CN207000190U - 新能源汽车电力驱动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新能源汽车电机驱动系统，包括三个星形连接的模组电路；每个所述模组电路包括多个串联的模组；每个所述模组均包括电池组和与所述电池组连接的逆变器；所述逆变器接入开关控制电路；所述电池组中的所有电池均与BMS电路连接；所述BMS电路通过信号隔离电路与所述开关控制电路连接；所述信号隔离电路与控制中心连接。本实用新型将动力电池组和电机驱动逆变器划分成多个完全相同的模组然后再将它们集成为一体，降低了BMS复杂度、延长了电池组寿命、提高逆变器整机效率，模组的一致性能够方便的实现冗余备份，提升电机驱动系统的可靠性。

Description

新能源汽车电力驱动系统

技术领域

本实用新型涉及一种新能源汽车电力系统，特别是一种新能源汽车电机驱动系统。

背景技术

新能源汽车可以划分为纯电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV），由电力驱动系统为汽车运行提供全部或者部分动力。新能源汽车的电力驱动系统包括动力电池组、电池管理系统（BMS）、车载充电器、电机驱动逆变器、电机等高压部件，除此以外一般还有低压电子系统包括整车控制器VCU/HCU、辅助电源DC/DC等。

现有的高压电池组采用大数量的电池单体串并联成组，其输出为单一端口的高直流电压。高压电池组必须附带电池组管理系统（BMS），用于对电池单体的电压电流、剩余电量、运行温度、电池健康度等参数进行监测和保护，必要时还要对电池单体的剩余电量进行主动或被动均衡。由于高压电池组的电池单体数量很多，故其成组电路结构和BMS系统的结构非常复杂，往往采用并-串-并三层以上的架构，必须要数十个电路板组成。

高压电池组的高压直流输出电压连接到电机驱动逆变器，将直流电源变换为新能源汽车运行所需要的交流电源供给电机。交流电源的电压、电流、频率等由整车控制系统的驾驶指令决定。新能源汽车一般都配有车载充电电源，用来将市电变换成高压直流电源给高压电池组充电。

高压电池组、BMS、电机驱动逆变器、车载充电器从电气结构上来说是独立的部件，相互之间通过高压直流母线连接。除了高压电池组以外，所有部件又通过车载的CAN总线等信息总线相互连接，与整车控制器连接并受其控制。

当前的新能源汽车电机驱动系统存在如下困难或者问题：

1）电池成组困难，电池组整体寿命降低

由于工艺、安全、经济性等方面的限制，锂离子电池的单体容量都有限，新能源车车载电池均采用单体电池串并联成组使用。并联使用时不同支路由于参数不一致会导致充放电不均衡，即使能够精密检测每条支路的电流，由于端电压一致，无法对各条支路进行有效的电流均衡控制。无论先串后并还是先并后串，由于电机工作电压高达数百伏特以上，而电池单体电压较低都在4伏特以下，因此电池组中的串联级数都很高，基本都在100级以上。巨大的串联级数对电池管理系统（BMS）的要求很高，所以在串联级数较高时，BMS往往采用分段管理的方式，系统架构也分为数层，电路单元数量可能达到数十个，结构极其复杂。电池组的串联支路在串联充放电电流相同的条件下，其内部电池单体间由于参数不一致，会出现容量不均衡，如果不能有效均衡会大大降低电池寿命。另外电池单体的动态劣化是随机的，单凭BMS的主、被动均衡，也很难解决复杂电池组的有效管理。以上都大大增加了BMS系统的复杂度。从现实来看，大容量的串并联成组使用时，电池包的寿命和容量会大大低于电池单体，对于电池来说造成了巨大的浪费。

2）电机驱动逆变器整机效率较低

传统新能源汽车中电池组与电机驱动器是分离的，由于电池组直流电压较高所以只能选择高耐压开关器件如IGBT，IGBT有2～5V固定的压降，形成较大的导通损耗，并且IGBT工作在较高频率（5kHz以上），其开关损耗比导通损耗大得多。现有方案中仅电机驱动逆变器部分的效率损失都在3%以上。较高开关频率导致逆变器的EMI问题突出，需要复杂的滤波电路，对电机寿命也有非常严重的不利影响。

3）单个器件损坏导致驱动逆变器失效

传统新能源汽车中的电机驱动逆变器主电路采用三相全桥拓扑，任意开关器件的损坏都会导致逆变器失效，汽车不能行驶。

4）需要额外配置车载充电器且充电功率很小

高压电池组充电所需要的高压直流电源，有两种途径可以提供：一是外置的直流充电机，可以直接为电池组提供高压直流电源；二是交流充电桩，只为新能源汽车提供交流市电，由车载充电机将交流市电转换为高压直流电源。为了适应新能源汽车的移动特性，新能源汽车都配置车载充电机。受限于新能源汽车的车身重量和空间、散热等条件限制，车载充电机的额定功率比电机驱动逆变器小一个数量级，致使交流充电桩充电时速度非常慢、充电时间很长。

