技术领域
[0001] 本
发明涉及集成单相慢充和三相快充的充电功能的电动汽车
驱动电机控制器，尤其涉及一种集成电机驱动和充电功能的控制器及控制方法。
背景技术
[0002] 目前国外集成充电功能的电动汽车驱动电机控制器的解决方案基于非隔离集成“充电-驱动”系统的方案在汽车行业已经得到应用。从国外已有技术方案来看，目前基于PWM整流技术的“驱动—充电”集成方案均实现了高效的充电和单位功率因数控制等功能，性能上具有较大优势；而且与电机驱动系统中的三相逆变器共用电
力电子器件，节省了不控整流+有源功率因数校正
电路或PWM整流电路的成本，是一种可以切实提高系统性能指标，降低体积和成本的有前景的技术。但是国外技术利用电机绕组作为电感，对电机的设计要求较高。三相充电模式下，在永磁同步电机上必须增加额外的
锁止装置，控制技术上难以实现。国内集驱动及充电功能的电机控制器的解决方案，都得在原有电机控制器的前端增加双向DC-DC升降压变换单元，增加了成本，减小了可靠性。
发明内容
[0003] 发明目的：
[0004] 本发明提供一种集成充电功能的电动汽车驱动电机控制器及控制方法，其目的是解决以往所存在的问题。
[0005] 技术方案：
[0006] 一种集成充电功能的电动汽车驱动电机控制器，其特征在于：该控制器包括三相桥式DC-AC
双向变换器、第一继电器
开关(K1)、第二继电器开关(K2)、交流电源输入
接口装置、驱动电机、降压
变压器、充电动力
电池和中央控制
微处理器；其中充电动力电池、三相桥式DC-AC双向变换器以及驱动电机依次连接形成电机驱动回路，交流电源输入接口装置、
降压变压器、三相桥式DC-AC双向变换器以及充电动力电池依次连接形成电池充电回路。
[0007] 第一继电器开关(K1)安装在三相桥式DC-AC双向变换器和驱动电机之间，用于控制三相桥式DC-AC双向变换器和电机的连接与断开；第二继电器开关(K2)安装在三相桥式DC-AC双向变换器和降压变压器之间，用于控制三相桥式DC-AC双向变换器和降压变压器的连接和断开，也就是交流
电网的连接和断开；中央控制微处理器连接第一继电器开关(K1)和第二继电器开关(K2)并对第一继电器开关(K1)和第二继电器开关(K2)进行控制使电机驱动回路处于工作状态时电池充电回路关断，或者使电机驱动回路关断时电池充电回路处于工作状态。
[0008] 利用上述的集成充电功能的电动汽车驱动电机控制器所实施的控制方法，其特征在于：在驱动模式下，利用中央控制微处理器对三相桥式DC-AC双向变换器进行控制，使第一继电器开关(K1)闭合，第二继电器开关(K2)断开，车载电池经三相桥式DC-AC双向变换器工作在逆变状态，将直流DC变
化成交流AC供电给驱动电机；在充电模式下，利用中央控制微处理器对三相桥式DC-AC双向变换器进行控制，第二继电器开关(K2)闭合，第一继电器开关(K1)断开，三相桥式DC-AC双向变换器工作在整流状态，交流电源输入接口装置输入的交流电经过降压变压器和三相桥式DC-AC双向变换器进行高频PWM整流得到的直流
母线电压对车载充电动力电池进行快速充电或者慢充。
[0009] (1)交流电源输入接口装置与三相桥式DC-AC双向变换器之间连接降压变压器，这里的降压变压器的作用有两个：一是充当PWM整流电路的PFC电感；二是使将电网电压U1变换到合适的交流电压U2，电网电压U1经降压变压器后的线电压峰值 不能大于最低的电池电压UDCmin，这样做的目的是不致于交流侧电压过高，通过三相桥式整流电路IGBT反并联的
二极管进行不控整流，导致电路的
电流不可控，即：该降压变压器的变比k满足下面的公式：
[0010]
[0011] (2)PWM整流的控制方式由传统结构的母线电压外环+有功、
无功电流内环结构改为母线电流在最外环、母线电压在第二环和有功无功电流在最内环的三环控制结构，由于给电池充电是要控制其充电电流，即需要控制母线电流IDC，因此，PWM整流的控制方式增加了母线电流控制环。
[0012] 三环结构的工作过程：首先根据具体的电池特性，采用恒流充电的方式进行充电，即母线电流给定值 设定为常数，给电池进行充电，母线电流给定值 和实际值IDC进行比较后，通过PI控制器得到
