CN108278171A - 基于三相发电机的电动机启动控制装置 - Google Patents

基于三相发电机的电动机启动控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于三相发电机的电动机启动控制装置，其中，装置包括：发动机、与发动机连接的电机、与电机电连接的三相全桥电路、与三相全桥电路电连接的调制控制器，以及与三相全桥电路电连接的蓄电池。其中，发动机用于在电机的带动下启动后驱动电机发电；电机用于消耗电能启动发动机或者在发动机的带动下产生电能；三相全桥电路用于调整电机的输入电流从而控制电机的转速或者整流电机的输出电流；调制控制器用于控制三相全桥电路来调整电机的输入电流或者整流电机的输出电流；蓄电池用于给电机提供电能或者接收电机产生的电能。本发明节省车辆的布置空间，使发电机发电转速范围更宽，发电效率更高。

Description

基于三相发电机的电动机启动控制装置
技术领域
本发明涉及混合动力系统及内燃机启动发电技术领域，尤其涉及一种以内燃机和电池为能源的混合动力系统，具体来说就是一种基于三相发电机的电动机启动控制装置。
背景技术
随着我国汽车保有量的持续攀升，不仅造成传统能源的严重危机，同时汽车尾气排放也给环境带来了巨大的危害。节能、减排成为新世纪全球能源利用的主题。随着能源的日益短缺要求人们研发新的动力技术，在这样的背景下，新能源汽车应运而生，但是由于新能源汽车的充电问题、续航里程问题，使得新能源汽车的发展任重而道远，相比之下，混合动力系统可以较好地解决燃油消耗问题和空气污染问题，而且我国推广新能源汽车的空间非常大，因此，研发与提升我国新能源汽车技术有很大的必要性。
在众多新能源汽车解决方案中，综合了传统燃油汽车和纯电动汽车优点的混合动力汽车，基本上不改变现有汽车产业结构，也不改变现有能源体系及用户使用习惯，成为最具现实开发意义及产业化前景的节能环保汽车。所谓混合动力汽车，是指在一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助动力单元，目前混合动力汽车通常是指燃油发动机与电机组成的油电混合动力汽车。随着政府对混合动力汽车的投入与开发力度的不断加大，我国混合动力汽车迎来了重要的发展机遇。混合动力汽车的基础研究、关键性技术等领域的研究，为产业发展提供强有力的技术支撑，开发和使用混合动力汽车已经成为未来汽车工业发展的必然方向。
如图1所示，图1为现有混合动力汽车的内燃机启动控制装置的结构示意图，现有混合动力汽车的发动机10需要启动时，首先由蓄电池20给内燃机启动控制装置供电，电机30作为电动机工作，通过依次控制三相全桥电路40内部的六个功率管V1、V2、V3、V4、V5、V6的开关状态及通断时间来控制电机30的转动和转速，六个功率管切换一次，电机30就转动一圈，以此原理来控制电机30的转动。如果每秒钟切换100次，则电机30的转速就是100r/s，此时三相全桥电路40起到驱动电机30的作用，使电机30拖动发动机工作，当达到发动机10可启动转速后，发动机10启动，内燃机启动控制装置停止给电机30供电。
当发动机10达到电机30可以发电的转速时，电机30作为发电机工作，电机30开始发电，发出来的电能需要通过整流桥50来整流，给电动机或蓄电池提供电能。但是，现有技术方案存在以下问题：1.因为多增加一个单独整流部件，对整车布置空间及散热性能要求苛刻；2.因为部件较多，装配工艺繁琐，内燃机启动控制装置及整流桥都是大功率器件，输入输出线束不好固定，且安装工艺复杂，浪费生产工艺；3.采用现有结构方案，发电机发电转速范围比较窄，发电机不能调功，发电机效率低；4.现有方案结构复杂、成本高，整体系统工作可靠性相对较差。
针对现有发动机启动发电控制系统的控制方式及其特点，本发明旨在设计一款能够满足混合动力汽车发动机启动、发电机发电整流及发电系统能够调节功率的一体化内燃机启动控制装置，提高混合动力系统的安全性、可靠性、工艺性，减少生产装配的复杂程度，节省车辆的布置空间，使发电机发电转速范围更宽，发电效率更高。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种基于三相发电机的电动机启动控制装置，解决了现有内燃机启动控制装置结构复杂、发电转速范围窄、发电效率低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的具体实施方式提供一种基于三相发电机的电动机启动控制装置，包括：发动机、与所述发动机连接的电机、与所述电机电连接的三相全桥电路、与所述三相全桥电路电连接的调制控制器，以及与所述三相全桥电路电连接的蓄电池。