CN113285648A - 驱动充电集成电路、电动汽车及其控制方法和控制系统 - Google Patents

驱动充电集成电路、电动汽车及其控制方法和控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开驱动充电集成电路、电动汽车及其控制方法和控制系统，属于电动汽车领域。包括：三相两电平电机驱动电路、辅助桥臂单元和多路选择开关；三相两电平电机驱动电路和辅助桥臂单元正极短接在一起，构成第一接口正极，负极短接在一起，构成第一接口负极，第一接口用于连接车载电池；三相两电平电机驱动电路中三个半桥单元交流接口引出，构成第二接口，并分别与多路选择开关三条分选线相连，第二接口用于电气连接驱动电机三相定子绕组；多路选择开关总线作为第三接口一端，辅助桥臂单元交流接口引出作为第三接口另一端，第三接口用于电气连接交流电网。本发明仅增加一个辅助桥臂及多路选择开关，无需对永磁同步电机进行改变同时实现并网功能。

Description

驱动充电集成电路、电动汽车及其控制方法和控制系统
技术领域
本发明属于电动汽车领域，更具体地，涉及驱动充电集成电路、电动汽车及其控制方法和控制系统。
背景技术
目前，纯电动汽车与混合动力汽车普及程度越来越高，电动汽车取代传统燃油汽车已经成为一种趋势。但对于现有电动汽车，消费者的“里程焦虑”普遍存在。“里程焦虑”产生的主要原因一方面在于车载电池的能量密度难以有飞跃性的提升，另一方面则是电动汽车充电通常需要数小时，即使通过快速充电桩也需要几十分钟才能满足电量要求，这与传统燃油汽车相比有很大差距。
插电式纯电动汽车或混合动力汽车的电机驱动逆变器与并网充电整流器通常相互独立，采用了较多的功率开关管以及电感电容EMI器件，重量大，成本较高，占据了电动汽车的空间，限制了电池的体积。
集成式车载充电器是利用原有电机驱动系统的元件来实现车载充电功能，可以大大简化车载充电系统。在目前文献已经提出的集成式车载充电方案中，存在如何防止充电过程中电机产生转矩和噪声的问题。例如在专利CN207134991U中，为消除电磁转矩采用了引出电机中性点的方法，充电时电机绕组仅有零序电流，这种方法虽然可以保证电机不产生转矩，但对电机电感利用率很低，并网电流很难达到EMI要求；在专利CN110667418A方案中，可以实现零转矩并网功率变换，但该方案对于转子位置有一定要求，当转子定位于某些位置时充电效率较低，绕组发热量大，甚至无法实现零转矩充电，且电动汽车通常无离合器，无法在保证车辆不移动时调整转子位置。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了驱动充电集成电路、电动汽车及其控制方法和控制系统，其目的在于集成式充电器高效利用电机电感的同时，避免在并网充电时电机产生电磁转矩。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种驱动充电集成电路，包括：三相两电平电机驱动电路、一个辅助桥臂单元和一个多路选择开关；
三相两电平电机驱动电路和辅助桥臂单元的正极短接在一起，构成第一接口的正极，负极短接在一起，构成第一接口的负极，所述第一接口用于连接车载电池；
三相两电平电机驱动电路中三个半桥单元的交流接口引出，构成第二接口，并分别与多路选择开关的三条分选线相连，所述第二接口用于电气连接驱动电机的三相定子绕组；
多路选择开关的总线作为第三接口的一端，辅助桥臂单元的交流接口引出作为第三接口的另一端，所述第三接口用于电气连接交流电网。
优选地，所述辅助桥臂单元为两个全控型功率晶体管组成的半桥单元或者两个二极管组成的半桥单元。
