、電動軍事設備內,用于驅動電動設備。

                圖1是本實施例中的電動驅動裝置的電路結構示意圖。

                如圖1所示,電動驅動裝置10包括多相交流電機11、直流電源 12、指令發送部13、電流傳感器14、輸出傳感器15、控制器16、驅動器17以及逆變器18。

                多相交流電機11的相數爲k,具有額定線電壓以及額定線電流。多相交流電機11具有安裝在一個電樞或多個電樞上的j個相互獨立且參數相同的多相繞組單元111,j的個數可以通過多相交流電機11 繞組的並繞根數和極對數之積進行平均拆分,j的個數大于等于2。拆分前後,多相交流電機繞組和j個多相繞組單元的繞組相數、繞組相序、繞組匝數、繞組聯結方式、額定電壓和額定電流總和保持不變。

                在本實施例中,k爲三,即多相交流電機11爲三相交流電機,相應的,多相繞組單元111爲三相繞組,每個三相繞組具有三個呈三角形連接的繞組A、B、C。

                在本實施例中,電樞爲多相交流電機的定子或轉子,多相交流電機爲異步電機或同步電機。

                直流電源12具有與多相交流電機11的額定線電壓相對應的恒定電壓,用于提供與額定線電流相對應的直流電。在本實施例中,直流電源爲動力電池。直流電源12具有j個相互獨立且參數相同的電池單元121。

                每個電池單元121均是由一個電池單體構成的、或是由至少兩個電池單體串聯而成的。所以,j個電池單元121在裝置中不存在電的耦合關系,不存在電池單體由于電壓不等而引起的環流等問題,消除了電池單體並聯引起的電池均衡問題,直流電源的總容量與j個電池單元121容量之和基本相等。

                指令發送部13發送與多相交流電機11輸出的轉速或轉矩的值相對應的指令信號。

                電流傳感器14檢測多相繞組單元111的線電流,並發送與檢測的線電流值對應的反饋信號。反饋信號被控制器16接收。

                輸出傳感器15檢測多相交流電機11輸出的轉速或轉矩,並發送對應的輸出信號。對應的輸出信號被控制器16接收。輸出傳感器15 可爲轉速傳感器或轉矩傳感器。在本實施例中,輸出傳感器15采用轉速傳感器。

                控制器16根據指令發送部13的指令信號、電流傳感器14的反饋信號以及輸出傳感器15的輸出信號計算輸出控制信號。

                驅動器17根據控制信號産生驅動逆變器工作的驅動信號。

                逆變器18在驅動信號的作用下將直流電轉換爲交流電並提供給多相交流電機11。逆變器18包括分別與j個多相繞組單元111相對應的j個逆變單元181。

                每個逆變單元181具有三個相互並列連接、結構和功率開關管都相同的A相逆變橋臂、B相逆變橋臂以及C相逆變橋臂。A相逆變橋臂的輸出線連接著A相繞組與C相繞組的接點,B相逆變橋臂的輸出線連接著B相繞組與A相繞組的接點,C相逆變橋臂的輸出線連接著C相繞組與B相繞組的接點,分別向繞組提供線電流。

                每個逆變橋臂含有相互串聯連接的上橋臂功率開關單元141a以及下橋臂功率開關單元141b。

                上橋臂功率開關單元141a以及下橋臂功率開關單元141b均是由一個功率開關管構成、或是多個性能參數一致的功率開關管並聯而成的。在本實施例中,每個三相繞組111是由六個功率開關管構成的逆變單元181單獨驅動。

                上橋臂功率開關單元141a以及下橋臂功率開關單元141b具有相同的最大連續工作電流。只有在最大連續工作電流以下時,功率開關管才有可能長期穩定運行,如果工作電流超過這個電流值,功率開關管就會由于過流而被擊穿損壞。

                在本實施例中,逆變單元可以由單個智能功率模塊構成,也可以采用多個類型和參數相同的功率開關管組合而成。

                功率開關管爲電力場效應晶體管(PowerMOSFET)、門極可關斷晶閘管(GTO)、集成門極換流晶閘管(IGCT)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、電力雙極型晶體管中(GTR)和門極換流晶閘管(SGCT) 中的任意一種。

                在本實施例中,j個相互獨立的電池單元121分別與j個相互獨立且參數相同的逆變單元181相連接並給j個相互獨立且參數相同的多相繞組單元111供電。

                控制器16還根據上橋臂功率開關單元141a以及下橋臂功率開關單元141b之間的預定工作周期,以及根據與上橋臂功率開關單元 141a以及下橋臂功率開關單元141b在相應的工作時間內的導通電流相對應的脈沖信號,向驅動器13提供信號。

