CN104908608B - 一种电动汽车电机驱动系统集成装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动汽车电机驱动系统集成装置，其包括车载电池单元、输入开关控制单元、主回路集成单元、电容组单元、电机功率器件驱动单元、直流转换功率器件驱动单元、信号检测单元、保护功能单元及集成控制单元；输入开关控制单元两端分别连接车载电池单元和电容组单元；主回路集成单元两端分别连接电容组单元和负载，还与电机功率器件驱动单元和直流转换功率器件驱动单元连接；电机功率器件驱动单元和直流转换功率器件驱动单元均一端连接集成控制单元和保护功能单元，另一端连接主回路集成单元；信号检测单元一端连接负载，另一端连接集成控制单元与保护功能单元。本发明能大大提高系统的功率密度，降低了系统成本。

Description

一种电动汽车电机驱动系统集成装置

技术领域

本发明涉及电动汽车驱动系统技术领域，尤其涉及一种电动汽车电机驱动系统集成装置。

背景技术

电动汽车高压电气部分主要有电机控制器、车载直流转换装置和车载充电装置，目前电动汽车电机控制器、车载直流转换装置和车载充电装置单独成为一个总成，各自具有外壳、散热系统、控制核心和外置接口，这样造成车载高压电气部分的体积大、部分功能单元重合，系统功率密度低。

受到车辆空间限制和使用环境的约束，汽车要求电机驱动系统有更高的性能，耐受环境温度范围更高,能经受高强度的振动以及体积小、成本更低等。为满足以上严格甚至苛刻的要求，车用电机驱动系统技术的趋为永磁化、数字化和集成化。电机驱动系统以其高功率密度、高效率等优势，成为了发展电动汽车电驱动系统必须着重研究的关键技术之一。

电机驱动系统的集成化主要包括两个方面:一是指电机与发动机总成或电机与变速器的集成，电机驱动技术向着集成化的方向发展有利于减小整个系统的质量和体积，并可以有效地降低系统的制造成本；二是电力电子集成，包括功能集成(包括多逆变+DC/DC转换器+电池管理+整车控制)、物理集成(功率模块、驱动电路、无源器件、控制电路、传感器、电源等)、应用Trench + FS IGBT等新器件，三是控制集成，在功能集成的基础上由于单个电力电子装置的控制功能有限，占用的I/O资源有限，加之数字化技术的日趋成熟，使得车载电力电子装置的控制集成成为可能，基于单片集成、混合集成和系统集成技术达到高度集成。

发明内容

针对以上问题，本发明提出了一种结构设计简单、合理，物理集成和功能集成化高，能大大提高系统的功率密度，降低了系统成本的电动汽车电机驱动系统集成装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

上述的电动汽车电机驱动系统集成装置，包括车载电池单元、输入开关控制单元、主回路集成单元、电容组单元、电机功率器件驱动单元、直流转换功率器件驱动单元、信号检测单元、保护功能单元以及集成控制单元；所述车载电池单元一端连接于所述输入开关控制单元，为高低压电器提供能量，同时吸收电机的制动回馈能量；所述输入开关控制单元一端电连接所述电容组单元，其用于在所述集成装置上电后对系统进行自检，若自检正常，所述集成控制单元发出控制指令使得所述输入开关控制单元闭合，所述主回路集成单元得电，否则所述输入开关控制单元一直断开；所述主回路集成单元集成有电机驱动主回路和直流转换主回路；所述主回路集成单元是将所述电机驱动主回路和直流转换主回路集成在同一直流母线上，同时将发热元件集成在同一个散热底板上；所述主回路集成单元一端连接电容组单元，另一端连接负载，同时还分别与所述电机功率器件驱动单元和直流转换功率器件驱动单元连接；所述电机功率器件驱动单元和直流转换功率器件驱动单元均一端连接所述集成控制单元和保护功能单元，另一端连接所述主回路集成单元；所述信号检测单元一端连接负载，另一端连接所述集成控制单元与保护功能单元；所述集成控制单元与保护功能单元集成为一体。

所述电动汽车电机驱动系统集成装置，其中：所述主回路集成单元是通过所述电机驱动主回路连接所述电机功率器件驱动单元；所述主回路集成单元是通过所述直流转换主回路连接所述直流转换功率器件驱动单元。

所述电动汽车电机驱动系统集成装置，其中：所述电机功率器件驱动单元是将所述集成控制单元输出的电机功率器件的6路PWM波形功率放大和电压放大，同时提供相互独立抗干扰性强的脉冲作为MOSFET的开通和关断信号；所述电机功率器件驱动单元还具有检测MOSFET短路故障的功能。

