CN102739144B - 一种微混合动力车用bsg电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微混合动力车用BSG电机控制系统，包括由电源两级引出的正负母线、接于正负母线间的三相逆变/整流电路、与三相逆变/整流电路连接的BSG电机定子三相绕组、以及串接于正负母线间的斩波降压电路和BSG电机转子励磁绕组；在电源和斩波降压电路之间接有升压电路，升压电路的输入端与电源相连，其输出端与斩波降压电路输入端相连；三相逆变/整流电路、斩波降压电路、升压电路分别与发动机启停系统的控制电路连接并受其控制。本发明通过提高BSG电机励磁的控制电压来改善BSG电机快速加载能力。

Description

一种微混合动力车用BSG电机控制系统

技术领域

本发明属于新能源汽车技术领域，特别涉及对怠速微混BSG(Belt-StarterGenerator，皮带启动发电机)启停系统的BSG电机的控制系统。

背景技术

目前，汽车节能与环保技术主要有两条路线：一条是针对传统车辆进行改进来达到节能和环保的要求；另一条是新型节能与环保车辆的研发，包括替代燃料汽车(Alternative—Fuel Vehicles，AFV)、混合动力电动汽车(Hybrid ElectricVehicles，HEV)等。然而研发新型节能与环保车辆只能够在新一代车辆上减少燃油消耗和C02的排放，并不能从根本上解决现有车辆的燃油浪费的问题。因为车辆在城市道路上行驶时，其怠速时间占总运行时间的很大一部分，其问的燃油消耗量约占总耗油量的30％。在汽车工况排放测试中，怠速期间排放的CO和HC量通常占总排放量的70％左右。

而在城市中，由于人口和车辆比较集中，造成了城市车辆运行工况的特殊性，特别是对于城市公交客车来说，停靠的站点多，再加上交通道口红灯停车，起步和停车十分频繁，造成了发动机产生的大部分能量在制动过程中以摩擦生热的形式消耗掉了。又由于存在长时间的停车工况，使发动机长时间地处于怠速运转状态，造成车速低、油耗高、污染严重等问题。

因此，开发怠速启停系统来消除怠速工况能够在很大程度上节约燃油，提高车辆经济性，具有广阔的市场需求。

怠速启停系统(Idle Stop&Start System，简称ISS)能够在车辆停止时，使得发动机自动停止，而当驾驶员有起动车辆的意图时(如踩下离合器踏板或加速踏板)，不需要手动点火就可以自动起动发动机，这避免了汽车在停车时不必要的燃油消耗和尾气的排放。尤其对于在城市城区内行驶，车辆经常停止，而发动机则怠速运转，并且汽车在城市道路中的怠速工况占25％以上，在汽车上安装怠速启停系统能够将怠速消除，极大的提高城市汽车的燃油经济性，而且对环境保护起到了一定的作用。在我国尽管轿车正一步一步走向家庭，家庭小汽车、轨道交通和城市公交客车将成为大城市、特大城市居民出行的主要运载工具，所以对怠速启停系统的研发和产业化对我国节能减排，推进汽车产业的发展以及建设资源节约型社会都具有着重要意义。

怠速启停系统是在传统汽车发电机系统的基础上做改进，可在传统发动机的发电机皮带轮系做轻微变动，即在其中增加张紧轮，以实现双向扭矩传输。怠速起停系统BSG电机作为双用：电动模式下提供正向力矩快速启动发动机、发电模式下产生负力矩对12V电池充电。怠速起停BSG系统主要功能是在发动机怠速情况下，BSG系统通过CAN总线与发动机管理系统交互整车控制信息，并根据整车的驾驶工况，自动地实现发动机的起停控制，从而减少怠速情况下的耗油状况。

传统汽车爪极发电机(Claw-pole generator)电压控制电路的电路原理如图1所示。通过控制斩波电路的脉宽控制转子励磁电流，从而调节电机反电势的幅值，最终达到控制整流电路的输出电压。

