CN105244982B

CN105244982B - 一种低成本的电机驱动‑电池充电一体化装置及控制方法

Info

Publication number: CN105244982B
Application number: CN201510650166.2A
Authority: CN
Inventors: 宣圣谢贤; 高强
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Zhejiang Shineng Electrical And Mechanical Technology Co ltd
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2015-10-09
Publication date: 2018-01-19
Anticipated expiration: 2035-10-09
Also published as: CN105244982A

Abstract

本发明提供了一种低成本的电机驱动‑电池充电一体化装置及控制方法，包括电池组、四开关三相逆变器、单相不控整流桥和带中性线的电机，其中：电池组的正、负极分别连接四开关三相逆变器的正、负母线；四开关三相逆变器共有四个桥臂，分别与电机的三相引出线和中性线相连，每个桥臂中分别有一功率开关器件S1、S2、S3、S4；单相不控整流桥在中性线所在的桥臂中，单相不控整流桥的阴极连接电机的中性线、同时连接该桥臂的功率开关器件S4的发射极，单相不控整流桥的阳极连接四开关三相逆变器的负母线。本发明仅有4个全控开关管和7个快恢复二极管，且电机三相绕组被重复利用为boost升压电感，使得装置的整体体积、重量和成本都较传统装置大幅降低。

Description

一种低成本的电机驱动-电池充电一体化装置及控制方法

技术领域

本发明涉及电气工程技术领域，具体地，涉及一种低成本的电机驱动-电池充电一体化装置及其控制方法。

背景技术

随着石油资源的日益短缺，以及人们对环境问题的不断关注，使得电动汽车技术在快速发展。传统的电动汽车电机驱动器依然采用六开关三相逆变器，这种逆变器的开关管数量多成本较高。另外，传统的电动汽车需要同时配备一个电机驱动器和一个车载充电器，但电动汽车在行驶过程中并不使用车载充电器，却需要携带笨重的车载充电器，严重影响了电动汽车的性能和大幅提高了电动汽车的成本。此外，国家对电动汽车的电池充电器设立了相关标准，对于充电器的输入功率因数和输入电流的谐波含量进行了限制，以提高电网的电能质量。因此，发明一种轻巧、廉价，且能够满足充电器的相关国家标准的电机驱动-电池充电一体化装置，能够有利于促进电动汽车的长足发展和快速推广。

专利CN104578253A，“一种具有高频三角变技术的电动汽车电机驱动DC/DC变换装置”介绍了一种利用高频三角变技术的电机驱动-电池充电一体化装置。这一发明通过增加DC/DC变换装置包括整流电路、充电器侧和电池侧的单相逆变电路、三角变压器等，实现了对电动汽车动力电池的隔离充电功能。这一发明虽然实现了隔离充电功能，但整体成本依然很高，充电时没有对闲置的电机驱动器加以利用。

专利CN203902312U，“具有快速充电-慢速充电功能的电机驱动-充电一体化装置”介绍了一种重复利用六开关逆变器的电机驱动-电池充电一体化装置。这一发明在传统六开关电机驱动器的基础上增加了一个整流电路及一些继电器，利用继电器的开关使装置能够运行于电机驱动模式或电池充电模式，从而降低了充电器的成本、体积和重量。但这一发明对电机驱动器的重复利用率较低，且需要增加一些继电器或开关器件用来改变逆变器结构，装置的成本依然较高。

专利CN203708154U，“一种集成开关磁阻电机驱动和电池充电的功率变换装置”介绍了一种不需增加额外器件的开关磁阻电机驱动-电池充电一体化装置。这一装置实现了电机驱动和电池充电的双重分时复用，系统的重复利用率较高。但这一发明提出的功率变换装置仅能应用于开关磁阻电机，且依然使用了六个全控开关器件，成本仍然较高。

