一种多电机合成驱动系统技术方案

一种多电机合成驱动系统，主要包括ｎ组电机驱动单元（ｎ≥２）、动力合成装置［４］、直流能量源［１］、输出轴［５］和系统管理控制单元［７］，每组电机驱动单元由逆变单元［２］与交流电动机［３］组成，逆变单元［Ｃ１、Ｃ２、……Ｃｎ］一一对应电动机［Ｍ１、Ｍ２……Ｍｎ］，组成ｎ组单电机驱动单元（ｎ≥２），ｎ组单电机驱动单元组合构成多电机驱动系统，动力合成装置［４］采用多输入单输出的齿轮结构，合成ｎ组电机驱动单元输出动力，然后输出；系统管理控制单元［７］根据实际工况动态分配各组电机驱动单元的工作模式和转矩，当系统管理控制单元［７］中的安全控制模块检测到电机驱动单元故障后，将发出故障报警，系统管理控制单元根据实际工况动态重新分配各组正常电机驱动单元的工作模式和转矩。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于交流电机驱动系统，特别涉及电动汽车的多电机合成驱动系统。
技术介绍
电动汽车是指以车载电源为动力，全部或部分应用电机驱动车轮行驶且符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于其在行驶过程中有效降低有害气体排放，因而受到各国政府和汽车制造厂商的日益重视。根据所使用的动力源不同，电动汽车大致可分为蓄电池电动汽车或纯电动汽车(BEV)、混合动力电动汽车(HEV)和以氢气为能源的燃料电池电动汽车(FCEV)。电动汽车技术涉及到很多学科，内容广泛而且复杂，电机驱动技术是其核心技术之一。电机驱动技术是一门比较复杂的交叉技术，包括电机技术，电力电子技术，控制理论，DSP技术以及计算机控制与仿真几个方面。电机驱动系统作为动力系统核心，与电动汽车性能息息相关。随着电机调速技术的日趋成熟和电力电子技术的飞速发展，交流电机驱动系统在现代电动汽车上扮演着越来越重要的角色，电动汽车也对电机驱动系统提出了更高的要求(1)可靠性高，适应于车辆的各种恶劣工况；(2)在较宽的速度和转矩工作范围内具有较高的效率；(3)较大功率；(4)合理的价格。图1为常规的交流电机驱动系统示意图，逆变器2将直流能量源1提供的直流电变换成变频变压的交流电以驱动交流电动机3，交流电动机3将电能转化为机械能，将动力通过输出轴4输出。若逆变器2或驱动电机3出现问题(逆变单元故障通常是桥臂断路，驱动电机故障通常是绕组断路)，则电机驱动单元无法正常工作，整个电动车驱动系统将陷入瘫痪状态，车辆无法正常行驶。因此，整车动力系统的可靠性由电机驱动单元的逆变单元和电机的可靠性来保障，一旦任一子环节出现故障，则车辆无法继续运行。提高驱动系统可靠性的一种方法是采用多相电机技术，在系统故障时，多相电机系统可以运用缺相控制技术继续运行。但多相电机系统的控制相对复杂，对空间要求高，且成本较高，更适用于具有较高功率等级、具有较大安装空间的场合，难以在功率等级不高、安装空间较小的电动汽车驱动领域加以应用。另一种提高驱动系统可靠性的方法是采用系统备份。其原理是电动汽车采用k(k＞＝2)组相互独立的逆变器及交流电机，当某组逆变器或交流电机故障时，正常逆变器可以驱动与其相连接的电机工作，使车辆运行。这种方法一方面造成驱动系统体积与重量的增加，在车辆狭窄空间情况下安装比较困难；另一方面，由于大多数情况下只有单组逆变器及交流电机工作，备份系统处于闲置状态，造成了资源的浪费，降低了整个系统的经济性。目前大多以上两种方法提高驱动系统可靠性，以增加制造成本和加大安装空间为代价。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有多相电机技术控制复杂，对空间要求高，成本较高以及系统备份的安装困难的缺点，提出一种结构简单、体积较小且控制简便的多电机合成驱动系统，以提高电动汽车的可靠性。本专利技术在提高驱动系统可靠性的同时具有很好的经济性和宽范围的高效性，可满足电动汽车系统功率需求越来越高，制造成本和空间体积有限，但对可靠性要求极高的需求。本专利技术采用以下技术方案本专利技术提出的多电机合成驱动系统采用多组电机驱动单元合成方式，主要由系统管理控制单元、多组单电机驱动单元、动力合成装置、通讯总线、直流能量源、输出轴以及冷却系统和转速传感器组成。单电机驱动单元由逆变单元与交流电动机构成，多组单电机驱动单元组合构成多电机驱动系统。单电机驱动单元的输入端通过动力电缆与直流能量源连接，各个单元可以独立地从直流能量源获得能量，其输出端与动力合成装置的输入部分通过内外花键机械连接。系统管理控制单元为系统的核心，通过CAN或者其他类型的总线与直流能量源、单电机驱动单元进行通讯，向它们发送控制命令或者接收它们的工作状态信息。本专利技术在传统的电机驱动系统基础上，采用多组电机驱动单元合成方式来取代传统的驱动单元，采用动力合成装置将多组电机驱动单元的输出转矩进行合成后再输出给电动汽车的传动轴，各组电机驱动单元的工作模式和转矩由系统管理控制单元的动力分配模块按照效率最优算法并结合实际工况实时调整；当安全控制模块检测到一组或多组电机驱动单元发生故障时，动力分配模块重新按照效率最优算法并结合实际工况实时调整其他各组电机驱动单元的工作模式和转矩，从而在保证多电机合成驱动系统在提高系统可靠性的同时，在较宽的速度和转矩工作范围内实现较高的效率。