本發(fā)明涉及集成單相慢充和三相快充的充電功能的電動汽車驅(qū)動電機控制器，尤其涉及一種集成電機驅(qū)動和充電功能的控制器及控制方法。

背景技術(shù)：

目前國外集成充電功能的電動汽車驅(qū)動電機控制器的解決方案基于非隔離集成“充電-驅(qū)動”系統(tǒng)的方案在汽車行業(yè)已經(jīng)得到應(yīng)用。從國外已有技術(shù)方案來看，目前基于PWM整流技術(shù)的“驅(qū)動—充電”集成方案均實現(xiàn)了高效的充電和單位功率因數(shù)控制等功能，性能上具有較大優(yōu)勢；而且與電機驅(qū)動系統(tǒng)中的三相逆變器共用電力電子器件，節(jié)省了不控整流+有源功率因數(shù)校正電路或PWM整流電路的成本，是一種可以切實提高系統(tǒng)性能指標(biāo)，降低體積和成本的有前景的技術(shù)。但是國外技術(shù)利用電機繞組作為電感，對電機的設(shè)計要求較高。三相充電模式下，在永磁同步電機上必須增加額外的鎖止裝置，控制技術(shù)上難以實現(xiàn)。國內(nèi)集驅(qū)動及充電功能的電機控制器的解決方案，都得在原有電機控制器的前端增加雙向DC-DC升降壓變換單元，增加了成本，減小了可靠性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：

本發(fā)明提供一種集成充電功能的電動汽車驅(qū)動電機控制器及控制方法，其目的是解決以往所存在的問題。

技術(shù)方案：

一種集成充電功能的電動汽車驅(qū)動電機控制器，其特征在于：該控制器包括三相橋式DC-AC雙向變換器、第一繼電器開關(guān)(K1)、第二繼電器開關(guān)(K2)、交流電源輸入接口裝置、驅(qū)動電機、降壓變壓器、充電動力電池和中央控制微處理器；其中充電動力電池、三相橋式DC-AC雙向變換器以及驅(qū)動電機依次連接形成電機驅(qū)動回路，交流電源輸入接口裝置、降壓變壓器、三相橋式DC-AC雙向變換器以及充電動力電池依次連接形成電池充電回路。

第一繼電器開關(guān)(K1)安裝在三相橋式DC-AC雙向變換器和驅(qū)動電機之間，用于控制三相橋式DC-AC雙向變換器和電機的連接與斷開；第二繼電器開關(guān)(K2)安裝在三相橋式DC-AC雙向變換器和降壓變壓器之間，用于控制三相橋式DC-AC雙向變換器和降壓變壓器的連接和斷開，也就是交流電網(wǎng)的連接和斷開；中央控制微處理器連接第一繼電器開關(guān)(K1)和第二繼電器開關(guān)(K2)并對第一繼電器開關(guān)(K1)和第二繼電器開關(guān)(K2)進(jìn)行控制使電機驅(qū)動回路處于工作狀態(tài)時電池充電回路關(guān)斷，或者使電機驅(qū)動回路關(guān)斷時電池充電回路處于工作狀態(tài)。

利用上述的集成充電功能的電動汽車驅(qū)動電機控制器所實施的控制方法，其特征在于：在驅(qū)動模式下，利用中央控制微處理器對三相橋式DC-AC雙向變換器進(jìn)行控制，使第一繼電器開關(guān)(K1)閉合，第二繼電器開關(guān)(K2)斷開，車載電池經(jīng)三相橋式DC-AC雙向變換器工作在逆變狀態(tài)，將直流DC變化成交流AC供電給驅(qū)動電機；在充電模式下，利用中央控制微處理器對三相橋式DC-AC雙向變換器進(jìn)行控制，第二繼電器開關(guān)(K2)閉合，第一繼電器開關(guān)(K1)斷開，三相橋式DC-AC雙向變換器工作在整流狀態(tài)，交流電源輸入接口裝置輸入的交流電經(jīng)過降壓變壓器和三相橋式DC-AC雙向變換器進(jìn)行高頻PWM整流得到的直流母線電壓對車載充電動力電池進(jìn)行快速充電或者慢充。

(1)交流電源輸入接口裝置與三相橋式DC-AC雙向變換器之間連接降壓變壓器，這里的降壓變壓器的作用有兩個：一是充當(dāng)PWM整流電路的PFC電感；二是使將電網(wǎng)電壓U₁變換到合適的交流電壓U₂，電網(wǎng)電壓U₁經(jīng)降壓變壓器后的線電壓峰值不能大于最低的電池電壓U_DCmin，這樣做的目的是不致于交流側(cè)電壓過高，通過三相橋式整流電路IGBT反并聯(lián)的二極管進(jìn)行不控整流，導(dǎo)致電路的電流不可控，即：該降壓變壓器的變比k滿足下面的公式：