专利CN104578253A、专利CN203902312U和专利CN203708154U等专利对传统技术进行了改进，将电机驱动和电池充电整合成一个一体化装置。但它们依然需要使用六个全控开关，控制较为复杂、成本也较高。部分专利还仅能用于驱动开关磁阻电机，对于现在电动汽车普遍采用永磁同步电机等交流电机的现状不符，难以进行大量推广。另一些专利则需要增加一些继电器或开关器件用来改变逆变器结构或电机绕组结构，增加了成本的同时也增大了控制的复杂性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种成本、体积和重量较低，性能较高，能够控制各类常见交流电机的电机驱动-电池充电一体化装置及其控制方法，从而有利于促进电动汽车的长足发展和快速推广。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种低成本的电机驱动-电池充电一体化装置，所述装置包括：所述装置包括：电池组、四开关三相逆变器、单相不控整流桥、带中性线的电机，其中：所述电池组的正、负极分别连接四开关三相逆变器的正、负母线；所述四开关三相逆变器共有四个桥臂，分别与电机的三相引出线和中性线相连，每个桥臂中分别有一功率开关器件S1、S2、S3、S4；所述单相不控整流桥在中性线所在的桥臂中，单相不控整流桥的阴极连接电机的中性线、同时连接该桥臂的功率开关器件S4的发射极，单相不控整流桥的阳极连接四开关三相逆变器的负母线。

优选地，所述四开关三相逆变器共有四个桥臂，这四个桥臂的一端分别与正母线相连，另一端分别与负母线相连，这四个桥臂除了与电机的引出线连接外，相互之间没有其他连接。

优选地，所述四开关三相逆变器，包括四个功率开关器件和三个功率二极管，另外一个单相不控整流桥在四开关三相逆变器中被重复利用为一个功率二极管。其中三个功率二极管分别与三个功率开关器件组成三个桥臂，二极管的阳极与功率开关器件的集电极相连，并与电机三相引出线中的一根相连。另一份功率开关器件与单相不控整流桥相连，开关的发射极与不控整流桥的阴极相连。

优选地，所述的四开关三相逆变器的四个功率开关器件的开关状态共有16种，不同的开关状态能够输出不同的电压空间矢量。利用不同的电压空间矢量能够控制电机正常旋转。

本发明提供一种低成本的电机驱动-电池充电一体化装置的控制方法，其中：

当所述装置运行于电机驱动模式时，单相交流电不被连接，单相不控整流桥等效为单个二极管，通过控制四个功率开关器件的通断控制电机正常旋转；

当所述装置运行于电池充电模式时，单相交流电连接在单相不控整流桥的一侧，单相不控整流桥开始处于整流工作状态，单相不控整流桥将单相交流电压整流成一个两倍电网频率波动的直流电压，四开关三相逆变器与电机中性线连接的桥臂的开关恒关断，所述装置等效为三个升压斩波电路的并联以此给电池组进行充电。

优选地，与单相不控整流桥连接的功率开关器件S4有六个恒关断的开关状态，这六个开关状态输出的电压矢量与另外三个功率开关器件S1、S2、S3导通时与该开关(S1、S2、S3中导通的那个开关)相连的电机绕组是否有电流有关：若电流为零，则这一矢量为零矢量；若电流不为零，则对应矢量分别与功率开关器件S4导通时相同；根据合成电压空间矢量分布图，利用空间矢量脉宽调制方法对电机进行控制，使电机平稳运行。

更优选地，当对应相电流不为零时，使用功率开关器件S4六个恒关断的开关状态来产生相同的电压空间矢量，这些开关状态在电机绕组上施加正的母线电压，降低零序电压的平均值。

优选地，当所述装置运行于电池充电模式时，三个功率开关器件S1、S2和S3同时导通，总充电电流在三个功率开关器件上进行分流。

优选地，所述装置对电机进行调速采用传统的控制方法，如磁场定向控制方法、直接转矩控制方法。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述的一种低成本的电机驱动-电池充电一体化装置，仅使用四个全控开关器件，开关的驱动、控制系统的成本较小；另外由于单相不控整流桥在四开关三相逆变器连接电机中性线的那一桥臂，电网电流能够通过电机中性线流经电机绕组后给电池组充电，电机绕组被重复利用为充电器的充电电感，使得装置的体积和重量大幅缩小；由于流过电机绕组的电流为单方向电流，不会产生电磁转矩，从而电机转子在电池充电时可以保持静止；采用四开关三相逆变器进行电机驱动时，可以采用无死区控制，避免了六开关逆变器常见的上下桥臂直通产生的短路问题，提高了系统安全性和可靠性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的装置示意图；

图2为本发明一实施例的装置运行于电机驱动模式时的合成电压空间矢量分布图；

图3为本发明一实施例的装置运行于电池充电模式时的控制方法。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供一种低成本的电机驱动-电池充电一体化装置，所述装置包括：电池组U₀、四开关三相逆变器、单相不控整流桥、带中性线的电机，其中：所述电池组的正、负极分别连接四开关三相逆变器的正、负母线；所述四开关三相逆变器共有四个桥臂分别与电机的A、B、C三相引出线和中性线相连；所述单相不控整流桥在中性线所在的桥臂中；