BSG电机是一种传统的爪极发电机，怠速起停系统BSG电机控制电路的电路原理如图2所示。基于MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管)可控功率器件的逆变电路及整流电路集成于一体。在发动机启动控制时，BSG电机工作在电动模式，12V铅酸电源提供电能通过逆变器输出给BSG电机，BSG电机输出正向力矩启动发动机；在高速发电模式下，BSG控制器通过斩波器控制电机转子的励磁绕组电流，调节BSG的反电势幅值，三相逆变器作为整流器，从而使电机对12V电池充电。

为了实现很高的BSG电机反电势系数，BSG电机的转子励磁绕组由于绕组匝数多，绕组等效电感值偏大，电气时间常数(电气时间常数＝绕组电感/绕组电阻，即T(E)＝L(E)/R(E))大。由于BSG电机的反电势直接由转子励磁绕组电流来控制，大的绕组电感在通过斩波实现绕组电流控制时，电流变化的速率小，从而导致BSG电机无论在电动模式还是在发电模式下，电机的动态响应慢。

图3示意的是常用BSG电机控制电路在BSG电机在启动、稳定发电负载及发电卸载情况下的励磁绕组电流随时间变化情况。由于励磁绕组大的电气惯性，励磁电流无论在加载电流增加及卸载电流下降的情况下，电流变化速率低，从而会引起12V电池端电压出现欠压、过压的风险。

在发电模式下，BSG电机的逆变器工作在被动整流状态，BSG电机对12V蓄电池充电。当12V电池出现从一个很大的电气负载突然变化到很小的负载(如从90％的电气负载突变为10％)，BSG控制器会自动关断MOSFET开关G(P)，快速续流二极管D(Z)迅速导通，从而对励磁绕组电流进行续流，励磁绕组端电压变为二极管D(Z)的导通电压(接近0.7V)，绕组电流I(E)开始逐渐下降。但是由于BSG电机励磁绕组大的惯性时间常数(通常T(E)在200-500毫秒间)，加上12V电池及连线等效电感等影响，12V电池端电压会形成短暂的过压过程，电压幅值会超过法规规定的容限范围。过压会造成许多潜在的风险，可能会导致某些整车电控系统的过压损害，其潜在的风险巨大。

发明内容

为解决现有微混合动力汽车BSG电机控制系统在电机加载时励磁电流变化速率低、电机控制响应慢的问题，本发明提供一种微混合动力车用BSG电机控制系统。

本发明为解决上述技术问题提供的技术方案是：

一种微混合动力车用BSG电机控制系统，包括由电源两级引出的正负母线、接于正负母线间的三相逆变/整流电路、与三相逆变/整流电路连接的BSG电机定子三相绕组、以及串接于正负母线间的斩波降压电路和BSG电机转子励磁绕组，在电源和斩波降压电路之间接有升压电路，升压电路的输入端与电源相连，其输出端与斩波降压电路输入端相连；三相逆变/整流电路、斩波降压电路、升压电路分别与发动机启停系统的控制电路连接并受其控制。

进一步的，升压电路包括滤波电感、第三二极管、第三MOSFET和滤波电容，第三MOSFET的栅极与发动机启停系统的控制电路相连并受其控制，滤波电感一端接正母线，另一端分为两路：一路接第三MOSFET的漏极后连接至负母线，另一路接第三二极管正极后作为升压电路的输出端，滤波电容接于第三二极管的负极和负母线之间。

进一步的，电源为12V，升压电路的输出电压大于等于30V、小于等于40V。

进一步的，转子励磁绕组等效为相串接的励磁绕组等效电阻和励磁绕组等效电感；在斩波降压电路和负母线之间，与转子励磁绕组分别并接有第二续流二极管和主动可控续流电路，主动可控续流电路的导通电阻阻值小于第二续流二极管的导通电阻阻值。

采用这样的技术方案，通过增加导通电阻远小于第二续流二极管导通电阻的主动可控续流电路，可减少励磁电流损耗，实现高效续流。

进一步的，主动可控续流电路包括与第二续流二极管并联的第二MOSFET，第二MOSFET的栅极与发动机启停系统的控制电路连接并受其控制。

进一步的，在分别与转子励磁绕组和主动可控续流电路并接的第二续流二极管所在的支路中，串接有泄放电阻，泄放电阻阻值大于励磁绕组等效电阻阻值。

采用这样的技术方案，增加引入续流回路泄放电阻后，稳定负载下电流泄放速度加快，尤其在快速卸载情况下，励磁电流可以快速地降到所需的负载励磁电流,车载低压蓄电池端电压在快速卸载状况下的出现过压的风险可控制在法规规定的范围内。