本专利技术将整个驱动系统的功率合理的分配到n组电机驱动单元中，从而减小了单组电机驱动单元中电动机和逆变单元的工作电流，降低了功率元器件的成本和选择难度(功率器件的价格随工作电流的增大呈几何倍数增长)，从而减小了驱动系统的整体设计难度，提高了系统的经济性；同时并未显著增加系统体积、重量和控制难度。附图说明下面结合附图和具体实施方式进一步说明本专利技术。图1为普通交流驱动系统结构示意图；图2为本专利技术的多电机合成驱动系统结构示意图；图3为包含逆变单元和电动机的单组电机驱动单元示意图；图4为动力合成装置结构示意图；图5为三组电机驱动单元合成的高性能驱动系统具体实施方式示意图；图6为图5中三输入单输出动力合成装置结构示意图；图7为图5中逆变单元C1出现故障情况示意图；图8为图5中逆变单元C1和电动机M3出现故障情况示意图。具体实施例方式图2所示为本专利技术多电机合成驱动系统的结构图。将逆变单元Cn与交流电动机Mn定义为单电机驱动单元(n＝1、2、……，n≥2)。如图2所示，本专利技术主要由系统管理控制单元、多组单电机驱动单元、动力合成装置、通讯总线、直流能量源、输出轴以及冷却系统和转速传感器组成。多电机驱动系统的冷却可以采用风冷或者水冷方案，相应的对应风冷电动机和水冷电动机采用水冷方案时，逆变器单元散热器的水路与水冷电动机的散热水路串连组成闭合回路，冷却液在整个回路中流动，及时带走逆变器单元和电动机工作过程中产生的热量；采用风冷方案时，逆变器单元和电动机采用两套独立的散热风扇，散热风扇向逆变器单元散热器和风冷电动机的散热套吹风，及时带走热量。转速传感器主要获得电动机的实时转速，并实时反馈给系统管理控制单元以实现对电动机的闭环控制。转速传感器可以采用光电编码器或者旋转变压器等器件，与电动机同轴连接，转速传感器的输出信号通过电缆反馈给系统管理控制单元。图2中的线段状虚线框中为电机驱动单元，中小功率系统一般由三相交流逆变单元2和三相交流电动机3构成。本专利技术多电机合成驱动系统的电机驱动单元由多组单电机驱动单元组成，每组单电机驱动单元由逆变单元与交流电动机构成，逆变单元C1、C2、……Cn一一对应电动机M1、M2……Mn，组成n组单电机驱动单元，n组单电机驱动单元组合构成本专利技术多电机驱动系统。单电机驱动单元的输入端通过动力电缆与直流能量源连接，各个单电机驱动单元可以独立地从直流能量源获得能量，其输出端与动力合成装置的输入部分通过内外花键机械连接。系统管理控制单元为本专利技术多电机合成驱动系统的核心，其硬件基于单片机或者数字信号处理器(DSP)，通过软件编程实现安全控制模块和动力分配模块的功能，通过CAN或者其他类型的总线与直流能量源、单电机驱动单元进行通讯，向它们发送控制命令或者接收它们的工作状态信息。单组电机驱动单元结构如图3所示。图3虚线框部分为逆变单元，逆变单元可由IGBT等开关器件Sa、Sa′、Sb、Sb′、Sc搭建，其中交流电机部分的A、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多电机合成驱动系统，主要包括电机驱动单元、通讯总线、直流能量源［１］、输出轴［５］、以及冷却系统和转速传感器，其特征在于还包括动力合成装置［４］和系统管理控制单元［７］；每组电机驱动单元由逆变单元［２］与交流电动机［３］组成，逆变单元［Ｃ１、Ｃ２、……Ｃｎ］一一对应电动机［Ｍ１、Ｍ２……Ｍｎ］，组成ｎ组单电机驱动单元（ｎ≥２），ｎ组单电机驱动单元组合构成多电机驱动系统；动力合成装置［４］采用多输入单输出的齿轮结构，合成ｎ组电机驱动单元输出动力然后输出；系统管理控制单元［７］具有安全控制模块和动力分配模块的功能，通过总线与直流能量源［１］、单电机驱动单元通讯，根据实际工况动态分配各组电机驱动单元的工作模式和转矩；当系统管理控制单元［７］中的安全控制模块检测到电机驱动单元故障后，将发出故障报警，系统管理控制单元［７］根据实际工况动态重新分配各组正常电机驱动单元的工作模式和转矩；按照权利要求１所述的多电机合成驱动系统，其特征在于系统处于轻载工况时，系统管理控制单元［７］的动力分配模块分配Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３中某一组电机驱动单元投入运行，动力合成装置中的齿轮Ｇ１作为动力输入齿轮，整个系统由电机驱动单元Ｕ１驱动；系统处于中等负载工况时，系统管理控制单元［７］的动力分配模块指令另外一组电机驱动单元投入运行，动力合成装置中的齿轮Ｇ１、Ｇ２同时作为动力输入齿轮，整个系统由电机驱动单元Ｕ１、Ｕ２共同驱动；系统处于重载工况时，动力分配模块指令三组电机驱动单元同时投入运行，动力合成装置中的齿轮Ｇ１、Ｇ２和Ｇ３同时作为动力输入轮，整个系统由电机驱动单元Ｕ１、Ｕ２和Ｕ３共同驱动。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘钧，张剑，华旸，温旭辉，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11[]