汽车用起动发电机及其工作方法技术

本发明专利技术提供了一种汽车用起动发电机及其工作方法。本发明专利技术所述的起动发电机采用了非永磁体和无绕组的转子结构以及多相绕组的定子结构，基于控制器对各相绕组的同步精确开关控制实现具有电动模式和发电模式的起动发电机，可实现初始起动、稳定助力状态以及发电等多种工作状态。由于采用了电动模式和发电模式均全程分段可调节的绕组控制技术，能够有效控制两种工作模式下的输出功率，有效解决了现有技术当中起动过程和发电过程功率不匹配的难题。

【技术实现步骤摘要】
汽车用起动发电机及其工作方法
本专利技术涉及汽车技术，更具体地，涉及一种汽车用起动发电机及其工作方法。
技术介绍
基于燃油经济性、降低有害气体排放和产业大规模应用成本等多种因素，混合动力汽车成为目前汽车新技术的发展方向，业界相信在未来不长的时间内就会取代传统动力汽车而成为市场主流产品。混合动力汽车拥有燃油发动机和电动—发电机两组动力源，通过智能化的控制和输出分配，电动—发电机可以作为燃油发动机的起动机，在初始起动过程中克服发动机的阻力转矩，使发动机达到足够的起动转速；起动后电动—发电机可以视情况为燃油发动机提供辅助动力，也可以在适当状态下完全关闭发动机，单纯依靠电动－发电机提供动力。另外，电动－发电机具有能量转换的可逆性，即可以实现从机械能到电能的逆向转换，因此在汽车减速制动过程中可以将发动机的机械能生成电能，通过逆变器存储于汽车蓄电池内。因此，在混合动力汽车中电动－发电机系统一般被称之为起动发电机。发动机与起动发电机的动力耦合方式包括双轴皮带传动动力混合以及单轴扭矩叠加动力混合。在双轴皮带传动动力混合方式中，起动发电机与发动机通过皮带传动实现双轴并联。发动机作为整车动力源，起动发电机能够实现发动机快速启动。因此，汽车在运行过程中遇到各种需要短时停车的情况，发动机可以关闭，关闭期间的油耗、废气、噪声都可以降至最低；而需要再度起动时，起动发电机系统使发动机由停机至达到怠速以上的起动期间仅为数百毫秒；另外，在汽车减速制动过程中，起动发电机利用发动机输出的机械能实现对蓄电。双轴皮带传动动力混合受到皮带传动效率的制约，电动系统的功率比较低，而且性能存在不稳定，必将会逐渐被更先进的技术所替代。单轴扭矩叠加动力混合方式将发动机和电动系统的扭矩进行直接叠加，能够实现发动机和电动系统多种形式的工况复合。在初始起动时，电动系统为发动机提供初始转矩以便使发动机快速进入工作状态；在行车加速时，电动系统实现助力，弥补发动机扭矩不足；在减速制动过程中，电动系统实现能量回收，对蓄电池进行充电；在停车状态下关闭发动机，降低排放和油耗。单轴扭矩叠加动力混合方式是目前综合性能最完善的混合动力解决方案，具有广阔的发展空间。现有技术中，单轴扭矩叠加动力混合方式存在多种实现方式，图1是目前技术水平最为先进的混联方式，如图1所示，混合动力系统包括发动机、起动发电机、离合器、传动系统、电池以及综合控制单元。其中，起动发电机用于起动发动机，以及将发动机的输出转换为电能从而对电池充电；起动发电机和发动机在综合控制单元的协调下以不同的动力模式运行，包括完全使用电动输出动力进行行驶的电动模式，以发动机的输出作为主要动力并且以电动提供辅助动力的混动模式，以及在刹车和制动过程中通过起动发电机回收能量并向电池充电的再生模式等。其中发动机、起动发电机以及离合器同轴安装，通过单轴扭矩复合形成混合动力。在单轴扭矩叠加动力混合方式中，起动发电机直接集成在发动机的主轴上。一般采用盘式永磁体同步起动发电机。永磁体同步起动发电机包括携带永磁体的转子以及带有线圈绕组的定子；其中转子集成在发动机的主轴上，而定子一般固定于发动机壳体的配套支撑结构上。在起动过程中，通过定子的绕组励磁而驱动转子转动；而在发电过程中，转子的磁通作用于定子的绕组而实现发电。永磁体同步起动发电机体积和质量较小，能够提供大起动转矩，具有高发电效率，运行可靠性好。但是其主要缺陷是由于转子采用了永磁体，导致其产生的磁通量不可调节。而起动发电机在起动过程和发电过程二者当中所需的磁通量存在很大差异，前者的磁通量明显大于后者。