专利名称：一种电动汽车电机驱动与能量回馈双向电源的制作方法
技术领域：
本发明是一种电动汽车电机驱动与能量回馈双向电源，属于电动汽车电机驱动与能量回馈双向电源的创新技术。
背景技术：
目前，电动汽车领域，电机驱动方式采用电池给电机驱动电路供电来驱动电机，由于电机工作的环境较为复杂其对供电要求根据路况不同而发生变化，速度变化范围宽，汽车在行驶过程中频繁地加速、减速，给直接使用电池给电机驱动电路供电的系统带来较多不稳定因素。具体来说，电池直接供电给电机驱动电路的形式主要存在以下几个方面的问题
(1)电机驱动电路稳定性问题，由于电池直接供电，电池的电压变化范围较大，给电机驱动电路的稳定性带来影响。(2)电机制动对电池的影响，在无制动单元或能量回馈单的情况下，电机制动时产生的能量反充到电池，最恶劣的情况下可能导致电池损坏。(3)另外增加制动单元以释放能量方式进行制动，能量无法回收，汽车续航力低， 此外需要考虑散热结构等问题。为此，现有技术中出现了电动汽车能量回馈的一些方式，以提高汽车的续航力，例如中国专利CN03108022. 7,200410070893. 3,200610157733. 1等都提及了电动汽车能量回馈技术方案，将汽车在减速或制动时产生的能量回馈给电池，但各自的系统结构与实现方式不同。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种提高了电源的电磁兼容特性及效率的电动汽车电机驱动与能量回馈双向电源。本发明设计合理，方便实用，该电源解决了电池直接带载的软特性的问题与电动汽车能量回馈问题。本发明的技术方案是本发明的电动汽车电机驱动与能量回馈双向电源，包括有能量变换直流部分及正向电机驱动与反向电机电能回收部分，其中能量变换直流部分包括有双向DC/DC变换器、双向DC/DC变换器数字控制系统、正向逆变与反向整流电路、电机驱动数字控制系统、双向DC/DC电路驱动保护电路、逆变电路驱动保护电路、电池电压检测电路、电池电流检测电路、母线电压检测电路、电机电流检测电路，其中电池电压检测电路、电池电流检测电路、母线电压检测电路、电机电流检测电路与双向DC/DC变换器数字控制系统连接，双向DC/DC变换器数字控制系统与双向DC/DC电路驱动保护电路连接，双向DC/ DC电路驱动保护电路的输出与双向DC/DC变换器连接；正向电机驱动与反向电机电能回收部分包括有电机驱动数字控制系统、逆变电路驱动保护电路、正向逆变与反向整流电路、直流母线超级电容，所述电机电流检测电路与电机驱动数字控制系统连接，电机驱动数字控制系统连接逆变电路驱动保护电路，逆变电路驱动保护电路的输出连接正向逆变与反向整流电路，双向DC/DC变换器、正向逆变与反向整流电路通过直流母线超级电容相连接，双向 DC/DC变换器数字控制系统与电机驱动数字控制系统相连接。
上述双向DC/DC变换器包括有耦合电感Ll L4、功率管VTl VT8、二极管Dl D8、电容Cl C8，正向逆变与反向整流电路包括有功率开关管VT9 VT14、二极管D9 D14，电池连接电感Li、L2、L3与L4左侧，功率管VTl VT8与反并联的二极管Dl D8、 Cl C8构成四相桥式的电路，四相电路中点分别连接电感的右侧b、c、bl、cl，上、下两端与连接直流母线超级电容C9、C10，功率开关管VT9 VT14分别构成三相桥式逆变电路，与其反并联的二极管相互连接构成三相桥式整流电路。上述双向DC/DC变换器中的采用的电感Li、L2、L3、L4为耦合电感，Ll与L2、L3 与L4分别绕在同一个EE磁芯的两边，从左往右看按顺时针方向绕线，电流由a流向b、c或电流由al流向bl、cl时，所产生的磁通方在磁芯中柱的方向一致，磁芯留有气隙，以确保电感工作时不进入饱和状态。上述双向DC/DC变换器采用双闭环控制方式，电流为内环，电压为外环。上述L1、L2、L3、L4中安装有用于采集四相电流的电流传感器，电流传感器的信号输出端通过采样调理电路将信号送至双向DC/DC变换器数字控制系统。上述双向DC/DC变换器采用同相互补、异相移相的控制方式。上述双向DC/DC变换器数字控制系统根据电池电流的大小调节双向DC/DC变换器的工作频率；在汽车以较低速度进行减速或制动时，能自动将母线电压调低。本发明与现有技术相比，具有如下优点
