CN2894081Y - 电动－发电复用控制系统 - Google Patents

Abstract

一种电动－发电复用控制系统，采用一台起动和电动助力双绕组电机或双电机及其切换控制技术，无需弱磁控制就能实现低速大转矩起动和高速大转矩电动助力工况；采用磁电切换开关实现起动和电动助力工况的转换，驱动控制器驱动电机起动绕组，使发动机起动运转至起动额定转速时，磁电切换开关进行切换进入电动助力工况，将反电势高的起动绕组的三相输出端处于断路状态，同时完成了反电势过压保护的切换。还将起动和电动助力绕组的三相输出端与两套高、低电压的整流斩波调压电路相连，解决了两套电池组和用电负载的供电问题。该控制方法及其系统结构简单，设计合理，效率高，转矩大，为节能环保型电动混合动力汽车走向产业化奠定了技术基础。

Description

电动-发电复用控制系统

技术领域  本实用新型属于发动机、电机、电动混合动力汽车等领域的控制技术，具体地说涉及一种电动-发电复用控制系统。

背景技术  近年来，在汽车领域，研发“节能”、“环保”型电动混合动力汽车已成为世界性的攻关课题。所谓电动混合动力汽车，是“油/电”的混合，即电动与燃油的混合。发动机在汽车起动加速时，将永磁同步电机/励磁电机作为电动机复合使用，来实现起动和电动助力功能；在汽车减速时，将永磁同步电机/励磁电机作为发电机使用，来实现能量回馈并对电池组充电，上述起动、电动助力和发电工况的相互转换需要通过一套驱动控制技术来实现。而在电动混合动力汽车研制生产过程中，却面临着许多新问题和技术难题。

按汽车工况的需要，在汽车低速起动和较高转速范围内加速助力时，都需要较大的电动转矩，但永磁电机的设计理论限定了同时实现低速起动大转矩和较高转速时助力大转矩的同时实现。如：在同定条件下，按额定转速800r/min设计的永磁电机起动转矩，远远大于按额定转速3000r/min设计的永磁电机，但按800r/min设计的永磁电机由于电动绕组反电势的限定，其最高转速无法达到3000r/min，也就无法实现高速助力；而按3000r/min设计的永磁电机，其可以实现高速区的大转矩助力，但其在低速起动时的转矩又非常小。也就是说，按低速起动性能要求设计的永磁电机，无法满足高速区助力的性能要求；按高速区助力性能要求设计的永磁电机，无法满足低速起动性能的要求，其二者是矛盾而不可兼得的。这也是摆在世界电机学领域的一大难题。

特别是低压系统的电动/发电复用控制技术，存在更难于解决的问题：低电压的永磁无刷电机驱动控制，几乎都采用管压降低的MOSFET功率器件或模块，而MOSFET功率器件，其性能是大电流管或模块的工作电压较低，如：200A～600A功率管或模块的工作电压通常为150V，电压为300V～600V的功率管其工作电流最大却只有几十安培。在低压电动/发电复用控制系统中，只能采用大电流的MOSFET管或模块。在复用装置中，电动工况结束，发动机工作后自然就进入发电工况，无论发电输出有无负载，反电势都会随发动机转速而升高，电动绕组产生较高的反电势，发动机在高速运转时电动绕组产生的反电势远高于MOSFET管或模块的正常工作电压。如：目前国际上开发的汽车42V电动/发电复用电器系统就存在同样的问题，42V电器系统是指发电机充电电压为42VDC，其采用的电池工作电压为安全电压36V，按36V工作电压、800r/min额定转速设计的永磁同步电机，其800r/min时的电动绕组反电势已接近36V，通常汽车发动机转速可达6500r/min左右，即按800r/min设计的永磁同步电动机在6500r/min时的反电势可达200多伏，此电压已远远超过MOSFET管或模块的正常工作电压，使MOSFET管或模块直接损坏。因此，目前国内外许多汽车公司未能理想的解决此问题，使国际新发展的汽车42V电器系统未能理想实现产业化。像日本、美国等许多汽车公司都采用励磁式的42V电动/发电及其控制系统，但励磁式电机，其转矩和效率都不及永磁式同步电机高。