进一步的，所述单相不控整流桥在中性线所在的桥臂中，单相不控整流桥的阴极连接电机的中性线，同时连接该桥臂的功率开关器件S4的发射极；单相不控整流桥的阳极连接四开关三相逆变器的负母线。

进一步的，所述四开关三相逆变器共有四个桥臂，这四个桥臂的一端分别与正母线相连，另一端分别与负母线相连。这四个桥臂除了与电机的引出线连接外，相互之间没有其他连接。

进一步的，所述四开关三相逆变器，包括四个功率开关器件S1、S2、S3、S4和三个功率二极管D1、D2、D3，另外单相不控整流桥在四开关三相逆变器中被重复利用为一个功率二极管。其中三个功率二极管D1、D2、D3分别与三个功率开关器件S1、S2、S3组成三个桥臂。二极管D1、D2、D3的阴极均连接正母线，二极管D1、D2、D3的阳极分别与功率开关器件S1、S2、S3的集电极相连，并与电机三相引出线A、B、C中的一根相连，功率开关器件S1、S2、S3的发射极连接负母线；功率开关器件S4的集电极连接正母线，功率开关器件S4的发射极与不控整流桥的阴极相连。功率开关器件S1、S2、S3、S4的基极与功率开关器件的驱动电路相连，驱动电路与控制电路相连。这里的驱动及控制电路可以采用各类传统电路，不属于本发明创新内容。

当所述装置运行于电机驱动模式时，单相交流电不被连接，单相不控整流桥等效为单个二极管，通过控制四个功率开关器件S1、S2、S3、S4的通断可控制电机正常旋转；当所述装置运行于电池充电模式时，单相交流电连接在单相不控整流桥的一侧，单相不控整流桥开始处于整流工作状态，单相不控整流桥将单相交流电压整流成一个两倍电网频率波动的直流电压，与单相不控整流桥的功率开关器件S4恒关断，所述装置等效为三个升压斩波电路的并联以此给电池进行充电。整个装置仅有4个全控功率开关器和7个快恢复二极管，且电机三相绕组被重复利用为boost升压电感，使得系统的体积、重量和成本都较传统装置大幅降低。

当所述装置运行于电机驱动模式时，单相交流电源不与装置连接。装置对电机进行调速可采用传统的控制方法，如磁场定向控制、直接转矩控制等控制方法。较传统调制策略，本装置的逆变器所采用的空间电压矢量脉宽调制策略的有所不同；具体如下：

设直流侧母线电压为Udc，以1表示开关导通，0表示开关关断，四个功率开关器件S1、S2、S3、S4的状态构成四位二进制编码，以S1、S2、S3、S4的顺序可表示成16种开关状态，分别为0000、0001、0011、0101、0111、1001、1011、1101、1111、0010、0100、0110、1000、1010、1100、1110。每一种开关状态对应输出一种合成电压空间矢量。其中0010、0100、0110、1000、1010、1100为功率开关器件S4的六个恒关断的开关状态，这六个开关状态输出的电压矢量与功率开关器件S1、S2、S3导通时与该开关(S1、S2、S3中导通的那个开关)相连的电机绕组是否有电流有关：若电流为零，则这一矢量为零矢量；若电流不为零，则对应矢量分别与功率开关器件S4导通时相同。以开关状态1000为例，若B相和C相电流不为零，其对应的矢量为：

式中，u₁(1000)为开关状态为1000时逆变器输出的空间电压矢量；u_A、u_B、u_C分别是施加在三相电机绕组上的电压；u_dc是直流母线电压；与为相量算子。

若B相和C相电流为零，开关状态1000对应的矢量为：

各开关状态对应的合成电压矢量如表1所示。合成电压空间矢量的分布图如图2所示。对于图表中0010、0100、0110、1000、1010、1100六种开关状态对应的矢量，是基于假设任何一个功率开关器件导通时该相绕组电流不等于零。

表1本发明装置的逆变器的电压空间矢量

根据合成电压空间矢量分布图，可利用空间矢量脉宽调制方法对电机进行控制，可以控制电机磁链轨迹更接近圆形，使电机平稳运行，即利用临近的两个电压空间矢量来合成参考电压矢量。

