CN104709102A - 电动汽车电池组单元通断与电动机驱动系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了电动汽车电池组单元通断与电动机驱动的系统及其控制方法，所述电池组单元连接系统包括电动机、电池组、传感器和控制器。本发明的系统取消了电池组到电动机之间的功率转换器，控制电池组单元，获得相应的电压信号，直接对电动机作用，减小了能量损耗；可以控制和改变电池输出电压，尤其是在交流电机中，可以根据情况，通过控制固态继电器，实现调压和调频的功能，使得控制形式简单化。

Description

电动汽车电池组单元通断与电动机驱动系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种以电动汽车电池组单元之间通断获得驱动电动机所需电压信号的电机驱动系统及其控制方法，属于电动汽车驱动控制系统。

背景技术

目前，对于电动汽车，其电动机驱动系统主要由电动机、功率转换器、控制器、各种检测传感器以及电源(蓄电池)等部分组成。其电动机，按类型可选用直流、交流、永磁无刷或开关磁阻等几种类型。功率转换器器按所选择电动机类型，有DC/DC功率转换器，DC/AC功率转换器等形式，其作用是按所选择电动机驱动电流要求，将蓄电池的直流电转换为相应电压等级的直流、交流或脉冲电源。各种检测传感器主要有电压、电流、速度、转矩以及温度等检测反馈，以及车辆运行状态传感器，其作用是为提高改善电动机的调速特性而设置，对于永磁无刷电动机或开关磁阻电动机还要求有电动机转角位置检测。由于所选电动机类型不同其控制驱动方式也不同。控制器是按驾驶员操纵档位杆、加速踏板和制动踏板等输入的前进、倒退、起步、加速、制动等信号，以及各种电机检测传感器和车辆运行状态传感器反馈的信号，通过运算、逻辑判断、分析比较等适时向功率转换器发出相应的指令，使整个驱动系统有效的运行。

在直流调速领域内，他励直流电动机是电动汽车直流驱动电动机中的首选电动机，而他励直流电动机，目前已较多地采用PWM调速系统，即脉宽调速。脉宽调速利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电动机的电枢两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均电压，从而达到调节电动机转速的目的。PWM控制方式的速度控制单元由脉冲宽度调制器和脉冲功率放大器两部分组成。

在交流调速领域内，对于三相异步电动机和同步电动机的调速方式大体一致。对于三相异步电动机的调速，常采用改变定子供电电源的频率的方法。如果频率连续可调，则可平滑地调节转速，实现变频调速。同时为保证电动机的输出转矩，要求调频的同时改变定子电压，因此对交流电动机供电的变频器一般要求同时有调频调压的功能。交流电动机选择直-交变频器，主要由DC/DC转换器和逆变器两大部分组成。

上述所介绍的直流和交流调速，电能均从电池组输出后经过相应的功率转换器，再输送给电动机，而功率转换器在工作的过程中，损耗了一定的电能，使得能量转换率降低。在直流调速中改变脉冲宽度和交流调速中改变频率和电压的方法环节复杂。

发明内容

本发明提出了一种电动车电池组单元通断与电动机驱动系统及其控制方法，可以实现控制电池输出电能，并直接对电动机供电，省去了功率转换器，提高了电池的能源利用率，因驱动控制电压信号从电池组产生，并对电动机直接控制，使得控制形式简单化。

为了解决上述现有技术不足之处，本发明目的是提供一种电动汽车用电池组单元连接系统，以克服现有技术中的缺陷。

为了达到上述目的，本发明提供了电动车电池组单元通断与电动机驱动的系统，所述系统包括电动机、电池组、传感器和控制器。所述电池组包括多个电池单元和在连接线路之间的固态继电器，所述固态继电器用于控制所述电池单元导通与断开、数量和时间、电压的大小、并控制单个或多个电池单元在A、B端输出的极性、以及控制在A、B端输出大小、方向以及频率可变的电压信号；所述控制器获得起动、加速、减速及制动信号并结合所述传感器的信息，所述控制器控制所述固态继电器以控制电池组的电池单元的导通与断开，并所述控制器从所述电池组中获得电源的剩余电量情况，所述电池组输出的相应电压信号，驱动电动机运转，在制动环节电动机对电源反馈充电。

优选地，所述电池组的连接方式为多个电池单元并列排布，相邻的两个电池单元之间的极性在空间方向上相反；在每个电池单元的两个极性端，分别连接有固态继电器；相邻的两个电池单元在空间方向的同一侧，通过连接导线相互连接，并在连接导线中连入所述固态继电器；从相邻两个电池单元的空间方向同一侧的连接导线上，分别引出一条引出导线，并在所述引出导线中加入所述固态继电器；将同一侧两个电池单元的极性端的连接导线中接入的所述固态继电器放在接入位置的同一侧；通过导线将引出导线的端点连接在一起，并在相邻的两个引出导线的端点之间也加入所述固态继电器；从引出导线的端点连接线上引出两条导线，从而构成所述电池组的A、B两个端线。