现有汽车无论采用高压或低压电动混合动力系统，都会存在两套电源和发电充电系统。如42V系统，包括12V、36V两组电池组及14V、42V两套发电充电系统。许多汽车公司都采用一套一种电压输出发电充电系统，直接供一种电压的电池充电和负载用电；另一种电压采用DC-DC升压或者降压，来供此种电压的电池组充电或负载用电。这种采用将发电机输出的电压再通过DC-DC升压或降压的转换方式，其损耗大大增加，效率降低。特别是大功率、低电压DC-DC损耗更大、效率更低。还有DC-DC控制系统的设计制造成本高、技术难度大，几乎接近于一套无刷永磁电机驱动控制系统。

由于面临以上问题和技术难题，世界各大汽车公司多采用高电压混合动力系统，即采用电压较高的电池组，电机驱动控制系统采用管压降高、工作电流大的高电压IGBT模块等，并采用永磁同步无刷正弦波电机及其弱磁驱动控制系统，此系统采用弱磁方式即达到电机低速起动大转矩，也可通过弱磁实现电机在一定高转速区电动和助力目的，弱磁控制原理是用定子绕组在d轴时，加电流使定子磁场与相对转子永磁产生同极性磁场，来减弱转子永磁磁力强度，达到提高电动机转速和控制发电机输出。采用弱磁控制易产生电机转子永磁退磁，电路设计要求很高，一旦电路出现故障，反电势会烧毁控制系统，电机始终存在弱磁大电流输入，既消耗电能，又存在效率低、故障多、输出转矩相对无弱磁控制的永磁电机低等诸多缺点。

发明内容  为了克服上述诸多问题和技术难题，本实用新型的目的是提供一种结构简单、效率高、转矩大、无需弱磁控制的电动-发电复用控制系统，能够使混合动力发动机实现低速大转矩起动和高速大转矩电动助力切换驱动控制，并同时解决了低压系统电动/发电复用控制技术中发动机在高转速时，电动绕组产生的反电势高于功率器件正常工作电压，造成功率器件易损坏等问题。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：一种实现上述电动-发电复用控制方法的系统，它包括梯形波或正弦波电机驱动控制器、同时具有梯形波或正弦波起动绕组和电动助力绕组的电机以及实现低速起动、高速电动助力工况转换的磁电切换开关；所述电机是将电机绕组采用抽头或独立设置方式，设计成星形或三角形连接的梯形波或正弦波起动绕组和电动助力绕组，或采用两台独立电机的起动和电动助力绕组；电机起动绕组U1、V1、W1、电动助力绕组U2、V2、W2的各输出接线分别接磁电切换开关相应触点；电机驱动控制器的三相交流输出A、B、C分别接切换开关的动触点。

作为上述控制系统方案的进一步完善，上述起动绕组三相输出端还与高电压控制整流斩波调压电路的三相输入端相连；上述电动助力绕组三相输出端还与低电压控制整流斩波调压电路的三相输入端相连。

本实用新型提供的上述电动-发电复用控制系统，结构简单，设计合理，效率高，转矩大。由于采用了起动和电动助力双绕组电机或双电机及切换控制技术，无需弱磁控制就能实现低速大转矩起动和高速大转矩电动助力工况；由于采用了可实现起动和电动助力工况转换的磁电切换开关技术，起动绕组与电机驱动控制器接通，驱动控制器驱动起动绕组，使发动机起动运转至起动额定转速时，磁电切换开关进行切换进入高速电动助力工况，同时将反电势高的起动绕组的三相输出端处于断路状态。此控制系统理想地解决了低压电动/发电复用控制技术中，发动机在高速运转时，电机绕组产生的反电势高于功率器件正常工作电压，造成功率器件易损坏的问题。另外，还将起动和电动助力绕组的三相输出端与两套高、低电压的整流斩波调压电路相连，较为理想地解决了两套电池组和用电负载的供电问题。本实用新型提供的上述电动-发电复用控制系统，为“节能”、“环保”型电动混合动力汽车走向产业化奠定了可靠的技术基础。

附图说明  图1为本实用新型的方框示意图一；

图2为本实用新型的方框示意图二；

图3为本实用新型实施例一的电原理示意图；

图4为本实用新型实施例二的电原理示意图；

图5为本实用新型控制系统外壳的结构示意图。

具体实施方式  如图1所示，本实用新型提供的电动-发电复用控制系统，它包括梯形波或正弦波电机驱动控制器(控制电路与驱动电路K&Q、三相功率驱动电路)、同时具有梯形波或正弦波起动绕组和电动助力绕组的电机以及实现低速起动、高速电动助力工况转换的磁电切换开关；所述电机是将永磁无刷同步电机绕组采用抽头或独立设置方式，设计成星形或三角形连接的梯形波或正弦波起动绕组和电动助力绕组，或采用两台独立永磁无刷同步电机的起动和电动助力绕组；电机起动绕组、电动助力绕组的各输出接线分别接磁电切换开关相应触点；电机驱动控制器的三相交流输出分别接磁电切换开关的动触点。

