一种电动汽车驱动与电能变换控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种电动汽车驱动与电能变换控制方法，包括电机绕组控制开关S4、S5、S6、短接线、开绕组电动机、状态指令给定系统、储能系统、滤波电容、滤波电容控制开关S1、S2、S3、电驱动单元；储能系统通过母线正、母线负与电驱动单元连接；电驱动单元通过U、V、W三根线缆与开绕组电动机连接；开绕组电动机通过三根线缆经电机绕组控制开关S4、S5、S6再通过连接点P10、P11、P12与电网上的三相线A、B、C连接。优点是：使电动汽车可以利用驱动单元及电机实现电能的变换，由可控的电动汽车电机绕组连接及驱动器结构，实现电动汽车驱动模式与电能变换模式的切换。
【专利说明】
一种电动汽车驱动与电能变换控制方法
技术领域
[0001]本发明属于利用电动汽车进行储能变流领域，尤其涉及一种电动汽车驱动与电能变换控制方法。
【背景技术】
[0002]随着当今社会对能源和环境的关注度不断提高、电能存储及电驱动技术的进步，越来越多的电动汽车替代传动汽车方便出行。数据表明电动汽车的年增长率已经超过50%，以电动大巴、电动中小型车等电动汽车为代表的众多电动车辆服务于社会、家庭。对于大多数的电动汽车在使用过程中有90%的时间处于停泊状态;与此同时，大量的商业、办公区域在用电量大时，可能会出现用电量短缺问题。如果电动汽车的数量达到一定的规模，电动汽车作为能量的载体，可以面向小微电网，智能电网，参与局部的电网平衡。
[0003]电动汽车当作为电网的储能元件时，根据需要为电网补充能量。同时，电动汽车驱动单元，为给电动汽车提供动力，电动汽车驱动模块由电动汽车驱动器及电动机组成。如何最大的利用电动汽车自身的驱动系统，实现储能变流，是有效的降低接入电网成本，提升该项技术实用性的关键。
【发明内容】
[0004]为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种电动汽车驱动与电能变换控制方法，实现电动汽车作为电网的储能元件，向小微电网，智能电网，参与局部的电网平衡。
[0005]为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现:
[0006]—种电动汽车驱动，包括电机绕组控制开关S4、S5、S6、短接线、开绕组电动机、状态指令给定系统、储能系统、滤波电容、滤波电容控制开关S1、S2、S3、电驱动单元；
[0007]储能系统通过母线正、母线负与电驱动单元连接；电驱动单元通过U、V、W三根线缆与开绕组电动机连接；
[0008]开绕组电动机通过三根线缆经电机绕组控制开关S4、S5、S6再通过连接点PlO、P11、P12与电网上的三相线A、B、C连接；
[0009]母线正和母线负之间连接有滤波电容控制开关S1、S2、S3、滤波电容，滤波电容控制开关S1、S2、S3与滤波电容相连接；
[0010]在与电网连接的三相线A、B、C上连接有电压及电流传感器;储能系统为BMS电池管理系统;状态指令系统给定电驱动单元运行状态。
[0011]所述的断开绕组电动机包括6段绕组LI?L6，其中绕组LI与L4、绕组L2与L5、绕组L4与L6分别组成断开绕组电动机的三相绕组，绕组LI的两段的连接点为Pl及P4，绕组L4的两段的连接点为P4及P7，绕组LI与绕组L4公共连接点为P4;绕组L2的两段的连接点为P2及P5，绕组L5的两段的连接点为P5及P8，绕组L2与绕组L5公共连接点为P5;绕组L3的两段的连接点为P3及P6，绕组L6的两段的连接点为P6及P9，绕组L3与绕组L6公共连接点为P6。
[0012]状态指令系统给定电驱动单元运行状态，运行状态分为电驱动状态、电能变换状态；当处于电驱动状态时，电驱动单元控制开绕组电动机运行，电机绕组控制开关S4、S5、S6将开绕组电动机的绕组切换至短接线上，同时滤波电容控制开关S1、S2、S3断开，使开绕组电动机连接点P4、P5、P6与滤波电容断开；当处于电能变换状态时，通过开绕组电动机的绕组与电网进行能量交换，电机绕组控制开关S4、S5、S6将开绕组电动机的绕组切换至电网上，断开与短接线的连接；同时，滤波电容控制开关S1、S2、S3接通开绕组电动机连接点P4、P5、P6与滤波电容之间的连接，使得滤波电容与开绕组电动机连接点P4、P5、P6连接。