有益效果：本发明优选上述两种方式的辅助桥臂单元结构，其中，两个全控型功率晶体管组成的半桥单元同时实现能量由车载电池流向交流电网和车载电池充电功能的功能，所述全控型功率晶体管可以是包括三极管、场效应管、IGBT等；两个二极管组成的半桥单元，实现了车载电池充电功能，成本可以进一步压缩。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种电动汽车，所述电动汽车包括如第一方面所述的驱动充电集成电路、车载电池和驱动电机；
所述驱动充电集成电路的第一接口与车载电池相连，第二接口与驱动电机的三相定子绕组相连。
有益效果：本发明提出一种使用上述驱动充电集成装置的电动汽车，极大降低了电动汽车整体成本与体积。
为实现上述目的，按照本发明的第三方面，提供了一种如第二方面所述的电动汽车的控制方法，该方法包括：
当电动汽车工作于驱动模式时，辅助桥臂单元处于封锁状态，三相两电平电机驱动电路工作在两电平电机控制模式；
当电动汽车工作于充电/V2G(Vehicle-to-grid，车辆到电网)模式时，交流电网接入第三接口，根据驱动电机转子角度确定多路开关的选择状态，以将交流电网连接至相应的定子绕组。
优选地，当电动汽车工作于充电/V2G模式时，具体包括：
根据检测到的驱动电机转子角度控制多路选择开关的动作，选择驱动电机一相定子绕组连接交流电网；
根据检测到的交流电网电压，计算交流电网电压的频率、相位和幅值；
综合交流电网电压的频率、相位和幅值、充电/V2G的目标功率及转子角度，计算驱动电机的d轴电流指令，并将驱动电机的q轴电流指令设置为0；
将驱动电机d轴电流指令与d轴实际电流的差值、q轴电流指令与q轴实际电流的差值分别送入PR(Proportional Resonant，比例-谐振)控制器，得到驱动电机的dq轴电压指令；
将dq轴电压指令减去变换到dq坐标系下的交流电网电压，得到集成电路的输出电压指令；
集成电路的输出电压指令经过调制计算，得到未被选择的两相对应桥臂和辅助桥臂的驱动信号，分配至对应的桥臂。
有益效果：本发明通过在转子位于不同位置时进行切换，改变绕组的连接方式，使电机d轴与连接电网的相绕组夹角始终小于30°，可以根据角度关系控制另外两相绕组电流比例，使电机q轴电流为零，从而电机转子在任意位置下都不会产生电磁转矩，实现控制电机在充电过程保持零转矩。
优选地，所述根据检测到的驱动电机转子角度控制多路选择开关的动作，选择驱动电机一相定子绕组连接交流电网，具体如下：
当电机的转子角度位于[-30°，30°]或[150°，210°]时，电机A相绕组接至交流电网，且A相绕组连接的桥臂上的两个晶体管均保持封锁；
当电机的转子角度位于[90°，150°]或[-90°，-30°]之间时，电机B相绕组接至交流电网，且B相绕组连接的桥臂上的两个晶体管均保持封锁；
其他情况，电机C相绕组接至交流电网，且C相绕组连接的桥臂上的两个晶体管均保持封锁。
有益效果：本发明采用上述优选连接方式，可以保证连接交流电网的定子绕组相电流在三相绕组相电流最大，从而使得充电/V2G的效率更高，无需在充电前对驱动电机进行转子定位。
优选地，调制计算时，在调制波中注入谐波，所述谐波需满足：在交流电网电压正半周期，仅允许上管开通，下管保持封锁，在交流电网电压的负半周期，仅下管导通，上管保持封锁。
有益效果：本发明采用上述方式进行调制，可以保证辅助桥臂的开关动作与电网电压变化保持同极性，从而防止短路。
为实现上述目的，按照本发明的第四方面，提供了一种电动汽车的控制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行第三方面所述的电动汽车的控制方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)相对于现有电机驱动电路，本发明将驱动电机视为充电过程需要的滤波电感，滤波效果更好，且复用了电机驱动系统的开关器件，极大降低了电动汽车驱动与车载充电系统的整体成本与体积；在仅增加一个辅助桥臂及一个多路选择开关，即无需对永磁同步电机进行改变的同时实现并网功能，该电路结构简单，成本低，可以很好地与现有普遍应用的电机驱动系统相适应。
