CN112224039A - 一种电动汽车增程器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车增程器及控制方法，属于电动汽车技术领域。本发明中增程器无刷直流电机被控制作为起动/发电一体化电机使用；无刷直流电机电动运行时，三相逆变器工作，三相整流器续流；无刷直流电机发电运行时，三相逆变器不工作，由三相整流器与三相逆变器的体二极管共同构成整流电路，将无刷电机所发三相交流电整流成直流电；无刷直流电机发电运行时，由电压和转速双PI调节器调节发动机转速和输出电压，保持输出电压的稳定。本发明控制结构简单、计算工作量小、响应迅速。

Description

一种电动汽车增程器及控制方法
技术领域
本发明涉及一种电动汽车增程器及控制方法，属于电动汽车技术领域。
背景技术：
为实现燃油汽车向电动汽车的顺利过渡，国内外汽车制造厂商研制并生产了加装增程器的电动汽车，装有增程器的电动汽车动力系统如图2所示，增程器实际是电动汽车的辅助发电系统，其工作原理是：当电动汽车车载蓄电池电量充足时，由蓄电池提供整车功率需求，带动主驱动电机旋转；当蓄电池电量不足时，由增程器发电，提供整车功率需求，带动主驱动电机旋转，以解决电动汽车电池储能有限导致的续行里程不足问题。
目前已有增程器的相关文献报道和专利技术，中国发明专利ZL201310163186.8公开了一种电动汽车增程器及控制方法，该电动汽车增程器用一台交流永磁同步电机进行发电，用一台发动机作为交流永磁同步电机的动力源，带动电机发电，但是发动机需要用外力起动后，才能自己运行，因此增程器中又加入了一台直流起动机，直流起动机仅在发动机起动时使用一下，绝大部分时间是闲置不用的，直流起动机的存在大大增加了增程器的体积与重量，占去了电动汽车有限的空间，增加了电动汽车整车重量，因此十分有必要研发减去发动机专用起动机的增程器。
文献(何坚强，唐慧雨，张兰红，电动汽车增程器关键技术综述[J].电源世界，2016，(12):39-43)指出，增程器可以采用电机起动/发电一体化技术来省去专门的起动电机，永磁无刷电机转子采用永磁体，无绕组及铜耗，虽然它起动转矩不大，制造也较复杂，但其效率及比功率高、调速范围宽且精度高、运行平稳、可靠性好，可以作为当前增程器起动/发电一体化电机的选择。针对无刷直流电机起动/发电一体化技术，文献(李颖，蔺韬，邵兴齐，等.无刷直流起动/发电系统的设计与实现[J].微特电机，2013，41(2):8-12)研究了根据电机的转矩需求调节功率电路PWM占空比的方法，通过占空比的控制来调节输出电压，文献(韦敏，贾惠芹.电动车用电动/发电永磁无刷直流电机的控制系统研究[J]. 微电机，2011，44(4):102-105.)根据对电机电流的PID控制实现对输出电压的控制，但是作为电动汽车辅助发电系统的增程器，要求根据路况变化迅速调整电机输出功率，保证输出电压的稳定，因此有必要研究控制结构简单、响应快速的增程器输出电压控制技术。
发明内容
为了解决现有电动汽车增程器成本高、体积大、控制复杂、控制效果不理想的问题，本发明提出了一种电动汽车增程器及控制方法，该电动汽车增程器成本低、体积小、结构简单、控制效果优良。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种电动汽车增程器，包括发动机、无刷直流电机、增程器控制器、发动机油门步进电机和发动机风门步进电机，所述增程器控制器包括三相逆变器、三相整流器、微控制器、逆变器驱动电路、步进电机驱动电路、反电势过零检测电路、直流母线电压检测电路、直流母线电流检测电路、电压电流采样电路和环境温度检测电路；
其中：发动机转轴与无刷直流电机转轴直接相连接；增程器控制器中三相逆变器中点与三相整流器中点分别对应相连接、三相逆变器的正、负端与三相整流器的正、负端分别对应相连接，组成主功率电路；主功率电路三相中点与无刷直流电机的三相绕组引出线a、b、c端分别对应相连接；主功率电路正端引出线与蓄电池的正极相连接，主功率电路负端引出线与蓄电池的负极相连接；