[0013]所述的电压及电流传感器将电压及电流信号采集至电驱动单元，用于电能变换状态下的电压及电流采集。
[0014]所述的状态指令系统发送的信号为开关量信号。
[0015]所述的电驱动单元包括三相桥式逆变电路、主控板、驱动板，主控板、驱动板、三相桥式逆变电路依次连接，主控板上设有模拟量/数字量输入接口和模拟量/数字量输出接口，主控板与电流传感器相连接，三相桥式逆变电路与开绕组电动机电流传感器相连接，储能系统与三相桥式逆变电路相连接。
[0016]—种电能变换控制方法，电驱动单元通过总线方式或数字量接口接收状态转换指令，电驱动单元上电默认状态为电驱动状态，此时，电机绕组控制开关与短接线相连，同时滤波电容通过滤波电容开关并联在母线正与母线负之间，开绕组电机处于星形接入状态；
[0017]电驱动单元检测母线电压，通过电流传感器监测三相电流，监测电机转子位置;监测的三相电流、转子位置及母线电压解耦三相电流为直轴及交轴电流；
[0018]通过监测电机转子位置确定转矩，给定控制SVPffM空间矢量脉宽调制输出，通过三相桥式逆变电路使电机输出期望转矩，从而控制电动汽车运动;所述的期望转矩通过车内CAN接口接收整车控制器转矩指令；
[0019]当汽车处于停止状态时，电驱动单元允许切换至电能变换状态，此时电驱动单元同时监测位于电网侧的电压及电流传感器，检测连接点P10、P11、P12是否与电网连接，如果与电网三相线A、B、C连接则开始监测三相交流电电压；同时如果处于电能变换状态，切换电机绕组控制开关S4、S5、S6，使滤波电容接入到开绕组电动机连接点P4、P5、P6上，由电机绕组与滤波电容组成LCL滤波电路，减少后续的并网谐波;于此同时进行SVPWM空间矢量脉宽调制输出，SVPffM空间矢量脉宽调制输出信号同时驱动三相逆变电路控制输出电压，当输出的电压相位、频率与电网电压、频率一致时，滤波电容控制开关S1、S2、S3闭合；
[0020]电驱动单元采用下垂控制方式，调节输出的有功及无功功率；当再次接收到电驱动状态指令时，减少有功功率及无功功率输出至零;切换电机绕组控制开关S4、S5、S6及滤波电容控制开关S1、S2、S3，重新进入电驱动状态。
[0021]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0022]本发明公开了电动汽车电机、驱动器拓扑结构及利用电动汽车电机及驱动器实现电能变换的控制方法。使电动汽车可以利用驱动单元及电机实现电能的变换，由可控的电动汽车电机绕组连接及驱动器结构，实现电动汽车驱动模式与电能变换模式的切换。在电驱动状态下，由电池向电动机输出能量，给电动汽车提供动力。在能量交换状态下，利用电动机自身绕组及驱动器实现，电能的控制完成电网的电压支撑以及电池的充电。能够在不增加额外逆变器并保证电驱动系统正常工作的前提下，实现电动汽车的电池能量与电网能量的交换。对电网的电压支撑，及利用电动汽车组成微网，提供电力有重要意义。
【附图说明】
[0023]图1是电驱动状态示意图。
[0024]图2是电能变换状态不意图。
[0025]图3是电驱动单元控制方法示意图。
[0026]图4是电驱动单元内部结构示意图。
[0027]图5是电驱动单元原理框图一。
[0028]图6是电驱动单元原理框图二。
[0029]图中:1-电网22-电压及电流传感器2-电机绕组控制开关3-开绕组电动机4_状态指令系统5-储能系统61-母线正62-母线负8-滤波电容控制开关7-滤波电容9-电驱动单元13-继电器