所述电动汽车电机驱动系统集成装置，其中：所述直流转换功率器件驱动单元是将所述集成控制单元输出的电机功率器件的2路PWM波形功率放大和电压放大，同时提供相互独立抗干扰性强的脉冲作为MOSFET的开通和关断信号；所述直流转换功率器件驱动单元还具有检测MOSFET短路故障的功能。

所述电动汽车电机驱动系统集成装置，其中：所述集成控制单元用于系统开机前的状态检测以及自诊断、为驱动单元提供PWM信号、调节脉冲的宽度、电压以及电流分析、模式转换、实现双闭环控制和电机矢量控制算法。

所述电动汽车电机驱动系统集成装置，其中：该电容组单元是由多个为所述车载电池单元提供能量补充的电容集成组成，其是并联于所述车载电池单元两端，其采用集成方式将所述电机驱动主回路的母线电容和所述直流转换主回路输入侧的电容集成在一起。

所述电动汽车电机驱动系统集成装置，其中：所述车载电池单元是由多个车载电池串接组成，其两端分别并联有开关Q1和Q2的串联体、开关Q3和Q4的串联体、开关Q5和Q6的串联体以及开关Q7和Q8的串联体；电动机的三相线分别连接于所述开关Q1和Q2之间、开关Q3和Q4之间以及开关Q5和Q6之间；所述开关Q7与Q8之间的连接点串接有电感L，所述电感L一端并联有所述直流转换主回路的输出电容组Ck1~ Ckn并通过所述输出电容组Ck1~ Ckn与负载相连。

本发明电动汽车电机驱动系统集成装置结构设计简单、合理，其具体优点体现在：

1）将电机驱动主回路和直流转换主回路集成在一起，这样省掉了直流转换功率器件驱动单元的电池测母线电容和电池与开关管连接的母排，不仅降低了成本，减小了体积，更重要的是减小了回路的杂散电感和回路的寄生电感，提高了整体性能；

2）电机功率器件驱动单元与直流转换功率器件驱动单元的核心控制器集成（集成控制单元），共用一个控制器，电机功率器件驱动单元与直流转换功率器件驱动单元与整车之间的数据传输只需要通过一个CAN节点来完成，这样充分利用了控制器的资源，同时提高了系统的可靠性；

3）电机功率器件驱动单元与直流转换功率器件驱动单元的散热以及机械件的集成，由于直流转换功率器件驱动单元的效率已超过94%，将直流转换功率器件驱动单元和电机功率器件驱动单元的功率器件集成在同一散热器上，同时两者共用一个外壳，极大的提高系统的功率密度和寿命。

附图说明

图1为本发明电动汽车电机驱动系统集成装置的结构原理图；

图2为本发明电动汽车电机驱动系统集成装置的电机驱动主回路和直流转换主回路集成后的电路原理图；

图3为本发明电动汽车电机驱动系统集成装置的电机驱动主回路的电路原理图；

图4为本发明电动汽车电机驱动系统集成装置的直流转换主回路的电路原理图。

具体实施方式

如图1至4所示，本发明电动汽车电机驱动系统集成装置，包括车载电池单元1、输入开关控制单元2、主回路集成单元3、电容组单元4、电机功率器件驱动单元5、直流转换功率器件驱动单元6、信号检测单元7、保护功能单元8以及集成控制单元9。

该车载电池单元1一端连接于该输入开关控制单元2，为电机驱动器、车载电器等高低压电器提供能量，同时吸收电机的制动回馈能量；其中，该车载电池单元1是由多个车载电池串接而成。

该输入开关控制单元2一端电连接车载电池单元1，另一端电连接电容组单元4；其中，该输入开关控制单元2其用于在集成装置上电后对系统进行自检，若自检正常，集成控制单元9发出控制指令使得输入开关控制单元2闭合，主回路集成单元3得电，否则输入开关控制单元2一直断开。

该主回路集成单元3集成有电机驱动主回路31和直流转换主回路32，该主回路集成单元3是将电机驱动主回路31以及直流转换主回路32集成同一直流母线上，同时将发热元件集成在同一个散热底板上；其中，该主回路集成单元3一端连接电容组单元4，另一端连接负载10，同时还分别与电机功率器件驱动单元5和直流转换功率器件驱动单元6连接。