此外，所述装置在调制时需要进行零序电流的抑制。由于六个基本矢量对应的功率开关器件S4恒导通的开关状态(0111、0011、1011、1001、1101、0101)只会在电机绕组上产生负的母线电压，会引起零序电流过大问题。零序电流虽然不会对电机产生有效转矩，但当其流经电机绕组时，会在绕组上产生较大的损耗，从而降低系统效率。另外零序电流过大时，三相电流可能会超过开关管或电机的最大允许电流。为了减小零序电流，使电机能够正常运转，需当对应相电流不为零时使用功率开关器件S4恒关断的开关状态(0110、0010、1010、1000、1100、0100)来产生相同的电压空间矢量，这些开关状态能在电机绕组上施加正的母线电压，降低零序电压的平均值。

当所述装置运行于电池充电模式时，单相电网连接系统经单相不控整流桥后产生一个两倍电网频率波动的直流电压。而功率开关器件S4保持关断状态，功率开关器件S1、S2和S3根据电池充电情况同时进行开通和关断，主电路等效为三个升压斩波电路的并联。由于功率开关器件S1、S2和S3同时导通，总充电电流将在三个功率开关器件上进行分流。较仅有单个开关管承受总电流的充电器，导通损耗被有效降低，从而提高了系统效率。

电池充电一般采用三段式充电方式，包括恒流充电阶段、恒压充电阶段和浮充充电阶段，其中恒流充电和恒压充电是电池充电的主要阶段。为了控制输入电流实现输入功率因素接近于1和输入电流低谐波含量，采用双闭环控制方法(如图3所示)。

当电池荷电状态SOC低于83％(当然，在其他实施例中也可以是其他设定阈值)时，采用恒流充电模式：首先给定充电电流Io*与实际充电电流的差值ΔIo，经过一个PI控制器后再乘以|sin(θ)|得到输入直流侧电流的给定值ig*；然后，ig*与输入直流侧电流实际值ig的差值经过一个PI控制器后得到三个升压斩波电路开关的占空比D；最后，由PWM发生器产生对应的开关信号控制开关的导通与关断。

当电池荷电状态SOC高于83％时，采用恒压充电模式。较恒流充电模式在控制上的不同之处在于输入直流侧电流的给定值ig*由给定电池电压Uo*与实际电池电压Uo的差值ΔUo，经过一个PI控制器后再乘以|sin(θ)|得到。其中θ为由锁相环得到的电网电压角度。通过乘以|sin(θ)|得到的输入直流侧电流给定值，能够使输入电流与电网电压同相，从而实现单位功率因素。另外当外环跟踪较好(给定值与实际值的偏差在5％以内)，外环PI输出为一个较稳定的值时，输入直流侧电流的给定值将是一个标准的正弦半波，当电流内环跟踪较好(给定值与实际值的偏差在5％以内)，则输入电流将呈低谐波含量的正弦波。

在一具体实施例中，各硬件参数分别如下：电机负载选用永磁同步电机，定子每相电阻和电感分别为0.4Ω和3mH，额定功率为2kW,额定转速为2000rpm，永磁磁链为0.14Wb，电机极对数为8。电池组为28个12V电池串联，每个的额定容量为80Ah。交流电源电压为220V，开关频率为10kHz。

当电池处于充满状态，将交流电源断开，由电池给装置供电用于驱动电机。采用VVVF控制方法，并采用本发明的调制策略，能够使电机满载情况下变频启动，并稳定在额定转速。

当电池电量不足时，采用本发明装置运行于电池充电模式时的控制方法对电池进行充电。当荷电状态SOC低于83％时，采用恒流充电模式。恒流充电的给定充电电流为8A。当电池荷电状态SOC高于83％时，采用恒压充电模式。恒压充电的给定充电电压为357V。结果表明，本发明装置运行于电池充电模式时能够对电池进行充电，充电过程中SOC和电池电压缓慢上升。输入电流与电网电压同相位，输入功率因素达到98％以上。输入电流波形呈标准的正弦波，谐波含量较低，符合IEC61000-3-2标准。

