一種電動汽車電機驅動與能量回饋雙向電源的製作方法

2023-05-29 06:00:31 1

專利名稱：一種電動汽車電機驅動與能量回饋雙向電源的製作方法
技術領域：
本發明是一種電動汽車電機驅動與能量回饋雙向電源，屬於電動汽車電機驅動與能量回饋雙向電源的創新技術。
背景技術：
目前，電動汽車領域，電機驅動方式採用電池給電機驅動電路供電來驅動電機，由於電機工作的環境較為複雜其對供電要求根據路況不同而發生變化，速度變化範圍寬，汽車在行駛過程中頻繁地加速、減速，給直接使用電池給電機驅動電路供電的系統帶來較多不穩定因素。具體來說，電池直接供電給電機驅動電路的形式主要存在以下幾個方面的問題
(1)電機驅動電路穩定性問題，由於電池直接供電，電池的電壓變化範圍較大，給電機驅動電路的穩定性帶來影響。(2)電機制動對電池的影響，在無制動單元或能量回饋單的情況下，電機制動時產生的能量反充到電池，最惡劣的情況下可能導致電池損壞。(3)另外增加制動單元以釋放能量方式進行制動，能量無法回收，汽車續航力低， 此外需要考慮散熱結構等問題。為此，現有技術中出現了電動汽車能量回饋的一些方式，以提高汽車的續航力，例如中國專利CN03108022. 7,200410070893. 3,200610157733. 1等都提及了電動汽車能量回饋技術方案，將汽車在減速或制動時產生的能量回饋給電池，但各自的系統結構與實現方式不同。

發明內容
本發明的目的在於考慮上述問題而提供一種提高了電源的電磁兼容特性及效率的電動汽車電機驅動與能量回饋雙向電源。本發明設計合理，方便實用，該電源解決了電池直接帶載的軟特性的問題與電動汽車能量回饋問題。本發明的技術方案是本發明的電動汽車電機驅動與能量回饋雙向電源，包括有能量變換直流部分及正向電機驅動與反向電機電能回收部分，其中能量變換直流部分包括有雙向DC/DC變換器、雙向DC/DC變換器數字控制系統、正向逆變與反向整流電路、電機驅動數字控制系統、雙向DC/DC電路驅動保護電路、逆變電路驅動保護電路、電池電壓檢測電路、電池電流檢測電路、母線電壓檢測電路、電機電流檢測電路，其中電池電壓檢測電路、電池電流檢測電路、母線電壓檢測電路、電機電流檢測電路與雙向DC/DC變換器數字控制系統連接，雙向DC/DC變換器數字控制系統與雙向DC/DC電路驅動保護電路連接，雙向DC/ DC電路驅動保護電路的輸出與雙向DC/DC變換器連接；正向電機驅動與反向電機電能回收部分包括有電機驅動數字控制系統、逆變電路驅動保護電路、正向逆變與反向整流電路、直流母線超級電容，所述電機電流檢測電路與電機驅動數字控制系統連接，電機驅動數字控制系統連接逆變電路驅動保護電路，逆變電路驅動保護電路的輸出連接正向逆變與反向整流電路，雙向DC/DC變換器、正向逆變與反向整流電路通過直流母線超級電容相連接，雙向 DC/DC變換器數字控制系統與電機驅動數字控制系統相連接。
上述雙向DC/DC變換器包括有耦合電感Ll L4、功率管VTl VT8、二極體Dl D8、電容Cl C8，正向逆變與反向整流電路包括有功率開關管VT9 VT14、二極體D9 D14，電池連接電感Li、L2、L3與L4左側，功率管VTl VT8與反並聯的二極體Dl D8、 Cl C8構成四相橋式的電路，四相電路中點分別連接電感的右側b、c、bl、cl，上、下兩端與連接直流母線超級電容C9、C10，功率開關管VT9 VT14分別構成三相橋式逆變電路，與其反並聯的二極體相互連接構成三相橋式整流電路。上述雙向DC/DC變換器中的採用的電感Li、L2、L3、L4為耦合電感，Ll與L2、L3 與L4分別繞在同一個EE磁芯的兩邊，從左往右看按順時針方向繞線，電流由a流向b、c或電流由al流向bl、cl時，所產生的磁通方在磁芯中柱的方向一致，磁芯留有氣隙，以確保電感工作時不進入飽和狀態。上述雙向DC/DC變換器採用雙閉環控制方式，電流為內環，電壓為外環。上述L1、L2、L3、L4中安裝有用於採集四相電流的電流傳感器，電流傳感器的信號輸出端通過採樣調理電路將信號送至雙向DC/DC變換器數字控制系統。上述雙向DC/DC變換器採用同相互補、異相移相的控制方式。上述雙向DC/DC變換器數字控制系統根據電池電流的大小調節雙向DC/DC變換器的工作頻率；在汽車以較低速度進行減速或制動時，能自動將母線電壓調低。本發明與現有技術相比，具有如下優點
