CN104118331A - 混合动力汽车电机驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种混合动力汽车电机驱动电路，包括电能储能装置、直流母线、三相电动机、三相发电机、两个二桥臂变流器和公共桥臂，公共桥臂连接在直流母线正极端子和负极端子之间，三相电动机的其中两相绕组端口分别连接在其中一个二桥臂变流器的两个桥臂的节点上，三相发电机的其中两相绕组端口分别连接在另一个二桥臂变流器的两个桥臂的节点上，三相电动机的另一相绕组端口和三相发电机的另一相绕组端口连接，并通过公共桥臂与直流母线相连。本发明的混合动力汽车电路拓扑能够提高电气驱动系统的转换效率，降低散热需求，同时减少驱动系统器件数量。

Description

混合动力汽车电机驱动电路

技术领域

本发明涉及电机驱动电路领域，具体设计混合动力汽车电机驱动电路。

背景技术

目前，随着世界各国对汽车排放的控制和日益关注，清洁、环保、节能的电动汽车已经成为世界汽车工业发展的热点。混合动力汽车（HEV）技术经过近20年的发展，已经逐步成为一种相对成熟的技术。在混合动力汽车系统中，汽车驱动系统被分为了内燃机发电和电动机驱动两大部分，这两部分装置不仅需要类似行星齿轮箱的机械传动连接，更重要的是这两部分装置的发电与驱动电路还需要与电池储能设备协同合作，相互联系地提高混合动力汽车的燃油效率和电池能量使用效率，于是如何把发电机、电动机以及电池组可靠、合理、高效的连接在一起，就成为了混合动力汽车领域的关键技术之一。

美国专利公开说明书US7164253B2公开了一种电动机驱动电路结构，直流电池和变压器相连接，在变压器的输出端，即在电源线和地线之间设有一电容器和两个三桥臂变流器，三桥臂变流器中各桥臂的中点与电动机的三相绕组的各相端连接。使控制部输出从这两电动机的转速和目标输出算出的两个三桥臂变流器输入目标电压中较高的电压。通过选择两个三桥臂变流器中输入目标电压中较高的电压来提高整个效率。当算出的三桥臂变流器输入目标电压超过一规定的上限值时，控制部最好把输入目标电压设为该上限值。可减小最大电流量，因此可使得三桥臂变流器和电动机小型化，并降低其成本。但是该专利并未公开电池组、发电机和电动机相互联系且高效的工作来提高驱动电机整体的工作效率。而在混合动力汽车中，除了电池组和电动机外，还需要与发电机相互配合的工作。即需要发电机输出的电能能够高效的提供给电动机工作，同时还需要发电机、电动机和电池组三者相互配合使得整个电机驱动系统高效工作。因此如何减少发动机和电动机之间的功率变换以提高系统效率，并减少散热成为混合动力汽车电机驱动电路目前亟待解决的问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种混合动力汽车电机驱动电路，这种混合动力汽车电机驱动电路能够将电池组、电动机和发电机高效的连接在一起，提高混合动力汽车的燃油效率和电池使用效率，同时减少驱动系统器件数量。

为了实现上述目的，本发明提出了一种混合动力汽车电机驱动电路，包括：

电能储能装置；

直流母线，所述直流母线具有正极端子和负极端子；

三相电动机；

三相发电机；

两个二桥臂变流器，其中一个二桥臂变流器包括并联在所述直流母线正极端子和负极端子之间的第一桥臂和第二桥臂，其中另一个二桥臂变流器包括并联在所述直流母线正极端子和负极端子之间的第三桥臂和第四桥臂，每个所述桥臂包括串联的两个开关器件，所述两个开关器件之间具有节点；

公共桥臂，所述公共桥臂连接在所述直流母线正极端子和负极端子之间，用于给所述三相电动机和三相发电机提供电流回路；

三相电动机的其中两相绕组端口分别连接在其中一个二桥臂变流器的两个桥臂的节点上，三相发电机的其中两相绕组端口分别连接在另一个二桥臂变流器的两个桥臂的节点上，所述三相电动机的另一相绕组端口和所述三相发电机的另一相绕组端口连接，并通过所述公共桥臂与所述直流母线的正极端子和负极端子相连。

本发明采用两个二桥臂变流器可以同时控制三相发电机和三相电动机，使得三相发电机发出的能量可以直接提供给与三相发电机另一相绕组相连接的三相电动机使用。无需经过变流装置，可以提高电机驱动系统的效率。同时采用两个二桥臂变流器能够减少元器件的数量，降低了成本和系统散热。