优选地，所述电池组不经过功率转换器直接与所述电动汽车电动机驱动系统的所述电动机电连接，以向所述电动机输出电压信号。

优选地，所述传感器包括电机电压传感器、电机电流传感器、电机速度传感器、电机转矩传感器、电机温度传感器。

优选地，所述电动机为直流电动机或交流电动机。

所述控制器根据车辆的运行情况和电机反馈的信息，控制所述固态继电器的通断，可以输出方向，大小可变的电压波形，通过控制固态继电器的通断时间和次序，可以输出矩形电压波形，当电池组单元个体容量小，单个电池组单元输出电压小的情况下，通过控制，可以输出类似正弦波的电压波形。

本发明的另一目的在于提供了电动汽车电池组单元通断与电动机驱动系统的控制方法，所述控制方法如下：

(1)在电动汽车的起动过程，采用他励直流电动机，当控制器获得起动信息时，结合传感器接受的信号，通过控制固态继电器的通断，使得电池组的电池单元，在保证最低电压所对应的起动转矩大于负载转矩的情况下，逐步增加电池组单元导通的个数，以获得逐级升高的正向电压。起动后，随着转速的上升，控制器控制固态继电器的通断，使得多个电池单元起作用，以提高电动机电枢两端的正向电压，获得所需要的加速转矩。特别优选地，为了使得在起动过程中，电池均衡放电，控制器控制固态继电器高频通断，使得电池组单元在单位时间内高频交替作用。在一个高频交替作用时间内，因电池的放电时间很短，可近似认为电池的输出电压不变，当工作一段时间后，电池的输出能力下降，要获得相同的等级的电压，则要增加电池导通的数量。

(2)采用他励直流电机，对于电动汽车的调速过程:当控制器获得加速信号时，结合传感器接受的信号，控制器控制固态继电器的通断，获得周期的矩形波，在一个周期内，正向电压和反向电压的绝对值大小相等，且所述正向电压和反向电压的绝对值大小对应为电动机的额定电压，通过控制正向时间比反向时间足够长，使得在一个周期内，正向电压的平均值对应的电机转矩大于负载转矩，获得汽车的加速；反之，若在一个周期内，正向电压的平均值对应的电机转矩小于负载转矩，获得汽车的减速。特别优选地，为了使得在调速过程，电池均衡放电，控制器控制固态继电器高频通断，同样使得电池单元在单位时间内高频交替作用。在一个高频交替作用时间内，因电池的放电时间很短，可近似认为电池的输出电压不变，当工作一段时间后，电池的输出能力下降，为补偿压降要增加电池导通的数量以获得相同的电压等级。

(3)采用他励直流电机，对于电动汽车的制动过程：当控制器获得制动信号时，结合传感器接受的信号，控制器控制固态继电器的通断，使得电池组单元的输出电压小于电枢电动势，迫使电流从电枢流向电池，形成制动转矩，电动机再生发电。对于电枢电动势因转速下降而减小，控制器相应逐步减少起作用的电池单元，对于最终电动机的反馈电压不足于对单个电池单元充电，则将电动机转向电阻负载，以消耗残余电动机内的电量。特别优选地，在此过程中，为保证电池单元再生充电均衡，控制器控制固态继电器的高频通断，使得单位交替作用时间内，电池起作用时间相同，对于最终电动机的反馈电压不足于对单个电池单元充电，则将电动机转向电阻负载，以消耗残余电动机内的电量。

本发明的再一目的在于提供了电动汽车电池组单元通断与电动机驱动系统的控制方法，所述控制方法如下：

(1)在电动汽车的起动过程，采用三相异步交流电动机，为保证有足够大的起动转矩和较小的起动电流，电池组要提供的电压信号为类正弦电压信号，即锯齿形类正弦电压信号。在这里，系统采用输出电压较小的电池，以降低转矩冲击，并高频控制固态继电器，以获得所需要的电压信号的频率和电压大小，因起动转矩的大小与电压有效值平方成正比，与电压频率成反比，可以采用电压有效值对应起动电流小于额定电流的基础上，减小电压频率的方法，保证电压频率和大小满足起动转矩大于负载转矩。