发明内容

本实用新型旨在提供一种新能源汽车电机驱动系统，简化BMS电路，提高电池组寿命，提高电力驱动系统的整体效率。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种新能源汽车电机驱动系统，包括三个星形连接的模组电路；每个所述模组电路包括多个串联的模组；每个所述模组均包括电池组和与所述电池组连接的逆变单元；所述三个模组电路的输出端各与电机的三相定子绕组对应连接；所述逆变单元包括两个并联的桥臂；每个桥臂包括两个串联的开关管。

所述逆变单元接入开关控制电路；所述电池组中的所有电池均与BMS电路连接；所述BMS电路通过信号隔离电路与所述开关控制电路连接；所述信号隔离电路与控制中心连接。控制简单方便。

所述每个模组电路上的模组数量相同，系统结构更加可靠，更加方便控制。

每个所述电池组包括多个串联的单体电池，且各电池组中单体电池的数量相同，各电池组中单体电池的数量为8～32节。

每个所述模组电路的输出端上均接有电流传感器，所有电流传感器均与所述控制中心连接。方便检测模组电路的输出电流。

所述电池组与所述逆变器之间的线路上接有电流传感器，该电流传感器与所述BMS电路连接。方便检测电池组的输出电流。

每个所述开关管与一个二极管反向并联，降低旁路状态中主电路电流续流造成的固定压降损耗。

所述三个模组电路的输出端与电机的三相定子绕组之间均接有电机监测保护电路；所有的电机监测保护电路均与所述控制中心连接，更好地保护电机。

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为：

1）BMS简化且电池组效率寿命大幅提高：每个模组由一组小数量电池单体串联后与H桥逆变器直流侧连接，该电池组数量可随需设置，并且只需要简单的BMS模块电路。由于电池串联数量较少，电池组管理大大简化，并且电池组使用效率和寿命更加接近电池单体，与现有方案相比有大幅度提升；

2）电力驱动系统整体效率大幅度提高：电力驱动系统每相模组电路由n个模组串联工作，模组中H桥逆变器工作频率与电机转速相当，从0Hz到数百Hz之间，因此其组成器件的开关损耗非常低可以忽略不计。另外由于每个模组的直流电压很低，可以采用低耐压、大电流、超高效的开关器件，比如大功率MOSFET的导通电阻达到毫欧级别，即使2n个MOSFET串联起来导通压降也比IGBT器件要低，造成的导通损耗更少。综合来说，本实用新型所述方案的导通损耗更小，开关损耗几乎为0，因此可以实现更高的驱动逆变器工作效率。较低的开关频率和谐波含量使得逆变器输出滤波电路更加小型化，对电机寿命影响降至最低；

3）每相模组电路有n个模组串联构成，其可靠性、可维护性大幅度提高：本实用新型中驱动逆变器由3n个完全相同的模组组成，其电路参数与控制方式可以设置为完全一致，具有完全的可替代性，非常便于维修更换。电机驱动逆变器的工作状态允许将模组配置成N+1冗余备份，单个器件或者模组的损坏后，甚至多个模组故障后，仍然可以通过降低逆变器有效输出电压的方法，汽车仍然能够继续低速行驶到维修地点，从根本上提高了驱动逆变器的可靠性和可用性。

附图说明

图1为本实用新型新能源汽车电机驱动系统结构图；

图2为本实用新型模组原理图；

图3为本实用新型控制电路结构图。

具体实施方式

本实用新型系统结构见图1。三个模组电路星形连接；每个模组电路包括多个串联的模组；每个模组均包括电池组和与电池组连接的逆变器；逆变器接入开关控制电路；所述电池组中的所有电池均与BMS电路连接；所述BMS电路通过信号隔离电路与所述开关控制电路连接；所述信号隔离电路与控制中心连接；所述三个模组电路的输出端各与电机的三相定子绕组对应连接。

电机驱动逆变器有U，V，W三相桥臂（即模组电路），对应连接所驱动电机的R，S，T三相定子绕组。逆变器每一相桥臂由n个完全相同的模组串联组成，以U相桥臂为例：模组1的V+极通过电机监控保护电路与电机的R相连接，其V-极与同相模组2的V+极连接，相似的依次连接，模组（n-1）的V-极与模组n的V+极连接。V相与W相的电路构成与U相相同，最后U，V，W相桥臂各自的模组n的V-极连接在一起，构成驱动逆变器的N点。U，V，W桥臂的输出交流母线也有电流传感器。每个模组的通信端口通过数字通信比如CAN总线，连接到中心控制电路的通信端口，而开关驱动、故障反馈等模拟信号则需要单独连接到中心控制电路的相应端口。每相桥臂的电流信号连接至中心控制电路。

