直流电动驱动装置以及电动设备制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种直流电动驱动装置以及电动设备。本发明专利技术提供的直流电动驱动装置，设置在电动设备中，用于驱动电动设备，包括：直流电机；直流电源；指令发送部；输出传感器；控制器；驱动器；斩波器，具有这样的特征：其中，直流电机具有2j个相互独立并且由m个绕组组成的电枢绕组支路、与绕组连接的2j×m个换向片、与换向片相接触的2j个相互独立的电刷，斩波器具有2j个与电刷一一对应的桥臂单元，直流电源包含2j个相互独立的电源单元，每个电源单元与一个桥臂单元、一个电刷一一对应连接，并对与该电刷连接的电枢绕组支路进行供电，j和m均为不小于2的正整数。

【技术实现步骤摘要】
直流电动驱动装置以及电动设备
本专利技术属于直流电机领域，特别涉及一种直流电动驱动装置以及包含该直流电动驱动装置的电动设备。
技术介绍
随着各大城市雾霾天数和持续时间的增加，国家对燃油设备的尾气排放管理越来越严格；另外，在封闭的室内工作环境中，燃油设备是禁止使用的；此外，石油这种能源是不可再生的，几十年后将面临枯竭。因此，将电作为能源的电动设备如电动汽车、电动叉车等电动设备越来越受到生产商和消费者的青睐。它不但污染小、可以通过可再生能源提供电能，而且与燃油设备相比，它还具有能源利用率高、结构简单、噪声小、动态性能好和便携性高等优点。在石油资源越来越紧张的形势下，大力发展电驱动装置，特别是大功率电驱动装置如电动战车、电动军舰、电动飞行器和电驱动航空母舰等等，对于国防安全具有深远的意义。由于交流电机，特别是异步电机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜的优点，得到了广泛的应用，但是，它存在启动转矩小、启动电流很大、调速平滑性差、振动和噪声大以及控制算法复杂等缺点。即使采用最好的控制算法，交流电机中高次谐波的影响依然很大，在启动、制动、调速和低速时的性能都劣于直流电机。因此，对电动设备的性能要求很高的场合，例如家用变频空调、升降客梯、电动汽车等等，依然青睐于安装直流电动驱动装置。在电池供电的电动设备如电动汽车中，电池是核心部件之一。由于目前电池制造技术水平的限制，一个电池单体在容量、电压和性能上还是不能满足电动设备的实际要求，为了满足该类电动设备高能量动力电源的要求，一般都将多个电池单体采用串并联结合的方式成组使用，以满足负载较大的功率需求。通过多个电池单体的并联增加电池组的输出电流，通过多个电池单体的串联增加电池组的输出电压。在电动汽车行业，纯电动乘用车的电池储能系统一般具有96～110节容量约为45～80Ah的锂离子电池单体；纯电动大巴的电池储能系统一般具有150～200节容量约为200～400Ah的锂离子电池单体。矿用电机车基本上都是由几组电池组并联来供电的，每组电池组又是由数十节电池单体串联成组的。国内电动汽车车载电池大多采用多个电池单体先并联再串联的连接方式。根据国家标准的要求，人体的安全电压是50伏，根据电动设备安全性能的要求，一般优先选用国家标准的电压等级48、36、24、12伏。而电动汽车装备的电机功率一般都是十千瓦级的，如果采用单个直流电机的话，每一相的额定电流都是几百到几千安培，启动和上坡时的电流更大。如图2所示，由于电机的工作电流很大，大容量串并联电池组的输出电流也相应很大，一般为几百到几千安培。串并联电池组与斩波器之间的连接线、连接线与电池组的连接件、连接线与斩波器的连接件，都将由于流过大电流而导致发热严重。这对连接线的电阻和绝缘性能、连接件的接触电阻和绝缘保护都提出了较高的要求。同时，这也增加了生产成本，降低了系统的可靠性和安全性。