(2)在电动汽车的调速过程，采用三相异步交流电机，控制器控制固态继电器的通断，这里系统输出电压较小的电池，并高频控制固态继电器，以降低在获得类似正弦波时的电压冲击，在单位时间内，控制所有的电池工作时间相同，以保证放电均衡。特别优选地，对于加速过程，结合传感器接受的信号，控制器获加速信号后，控制固态继电器的通断，在电机驱动转矩大于负载转矩的基础上，增大类正弦信号的频率，同时调整导通的电池单元的个数，使得电压信号的有效值为电机的额定电压，对于工作一段时间后，压降的补偿，可以采用在增加电压峰值对应导通电池个数，保证电压有效值为电机的额定电压，。对于减速过程，结合传感器接受的信号，调整导通的电池的个数，保证电压有效值为电机的额定转矩的基础上，减小类正弦电压信号的频率，使得对应的电机转矩小于负载转矩，对于压降的补偿，可以采用在不改变电压信号频率的基础上，增加电压信号峰值对应导通电池的个数，使得电压有效值为电机的额定电压，使得电机转矩不变且仍然小于负载转矩。这样可以实现调频兼调压的要求。

(3)在电动汽车的制动过程，采用三相异步交流电机，当控制器获得制动信号时，结合传感器接收的信号，通过控制固态继电器，使得电池组输出的三相电的相序改变，即其中任意两相电的相序对调，以改变旋转磁场的方向。同样，为保证放电均衡，单位时间内，固态继电器高频交替通断，所有电池单元起作用时间相同。

优选地，在电动汽车的调速过程中，结合传感器接受的信号，控制器获加速信号后，控制固态继电器的通断，获得频率增大的类正弦电压信号，对于工作一段时间后，压降的补偿，采用增加电压峰值时刻导通电池单元的个数，以维持电压的有效值；在电动汽车的调速过程的减速过程中，结合传感器接受的信号，同样获得频率减小的类正弦电压信号，对于压降的补偿，采用增加电压峰值时刻导通电池单元的个数，以维持电压的有效值。

优选地，使用如上所述的三个电池组以构成三相交流电。更优选地，所述三个电池组对于所述三相异步交流电动机的绕组为Y型连接或三角型连接。

本发明的电动汽车用电池组单元连接系统的有益效果如下：1、取消了电池组到电动机之间的功率转换器，控制电池组单元，获得相应的电压信号，直接对电动机作用，减小了能量损耗；2、可以控制和改变电池输出电压，尤其是在交流电机中，可以根据情况，通过控制固态继电器，实现调压和调频的功能，使得控制形式简单化。此外，本发明的电动汽车电池组单元通断与电动机驱动系统的控制方法与现有技术相比，其主要优点体现在其通用性，由于本发明的输出电压是可调的，对于直流电机电动车和交流电机电动车，都可以采用本发明，而不用设计不同的系统以满足电机的差异性，其唯一需要改变的只是控制器的控制程序。

附图说明

图1为电动汽车电池组单元通断与电机驱动的系统的基本框图；

图2为电池组单元通断的结构图；

图3a为一个电池单元输出反向电压的结构图；

图3b为图3a输出电压状态示意图；

图4a为一个电池单元输出正向电压的结构图；

图4b为图4a输出电压状态示意图；

图5a为两个电池单元输出反向电压的结构图；

图5b为图5a输出电压状态示意图；

图6a为两个电池单元输出正向电压的结构图；

图6b为图6a输出电压状态示意图；

图7为两个电池单元输出反向电压的另一结构图；

图8为两个电池单元输出正向电压的另一结构图；

图9a为三个电池单元输出反向电压的结构图；

图9b为图9a输出电压状态示意图；

图10a为三个电池单元输出正向电压的结构图；

图10b为图6a输出电压状态示意图；

图11为直流电动机起步过程的电压信号状态图；

图12为直流电动机加速过程的电压信号状态图；

图13为交流电动机起步过程的电压信号状态图；

图14为三相交流正弦电压信号状态图；

图15为交流电动机调速过程的电压信号状态图；

图16为电池组Y型接法的连接方式示意图；

图17为电池组Y型接法的结构示意图；

图18为形成Y型连接的三个电池组中的一个电池组输出I-II端电压信号的电池组单元通断的结构图；

图19为形成Y型连接的三个电池组中的一个电池组输出I-III端电压信号的电池组单元通断的结构图；

图20为形成Y型连接的三个电池组中的一个电池组输出I-IV端电压信号的电池组单元通断的结构图；

图21为电池组三角型接法的连接方式示意图；

图22为电池组三角型接法的结构示意图；

图23为形成三角型连接的三个电池组中的一个电池组输出I-II端电压信号的电池组单元通断的结构图；

图24为形成三角型连接的三个电池组中的一个电池组输出I-III端电压信号的电池组单元通断的结构图；

图25为形成三角型连接的三个电池组中的一个电池组输出II-III端电压信号的电池组单元通断的结构图。

附图标记说明如下：

电池组1、电动机2、传感器3包括电机电压传感器、电机电流传感器、电机速度传感器、电机转矩传感器、电机温度传感器传感器，控制器4、电池单元5、电池单元5A、电池单元5B、电池单元5C、电池单元5D、电池单元5E、电池单元5N、固态继电器6、在7所示的位置，两根导线跨接，并不直接相连、直流电动机起步过程的起始电压U_start、U_M为电动机的额定工作电压、电池组两端的电压直流电机M两端的反馈电压单个单体电池单元的电压第一周期正向时间t1、第一周期反向时间t2、第二周期正向时间t3、第二周期反向时间t4、三相交流正弦电压信号U_A、三相交流正弦电压信号U_B、三相交流正弦电压信号U_C、三相类正弦电压信号U₁、三相类正弦电压信号U₂、三相类正弦电压信号U₃、三相交流电压U1、三相交流电压U2、三相交流电压V1、三相交流电压V2、三相交流电压W1、三相交流电压W2。

