直流電動驅動裝置以及電動設備的制作方法

本發明屬于直流電機領域，特別涉及一種直流電動驅動裝置以及包含該直流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，幾十年后將面臨枯竭。因此，將電作為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產商和消費者的青睞。它不但污染小、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。

由于交流電機，特別是異步電機結構簡單、運行可靠、重量輕、價格便宜的優點，得到了廣泛的應用，但是，它存在啟動轉矩小、啟動電流很大、調速平滑性差、振動和噪聲大以及控制算法復雜等缺點。即使采用最好的控制算法，交流電機中高次諧波的影響依然很大，在啟動、制動、調速和低速時的性能都劣于直流電機。因此，對電動設備的性能要求很高的場合，例如家用變頻空調、升降客梯、電動汽車等等，依然青睞于安裝直流電動驅動裝置。

在電池供電的電動設備如電動汽車中，電池是核心部件之一。由于目前電池制造技術水平的限制，一個電池單體在容量、電壓和性能上還是不能滿足電動設備的實際要求，為了滿足該類電動設備高能量動力電源的要求，一般都將多個電池單體采用串并聯結合的方式成組使用，以滿足負載較大的功率需求。通過多個電池單體的并聯增加電池組的輸出電流，通過多個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節容量約為45～80ah的鋰離子電池單體；純電動大巴的電池儲能系統一般具有150～200節容量約為200～400ah的鋰離子電池單體。礦用電機車基本上都是由幾組電池組并聯來供電的，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多個電池單體先并聯再串聯的連接方式。

根據國家標準的要求，人體的安全電壓是50伏，根據電動設備安全性能的要求，一般優先選用國家標準的電壓等級48、36、24、12伏。而電動汽車裝備的電機功率一般都是十千瓦級的，如果采用單個直流電機的話，每一相的額定電流都是幾百到幾千安培，啟動和上坡時的電流更大。

如圖2所示，由于電機的工作電流很大，大容量串并聯電池組的輸出電流也相應很大，一般為幾百到幾千安培。串并聯電池組與斬波器之間的連接線、連接線與電池組的連接件、連接線與斬波器的連接件，都將由于流過大電流而導致發熱嚴重。這對連接線的電阻和絕緣性能、連接件的接觸電阻和絕緣保護都提出了較高的要求。同時，這也增加了生產成本，降低了系統的可靠性和安全性。

電池單體數量相同的情況下，串并聯電池組的整體性能小于多個電池單體的性能總和。多個電池單體成組后，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。而這種情況的產生是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為電池的不一致性。對于電池組系統來說，不一致性是客觀存在的，而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，電池組的最大性能的發揮往往被性能最差的電池單體所限制，造成電池組整體容量無法全部發揮。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，若干個電壓不一致的電池并聯組成電池組后，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。

電池并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。并聯電池組電流不平衡受多方面因素影響，例如電池容量、開路電壓、內阻、初始、極化等。當電池一致性較好時，并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并聯在一起時，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，并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，分析判斷并試圖消除或控制電池不一致性的方法稱為電池均衡技術。但是，電池管理系統并不具備并聯管理能力，難以對并聯間各電池單體的能量流動進行管理。另外，并聯電池數量越多，管理的難度越大。

綜上，作為電動設備核心部件之一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：

本發明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種直流電動驅動裝置以及包含該直流電動驅動裝置的電動設備。