电池单体数量相同的情况下，串并联电池组的整体性能小于多个电池单体的性能总和。多个电池单体成组后，电池组的能量密度、功率、性能、耐久性和安全性都会有一定程度的下降。而这种情况的产生是由于电池受到了制造工艺、电池老化和环境温度等因素的影响，造成电池内阻、电压、容量等参数的不一致。相同规格和型号的电池在相同运行环境下性能参数存在差异的现象称为电池的不一致性。对于电池组系统来说，不一致性是客观存在的，而且在电池组的充放电循环过程中，电池单体的充放电深度各不相同，电池组的最大性能的发挥往往被性能最差的电池单体所限制，造成电池组整体容量无法全部发挥。这也导致部分电池单体过充电或者过放电，加剧整个电池组的性能劣化，严重时可能导致电池的爆炸或燃烧等安全事故。在电池组中，电池单体的电压不一致性会对电池组造成较大的影响，影响到电池组的容量、性能、寿命和安全等多个方面。特别是，若干个电压不一致的电池并联组成电池组后，非常容易出现电压高的电池向电压低的电池充电，形成电池组内部环流，造成电池组电量无意义地浪费，最终影响电池充放电效率。电池并联的电池均衡问题对电池组的性能起着决定性作用，且直接影响到电动设备的整体性能。并联电池组电流不平衡受多方面因素影响，例如电池容量、开路电压、内阻、初始、极化等。当电池一致性较好时，并联连接方式对电池组的容量保持率没有太大的影响，但是当电池组中出现短板电池或者将不匹配的电池并联在一起时，参数不一致问题导致了电流不平衡，电流不平衡又会进一步导致使用条件的不一致，进而使电池组的循环性能变差。特别是，并联电池数量的增加会加剧短板电池的影响。电池组中某个电池单体意外的寿命终结往往导致整体功能失效。在电池使用过程中，采用电池管理系统对电池单体进行实时在线监测，分析判断并试图消除或控制电池不一致性的方法称为电池均衡技术。但是，电池管理系统并不具备并联管理能力，难以对并联间各电池单体的能量流动进行管理。另外，并联电池数量越多，管理的难度越大。综上所述，作为电动设备核心部件之一的电池组中的电池均衡问题已经严重影响了大功率电动设备的续航和性能，进而影响了包括电动车、电动船、电动飞行器，乃至于国防上的电动战车、电动军舰、电动飞行器和电驱动航空母舰的发展。
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种直流电动驱动装置以及包含该直流电动驱动装置的电动设备。<结构一>本专利技术提供了一种直流电动驱动装置，设置在电动设备中，用于驱动电动设备，包括：直流电机，具有额定电压以及额定电流；直流电源，具有与额定电压相对应的恒定电压的电源，用于提供与额定电流相对应的直流电；指令发送部，发送与直流电机输出的转速或转矩的值相对应的指令信号；输出传感器，检测直流电机输出的转速或转矩，并发送对应的输出反馈信号；控制器，根据指令信号和输出反馈信号计算并输出运行控制信号以及电机控制信号；驱动器，在运行控制信号作用下进入工作状态或停止状态，在工作状态下根据电机控制信号产生驱动信号；斩波器，在驱动信号的作用下将直流电转换为电压可控的直流电并提供给直流电机，具有这样的特征：其中，直流电机具有2j个相互独立并且由m个绕组组成的电枢绕组支路、与绕组连接的2j×m个换向片、与换向片相接触的2j个相互独立的电刷，斩波器具有2j个与电刷一一对应的桥臂单元，直流电源包含2j个相互独立的电源单元，每个电源单元与一个桥臂单元、一个电刷一一对应连接，并对与该电刷连接的电枢绕组支路进行供电，j和m均为不小于2的正整数。