直流母线电压检测电路、直流母线电流检测电路与电压电流采样电路相连接，所述电压电流采样电路输出信号与微控制器相连，环境温度检测电路的检测值送入微控制器；
所述反电势过零检测电路输入端与无刷直流电机三相绕组引出线相连接，输出端与微控制器相连接；所述微控制器与逆变器驱动电路相连接；
微控制器还与步进电机驱动电路相连接，微控制器发出的风门和油门控制信号经过步进电机驱动电路放大后送到发动机油门步进电机和发动机风门步进电机，发动机油门步进电机与发动机的油门控制线相连接，发动机风门步进电机与发动机的风门控制线相连接。
所述环境温度检测电路采用热敏电阻进行检测。
所述发动机为5～10kW的小功率汽油机，所述无刷直流电机为三相交流电机，所述三相逆变器由六只MOS管组成，所述三相整流器由六只快恢复二极管组成。
一种电动汽车增程器无刷直流电机控制方法，无刷直流电机作为起动/发电一体化电机控制，发动机起动时，无刷直流电机工作在电动状态，蓄电池提供的直流电通过三相逆变器，转变为交流电，供给无刷直流电机，无刷直流电机作电动运行，拖动发动机从静止开始加速旋转，发动机转速升到点火速后自行旋转，反过来拖动无刷直流电机旋转，无刷直流电机转为发电运行状态，发出的三相交流电经过三相整流器整流为直流电，向蓄电池充电，并供给主驱动系统。
一种电动汽车增程器主功率电路控制方法，无刷直流电机电动运行拖动发动机起动时，微控制器向三相逆变器发脉冲宽度调节信号，三相逆变器工作，三相整流器起续流作用；无刷直流电机发电运行向蓄电池充电时，控制器向三相逆变器发脉冲封锁信号，由三相整流器与逆变器体二极管共同构成整流电路，将无刷电机三相交流电整流成直流电。
一种电动汽车增程器输出电压控制方法，直流母线电压检测电路测得直流母线实际电压，将该实际电压与希望达到的目标电压相比较，由电压PI调节器求出发动机的目标转速；由反电势过零检测电路根据电机反电势过零点频率求得无刷直流电机实际转速，也就是发动机实际转速，将发动机的目标转速与实际转速相比较，由速度PI调节器求出发动机油门角度，通过发动机油门步进电机调节发动机节气门开度大小，从而调节发动机转速，带动无刷直流电机转速同步调节，无刷直流电机输出电压得到了调节，所述输出电压由三相整流器将其整流后稳定在主驱动系统需要的供电电压上。
本发明的有益效果如下：
1、本发明增程器体积小，重量轻。将无刷直流电机作为起动/发电一体化电机进行控制，省去了一台专门起动发动机的起动电机，大大减小了增程器的体积和重量。
2、增程器控制器主功率电路电压电流应力小，使用寿命长。本发明采用了一套三相逆变器和一套三相整流器并联的方案，三相逆变器主要用于发动机起动时，将蓄电池电压逆变为电机三相绕组的供电电压，三相整流器主要用于电机发电运行时的整流，发电时不再存在大电流续流，也不存在续流路径无法保证问题，减少了功率电路的损坏几率。
3、本发明采用电压和速度双闭环来保证了输出电压的稳定，控制结构简单，计算工作量小，保证了电压响应的快速性。
附图说明
图1为本发明电动汽车增程器装置图。
图2为装有增程器的电动汽车动力系统。
图3为无刷直流电机作为起动/发电一体化电机控制时能量流向示意图。
图4为本发明的增程器输出电压控制示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图，进一步阐述本发明。
附图1为本发明的电动汽车增程器装置图，其结构包括发动机、无刷直流电机、增程器控制器、发动机油门步进电机、发动机风门步进电机，增程器控制器包括三相逆变器、三相整流器、微控制器、逆变器驱动电路、步进电机驱动电路、反电势过零检测电路、直流母线电压检测电路、直流母线电流检测电路、电压电流采样电路、环境温度检测电路。
发动机转轴与无刷直流电机转轴直接相连接；增程器控制器中三相逆变器中点与三相整流器中点分别对应相连接、三相逆变器的正、负端与三相整流器的正、负端分别对应相连接，组成主功率电路；主功率电路三相中点分别与无刷直流电机的三相绕组引出线a、b、c端相连接；主功率电路正端引出线作为直流母线正端，与蓄电池的正极相连接，负端引出线作为直流母线负端，与蓄电池的负极相连接。