1)本發明將雙向DC/DC變換器放在電池後端，使輸出穩定，後級的電機驅動電路穩定性提高。2)本發明的雙向DC/DC變換器採用四相橋式結構，結合控制方法，實現了軟開關， 降低了電磁幹擾，提高了效率；結合電感耦合技術，降低了電感與電容的體積要求；結合根據負載調節工作頻率的多頻控制方法，保證了不同功率等級下的高效率。3)本發明中由與逆變電路功率開關管反並聯的二極體構成的整流電路直接將電機發出的電能整流送至直流母線，無需外加能量回饋單元，通過雙向DC/DC變換器就可以實現汽車減速和制動過程中產生的能量高效回饋至電池。4)本發明在汽車在行駛速度較低時制動，可以自動將母線電壓調低，提高了能量回饋的適用範圍。本發明是一種設計巧妙，性能優良，方便實用的電動汽車電機驅動與能量回饋雙向電源。


圖1是本發明的系統整體框圖； 圖2是本發明的主電路原理圖3是本發明的耦合電感繞線結構圖； 圖4是本發明的雙向DC/DC變換器控制核心電路原理圖； 圖5是本發明的開關器件驅動電路原理圖6是本發明的雙向DC/DC變換器控制流程圖，其中圖6 (a)所示為主程序控制流程圖，圖6 (b)所示為中斷程序流程圖。
具體實施例方式實施例
本發明的結構示意圖如圖1、2、3、4所示，本發明的電動汽車電機驅動與能量回饋雙向電源，包括有能量變換直流部分及正向電機驅動與反向電機電能回收部分，其中能量變換直流部分包括有雙向DC/DC變換器1、雙向DC/DC變換器數字控制系統2、正向逆變與反向整流電路3、電機驅動數字控制系統4、雙向DC/DC電路驅動保護電路5、逆變電路驅動保護電路6、電池電壓檢測電路7、電池電流檢測電路8、母線電壓檢測電路9、電機電流檢測電路 10，其中電池電壓檢測電路7、電池電流檢測電路8、母線電壓檢測電路9、電機電流檢測電路10與雙向DC/DC變換器數字控制系統2連接，雙向DC/DC變換器數字控制系統2與雙向 DC/DC電路驅動保護電路5連接，雙向DC/DC電路驅動保護電路5的輸出與雙向DC/DC變換器1連接；正向電機驅動與反向電機電能回收部分包括有電機驅動數字控制系統4、逆變電路驅動保護電路6、正向逆變與反向整流電路3、直流母線超級電容11，所述電機電流檢測電路10與電機驅動數字控制系統4連接，電機驅動數字控制系統4連接逆變電路驅動保護電路6，逆變電路驅動保護電路6的輸出連接正向逆變與反向整流電路3，雙向DC/DC變換器1、正向逆變與反向整流電路3通過直流母線超級電容11相連接，雙向DC/DC變換器數字控制系統2與電機驅動數字控制系統4相連接，構成電動汽車電機驅動與能量回饋雙向電源。上述雙向DC/DC變換器1包括有耦合電感Ll L4、功率開關管VTl VT8、二極體 Dl D8、電容Cl C8 ；正向逆變與反向整流電路3包括有功率開關管VT9 VT14、二極體 D9 D14 ；電池連接電感L1、L2、L3與L4左側，功率管VTl VT8與反並聯的二極體Dl D8、Cl C8構成四相橋式的電路，四相電路中點分別連接電感的右側b、c、b 1、c 1，上、下兩端與連接直流母線超級電容C9、C10，功率開關管VT9 VT14分別構成三相橋式逆變電路， 與其反並聯的二極體相互連接構成三相橋式整流電路。上述雙向DC/DC變換器1中的採用的電感Li、L2、L3、L4為耦合電感，Ll與L2、 L3與L4分別繞在同一個EE磁芯的兩邊，繞線方向如圖中所示，保證電流由a (或al)流向 b、c (或bl、cl)時，所產生的磁通方在磁芯中柱的方向一致，磁芯留有氣隙，以確保電感工作時不進入飽和狀態。上述雙向DC/DC變換器1採用雙閉環控制方式，電流為內環，電壓為外環，分別在 Li、L2、L3、L4中安裝電流傳感器用於採集四相的電流，通過採樣調理電路將信號送至雙向 DC/DC變換數字控制系統2參與控制量的運算，同時控制系統將根據總電流大小來調節驅動信號的頻率，以改變雙向DC/DC變換器1的工作頻率，確保不同功率等級下高效工作，直流母線電壓與電池電壓經電阻分壓後，通過線性光耦HCPL7840隔離將信號連接至電壓信號調理電路，最終將信號送至雙向DC/DC變換器數字控制系統2中。