其中，所述发动机用于在所述电机的带动下启动后驱动所述电机发电；所述电机用于消耗电能启动所述发动机或者在所述发动机的带动下产生电能；所述三相全桥电路用于调整所述电机的输入电流从而控制所述电机的转速或者整流所述电机的输出电流；所述调制控制器用于控制所述三相全桥电路来调整所述电机的输入电流或者整流所述电机的输出电流；所述蓄电池用于给所述电机提供电能或者接收所述电机产生的电能。
根据本发明的上述具体实施方式可知，基于三相发电机的电动机启动控制装置至少具有以下有益效果：利用电机既可以作为电动机工作，又可以作为发电机工作的可逆原理，通过电动机启动控制装置内部的三相全桥电路在驱动或整流状态下的拓扑可以互为反向的原理，实现同一个三相全桥电路全桥驱动和整流的双重作用，从而实现对现有整流部件(整流桥)的节省；电机在发动机启动前作为电动机工作带动发动机转动，当达到发动机可以启动的转速后发动机开始喷油点火，发动机起动，发动机起动后，发动机反过来拖动电机转动，此时电机作为发电机工作，将发动机的机械能转化为电能，满足车辆对电能的需要；可以实现混合动力汽车发动机的启动、发电机的发电整流及发电系统的功率调节，提高混合动力系统的安全性、工作可靠性、安装工艺性，减少生产装配的复杂程度，节省车辆的布置空间，使发电机发电转速范围更宽，发电效率更高。
应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。
附图说明
下面的所附附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。
图1为现有混合动力汽车的内燃机启动控制装置的结构示意图；
图2为本发明具体实施方式提供的一种基于三相发电机的电动机启动控制装置的实施例一的结构示意图；
图3为本发明具体实施方式提供的一种基于三相发电机的电动机启动控制装置的实施例二的结构示意图。
图4为本发明具体实施方式提供的一种基于三相发电机的电动机启动控制装置的实施例三的结构示意图。
符号说明：
10 发动机 20 蓄电池
30 电机 40 三相全桥电路
50 整流桥
1 发动机 2 电机
3 三相全桥电路 4 调制控制器
5 蓄电池 6 传感器
Q1 第一场效应晶体管 D1 第一二极管
Q2 第二场效应晶体管 D2 第二二极管
Q3 第三场效应晶体管 D3 第三二极管
Q4 第四场效应晶体管 D4 第四二极管
Q5 第五场效应晶体管 D5 第五二极管
Q6 第六场效应晶体管 D6 第六二极管
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。
本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。
关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。
关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。
关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。
某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。
图2为本发明具体实施方式提供的一种基于三相发电机的电动机启动控制装置的实施例一的结构示意图，如图2所示，发动机在电机的带动下启动后为电机提供驱动力，带动电机发电，发动机未启动时，畜电池给电机供电，电机工作于电动机模式，消耗电能启动电动机；发动机启动后，带动电机转动，电机工作于发电机模式，产生电能给蓄电池充电。