直流母线电压检测电路由两只以上分压电阻组成，直流母线电流检测电路采用在母线负端串接一个康铜丝，通过检测康铜丝电压求出母线电流，直流母线电压检测电路、直流母线电流检测电路分别与电压电流采样电路相连接，电压电流采样电路输出信号与微控制器相连，微控制器采用意发半导体公司的STM32单片机，温度检测电路用热敏电阻进行检测，温度检测电路的检测值送入微控制器。
反电势过零检测电路输入端与无刷直流电机三相绕组引出线a、b、c端相连接，输出端与微控制器相连接，微控制器与逆变器驱动电路相连接，将脉冲宽度调节(PulseWidth Modulation，PWM)信号送到逆变器驱动电路，再由逆变器驱动电路放大后送到逆变器六个MOS管的栅极。
微控制器还与步进电机驱动电路相连接，微控制器发出的风门和油门控制信号经过步进电机驱动电路放大后送到发动机油门步进电机和发动机风门步进电机，发动机油门步进电机与发动机的油门控制线相连接，发动机风门步进电机与发动机的风门控制线相连接。
电动汽车增程器的发动机为5～10kW的小功率汽油机，无刷直流电机为三相交流电机，逆变器由六只MOS管组成，整流器由六只快恢复二极管组成。
电动汽车增程器中无刷直流电机作为起动/发电一体化电机控制，增程器能量流向示意图如图3所示；发动机起动时，无刷直流电机工作在电动状态，蓄电池提供的直流电通过三相逆变器，转变为交流电，供给无刷直流电机，无刷直流电机作电动运行，拖动发动机从静止开始加速旋转，发动机转速升到点火速后自行旋转，反过来拖动无刷直流电机旋转，无刷直流电机转为发电运行状态，发出的三相交流电经过三相整流器整流为直流电，向蓄电池充电，并供给主驱动系统。
电动汽车增程器主功率电路控制方法为：无刷直流电机作电动运行拖动发动机起动时，微控制器向三相逆变器发脉冲宽度调节(PWM)信号，三相逆变器工作，三相整流器起续流作用；无刷直流电机发电运行向蓄电池充电时，控制器向三相逆变器发PWM脉冲封锁信号，由三相整流器与逆变器体二极管共同构成整流电路，将无刷电机三相交流电整流成直流电，给蓄电池充电，并给主驱动系统供电。
电动汽车增程器输出电压控制示意图如图4所示，直流母线电压检测电路测得直流母线实际电压，将该实际电压与希望达到的目标电压相比较，由电压PI调节器（Proportional integral controller，比例积分调节器）求出发动机的目标转速；再由反电势过零检测电路根据无刷直流电机反电势过零点频率得出无刷直流电机实际转速，即发动机实际转速，将发动机的目标转速与实际转速相比较，由速度PI调节器求得发动机油门角度，发动机的油门就是发动机节气门，通过发动机油门步进电机调节发动机节气门开度大小，从而调节发动机转速，无刷直流电机转速同步得到了调节，无刷直流电机输出电压幅值与转速成正比，因此电机输出电压得到了调节，再由三相整流器将其整流后稳定在主驱动系统需要的供电电压上。
增程器工作过程中，直流母线电压检测电路所检测的母线实际电压除了用于电压PI调节器控制之外，还作为蓄电池过压或欠压的判断依据，以决定是否启动或停止增程器的工作；直流母线电流检测电路所检测的母线实际电流作为过流保护的判断依据，若启动时过流，则电机可能堵转，则立即停止增程器的工作，以免MOS管在堵转时损坏，在发电时，检测的电流除了作为过流保护外，还作为发电功率计算的依据，保证无刷电机与增程器控制器在额定的功率范围内工作。