(2)PWM整流的控制方式由傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的母線電壓外環(huán)+有功、無功電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)改為母線電流在最外環(huán)、母線電壓在第二環(huán)和有功無功電流在最內(nèi)環(huán)的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)，由于給電池充電是要控制其充電電流，即需要控制母線電流I_DC，因此，PWM整流的控制方式增加了母線電流控制環(huán)。

三環(huán)結(jié)構(gòu)的工作過程：首先根據(jù)具體的電池特性，采用恒流充電的方式進(jìn)行充電，即母線電流給定值設(shè)定為常數(shù)，給電池進(jìn)行充電，母線電流給定值和實際值I_DC進(jìn)行比較后，通過PI控制器得到直流母線電壓的給定值直流母線電壓的給定值和實際值U_DC進(jìn)行比較后，通過PI控制器得到有功電流的給定值有功電流的給定值和實際值i_d比較后輸出有功電壓u_d，無功電流的給定值和實際值i_q比較后，通過PI控制器得到無功電壓u_q，有功電壓u_d和無功電壓u_q通過坐標(biāo)變換得到靜止坐標(biāo)系下的電壓值u_D和u_Q，靜止坐標(biāo)系下的電壓值通過空間電壓矢量控制(SVPWM)算法得到6路PWM信號控制三相全橋雙向變換器功率器件的開關(guān)，實現(xiàn)對母線電流的最終控制。

交流電源輸入接口裝置兼容單相充電和三相充電，并采用統(tǒng)一接口，具有第一接口(JA)、第二接口(JB)、第三接口(JC)，交流電源輸入接口連接有交流輸入檢測電路，交流輸入檢測電路將檢測信號傳送到中央控制微處理器，中央控制微處理器啟動單相充電模式和三相充電模式去控制三相橋式DC-AC雙向變換器。

當(dāng)中央控制微處理器啟動單相充電模式，閉合第二繼電器開關(guān)(K2)，第一接口(JA)和第二接口(JB)有輸入，利用三相降壓變壓器的A相電感和B相電感充當(dāng)單相全橋PWM整流的PFC電感。

當(dāng)外部電源通過同一個接口接入到中央控制微處理器時，交流輸入檢測電路將對第一接口(JA)、第二接口(JB)和第三接口(JC)進(jìn)行幅值和相位的檢測，當(dāng)檢測判斷結(jié)果為單相輸入時，啟動單相PWM整流程序，當(dāng)檢測判斷結(jié)果為三相輸入時，啟動三相PWM整流程序，單相、三相互不干涉輸入，共用一個充電接口裝置。

第一繼電器開關(guān)(K1)、第二繼電器開關(guān)(K2)都是繼電器開關(guān)，中央控制微處理器通過驅(qū)動電路分別獨立控制第一繼電器開關(guān)(K1)和第二繼電器開關(guān)(K2)，從而控制電動汽車驅(qū)動電機控制器工作于電動狀態(tài)還是充電狀態(tài)。

交流電源輸入接口連接有交流輸入檢測電路，交流輸入檢測電路將檢測信號傳送到中央控制微處理器，中央控制微處理器啟動充電模式去控制雙向三相橋式DC-AC雙向變換器；中央控制微處理器還檢測母線電壓、母線電流、電機轉(zhuǎn)子位置、電機繞組的相電流以及進(jìn)行電機故障、控制器故障。

優(yōu)點及效果：

本發(fā)明是一種集成充電功能的電動汽車驅(qū)動電機控制器及控制方法，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下效果：

(1)充電動力電池與三相橋式DC-AC雙向變換器和電機依次連接形成電機驅(qū)動回路；交流電源輸入接口裝置、降壓變壓器、三相橋式DC-AC雙向變換器、和充電動力電池依次連接形成電池充電回路。中央控制微處理器對三相橋式DC-AC雙向變換器進(jìn)行控制，利用驅(qū)動-充電模式切換裝置使電機驅(qū)動回路處于工作狀態(tài)而電池充電回路關(guān)斷，或者使電機驅(qū)動回路關(guān)斷而電池充電回路處于工作狀態(tài)。這樣一來，采用同一個三相橋式DC-AC雙向變換器實現(xiàn)充電控制和驅(qū)動控制，簡化電路結(jié)構(gòu)，和現(xiàn)有技術(shù)相比減少DC-DC變換單元，減少電子元氣件，工作更可靠，并且具有成本低、重量輕、體積小、提高功率因數(shù)。