如图2所示，电池组由B1、B2到Bi的i个电池单体串联组成，i的数值一般不低于8，不高于32，电池组的总电压为Vdc，是所有电池单体电压的累加。每节电池单体的电压和电池组的电流通过相应采集电路接入简化的BMS系统，根据需要电池组还可以配置均衡电路并由BMS系统进行控制。BMS的通信系统要经过信号隔离电路接入控制电路的数字通信总线。

电池组的输出直流电压连接到由S1～S4以及各自的逆导二极管D1-4构成的H桥全桥逆变器电路，作为该电路的直流输入/输出电源，其中S1，S3的源极接直流电压的正极，S1，S3的漏极分别接S2，S4的源极，S2，S4的漏极接直流电压的负极。S1的漏极作为模组电路的强电输出正极V+，S3的漏极作为模组电路的强电输出负极V-。S1～S4采用低导通压降的超高效率MOSFET或者宽禁带器件，其栅极驱动信号由开关控制电路提供，S1，S3的驱动电路必须与S2，S4的驱动电路进行电气隔离并提供足够的死区时间保护。每个模组电路的电池组直流母线上有电流传感器，用于BMS系统的剩余电量检测。模组电路中D1～D4为MOSFET中的体二极管，为了降低旁路状态中主电路电流续流造成的固定压降损耗，可以为S1～S4反向并接肖特基或SiC等宽禁带二极管，与上述体二极管位置和作用完全相同，故仍以D1～D4表示。

中心控制电路的功能单元组成结构如图3所示。

对应于电机驱动逆变器的U，V，W三相桥臂，中心控制电路有三个配置完全相同的驱动保护功能单元。以U相的驱动保护功能单元为例，包含了n路驱动信号和n路故障反馈信号，分别连接到相应相的n个模组。另外还有相电流检测信号输入到中心控制电路。

通信总线采用CAN总线，也可以采用其他类型数字通信总线。通信总线连接到每一个模组电路的通信接口。

中心控制电路还有处理电机监测保护、控制信息的单元电路，能够检测电机运行状态、转速等信息，通过数字或者模拟IO口与电机监测控制电路连接进行交互。

中心控制电路还有人机互动功能单元，接收驾驶系统的油门和刹车信息，用以调整控制电机工作状态，还有与外置继电器、接触器、电磁阀等进行交互控制的电路。

电机监测保护电路包括电机的安全状态包括过热、短路、缺相等监测和保护电路，所有的监测信号和控制信号都连接到中心控制电路。电机通过检测保护电路与驱动逆变器连接。电机可配置光电码盘等转速检测传感器，连接到中心控制电路。

本实用新型模组电路共有4种工作模式：模式1中S1与S4导通，S3与S2关断，对应的模组输出正电压Vdc；模式2中S1与S4关断，S3与S2导通，对应的模组输出负电压-Vdc；模式3中S1与S3导通， S2与S4关断；模式4中S1与S3关断，S2与S4导通。后面两种情况下，对应的模组电路输出零电压，处于旁路状态。

驱动逆变器输出电压调制算法的最常用的是移相载波调制方法，为了提高新能源汽车的动态性能，采用SVPWM调制方式更有优势，无论哪种调制方式逆变器输出电压波形由部分或全部的模组输出正负电压或者零电压组合构成期望的输出电压，并且尽量使得每个模组中开关器件的开关频率和导通时长尽量相同，这样器件寿命和电池组的剩余电量也接近相同。

从SVPWM调制的工作原理来看，实现相同的输出电压有很多种不同的模组电路工作模式组合，也就是说每个模组电路中的模组工作脉冲宽度有多种选择，为剩余电量均衡提供了技术途径。以常见新能源大巴540V直流母线电压为例，采用SVPWM调制方式能够形成540V线电压输出，采用本方案级联方式以8个模组组成一相桥臂，每个模组采用16节电池（3.4～3.7V）串联就能够形成310V相电压和540V线电压。

由于电机的功率因数不可能为1，因此即使在电动状态，逆变器内部各个电池组也有可能处于充、放两种状态，具体的充放电状态由模组的开关模式和主电路电流方向决定，如下表1所示。