该附图所示的具体实施方式中，基于三相发电机的电动机启动控制装置包括：发动机1、电机2、三相全桥电路3、调制控制器4和蓄电池5。其中，发动机1用于在所述电机2的带动下启动后驱动所述电机2发电；电机2与所述发动机1连接，电机2用于消耗电能启动所述发动机1或者在所述发动机1的带动下产生电能；三相全桥电路3与所述电机2电连接，三相全桥电路3用于调整所述电机2的输入电流从而控制所述电机2的转速或者整流所述电机2的输出电流；调制控制器4与所述三相全桥电路3电连接，调制控制器4用于控制所述三相全桥电路3来调整所述电机的输入电流或者整流所述电机的输出电流；蓄电池5与所述三相全桥电路3电连接，蓄电池5用于给所述电机2提供电能或者接收所述电机2产生的电能。本发明的实施例中，调制控制器4可以采用北京波威科技有限公司生产的型号为MBC-IQ-02的调制控制器；所述电机2消耗电能时的转速为V1，所述发动机1启动后转速为V2，V2可以大于V1，也可以小于V1；通常情况下，V2大于V1时，电机2高功率发电，V2小于V1时，电机2怠速发电，电机2作为发电机发电转速范围宽，发电机能够调功，发电效率高。蓄电池5给电机2供电，电机2作为电动机运转，电机2带动发动机1一起转动，达到发动机1的启动转速后，发动机1启动，此时发动机1带动电机2转动，电机2作为发电机运转，电机2发出的电能存储在蓄电池5中；所述蓄电池5可以为锂电池或者铅酸电池；所述调制控制器4可以为脉宽调制控制电路；所述发动机1为内燃机。
参见图2，电机2可以低转速发电，提高电机2的发电效率；驱动控制与电流整流共用一个三相全桥电路3和散热结构，节省空间、布置方便灵活，降低成本，减轻混合动力汽车的整体重量，为整车轻量化做贡献。本发明提供的一体式电动机启动控制装置结构简单，方便实用，还能够提高电动机启动控制装置运行的稳定性、安全性，对新能源行业起到非常大的作用。
图3为本发明具体实施方式提供的一种基于三相发电机的电动机启动控制装置的实施例二的结构示意图，如图3所示，利用传感器与电机的定子电连接，感测电机是否发电，以便调制控制器合理调制三相全桥电路，对电机的输出电流进行整流。
该附图所示的具体实施方式中，基于三相发电机的电动机启动控制装置还包括传感器6。其中，传感器6与所述电机2的定子和所述调制控制器4 电连接，传感器6用于感应所述电机2的输出电流。本发明的实施例中，所述传感器6为电流感应器，例如，可以为电感线圈。
参见图3，传感器6感应电机2的输出电流，可以精准确定电机2工作于发电机模式的情况，以便调制控制器4及时调整三相全桥电路3，对电机 2的输出电流进行整流，将三相交流电整流成直流电存储在蓄电池5中，实现简单、成本低廉。
图4为本发明具体实施方式提供的一种基于三相发电机的电动机启动控制装置的实施例三的结构示意图，如图4所示，三相全桥电路由三组桥式电路组成，每组桥式电路由两个场效应晶体管和两个二极管组成。
该附图所示的具体实施方式中，所述三相全桥电路3具体包括：第一场效应晶体管Q1、第一二极管D1、第二场效应晶体管Q2、第二二极管D2、第三场效应晶体管Q3、第三二极管D3、第四场效应晶体管Q4、第四二极管D4、第五场效应晶体管Q5、第五二极管D5、第六场效应晶体管Q6和第六二极管D6。其中，第一场效应晶体管Q1具有第一源极、第一栅极和第一漏极，其中，所述第一源极与所述电机2的U极电连接，所述第一栅极与所述调制控制器4电连接，所述第一漏极与所述蓄电池5的正极电连接；第一二极管D1具有第一正极和第一负极，其中，所述第一正极与所述第一源极电连接，所述第一负极与所述第一漏极电连接；第二场效应晶体管Q2具有第二源极、第二栅极和第二漏极，其中，所述第二源极与所述蓄电池5的负极电连接，所述第二栅极与所述调制控制器4电连接，所述第二漏极与所述电机2的U极电连接；第二二极管D2具有第二正极和第二负极，其中，所述第二正极与所述第二源极电连接，所述第二负极与所述第二漏极电连接；第三场效应晶体管Q3具有第三源极、第三栅极和第三漏极，其中，所述第三源极与所述电机2的V极电连接，所述第三栅极与所述调制控制器4电连接，所述第三漏极与所述蓄电池5的正极电连接；第三二极管D3具有第三正极和第三负极，其中，所述第三正极与所述第三源极电连接，所述第三负极与所述第三漏极电连接；第四场效应晶体管Q4具有第四源极、第四栅极和第四漏极，其中，所述第四源极与所述蓄电池5的负极电连接，所述第四栅极与所述调制控制器4电连接，所述第四漏极与所述电机2的V极电连接；第四二极管D4具有第四正极和第四负极，其中，所述第四正极与所述第四源极电连接，所述第四负极与所述第四漏极电连接；第五场效应晶体管Q5 具有第五源极、第五栅极和第五漏极，其中，所述第五源极与所述电机2的 W极电连接，所述第五栅极与所述调制控制器4电连接，所述第五漏极与所述蓄电池5的正极电连接；第五二极管D5具有第五正极和第五负极，其中，所述第五正极与所述第五源极电连接，所述第五负极与所述第五漏极电连接；第六场效应晶体管Q6具有第六源极、第六栅极和第六漏极，其中，所述第六源极与所述蓄电池5的负极电连接，所述第六栅极与所述调制控制器 4电连接，所述第六漏极与所述电机2的W极电连接；第六二极管D6具有第六正极和第六负极，其中，所述第六正极与所述第六源极电连接，所述第六负极与所述第六漏极电连接。