(2)實現(xiàn)了充電機系統(tǒng)、三相充電模式的兼容與自適應(yīng)；在驅(qū)動模式下，開關(guān)K1閉合和開關(guān)K2斷開，在充電模式下，開關(guān)K1斷開和開關(guān)K2閉合，交流電源輸入接口連接有交流輸入檢測電路，交流輸入檢測電路將檢測信號傳送到中央控制微處理器，中央控制微處理器啟動充電模式去控制三相橋式DC-AC雙向變換器，實現(xiàn)PWM整流，對車載動力電池進(jìn)行充電。連接電網(wǎng)的降壓變壓器即起到降壓功能，可以省掉傳統(tǒng)充電回路中的雙向DC-DC變換器，同時也充當(dāng)PWM整流時的三相PFC電感，簡化電路結(jié)構(gòu)，工作更可靠，并且具有成本低、重量輕、體積小、提高功率因數(shù)。

(3)驅(qū)動-充電模式切換裝置包括繼電器開關(guān)K1和繼電器開關(guān)K2，繼電器開關(guān)K1和繼電器開關(guān)K2分別安裝驅(qū)動回路和充電回路以控制三相橋式DC-AC雙向變換器和電機或者降壓變壓器的連接和斷開，在驅(qū)動模式下，繼電器開關(guān)K1閉合和繼電器開關(guān)斷開，在充電模式下，繼電器開關(guān)K1斷開和繼電器開關(guān)K2閉合，控制簡單可靠，零件數(shù)小。

(4)本發(fā)明的交流電源輸入接口裝置輸入的交流電經(jīng)過降壓變壓器、三相橋式DC-AC雙向變換器進(jìn)行高頻PWM整流得到的直流母線電壓，省卻傳統(tǒng)一體化控制器的DC-DC控制器以及交流輸入整流裝置的同時，還實現(xiàn)了高功率因數(shù)；

(5)本發(fā)明的利用繼電器開關(guān)K1和繼電器開關(guān)K2控制電機的通斷電，除去了傳統(tǒng)控制方案的復(fù)用電機電感所帶來的復(fù)雜鎖止控制，使本發(fā)明的整個系統(tǒng)控制策略比較簡單；

(6)成本低廉，本發(fā)明額外增加的硬件只有兩個繼電器開關(guān)和一個降壓變壓器。并且在成果普及的情況下，可以標(biāo)準(zhǔn)化電池電壓，及容量可以將降壓變壓器直接放到電網(wǎng)上，直接作為一個簡易的快充充電樁。

綜上所述，本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)簡潔，減少電子元氣件，工作更可靠，并且具有成本低、重量輕、體積小、高功率因數(shù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的電路原理方框圖。

圖2是本發(fā)明的PWM整流電路的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明在電動模式的等效電路圖。

圖4是本發(fā)明在三相充電模式的等效電路圖。

圖5是本發(fā)明在單相充電模式的等效電路圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明：

如圖所示，本發(fā)明提出了一種集成充電功能的電動汽車驅(qū)動電機控制器，該控制器包括三相橋式DC-AC雙向變換器、第一繼電器開關(guān)K1、第二繼電器開關(guān)K2、交流電源輸入接口裝置、驅(qū)動電機、降壓變壓器、充電動力電池和中央控制微處理器；其中充電動力電池、三相橋式DC-AC雙向變換器以及驅(qū)動電機依次連接形成電機驅(qū)動回路，交流電源輸入接口裝置、降壓變壓器、三相橋式DC-AC雙向變換器以及充電動力電池依次連接形成電池充電回路，中央控制微處理器使電機驅(qū)動回路處于工作狀態(tài)時電池充電回路關(guān)斷，或者使電機驅(qū)動回路關(guān)斷時電池充電回路處于工作狀態(tài)。和現(xiàn)有技術(shù)相比該方案省掉了雙向DC-DC變換單元,降低了成本，減少了故障的幾率。