上述雙向DC/DC變換器數字控制系統2核心採用TMS320F2809，4對互補控制信號PWMxA與PWMxB由TMS320F2809產生，四相的電流通過HALL電路傳感器後經過調理電路後，生成電流的反饋信號1_1、1_2、1_3、1_4，經線性光耦HCPL7840後的電壓反饋信號VPN、 Vb也連接至TMS320M809的數模轉換接口 ADCINB0 ADCINB6。所述雙向DC/DC變換器驅動保護電路5包括有驅動電路與保護電路，圖4所示為驅動電路，包括有PC^9驅動晶片U1、U2，光耦U3、U4、R1 R26、Z1 Z4、Q1 Q4、Dl D4、Cl C6 ；同橋臂上下兩個開關器件的控制信號QG1_IN與QG2_IN在送入驅動晶片U1、 U2輸入側時，連接成互鎖電路以防止信號出錯引起兩個開關器件同時被觸發。Ul、U2的輸出後連接電阻R21、R22，並驅動由對管Ql、Q3與Q2、Q4構成的圖騰柱，圖騰柱中間通過電阻R23、RM連接至功率開關器件的門極。驅動電路的供電採用多路隔離輸出的電源，分別輸出 VCC1/VEE1、VCC2/VEE2、VCC3/VEE3、VCC4/VEE4、VCC5/VEE5，其中 VCC2/VEE2 同時供給四相的下橋臂開關器件驅動電路，其他輸出分別供給各相的上橋臂驅動電路；驅動電路通過D3、Zl、D4、Z2、R2、R3、R19、R20組成的檢測電路來檢測開關器件的導通壓降，D3、D4的 N結分別連接上、下橋臂功率開關器件的漏極，D3、D4的P結分別連接穩壓管Zl、Z2上端， Z1、Z2下端分別連接由R2與R19、R3與R20組成的分壓電路中點，並連接PC929的9腳，以此判斷器件是否短路。光耦U3、U4的二極體分別與R5、R9組成短路信號隔離電路的輸入部分，當功率器件短路時，導驅動晶片給出短路信號從而使光耦U3或U4的二極體導通，光耦 U3或U4的輸出與Rl組成的檢測電路中點F-IPMl產生負跳變，送入保護電路進行處理；如圖5所示保護電路，包括有Rl R8、RlO R15、Cl C7、Dl、D2、Ul、U2、U3、Q10，短路信號F-IPMl F-IPM4送入由Rl R8、Cl C5、DU D2、U2組成的保護邏輯電路後，集中連接至與門U1B，並通過RlO R15、C6、C7、U1、U2、U3、Q1組成的邏輯電路與0C1、PWM EN、 DRIVE信號相與，最後與RESET相與後信號取反，生成驅動使能信號DRV EN，DRV EN連接至緩衝器ACT244的使能引腳。上述雙向DC/DC變換器的四相橋式電路每兩相通過耦合電感相互連接至電池。本實施例中，上述雙向DC/DC變換器採用同相互補、異相移相的控制方式。上述雙向DC/DC變換器數字控制系統根據電池電流的大小調節雙向DC/DC變換器的工作頻率；在汽車以較低速度進行減速或制動時，能自動將母線電壓調低。圖1所示的雙向電源其對象分別是車載動力電池與永磁同步電機，電池電壓小於直流母線電壓，當由電池向永磁同步電機供電時，雙向DC/DC變換器工作在升壓模式，逆變電路處於工作狀態；當永磁同步電機發電向電池供電時，雙向DC/DC變換器工作在降壓模式，整流電路處於工作工作狀態。兩種工作模式切換以汽車控制臺的剎車信號作為依據。本發明的開關器件過流保護邏輯電路原理可採用現有技術。如圖6所示為本發明的雙向DC/DC變換器控制流程圖，其中圖6 (a)所示為主程序控制流程圖，圖6 (b)所示為中斷程序流程圖，為提高控制系統的實時性，對電壓的採樣由中斷程序完成，該中斷由定時器每20us觸發一次，每採樣6次更新一次佔空比。採樣次數由變量i計算，每6次對其進行清零處理，6六採樣結果通過濾波後，將採樣值返回至主程序。Flag是控制臺發出的剎車信號，程序以此來決定雙向DC/DC變換器的工作模式。
權利要求
