CN115503550A - 一种基于驱动电机模块的充电控制系统及方法、汽车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于驱动电机模块的充电控制系统及方法、汽车，所述电机驱动模块包括电机控制器，所述电机控制器包括多个桥臂用于在驱动电机时将动力电池的直流转换成交流，所述控制系统还包括驱动电机的电机绕组，所述电机绕组一端连接至电机控制器的桥臂，另一端经开关S2引出充电正极；充电负极经S4连接至动力电池的负极；所述充电正极、充电负极用于连接直流充电桩的正负极。本发明的优点在于：解决了400V快充充电桩对800V电池系统充电的问题，同时实现了利用新能源汽车现有零部件复用技术，大大降低了整车生产成本，同时减小了整车空间体积，减轻车身重量，提高续航里程。

Description

一种基于驱动电机模块的充电控制系统及方法、汽车

技术领域

本发明涉及电动汽车充电领域，特别涉及一种基于驱动电机模块的充电控制系统及方法、汽车。

背景技术

随着电动汽车技术越来越成熟，续使里程越来越高，购买和使用的消费者也在逐年增加。而目前多数新能源汽车电池系统使用的是400V电压平台，正常条件下，电动汽车从SOC 10％使用快充充电至90％以上至少需要等待0.5-1小时，长时间的等待影响消费者的使用体验，为解决这个问题，多数新能源汽车厂纷纷开发和使用800V电池系统作为下一代汽车平台。而当前新能源汽车快充充电桩输出电压范围多数在500-700V之间，在800V快充桩推广前，如何解决800V电池系统平台快充问题是企业需要解决的问题，如果直接加装升压装置则会增加汽车充电成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于驱动电机模块的充电控制系统及方法、汽车，通过复用汽车中的部件电机驱动模块来解决800V充电桩普及前，800V汽车电池系统的充电问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于驱动电机模块的充电控制系统，所述电机驱动模块包括电机控制器，所述电机控制器包括多个桥臂用于在驱动电机时将动力电池的直流转换成交流，所述控制系统还包括驱动电机的电机绕组，所述电机绕组一端连接至电机控制器的桥臂，另一端经开关S2引出充电正极；充电负极经S4连接至动力电池的负极；所述充电正极、充电负极用于连接直流充电桩的正负极。

所述电机绕组与桥臂个数相同，每个电机绕组的一端并联短接形成电机绕组的电机中性点；每个电机绕组的另一端分别对应连接至一个桥臂的中性点上；电机绕组的中性点经开关S2连接至充电正极。

所述电机控制器的每个桥臂的高电势端分别经开关S1的一端，开关S1的另一端连接至动力电池的正极；电机控制器的每个桥臂的低电势端分别连接至开关S3的一端，开关S3的另一端连接至动力电池的负极。

所述控制系统还包括开关S5，所述开关S5一端连接至动力电池的正极，另一端连接至开关S2和动力电池正极之间。

所述控制系统还包括电感L4，所述电感L4串接设置在电机绕组中性点和开关S2之间。

所述控制系统还包括控制单元、采集单元，所述采集单元用于采集动力电池两端电压以及充电桩输出的充电电压，其输出端连接控制单元，所述控制单元基于采集的电压数据来驱动电机控制器的桥臂以及开关S1、S2、S3、S4、S5的工作状态以实现充电控制。

一种基于驱动电机模块的充电控制系统的控制方法，包括：

在充电时，控制单元通过采集单元采集动力电池两端电压以及充电桩输出的充电电压，当动力电池两端电压大于充电桩输出的充电电压时，控制单元在闭合开关S1、S2、S3、S4后，通过控制桥臂中低电势侧的开关管交替打开实现对每一个电机绕组和或电感L4充电；然后再交替断开桥臂中低电势侧的开关管同时对应的交替打开高电势侧的开关管，从而实现电机绕组、充电桩输出电压和或电感L4叠加升压为动力电池充电。