<結構一>

本發明提供了一種直流電動驅動裝置，設置在電動設備中，用于驅動電動設備，包括：直流電機，具有額定電壓以及額定電流；直流電源，具有與額定電壓相對應的電壓，用于提供與額定電流相對應的直流電；指令發送部，發送與直流電機輸出的轉速或轉矩的值相對應的指令信號；輸出傳感器，檢測直流電機輸出的轉速或轉矩，并發送對應的輸出反饋信號；控制器，根據指令信號和輸出反饋信號計算并輸出運行控制信號以及電機控制信號；驅動器，在運行控制信號作用下進入工作狀態或停止狀態，在工作狀態下根據電機控制信號產生驅動信號；斬波器，在驅動信號的作用下將直流電轉換為電壓可控的直流電并提供給直流電機，其特征在于：其中，直流電機具有2j個相互獨立并且由m個繞組組成的電樞繞組支路、與繞組連接的2j×m個換向片、與斬波器相連接并且與換向片相接觸的2j個相互獨立的電刷，斬波器為單管斬波器，斬波器具有j個相互獨立的斬波單元，直流電源包含j個相互獨立的電源單元，每個電源單元與一個斬波單元、一個電刷一一對應連接，并對與該電刷連接的電樞繞組支路進行供電，j和m均為不小于2的正整數。

在本發明提供的直流電動驅動裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，單管斬波器為降壓斬波器、升壓斬波器或者升降壓斬波器，當單管斬波器為降壓斬波器時，每個斬波單元含有一個功率開關管以及與該功率開關管反向串聯連接的二極管，向對應的電刷提供線電流。

在本發明提供的直流電動驅動裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，當電刷的引出線的額定電流為i1，直流電機的額定電流為in時，電樞繞組支路的個數2j滿足下述條件：j＞in÷i1，j為不小于2的正整數。

在本發明提供的直流電動驅動裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，電樞繞組的連接方式是疊繞組，主磁極的勵磁方式是永磁、他勵、串勵、并勵或復勵。

在本發明提供的直流電動驅動裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，電源單元為電池組或交流電源經整流濾波后得到的整流電源，電池組是由至少一個電池單體構成的。

在本發明提供的直流電動驅動裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，斬波器是由至少一個智能功率模塊構成的或是包含了多個功率開關管，功率開關管為電力場效應晶體管、門極可關斷晶閘管、集成門極換流晶閘管、絕緣柵雙極型晶體管、電力雙極型晶體管和門極換流晶閘管中的任意一種。

在本發明提供的直流電動驅動裝置中，還可以具有這樣的特征，還包括：電流傳感器，其中，電流傳感器檢測電刷的引出線的線電流值，并發送對應的電流反饋信號，控制器根據指令信號、電流反饋信號和輸出反饋信號計算并輸出運行控制信號以及電機控制信號。

<結構二>

進一步，本發明還提供了一種含有上述直流電動驅動裝置的電動設備。

發明的作用與效果

根據本發明提供的直流電動驅動裝置以及電動設備，由于直流電機具有2j個相互獨立并且由m個繞組組成的電樞繞組支路、與繞組連接的2j×m個換向片、與斬波器相連接并且與換向片相接觸的2j個相互獨立的電刷，斬波器為單管斬波器，斬波器具有j個相互獨立的斬波單元，直流電源包含j個相互獨立的電源單元，每個電源單元與一個斬波單元、一個電刷一一對應連接，并對與該電刷連接的電樞繞組支路進行供電，所以每個電源單元的輸出電流相對于直流電源總電流來說較小，電源單元與斬波器之間的連接線、連接線與電源單元的連接件、連接線與斬波器的連接件，對接觸電阻和絕緣的要求較低，不但降低了生產的難度和成本，還有助于提高系統的可靠性和安全性。

每個斬波單元的輸出電流是相互獨立、互不干擾的，斬波器的輸出電流是所有斬波單元的輸出電流的線性疊加，所以斬波器的電流可以通過增加斬波單元的個數而線性增加，不僅保留了原來斬波電路的成熟控制算法和直流電機的成熟制造技術，無需考慮在并聯均流技術中對功率開關管性能一致性的要求，避免了從大量的功率開關管中精挑細選一致性高的開關元件所帶來的大量人力和財力的耗費。