优选的，还包括双向DC/DC变流器和储能单元，双向DC/DC变流器包括第一输入/输出端口和第二输入/输出端口，所述第一输入/输出端口与所述电能储能装置的正负极相连，所述第二输入/输出端口与所述直流母线相连；储能单元的两个端口与直流母线连接。双向DC/DC变流器和储能单元可以稳定直流母线上的电压，同时能够控制电能储能装置的充电和放电。

优选的，所述公共桥臂为串联的两组电容，所述三相电动机的另一相绕组端口和所述三相发电机的另一相绕组端口同时连接在所述两组电容的节点上。串联的两组电容能够给三相发电机和三相电动机直接相连的另一相提供电流回路

优选的，所述公共桥臂为包括两个开关器件串联形成的第五桥臂，所述两个开关器件之间具有节点，所述三相电动机的另一相绕组端口和所述三相发电机的另一相绕组端口同时连接在所述第五桥臂的节点上。第五桥臂作为三相电动机和三相发电机共同连接的一个桥臂，能够作为三相电动机和三相发电机共同的电流回路，其中第五桥臂上的电流为三相发电机和三相电动机相连的一相绕组中的电流的矢量和。

优选的，所述第五桥臂中的两个开关器件的耐受电流是所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂或第四桥臂中的开关器件的耐受电流的2倍。第五桥臂上的开关器件的导电容量是其他四个桥臂上的导电容量的2倍，能够安全有效的防止第五桥臂上的开关器件被击穿。

优选的，所述开关器件为绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管，且所述开关器件具有反向并联的寄生二极管。

优选的，所述储能单元为储能电容。储能电容用于储存电能储能装置输出电能、三相发电机输出电能以及三相电动机制动下输出电能。

优选的，电机驱动电路还包括滤波电容，所述滤波电容与所述电池组的正负极相连。在双向DC/DC变流器给电池组充电过程中，滤波电容过滤高频交流成分，有效的保护电池组并提高电池组的寿命。

优选的，所述电能储能装置为电池组。例如可以是各种型号的锂离子电池、铅蓄电池或铁锂电池，还可以是超级电容。用于给三相电动机或汽车上的其他用电装置提供电能。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1是本发明一个较佳实施方式的混合动力汽车电机驱动电路结构示意图；

图2是图1所示的混合动力汽车电机驱动电路的一个实施方式的电路图；

图3是一个四桥臂变流器的控制装置的结构方框图；

图4是图1所示的混合动力汽车电机驱动电路的另一个实施方式的电路图。

主要元器件符号说明

1  双向DC/DC变流器

2  五桥臂变流器

3  三相电动机

4  三相发电机

5  双向DC/DC变流器的第一输入/输出端口

6  双向DC/DC变流器的第二输入/输出端口

7  直流母线正极端子

8  直流母线负极端子

9  四桥臂变流器

91、92  二桥臂变流器

10、11  公共桥臂

101  能量管理控制器

102  驱动电流计算器

103、104  减法器

105、106  电流控制器

107  二桥臂电动机驱动PWM模块

108  二桥臂发电机驱动PWM模块

B  电池组

C1、C2、C3、C4  电容

Q1、Q2  绝缘栅双极型晶体管

D1、D2  寄生二极管

S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10  开关器件

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

图1是本发明一个较佳实施方式的混合动力汽车电机驱动电路结构示意图。如图1所示，混合动力汽车电机驱动电路包括电池组B、电容C4、双向DC/DC变流器1、电容C3、由两个二桥臂变流器91和92（参见图2）构成的四桥臂变流器9、三相电动机3和三相发电机4。电容C4连接在电池组B的正负极两端，能够起到滤波作用。双向DC/DC变流器1具有第一输入/输出端口5和第二输入/输出端口6，双向DC/DC变流器1的第一输入/输出端口5与电池组B的正负极连接，双向DC/DC变流器1的第二输入/输出端口6连接在直流母线的正极端子7和负极端子8上，在直流母线的正极端子7和负极端子8之间连接有电容C3，且四桥臂变流器9连接在直流母线的正极端子7和负极端子8之间，三相电动机3和三相发电机4分别连接在四桥臂变流器9中各桥臂（参见图2和图4）的节点上。