当动力电池两端电压小于或等于充电桩输出的充电电压时，控制单元断开S1、S2以及驱动每个桥臂都处于断开状态，仅控制开关S3、S4、S5闭合。

一种汽车，所述汽车包括所述的基于驱动电机模块的充电控制系统。

本发明的优点在于：解决了400V快充充电桩对800V电池系统充电的问题，同时实现了利用新能源汽车现有零部件复用技术，大大降低了整车生产成本，同时减小了整车空间体积，减轻车身重量，提高续航里程，为800V电池系统推广有进一步的推动作用；对汽车端新增硬件成本较低，成本优势明显，做到复用汽车部件，做满足功能要求的情况下实现了成本的最小化。

附图说明

下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明基于驱动电机模块的充电控制系统的实施例1电路原理图；

图2为本发明基于驱动电机模块的充电控制系统的实施例2电路原理图；

图3为本发明基于驱动电机模块的充电控制系统的实施例3电路原理图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本申请主要是为了实现对汽车内的充电系统进行改进，使得800V电压系统平台的汽车可以兼容现有技术中400V的快充充电桩，这一在充电桩由400V升级到800V过程中，也可以利用400V充电桩对800V电池平台充电，且可以兼容800V充电桩对于电动汽车充电，其原理如下：

如图1所示，本申请为了节约成本，选择电机控制器和电机绕组复用的方式，减少成本开支，一种基于驱动电机模块的充电控制系统，所述电机驱动模块包括电机控制器，电机控制器包括多个桥臂用于在驱动电机时将动力电池的直流转换成交流，本申请将电机控制器的桥臂引入复用可以节约成本，同时引入复用电机绕组。

如图1所示，一般电机控制器的桥臂为三个，在图1中从左到右分别是第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂，其中每个桥臂具有两个开关管，两个开关管接线中设置一个中性点，作为每个桥臂的中性点；电机绕组与桥臂个数相同，由于电机也有三个绕组，这一就可以实现一一对应的关系，其电路关系如图1所示，电机绕组包括绕组L1、L2、L3三个，每个电机绕组的一端并联短接形成电机绕组的电机中性点，也就是电机绕组L1、L2、L3的一端互相连接后形成电机中性点；电机绕组L1的另一端连接至第一桥臂的中心点；电机绕组L2的另一端连接至第二桥臂的中心点；电机绕组L3的另一端连接至第三桥臂的中心点；注意本申请所说的中心点也可以称之为中间点，即每个桥臂的两个开关管连线之间的任一一个接线端；如第一桥臂就是三极管D1、D4之间连线之间去一个点作为中间点。电机绕组的中性点经开关S2连接至充电正极。充电负极经S4连接至动力电池的负极；充电正极、充电负极用于连接直流充电桩的正负极。

电机控制器的每个桥臂的高电势端分别经开关S1的一端，开关S1的另一端连接至动力电池的正极；电机控制器的每个桥臂的低电势端分别连接至开关S3的一端，开关S3的另一端连接至动力电池的负极。如图1所示，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的高电势端分别为三极管D4、D5、D6对应的一端，也就是其集电极；第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的低电势端分别为三极管D1、D2、D3对应的一端，也就是其发射极。

在充电正极和充电负极之间并联设置电容C2，在电机控制器的高低电势端两端并联设置电容C1，从而实现滤波、稳压等作用。

控制系统还包括控制单元、采集单元，采集单元用于采集动力电池两端电压以及充电桩输出的充电电压，其输出端连接控制单元，控制单元基于采集的电压数据来驱动电机控制器的桥臂以及开关S1、S2、S3、S4、S5的工作状态以实现充电控制。控制单元采用BMS来实现，在车辆中BMS本来就是管理电池和充电控制的，其也会通过内置的传感器以及与充电枪之间的交互协议获取各电压数据的，刚好可以为充电提供数据，且可以节约成本。