此外，本發明的直流電動驅動裝置能夠打破國外對于大電流驅動裝置的壟斷和封鎖，使得該直流電動驅動裝置不僅能夠取代污染大、啟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、電動軍艦和電驅動航空母艦上，實現了低壓大電流的直流電動驅動裝置的國產化。而且與交流電機驅動裝置相比較，系統性能更加優越。

另外，在不需要回饋制動工作回路的環境下，本發明使用的單管斬波器相對于半橋和全橋斬波器具有更簡潔的電路，更少的器件，更高的可靠性和更低的成本等優點。

因此，本發明的直流電動驅動裝置以及電動設備具有結構設計簡單、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為本發明實施例的直流電動驅動裝置的電路結構示意圖；以及

圖2為現有技術中的大電流直流電動驅動裝置的電路結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，以下實施例結合附圖對本發明直流電動驅動裝置以及電動設備作具體闡述。

以下結合附圖來說明本發明的具體實施方式。

直流電動驅動裝置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是本實施例中的直流電動驅動裝置的電路結構示意圖。

如圖1所示，直流電動驅動裝置10包括直流電機11、直流電源12、指令發送部13、輸出傳感器14、控制器15、驅動器18以及斬波器19。

直流電機11具有額定電壓以及額定電流。直流電機11具有主磁極111和至少一個電樞112。在實施例中，直流電機具有一個電樞112。電樞112為直流電機的轉子。

主磁極111為直流電機11提供工作磁場。主磁極的勵磁方式是永磁、他勵、串勵、并勵或復勵。如果主磁極為他勵勵磁方式，則他勵的勵磁繞組為單獨供電和控制，與電樞繞組獨立。如果主磁極為并勵勵磁方式，則并勵的勵磁繞組由單獨的斬波器以及與直流電源12電壓相同的獨立直流電源和驅動電路18供電。在本實施例中，主磁極111采用串勵的勵磁方式。

電樞112包括2j個電樞繞組支路1121、2j×m個換向片(圖中未顯示)以及2組電刷組1122。

電樞繞組支路1121獨立安裝在電樞112上。電樞繞組支路1121是由m個纏繞在電樞上的繞組所組成的，m為2以上的正整數。電樞繞組支路1121中繞組的連接方式是疊繞組。在正常工作時，所有的電樞繞組支路的電流互不影響，相互獨立。

2組電刷組1122按照其空間位置所對應的主磁極111的極性不同分成兩組，且分別連接直流電機的兩組電源線，并且與換向器的換向片相接觸。每個電刷組包含j個相互獨立的電刷。2j個電刷均勻分布在直流電機的由換向片構成的換向器上，與直流電機主磁極的位置相對應，每個電刷至少可與一個換向片相接觸。其中的一組電刷沿電機的圓周方向均勻分布，另一組電刷的空間位置安裝在不同組相鄰的兩個電刷中間。在本實施例中，電刷采用窄電刷，其尺寸略小于換向片的尺寸。在本實施例中，每個電刷至少可與一個以上的換向片同時接觸。

直流電源12具有與額定電壓相對應的電壓，用于提供與額定電流相對應的直流電。直流電源12包含2j個相互獨立的電源單元121，每個電源單元與一個橋臂單元、一個電刷一一對應連接，并對與該電刷連接的兩條電樞繞組支路進行供電。電源單元121為電池組或交流電源經整流濾波后得到的整流源，在本實施例中，電源單元121選用電池組。

指令發送部13發送與直流電機11輸出的轉速或轉矩的值相對應的指令信號。

輸出傳感器14檢測直流電機11輸出的轉速或力矩并輸出相對應的輸出反饋信號。輸出反饋信號被控制器15接收。

電流傳感器20檢測直流電機11的電刷引出線的線電流值，并輸出相對應的電流反饋信號。電流反饋信號被控制器15接收。

控制器15根據指令發送部13的指令信號、輸出傳感器14的輸出反饋信號以及電流傳感器20的電流反饋信號計算驅動器的運行控制信號16和電機控制信號17。

驅動器18在運行控制信號16控制下進入工作狀態，并根據電機控制信號17產生驅動斬波器19工作的驅動信號。

斬波器19在驅動器19發出的驅動信號作用下將恒壓直流電轉換為平均電壓可控的直流電并提供給直流電機11。斬波器19為單管斬波器。單管斬波器為降壓斬波器、升壓斬波器或者升降壓斬波器。在本實施例中，斬波器19為降壓斬波器。