第一繼電器開關(guān)K1安裝在三相橋式DC-AC雙向變換器和驅(qū)動電機之間，用于控制三相橋式DC-AC雙向變換器和電機的連接與斷開；第二繼電器開關(guān)K2安裝在三相橋式DC-AC雙向變換器和降壓變壓器之間，用于控制三相橋式DC-AC雙向變換器和降壓變壓器的連接和斷開，也就是交流電網(wǎng)的連接和斷開；中央控制微處理器連接第一繼電器開關(guān)K1和第二繼電器開關(guān)K2并對第一繼電器開關(guān)K1和第二繼電器開關(guān)K2進(jìn)行控制使電機驅(qū)動回路處于工作狀態(tài)時電池充電回路關(guān)斷，或者使電機驅(qū)動回路關(guān)斷時電池充電回路處于工作狀態(tài)。中央控制微處理器通過驅(qū)動電路分別獨立控制第一繼電器開關(guān)K1和第二繼電器開關(guān)K2。

在驅(qū)動模式下，利用中央控制微處理器對三相橋式DC-AC雙向變換器進(jìn)行控制，使第一繼電器開關(guān)K1閉合，第二繼電器開關(guān)K2斷開，車載電池經(jīng)三相橋式DC-AC雙向變換器工作在逆變狀態(tài)，將直流DC變化成交流AC供電給驅(qū)動電機；在充電模式下，利用中央控制微處理器對三相橋式DC-AC雙向變換器進(jìn)行控制，第二繼電器開關(guān)K2閉合，第一繼電器開關(guān)K1斷開，三相橋式DC-AC雙向變換器工作在整流狀態(tài)，交流電源輸入接口裝置輸入的交流電經(jīng)過降壓變壓器和三相橋式DC-AC雙向變換器進(jìn)行高頻PWM整流得到的直流母線電壓對車載充電動力電池進(jìn)行快速充電或者慢充，和現(xiàn)有技術(shù)相比該方案省掉了雙向DC-DC變換單元,降低了成本，增加了可靠性。

所述在電池充電回路和傳統(tǒng)的充電回路拓?fù)湎啾龋瑳]有DC-DC變換單元，省掉DC-DC變換單元是通過以下兩種方式實現(xiàn)的：

(1)交流電源輸入接口裝置與三相橋式DC-AC雙向變換器之間連接三相PFC電感換成了降壓變壓器，這里的降壓變壓器的作用有兩個：一是充當(dāng)PWM整流電路的PFC電感；二是使將電網(wǎng)電壓U₁變換到合適的交流電壓U₂，電網(wǎng)電壓U₁經(jīng)降壓變壓器后的線電壓峰值不能大于最低的電池電壓U_DCmin，這樣做的目的是不致于交流側(cè)電壓過高，通過三相橋式整流電路IGBT反并聯(lián)的二極管進(jìn)行不控整流，導(dǎo)致電路的電流不可控，即：該降壓變壓器的變比k滿足下面的公式：

(2)PWM整流的控制方式由傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的母線電壓外環(huán)+有功、無功電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)改為母線電流在最外環(huán)、母線電壓在第二環(huán)和有功無功電流在最內(nèi)環(huán)的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)，具體控制方式框圖見圖2。由于給電池充電是要控制其充電電流，即需要控制母線電流I_DC，因此，本申請中的PWM整流的控制方式增加了母線電流控制環(huán)。

三環(huán)結(jié)構(gòu)的工作過程：首先根據(jù)具體的電池特性，采用恒流充電的方式進(jìn)行充電，即母線電流給定值設(shè)定為常數(shù)，給電池進(jìn)行充電，母線電流給定值和實際值I_DC進(jìn)行比較后，通過PI控制器得到直流母線電壓的給定值直流母線電壓的給定值和實際值U_DC進(jìn)行比較后，通過PI控制器得到有功電流的給定值有功電流的給定值和實際值i_d比較后輸出有功電壓u_d，無功電流的給定值和實際值i_q比較后，通過PI控制器得到無功電壓u_q，有功電壓u_d和無功電壓u_q通過坐標(biāo)變換得到靜止坐標(biāo)系下的電壓值u_D和u_Q，靜止坐標(biāo)系下的電壓值通過空間電壓矢量控制(SVPWM)算法得到6路PWM信號控制三相全橋雙向變換器功率器件的開關(guān)，實現(xiàn)對母線電流的最終控制。上述過程通過中央控制微處理器單元通過程序?qū)崿F(xiàn)。沒有硬件增加，節(jié)約了成本。

交流電源輸入接口裝置兼容單相充電和三相充電，并采用統(tǒng)一接口，具有第一接口JA、第二接口JB、第三接口JC，交流電源輸入接口連接有交流輸入檢測電路，交流輸入檢測電路將檢測信號傳送到中央控制微處理器，中央控制微處理器啟動單相充電模式和三相充電模式去控制三相橋式DC-AC雙向變換器。