(2)本发明提出一种电动汽车的控制方法，采用一个多路开关，在转子位于不同角度时进行切换，改变交流电网连接到的绕组，从而实现控制电机在充电过程保持零转矩。在电机驱动模式下为传统两电平逆变器控制，可直接加以应用，尽可能少地改变控制方法，增加实用性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的硬件系统框图；
图2为本发明实施例提供的基于四桥臂变换器的主电路拓扑；
图3为本发明实施例提供的并网控制算法框图；
图4为本发明实施例提供的绕组接入判断方式与d轴指令电流计算方式；
图5为本发明实施例提供的仅有电池充电功能的变换器主电路拓扑。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种基于四桥臂变换器的电机驱动-并网功率变换集成式技术，不改变原有的电机及其驱动控制器结构与驱动控制方法，在进行并网功率变换时对电机及其驱动器的电力电子器件进行复用，并在所提控制策略下，充电不会产生电磁转矩与噪声。该集成系统具有结构简单、集成度高、成本低的优点。
图1给出了本发明实施例的硬件框图，包括：全控型两电平桥臂、多路开关、三相交流电机、直流母线接口、单相电网接口以及控制器。
全控型两电平桥臂由两个全控型功率晶体管构成，两个晶体管分别作为上、下桥臂的开关，上桥臂开关连接至正直流母线，下桥臂开关连接至负直流母线，上下桥臂的中点作为该桥臂的交流输出端。
多路开关可以是一个单刀三掷开关，或是由三个普通继电器开关组成，该开关无需具有高频开关功能，其仅在每一次充电开始前动作，根据转子角度进行电网接入电机绕组的相进行选择。
三相交流电机为电动汽车的驱动电机，通常为永磁同步电机或异步电机，本实施例采用功率密度更高、应用更广的永磁同步电机。
直流母线接口由车载电池接口以及电池电压传感器构成，通常在直流母线上也并联有用于平稳直流侧电压以及吸收负载脉冲电流的电容；电压传感器检测车载电池电压并将电压信号传递至控制器，从而得知电池电量，进而确定充电功率，也可用于输出电压标幺化计算。
单相电网接口由单相交流电网充电接口以及电网电压传感器构成。充电时，单相交流电网充电接口接入单相电网；电网电压传感器则检测电网电压，将电网电压信号传递至控制器。
控制器接收电机定子电流信号、电机转子位置信号、电网电压传感器信号、电池电压传感器信号，通过并网功率变换控制算法，输出晶体管选择开关信号以及驱动信号，控制接入电网的绕组相以及控制并网电流。
为进一步阐明本发明的硬件结构，本发明实施例提供了基于四桥臂变换器的电机驱动-并网功率变换系统的硬件结构。如图2所示，右侧三个桥臂以及电机为常规三相两电平电机驱动系统，在直流母线上添加一辅助桥臂，其交流输出端为单相交流电网接口的一端；多路开关的总线为单相交流电网接口的另一端，其三路分线分别连接到交流电机的三相定子绕组。
基于四桥臂变换器的电路结构，包括：四组全控型功率晶体管组成的半桥单元，一个多路开关，一台三相永磁同步电机，一个直流侧电气接口，一个单相交流电网接口以及一个三相电机交流接口；各半桥单元的正极Px(x＝1,2,3,4)短接在一起构成直流侧电气接口的正极P；各半桥单元的负极Nx(x＝1,2,3,4)短接在一起构成直流侧电气接口的负极N；三个半桥单元的交流接口ACx(x＝1,2,3)独立引出，构成系统的三相电机交流接口，与三相永磁同步电机相连；三个半桥单元的交流接口ACx(x＝1,2,3)再次独立引出，分别与多路选择开关的三条分选线相连；多路选择开关的总线作为单相交流电网接口的一端；半桥单元的交流接口ACx(x＝4)引出作为单相交流电网接口的另一端。
基于四桥臂变换器的电路结构，在电机驱动工况下的电路结构以及控制策略与传统三相电机控制相同；通过接入单相交流电网，电路的工作模式即可切换为并网功率变换工况；在并网运行时，通过检测电机转子的位置进行多路开关的选择，保持并网工况下的高效率运行。