具体实施方式

为了使审查员能够进一步了解本发明的结构、特征及其他目的，现结合所附较佳实施例附以附图详细说明如下，本附图所说明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。

请参见图1，图1为本发明所对应的电动汽车电动机驱动系统的基本组成框图。如图1所示，本发明的电池组单元连接系统包括电动机2、电池组1、传感器3和控制器4。其中，电池组1包括多个电池单元5和在连接线路之间的固态继电器6，固态继电器6用于控制电池单元5导通与断开、数量和时间、电压的大小、并控制单个或多个电池单元5在A、B端输出的极性、以及控制在A、B端输出大小、方向以及频率可变的电压信号。控制器4获得起动、加速、减速及制动信号并结合传感器3的信息，控制器4控制固态继电器6以控制电池组电池单元5的导通与断开，并控制器4从电池组1中获得电源的剩余电量情况，电池组1输出的相应电压信号，驱动电动机2运转，在制动环节电动机2对电源反馈充电。

对于电池单元5和固态继电器6的连接方式，请参见图2，图2为本发明的电池组单元通断的结构图。如图2所示，在本发明的电池组中，(i)多个电池单元5并列排布，相邻的两个电池单元5之间的极性在空间方向上是相反的；(ii)每个电池单元5的两个极性端，分别连接有固态继电器6；(iii)对于相邻的两个电池单元5的连接，在空间方向的同一侧，通过连接导线相互连接，并在连接导线中连入固态继电器6；(vi)从相邻两个电池单元5的空间位置同一侧的连接导线上，分别引出一条引出导线，并在所示引出导线中加入固态继电器6；(v)将同一侧两个电池极性端的连接导线中接入的固态继电器6，放在接入位置的同一侧；(vi)通过导线将引出导线的端点连接在一起，并在相邻两个引出导线的端点之间加入固态继电器6；(vii)从引出导线的端点连接线上引出两条导线，从而构成A、B两个端线，以在A、B端输出可调电压大小、方向、频率的电压信号。其中，图2中涂黑的黑点就是最后一个电池N的固态继电器6，固态继电器6也可以放在第N个电池的正极端下侧，它们在功能上都是一样的。

下面，结合附图，详细描述如何在A、B端输出电压大小、方向、频率可调的电压信号。

首先，请参考图3a和图3b，图3a为一个电池单元输出反向电压的结构图，图3b为图3a输出电压示意图。如图3a所示，对于一个电池单元起作用时，即电池单元5A起作用，可以在A、B端输出如图3b所示的电压为-u。并且可以认为，在放电时间比较短的确情况下，-u没有衰减；而且这个放电的时间长短还可以任意控制。

同样的，对于电池单元5A，其也可以在A、B端输出电压为+u。请参考图4a和图4b，图4a为一个电池单元输出正向电压的结构图，图4b为图4a输出电压示意图。如图4a所示，电池单元5A起作用，可以在A、B端输出如图4b所示的电压为+u。并且可以认为，在放电时间比较短的确情况下，+u没有衰减。

需要说明的是，这里面，因为电池单元排布结构没有特殊性，可以控制如图3a和图4a所示的电池单元5A、5B、5C……5N中的任意一个电池单元独自放电，使得在A、B端的电压极性可变。

接着，请参考图5a、图5b、图6a和图6b，其中，图5a为两个电池单元输出反向电压的结构图；图5b为图5a输出电压状态示意图；图6a为两个电池单元输出正向电压的结构图；图6b为图6a输出电压状态示意图。本发明对于两个电池单元的控制，也具有随意性，如图5a和图6a所示，固态继电器6控制电池单元5A和5B放电，从而在A、B端可以输出如图5b和图6b所示的-2u和+2u的电压信号。

此外，请参考图7和图8，其中图7为两个电池单元输出反向电压的另一结构图；图8为两个电池单元输出正向电压的另一结构图。本发明同样可以对任意两个电池单元进行控制，如图7和图8所示，固态继电器6还可以控制电池单元5A和电池单元5C放电，也就是说，本发明在这里可以控制任意两个电池单元放电，从而形成如图5b和图6b所示的-2u和+2u的电压信号。