表1 电池组充放电状态

中心控制电路通过数据总线能够定期收集所有模组的剩余电量信息S_ij（i=U,V,W,j=1,2..8），对所有的电池组进行剩余电量排行，并得到每个模组的剩余电量平均值S_i（i=U,V,W），还可以收集到每个模组当前电池电压及其平均值U_DCi（i=U,V,W）。确定每相桥臂的输出电压时，可以根据电量偏差确定主动均衡的优先度和力度，针对剩余电量的差别，通过精确计算比对选择合适的脉冲宽度组合，达到输出电压符合预期的同时精确调整剩余电量的目的。具体的实现方式是：根据驾驶操作指令及电机当前的工作参数，通过矢量控制或者直接转矩控制算法获得下一周期的输出电压矢量预期值U^*，根据SVPWM算法一般会得到下一周期内两个工作电压矢量U₁及其工作时长T₁、U₂及其工作时长T₂，用以合成U^*。对于确定的工作电压矢量来说对应U、V、W三相电压数值U_ij（i=U,V,W，j=1,2）也是确定的，对任意相桥臂来说，U_ij与U_DCi的比值，就是下一周期内需要参加工作（输出电压不为零）的模组数量P_ij（i=U,V,W，j=1,2）。根据当前状态和预测能够判断出下一周期该桥臂处于放电还是充电状态，如果是充电状态则按照S_ij的排序优先选择电量最低的模组参加工作，如果是放电状态则按照S_ij的排序优先选择电量最高的模组参加工作。由于单个工作周期能够平衡的电量有限，因此即使说超出或者低于S_i的模组数量超过了P_ij也没有关系，电量平衡的操作持续进行，在初始电量差别不大的情况下，该平衡操作是趋向收敛的，最终会将所有模组的剩余电量平衡至差别细微的程度。

新能源汽车运行中，经常在电动和再生制动状态间切换，两种状态对驱动逆变器和电池组来说工作模式都一样，都可能处于充、放两种状态，两者的差别在于电动状态中电池组处于放电状态的几率更高，再生制动状态中电池组处于充电状态的几率更高。

将驱动逆变器与电机断开连接后，驱动逆变器能够接入市电充当车载充电器使用，由于不需要考虑电机控制的限制，其充电控制方法不同：首先用移相调制方法确定每个模组电路的充电脉冲，这种方法可以对所有模组的电池组进行普遍的脉冲式充电。普充接近尾声后，所有电池组接近充满，再根据电池组BMS的剩余电量信息进行电量均衡，此时的脉冲产生方式可以采用梯形波调制方式，产生的脉冲波有明显的宽窄区别，可以根据电池充满度选择适当的脉冲宽度，充满度低的模组使用宽脉冲，充满度高的模组采用窄脉冲。注意独立充电模式下电池组只有充电模式，没有放电模式。

经过适当电路改造，独立充电器既可以接受三相电也能接受单相电，市电种类和电压质量只会影响充电速度。市电电压较低时，移相调制算法要做适当修改，每个市电周期中，只有部分电池组能够充电。移相循环方式可以保证所有电池组都能够均衡充电。

Claims (10)

1.一种新能源汽车电机驱动系统，其特征在于，包括三个星形连接的模组电路；每个所述模组电路包括多个串联的模组；每个所述模组均包括电池组和与所述电池组连接的逆变单元；所述三个模组电路的输出端各与电机的三相定子绕组对应连接；所述逆变单元包括两个并联的桥臂；每个桥臂包括两个串联的开关管。

2.根据权利要求1所述的新能源汽车电机驱动系统，其特征在于，所述逆变单元接入开关控制电路；所述电池组中的所有电池均与BMS电路连接；所述BMS电路通过信号隔离电路与所述开关控制电路连接；所述信号隔离电路与控制中心连接。

3.根据权利要求1所述的新能源汽车电机驱动系统，其特征在于，所述每个模组电路上的模组数量相同。

4.根据权利要求1所述的新能源汽车电机驱动系统，其特征在于，所述电池组包括多个串联的单体电池。

5.根据权利要求4所述的新能源汽车电机驱动系统，其特征在于，每个所述电池组包括多个串联的单体电池，且各电池组中单体电池的数量相同，各电池组中单体电池的数量为8～32节。

6.根据权利要求1所述的新能源汽车电机驱动系统，其特征在于，每个所述模组电路的输出端上均接有电流传感器，所有电流传感器均与控制中心连接。

7.根据权利要求2所述的新能源汽车电机驱动系统，其特征在于，所述电池组与所述逆变器之间的线路上接有电流传感器，该电流传感器与所述BMS电路连接。

8.根据权利要求1所述的新能源汽车电机驱动系统，其特征在于，所述开关管为MOSFET。

9.根据权利要求1所述的新能源汽车电机驱动系统，其特征在于，每个所述开关管与一个二极管反向并联。

10.根据权利要求1～9之一所述的新能源汽车电机驱动系统，其特征在于，所述三个模组电路的输出端与电机的三相定子绕组之间均接有电机监测保护电路；所有的电机监测保护电路均与控制中心连接。