因而为了满足起动过程的需要而设置的转子磁通量，在发电运行中就会因磁通量过高而产生过高的功率和电压输出。为了应对这一情况，现在技术中不得不采用能够工作于高压状态下的功率转换电路对起动发电机的输出进行调节。现有技术中的另一种解决方案是开发磁通量可调节的永磁体同步起动发电机，该解决方案是在永磁体转子产生的磁通量之上叠加由转子的线圈绕组产生的可调节磁通量，从而在起动过程和发电过程中应用不同的磁通量，然而这一解决方案使转子构造复杂度明显提高，转子设计加工中需要考虑的影响因素过多，同样增加了设备的成本，而且降低了能量效率。
技术实现思路
根据现有技术中的上述缺陷，本专利技术提供了一种起动发电机改进结构。本专利技术所述的起动发电机采用了非永磁体和无绕组的转子结构以及多相绕组的定子结构，基于控制器对各相绕组的同步精确开关控制实现具有电动模式和发电模式的起动发电机，可实现初始起动、稳定助力状态以及发电等多种工作状态。由于采用了电动模式和发电模式均全程分段可调节的绕组控制技术，能够有效控制两种工作模式下的输出功率，有效解决了现有技术当中起动过程和发电过程功率不匹配的难题。本专利技术所述的起动发电机改进结构，其特征在于，包括：主电机、功率变换器、传感模组、控制器；所述主电机包括定子和转子，二者均为非永磁体的凸极结构；所述定子包括多相绕组，其中每一相绕组由在定子的径向相对的凸极之上的一对绕组线圈构成；所述功率变换器为定子上的每一相中的两个绕组分别提供一个由主开关管和续流二级管构成的开关电路；所述传感模组用于检测多类型的状态参数；所述控制器用于基于所述状态参数，控制起动发电机多个工作状态之间的切换，以及在每个工作状态下通过对功率变换器中各个主开关管接通和断开的状态的控制，决定各相绕组的运行状态以及执行保护控制；其中，所述起动发电机的多个工作状态包括初始起动状态、稳定助力状态以及发电状态，所述控制器依据传感模组提供的发动机转速参量、蓄电池系统状态参量以及油门状态参量，确定起动发电机的当前工作状态；并且，所述控制器在当前工作状态下确定控制功率变换器中各个主开关管的状态的控制方式。优选的是，所述控制器判断转子转速是否达到预定的发动机怠速转速，如果未达到则确定当前工作状态为初始起动状态；如果转子转速达到预定的发动机怠速转速，所述控制器基于蓄电池系统状态参量，判断蓄电池系统处于允许助力范围还是允许发电范围；在所述允许助力范围，控制器根据所述油门状态参量判断是否处于油门到底，在处于油门到底状态下控制起动发电切入稳定助力状态，否则保持停机等待模式；在所述允许发电范围，控制器根据所述油门状态参量判断是否处于油门到底，在非处于油门到底状态下控制起动发电机进入发电状态，在处于油门到底状态下控制起动发电机进入停机等待模式。优选的是，所述控制器根据开通角、关断角和电流斩波阈值控制功率变换器中各个主开关管的状态，所述定子的任一相绕组相对于转子轴线的角度在开通角和关断角之间，控制器控制功率变换器中与该相绕组对应的主开关管导通；并且控制器根据相电流或是否达到电流斩波阈值，控制功率变换器中与该相绕组对应的主开关管导通和断开。优选的是，在所述初始起动状态下，所述控制器确定所述控制方式为电流斩波控制方式；在电流斩波控制方式中，在转子轴线的角度在开通角和关断角之间时，控制器判断相电流是否大于或等于相电流斩波阈值，当相电流处于大于或等于相电流斩波阈值的状态下时，则控制器控制关断功率变换器中与该相绕组对应的主开关管。