1.一種電動汽車電機驅動與能量回饋雙向電源，其特徵在於包括有能量變換直流部分及正向電機驅動與反向電機電能回收部分，其中能量變換直流部分包括有雙向DC/DC變換器(1)、雙向DC/DC變換器數字控制系統(2)、正向逆變與反向整流電路(3)、電機驅動數字控制系統(4)、雙向DC/DC電路驅動保護電路(5)、逆變電路驅動保護電路(6)、電池電壓檢測電路(7)、電池電流檢測電路(8)、母線電壓檢測電路(9)、電機電流檢測電路(10)，其中電池電壓檢測電路(7)、電池電流檢測電路(8)、母線電壓檢測電路(9)、電機電流檢測電路(10)與雙向DC/DC變換器數字控制系統(2)連接，雙向DC/DC變換器數字控制系統(2) 與雙向DC/DC電路驅動保護電路(5)連接，雙向DC/DC電路驅動保護電路(5)的輸出與雙向DC/DC變換器(1)連接；正向電機驅動與反向電機電能回收部分包括有電機驅動數字控制系統(4)、逆變電路驅動保護電路(6)、正向逆變與反向整流電路(3)、直流母線超級電容 (11)，所述電機電流檢測電路(10)與電機驅動數字控制系統(4)連接，電機驅動數字控制系統(4)連接逆變電路驅動保護電路(6 )，逆變電路驅動保護電路(6 )的輸出連接正向逆變與反向整流電路(3)，雙向DC/DC變換器(1 )、正向逆變與反向整流電路(3)通過直流母線超級電容(11)相連接，雙向DC/DC變換器數字控制系統(2 )與電機驅動數字控制系統(4 )相連接。
2.根據權利要求1所述的電動汽車電機驅動與能量回饋雙向電源，其特徵在於上述雙向DC/DC變換器(1)包括有耦合電感Ll L4、功率管VTl VT8、二極體Dl D8、電容 Cl C8，正向逆變與反向整流電路(3))包括有功率開關管VT9 VT14、二極體D9 D14， 電池連接電感Li、L2、L3與L4左側，功率管VTl VT8與反並聯的二極體Dl D8、Cl C8構成四相橋式的電路，四相電路中點分別連接電感的右側b、c、bl、cl，上、下兩端與連接直流母線超級電容C9、C10，功率開關管VT9 VT14分別構成三相橋式逆變電路，與其反並聯的二極體相互連接構成三相橋式整流電路。
3.根據權利要求2所述的電動汽車電機驅動與能量回饋雙向電源，其特徵在於上述雙向DC/DC變換器(1)中的採用的電感L1、L2、L3、L4為耦合電感，Ll與L2、L3與L4分別繞在同一個EE磁芯的兩邊，從左往右看按順時針方向繞線，電流由a流向b、c或電流由al流向bl、cl時，所產生的磁通方在磁芯中柱的方向一致，磁芯留有氣隙，以確保電感工作時不進入飽和狀態。
4.根據權利要求3所述的電動汽車電機驅動與能量回饋雙向電源，其特徵在於上述 Li、L2、L3、L4中安裝有用於採集四相電流的電流傳感器，電流傳感器的信號輸出端通過採樣調理電路將信號送至雙向DC/DC變換器數字控制系統(2)。
5.根據權利要求1至4任一項所述的電動汽車電機驅動與能量回饋雙向電源，其特徵在於上述雙向DC/DC變換器(1)採用雙閉環控制方式，電流為內環，電壓為外環。
6.根據權利要求5所述的電動汽車電機驅動與能量回饋雙向電源，其特徵在於上述雙向DC/DC變換器(1)採用同相互補、異相移相的控制方式。
7.根據權利要求6所述的電動汽車電機驅動與能量回饋雙向電源，其特徵在於上述雙向DC/DC變換器數字控制系統(2 )根據電池電流的大小調節雙向DC/DC變換器的工作頻率； 在汽車以較低速度進行減速或制動時，能自動將母線電壓調低。
全文摘要
本發明是一種電動汽車電機驅動與能量回饋雙向電源。包括有能量變換直流部分及正向電機驅動與反向電機電能回收部分，能量變換直流部分包括有雙向DC/DC變換器、雙向DC/DC變換器數字控制系統、正向逆變與反向整流電路、電機驅動數字控制系統、雙向DC/DC電路驅動保護電路、逆變電路驅動保護電路、電池電壓檢測電路、電池電流檢測電路、母線電壓檢測電路、電機電流檢測電路。電池接雙向DC/DC變換器將電機驅動電路母線電壓調節至穩定值，通過驅動電路驅動永磁同步電機運行以驅動汽車；制動時電機處於發電狀態，電機驅動電路將能量送至母線，微控制器檢測到剎車信號，驅動雙向DC/DC變換器將能量反饋至電池。且本發明提高了電源的電磁兼容(EMC)特性及效率。
文檔編號H02M3/315GK102390272SQ20111030971
公開日2012年3月28日 申請日期2011年9月30日 優先權日2011年9月30日
發明者劉方銘, 周映虹, 姚震, 李優新, 李志忠, 粱秀玲, 黃熙, 黎勉 申請人:廣東工業大學