同样的，对于3个电池单元的控制，如图9a和图10a所示，这里控制电池单元5A、5C和5D同时起作用，从而形成如图9b和图10b所示的-3u和+3u的电压信号。当然，本发明可以任意切换到其他3个电池单元起作用，比如，电池单元5B、5C和5D；电池单元5B、5C和5E；电池单元5C、5E和5F等等，并且这个切换时间可以忽略不计。

由此，通过上述的连接，本发明通过控制导通固态继电器6控制起作用的电池单元5的数量，其中可以使得任何一个电池单元5处于导通和断开状态，这样可以控制电压的大小。同样，当一个或者多个电池单元5起作用时，控制固态继电器6的导通和截止，可以使得在A、B端的输出电压极性改变。就同一个电池单元5和多个电池单元5，通过控制固态继电器6，可以在A、B端输出极性相反的电压信号。

更进一步地，由于本发明是通过控制器4控制固态继电器6，进而以控制电池组电池单元5的导通与断开，因此，本发明的电池组1不需要经过功率转换器便直接与电动汽车电动机驱动系统的电动机2电连接，从而向电动机2输出电压信号，在本发明中，电动机2可以为直流电动机，也可以为交流电动机。由此可见，本发明通过直接对电动机2供电，省去了功率转换器，从而提高了电池的能源利用率，而且由于驱动控制电压信号从电池组1产生，并对电动机2直接进行控制，从而使得本发明的控制形式更加简单化。

在本发明中，控制器4需要获得起动、加速、减速及制动信号，同时结合传感器3的信息，以控制固态继电器6。其中，传感器3包括电机电压传感器、电机电流传感器、电机速度传感器、电机转矩传感器、电机温度传感器。

下面，以电动机分别为他励直流电动机和三相异步交流电动机两种情况，详述本发明的电动汽车电池组单元通断与电动机驱动系统的控制方法。

（一）采用他励直流电动机时，控制方法包括如下步骤：

（1）当控制器4获得起动信息时，结合传感器3接收的信号，通过控制固态继电器6的通断，使得电池组1的电池单元5在保证最低电压所对应的起动转矩大于负载转矩的情况下，逐步增加电池组的电池单元5导通的个数，以获得逐级升高的正向电压；起动后，随着转速的上升，控制器4控制固态继电器6的通断，使得多个电池单元5起作用，以提高电动机2电枢两端的正向电压，获得所需要的加速转矩；

（2）当控制器4获得加速信号时，结合传感器3接收的信号，控制器4控制固态继电器6的通断，获得周期的矩形波，在一个周期内，正向电压和反向电压的绝对值大小相等，且该正向电压和反向电压的绝对值大小对应为电动机2的额定电压，通过控制正向时间比反向时间足够长，使得在一个周期内，正向电压的平均值对应的电机转矩大于负载转矩，获得汽车的加速；反之，若在一个周期内，正向电压的平均值对应的电机转矩小于负载转矩，则获得汽车的减速；

（3）当控制器4获得制动信号时，结合传感器3接收的信号，控制器4控制固态继电器6的通断，使得电池组的电池单元5的输出电压小于电枢电动势，迫使电流从电枢流向电池，形成制动转矩，电动机2再生发电；对于电枢电动势因转速下降而减小，控制器4相应逐步减少起作用的电池单元5；对于最终电动机的反馈电压不足于对单个电池单元5充电，则将电动机2转向电阻负载，以消耗残余电动机2内的电量。

其中，对于当控制器4获得起动信息时，请参阅图11，图11为直流电机起步过程的电压信号状态图。如图11所示，在他励直流电动机的起步过程中，要使得起始电压U_start对应于他励直流电动机的转矩，且大于汽车的负载转矩，以满足汽车的起步要求，然后逐级增加导通电池单元5的个数，提高他励直流电动机2电枢两端的正向电压，以获得需要的加速转矩。

特别的是，在起动过程中，控制器4控制固态继电器6高频通断，使得电池组单元5在单位时间内高频交替作用，以使电池均衡放电，当工作一段时间后，电池的输出能力下降，要获得相同的等级的电压，则要增加电池导通的数量。

而对于当控制器4获得加速信号时，请参阅图12，图12为直流电动机加速过程的电压信号状态图。在调速阶段，U_M为他励直流电动机的额定工作电压，若要加速，如图12所示，只要在一个周期T内，控制正向时间t1、t3比相应的反向时间t2、t4足够大，使得正向平均电压对应的电机转矩大于负载转矩。反之，若要减速，则使得正向平均电压对应的电机转矩小于负载转矩，并且这个周期T是不变的。

特别的是，在调速过程中，控制器4控制固态继电器6高频通断，同样使得电池单元5在单位时间内高频交替作用，以使电池均衡放电，当工作一段时间后，电池的输出能力下降，为补偿压降获得相同的调速能力，要增加电池导通的数量以获得相同的电压等级。