进一步的，泄放电阻阻值大于等于5倍励磁绕组等效电阻阻值、小于等于10倍励磁绕组等效电阻阻值。

进一步的，泄放电阻阻值大于等于5欧姆、小于等于10欧姆。

进一步的，斩波降压电路包括第一MOSFET和与第一MOSFET并接的第一续流二极管，第一MOSFET的栅极与发动机启停系统的控制电路相连并受其控制；升压电路中的输出端与斩波控制电路的第一MOSFET的漏极连接；转子励磁绕组接于第一MOSFET的源极和负母线之间。

本发明的有益效果是：

本发明的BSG电机控制系统，能够改善微混合动力汽车发动机启停系统动态性能，主要改善BSG电机快速卸载、快速加载性能及主动续流。本发明的整体思想为通过提高BSG电机励磁的控制电压来改善BSG电机快速加载能力，通过在励磁续流回路中串联泄放电阻来改善BSG电机卸载能力，通过使用主动续流MOSFET实现BSG电机励磁的高效续流循环，提高效率。

使用升压电路，将BSG电机转子励磁绕组的斩波控制电路的输入电压提高至可靠的较高的电压，使BSG电机启动时可迅速输出力矩，控制过程中力矩输出可快速响应控制指令；在BSG电机转子励磁绕组续流回路中串联泄放电阻,当12V电池出现从一个很大的电气负载突然变化到很小的负载，此时通过串联泄放电阻可快速泄放转子励磁绕组的中的励磁电流，从而使BSG电机快速响应停止发电输出，避免12V电池端电压过压；通过增加主动可控续流电路，可减少励磁电流损耗，实现高效续流。

附图说明

图1是传统汽车爪极发电机的电压控制电路原理示意图；

图2是现有怠速起停系统常用的BSG电机的控制电路原理示意图；

图3是常用BSG电机控制电路的励磁绕组电流控制的时间趋势示意图；

图4是本发明实施例BSG电机控制系统的电路原理示意图；

图5是本发明实施例的励磁绕组电流控制的时间趋势示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图4所示，本发明实施例BSG电机控制系统包括12V蓄电池电源、由电源正负两极引出的正母线62、负母线61、接于正负母线间的三相逆变/整流电路5、与逆变电路/整流电路5相连的BSG电机定子三相绕组4，以及顺序串接于正负母线间的斩波降压电路1和BSG电机转子励磁绕组2；斩波降压电路1包括作为功率开关器件的第一MOSFET G1、与第一MOSFET G1并接的第一续流二极管D1和控制第一MOSFET G1，斩波降压电路1的第一MOSFET G1的栅极和三相逆变/整流电路5分别与发动机启停系统的控制电路连接，且第一MOSFET G1的开关动作和三相逆变/整流电路5分别受发动机启停系统的控制电路控制，转子励磁绕组2接于第一MOSFET G1的源极和负母线61之间，转子励磁绕组2具有相串接的励磁绕组等效电阻R2和励磁绕组等效电感L2；在斩波降压电路1和负母线61之间，与转子励磁绕组2并接有第二续流二极管D2；如图4所示，本实施例的BSG电机控制系统在斩波降压电路1输入端处接入一级升压电路3，升压电路3包括滤波电感L3、滤波电容C3、第三二极管D3和第三MOSFET G3，升压电路3的第三MOSFET G3的栅极与发动机启停系统的控制电路连接且开关动作受其控制，滤波电感L3一端接正母线62，另一端分为两路：一路接第三MOSFET G3的漏极后连接至负母线61，另一路接第三二极管D3的正极后作为升压电路3的输出端(也就是第三二极管D3的负极端)再与斩波降压电路1的第一MOSFET G1的漏极连接，滤波电容C3接于第三二极管D3的负极和负母线61之间。