上述起动绕组三相输出端还与高压整流斩波调压电路的三相输入端相连，输出直流供给高压电源或电池组；上述电动助力绕组三相输出端还与低压整流斩波调压电路的三相输入端相连，输出直流供给低压电源或电池组。

通过上述磁电切换开关将电机的起动绕组与电机驱动控制器接通时，电机驱动控制器工作，驱动起动绕组使发动机起动运转至额定转速后，完成低速大转矩起动工况，此时磁电切换开关自动进行切换，将电机的起动绕组与电机驱动控制器断开，随即将电机的电动助力绕组与电机驱动控制器接通，驱动电动助力绕组实现高速大转矩电动助力。永磁无刷同步电机上设置的位置速度传感器向电机驱动控制器提供永磁转子相位位置信号和转速信号。

解决反电势高于功率器件正常工作电压问题，在汽车完成起动工况正常运行时，通过上述磁电切换开关，将反电势高的电机起动绕组与电机驱动控制器断开，同时又将反电势低的电动助力绕组与电机驱动控制器接通。此时，切换开关在完成起动和电动助力工况切换的同时，磁电切换开关也完成了反电势过压保护的切换。

如图2所示：在图1所述的控制系统的基础上，增加了整车控制功能，即将电机驱动控制器(控制电路与驱动电路K&Q、三相功率驱动电路)、高低压整流斩波调压电路、整车控制及发动机ECU集成一体化控制。其中：电机驱动控制器采用具有CAN总线功能的电机芯片，将电机驱动控制、发电调压以及整车控制软件及电路集成在电机驱动控制器电路中；将电机芯片作为下位机，与作为上位机的汽车发动机ECU连接，通过CAN总线实现电机驱动、发电、整车运行等集成化通讯控制。

如图3所示，实现本实用新型控制系统的实施例一中，采用一套永磁无刷同步电机驱动控制器(控制电路与驱动电路K&Q、三相功率驱动电路Q1)、一组三相大电流双向磁电切换开关K1、一台星形连接由多抽头绕组的永磁无刷同步电机、一套14V低压整流斩波调压电路F1和一套42V高压整流斩波调压电路F2构成。

具体组成如下：该系统采用一组低压12V电池组E1和一组高压36V电池组E2，由六单元功率管T1、T2、T3、T4、T5、T6构成三相桥功率MOSFET驱动模块，即三相功率驱动电路Q1，电池组E2正极连接MOSFET驱动模块的正极输入端，电池组E2负极连MOSFET驱动模块的负极输入端。三相桥功率MOSFET驱动模块的三相交流输出端A、B、C，通过三相大电流双向磁电切换开关K1，与永磁无刷同步电机起动绕组U1、V1、W1或电动助力绕组U2、V2、W2分别切换连接。永磁无刷同步电机上设置的位置速度传感器采集永磁转子相位位置信号和转速信号，并提供给控制电路与驱动电路K&Q来实现控制功能。

永磁无刷同步电机起动绕组U1、V1、W1与高压整流斩波调压电路F2的三相输入端相连，如果起动绕组在发动机低速时，绕组输出的三相交流电压达不到高压电池组的充电电压时，可再设计发电绕组U、V、W，发电绕组U、V、W与起动绕组U1、V1、W1同相位串接输出，与高电压整流斩波调压电路F2连接，输出直流供给高压36V电池组E2充电和负载用电。永磁无刷同步电机电动助力绕组U2、V2、W2与低压整流斩波调压电路F1的三相输入端相连，输出直流供给低压12V电池组E1充电和负载用电。