直流母线电压的给定值 直流母线电压的给定值 和实际值UDC进行比较后，通过PI控制器得到有功电流的给定值 有功电流的给定值 和实际值id比较后输出有功电压ud，无功电流的给定值 和实际值iq比较后，通过PI控制器得到无功电压uq，有功电压ud和无功电压uq通过坐标变换得到静止
坐标系下的电压值uD和uQ，静止坐标系下的电压值通过空间电压矢量控制(SVPWM)
算法得到6路PWM
信号控制三相全桥双向变换器功率器件的开关，实现对母线电流的最终控制。
[0013] 交流电源输入接口装置兼容单相充电和三相充电，并采用统一接口，具有第一接口(JA)、第二接口(JB)、第三接口(JC)，交流电源输入接口连接有交流输入检测电路，交流输入检测电路将检测信号传送到中央控制微处理器，中央控制微处理器启动单相充电模式和三相充电模式去控制三相桥式DC-AC双向变换器。
[0014] 当中央控制微处理器启动单相充电模式，闭合第二继电器开关(K2)，第一接口(JA)和第二接口(JB)有输入，利用三相降压变压器的A相电感和B相电感充当单相全桥PWM整流的PFC电感。
[0015] 当外部电源通过同一个接口接入到中央控制微处理器时，交流输入检测电路将对第一接口(JA)、第二接口(JB)和第三接口(JC)进行幅值和
相位的检测，当检测判断结果为单相输入时，启动单相PWM整流程序，当检测判断结果为三相输入时，启动三相PWM整流程序，单相、三相互不干涉输入，共用一个充电接口装置。
[0016] 第一继电器开关(K1)、第二继电器开关(K2)都是继电器开关，中央控制微处理器通过驱动电路分别独立控制第一继电器开关(K1)和第二继电器开关(K2)，从而控制电动汽车驱动电机控制器工作于电动状态还是充电状态。
[0017] 交流电源输入接口连接有交流输入检测电路，交流输入检测电路将检测信号传送到中央控制微处理器，中央控制微处理器启动充电模式去控制双向三相桥式DC-AC双向变换器；中央控制微处理器还检测母线电压、母线电流、电机
转子位置、电机绕组的相电流以及进行电机故障、控制器故障。
[0018] 优点及效果：
[0019] 本发明是一种集成充电功能的电动汽车驱动电机控制器及控制方法，本发明与
现有技术相比，具有如下效果：
[0020] (1)充电动力电池与三相桥式DC-AC双向变换器和电机依次连接形成电机驱动回路；交流电源输入接口装置、降压变压器、三相桥式DC-AC双向变换器、和充电动力电池依次连接形成电池充电回路。中央控制微处理器对三相桥式DC-AC双向变换器进行控制，利用驱动-充电模式切换装置使电机驱动回路处于工作状态而电池充电回路关断，或者使电机驱动回路关断而电池充电回路处于工作状态。这样一来，采用同一个三相桥式DC-AC双向变换器实现充电控制和驱动控制，简化电路结构，和现有技术相比减少DC-DC变换单元，减少电子元气件，工作更可靠，并且具有成本低、重量轻、体积小、提高功率因数。
[0021] (2)实现了充电机系统、三相充电模式的兼容与自适应；在驱动模式下，开关K1闭合和开关K2断开，在充电模式下，开关K1断开和开关K2闭合，交流电源输入接口连接有交流输入检测电路，交流输入检测电路将检测信号传送到中央控制微处理器，中央控制微处理器启动充电模式去控制三相桥式DC-AC双向变换器，实现PWM整流，对车载动力电池进行充电。连接电网的降压变压器即起到降压功能，可以省掉传统充电回路中的双向DC-DC变换器，同时也充当PWM整流时的三相PFC电感，简化电路结构，工作更可靠，并且具有成本低、重量轻、体积小、提高功率因数。
[0022] (3)驱动-充电模式切换装置包括继电器开关K1和继电器开关K2，继电器开关K1和继电器开关K2分别安装驱动回路和充电回路以控制三相桥式DC-AC双向变换器和电机或者降压变压器的连接和断开，在驱动模式下，继电器开关K1闭合和继电器开关断开，在充电模式下，继电器开关K1断开和继电器开关K2闭合，控制简单可靠，零件数小。
[0023] (4)本发明的交流电源输入接口装置输入的交流电经过降压变压器、三相桥式DC-AC双向变换器进行高频PWM整流得到的直流母线电压，省却传统一体化控制器的DC-DC控制器以及交流输入整流装置的同时，还实现了高功率因数；
[0024] (5)本发明的利用继电器开关K1和继电器开关K2控制电机的通断电，除去了传统控制方案的复用电机电感所带来的复杂锁止控制，使本发明的整个系统控制策略比较简单；
[0025] (6)成本低廉，本发明额外增加的
