CN104767465A - 一种电动车用永磁电机驱动装置 - Google Patents

Abstract

一种电动车用永磁电机驱动装置。当整车处于正常行驶状态时，预充电电路(4)闭合，车载充电装置的开关(55)断开，车载充电装置(5)不工作，IGBT模块(52、53)开通，将永磁电机(2)三相绕组(21、22、23)的a、b、c端连接在一起，形成三相绕组星接结构。当永磁电机(2)出现弱磁保护飞车故障，三相逆变器(3)的IGBT模块出现保护封锁，IGBT模块(52、53)断开，永磁电机(2)的三相绕组不能形成回路。当整车处于停车充电状态时，预充电电路(4)断开，车载充电装置的开关(55)闭合，三相绕组的a、b、c端连接在三相电网上，三相电经整流桥(51)整流，再经IGBT模块(52)斩波降压，电感(54)和电容(56)滤波稳压后为电池组(1)充电。

Description

一种电动车用永磁电机驱动装置

技术领域

本发明涉及一种电动汽车用驱动装置。

背景技术

随着全社会对能源和环境问题的关注，电动汽车成为关注的焦点。永磁电机驱动系统具有高效节能、功率密度高、出转矩能力大等优点，广泛应用于电动汽车驱动系统中。但是永磁电机如果处于弱磁状态，一旦逆变器出现保护，IGBT封锁，电机的反电势迅速升高，此电压如果超过逆变器的直流电压，就会迅速向电池中充电，造成装置的损坏。目前最常用的保护方法是将逆变器的直流侧并联泄放电路，再出现保护时接通泄放电路，将此部分能量消耗；但是这样会造成泄放电阻瞬间承受很大电流，温度迅速上升，电机转速迅速下降，造成整车的安全性和舒适性变差。另一种方法是通过控制逆变器处于零矢量状态，将电机短路，避免对逆变器造成损坏，但是这种方法只能保护逆变器本身，电机处于短路状态，短路电流很快会使得电机温度上升，严重时烧毁电机。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有永磁电机弱磁保护的高反电势问题，提出一种新的永磁电机驱动装置。本发明既可以实现正常的电力驱动，也可以实现对电池的充电，在出现弱磁保护的情况时，还能对永磁电机驱动装置进行保护，且在保护时不会对整车的安全性和舒适性造成影响。

本发明电动车用永磁电机驱动装置，至少包含一个电池组、一个永磁电机、一个三相逆变器、一个预充电电路，以及一个车载充电装置。所述三相逆变器包含第一电容和六个IGBT模块，分别是第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块、第四IGBT模块、第五IGBT模块和第六IGBT模块。电池组通过预充电电路和三相逆变器的直流侧连接在一起。车载充电装置包含一个三相整流桥、第七IGBT模块、第八IGBT模块、一个电感、开关和第二电容。第七IGBT模块和第八IGBT模块串联在一起，并且和三相整流桥并联；电感和开关串联，且连接在第七IGBT模块的发射极上；第二电容并联在开关和第八IGBT模块的发射极之间。第七IGBT模块、第八IGBT模块、电感、开关和第二电容形成BUCK斩波电路。永磁电机包含第一绕组、第二绕组和第三绕组，第一绕组的两端为A、a，第二绕组的两端B、b，第三绕组的两端为C、c。第一绕组的一个端口A、第二绕组的一个端口B、第三绕组的一个端口C分别与三相逆变器的交流输出连接；与传统三相星接绕组电机不同的是，第一绕组的另一个端口a、第二绕组的另一个端口b、第三绕组的另一个端口c并不是直接连接在一起，第一绕组的另一个端口a、第二绕组的另一个端口b、第三绕组的另一个端口c分别与车载充电装置的输入端连接在一起。车载充电装置的输出端与电池组连接在一起，通过控制第七IGBT模块和第八IGBT模块的导通和关断可以实现第一绕组、第二绕组和第三绕组的端口a、b、c的连接和分离。本发明巧妙的利用了永磁电机和三相逆变器工作时，车载充电装置不工作，车载充电装置工作时永磁电机和三相逆变器不工作的特性，在驱动状态时借用车载充电装置的电路实现保护功能。