[0030]91-端子一 910-电流检测调理电路911-与单片机通信端口 912-开关电源二914-端子三915-固定孔916-NTC隔离917-PT100隔离92-驱动及驱动接口端子920-调试电源输入端口 921-单片机稳压电源电路922-单片机稳压电源电路923-单片机及缓冲电路924-继电器输出及接口 925-旋变24V_to_5v电源电路926-过/欠流压保护927-旋变端子928-旋变调理电路929-8路数字隔离输入93-端子一 930-3路数字隔离输出931-外接信号端子932-2路CAN隔离及电源933-接口 24V_to_5v电源电路939-8路AD采集隔离及电源94-PT100隔离模块95-母线电压隔离模块951-网侧电压端子一 952-网侧电压端子二 953-电压调理电路96-开关电源一 99-电流检测端子。
【具体实施方式】
[0031]下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。
[0032]见图1-图6，一种电动汽车驱动，包括电机绕组控制开关S4、S5、S6、短接线、开绕组电动机、状态指令给定系统、储能系统、滤波电容、滤波电容控制开关S1、S2、S3、电驱动单元组成；
[0033]储能系统通过母线正、母线负与电驱动单元连接;电驱动单元通过u、v、w三根线缆与开绕组电动机连接；
[0034]开绕组电动机通过三根线缆经电机绕组控制开关S4、S5、S6再通过连接点PlO、P11、P12与电网上的三相线A、B、C连接；
[0035]母线正和母线负之间连接有滤波电容控制开关S1、S2、S3、滤波电容，滤波电容控制开关S1、S2、S3与滤波电容相连接；
[0036]在与电网连接的三相线A、B、C上连接有电压及电流传感器;储能系统为BMS电池管理系统;状态指令系统给定电驱动单元运行状态。
[0037]断开绕组电动机包括6段绕组LI?L6，其中绕组LI与L4、绕组L2与L5、绕组L4与L6分别组成断开绕组电动机的三相绕组，绕组LI的两段的连接点为Pl及P4，绕组L4的两段的连接点为P4及P7，绕组LI与绕组L4公共连接点为P4;绕组L2的两段的连接点为P2及P5，绕组L5的两段的连接点为P5及P8，绕组L2与绕组L5公共连接点为P5;绕组L3的两段的连接点为P3及P6，绕组L6的两段的连接点为P6及P9，绕组L3与绕组L6公共连接点为P6。
[0038]状态指令系统给定电驱动单元运行状态，运行状态分为电驱动状态、电能变换状态；当处于电驱动状态时，电驱动单元控制开绕组电动机运行，电机绕组控制开关S4、S5、S6将开绕组电动机的绕组切换至短接线上，同时滤波电容控制开关S1、S2、S3断开，使开绕组电动机连接点P4、P5、P6与滤波电容断开；当处于电能变换状态时，通过开绕组电动机的绕组与电网进行能量交换，电机绕组控制开关S4、S5、S6将开绕组电动机的绕组切换至电网上，断开与短接线的连接；同时，滤波电容控制开关S1、S2、S3接通开绕组电动机连接点P4、P5、P6与滤波电容之间的连接，使得滤波电容与开绕组电动机连接点P4、P5、P6连接。
[0039]其中，电压及电流传感器将电压及电流信号采集至电驱动单元，用于电能变换状态下的电压及电流采集。状态指令系统发送的信号为开关量信号。
[0040]电驱动单元包括三相桥式逆变电路、主控板、驱动板，主控板、驱动板、三相桥式逆变电路依次连接，主控板上设有模拟量/数字量输入接口和模拟量/数字量输出接口，主控板与电流传感器相连接，三相桥式逆变电路与开绕组电动机电流传感器相连接，储能系统与三相桥式逆变电路相连接。
[0041]电能变换控制方法，电驱动单元通过总线方式或数字量接口接收状态转换指令，电驱动单元上电默认状态为电驱动状态，此时，电机绕组控制开关与短接线相连，同时滤波电容通过滤波电容开关并联在母线正与母线负之间，开绕组电机处于星形接入状态；
[0042]电驱动单元通过位于主控板上的母线电压隔离模块95中的分压电阻检测母线电压，通过电流传感器监测三相电流，通过安装在电机转子轴上的旋变及旋变调理电路928监测电机转子位置;监测的三相电流、转子位置及母线电压解耦三相电流为直轴及交轴电流；
[0043]通过监测电机转子位置确定转矩，给定控制SVPffM空间矢量脉宽调制输出，通过三相桥式逆变电路使电机输出期望转矩，从而控制电动汽车运动，其中，电机输出的期望转矩是通过2路CAN隔离及电源932接收到的汽车油门指令或8路AD采集隔离及电源939采集油门指令；