当该电路工作于电机驱动模式时，添加的辅助桥臂处于封锁状态，电路工作在两电平电机控制的模式，控制方式与策略可以为矢量控制，采用MTPA等控制策略进行控制。
当该电路工作于并网功率变换模式时，单相交流电网接入相应端口，根据电机转子位置确定多路开关的状态，以将电网连接至相应的定子绕组。首先电机定子位置的判断可以通过位置传感器直接读取，得到转子d轴的位置角度；根据得到的d轴位置角度，控制多路开关，选择一相绕组连接电网。具体来说：
C1.当电机d轴位置位于[-30°,30°]或[150°,210°]时，选择开关连接至A相绕组，且A相绕组连接的桥臂上的两个晶体管均保持封锁；
C2.当电机d轴位置位于[90°,150°]或[-90°,-30°]时，选择开关连接至B相绕组，且B相绕组连接的桥臂上的两个晶体管均保持封锁；
C3.当电机d轴位置位于[30°,90°]或[210°,270°]时，选择开关连接至C相绕组，且C相绕组连接的桥臂上的两个晶体管均保持封锁。
进一步地，下面介绍系统的控制方式，由于其驱动控制与常规控制策略相同，不进行过多介绍，重点介绍其在并网功率变换工况下的控制算法。实际工作时，控制算法写成代码烧录至控制器，控制器按照需求适时选择算法执行，完成相应工作模式下的控制任务。
电网电压锁相环单元通过电压传感器，实时检测电网电压，并通过计算得到电网电压的幅值、频率与相位。
坐标变换计算单元根据转子角度，将电机电流转化为dq坐标系下的量：当A相绕组接入电网时，按照ia,ib,ic的顺序，直接以d轴角度θr进行Park变换；当B相接入绕组时，按照ib,ic,ia的顺序，以d轴角度(θr-120°)进行Park变换；当C相接入绕组时，按照ic,ia,ib的顺序，以d轴角度(θr+120°)进行Park变换；该单元亦可根据电机d轴角度，将电流电压控制单元的指令电压进行反Park变换，变换过程的角度计算过程与电流变换过程类似。
图3给出了并网功率变换工况下的控制算法框图，包括：电流指令计算、电流反馈控制、电网电压前馈控制、坐标变换与驱动信号生成。
在电流指令计算环节，通过电网电压锁相环得到的电网电压频率、相位和幅值，以及目标并网功率，计算出对电网具有单位功率因数下的目标电网电流；通过目标电网电流以及电机d轴的角度，计算得到d轴电流指令，在不同相绕组连接至电网的计算方式由图4给出，具体计算方式如下：
当A相绕组接入电网时，id*＝ig*/cosθr；
当B相绕组接入电网时，id*＝ig*/cos(θr-120°)；
当C相绕组接入电网时，id*＝ig*/cos(θr+120°)。
根据永磁同步电机的转矩表达式：Te＝1.5np[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]，若要保证电机在充电时不产生转矩，保证q轴电流为0即可。
电流反馈控制部分是在dq坐标系下对电机电流进行闭环控制，通过计算比较电机实际电流与指令电流间的误差，通过比例-谐振调节器，计算得到电机绕组的电压。
电网电压前馈是由于电机定子电压并不由所有桥臂直接控制，在辅助桥臂与对应相绕组间连接有电网电压，因此需要计算电网电压在dq坐标系下的值并通过前馈控制，才可以得到各桥臂的实际输出电压值。
坐标变换与驱动信号生成部分，其中坐标变换包括Park变换与Park反变换，已完成在abc坐标系与dq坐标系的相互转化；在进行坐标变换时，参照的角度应当是以在abc坐标系下所接相的坐标轴与d轴间的角度进行计算，即：
当A相绕组接入电网时，θ＝θr；
当B相绕组接入电网时，θ＝θr-120°；
当C相绕组接入电网时，θ＝θr+120°。
调制算法单元接收abc坐标系下经过标幺化的调制波，且注入特定谐波防止短路，得到三个桥臂的驱动信号，添加死区后，根据电机d轴角度将驱动信号分配至三个桥臂相应桥臂的上、下晶体管。