本发明的实施例中，所述第一场效应晶体管 Q1、所述第二场效应晶体管Q2、所述第三场效应晶体管Q3、所述第四场效应晶体管Q4、所述第五场效应晶体管Q5和所述第六场效应晶体管Q6均为 CMOS场效应晶体管；所述第一场效应晶体管Q1、所述第二场效应晶体管 Q2、所述第三场效应晶体管Q3、所述第四场效应晶体管Q4、所述第五场效应晶体管Q5和所述第六场效应晶体管Q6的切换频率等于所述电机2的转速。例如，电机2工作于发电机模式时，通过依次控制所述第一场效应晶体管Q1、所述第二场效应晶体管Q2、所述第三场效应晶体管Q3、所述第四场效应晶体管Q4、所述第五场效应晶体管Q5和所述第六场效应晶体管Q6 的开关状态及通断时间来控制电机2的转动和转速，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5 和Q6切换一次，电机2就转动一圈，以此原理来控制电机2的转动，如果每秒钟Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6切换100次，则电机2的转速就是100r/s；电机2工作于电动机模式时，根据电机2的转速依次控制所述第一场效应晶体管Q1、所述第二场效应晶体管Q2、所述第三场效应晶体管Q3、所述第四场效应晶体管Q4、所述第五场效应晶体管Q5和所述第六场效应晶体管 Q6的开关状态及通断时间，电机2转动一圈，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和 Q6切换一次，如果电机2的转速为150r/s，就是每秒钟Q1、Q2、Q3、Q4、 Q5和Q6切换150次。
参见图4，利用一套三相全桥电路3就可以实现电动机的启动控制及电机2输出电流的整流，不需要额外配置整流桥，节省空间，结构简单，成本低廉，有利于混合动力汽车的集成化发展，同时为整车轻量化做贡献。
本发明具体实施例提供一种基于三相发电机的电动机启动控制装置，利用电机既可以作为电动机工作，又可以作为发电机工作的可逆原理，通过电动机启动控制装置内部的三相全桥电路在驱动或整流状态下的拓扑可以互为反向的原理，实现同一个三相全桥电路全桥驱动和整流的双重作用，从而实现对现有整流部件(整流桥)的节省；电机在发动机启动前作为电动机工作带动发动机转动，当达到发动机可以启动的转速后发动机开始喷油点火，发动机起动，发动机起动后，发动机反过来拖动电机转动，此时电机作为发电机工作，将发动机的机械能转化为电能，满足车辆对电能的需要；可以实现混合动力汽车发动机的启动、发电机的发电整流及发电系统的功率调节，提高混合动力系统的安全性、工作可靠性、安装工艺性，减少生产装配的复杂程度，节省车辆的布置空间，使发电机发电转速范围更宽，发电效率更高。
上述的本发明实施例可在各种硬件、软件编码或两者组合中进行实施。例如，本发明的实施例也可为在数据信号处理器(Digital Signal Processor， DSP)中执行上述方法的程序代码。本发明也可涉及计算机处理器、数字信号处理器、微处理器或现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array， FPGA)执行的多种功能。可根据本发明配置上述处理器执行特定任务，其通过执行定义了本发明揭示的特定方法的机器可读软件代码或固件代码来完成。可将软件代码或固件代码发展为不同的程序语言与不同的格式或形式。也可为不同的目标平台编译软件代码。然而，根据本发明执行任务的软件代码与其他类型配置代码的不同代码样式、类型与语言不脱离本发明的精神与范围。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于三相发电机的电动机启动控制装置，其特征在于，该装置包括：发动机(1)、与所述发动机(1)连接的电机(2)、与所述电机(2)电连接的三相全桥电路(3)、与所述三相全桥电路(3)电连接的调制控制器(4)，以及与所述三相全桥电路(3)电连接的蓄电池(5)，其中，
