专利名称：功率管缓冲电路低损耗的电动汽车牵引电机控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种在电动汽车上使用的直流牵引电机控制器，尤其是对电机控制器中驱动功率管缓冲电路和制动功率管缓冲电路进行了优化设计以降低缓冲电路中功率电阻热损耗的直流牵引电机控制器。
当今，许多电动汽车上采用直流牵引电机，专利号为ZL99107924.8的专利涉及到一种具有自动弱磁调速功能的电动汽车直流牵引电机控制器，该控制器控制永磁加增磁绕组复合励磁直流牵引电机，使由电机控制器和牵引电机构成的电机驱动系统能很好地满足电动汽车的驱动特性要求，但该电机控制器中用于驱动功率管和制动功率管尖峰电压吸收的缓冲电路中的功率电阻热损耗较大，在散热不好的情况下功率电阻容易出现过热损坏现象，使系统运行时可靠性不高。
本实用新型的目的就是要针对上述专利号为ZL99107924.8的专利所设涉及的电机控制器的不足，对电机控制器中驱动功率管尖峰电压吸收缓冲电路(以下简称驱动功率管缓冲电路)和制动功率管尖峰电压吸收缓冲电路(以下简称制动功率管缓冲电路)进行优化设计，克服这些缓冲电路中的功率电阻热损耗较大现象，以防止在散热不好的情况下功率电阻容易出现过热损坏现象，从而提高电机控制器和牵引电机构成的电机驱动系统运行的可靠性。
为达到上述目的，本实用新型所涉及的功率管缓冲电路低损耗的电动汽车牵引电机控制器(以下简称电机控制器)，由驱动功率管、制动功率管、电机电枢电流传感器、以单片机为核心的控制电路单元、驱动功率管的驱动电路单元、制动功率管的驱动电路单元、驱动功率管的温度传感器、制动功率管的温度传感器、增磁绕组旁路功率二极管、驱动功率管缓冲电路、制动功率管缓冲电路、稳压电容器、接触器、稳压电容器预充电电阻、接触器线圈驱动电路单元、接触器线圈吸收二极管、电源电流传感器和熔断器构成，其中驱动功率管包含一个绝缘栅双极晶体管(IGBT)和与之反并联的功率二极管，制动功率管也包含一个绝缘栅双极晶体管(IGBT)和与之反并联的功率二极管，本实用新型所涉及的电机控制器的电源为电动汽车动力电池组，本实用新型所涉及的电机控制器的控制对象是电动汽车上永磁与增磁绕组复合励磁的直流牵引电机，本实用新型所涉及的电机控制器的输入控制信号是电动汽车上加速踏板位移传感器输出电压信号和制动踏板位移传感器输出电压信号，动力电池组的正极通过电源开关接熔断器的一端，熔断器的另一端通过电源电流传感器连接到接触器主触点的一端，接触器主触点的另一端接到驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极，并与稳压电容器的正极相连接，驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发射极通过电机电枢电流传感器接牵引电机电枢的正极，制动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极接到驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发射极，制动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发射极与增磁绕组旁路功率二极管的阳极和电机增磁绕组的负极相连接，增磁绕组旁路功率二极管的阴极、电机增磁绕组的正极、稳压电容器的负极、电机电枢负极和动力电池组的负极相连接，稳压电容器预充电电阻与接触器主触点两端并联，接触器线圈的正极连接到接触器线圈吸收二极管的阴极，接触器线圈的负极连接到接触器线圈吸收二极管的阳极，驱动功率管缓冲电路由功率电阻、电容和二极管组成，其中二极管的阳极与功率电阻一端及电容一端相连接，电容另一端与驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极相连接，而二极管的阴极连接到驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发射极上，功率电阻的另一端连接到增磁绕组旁路功率二极管的阴极，制动功率管缓冲电路也由功率电阻、电容和二极管组成，其中二极管的阴极与功率电阻一端及电容一端相连接，电容另一端与制动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发射极相连接，而二极管的阳极连接到制动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极上，功率电阻的另一端连接到驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