上述整流斩波调压电路F1、F2中的稳压器，根据“A”点交流取样电压大小，相应控制充电指示端“D+”和中性线端“N”的输出电平状态，实现端子功能，测速部分电路对定子感应交流电进行整流整形，从“W”端输出转速脉冲信号。采用一个由电压控制脉冲输出脉冲占空比的调节器TJQ，稳压器根据从“B+”电枢处取样得到电压大小，调制发出相应占空比的脉冲给可控硅的控制极，从而控制整流器工作通断时间的比例。如输出电压偏高，稳压器就减少触发脉冲宽度，整流器管断时间延长，使输出电压下降；如输出电压偏低，稳压器则发出脉冲，增加整流器开通时间比例，输出电压随之升高。使整流斩波调压电路工作在这个动态平衡状态中，保持恒压稳定输出14V和42V电压。

在上述控制系统的基础上，可增加整车控制功能，即将电机驱动控制器(控制电路与驱动电路K&Q、三相功率驱动电路)、高低压整流斩波调压电路、整车控制及发动机ECU集成一体化控制。

其中：电机驱动控制器采用具有CAN总线功能的电机芯片，将电机驱动控制、发电调压以及整车控制软件及电路集成在电机驱动控制器电路中；将电机芯片作为下位机，与作为上位机的汽车发动机ECU连接，通过CAN总线实现电机驱动、发电、整车运行等集成化通讯控制。

电机控制芯片同时要采集电机转子相位、速度、电压、电流等电动驱动所需反馈信号；发电输出电压、“A”点交流取样点压、“W”端输出转速脉冲、电路通断开关等发电控制所需信号；整车通过发动机ECU采集发动机转速、发动机冷却水温度、发动机节气门位置、车速、空调暖风等整车控制所需信号。电机芯片将以上系统采集到的信号通过计算处理，按工况需要输出控制磁电切换开关控制信号；输出电动驱动电路使能、起/停、转矩调节变化量等信号；输出发电调压电路通/断等信号；输出发动机ECU断油、断电等信号。

起动、电动助力与双电压发电输出为互锁工作状态，起动或电动助力工况工作时，高低压两套整流斩波调压电路F1、F2处于无输出停止工作状态。在汽车发动机无需电动工况时，如汽车在正常行驶或减速时，高低压两套整流斩波调压电路F1、F2处于输出工作状态。此互锁工作状态模式，可以大大提高汽车发动机在起动或加速时的动力性。

电机起停采用汽车发动机节气门位置传感器或电子节气门来控制，可同时实现发动机和电机停止、起动、加速电动助力、正常行驶或减速发电等汽车发动机与电机混合动力运行工况控制，既简单又可靠，无需在汽车控制面板上增加新的开关，同时理想地实现了电动与燃油双动力混合控制。

从而更为理想地实现汽车起动和电动助力工况转换、正常行驶或减速发电、零怠速、发电调压等集成化控制。

如图4所示，实现本实用新型控制系统的实施例二中，采用了两套永磁无刷同步电机驱动控制器(控制电路与驱动电路K&Q、三相功率驱动电路Q1、Q2)、一组三相大电流单向磁电切换开关K2、一台三角形连接同时包含起动和电动助力两种独立绕组的永磁无刷同步电机、一套14V低压整流斩波调压电路F1和一套42V高压整流斩波调压电路F2构成。

具体组成不同的是：该系统的两套三相桥功率MOSFET驱动模块，即三相功率驱动电路Q1、Q2，其正极输入端均与电池组E2的正极连接，其负极输入端均与电池组E2的负极连接；一套三相桥功率MOSFET驱动模块(即三相功率驱动电路Q1)的三相交流输出端A、B、C，通过三相大电流单向磁电切换开关K2与永磁无刷同步电机起动绕组U1、V1、W1连接；另一套三相桥功率MOSFET驱动模块(即三相功率驱动电路Q2)的三相交流输出端A1、B1、C1，直接与永磁无刷同步电机电动助力绕组U2、V2、W2连接。

三相大电流单向磁电切换开关K2的闭合与断开，实现两套三相桥功率MOSFET驱动模块(即三相功率驱动电路Q1、Q2)的切换控制，进而完成起动与电动助力两种工况的转化。

永磁无刷同步电机起动绕组U1、V1、W1与高压整流斩波调压电路F2的三相输入端相连，输出直流供给高压36V电池组E2充电和负载用电；电动助力绕组U2、V2、W2与低压整流斩波调压电路F1的三相输入端相连，输出直流供给低压12V电池组E1充电和负载用电。

与图3同理，上述起动绕组在发动机低速时，绕组输出的三相交流电压达不到高压电池组的充电电压时，增加一组发电绕组，发电绕组为三角形接法的独立绕组，它与高电压整流斩波调压电路连接，输出直流供给高压电池组充电和负载用电。