使用升压电路3，其电压输出为30-40V，将转子励磁绕组2的斩波降压电路1的输入电压提高至30-40V的可靠安全电压，如图5所示，由于端电压提高，转子励磁绕组2的励磁电流变化率增大，即励磁电流I(E)可快速上升，从而在BSG电机启动时可迅速输出力矩，控制过程中力矩输出可快速响应控制指令。由于斩波降压电路1的输入电压提高，由V/L＝di/dt可知转子励磁绕组的励磁电流I(E)上升时间加快。如图4所示，在对励磁电流I(E)进行斩波控制时，控制电路控制第一MOSFET G1开通，励磁电流I(E)增加，电流的上升速率将比在直接用12V电池电压时大大提高。这样，在BSG电机启动及发电加载工况下，电机的动态控制性能提高，在启动时可快速输出力矩，快速的动态加载动态响应有助于克服在快速加载变化下引起的电池欠压问题。

优选的，如图4所示，在斩波降压电路1和负母线61之间，与转子励磁绕组2并接有主动可控续流电路20，主动可控续流电路20的导通电阻极小，远小于第二续流二极管D2的导通电阻；具体的，主动可控续流电路20包括与转子励磁绕组2并接的第二MOSFETG2，第二MOSFET G2的栅极与发动机启停系统的控制电路连接且第二MOSFET G2的开关动作受其控制。通过使用第二MOSFET G2，可减少励磁电流I(E)损耗，实现高效续流。在BSG电机处于电动及稳态发电状态下，斩波降压电路1根据控制电路的指令控制转子励磁绕组2励磁电流I(E)的幅值。在加载情况下，控制电路分别控制第一MOSFET G1开通、第二MOSFET G2关断，BSG电机转子励磁绕组2的励磁电流I(E)增加，当I(E)达到设定控制值，控制电路控制三相逆变电路工作；续流过程中，控制电路分别控制第一MOSFET G1关断、第二MOSFET G2开通，由于第二MOSFET G2导通电阻很小，其导通压降远小于第二续流二极管D2，导通损耗小，电流控制变得更加平滑。

优选的，如图4所示，在分别与BSG电机转子励磁绕组2和第二MOSFET G2并接的第二续流二极管D2所在的支路中，串接入泄放电阻R(Z)。在转子励磁绕组2续流回路中串联入泄放电阻R(Z)，当12V电池出现从一个很大的电气负载突然变化到很小的负载，例如从90％的电气负载突变为10％，控制电路会自动关断第一MOSFET G1，此时需要BSG电机停止发电，否则会造成12V电池端电压会形成短暂的过压过程，电压幅值会超过法规规定的容限范围。而通过泄放电阻R(Z)可快速泄放转子励磁绕组3中的电流，从而使BSG电机快速响应，停止发电输出，避免12V电池端电压过压。

与此同时，在续流过程中，由于第二MOSFET G2的内阻远小于励磁绕组等效电阻R2和泄放电阻R(Z)，电流主要从第二MOSFET G2所在支路流过，其导通压降远小于第二续流二极管，导通损耗小。由于开关励磁电流I(E)主要通过第二MOSFET G2续流，起到主动续流的作用，进一步降低续流损耗，并且平滑励磁电流I(E)，这样，使得励磁电流I(E)在斩波期间的平滑程度进一步提高。

当BSG工作在快速卸载的情况下，控制电路控制第一MOSFET G1、第二MOSFETG2和第三MOSFET G3都处于关断状态，BSG电机转子励磁绕组2的电流通过由泄放电阻R(Z)和第二续流二极管D2组成的快速泄放回路放电，这样车载低压蓄电池的端电压过压风险得到控制。可根据实际情况适当选配泄放电阻R(Z)的电阻值，由于BSG电机转子的励磁绕组等效电阻R2通常在1欧姆左右，同时由于滤波电容C3端电压远高于12V蓄电池电压，泄放电阻R(Z)的阻值可以选得较大，通常为励磁绕组等效电阻R2的5-10倍，即R(Z)可在5-10欧姆间；如图5所示，这样励磁绕组续流回路的电气时间常数变为T(E-续流)＝L2/(R2+R(Z))，变更的续流电气时间常数T(E-续流)会远小于原励磁绕组的电气时间常数T(E)，从而降低了BSG电机在快速卸载情况下的惯性，12V电池端电压可控制在有限范围内，从而降低了对整车电气设备的过压风险。