极上，以单片机为核心的控制电路单元接收电机电枢电流传感器输出信号、电源电流传感器输出信号、驱动功率管的温度传感器输出信号、制动功率管的温度传感器输出信号、电动汽车加速踏板传感器位移输出电压信号和电动汽车制动踏板传感器位移输出电压信号后，输出高电平信号或低电平信号经过驱动功率管的驱动电路单元后到驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的控制极，以控制驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的导通或关断，以单片机为核心的控制电路单元输出高电平信号或低电平信号经过制动功率管的驱动电路单元后到制动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的控制极，以控制制动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的导通或关断，以单片机为核心的控制电路单元输出高电平或低电平信号经过接触器线圈驱动电路单元后控制接触器的导通或关断，为了实现电动汽车的驱动运行，动力电池组电压通过电源开关、熔断器、电源电流传感器、接触器，经稳压电容器滤波后，由驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的斩波给电机提供电枢电压，从而产生电枢电流来驱动电动汽车，以单片机为核心的控制电路单元接收加速踏板传感器位移输出电压信号和电机电枢电流传感器的电枢驱动电流反馈信号，发出高频脉宽调制(PWM)控制信号，通过驱动功率管的驱动电路单元后到驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的控制极，控制驱动功率管中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)工作在脉宽调制(PWM)开关状态下工作，实现动力电池组电源电压到电机电枢电压的斩波控制，为了实现电动汽车的再生制动功能，制动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)与增磁绕组旁路功率二极管串联连接后，再与电机电枢并联连接，在制动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)导通时，处在发电制动状态下的电机发出的电枢电压通过该绝缘栅双极晶体管(IGBT)和增磁绕组旁路功率二极管形成回路，当该绝缘栅双极晶体管(IGBT)关断时，电机电枢两端产生泵升电压，给动力电池组充电，实现再生能量回收，以单片机为核心的控制电路单元接收制动踏板位移输出电压信号和电机电枢电流传感器反馈的电枢制动电流信号，发出制动脉宽调制(PWM)控制信号，该信号经过制动功率管的驱动电路单元后到制动功率管中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)控制极，控制该绝缘栅双极晶体管(IGBT)处在高频脉宽调制(PWM)开关状态下工作，实现电动汽车的再生制动功能，由于驱动功率管缓冲电路中的功率电阻、电容和二极管或制动功率管缓冲电路中的功率电阻、电容和二极管采用了如上的连接方式，既驱动功率管缓冲电路中的功率电阻不是象现有技术中那样连接到驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发射极上，而是连接到增磁绕组旁路功率二极管的阴极上，制动功率管缓冲电路中的功率电阻也不是象现有技术中那样连接到制动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极上，而是连接到驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极上，并且驱动功率管缓冲电路或制动功率管缓冲电路中的二极管采用快恢二极管、电容采用高频无感电容，使得驱动功率管缓冲电路或制动功率管缓冲电路不仅能起到很好的尖峰电压吸收效果来保护驱动功率管和制动功率管，而且其中的功率电阻损耗小、发热小，使得功率电阻不容易由于发热而损坏，从而提高了电机控制器和牵引电机构成的电机驱动系统运行的可靠性。