在直流电动机的条件下，控制器4获得制动信号时，其电压的改变状态如下：

（1）由于电池组1的通断个数，是可以随意控制的，因此，通过控制电池组1的单体电池单元5的通断的个数，由此可以控制电池组1的A、B的端电压

(2)在制动环节，直流电机M两端1、2的反馈电压可以大于电池组A、B的端电压这样，直流电机就对电池组1充电；

(3)这里的是衰减的，那么就控制直流电机,使得这样直流电机M一直对电池组1充电；

(4)这里的不是无限小的，其最小值是单个单体电池单元5的电压

(5)当衰减到的时候，这时候，将直流电机转向负载电阻，消耗掉电机M的电量。

特别的是，在制动过程中，控制器4控制固态继电器6的高频通断，使得单位交替作用时间内，电池单元5起作用时间相同，以使电池单元5再生充电均衡。

（二）采用三相异步交流电动机时，需要使用如图2所示的三个电池组结构，以构成三相交流电，其控制方法包括如下步骤：

（1）在电动汽车的起动过程中，电池组1提供类正弦电压信号的电压信号，系统采用输出电压较小的电池，以降低转矩冲击，并高频控制固态继电器6，以获得所需要的电压信号的频率和电压大小，因起动转矩的大小与电压有效值平方成正比，与电压频率成反比，可以采用电压有效值对应起动电流小于额定电流的基础上，减小电压频率的方法，保证电压频率和大小满足起动转矩大于负载转矩；

（2）在电动汽车的调速过程中，控制器4控制固态继电器6的通断，输出电压较小的电池，并高频控制固态继电器6，以降低在获得类似正弦波时的电压冲击，在单位时间内，控制所有的电池单元5的工作时间相同，以保证放电均衡；在加速过程中，结合传感器3接受的信号，控制器4获加速信号后，控制固态继电器6的通断，在满足电机转矩大于负载转矩的基础上，增大类正弦电压信号频率，同时相应调整电池单元5的导通个数，使得电压有效值大小为电机的额定电压，对于工作一段时间后，压降的补偿，增加电压信号在峰值时刻的导通的电池单元5的个数，使得电压有效值仍为电机的额定电压，这时候，电压和频率对应的转矩不变且仍然大于负载转矩；在减速过程中，结合传感器3接受的信号，减小类正弦电压信号频率，同时相应改变电池单元5的导通个数，使得电压有效值大小为电机的额定电压，使得对应电机转矩小于负载转矩，对于压降的补偿，增加电压信号在峰值时刻的导通的电池单元5的个数，使得电压有效值大小仍为电机的额定电压，这时候电压和频率对应的电机的转矩不变且仍然小于负载转矩；

（3）在电动汽车的制动过程中，当控制器4获得制动信号时，结合传感器3接收的信号，通过控制固态继电器6，使得电池组输出的三相电的相序改变，为了保证放电均衡，单位时间内，固态继电器6高频交替通断，所有电池单元5起作用时间相同。

其中，在电动汽车的起动过程中，请参考图13，图13为交流电动机起步过程的电压信号状态图。如图13所示，对于交流电机的起步，一般要求起动电流小于额定电流，起动转矩大于负载转矩。起动转矩与电压的平方成正比，与电压频率成反比，而起动电流只与电压有关，那么可以在保证有效电压对应起动电流小于额定电流的基础上，减小电压频率，输入如图14所示的类正弦电压信号。

而在电动汽车的调速过程中，在电压有效值对应为电机额定电压的基础上，改变电压的频率，以实现调速。具体说，请参考图14和图15，图14为三相交流正弦电压信号状态图，图15为交流电动机调速过程的电压信号状态图。如图15所示，对于交流电机的调速过程，本发明输出三相类正弦电压信号U1、U2和U3，其中他们的相位差是120度，并且这里的频率W是可变的；本发明的交流电动机在调速过程中，只是调整频率，而不调整电压有效值。其中：（a）在加速的过程中，增大频率W，保证电压的有效值不变，电压衰减的话，就增加导通的电池单元5的个数；（b）在减速过程中，减小频率W，保证电压的有效值不变，电压衰减的话，就增加导通的电池单元5的个数。

特别的是，在电动汽车的调速过程中，结合传感器3接受的信号，控制器4获加速信号后，控制固态继电器6的通断，获得频率增大的类正弦电压信号，对于工作一段时间后，压降的补偿，采用增加电压峰值时刻导通电池单元5的个数，以维持电压的有效值；在电动汽车的调速过程的减速过程中，结合传感器3接受的信号，同样获得频率减小的类正弦电压信号，对于压降的补偿，采用增加电压峰值时刻导通电池单元5的个数，以维持电压的有效值。