硬件只有两个继电器开关和一个降压变压器。并且在成果普及的情况下，可以标准化电池电压，及容量可以将降压变压器直接放到电网上，直接作为一个简易的快充充电桩。
[0026] 综上所述，本发明电路结构简洁，减少电子元气件，工作更可靠，并且具有成本低、重量轻、体积小、高功率因数。
附图说明
[0028] 图2是本发明的PWM整流电路的三环控制结构示意图。
[0029] 图3是本发明在电动模式的等效电路图。
[0030] 图4是本发明在三相充电模式的等效电路图。
[0031] 图5是本发明在单相充电模式的等效电路图。
具体实施方式
[0032] 下面结合附图对本发明做进一步的说明：
[0033] 如图所示，本发明提出了一种集成充电功能的电动汽车驱动电机控制器，该控制器包括三相桥式DC-AC双向变换器、第一继电器开关K1、第二继电器开关K2、交流电源输入接口装置、驱动电机、降压变压器、充电动力电池和中央控制微处理器；其中充电动力电池、三相桥式DC-AC双向变换器以及驱动电机依次连接形成电机驱动回路，交流电源输入接口装置、降压变压器、三相桥式DC-AC双向变换器以及充电动力电池依次连接形成电池充电回路，中央控制微处理器使电机驱动回路处于工作状态时电池充电回路关断，或者使电机驱动回路关断时电池充电回路处于工作状态。和现有技术相比该方案省掉了双向DC-DC变换单元,降低了成本，减少了故障的几率。
[0034] 第一继电器开关K1安装在三相桥式DC-AC双向变换器和驱动电机之间，用于控制三相桥式DC-AC双向变换器和电机的连接与断开；第二继电器开关K2安装在三相桥式DC-AC双向变换器和降压变压器之间，用于控制三相桥式DC-AC双向变换器和降压变压器的连接和断开，也就是交流电网的连接和断开；中央控制微处理器连接第一继电器开关K1和第二继电器开关K2并对第一继电器开关K1和第二继电器开关K2进行控制使电机驱动回路处于工作状态时电池充电回路关断，或者使电机驱动回路关断时电池充电回路处于工作状态。中央控制微处理器通过驱动电路分别独立控制第一继电器开关K1和第二继电器开关K2。
[0035] 在驱动模式下，利用中央控制微处理器对三相桥式DC-AC双向变换器进行控制，使第一继电器开关K1闭合，第二继电器开关K2断开，车载电池经三相桥式DC-AC双向变换器工作在逆变状态，将直流DC变化成交流AC供电给驱动电机；在充电模式下，利用中央控制微处理器对三相桥式DC-AC双向变换器进行控制，第二继电器开关K2闭合，第一继电器开关K1断开，三相桥式DC-AC双向变换器工作在整流状态，交流电源输入接口装置输入的交流电经过降压变压器和三相桥式DC-AC双向变换器进行高频PWM整流得到的直流母线电压对车载充电动力电池进行快速充电或者慢充，和现有技术相比该方案省掉了双向DC-DC变换单元,降低了成本，增加了可靠性。
[0036] 所述在电池充电回路和传统的充电回路拓扑相比，没有DC-DC变换单元，省掉DC-DC变换单元是通过以下两种方式实现的：
[0037] (1)交流电源输入接口装置与三相桥式DC-AC双向变换器之间连接三相PFC电感换成了降压变压器，这里的降压变压器的作用有两个：一是充当PWM整流电路的PFC电感；二是使将电网电压U1变换到合适的交流电压U2，电网电压U1经降压变压器后的线电压峰值不能大于最低的电池电压UDCmin，这样做的目的是不致于交流侧电压过高，通过三相桥式整流电路IGBT反并联的二极管进行不控整流，导致电路的电流不可控，即：该降压变压器的变比k满足下面的公式：
[0038]
[0039] (2)PWM整流的控制方式由传统结构的母线电压外环+有功、无功电流内环结构改为母线电流在最外环、母线电压在第二环和有功无功电流在最内环的三环控制结构，具体控制方式框图见图2。由于给电池充电是要控制其充电电流，即需要控制母线电流IDC，因此，本
申请中的PWM整流的控制方式增加了母线电流控制环。
[0040] 三环结构的工作过程：首先根据具体的电池特性，采用恒流充电的方式进行充电，即母线电流给定值 设定为常数，给电池进行充电，母线电流给定值 和实际值IDC进行比较后，通过PI控制器得到直流母线电压的给定值 直流母线电压的给定值 和实际值UDC进行比较后，通过PI控制器得到有功电流的给定值 有功电流的给定值 和实际值id比较后输出有功电压ud，无功电流的给定值 和实际值iq比较后，通过PI控制器得到无功电压uq，有功电压ud和无功电压uq通过坐标变换得到静止坐标系下的电压值uD和uQ，静止坐标系下的电压值通过空间电压矢量控制(SVPWM)算法得到6路PWM信号控制三相全桥双向变换器功率器件的开关，实现对母线电流的最终控制。上述过程通过中央控制微处理器单元通过程序实现。没有硬件增加，节约了成本。