由于采用了上述技术方案，本实用新型所涉及的电机控制器，驱动功率管缓冲电路中的功率电阻、电容和二极管或制动功率管缓冲电路中的功率电阻、电容和二极管采用了如上的连接方式，既驱动功率管缓冲电路中的功率电阻不是象现有技术中那样连接到驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发射极上，而是连接到增磁绕组旁路功率二极管的阴极上，制动功率管缓冲电路中的功率电阻也不是象现有技术中那样连接到制动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极上，而是连接到驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极上，且驱动功率管缓冲电路或制动功率管缓冲电路中的二极管采用快恢二极管、电容采用高频无感电容，使得驱动功率管缓冲电路或制动功率管缓冲电路不仅能起到很好的尖峰电压吸收效果以保护驱动功率管和制动功率管，而且其中的功率电阻损耗小、发热小，使得功率电阻不容易由于发热而损坏，从而提高了电机控制器和牵引电机构成的电机驱动系统运行的可靠性。
以下结合附图，对本实用新型做进一步说明
图1为本实用新型的电路原理示意图。
图1中BATT表示电动汽车动力电池组，为本实用新型所涉及的电机控制器提供电源，A为永磁与增磁绕组复合励磁直流牵引电机的电枢，L1为该电机的增磁绕组，用励磁绕组L2示意该电机的永磁部分。
图1中U1为驱动功率管，功率管中包括有绝缘栅双极晶体管(IGBT)和与之反并联的功率二极管，U2为制动功率管，功率管中包括有绝缘栅双极晶体管(IGBT)和与之反并联的功率二极管，K1为电源开关，F1为熔断器，U0为电源电流传感器，它能检测电源电流的大小和方向，用于U1和U2的过流保护，K2为接触器，C1为稳压电容器，R0为稳压电容器预充电电阻，当K1闭合而K2的主触点接通前，电池组通过R0给C1预充电，在电机控制器控制牵引电机驱动工作时，U1中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)工作在高频开关状态下，由控制它的导通角大小，来控制给电机电枢电压的平均值，C2、R1和D1构成U1的缓冲电路。U2中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)在电机驱动工作时关断，在电机再生制动时，它处在高频开关状态下，控制它的导通角大小，可控制再生制动电流的大小，再生制动时，U1中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)处在关断状态。D2、R2和C3构成U2的缓冲电路。
图1中的U3为电机增磁绕组旁路功率二极管，C4、R3和D3构成U3的缓冲电路。U4为电机电枢电流传感器，它能检测电机电枢电流的大小和方向。T1和T2分别是驱动功率管的温度传感器和制动功率管的温度传感器，T1和T2分别装在U1和U2下面的散热器上，用于U1和U2的过热保护，以上这些部件构成本实用新型的主电路部分。
图1中的CONTRL是以单片机为核心的控制电路单元、DRIVE1为驱动功率管的驱动电路单元、DRIVE2是制动功率管的驱动电路单元，DRIVE0是接触器线圈驱动电路单元，CONTRL、DRIVE1、DRIVE2和DRIVE0已由北京理工大学电动汽车技术中心做成了标准控制单元电路，它们构成本实用新型的信号控制部分，DRIVE1接收CONTRL发出的高电平或低电平信号后，输出到U1中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的控制极，以控制该绝缘栅双极晶体管(IGBT)的导通或关断，DRIVE2接收CONTRL发出的高电平或低电平信号，输出到U2中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的控制极，以控制该绝缘栅双极晶体管(IGBT)的导通或关断，DRIVE0接收CONTRL发出的高电平或低电平信号，驱动接触器K2的线圈，以控制K2主触点的关闭。CONTRL接收U4的电流反馈信号，根据
图1中的电动汽车加速踏板位移输出电压信号ACCE或制动踏板位移输出电压信号BRAKE来控制电机电枢的驱动电流或再生制动电流。电机驱动运行时，U2中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)一直关断，电源开关K1合上后，踩电动汽车加速踏板给CONTRL提供加速踏板位移输出电压信号ACCE后，CONTRL给出控制信号S1，控制接触器K2闭合，接通动力电池组BATT电源，CONTRL发出高频脉冲信号S3，通过DRIVE1驱动，控制U1中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)处在高频开关状态，导通角根据U4的电流反馈信号S4自动调节，驱动电流由电池组BATT的正极通过K1、F1、U0、K2、U1中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)、U4到电机电枢的正极，再由电机电枢的负极流出到BATT的负极，在U1中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)处在开关状态的关断过程中，电机电枢电流经过由增磁绕组L1和U2中的反并联二极管构成的续流回路，续流过程中，增磁绕组的电流产生的磁场与永磁磁场相一致，即增磁。