对于在电动汽车的制动过程中，请继续参考图15，只要U1、U2和U3中，改变其中任意两个电压信号的相序，就可以在三相异步交流电动机中形成制动转矩。所以这部分制动，只是改了相序而已，没有其他的东西。在这个过程中电动机不反馈充电，其仅是为了使得汽车尽快制动。

此外，本发明当采用三相异步交流电动机时，需要使用三个如图2所示的电池组结构，以构成三相交流电，而这三个电池组1对于三相异步交流电动机，其绕组为Y型连接或三角型连接。

对于Y型连接，请参考图16至图20，图16为电池组Y型接法的连接方式示意图，图17为电池组Y型接法的结构示意图，图18为形成Y型连接的三个电池组中的一个电池组输出I-II端电压信号的电池组单元通断的结构图，图19为形成Y型连接的三个电池组中的一个电池组输出I-III端电压信号的电池组单元通断的结构图，图20为形成Y型连接的三个电池组中的一个电池组输出I-IV端电压信号的电池组单元通断的结构图。如图16至图20所示，三个电池组形成Y型连接时，三个电池组共同连接于I点位，三个电池组分别输入I-II端电压信号、I-III端电压信号和I-IV端电压信号，从而构成三相交流电。

对于三角型连接，请参考图21至图25，图21为电池组三角型接法的连接方式示意图，图22为电池组三角型接法的结构示意图，图23为形成三角型连接的三个电池组中的一个电池组输出I-II端电压信号的电池组单元通断的结构图，图24为形成三角型连接的三个电池组中的一个电池组输出I-III端电压信号的电池组单元通断的结构图，图25为形成三角型连接的三个电池组中的一个电池组输出II-III端电压信号的电池组单元通断的结构图。如图21至图25所示，电池组形成三角型连接时，三个电池组首尾相接，三个电池组分别输入I-II端电压信号、I-III端电压信号和II-III端电压信号，从而构成三相交流电。

因此，本发明不仅取消了电池组到电动机之间的功率转换器，控制电池组单元，获得相应的电压信号，直接对电动机作用，减小了能量损耗；而且还可以控制和改变电池输出电压，尤其是在交流电机中，可以根据情况，通过控制固态继电器，实现调压和调频的功能，使得控制形式简单化。

需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。

Claims (13)

1.一种电动汽车电池组单元通断与电动机驱动的系统，其特征在于，所述电池组单元连接系统包括电动机（2）、电池组（1）、传感器（3）和控制器（4）；其中：

电池组（1）包括多个电池单元（5）和在连接线路之间的固态继电器（6），固态继电器（6）用于控制电池单元（5）导通与断开、数量和时间、电压的大小、并控制单个或多个电池单元（5）在A、B端输出的极性、以及控制在A、B端输出大小、方向以及频率可变的电压信号；

控制器（4）获得起动、加速、减速及制动信号并结合传感器（3）的信息，控制器（4）控制固态继电器（6）以控制电池组电池单元（5）的导通与断开，并控制器（4）从电池组（1）中获得电源的剩余电量情况，电池组（1）输出的相应电压信号，驱动电动机（2）运转，在制动环节电动机（2）对电源反馈充电。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，电池组（1）的连接方式为多个电池单元（5）并列排布，相邻的两个电池单元（5）之间的极性在空间方向上相反；在每个电池单元（5）的两个极性端，分别连接有固态继电器（6）；相邻的两个电池单元（5）在空间方向的同一侧，通过连接导线相互连接，并在连接导线中连入固态继电器（6）；从相邻两个电池单元（5）的空间方向同一侧的连接导线上，分别引出一条引出导线，并在所述引出导线中加入固态继电器（6）；将同一侧两个电池单元（5）的极性端的连接导线中接入的固态继电器（6）放在接入位置的同一侧；通过导线将引出导线的端点连接在一起，并在相邻的两个引出导线的端点之间也加入固态继电器（6）；从引出导线的端点连接线上引出两条导线，从而构成电池组（1）的A、B两个端线。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，电池组（1）不经过功率转换器直接与所述电动汽车电动机驱动系统的电动机（2）电连接，以向电动机（2）输出电压信号。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，传感器（3）包括电机电压传感器、电机电流传感器、电机速度传感器、电机转矩传感器、电机温度传感器。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，电动机（2）为直流电动机或交流电动机。

6.一种如权利要求1～5任一所述的系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

(1)当控制器（4）获得起动信息时，采用他励直流电动机（2），结合传感器（3）接收的信号，通过控制固态继电器（6）的通断，使得电池组（1）的电池单元（5）在保证最低电压所对应的起动转矩大于负载转矩的情况下，逐步增加电池组的电池单元（5）导通的个数，以获得逐级升高的正向电压；起动后，随着转速的上升，控制器（4）控制固态继电器（6）的通断，使得多个电池单元（5）起作用，以提高电动机（2）电枢两端的正向电压，获得所需要的加速转矩；