[0044]当汽车处于停止状态时，电驱动单元允许切换至电能变换状态，此时电驱动单元同时监测位于电网侧的电压及电流传感器，检测连接点P10、P11、P12是否与电网连接，如果与电网三相线A、B、C连接则开始监测三相交流电电压；同时如果处于电能变换状态，切换电机绕组控制开关S4、S5、S6，使滤波电容接入到开绕组电动机连接点P4、P5、P6上，由电机绕组与滤波电容组成LCL滤波电路，减少后续的并网谐波;于此同时进行SVPWM空间矢量脉宽调制输出，SVPffM空间矢量脉宽调制输出信号同时驱动三相逆变电路控制输出电压，当输出的电压相位、频率与电网电压、频率一致时，滤波电容控制开关S1、S2、S3闭合；
[0045]电驱动单元采用下垂控制方式，调节输出的有功及无功功率；当再次接收到电驱动状态指令时，减少有功功率及无功功率输出至零;切换电机绕组控制开关S4、S5、S6及滤波电容控制开关S1、S2、S3，重新进入电驱动状态。
[0046]图5是电驱动单元的电源及驱动板结构，端子二93接母线并通过母线电压隔离95及电压调理电路953转换电压后接入与单片机通信端口 911。端子一91接温度检测线并PT100隔离模块94、PT100隔离917及NTC隔离916模块经过电压调理电路953转换电压后接入与单片机通信端口911。端子二93接母线，开关电源一96及开关电源二912变换直流母线电源为各模块提供供电电压。电流检测端子99接电流传感器，通过电流检测调理电路910将电流信号转换为电压信号并接入与单片机通信端口 911。网侧电压端子一 951及网侧电压端子二952分别与位于网侧的电压及电流传感器22中的电压传感器及电驱动单元中的监测开绕组电动机三相线的电压及电流传感器中的电压传感器相连。监测电机端机，网侧端的电压。
[0047]图6为电驱动单元的主控板结构。主控板与电源及驱动板通过与单片机通信接口911连接，将电流及电压信号传给单片机及缓冲电路923，同时电流及电压信号还传输到过/欠流压保护926，并将保护量输入到单片机及缓冲电路923。主控板的外接信号端子与外部油门踏板、CAN总线通信、点火开关、指令开关等接口相连，通过8路AD采集隔离及电源939中的一路AD隔离变换信号监测油门踏板位置。通过2路CAN隔离及电源932中的一路CAN隔离电路与外部整车控制器通信，并将数据传给单片机及缓冲电路923。通过8路数字隔离输入929中的数字隔离模块采集点火开关、指令开关信号，并将输入量传给单片机及缓冲电路923。通过PT100隔离917旋变端子接安装在电机轴端的旋转变压器，通过旋变调理电路928解析电机转子位置，并将解析量传给单片机及缓冲电路923。单片机及缓冲电路923，将计算后的PffM信号通过与单片机通信端口 911传送到驱动及驱动接口端子92。驱动及驱动接口端子92与图4中的三相桥式逆变电路连接，并控制开绕组电机。
[0048]本发明公开了电动汽车电机、驱动器拓扑结构及利用电动汽车电机及驱动器实现电能变换的控制方法。使电动汽车可以利用驱动单元及电机实现电能的变换，由可控的电动汽车电机绕组连接及驱动器结构，实现电动汽车驱动模式与电能变换模式的切换。在电驱动状态下，由电池向电动机输出能量，给电动汽车提供动力。在能量交换状态下，利用电动机自身绕组及驱动器实现，电能的控制完成电网的电压支撑以及电池的充电。能够在不增加额外逆变器并保证电驱动系统正常工作的前提下，实现电动汽车的电池能量与电网能量的交换。对电网的电压支撑，及利用电动汽车组成微网，提供电力有重要意义。
【主权项】
1.一种电动汽车驱动，其特征在于，包括电机绕组控制开关S4、S5、S6、短接线、开绕组电动机、状态指令系统、储能系统、滤波电容、滤波电容控制开关S1、S2、S3、电驱动单元； 储能系统通过母线正、母线负与电驱动单元连接;电驱动单元通过U、v、w三根线缆与开绕组电动机连接； 开绕组电动机通过三根线缆经电机绕组控制开关S4、S5、S6再通过连接点P10、P11、P12与电网上的三相线A、B、C连接； 母线正和母线负之间连接有滤波电容控制开关S1、S2、S3、滤波电容，滤波电容控制开关S1、S2、S3与滤波电容相连接； 在与电网连接的三相线A、B、C上连接有电压及电流传感器;储能系统为BMS电池管理系统;状态指令系统给定电驱动单元运行状态。