在图1所示的电机驱动电路结构中，双向DC/DC变流器1与电池组B的正负极直接连接，同时电容C3连接在直流母线的正极端子7和负极端子8之间，可以在升高电池电压的同时，保证直流母线的正极端子7和负极端子8之间的电压恒定，用于稳定地提供给三相电动机3所需的电压。

除此之外，双向DC/DC变流器1还能够控制电池组B的充放电过程，当三相发电机4不发电时，可以控制电池组B放电，经过DC/DC变换和DC/AC变换给三相电动机3供电从而带动三相电动机3运转。当三相发电机4运转发电时，如果三相发电机4发出的电能大于三相电动机3所需的电能，四桥臂变流器9经过AC/DC变换将电能储存在电容C3上，双向DC/DC变流器1再经过DC/DC变换将三相发电机4多余的电能储存在电池组B中，电池组B可以是各种型号和数目的可充电电池，例如可以是锂离子电池，铅蓄电池、铁锂电池。还可以是其他电能储能装置，例如超级电容。当三相电动机3制动时，经过AC/DC变换和DC/DC变换还可以将三相电动机3制动产生的电能储存在电池组B中。

在电池组B充放电的过程中，电容C3起到储能和解耦的作用。在实际的实施过程中，当电池组B放电时，双向DC/DC变流器1通过DC/DC变换将电池组B的电能储存在电容C3上，并且使得电容C3与直流母线的正极端子7连接的上极板带正电荷，与直流母线的负极端子8连接的下极板带负电荷。另外，当三相发电机4发出的电能大于三相电动机3所需的电能或三相电动机3制动产生电能时，通过四桥臂变流器9实现AC/DC变换将三相发电机输出电能或三相电动机制动产生的电能储存在电容C3上。

在电池组B的充电过程中，双向DC/DC变流器1的第二输入/输出端口6与电容C3相连接，通过DC/DC变换，将电容C3储存的电能转换到电池组B中，由于电容C4与电池组B的正负极相连接，因此可以起到滤波作用，能够有效地过滤高频交流成分，从而减小充电过程中对电池组B的损害。同时电容C4也可以过滤电池组B中的高频交流成分。

图2是图1所示的混合动力汽车电机驱动电路的一个实施方式的电路图。电池组B、电容C4以及双向DC/DC变流器1为本领域技术人员公知技术特征，图中并未示出。如图2所示，二桥臂变流器91和二桥臂变流器92并联在直线母线的正极端子7和负极端子8之间。二桥臂变流器91具有两个桥臂，二桥臂变流器92具有两个桥臂，二桥臂变流器91和二桥臂变流器92构成一个四桥臂变流器9，四桥臂变流器9从左到右依次有第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，其中每个桥臂上具有串联的两个开关器件。在本发明中开关器件优选绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。可替代地，开关器件还可以是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。且每个开关器件都具有一个反向并联的寄生二极管。例如在图2所示的最左侧的第一个桥臂上，绝缘栅双极型晶体管Q1与寄生二极管D1反向并联，即绝缘栅双极型晶体管Q1的集电极与寄生二极管D1的负极连接并且同时与直流母线的正极端子7连接，绝缘栅双极型晶体管Q1的发射极与寄生二极管D1的正极连接。绝缘栅双极型晶体管Q2的集电极与寄生二极管D2的负极连接，绝缘栅双极型晶体管Q2的发射极与寄生二极管D2的正极连接并且同时与直流母线的负极端子8连接。绝缘栅双极型晶体管Q1与寄生二极管D1构成开关器件S1，绝缘栅双极型晶体管Q2与寄生二极管D2构成开关器件S2。开关器件S1和S2串联并使得绝缘栅双极型晶体管Q1的发射极、寄生二极管D1的正极、绝缘栅双极型晶体管Q2的集电极和寄生二极管D2的负极连接。开关器件S1和S2相连接处即为第一桥臂的节点。四桥臂变流器9的其它三个桥臂中元器件的组成和结构与第一桥臂相同，此处不再赘述。

公共桥臂10为两个串联的电容C1和C2，电容C1和C2串联后连接在直流母线的正极端子7和负极端子8之间，用于给三相电动机和三相发电机提供电流回路。可选的，公共桥臂10可以是两组电容串联后连接在直流母线的正极端子7和负极端子8之间，每组电容可以是多个电容的串并联组合形式。