其中，如图2-4所示，该电容组单元4是并联于车载电池单元1两端，该车载电池单元1的两端分别并联有开关Q1、Q2的串联体、开关Q3、Q4的串联体、开关Q5、Q6的串联体以及开关Q7、Q8的串联体。电动机的三相线分别连接于开关Q1和Q2之间、开关Q3和Q4之间以及开关Q5和Q6之间；电感L一端串接于开关Q7与Q8的连接点,电感L另一端又与 直流转换主回路32的电容组Ck1~ Ckn并联在一起,该输出电容组Ck1~ Ckn的另一端与负载相连(这里的负载指的是除了电机以外的车上其余的车载电器)。

该电容组单元4是由多个为车载电池单元1提供能量补充的电容集成组成，采用集成方式将所述电机驱动主回路的母线电容和所述直流转换主回路输入侧的电容集成在一起，减小了电容板的体积和母线寄生参数。

该电机功率器件驱动单元5一端连接集成控制单元9，另一端连接主回路集成单元3的电机驱动主回路31，用于将集成控制单元9输出的电机功率器件的6路PWM波形功率放大和电压放大，同时提供相互独立抗干扰性强的脉冲作为MOSFET的开通和关断信号，该电机功率器件驱动单元5同时还具有检测MOSFET短路故障的功能。

该直流转换功率器件驱动单元6一端连接保护功能单元8和集成控制单元9，另一端连接主回路集成单元3的直流转换主回路32，用于将集成控制单元9输出的电机功率器件的2路PWM波形功率放大和电压放大，同时提供相互独立抗干扰性强的脉冲作为MOSFET的开通和关断信号，该直流转换功率器件驱动单元6同时还具有检测MOSFET短路故障的功能。

该信号检测单元7一端连接负载10，另一端连接保护功能单元8和集成控制单元9，用于采集输入电池是否欠压、输入电池是否接反，输出电池是否欠压、输出电池是否接反，输出是否过压、过流，输出是否短路，并且将采集到的信号传输给集成控制单元9。

该保护功能单元8用于实现输入电池反接保护和电压欠压/过压保护、过流保护、过热保护以及短路硬件保护。

该集成控制单元9用于系统开机前的状态检测以及自诊断、为驱动单元提供PWM信号、调节脉冲的宽度、电压以及电流分析、模式转换、实现双闭环控制和电机矢量控制算法；其中，该集成控制单元9与保护功能单元8是集成为一体的。

其中， 电机驱动主回路31以及直流转换主回路32集成后：

1）对电动汽车而言，车上所有的装置的电能供给都是靠电池的，由于

电池的功率密度小，因此需要依靠电容来补充瞬时功率，那么本发明的集成装置就将电机驱动主回路31（包含母线及母线布置、母线侧的电容、核心控制器以及散热器等。）和直流转换主回路32（直流母线以及母线的连接、母线侧的电容、核心控制器以及散热器等。）的直流侧的电容进行集成，不仅减小了体积和成本，更重要的是减小了母线侧大电流回路的面积，从而减小了寄生电感。

2）控制集成主要体现在两种装置的核心控制芯片共用一个，由于目前电机驱动主回路31以及直流转换主回路32及其控制系统基本上均采用数字控制，部分控制算法可以共用，主要体现在核心控制函数可以相互调用，仅仅是特征参数须有修改。这样就大大减小了器件的数量和软件代码数量，开发周期和成本显著降低。

3）散热系统以及机械装置集成，两种装置共用一个散热底板，电机驱动主回路31以及直流转换主回路32的功率开关管集成在一个散热底板上，这样不仅省去了一个散热底板，更重要的是减小了母线的寄生参数的影响；其余机械装置主要体现在电池输入接口装置的集成，比如现在只需要一个，省掉了一个大功率输入端子；CAN口集成，也只需要一个了等。

本发明工作原理：

电动汽车电源主开关合上后，集成控制单元9开始进行自检，进入自诊断模式，实现系统初始状态的自诊断，检测各开关信号和模拟信号是否正常，同时判断操作逻辑是否正确，如果有一个出现故障则系统不启动。

自诊断确认正常以后，集成控制单元9根据控制算法向输入开关控制单元2发出控制信号，电机功率器件驱动单元5和直流转换功率器件驱动单元6进入启动模式，集成控制单元9通过分析信号采集单元提供的信息，确定电机功率器件驱动单元5和直流转换功率器件驱动单元6的工作模式。

在正常工作模式，车载电池单元1和电容组单元4通过输入开关控制单元2、主回路集成单元3向负载10提供能量。

在工作过程中，保护功能单元8检测是否有出现输出过压、输出过流、开关管过热、输入电压不正常或者短路等情况，一旦出现则进入保护工作模式。保护工作模式中，当出现此类故障时，保护功能单元8进入故障保护处理工作流程，经过一定时间的延时后，如果故障排除，系统自动恢复进入正常工作模式。