本发明仅有4个全控功率开关器件和7个快恢复二极管，且电机三相绕组被重复利用为boost升压电感，使得装置的整体体积、重量和成本都较传统装置大幅降低。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种低成本的电机驱动-电池充电一体化装置，其特征在于，所述装置包括：电池组、四开关三相逆变器、单相不控整流桥、带中性线的电机，其中：所述电池组的正、负极分别连接四开关三相逆变器的正、负母线；所述四开关三相逆变器共有四个桥臂，分别与电机的三相引出线和中性线相连，每个桥臂中分别有一功率开关器件S1、S2、S3、S4；所述单相不控整流桥在中性线所在的桥臂中，单相不控整流桥的阴极连接电机的中性线、同时连接该桥臂的功率开关器件S4的发射极，单相不控整流桥的阳极连接四开关三相逆变器的负母线；

所述四开关三相逆变器共有四个桥臂，这四个桥臂的一端分别与正母线相连，另一端分别与负母线相连，这四个桥臂除了与电机的引出线和中性线连接外，相互之间没有其他连接；

所述四开关三相逆变器，包括四个功率开关器件S1、S2、S3、S4和三个功率二极管D1、D2、D3，另外单相不控整流桥在四开关三相逆变器中被重复利用为一个功率二极管；其中三个功率二极管D1、D2、D3分别与三个功率开关器件S1、S2、S3组成三个桥臂，二极管D1、D2、D3的阴极均连接正母线，二极管D1、D2、D3的阳极分别与功率开关器件S1、S2、S3的集电极相连，并与电机三相引出线中的一根相连，功率开关器件S1、S2、S3的发射极连接负母线；功率开关器件S4的集电极连接正母线，功率开关器件S4的发射极与单相不控整流桥的阴极相连。

2.根据权利要求1所述的一种低成本的电机驱动-电池充电一体化装置，其特征在于，所述四开关三相逆变器的四个功率开关器件的开关状态共有16种，不同的开关状态能够输出不同的电压空间矢量，利用不同的电压空间矢量能够控制电机正常旋转。

3.一种权利要求1-2任一项所述低成本的电机驱动-电池充电一体化装置的控制方法，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的一种低成本的电机驱动-电池充电一体化装置的控制方法，其特征在于，与单相不控整流桥连接的功率开关器件S4有六个恒关断的开关状态，另外三个功率开关器件S1、S2、S3任一导通时，这六个开关状态输出的电压矢量与导通开关相连的电机绕组是否有电流有关：若电流为零，则这一矢量为零矢量；若电流不为零，则对应矢量分别与功率开关器件S4导通时相同；根据合成电压空间矢量分布图，利用空间矢量脉宽调制方法对电机进行控制，使电机平稳运行。

5.根据权利要求4所述的一种低成本的电机驱动-电池充电一体化装置的控制方法，其特征在于，当对应相电流不为零时，使用功率开关器件S4六个恒关断的开关状态来产生相同的电压空间矢量，这些开关状态在电机绕组上施加正的母线电压，降低零序电压的平均值。

6.根据权利要求4所述的一种低成本的电机驱动-电池充电一体化装置的控制方法，其特征在于，当所述装置运行于电池充电模式时，三个功率开关器件S1、S2和S3同时导通，总充电电流在三个功率开关器件上进行分流。

7.根据权利要求6所述的一种低成本的电机驱动-电池充电一体化装置的控制方法，其特征在于，所述电池充电采用双闭环控制方法，具体为：

当电池荷电状态SOC低于设定阈值时，采用恒流充电模式：首先给定充电电流Io*与实际充电电流的差值ΔIo，经过一个PI控制器后再乘以|sin(θ)|得到输入直流侧电流的给定值ig*；然后，ig*与输入直流侧电流实际值ig的差值经过一个PI控制器后得到三个升压斩波电路开关的占空比D；最后，由PWM发生器产生对应的开关信号控制开关的导通与关断；

当电池荷电状态SOC高于设定阈值时，采用恒压充电模式，与恒流充电模式在控制上的不同之处在于：输入直流侧电流的给定值ig*由给定电池电压Uo*与实际电池电压Uo的差值ΔUo，经过一个PI控制器后再乘以|sin(θ)|得到，其中θ为由锁相环得到的电网电压角度；通过乘以|sin(θ)|得到的输入直流侧电流给定值，能够使输入电流与电网电压同相，从而实现单位功率因数。

8.根据权利要求7所述的一种低成本的电机驱动-电池充电一体化装置的控制方法，其特征在于，当外环跟踪较好、外环PI输出为一个较稳定的值时，输入直流侧电流的给定值将是一个标准的正弦半波；当电流内环跟踪较好，则输入电流将呈低谐波含量的正弦波；所述跟踪较好是指给定值与实际值的偏差在5％以内。