三相电动机3具有三相绕组，并且为星形连接，其中两相绕组端口分别连接在第一个桥臂的节点和第二桥臂的节点上，为了叙述方便，在此我们定义与第一桥臂的节点连接的是三相电动机3的A相，与第二桥臂的节点连接的是三相电动机3的B相，三相电动机3的C相连接在电容C1和C2的节点上，从而与三相电动机3的其他两相绕组形成电流回路。三相发电机4具有三相绕组，并且为星形连接，其中两相绕组端口U相和V相分别连接在第三桥臂的节点和第四桥臂的节点上，即与第三桥臂的节点连接的是三相发电机4的U相，与第四桥臂的节点连接的是三相发电机4的V相，且三相电动机3的C相和三相发电机4的W相相连并同时连接在电容C1和C2的节点上。

三相电动机3和三相发电机4都是采用星形连接的三相驱动系统，由于电机的对称特性，根据结点理论，当电机的其中两相电流得到控制和确定时，第三相电流与其中两相的电流的矢量和相反，因此在本实施方式中，只需要控制三相电动机3的A相和B相，以及三相发电机4的U相和V相的电流，并给相互连接的C相和W相提供一条电流回路即可利用两个二桥臂同时实现对三相电动机3和三相发电机4的控制。

图3是一个四桥臂变流器的控制装置的结构方框图。三相电动机3转矩前指令值输入给能量管理控制器101，能量管理控制器101将得到的三相电动机3的转矩指令值和三相发电机4的转矩指令值输入给驱动电流计算器102，同时驱动电流计算器102接收三相电动机3的角位置和角速度以及三相发电机4的角位置和角速度，驱动电流计算器102根据这些输入信号输出三相电动机3的A相和B相电流指令值，以及输出三相发电机4的U相和V相电流指令值，并分别将输出三相电动机3的A相和B相电流指令值传给减法器103，将三相发电机4的U相和V相电流指令值传给减法器104。其中，减法器103同时接收三相电动机3的A相和B相电流实际值，将三相电动机3的A相和B相电流的指令值和实际值做减法运算后输出给电流控制器105，电流控制器105可以通过查表控制、滞环控制或矢量控制算法产生控制信号，并将控制信号输出给二桥臂电动机驱动PWM模块107，二桥臂电动机驱动PWM模块107用于控制开关器件S1、S2、S3和S4使其处于导通或截止状态，从而控制三相电动机3的A相和B相电流。同理，电流控制器106也可以通过查表控制、滞环控制或矢量控制算法产生控制信号，并将控制信号输出给二桥臂电动机驱动PWM模块108，用于控制开关器件S5、S6、S7和S8，使其处于导通或截止状态，从而控制三相发电机4的U相和V相电流。由于三相电动机或三相发电机中的三相的电流矢量和为零，因此当三相电动机3的A相和B相电流得到控制时，三相电动机3的C相电流也得到控制。同理当三相发电机4的U相和V相电流得到控制时，W相电流也得到控制。

图4是图1所示的混合动力汽车电机驱动电路的另一个实施方式的电路图。其与图2所示基本相同，区别在于，公共桥臂11为两个串联的开关器件S9和开关器件S10。开关器件S9和开关器件S10串联后并联在直流母线的正极端子7和负极端子8之间。其中公共桥臂11和四桥臂变流器9构成一个五桥臂变流器2，开关器件S9和S10构成第五桥臂。其中每个桥臂上的开关器件的数目和连接方式和图2所示一样，在此不再赘述。公共桥臂11上串联的两个开关器件S9和S10的耐受电流是其他开关器件S1至S8中任意一个耐受电流的2倍，从而使得开关器件S9和S10的导电容量是其他开关器件的导电容量的2倍。在其他的实施例中，开关器件S9和S10可以和其他开关器件S1至S8完全相同，即具有相同的导电容量。此处公共桥臂11构成的第五桥臂即为三相发电机4的W相和三相电动机3的C相绕组共同连接的桥臂。当三相电动机3制动时，三相电动机3产生的电能会通过开关器件S1、S2、S3、S4、S9和S10的导通或截止储存在电容C3上，如果此时三相发电机4同样处于发电状态，那么三相发电机4产生的电能也会通过开关器件S5、S6、S7、S8、S9和S10的导通或截止储存在电容C3上，此时三相发电机4输出的电能和三相电动机3制动产生的电能可能同时经过开关器件S9和S10储存在电容C3上，因此使得开关器件S9和S10的耐受电流增加1倍能够在三相电动机3与三相发电机4同时运行在发电状态时，防止开关器件S9和S10由于电流过载而损坏。图4所示的电机驱动电路的工作模式和图2所述基本一致。在此不做具体描述。