其工作原理为：

在不充电情况下，BMS驱动控制S1、S2、S3、S4都断开，系统不工作，此时BMS根据车辆的状态控制电机控制器工作为逆变器，将动力电池的电压进行逆变成交流电为电机工作供电；在车辆处于充电状态时，也就是BMS通过充电枪与充电桩交互获取充电满足条件后，通过电压比较判断此时充电控制策略，当动力电池电压高于充电站输出的电压时，此时需要升压操作，本申请借助电机绕组通过控制来实现，具体包括：BMS通过采集单元采集动力电池两端电压以及充电桩输出的充电电压，当动力电池两端电压大于充电桩输出的充电电压时，控制单元在闭合开关S1、S2、S3、S4后，通过控制桥臂中低电势侧的开关管D1、D2、D3交替打开实现对每一个电机绕组L1、L2、L3充电；然后再交替断开桥臂中低电势侧的开关管D1、D2、D3同时对应的交替打开高电势侧的开关管D4、D5、D6，从而实现电机绕组、充电桩输出电压和或电感L4叠加升压为动力电池充电。

当动力电池两端电压小于或等于充电桩输出的充电电压时，此时不需要升压操作，BMS控制D1、D2、D3断开并依次控制D4、D5、D6闭合从而实现直冲效果，为动力电池充电。当然这种在充电站输出直流电电压大于动力电池时，由于考虑到桥臂开关管二极管存在导通压降的问题，充电电流较大时，会产生较大的损耗，不仅影响器件的使用寿命，还使充电的效率有所下降，为了解决此问题，在示例一的基础上对技术方案进行改进，另外增加第五开关直接与动力电池和直流电源正极连接，旨在解决直冲模式电流大，效率损耗大，影响电机控制器使用寿命等问题。如图2所示，将开关S5一端连接至动力电池的正极，另一端连接至开关S2和动力电池正极之间。这样在动力电池两端电压小于或等于充电桩输出的充电电压时，BMS断开S1、S2、以及驱动每个桥臂都处于断开状态，同时驱动开关S5、S4以及S3闭合即可实现直冲过程，且可以避免效率损耗大，影响电机控制器使用寿命等问题。

如图3所示，为了实现在进行升压转换时第一电机三相绕组需要存储电能。然而，在一些电机中电机绕组的电感量有可能不足以支持升压转换，因此设置有电感L4，电感L4串接设置在电机绕组中性点和开关S2之间，这样就可以增大所需要存储的电能。

本发明提供了利用新能源汽车驱动电机和电机控制器对快充充电电压进行升压的技术方案。本发明不仅解决了400V快充充电桩对800V电池系统充电的问题，同时实现了利用新能源汽车现有零部件复用技术，大大降低了整车生产成本，同时减小了整车空间体积，减轻车身重量，提高续航里程，为800V电池系统推广有进一步的推动作用。

利用新能源汽车驱动电机和电机控制器对快充充电电压进行升压的装置，应用于新能源纯电或混合动力汽车，其主要包含驱动电机、驱动电机控制器和起开关作用的继电器或电子开关等三部分构成，所述利用新能源汽车驱动电机和电机控制器对快充充电电压进行升压的装置包括：

第一、第二、第三、第四、第五开关分别为S1、S2、S3、S4、S5。

第一方面，本申请提供一种充电系统，主要包括电机控制器和电机，该电机控制器包括3个桥臂，该电机包括3个电机绕组，且电机控制器中的3个桥臂和电机中的3个电机绕组分别一一对应连接。其中，上述3个桥臂的高电势端与第一开关第一端连接，第一开关第二端与第一电池第一端连接，第一电池端可以连接动力电池的正极；电机3个绕组第二端并联短接，短接位置称为电机中性点，中性点端与第二开关第一端连接，第二开关连接直流电源第一端，直流电源第一端可以输出电源电压，直流电源可以为电动汽车慢充充电机经交流转换直流输出的电源，也可以为快充输出直流电源。直流电源第二端输出与第四开关第二端连接，第四开关第一端分别与电机控制器3个桥臂低电势端和第三开关第二端连接，第三开关第一端与第一电池第二端，即电池负极连接。