通过控制车载充电装置的第七IGBT模块和第八IGBT模块开通和关断，可以实现三相整流桥交流输入端的短路和开路，构成一个短路装置。当第七IGBT模块和第八IGBT模块开通，假定三相整流桥的三端开路，则三端的电压为三相逆变器控制的电压，可能是直流母线电压，也可能是零，此电压由桥臂的开关状态决定。当某一相的电压为直流母线电压时，对应的整流桥的上桥臂二极管导通；当某一相的电压为零时，对应的整流桥的下桥臂二极管导通；而第七IGBT模块和第八IGBT模块开通，将母线短路，实际上也就将整流桥的交流三端输入短路。同理当第七IGBT模块和第八IGBT模块关断时，也就将整流桥的交流三端输入开路。在实际中，由于二极管和IGBT存在一定的导通压降，因此这种短路与实际的三相直接连接在一起稍有差异，但并不影响应用。

当本发明所述的装置处于正常电动状态时，预充电电路完成预充电并闭合，车载充电装置中的开关断开，车载充电装置不工作。第七IGBT模块、第八IGBT模块开通，将永磁电机的三相绕组的a、b、c端连接在一起，形成三相绕组星接的结构，三相逆变器供电驱动电机正常工作。永磁电机的三相绕组电流经过车载充电装置中整流桥的整流，再经过第七IGBT模块、第八IGBT模块实现电流的闭环。

当本发明所述的装置中的永磁电机出现弱磁保护故障，即永磁电机工作于高速弱磁状态，三相逆变器控制电压，在电机中产生直轴电流，将永磁体产生的磁场消弱，从而使得永磁电机的端电压小于母线电压。此时当电机出现故障时，产生三相逆变器的IGBT模块第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块、第四IGBT模块、第五IGBT模块、第六IGBT模块出现保护而全部封锁，由于永磁电机的绕组不能够获得正常的电压，从而产生合适的直轴电流，永磁体产生的磁场不能够得到削弱，永磁电机的端电压，也就是反电势迅速升高，具体值与转速成正比，永磁电机失控，如果不进行保护措施，此反电势会对三相逆变器和电池组造成影响，严重时可能损坏。此时可以控制车载充电装置的第七IGBT模块、第八IGBT模块断开，从而使永磁电机的三相绕组的a、b、c端断开，永磁电机三相绕组的均不能形成回路，三相绕组虽然有很高的反电势，但是不会产生电流，避免了对三相逆变器造成损坏，有效保护了整个驱动装置。

当本发明所述的装置处于停止充电状态时，预充电电路断开，车载充电装置中的开关开通，三相绕组的a、b、c端与电网相连，三相电通过整流桥整流后，再经过第七IGBT模块进行斩波降压，经过电感和第二电容滤波稳压后，为电池组进行充电。虽然此时电网的电也会通过三相逆变器的反并联二极管整流为直流，但是预充电电路断开，电流无法回到电池组。

本发明所述的电机不限于三相，根据需要可以是多相，对应的逆变器和整流桥也相应是多相。本发明的第七IGBT模块可以和其他IGBT模块相同带反并联二极管，也可以是单独的IGBT模块不带反并联二极管的形式。

本发明的有益效果：

1、本发明的装置即可实现正常的电力驱动，又可以实现对电池的充电，而且能够防止永磁电机驱动装置的弱磁保护后，反电势对装置的损伤。

2、保留了原有的驱动装置和车载充电装置，在不增加成本的基础上，实现对装置了可靠和有效的保护，对传统驱动装置进行简单的升级改造即可实现。

3、本发明的保护策略在保护时不会对整车的安全性和舒适性造成影响，不会带来负面效果。

附图说明

图1本发明电动车用永磁电机驱动装置的结构示意图,图中：1电池组，2永磁电机、3三相逆变器，4预充电电路，5车载充电装置，21第一绕组，22第二绕组，23第三绕组，37第一电容，31第一IGBT模块，32第二IGBT模块，33第三IGBT模块，34第四IGBT模块，35第五IGBT模块，36第六IGBT模块，51三相整流桥、52第七IGBT模块，53第八IGBT模块，54电感，55开关，56第二电容；