再生制动时，电机处在发电制动运行状态下，在制动过程中U1中绝缘栅双极晶体管(IGBT)一直关断，电源开关K1合上后，踩电动汽车制动踏板给CONTRL提供制动踏板位移输出电压信号BRAKE后，CONTRL控制K2闭合，CONTRL发出高频脉冲信号S6，通过DRIVE2驱动，控制U2中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)处在高频开关状态，导通角根据U4的电流反馈信号S4自动调节，导通角大小的调节原则是确保电机电枢制动电流的大小与BRAKE信号大小相对应，实现制动力矩可控功能，在U2中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)处在开关状态的导通过程中，制动电流由电机电枢A的正极流出，经过U4、U2中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)、U3再流向A的负极，由于U3的旁路作用，L1中没有电流通过，电机的励磁磁场是永磁励磁部分提供的稳定磁场。在U2中绝缘栅双极晶体管(IGBT)处在开关状态的关断过程中，制动电流由A的正极流出，经过U4，再经过与U1中的反并联二极管后，通过K2、U0、F1和K1给电池组BATT充电，实现再生制动能量回收。C2、R1和D1构成U1的缓冲电路，C2为高频无感电容，R1为功率电阻，D1为快恢二极管，C2的一端接到U1中IGBT的集电极上，C2的另一端与D1的阳极和R1的一端相连接，D1的阴极和U1中IGBT的发射极连接，R1的另一端连接到U3的阴极上，这样连接构成的U1的缓冲电路不仅能很好地起到尖峰电压吸收作用，而且R1的损耗小、发热少，使R1不容易由于过热而损坏，从而提高了电机控制器和牵引电机构成的电机驱动系统运行的可靠性。同样，C3、R2和D2构成U2的缓冲电路，C3为高频无感电容，R2为功率电阻，D2为快恢二极管，C3的一端接到U2中IGBT的发射极上，C3的另一端与D2的阴极和R2的一端相连接，D2的阳极和U2中IGBT的集电极连接，R2的另一端连接到U1中IGBT的集电极上，这样连接构成的U2的缓冲电路不仅能很好地起到尖峰电压吸收作用，而且R2的损耗小、发热少，使R1不容易由于过热而损坏，从而提高了电机控制器和牵引电机构成的电机驱动系统运行的可靠性。CONTRL采集由T1和T2给出的温度信号S2和S5，当S2或S5为过温信号时，CONTRL封锁信号S3和S6，使得U1和U2中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)都截止，实现U1和U2的过热保护。CONTRL采集由U0和U4给出的电流信号S0和S4，当S0或S4达到过流信号值，CONTRL封锁信号S3和S6，使得U1和U2中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)都截止，实现U1和U2的过流保护。
实施例1
图1所示的电路中，动力电池组BATT由4组并联而成，每组由30块12V/85Ah的密封蓄电池串联而成，K1选用400A/1000V的大闸开关，K2选用400A/1000V的直流接触器(线圈电压24VDC)，R0选用2个4K/50W的电阻并联而成，C1选用2000uF/1000V的电容器，U1和U2选用800A/1200V的IGBT模块，C2或C3或C4选用2uF/1200VDC的高频无感电容，R1或R2或R3选用4个100/50W的功率电阻并联而成，D1或D2或D3选用4个30A/1200V的快恢二极管并联，U3选用500A/2000V的快恢二极管模块，U0和U4选用把400A变100mA的霍尔电流传感器，电机的额定功率为75KW，峰值电压125KW，额定电压350V，额定效率92％，额定转速2200r/min，电机采用永磁加增磁绕组的复合励磁方法，增磁绕组施加电机额定电流时，产生的增磁磁场为永磁磁场的0.8倍，D0选用3A/100V的二极管，CONTRL、DRIVE0、DRIVE1和DRIVE2采用北京理工大学电动汽车技术中心的标准控制单元电路，CONTRL的电源为24VDC，T1和T2为95℃动作的触点传感器。所构成的驱动控制器驱动10米长的电动大客车，该车的时速大于50km/h，爬坡度大于13％，加速性能好，整车在进行二个多月的夏季可靠性运行过程中没有出现电机控制器中驱动功率管缓冲电路和制动功率管缓冲电路中的功率电阻过热损坏现象，电机控制器一直工作正常。