在电机驱动系统处于驱动状态时，第一开关和第三开关处于闭合状态，第一电池给电机控制器提供动力能源，电机控制器将第一电池直流电源转变成交流电，驱动电机三相工作，完成电能与动能的转换。

当车辆处于充电状态时，车辆静止，驱动电机控制器及电机可作为充电系统使用，充电时，第一、第二、第三和第四开关处于闭合状态，当系统检测到直流电源高压电池当前电压时，充电状态为直冲模式，即直流电源输出电压直接通过第二开关流入电机中性点、第一、第二、第三电机绕组和高电势端3桥臂二极管，并通过第一开关输入至第一电池正极，电流通过第一电池负极输出流经第三开关和第四开关返回直流电源，即完成直流电源对电池的直接充电。当系统检测电池包电压高于直流电源最高输出电压时，充电状态为升压模式，即分别交替打开低电势3个桥臂IGBT或MOS，直流电源正极电流通过第二开关和电机第一、第二、第三电机绕组电感进行充电，电感蓄能完成后分别交替断开低电势3个桥臂IGBT或MOS，电感存储的的电能电势和直流电源电势相互叠加，及完成升压过程，叠加电源电压通过高电势3个桥臂二极管完成与直冲模式相同的充电过程。需特别说明的是3个桥臂起开关作用的众所周知的三极管，晶闸管等均可完成上述开关控制。

综上所述，本申请通过复用电机控制器和电机，实现了一种充电系统。在电源电压高于电池电压时，系统为直冲模式，电源电流通过驱动电机绕组与高电势3桥臂二极管给电池充电，小于动力电池的最小充电电压时，该充电系统可以对电源电压进行升压转换，从而得到不小于上述最小充电电压的第一输出电压，该第一输出电压可以适配动力电池，从而可以为动力电池充电。同时，本申请复用了电动汽车中常见的电机控制器和电机，还有利于降低充电系统所占用的空间和成本。

示例性的，本申请第一方面提供以下示例进行说明：

示例一：如图1所示，为方便说明，上述3个桥臂中在图1中所示从左至右分别称为第一桥臂(D1、D4)，第二桥臂(D2、D5)和第三桥臂(D3、D6)。每一桥臂包括第一开关管(D4)和第二开关管(D1)，其中，每一桥臂的第一开关管的第一电极分别与第一电池端和第一电源端连接，第一开关管的第二电极与第二开关管的第一电极连接，第一桥臂的中间点位于第一开关管和第二开关管之间。电机三相绕组分别与桥臂的中间点连接，绕组另一端并联一起，称之为电机中性点，中性点通过开关与外部直流电源连接。在电源电压小于动力电池的最小充电电压时，电机控制器可以导通第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂的第二开关管，以使第一桥臂对应连接的第一电机绕组、第二绕组和第三绕组进行充电。需要说明的是，第N绕组第一端连接第N桥臂中间点，第N绕组第二端并联一起。其中N>1。电机控制器关断第二开关管，以使第一电机绕组、第二绕组和第三绕组放电。

具体来说，电机控制器导通第二开关管时，电流从直流电源的正极输出，经第一电机绕组、第二绕组、第三绕组后到达第二开关管，使第一电机绕组、第二绕组和第三绕组充电。电机控制器关断第二开关管时，第一电机绕组或第二绕组和第三绕组与直流电源串联完成升压过程开始放电，完成电池的升压充电过程。当外部直流电源高压电池电压时，电流直接从电源的正极输出，通过电机三相绕组和3个桥臂第一二极管到达电池正极给电池充电。

示例二，如图3所示，如前所述，在进行升压转换时第一电机三相绕组需要存储电能。然而，在一些电机中电机绕组的电感量有可能不足以支持升压转换。有鉴于此，本申请充电系统还包括第一电感，第一电感的一端与N个电机绕组的另一端连接，本实施例第一电感的另一端与第二电源端连接。在第一电机绕组充电时，第一电感同步充电。在第一电机绕组放电时，第一电感同步放电。此时，第一输出电压为电源电压、第一电机绕组或第二电机绕组与第三电机绕组的电压和第一电感的电压之和。因此，增加第一电感有利于进一步增大第一输出电压。