本发明通过采用两个二桥臂变流器和一个公共桥臂实现了交流电和直流电的相互变换，并且能够同时控制三相发电机和三相电动机。在不考虑电池组储存电能的情况下，其中三相电中的两相需要经过两次功率变换，即其中两相需要经过AC/DC和DC/AC变换。而三相发电机和三相电动机连接在公共桥臂上的另外一相，三相发电机输出的电能可以直接被三相电动机使用。无需经过AC/DC和DC/AC变换。因此提高了系统的整机效率。另外，两个二桥臂变流器中元器件数目比两个三桥臂变流器中的元器件数目减少，能够有效的降低电机驱动系统的散热和成本，并能够减小电机驱动系统的体积。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种混合动力汽车电机驱动电路，其特征在于，该驱动电路包括：

电能储能装置（B）；

直流母线，所述直流母线具有正极端子（7）和负极端子（8）；

三相电动机（3）；

三相发电机（4）；

两个二桥臂变流器（91，92），其中一个二桥臂变流器包括并联在所述直流母线正极端子（7）和负极端子（8）之间的第一桥臂和第二桥臂，其中另一个二桥臂变流器包括并联在所述直流母线正极端子（7）和负极端子（8）之间的第三桥臂和第四桥臂，每个所述桥臂包括串联的两个开关器件（S1,S2；S3,S4；S5,S6；S7,S8），所述两个开关器件之间具有节点；

公共桥臂（10;11），所述公共桥臂（10;11）连接在所述直流母线正极端子（7）和负极端子（8）之间，用于给所述三相电动机（3）和三相发电机（4）提供电流回路；

所述三相电动机（3）的其中两相绕组端口分别连接在其中一个二桥臂变流器的两个桥臂的节点上，所述三相发电机（4）的其中两相绕组端口分别连接在另一个二桥臂变流器（9）的两个桥臂的节点上，所述三相电动机（3）的另一相绕组端口和所述三相发电机（4）的另一相绕组端口连接，并通过所述公共桥臂（10;11）与所述直流母线的正极端子（7）和负极端子（8）相连。

2.根据权利要求1所述的混合动力汽车电机驱动电路，其中所述混合动力汽车电机驱动电路还包括：

双向DC/DC变流器（1），其包括第一输入/输出端口（5）和第二输入/输出端口（6），所述第一输入/输出端口（5）与所述电能储能装置（B）的正负极相连，所述第二输入/输出端口（6）与所述直流母线相连；

储能单元（C3），所述储能单元（C3）的两个端口与所述直流母线连接。

3.根据权利要求1或2所述的混合动力汽车电机驱动电路，其中所述公共桥臂（10）为串联的两组电容（C1,C2），所述三相电动机（3）的另一相绕组端口和所述三相发电机（4）的另一相绕组端口同时连接在所述两组电容（C1,C2）的节点上。

4.根据权利要求1或2所述的混合动力汽车电机驱动电路，其特征在于，所述公共桥臂（11）为包括两个开关器件（S9,S10）串联形成的第五桥臂，所述两个开关器件（S9,S10）之间具有节点，所述三相电动机（3）的另一相绕组端口和所述三相发电机（4）的另一相绕组端口同时连接在所述第五桥臂的节点上。

5.根据权利要求4所述的混合动力汽车电机驱动电路，其特征在于，所述第五桥臂中的两个开关器件（S9,S10）的耐受电流是所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂或第四桥臂中的开关器件（S1,S2；S3,S4；S5,S6；S7,S8）的耐受电流的2倍。

6.根据权利要求4所述的混合动力汽车电机驱动电路，其特征在于，所述开关器件为绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管，且所述开关器件具有反向并联的寄生二极管。

7.根据权利要求2所述的混合动力汽车电机驱动电路，其特征在于，所述储能单元为储能电容（C3）。

8.根据权利要求2所述的混合动力汽车电机驱动电路，其特征在于，还包括滤波电容（C4），所述滤波电容（C4）与所述电能储能装置（B）的正负极相连。

9.根据权利要求1或2所述的混合动力汽车电机驱动电路，其特征在于，所述电能储能装置为电池组（B）。