(2)当控制器（4）获得加速信号时，采用他励直流电机（2），结合传感器（3）接收的信号，控制器（4）控制固态继电器（6）的通断，获得周期的矩形波，在一个周期内，正向电压和反向电压的绝对值大小相等，且所述正向电压和反向电压的绝对值大小对应为电动机（2）的额定电压，通过控制正向时间比反向时间足够长，使得在一个周期内，正向电压的平均值对应的电机转矩大于负载转矩，获得汽车的加速；反之，若在一个周期内，正向电压的平均值对应的电机转矩小于负载转矩，获得汽车的减速；

(3)当控制器（4）获得制动信号时，采用他励直流电机（2），结合传感器（3）接收的信号，控制器（4）控制固态继电器（6）的通断，使得电池组的电池单元（5）的输出电压小于电枢电动势，迫使电流从电枢流向电池，形成制动转矩，电动机（2）再生发电；对于电枢电动势因转速下降而减小，控制器（4）相应逐步减少起作用的电池单元（5）；对于最终电动机的反馈电压不足于对单个电池单元充电，则将电动机转向电阻负载，以消耗残余电动机内的电量。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在起动过程中，控制器（4）控制固态继电器（6）高频通断，使得电池组单元（5）在单位时间内高频交替作用，以使电池均衡放电，当工作一段时间后，电池的输出能力下降，要获得相同的等级的电压，则要增加电池导通的数量。

8.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在调速过程中，控制器（4）控制固态继电器（6）高频通断，同样使得电池单元（5）在单位时间内高频交替作用，以使电池均衡放电，当工作一段时间后，电池的输出能力下降，为补偿压降获得相同的调速能力，要增加电池导通的数量以获得相同的电压等级。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，在制动过程中，控制器（4）控制固态继电器（6）的高频通断，使得单位交替作用时间内，电池起作用时间相同，以使电池单元（5）再生充电均衡。

10.一种如权利要求1～5任一所述的系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

(1)在电动汽车的起动过程中，采用三相异步交流电动机，电池组提供类正弦电压信号的电压信号，所述系统采用输出电压较小的电池，以降低转矩冲击，并高频控制固态继电器（6），以获得所需要的电压信号的频率和电压大小，因起动转矩的大小与电压有效值平方成正比，与电压频率成反比，采用电压有效值对应起动电流小于额定电流的基础上，减小电压频率的方法，保证电压频率和大小满足起动转矩大于负载转矩；

(2)在电动汽车的调速过程中，采用三相异步交流电机，控制器（4）控制固态继电器（6）的通断，输出电压较小的电池，并高频控制固态继电器（6），以降低在获得类似正弦波时的电压冲击，在单位时间内，控制所有的电池单元（5）的工作时间相同，以保证放电均衡；在加速过程中，结合传感器（3）接受的信号，控制器（4）获加速信号后，控制固态继电器（6）的通断，在满足电机转矩大于负载转矩的基础上，增大类正弦电压信号频率，同时相应调整电池单元（5）的导通个数，使得电压有效值大小为电机的额定电压，对于工作一段时间后，压降的补偿，增加电压信号在峰值时刻的导通的电池单元（5）的个数，使得电压有效值仍为电机的额定电压，这时候，电压和频率对应的转矩不变且仍然大于负载转矩；在减速过程中，结合传感器（3）接受的信号，减小类正弦电压信号频率，同时相应改变电池单元（5）的导通个数，使得电压有效值大小为电机的额定电压，使得对应电机转矩小于负载转矩，，对于压降的补偿，增加电压信号在峰值时刻的导通的电池单元（5）的个数，使得电压有效值大小仍为电机的额定电压，这时候电压和频率对应的电机的转矩不变且仍然小于负载转矩。

(3)在电动汽车的制动过程中，采用三相异步交流电机，当控制器（4）获得制动信号时，结合传感器（3）接收的信号，通过控制固态继电器（6），使得电池组输出的三相电的相序改变，为了保证放电均衡，单位时间内，固态继电器（6）高频交替通断，所有电池单元（5）起作用时间相同。

11.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，在电动汽车的调速过程中，结合传感器（3）接受的信号，控制器（4）获加速信号后，控制固态继电器（6）的通断，获得频率增大的类正弦电压信号，对于工作一段时间后，压降的补偿，采用增加电压峰值时刻导通电池单元（5）的个数，以维持电压的有效值；在电动汽车的调速过程的减速过程中，结合传感器（3）接受的信号，同样获得频率减小的类正弦电压信号，对于压降的补偿，采用增加电压峰值时刻导通电池单元（5）的个数，以维持电压的有效值。

12.如权利要求10或11所述的控制方法，其特征在于，使用如权利要求1或2所述的三个电池组（1）以构成三相交流电。

13.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述三个电池组（1）对于所述三相异步交流电动机的绕组为Y型连接或三角型连接。