在本专利技术提供的直流电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，斩波器为双极式斩波器或单极式斩波器，当斩波器为桥式的双极式斩波器时，2j个相互独立的电刷根据对应的直流电机的主磁极极性均分成两组电刷组，斩波器具有与两组电刷组分别相对应的2个桥臂部，每个桥臂部包含与j个电刷一一对应的桥臂单元，每个桥臂单元含有一个斩波桥臂以及与该斩波桥臂反向并联连接的续流二极管，向对应的电刷提供线电流，斩波桥臂包含了两个串联连接的功率开关管，每个功率开关管与一个续流二极管反向并联连接，j为不小于2的正整数。在本专利技术提供的直流电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，当电刷的引出线的额定电流为I1，直流电机的额定电流为IN时，电枢绕组支路的个数2j满足下述条件：j＞IN÷I1，j为不小于2的正整数。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流电动驱动装置，设置在电动设备中，用于驱动所述电动设备，包括：直流电机，具有额定电压以及额定电流；直流电源，具有与所述额定电压相对应的恒定电压的电源，用于提供与所述额定电流相对应的直流电；指令发送部，发送与所述直流电机输出的转速或转矩的值相对应的指令信号；输出传感器，检测所述直流电机输出的转速或转矩，并发送对应的输出反馈信号；控制器，根据所述指令信号和所述输出反馈信号计算并输出运行控制信号以及电机控制信号；驱动器，在所述运行控制信号作用下进入工作状态或停止状态，在工作状态下根据所述电机控制信号产生驱动信号；斩波器，在所述驱动信号的作用下将所述直流电转换为电压可控的直流电并提供给所述直流电机，其特征在于：其中，所述直流电机具有2j个相互独立并且由m个绕组组成的电枢绕组支路、与所述绕组连接的2j×m个换向片、与所述换向片相接触的2j个相互独立的电刷，所述斩波器具有2j个与所述电刷一一对应的桥臂单元，所述直流电源包含2j个相互独立的电源单元，每个所述电源单元与一个所述桥臂单元、一个所述电刷一一对应连接，并对与该电刷连接的所述电枢绕组支路进行供电，所述j和所述m均为不小于2的正整数。

【技术特征摘要】
1.一种直流电动驱动装置，设置在电动设备中，用于驱动所述电动设备，包括：直流电机，具有额定电压以及额定电流；直流电源，具有与所述额定电压相对应的恒定电压的电源，用于提供与所述额定电流相对应的直流电；指令发送部，发送与所述直流电机输出的转速或转矩的值相对应的指令信号；输出传感器，检测所述直流电机输出的转速或转矩，并发送对应的输出反馈信号；控制器，根据所述指令信号和所述输出反馈信号计算并输出运行控制信号以及电机控制信号；驱动器，在所述运行控制信号作用下进入工作状态或停止状态，在工作状态下根据所述电机控制信号产生驱动信号；斩波器，在所述驱动信号的作用下将所述直流电转换为电压可控的直流电并提供给所述直流电机，其特征在于：其中，所述直流电机具有2j个相互独立并且由m个绕组组成的电枢绕组支路、与所述绕组连接的2j×m个换向片、与所述换向片相接触的2j个相互独立的电刷，所述斩波器具有2j个与所述电刷一一对应的桥臂单元，所述直流电源包含2j个相互独立的电源单元，每个所述电源单元与一个所述桥臂单元、一个所述电刷一一对应连接，并对与该电刷连接的所述电枢绕组支路进行供电，所述j和所述m均为不小于2的正整数。2.根据权利要求1所述的直流电动驱动装置，其特征在于：其中，所述斩波器为双极式斩波器或单极式斩波器，当所述斩波器为桥式的双极式斩波器时，2j个相互独立的所述电刷根据对应的所述直流电机的主磁极极性均分成两组电刷组，所述斩波器具有与所述两组电刷组分别相对应的2个桥臂部，每个桥臂部包含与j个所述电刷一一对应的桥臂单元，每个所述桥臂...

【专利技术属性】
技术研发人员：金爱娟，李少龙，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31