权利要求1.功率管缓冲电路低损耗的电动汽车牵引电机控制器(以下简称电机控制器)，由驱动功率管、制动功率管、电机电枢电流传感器、以单片机为核心的控制电路单元、驱动功率管的驱动电路单元、制动功率管的驱动电路单元、驱动功率管的温度传感器、制动功率管的温度传感器、增磁绕组旁路功率二极管、驱动功率管缓冲电路、制动功率管缓冲电路、稳压电容器、接触器、稳压电容器预充电电阻、接触器线圈驱动电路单元、接触器线圈吸收二极管、电源电流传感器和熔断器构成，其中驱动功率管包含一个绝缘栅双极晶体管(IGBT)和与之反并联的功率二极管，制动功率管也包含一个绝缘栅双极晶体管(IGBT)和与之反并联的功率二极管，熔断器的另一端通过电源电流传感器连接到接触器主触点的一端，接触器主触点的另一端接到驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极，并与稳压电容器的正极相连接，驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发射极通过电机电枢电流传感器接牵引电机电枢的正极，制动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极接到驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发射极，制动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发射极与增磁绕组旁路功率二极管的阳极和电机增磁绕组的负极相连接，增磁绕组旁路功率二极管的阴极、电机增磁绕组的正极、稳压电容器的负极、电机电枢负极和动力电池组的负极相连接，稳压电容器预充电电阻与接触器主触点两端并联，接触器线圈的正极连接到接触器线圈吸收二极管的阴极，接触器线圈的负极连接到接触器线圈吸收二极管的阳极，驱动功率管缓冲电路由功率电阻、电容和二极管组成，其中二极管的阳极与功率电阻一端及电容一端相连接，电容另一端与驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极相连接，而二极管的阴极连接到驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发射极上，功率电阻的另一端连接到增磁绕组旁路功率二极管的阴极，制动功率管缓冲电路也由功率电阻、电容和二极管组成，其中二极管的阴极与功率电阻一端及电容一端相连接，电容另一端与制动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发射极相连接，而二极管的阳极连接到制动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极上，功率电阻的另一端连接到驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极上，根据上述功率管缓冲电路低损耗的电动汽车牵引电机控制器，其特征在于驱动功率管缓冲电路中二极管的阳极与功率电阻一端及电容一端相连接，电容另一端与驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极相连接，二极管的阴极连接到驱动功率管中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发射极上，功率电阻的另一端连接到增磁绕组旁路功率二极管的阴极上。
2.根据权利要求1所述的功率管缓冲电路低损耗的电动汽车牵引电机控制器，其特征在于驱动功率管缓冲电路中的二极管采用快恢二极管、电容采用高频无感电容。
专利摘要该实用新型涉及的电机控制器用于电动汽车牵引直流电机的调速控制，电机控制器所控制的电机应为永磁加增磁绕组复合励磁直流电机，电机控制器中驱动功率管缓冲电路和制动功率管缓冲电路采用了优化设计，从而降低了缓冲电路的热损耗，提高了电机控制器的效率和可靠性，电机控制器的电源变换电路和控制电路集成在同一个控制箱内，控制箱为长方体结构。
文档编号B60L15/28GK2589256SQ02257239
公开日2003年12月3日 申请日期2002年10月8日 优先权日2002年10月8日
发明者张承宁, 孙逢春 申请人:北京理工大学