                驅動器17具有j個相互獨立參數相同的驅動單元171,每個驅動單元171同時接收到控制器16發出的相同信號,j個驅動單元171分別與j個逆變單元181相連接。每個驅動單元171都可以發出A相驅動信號、B相驅動信號以及C相驅動信號,該三相驅動信號分別驅動 A相逆變橋臂、B相逆變橋臂以及C相逆變橋臂上的上橋臂功率開關單元141a以及下橋臂功率開關單元141b,使其導通或關閉。

                本實施例中的多相繞組單元的個數j爲整數,滿足如下條件:j >IN÷I1。該式中I1爲單個橋臂在各種不同工況下都可以正常輸出的最大連續工作電流值;IN爲多相交流電機線電流在各種不同工況下可能出現的最大有效值。

                j的確定思路如下:首先根據采購要求、性價比和可靠性等因素選擇合適的功率開關管,確定單個功率開關管在各種不同工況下都可以正常輸出的最大連續工作電流值,然後根據上式計算並向上取整得到j。

                j的個數也可以通過多相交流電機繞組導線的並繞根數和極對數的積來進行平均拆分,如果電機繞組導線不是並繞的或難以拆分成所要求的個數時,可以利用等效原理重新設計繞組,把繞組的並繞根數和極對數的積確定爲j或j的整數倍,再進行平均拆分。

                當然,也可以不根據I1來確定j,而是直接設定j,然後再來選擇合適的開關管和拆分繞組導線,只要保證導線拆分後電機的性能不變且單個橋臂能夠穩定提供多相繞組單元的線電流即可。

                對于逆變器來說,任意一個逆變橋臂的輸出電流僅僅與其相連接的多相繞組單元有關系,與其他的多相繞組單元及其對應的逆變橋臂輸出電流沒有任何電的耦合聯系。因此,消除了低壓大電流系統中功率開關管並聯均流的問題。即使某一相的所有逆變橋臂的開關管存在開關特性不一致的情況,導致每個多相繞組單元所産生的力矩在導通過程和關斷過程這兩個瞬間內的大小不一致,但是由于開關管導通和關斷過程的時間非常短,一般都是納秒級的,而電機及其負載又是一個相對很大的慣性物體,這個力矩不一致的影響微乎其微,完全可以忽略不計。

                實施例的作用與效果

                根據本實施例提供的電動驅動裝置以及電動設備,由于多相交流電機具有j個相互獨立且參數相同的多相繞組單元,逆變器具有與j 個多相繞組單元一一對應連接的j個相互獨立且參數相同的逆變單元,每個逆變單元具有k個相互並列連接且參數相同的逆變橋臂向對應的多相繞組單元提供k路線電流,直流電源具有j個相互獨立且參數相同的電池單元並分別對應連接j個逆變單元,驅動器具有j個相互獨立且參數相同的驅動單元,分別與j個逆變單元相連接,所以電池組的電池單體不需要采用並聯技術,僅僅采用串聯技術構成電池單元,即可消除了電池單體並聯後産生的電池均衡問題。在供電方面,由多個相對小容量的電池單元代替了單個的大容量串並聯電池組,在電池單體數量相同的情況下,減小了電池由于並聯引起的整體性能衰減,提高了能量密度、功率、性能、耐久性和安全性,可以爲電動設備的續航和性能提供更好的保障。

                而且,相對于串並聯電池組的輸出電流,電池單元的輸出電流較小,所以,電池單元與逆變單元之間的連接線、連接線與電池單元的接頭、連接線與逆變單元的接頭對電阻和絕緣的要求較低。所以不僅降低了生産的難度和成本,還有助于提高系統的可靠性和安全性。

                不僅如此,本實施例的電驅動裝置的實現,有助于打破國外對于大電流驅動裝置的壟斷和封鎖,促進電動設備的發展和壯大,使得該電驅動裝置不僅能夠取代汙染大、啓動速度慢和能源利用率低的燃油發動機而應用于目前無法采用電動機的重型機車上,如叉車、卡車、推土機、挖土機等重型機車等,還能夠應用于軍事上需要更大電流的電動戰車、電動飛行器、電動軍艦和電驅動航空母艦上,實現了低壓大電流的電驅動裝置的國産化。而且與燃油驅動裝置相比較,系統性能更加優越,可靠性更高,容錯能力更強。

                綜上所述,本實施例的電動驅動裝置具有結構設計簡單、合理,成本低,發熱量小,工作性能穩定、安全可靠,使用壽命長等優點。

                以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特征和本實用新型的優點。本行業的技術人員應該了解,本實用新型不受上述實施例的限制,上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理,在不脫離本實用新型精神和範圍的前提下,本實用新型還會有各種變化和改進,這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型範圍內。

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