當(dāng)中央控制微處理器啟動單相充電模式，閉合第二繼電器開關(guān)K2，第一接口JA和第二接口JB有輸入，利用三相降壓變壓器的A相電感和B相電感充當(dāng)單相全橋PWM整流的PFC電感。

當(dāng)外部電源通過同一個接口接入到中央控制微處理器時，交流輸入檢測電路將對第一接口JA、第二接口JB和第三接口JC進(jìn)行幅值和相位的檢測，當(dāng)檢測判斷結(jié)果為單相輸入時，啟動單相PWM整流程序，當(dāng)檢測判斷結(jié)果為三相輸入時，啟動三相PWM整流程序，單相、三相互不干涉輸入，共用一個充電接口裝置。具體點說就是當(dāng)外部電源通過同一個接口接入到中央控制微處理器時，交流輸入檢測電路將對第一接口JA、第二接口JB和第三接口JC進(jìn)行幅值和相位的檢測，當(dāng)檢測判斷結(jié)果為三相輸入時，降壓變壓器充當(dāng)PFC電感，程序運行三相PWM整流程序，通過三相橋式雙向DC-AC逆變器對充電動力電池充電，當(dāng)檢測判斷結(jié)果為單相輸入時，運行單相PWM整流程序，對充電動力電池充電，即：接口JA、接口JB有輸入，接口JC沒有輸入時，利用降壓變壓器的A相和B相線圈充當(dāng)PFC電感和三相橋式雙向DC-AC中A橋臂和B橋臂(T1、T3、T4、T6和D1、D3、D4、D6)構(gòu)成單相PWM整流電路為充電動力電池充電。從而實現(xiàn)單相和三相的不干涉輸入，共用一個接口。

第一繼電器開關(guān)K1、第二繼電器開關(guān)K2都是繼電器開關(guān)，中央控制微處理器通過驅(qū)動電路分別獨立控制第一繼電器開關(guān)K1和第二繼電器開關(guān)K2，從而控制電動汽車驅(qū)動電機控制器工作于電動狀態(tài)還是充電狀態(tài)。

交流電源輸入接口連接有交流輸入檢測電路，交流輸入檢測電路將檢測信號傳送到中央控制微處理器，中央控制微處理器啟動充電模式去控制雙向三相橋式DC-AC雙向變換器；中央控制微處理器還檢測母線電壓、母線電流、電機轉(zhuǎn)子位置、電機繞組的相電流以及進(jìn)行電機故障、控制器故障。

本發(fā)明的工作原理如下：本發(fā)明的集成充電功能的電動汽車驅(qū)動電機控制器可以利用同一套裝置實現(xiàn)驅(qū)動電機和給動力電池充電功能。

在電機驅(qū)動模式下，K1閉合，K2斷開，充電動力電池E與三相橋式DC-AC雙向變換器和電機依次連接形成電機驅(qū)動回路，如圖3所示，此時，三相橋式DC-AC雙向變換器在中央控制微處理器控制下工作在逆變狀態(tài)，將動力電池提供的直流電逆變成交流電供電給汽車驅(qū)動電機M。該控制方式為業(yè)內(nèi)所熟悉，這里不再贅述。

在充電模式下：K1斷開，K2閉合，交流輸入檢測電路將檢測信號傳送到中央控制微處理器，交流輸入檢測電路將對接口JA、接口JB、接口JC進(jìn)行幅值和相位的檢測，當(dāng)檢測判斷結(jié)果為單相輸入時，控制程序啟動單相PWM整流模式，當(dāng)檢測判斷結(jié)果為三相輸入時，控制程序啟動三相PWM整流模式，從而實現(xiàn)單相和三相的不干涉輸入，共用一個接口。

在三相充電模下：交流電源輸入接口裝置、降壓變壓器、三相橋式DC-AC雙向變換器、和充電動力電池依次連接形成電池充電回路，降壓變壓器充當(dāng)PFC電感，三相橋式DC-AC雙向變換器在中央控制微處理器控制下工作在三相橋式PWM整流，其等效電路如圖4所示?？刂品绞饺鐖D2所示的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)。

在單相充電模下：交流電源輸入接口裝置接口A和接口B、降壓變壓器的A相和B相、以及三相橋式DC-AC雙向變換器的A橋臂和B橋臂、充電動力電池依次連接形成電池充電回路，外界三相交流電源利用降壓變壓器的A相和B相等效電感參與PFC功率校正，三相橋式DC-AC雙向變換器在中央控制微處理器控制下工作在單相橋式PWM整流，其等效電路如圖5實線部分所示?？刂品绞饺鐖D2所示的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)類似，這里不再贅述。