图2本发明永磁电机驱动装置处于正常驱动状态的结构示意图；

图3本发明永磁电机驱动装置处于保护状态的结构示意图；

图4本发明永磁电机驱动装置处于停车充电状态的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明的电动车用永磁电机驱动装置，包含一个电池组1、一个永磁电机2、一个三相逆变器3、一个预充电电路4和一个车载充电装置5。三相逆变器3包含第一电容37和第一IGBT模块31、第二IGBT模块32、第三IGBT模块33、第四IGBT模块34、第五IGBT模块35，以及第六IGBT模块36。电池组1通过预充电电路4和三相逆变器3的直流母线连接在一起。车载充电装置5包含一个三相整流桥51、第七IGBT模块52、第八IGBT模块53、一个电感54、开关55和第二电容56。第七IGBT模块52和第八IGBT模块53串联在一起，并且和三相整流桥51并联；电感54和开关55串联，且连接在第七IGBT模块52的发射极上，第二电容56并联在开关55和第八IGBT模块53的发射极之间，第七IGBT模块52、第八IGBT模块53、电感54、开关55和第二电容56形成BUCK斩波电路。永磁电机2包含第一绕组21、第二绕组22和第三绕组23。第一绕组21的两个端口为A、a，第二绕组22的两个端口为B、b，第三绕组23的两个端口为C、c。第一绕组21的一个端口A、第二绕组22的一个端口B、第三绕组23的一个端口C分别与三相逆变器3的交流输出连接；与传统三相星接绕组电机不同的是，第一绕组21的另一个端口a、第二绕组22的另一个端口b、第三绕组23的另一个端口c并不是直接连接在一起，第一绕组21的另一个端口a、第二绕组22的另一个端口b、第三绕组23的另一个端口c分别与车载充电装置5的输入端连接在一起。车载充电装置5的输出端与电池组1连接在一起，通过控制第七IGBT模块52和第八IGBT模块53的导通和关断可以实现第一绕组21的另一个端口a、第二绕组22的另一个端口b、第三绕组23的另一个端口c的连接和分离。本发明巧妙的利用了永磁电机2和三相逆变器3工作时，车载充电装置5不工作，车载充电装置5工作时永磁电机2和三相逆变器3不工作的特性，在驱动状态时借用车载充电装置5的电路实现保护功能。

如图1所示，通过控制车载充电装置的第七IGBT模块52和第八IGBT模块53开通和关断，可以实现三相整流桥51交流输入端的短路和开路，构成一个短路装置。当第七IGBT模块52和第八IGBT模块53开通，假定三相整流桥51的三端开路，则三端的电压为三相逆变器3控制的电压，可能是直流母线电压，也可能是零，此电压由桥臂的开关状态决定。当某一相的电压为直流母线电压时，对应的三相整流桥51的上桥臂二极管导通；当某一相的电压为零时，对应的三相整流桥51的下桥臂二极管导通；而第七IGBT模块52和第八IGBT模块53开通，将母线短路，实际上也就将三相整流桥51的交流三端输入短路。同理当第七IGBT模块52和第八IGBT模块53关断时，也就将三相整流桥51的交流三端输入开路。在实际中，由于二极管和IGBT存在一定的导通压降，因此这种短路与实际的三相直接连接在一起稍有差异，但并不影响应用。

如图2所示，当本发明的电动车用永磁电机驱动装置处于正常电动状态时，预充电电路4完成预充电并闭合，车载充电装置5中的开关55断开，车载充电装置5不工作；第七IGBT模块52、第八IGBT模块53开通，将永磁电机2的三相绕组21、22、23的a、b、c端连接在一起，形成三相绕组星接的结构。

如图3所示，当本发明的电动车用永磁电机驱动装置中的永磁电机2出现弱磁保护故障时，即永磁电机2工作于高速弱磁状态，三相逆变器3控制电压，在永磁电机2中产生直轴电流，将永磁体产生的磁场消弱，从而使得永磁电机2的端电压小于母线电压。三相逆变器3的IGBT模块第一IGBT模块31、第二IGBT模块32、第三IGBT模块33、第四IGBT模块34、第五IGBT模块35、第六IGBT模块36出现保护而封锁，由于永磁电机2的绕组不能够获得正常的电压，从而产生合适的直轴电流，永磁体产生的磁场不能够得到消弱，永磁电机2的端电压，也就是反电势迅速升高，具体值与转速成正比，永磁电机2失控，如果不进行保护措施，此反电势会对三相逆变器3和电池组1造成影响，严重时可能损坏。此时可以控制车载充电装置5的第七IGBT模块52、第八IGBT模块53断开，从而使永磁电机2的第一绕组21、第二绕组22和第三绕组23的a、b、c端断开，永磁电机2第一绕组21、第二绕组22和第三绕组23不能形成回路，三相绕组的反电势不能产生大电流，避免对三相逆变器3造成损坏，有效的保护了整个装置。