优选的是，在稳定助力状态下，所述控制器根据转子的转速，确定所述控制方式在电流斩波控制方式和角度位置控制方式之间切换；当转子的转速低于电动控制方式切换阈值本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种起动发电机的工作方法，其特征在于，所述起动发电机包括：主电机、功率变换器、传感模组、控制器；所述主电机包括定子和转子，二者均为非永磁体的凸极结构；所述定子包括多相绕组，其中每一相绕组由在定子的径向相对的凸极之上的一对绕组线圈构成；所述功率变换器为定子上的每一相中的两个绕组分别提供一个由主开关管和续流二级管构成的开关电路；所述传感模组用于检测多类型的状态参数；所述控制器用于基于所述状态参数，控制起动发电机多个工作状态之间的切换，以及在每个工作状态下通过对功率变换器中各个主开关管接通和断开的状态的控制，决定各相绕组的运行状态以及执行保护控制；其中，所述起动发电机的多个工作状态包括初始起动状态、稳定助力状态以及发电状态，所述控制器依据传感模组提供的发动机转速参量、蓄电池系统状态参量以及油门状态参量，确定起动发电机的当前工作状态；并且，所述控制器在当前工作状态下确定控制功率变换器中各个主开关管的状态的控制方式;所述的工作方法，包括：所述控制器判断转子转速是否达到预定的发动机怠速转速，如果未达到则确定当前工作状态为初始起动状态；如果转子转速达到预定的发动机怠速转速，所述控制器基于蓄电池系统状态参量，判断蓄电池系统处于允许助力范围还是允许发电范围；在所述允许助力范围，控制器根据所述油门状态参量判断是否处于油门到底，在处于油门到底状态下控制起动发电切入稳定助力状态，否则保持停机等待模式；在所述允许发电范围，控制器根据所述油门状态参量判断是否处于油门到底，在非处于油门到底状态下控制起动发电机进入发电状态，在处于油门到底状态下控制起动发电机进入停机等待模式；所述控制器根据开通角、关断角和电流斩波阈值控制功率变换器中各个主开关管的状态，所述定子的任一相绕组相对于转子轴线的角度在开通角和关断角之间，控制器控制功率变换器中与该相绕组对应的主开关管导通；并且控制器根据相电流或是否达到电流斩波阈值，控制功率变换器中与该相绕组对应的主开关管导通和断开；在发电模式下，所述控制器根据转子转速，确定所述控制方式在电流斩波与角度控制复合控制方式以及角度位置控制方式之间切换；当转子的转速低于发电控制方式切换阈值时，控制器确定采用电流斩波与角度控制复合控制方式；在电流斩波与角度控制复合控制方式中，控制器根据转速和输出电压调整所述开通角和关断角，并且控制器判断励磁电流是否大于或等于励磁电流斩波阈值；当励磁电流处于大于或等于励磁电流斩波阈值的状态下时，则控制器控制关断功率变换器中与该相绕组对应的主开关管；当转子的转速高于发电控制方式切换阈值时，控制器确定采用角度位置控制方式；在所述角度位置控制方式中，控制器根据输出功率选取固定的最优化关断角，并且根据转速和输出功率调整开通角。...

【技术特征摘要】
1.一种起动发电机的工作方法，其特征在于，所述起动发电机包括：主电机、功率变换器、传感模组、控制器；所述主电机包括定子和转子，二者均为非永磁体的凸极结构；所述定子包括多相绕组，其中每一相绕组由在定子的径向相对的凸极之上的一对绕组线圈构成；所述功率变换器为定子上的每一相中的两个绕组分别提供一个由主开关管和续流二级管构成的开关电路；所述传感模组用于检测多类型的状态参数；所述控制器用于基于所述状态参数，控制起动发电机多个工作状态之间的切换，以及在每个工作状态下通过对功率变换器中各个主开关管接通和断开的状态的控制，决定各相绕组的运行状态以及执行保护控制；其中，所述起动发电机的多个工作状态包括初始起动状态、稳定助力状态以及发电状态，所述控制器依据传感模组提供的发动机转速参量、蓄电池系统状态参量以及油门状态参量，确定起动发电机的当前工作状态；并且，所述控制器在当前工作状态下确定控制功率变换器中各个主开关管的状态的控制方式;所述的工作方法，包括：所述控制器判断转子转速是否达到预定的发动机怠速转速，如果未达到则确定当前工作状态为初始起动状态；如果转子转速达到预定的发动机怠速转速，所述控制器基于蓄电池系统状态参量，判断蓄电池系统处于允许助力范围还是允许发电范围；在所述允许助力范围，控制器根据所述油门状态参量判断是否处于油门到底，在处于油门...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈国栋，
申请(专利权)人：陈国栋，
类型：发明
国别省市：江苏,32