斬波器19具有與其中一個電刷組中的j個電刷一一對應的斬波單元191。每個斬波單元191具有一個功率開關管以及與該功率開關管反向串聯連接的二極管，共同向對應的電刷提供線電流。

功率開關管為全控型的功率開關管，可采用電力場效應晶體管、門極可關斷晶閘管、集成門極換流晶閘管、絕緣柵雙極型晶體管、電力雙極型晶體管和門極換流晶閘管中的任意一種。在本實施例中，功率開關管為電力場效應晶體管。

當電刷的引出線的額定電流為i1，直流電機11的額定電流為in時，電樞繞組支路1121的個數2j滿足下述條件：j＞in÷i1，j為不小于2的正整數。

實施例的作用與效果

根據本發明提供的直流電動驅動裝置以及電動設備，由于直流電機具有2j個相互獨立并且由m個繞組組成的電樞繞組支路、與繞組連接的2j×m個換向片、與斬波器相連接并且與換向片相接觸的2j個相互獨立的電刷，斬波器為單管斬波器，斬波器具有j個相互獨立的斬波單元，直流電源包含j個相互獨立的電源單元，每個電源單元與一個斬波單元、一個電刷一一對應連接，并對與該電刷連接的電樞繞組支路進行供電，所以每個電源單元的輸出電流相對于直流電源總電流來說較小，電源單元與斬波器之間的連接線、連接線與電源單元的接插件、連接線與斬波器的接插件，對接觸電阻和絕緣的要求較低，不但降低了生產的難度和成本，還有助于提高系統的可靠性和安全性。

每個斬波單元的輸出電流是相互獨立、互不干擾的，斬波器的輸出電流是所有斬波單元的輸出電流的線性疊加，所以斬波器的電流可以通過增加斬波單元的個數而線性增加，不僅保留了原來斬波電路的成熟控制算法和直流電機的成熟制造技術，無需考慮在并聯均流技術中對功率開關管性能一致性的要求，避免了從大量的功率開關管中精挑細選一致性高的開關元件所帶來的大量人力和財力的耗費。

此外，本發明的直流電動驅動裝置能夠打破國外對于大電流驅動裝置的壟斷和封鎖，使得該直流電動驅動裝置不僅能夠取代污染大、啟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、電動軍艦和電驅動航空母艦上，實現了低壓大電流的直流電動驅動裝置的國產化。而且與交流電機驅動裝置相比較，系統性能更加優越。

另外，在不需要回饋制動工作回路的環境下，本實施例使用的單管斬波器相對于半橋和全橋斬波器具有更簡潔的電路，更少的器件，更高的可靠性和更低的成本等優點。

因此，本實施例的直流電動驅動裝置以及電動設備具有結構設計簡單、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。

另外，當電源單元為電池組時，電池組內的電池單體可以不需要并聯技術，僅僅采用串聯技術即可滿足要求，消除多個電池單體并聯后產生的電池均衡問題，也免除了為減小多個電池單體的不一致性而產生的費用。在供電方面，由多個相對小容量的串聯電池組代替了單個的大容量的串并聯電池組，在電池單體數量相同的情況下，減小了電池由于并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，可以為電動設備的續航和性能提供更好的保障。

此外，在上述實施例中，電流傳感器檢測電刷的引出線的線電流值，但作為本發明的直流電動驅動裝置以及電動設備，電流傳感器也可檢測電機的線電流值。

上述實施方式為本發明的優選案例，并不用來限制本發明的保護范圍。