示例三：如图2所示，考虑到桥臂开关管二极管存在导通压降的问题，充电电流较大时，会产生较大的损耗，不仅影响器件的使用寿命，还使充电的效率有所下降，为了解决此问题，在示例一的基础上对技术方案进行改进，另外增加第五开关直接与动力电池和直流电源正极连接，旨在解决直冲模式电流大，效率损耗大，影响电机控制器使用寿命等问题。

具体来说，直冲模式时，闭合第三开关、第四开关和第五开关，完成直流电源直接对电池充电的过程；升压模式时，闭合第一、第二、第三和第四开关，完成示例1所述相同的升压充电过程。

本发明所涉及控制升压转换器在本领域中是众所周知的，因此省略了关于升压转换控制原理的描述。

显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于驱动电机模块的充电控制系统，所述电机驱动模块包括电机控制器，所述电机控制器包括多个桥臂用于在驱动电机时将动力电池的直流转换成交流，其特征在于：所述控制系统还包括驱动电机的电机绕组，所述电机绕组一端连接至电机控制器的桥臂，另一端经开关S2引出充电正极；充电负极经S4连接至动力电池的负极；所述充电正极、充电负极用于连接直流充电桩的正负极。

2.如权利要求1所述的基于驱动电机模块的充电控制系统，其特征在于：所述电机绕组与桥臂个数相同，每个电机绕组的一端并联短接形成电机绕组的电机中性点；每个电机绕组的另一端分别对应连接至一个桥臂的中性点上；电机绕组的中性点经开关S2连接至充电正极。

3.如权利要求2所述的一种基于驱动电机模块的充电控制系统，其特征在于：所述电机控制器的每个桥臂的高电势端分别经开关S1的一端，开关S1的另一端连接至动力电池的正极；电机控制器的每个桥臂的低电势端分别连接至开关S3的一端，开关S3的另一端连接至动力电池的负极。

4.如权利要求1所述的一种基于驱动电机模块的充电控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括开关S5，所述开关S5一端连接至动力电池的正极，另一端连接至开关S2和动力电池正极之间。

5.如权利要求1-4任一所述的一种基于驱动电机模块的充电控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括电感L4，所述电感L4串接设置在电机绕组中性点和开关S2之间。

6.如权利要求5所述的一种基于驱动电机模块的充电控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括控制单元、采集单元，所述采集单元用于采集动力电池两端电压以及充电桩输出的充电电压，其输出端连接控制单元，所述控制单元基于采集的电压数据来驱动电机控制器的桥臂以及开关S1、S2、S3、S4、S5的工作状态以实现充电控制。

7.如权利要求1-6任一所述的一种基于驱动电机模块的充电控制系统的控制方法，其特征在于：

在充电时，控制单元通过采集单元采集动力电池两端电压以及充电桩输出的充电电压，当动力电池两端电压大于充电桩输出的充电电压时，控制单元在闭合开关S1、S2、S3、S4后，通过控制桥臂中低电势侧的开关管交替打开实现对每一个电机绕组和或电感L4充电；然后再交替断开桥臂中低电势侧的开关管同时对应的交替打开高电势侧的开关管，从而实现电机绕组、充电桩输出电压和或电感L4叠加升压为动力电池充电。

8.如权利要求7所述的一种基于驱动电机模块的充电控制系统的控制方法，其特征在于：当动力电池两端电压小于或等于充电桩输出的充电电压时，控制单元断开S1、S2以及驱动每个桥臂都处于断开状态，仅控制开关S3、S4、S5闭合。

9.一种汽车，其特征在于：所述汽车包括如权利要求1-6任一所述的基于驱动电机模块的充电控制系统。

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