在控制电路控制第一MOSFET G1关断时，第二续流二极管D2导通，BSG电机转子励磁绕组2的励磁电流I(E)由于大电感励磁绕组等效电感L2的存在不会立即发生变化，泄放电阻R(Z)的引入将导致瞬态高电压(瞬态高电压＝I(E)*(R2+R(Z)+V(D2))，V(D2)表示第二续流二极管D2两端电压)，这时第一续流二极管D1及滤波电容C3将起到电压缓冲的作用，同时第三二极管D3可以进一步起到高压阻断的作用，防止瞬态高压对12V蓄电池端电压造成瞬态过压的风险。

在整流工况下，通过控制逆变电路的三相可控功率器件MOSFET，实现主动整流，从而降低在充电模式下逆变电路的导通损耗，提高BSG系统充电效率。

如图5所示的本实施例的电机转子励磁绕组电流控制的时间变化趋势，使用本发明实施例的BSG电机控制系统，BSG电机在启动、稳态及卸载情况下的电机转子励磁绕组电流变化的得到很大改善。电机转子励磁绕组的大电气惯性的劣势已经完全消除，启动及卸载都可实现快速响应，同时降低快速加载欠压及快速卸载电池端电压过压的风险，有效地改善了BSG电机控制的整体响应性能。还可通过控制器提高升压脉宽斩波及降压斩波电路的开关频率，可以平滑励磁电流的斩波影响。由于主动可控续流电路的引入，励磁电流斩波期间的平滑程度提高，效率提高。

如上所云是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思和内涵的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种微混合动力车用BSG电机控制系统，其特征在于：包括由电源两级引出的正负母线、接于正负母线间的三相逆变/整流电路、与三相逆变/整流电路连接的BSG电机定子三相绕组、以及串接于正负母线间的斩波降压电路和BSG电机转子励磁绕组；在电源和斩波降压电路之间接有升压电路，升压电路的输入端与电源相连，其输出端与斩波降压电路输入端相连；三相逆变/整流电路、斩波降压电路、升压电路分别与发动机启停系统的控制电路连接并受其控制；

转子励磁绕组等效为串接的励磁绕组等效电阻和励磁绕组等效电感；在斩波降压电路和负母线之间，与转子励磁绕组分别并接有第二续流二极管和主动可控续流电路，主动可控续流电路的导通电阻阻值小于第二续流二极管的导通电阻阻值；

主动可控续流电路包括与第二续流二极管并联的第二MOSFET，第二MOSFET的栅极与发动机启停系统的控制电路连接并受其控制；

在分别与转子励磁绕组和主动可控续流电路并接的第二续流二极管所在的支路中，串接有泄放电阻，泄放电阻阻值大于励磁绕组等效电阻阻值；

泄放电阻阻值大于等于5倍励磁绕组等效电阻阻值、小于等于10倍励磁绕组等效电阻阻值；

斩波降压电路包括第一MOSFET和与第一MOSFET并接的第一续流二极管，第一MOSFET的栅极与发动机启停系统的控制电路相连并受其控制；升压电路中的输出端与斩波控制电路的第一MOSFET的漏极连接；转子励磁绕组接于第一MOSFET的源极和负母线之间。

2.根据权利要求1所述的BSG电机控制系统，其特征还在于：升压电路包括滤波电感、第三二极管、第三MOSFET和滤波电容，第三MOSFET的栅极与发动机启停系统的控制电路相连并受其控制，滤波电感一端接正母线，另一端分为两路：一路接第三MOSFET的漏极后连接至负母线，另一路接第三二极管正极后作为升压电路的输出端，滤波电容接于第三二极管的负极和负母线之间。

3.根据权利要求1或2所述的BSG电机控制系统，其特征还在于：电源为12V，升压电路的输出电压大于等于30V、小于等于40V。

4.根据权利要求1所述的BSG电机控制系统，其特征还在于：泄放电阻阻值大于等于5欧姆、小于等于10欧姆。