本发明结构设计简单、合理，电机功率器件驱动单元与直流转换功率器件驱动单元的主回路集成在一起，散热装置集成在一起，这样省掉了车载直流转换装置的外壳、电解电容以及散热装置；电机功率器件驱动单元与直流转换功率器件驱动单元的控制核心集成，共用一个控制器，通过将电动汽车的电机功率器件驱动单元与直流转换功率器件驱动单元的深度集成，使得车载电力电子装置的功率密度大大提高，同时降低了成本，能大大提高系统的功率密度，适于推广与应用。

Claims (7)

1.一种电动汽车电机驱动系统集成装置，其特征在于：所述集成装置包括车载电池单元、输入开关控制单元、主回路集成单元、电容组单元、电机功率器件驱动单元、直流转换功率器件驱动单元、信号检测单元、保护功能单元以及集成控制单元；

所述车载电池单元一端连接于所述输入开关控制单元，为高低压电器提供能量，同时吸收电机的制动回馈能量；

所述输入开关控制单元一端电连接所述电容组单元，其用于在所述集成装置上电后对系统进行自检，若自检正常，所述集成控制单元发出控制指令使得所述输入开关控制单元闭合，所述主回路集成单元得电，否则所述输入开关控制单元一直断开；

所述主回路集成单元集成有电机驱动主回路和直流转换主回路；所述主回路集成单元是将所述电机驱动主回路和直流转换主回路集成在同一直流母线上，同时将发热元件集成在同一个散热底板上；所述主回路集成单元一端连接电容组单元，另一端连接负载，同时还分别与所述电机功率器件驱动单元和直流转换功率器件驱动单元连接；

所述电机功率器件驱动单元和直流转换功率器件驱动单元均一端连接所述集成控制单元和保护功能单元，另一端连接所述主回路集成单元；

所述信号检测单元一端连接负载，另一端连接所述集成控制单元与保护功能单元；所述集成控制单元与保护功能单元集成为一体。

2.如权利要求1所述的电动汽车电机驱动系统集成装置，其特征在于：所述主回路集成单元是通过所述电机驱动主回路连接所述电机功率器件驱动单元；

所述主回路集成单元是通过所述直流转换主回路连接所述直流转换功率器件驱动单元。

3.如权利要求1所述的电动汽车电机驱动系统集成装置，其特征在于：所述电机功率器件驱动单元是将所述集成控制单元输出的电机功率器件的6路PWM波形功率放大和电压放大，同时提供相互独立抗干扰性强的脉冲作为MOSFET的开通和关断信号；所述电机功率器件驱动单元还具有检测MOSFET短路故障的功能。

4.如权利要求1所述的电动汽车电机驱动系统集成装置，其特征在于：所述直流转换功率器件驱动单元是将所述集成控制单元输出的电机功率器件的2路PWM波形功率放大和电压放大，同时提供相互独立抗干扰性强的脉冲作为MOSFET的开通和关断信号；所述直流转换功率器件驱动单元还具有检测MOSFET短路故障的功能。

5.如权利要求1所述的电动汽车电机驱动系统集成装置，其特征在于：所述集成控制单元用于系统开机前的状态检测以及自诊断、为驱动单元提供PWM信号、调节脉冲的宽度、电压以及电流分析、模式转换、实现双闭环控制和电机矢量控制算法。

6.如权利要求1所述的电动汽车电机驱动系统集成装置，其特征在于：该电容组单元是由多个为所述车载电池单元提供能量补充的电容集成组成，其是并联于所述车载电池单元两端，其采用集成方式将所述电机驱动主回路的母线电容和所述直流转换主回路输入侧的电容集成在一起。

7.如权利要求1所述的电动汽车电机驱动系统集成装置，其特征在于：所述车载电池单元是由多个车载电池串接组成，其两端分别并联有开关Q1和Q2的串联体、开关Q3和Q4的串联体、开关Q5和Q6的串联体以及开关Q7和Q8的串联体；

电动机的三相线分别连接于所述开关Q1和Q2之间、开关Q3和Q4之间以及开关Q5和Q6之间；

所述开关Q7与Q8之间的连接点串接有电感L，所述电感L一端并联有所述直流转换主回路的输出电容组Ck1~ Ckn并通过所述输出电容组Ck1~ Ckn与负载相连。