[0041] 交流电源输入接口装置兼容单相充电和三相充电，并采用统一接口，具有第一接口JA、第二接口JB、第三接口JC，交流电源输入接口连接有交流输入检测电路，交流输入检测电路将检测信号传送到中央控制微处理器，中央控制微处理器启动单相充电模式和三相充电模式去控制三相桥式DC-AC双向变换器。
[0042] 当中央控制微处理器启动单相充电模式，闭合第二继电器开关K2，第一接口JA和第二接口JB有输入，利用三相降压变压器的A相电感和B相电感充当单相全桥PWM整流的PFC电感。
[0043] 当外部电源通过同一个接口接入到中央控制微处理器时，交流输入检测电路将对第一接口JA、第二接口JB和第三接口JC进行幅值和相位的检测，当检测判断结果为单相输入时，启动单相PWM整流程序，当检测判断结果为三相输入时，启动三相PWM整流程序，单相、三相互不干涉输入，共用一个充电接口装置。具体点说就是当外部电源通过同一个接口接入到中央控制微处理器时，交流输入检测电路将对第一接口JA、第二接口JB和第三接口JC进行幅值和相位的检测，当检测判断结果为三相输入时，降压变压器充当PFC电感，程序运行三相PWM整流程序，通过三相桥式双向DC-AC逆变器对充电动力电池充电，当检测判断结果为单相输入时，运行单相PWM整流程序，对充电动力电池充电，即：接口JA、接口JB有输入，接口JC没有输入时，利用降压变压器的A相和B相线圈充当PFC电感和三相桥式双向DC-AC中A桥臂和B桥臂(T1、T3、T4、T6和D1、D3、D4、D6)构成单相PWM整流电路为充电动力电池充电。从而实现单相和三相的不干涉输入，共用一个接口。
[0044] 第一继电器开关K1、第二继电器开关K2都是继电器开关，中央控制微处理器通过驱动电路分别独立控制第一继电器开关K1和第二继电器开关K2，从而控制电动汽车驱动电机控制器工作于电动状态还是充电状态。
[0045] 交流电源输入接口连接有交流输入检测电路，交流输入检测电路将检测信号传送到中央控制微处理器，中央控制微处理器启动充电模式去控制双向三相桥式DC-AC双向变换器；中央控制微处理器还检测母线电压、母线电流、电机转子位置、电机绕组的相电流以及进行电机故障、控制器故障。
[0046] 本发明的工作原理如下：本发明的集成充电功能的电动汽车驱动电机控制器可以利用同一套装置实现驱动电机和给动力电池充电功能。
[0047] 在电机驱动模式下，K1闭合，K2断开，充电动力电池E与三相桥式DC-AC双向变换器和电机依次连接形成电机驱动回路，如图3所示，此时，三相桥式DC-AC双向变换器在中央控制微处理器控制下工作在逆变状态，将动力电池提供的直流电逆变成交流电供电给汽车驱动电机M。该控制方式为业内所熟悉，这里不再赘述。
[0048] 在充电模式下：K1断开，K2闭合，交流输入检测电路将检测信号传送到中央控制微处理器，交流输入检测电路将对接口JA、接口JB、接口JC进行幅值和相位的检测，当检测判断结果为单相输入时，控制程序启动单相PWM整流模式，当检测判断结果为三相输入时，控制程序启动三相PWM整流模式，从而实现单相和三相的不干涉输入，共用一个接口。
[0049] 在三相充电模下：交流电源输入接口装置、降压变压器、三相桥式DC-AC双向变换器、和充电动力电池依次连接形成电池充电回路，降压变压器充当PFC电感，三相桥式DC-AC双向变换器在中央控制微处理器控制下工作在三相桥式PWM整流，其等效电路如图4所示。控制方式如图2所示的三环控制结构。
[0050] 在单相充电模下：交流电源输入接口装置接口A和接口B、降压变压器的A相和B相、以及三相桥式DC-AC双向变换器的A桥臂和B桥臂、充电动力电池依次连接形成电池充电回路，外界三相交流电源利用降压变压器的A相和B相等效电感参与PFC功率校正，三相桥式DC-AC双向变换器在中央控制微处理器控制下工作在单相桥式PWM整流，其等效电路如图5实线部分所示。控制方式如图2所示的三环控制结构类似，这里不再赘述。