其他控制系统与图3基本相同，不再赘述。

如图5所示，本实用新型提供的上述电动-发电复用控制系统的理想方案，其驱动控制器模块采用带有散热液的壳体组装。

其中：1-外壳；2-积液凹槽；3-散热液；4-封装盖板(模块固定底板)；5-封装盖板固定螺栓；6-O形密封圈；7-加油螺栓；8-密封垫；9-散热片；10-模块；11-模块固定螺栓；12-壳体固定孔。

现有技术中，通常驱动控制器采用风冷或水冷来对驱动功率模块散热，在纯电动或长时具有电动工况的混合动力中，驱动控制器采用风冷或水冷比较理想，但在短时起动加速助力轻度混合动力中，采用风冷或水冷散热系统结构较复杂且成本高。为此本实用新型为驱动控制器模块专门设计了一个具有简单实用且效果好的散热壳体，该散热壳体的外壳1内设有一积液凹槽2，积液凹槽2内装有高比热的散热液3，散热液3的封装盖板4与外壳1密封连接，封装盖板4同时作为模块固定底板，模块10固定在散热液封装盖板4上。为便于加入散热液3，外壳1上开有一设置加油螺栓7的通孔与积液凹槽2相通。为进一步增强散热效果，外壳1的外壁以及积液凹槽2的内壁上设有散热片9。模块10安装在散热液封装盖板4上，这样就解决了控制系统功率器件在短时间内起动或电动助力时产生的热量，先由散热液3吸收，然后再通过外壳1自然散热。

通过本实用新型提供的上述实施例中不难看出，本实用新型在具体实施过程中，除可以将电机绕组采用抽头或独立设置方式，设计成星形或三角形连接的起动绕组和电动助力绕组以外，还可以很自然地想到采用两台独立永磁无刷同步电机分别设计位起动和电动助力绕组；控制驱动电路部分既可以采用一套也可以采用两套；磁电切换开关既可以是单向的，也可以是双向的；……并不局限于实施例所述。也就是说，上述实施方式的等同变换或组合，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1、一种电动-发电复用控制系统，其特征在于：它包括梯形波或正弦波电机驱动控制器、同时具有梯形波或正弦波起动绕组和电动助力绕组的电机以及实现低速起动、高速电动助力工况转换的磁电切换开关；所述电机是将电机绕组采用抽头或独立设置方式，设计成星形或三角形连接的梯形波或正弦波起动绕组和电动助力绕组，或采用两台独立电机的起动和电动助力绕组；电机起动绕组(U1、V1、W1)、电动助力绕组(U2、V2、W2)的各输出接线分别接磁电切换开关相应触点；电机驱动控制器的三相交流输出(A、B、C)分别接切换开关的动触点。

2、根据权利要求1所述的电动-发电复用控制系统，其特征在于上述起动绕组三相输出端还与高电压控制整流斩波调压电路(F2)的三相输入端相连；上述电动助力绕组三相输出端还与低电压控制整流斩波调压电路(F1)的三相输入端相连。

3、根据权利要求2所述的电动-发电复用控制系统，其特征在于增加一组发电绕组，发电绕组与星形接法的电机起动绕组同相位串接输出或三角形接法的独立绕组，再与高电压整流斩波调压电路(F2)连接。

4、根据权利要求2所述的电动-发电复用控制系统，其特征在于上述电机驱动控制器采用具有CAN总线功能的电机芯片，将电机驱动控制、发电调压以及整车控制软件及电路集成在电机驱动控制器电路中；将电机芯片作为下位机，与作为上位机的汽车发动机ECU连接。

5、根据权利要求2所述的电动-发电复用控制系统，其特征在于将上述电机驱动控制器电路组装在一带有散热液的壳体中，所述壳体的外壳(1)内设有一积液凹槽(2)，积液凹槽(2)内装有散热液(3)，散热液(3)的封装盖板(4)与外壳(1)密封连接，封装盖板(4)同时作为模块固定底板，模块(10)固定在散热液封装盖板(4)上。

6、根据权利要求5所述的电动-发电复用控制系统，其特征在于上述外壳(1)上开有一设置加油螺栓(7)的通孔与积液凹槽(2)相通。

7、根据权利要求5或6所述的电动-发电复用控制系统，其特征在于上述外壳(1)的外壁以及积液凹槽(2)的内壁上设有散热片(9)。

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