发动机风门步进电机主要用于发动机起动时调节风门角度，增加混合汽的浓度，便于发动机顺利起动。风门打开的角度和环境温度有关，电机启动之前，会检测环境温度，不同的环境温度对应不同的风门打开角度，假设风门全打开时，角度最大为90°，若环境温度T范围为：T<-40度，风门打开角度为0°，若环境温度T范围为：-40度< T < -30度，风门打开角度为15°，若环境温度T范围为：-30 度< T < -20度，风门打开角度为20°，若环境温度T范围为：-20度< T < -10度，风门打开角度为25°，若环境温度T范围为：-10度< T < 0度，风门打开角度为30°，以此类推；电机启动完成之后慢慢的将风门全部打开，发动机风门控制工作结束。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的计算方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润色，这些改进和润色也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电动汽车增程器，其特征在于，包括发动机、无刷直流电机、增程器控制器、发动机油门步进电机和发动机风门步进电机，所述增程器控制器包括三相逆变器、三相整流器、微控制器、逆变器驱动电路、步进电机驱动电路、反电势过零检测电路、直流母线电压检测电路、直流母线电流检测电路、电压电流采样电路和环境温度检测电路；
其中：发动机转轴与无刷直流电机转轴直接相连接；增程器控制器中三相逆变器中点与三相整流器中点分别对应相连接、三相逆变器的正、负端与三相整流器的正、负端分别对应相连接，组成主功率电路；主功率电路三相中点与无刷直流电机的三相绕组引出线a、b、c端分别对应相连接；主功率电路正端引出线与蓄电池的正极相连接，主功率电路负端引出线与蓄电池的负极相连接；
直流母线电压检测电路、直流母线电流检测电路与电压电流采样电路相连接，所述电压电流采样电路输出信号与微控制器相连，环境温度检测电路的检测值送入微控制器；
所述反电势过零检测电路输入端与无刷直流电机三相绕组引出线相连接，输出端与微控制器相连接；所述微控制器与逆变器驱动电路相连接；
微控制器还与步进电机驱动电路相连接，微控制器发出的风门和油门控制信号经过步进电机驱动电路放大后送到发动机油门步进电机和发动机风门步进电机，发动机油门步进电机与发动机的油门控制线相连接，发动机风门步进电机与发动机的风门控制线相连接。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车增程器，其特征在于：所述环境温度检测电路采用热敏电阻进行检测。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车增程器，其特征在于：所述发动机为5～10kW的小功率汽油机，所述无刷直流电机为三相交流电机，所述三相逆变器由六只MOS管组成，所述三相整流器由六只快恢复二极管组成。
4.一种电动汽车增程器无刷直流电机控制方法，其特征在于：无刷直流电机作为起动/发电一体化电机控制，发动机起动时，无刷直流电机工作在电动状态，蓄电池提供的直流电通过三相逆变器，转变为交流电，供给无刷直流电机，无刷直流电机作电动运行，拖动发动机从静止开始加速旋转；发动机转速升到点火速后自行旋转，反过来拖动无刷直流电机旋转，无刷直流电机转为发电运行状态，发出的三相交流电经过三相整流器整流为直流电，向蓄电池充电，并供给主驱动系统。
5.一种电动汽车增程器主功率电路控制方法，其特征在于：无刷直流电机电动运行拖动发动机起动时，微控制器向三相逆变器发脉冲宽度调节信号，三相逆变器工作，三相整流器起续流作用；无刷直流电机发电运行向蓄电池充电时，微控制器向三相逆变器发脉冲封锁信号，由三相整流器与逆变器体二极管共同构成整流电路，将无刷电机三相交流电整流成直流电。
6.一种电动汽车增程器输出电压控制方法，其特征在于：直流母线电压检测电路测得直流母线实际电压，将该实际电压与希望达到的目标电压相比较，由电压PI调节器求出发动机的目标转速；由反电势过零检测电路根据电机反电势过零点频率求得无刷直流电机实际转速，也就是发动机实际转速，将发动机的目标转速与实际转速相比较，由速度PI调节器求出发动机油门角度，通过发动机油门步进电机调节发动机节气门开度大小，从而调节发动机转速，带动无刷直流电机转速同步调节，无刷直流电机输出电压得到了调节，所述输出电压由三相整流器将其整流后稳定在主驱动系统需要的供电电压上。
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