特别地，当仅需要电池进行充电而不需电池对电网放电时，附加桥臂的开关动作以及电压电流关系与二极管相同，因此，附加桥臂可简化为一个二极管桥臂，主电路结构由如图5所示。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种驱动充电集成电路，其特征在于，包括：三相两电平电机驱动电路、一个辅助桥臂单元和一个多路选择开关；
三相两电平电机驱动电路和辅助桥臂单元的正极短接在一起，构成第一接口的正极，负极短接在一起，构成第一接口的负极，所述第一接口用于连接车载电池；
三相两电平电机驱动电路中三个半桥单元的交流接口引出，构成第二接口，并分别与多路选择开关的三条分选线相连，所述第二接口用于电气连接驱动电机的三相定子绕组；
多路选择开关的总线作为第三接口的一端，辅助桥臂单元的交流接口引出作为第三接口的另一端，所述第三接口用于电气连接交流电网。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述辅助桥臂单元为两个全控型功率晶体管组成的半桥单元或者两个二极管组成的半桥单元。
3.一种电动汽车，其特征在于，所述电动汽车包括如权利要求1或2所述的驱动充电集成电路、车载电池和驱动电机；
所述驱动充电集成电路的第一接口与车载电池相连，第二接口与驱动电机的三相定子绕组相连。
4.一种如权利要求3所述的电动汽车的控制方法，其特征在于，该方法包括：
当电动汽车工作于驱动模式时，辅助桥臂单元处于封锁状态，三相两电平电机驱动电路工作在两电平电机控制模式；
当电动汽车工作于充电/V2G模式时，交流电网接入第三接口，根据驱动电机转子角度确定多路开关的选择状态，以将交流电网连接至相应的定子绕组。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，当电动汽车工作于充电/V2G模式时，具体包括：
根据检测到的驱动电机转子角度控制多路选择开关的动作，选择驱动电机一相定子绕组连接交流电网；
根据检测到的交流电网电压，计算交流电网电压的频率、相位和幅值；
综合交流电网电压的频率、相位和幅值、充电/V2G的目标功率及转子角度，计算驱动电机的d轴电流指令，并将驱动电机的q轴电流指令设置为0；
将驱动电机d轴电流指令与d轴实际电流的差值、q轴电流指令与q轴实际电流的差值分别送入PR控制器，得到驱动电机的dq轴电压指令；
将dq轴电压指令减去变换到dq坐标系下的交流电网电压，得到集成电路的输出电压指令；
集成电路的输出电压指令经过调制计算，得到未被选择的两相对应桥臂和辅助桥臂的驱动信号，分配至对应的桥臂。
6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述根据检测到的驱动电机转子角度控制多路选择开关的动作，选择驱动电机一相定子绕组连接交流电网，具体如下：
当电机的转子角度位于[-30°，30°]或[150°，210°]时，电机A相绕组接至交流电网，且A相绕组连接的桥臂上的两个晶体管均保持封锁；
当电机的转子角度位于[90°，150°]或[-90°，-30°]之间时，电机B相绕组接至交流电网，且B相绕组连接的桥臂上的两个晶体管均保持封锁；
其他情况，电机C相绕组接至交流电网，且C相绕组连接的桥臂上的两个晶体管均保持封锁。
7.如权利要求4至6任一项所述的方法，其特征在于，调制计算时，在调制波中注入谐波，所述谐波需满足：在交流电网电压正半周期，仅允许上管开通，下管保持封锁，在交流电网电压的负半周期，仅下管导通，上管保持封锁。
8.一种电动汽车的控制系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求4至7任一项所述的电动汽车的控制方法。
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