如图4所示，当本发明的电动车用永磁电机驱动装置处于停止充电状态时，预充电电路4断开，车载充电装置中的开关55闭合，第一绕组21、第二绕组22和第三绕组23的a、b、c端与电网相连，三相电通过整流桥51整流后，再经过第七IGBT模块52进行斩波降压，经过电感54和第二电容56滤波稳压后，为电池组1进行充电。虽然此时电网的电也会通过三相逆变器3的反并联二极管整流为直流，但是预充电电路4断开，电流无法回到电池组1。

本发明所述的永磁电机2不限于三相，根据需要可以是多相，对应的逆变器和整流桥也相应是多相。本发明的第七IGBT模块52可以和其他IGBT模块相同，也可以是单独的IGBT模块不带反并联二极管的形式，本发明的实施例的附图为不带反并联二极管的形式，选用带反并联二极管的IGBT模块不会影响本发明的效果。

Claims (4)

1.一种电动车用永磁电机驱动装置，其特征在于：所述的驱动装置至少包含一个电池组(1)、一个永磁电机(2)、一个三相逆变器(3)、一个预充电电路(4)，以及一个车载充电装置(5)；所述的三相逆变器(3)包含第一电容(37)和第一IGBT模块(31)、第二IGBT模块(32)、第三IGBT模块(33)、第四IGBT模块(34)、第五IGBT模块(35)，以及第六IGBT模块(36)；所述的电池组(1)通过预充电电路(4)和三相逆变器(3)的直流母线连接在一起；所述的车载充电装置(5)包含一个三相整流桥(51)、第七IGBT模块(52)、第八IGBT模块(53)、一个电感(54)、开关(55)和第二电容(56)；第七IGBT模块(52)和第八IGBT模块(53)串联在一起，并且和三相整流桥(51)并联；电感(54)和开关(55)串联，且连接在第七IGBT模块(52)的发射极，第二电容(56)并联在开关(55)和第八IGBT模块(53)的发射极之间；第七IGBT模块(52)、第八IGBT模块(53)、电感(54)、开关(55)和第二电容(56)形成BUCK斩波电路；所述的永磁电机(2)包含第一绕组(21)、第二绕组(22)和第三绕组(23)；第一绕组(21)的一个端口A、第二绕组(22)的一个端口B、第三绕组(23)的一个端口C分别与三相逆变器(3)的交流输出连接；第一绕组(21)的另一个端口a、第二绕组(22)的另一个端口b、第三绕组(23)的另一个端口c分别与车载充电装置(5)的交流输入端连接在一起；车载充电装置(5)的输出端与电池组(1)连接在一起。

2.按照权利要求1所述的电动车用永磁电机驱动装置，其特征在于：当所述的驱动装置处于正常电动状态时，预充电电路(4)完成预充电并闭合，所述车载充电装置(5)中的开关(55)断开，车载充电装置(5)不工作；第七IGBT模块(52)和第八IGBT模块(53)开通，将永磁电机(2)的第一绕组(21)、第二绕组(22)和第三绕组(23)的a、b、c端连接在一起，形成三相绕组星接的结构。

3.按照权利要求1所述的电动车用永磁电机驱动装置，其特征在于：当永磁电机(2)出现弱磁保护故障，所述三相逆变器(3)的第一IGBT模块(31)、第二IGBT模块(32)、第三IGBT模块(33)、第四IGBT模块(34)、第五IGBT模块(35)，以及第六IGBT模块(36)出现保护而封锁，此时控制车载充电装置(5)的第七IGBT模块(52)和第八IGBT模块(53)断开，使永磁电机(2)的第一绕组(21)的a端、第二绕组(22)的b端和第三绕组(23)的c端断开，永磁电机(2)第一绕组(21)、第二绕组(22)和第三绕组(23)不能够形成回路，三相绕组的反电势不能够产生大电流，避免对三相逆变器(3)造成损坏。

4.按照权利要求1所述的电动车用永磁电机驱动装置，其特征在于：当所述的驱动装置处于停止充电状态时，所述的预充电电路(4)断开，车载充电装置中的开关(55)闭合，第一绕组(21)的a端、第二绕组(22)b端和第三绕组(23)的c端与电网相连；三相电通过整流桥(51)整流后，再经过第七IGBT模块(52)进行斩波降压，经过电感(54)和第二电容(56)滤波稳压后，为电池组(1)充电。