2.根据权利要求1所述的一种电动汽车驱动，其特征在于，所述的断开绕组电动机包括6段绕组LI?L6，其中绕组LI与L4、绕组L2与L5、绕组L4与L6分别组成断开绕组电动机的三相绕组，绕组LI的两段的连接点为Pl及P4，绕组L4的两段的连接点为P4及P7，绕组LI与绕组L4公共连接点为P4;绕组L2的两段的连接点为P2及P5，绕组L5的两段的连接点为P5及P8，绕组L2与绕组L5公共连接点为P5;绕组L3的两段的连接点为P3及P6，绕组L6的两段的连接点为P6及P9，绕组L3与绕组L6公共连接点为P6。3.根据权利要求1所述的一种电动汽车驱动，其特征在于，状态指令系统给定电驱动单元运行状态，运行状态分为电驱动状态、电能变换状态；当处于电驱动状态时，电驱动单元控制开绕组电动机运行，电机绕组控制开关S4、S5、S6将开绕组电动机的绕组切换至短接线上，同时滤波电容控制开关S1、S2、S3断开，使开绕组电动机连接点P4、P5、P6与滤波电容断开;当处于电能变换状态时，通过开绕组电动机的绕组与电网进行能量交换，电机绕组控制开关S4、S5、S6将开绕组电动机的绕组切换至电网上，断开与短接线的连接;同时，滤波电容控制开关S1、S2、S3接通开绕组电动机连接点P4、P5、P6与滤波电容之间的连接，使得滤波电容与开绕组电动机连接点P4、P5、P6连接。4.根据权利要求1所述的一种电动汽车驱动，其特征在于，所述的电压及电流传感器将电压及电流信号采集至电驱动单元，用于电能变换状态下的电压及电流采集。5.根据权利要求1所述的一种电动汽车驱动，其特征在于，所述的状态指令系统发送的信号为开关量信号。6.根据权利要求1所述的一种电动汽车驱动，其特征在于，电驱动单元包括三相桥式逆变电路、主控板、驱动板，主控板、驱动板、三相桥式逆变电路依次连接，主控板上设有模拟量/数字量输入接口和模拟量/数字量输出接口，主控板与电流传感器相连接，三相桥式逆变电路与开绕组电动机电流传感器相连接，储能系统与三相桥式逆变电路相连接。7.利用权利要求1-6任意一项所述的电动汽车驱动实现的电能变换控制方法，其特征在于，电驱动单元通过总线方式或数字量接口接收状态转换指令，电驱动单元上电默认状态为电驱动状态，此时，电机绕组控制开关与短接线相连，同时滤波电容通过滤波电容开关并联在母线正与母线负之间，开绕组电机处于星形接入状态； 电驱动单元检测母线电压，通过电流传感器监测三相电流，监测电机转子位置;监测的三相电流、转子位置及母线电压解耦三相电流为直轴及交轴电流； 通过监测电机转子位置确定转矩，给定控制SVPWM空间矢量脉宽调制输出，通过三相桥式逆变电路使电机输出期望转矩，从而控制电动汽车运动;所述的期望转矩通过车内CAN接口接收整车控制器转矩指令； 当汽车处于停止状态时，电驱动单元允许切换至电能变换状态，此时电驱动单元同时监测位于电网侧的电压及电流传感器，检测连接点P10、P11、P12是否与电网连接，如果与电网三相线A、B、C连接则开始监测三相交流电电压；同时如果处于电能变换状态，切换电机绕组控制开关S4、S5、S6，使滤波电容接入到开绕组电动机连接点P4、P5、P6上，由电机绕组与滤波电容组成LCL滤波电路，减少后续的并网谐波;于此同时进行SVPWM空间矢量脉宽调制输出，SVPWM空间矢量脉宽调制输出信号同时驱动三相逆变电路控制输出电压，当输出的电压相位、频率与电网电压、频率一致时，滤波电容控制开关S1、S2、S3闭合； 电驱动单元采用下垂控制方式，调节输出的有功及无功功率；当再次接收到电驱动状态指令时，减少有功功率及无功功率输出至零;切换电机绕组控制开关S4、S5、S6及滤波电容控制开关S1、S2、S3，重新进入电驱动状态。
【文档编号】H02P9/00GK105914767SQ201610445672
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】白殿春, 张晓 , 崔成吉, 康利, 刘宇锋, 赵国新, 张志锋, 沈繁桥
【申请人】杭州杰能动力有限公司沈阳分公司