所述发动机(1)用于在所述电机(2)的带动下启动后驱动所述电机(2)发电；
所述电机(2)用于消耗电能启动所述发动机(1)或者在所述发动机(1)的带动下产生电能；
所述三相全桥电路(3)用于调整所述电机(2)的输入电流从而控制所述电机(2)的转速或者整流所述电机(2)的输出电流；
所述调制控制器(4)用于控制所述三相全桥电路(3)来调整所述电机的输入电流或者整流所述电机的输出电流；以及
所述蓄电池(5)用于给所述电机(2)提供电能或者接收所述电机(2)产生的电能。
2.如权利要求1所述的基于三相发电机的电动机启动控制装置，其特征在于，该装置还包括：
传感器(6)，与所述电机(2)的定子和所述调制控制器(4)电连接，用于感应所述电机(2)的输出电流。
3.如权利要求2所述的基于三相发电机的电动机启动控制装置，其特征在于，所述传感器(6)为电流感应器。
4.如权利要求1所述的基于三相发电机的电动机启动控制装置，其特征在于，所述三相全桥电路(3)具体包括：
第一场效应晶体管(Q1)，具有第一源极、第一栅极和第一漏极，其中，所述第一源极与所述电机(2)的U极电连接，所述第一栅极与所述调制控制器(4)电连接，所述第一漏极与所述蓄电池(5)的正极电连接；
第一二极管(D1)，具有第一正极和第一负极，其中，所述第一正极与所述第一源极电连接，所述第一负极与所述第一漏极电连接；
第二场效应晶体管(Q2)，具有第二源极、第二栅极和第二漏极，其中，所述第二源极与所述蓄电池(5)的负极电连接，所述第二栅极与所述调制控制器(4)电连接，所述第二漏极与所述电机(2)的U极电连接；
第二二极管(D2)，具有第二正极和第二负极，其中，所述第二正极与所述第二源极电连接，所述第二负极与所述第二漏极电连接；
第三场效应晶体管(Q3)，具有第三源极、第三栅极和第三漏极，其中，所述第三源极与所述电机(2)的V极电连接，所述第三栅极与所述调制控制器(4)电连接，所述第三漏极与所述蓄电池(5)的正极电连接；
第三二极管(D3)，具有第三正极和第三负极，其中，所述第三正极与所述第三源极电连接，所述第三负极与所述第三漏极电连接；
第四场效应晶体管(Q4)，具有第四源极、第四栅极和第四漏极，其中，所述第四源极与所述蓄电池(5)的负极电连接，所述第四栅极与所述调制控制器(4)电连接，所述第四漏极与所述电机(2)的V极电连接；
第四二极管(D4)，具有第四正极和第四负极，其中，所述第四正极与所述第四源极电连接，所述第四负极与所述第四漏极电连接；
第五场效应晶体管(Q5)，具有第五源极、第五栅极和第五漏极，其中，所述第五源极与所述电机(2)的W极电连接，所述第五栅极与所述调制控制器(4)电连接，所述第五漏极与所述蓄电池(5)的正极电连接；
第五二极管(D5)，具有第五正极和第五负极，其中，所述第五正极与所述第五源极电连接，所述第五负极与所述第五漏极电连接；
第六场效应晶体管(Q6)，具有第六源极、第六栅极和第六漏极，其中，所述第六源极与所述蓄电池(5)的负极电连接，所述第六栅极与所述调制控制器(4)电连接，所述第六漏极与所述电机(2)的W极电连接；以及
第六二极管(D6)，具有第六正极和第六负极，其中，所述第六正极与所述第六源极电连接，所述第六负极与所述第六漏极电连接。
5.如权利要求4所述的基于三相发电机的电动机启动控制装置，其特征在于，所述第一场效应晶体管(Q1)、所述第二场效应晶体管(Q2)、所述第三场效应晶体管(Q3)、所述第四场效应晶体管(Q4)、所述第五场效应晶体管(Q5)和所述第六场效应晶体管(Q6)均为CMOS场效应晶体管。
6.如权利要求4所述的基于三相发电机的电动机启动控制装置，其特征在于，所述第一场效应晶体管(Q1)、所述第二场效应晶体管(Q2)、所述第三场效应晶体管(Q3)、所述第四场效应晶体管(Q4)、所述第五场效应晶体管(Q5)和所述第六场效应晶体管(Q6)的切换频率等于所述电机(2)的转速。
7.如权利要求1所述的基于三相发电机的电动机启动控制装置，其特征在于，所述蓄电池(5)为锂电池或者铅酸电池。
8.如权利要求1所述的基于三相发电机的电动机启动控制装置，其特征在于，所述调制控制器(4)为脉宽调制控制电路。
9.如权利要求1所述的基于三相发电机的电动机启动控制装置，其特征在于，所述发动机(1)为内燃机。
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