1)本发明将双向DC/DC变换器放在电池后端，使输出稳定，后级的电机驱动电路稳定性提高。2)本发明的双向DC/DC变换器采用四相桥式结构，结合控制方法，实现了软开关， 降低了电磁干扰，提高了效率；结合电感耦合技术，降低了电感与电容的体积要求；结合根据负载调节工作频率的多频控制方法，保证了不同功率等级下的高效率。3)本发明中由与逆变电路功率开关管反并联的二极管构成的整流电路直接将电机发出的电能整流送至直流母线，无需外加能量回馈单元，通过双向DC/DC变换器就可以实现汽车减速和制动过程中产生的能量高效回馈至电池。4)本发明在汽车在行驶速度较低时制动，可以自动将母线电压调低，提高了能量回馈的适用范围。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的电动汽车电机驱动与能量回馈双向电源。
图1是本发明的系统整体框图； 图2是本发明的主电路原理图3是本发明的耦合电感绕线结构图； 图4是本发明的双向DC/DC变换器控制核心电路原理图； 图5是本发明的开关器件驱动电路原理图6是本发明的双向DC/DC变换器控制流程图，其中图6 (a)所示为主程序控制流程图，图6 (b)所示为中断程序流程图。
具体实施例方式实施例
本发明的结构示意图如图1、2、3、4所示，本发明的电动汽车电机驱动与能量回馈双向电源，包括有能量变换直流部分及正向电机驱动与反向电机电能回收部分，其中能量变换直流部分包括有双向DC/DC变换器1、双向DC/DC变换器数字控制系统2、正向逆变与反向整流电路3、电机驱动数字控制系统4、双向DC/DC电路驱动保护电路5、逆变电路驱动保护电路6、电池电压检测电路7、电池电流检测电路8、母线电压检测电路9、电机电流检测电路 10，其中电池电压检测电路7、电池电流检测电路8、母线电压检测电路9、电机电流检测电路10与双向DC/DC变换器数字控制系统2连接，双向DC/DC变换器数字控制系统2与双向 DC/DC电路驱动保护电路5连接，双向DC/DC电路驱动保护电路5的输出与双向DC/DC变换器1连接；正向电机驱动与反向电机电能回收部分包括有电机驱动数字控制系统4、逆变电路驱动保护电路6、正向逆变与反向整流电路3、直流母线超级电容11，所述电机电流检测电路10与电机驱动数字控制系统4连接，电机驱动数字控制系统4连接逆变电路驱动保护电路6，逆变电路驱动保护电路6的输出连接正向逆变与反向整流电路3，双向DC/DC变换器1、正向逆变与反向整流电路3通过直流母线超级电容11相连接，双向DC/DC变换器数字控制系统2与电机驱动数字控制系统4相连接，构成电动汽车电机驱动与能量回馈双向电源。上述双向DC/DC变换器1包括有耦合电感Ll L4、功率开关管VTl VT8、二极管 Dl D8、电容Cl C8 ；正向逆变与反向整流电路3包括有功率开关管VT9 VT14、二极管 D9 D14 ；电池连接电感L1、L2、L3与L4左侧，功率管VTl VT8与反并联的二极管Dl D8、Cl C8构成四相桥式的电路，四相电路中点分别连接电感的右侧b、c、b 1、c 1，上、下两端与连接直流母线超级电容C9、C10，功率开关管VT9 VT14分别构成三相桥式逆变电路， 与其反并联的二极管相互连接构成三相桥式整流电路。上述双向DC/DC变换器1中的采用的电感Li、L2、L3、L4为耦合电感，Ll与L2、 L3与L4分别绕在同一个EE磁芯的两边，绕线方向如图中所示，保证电流由a (或al)流向 b、c (或bl、cl)时，所产生的磁通方在磁芯中柱的方向一致，磁芯留有气隙，以确保电感工作时不进入饱和状态。上述双向DC/DC变换器1采用双闭环控制方式，电流为内环，电压为外环，分别在 Li、L2、L3、L4中安装电流传感器用于采集四相的电流，通过采样调理电路将信号送至双向 DC/DC变换数字控制系统2参与控制量的运算，同时控制系统将根据总电流大小来调节驱动信号的频率，以改变双向DC/DC变换器1的工作频率，确保不同功率等级下高效工作，直流母线电压与电池电压经电阻分压后，通过线性光耦HCPL7840隔离将信号连接至电压信号调理电路，最终将信号送至双向DC/DC变换器数字控制系统2中。上述双向DC/DC变换器数字控制系统2核心采用TMS320F2809，4对互补控制信号PWMxA与PWMxB由TMS320F2809产生，四相的电流通过HALL电路传感器后经过调理电路后，生成电流的反馈信号1_1、1_2、1_3、1_4，经线性光耦HCPL7840后的电压反馈信号VPN、 Vb也连接至TMS320M809的数模转换接口 ADCINB0 ADCINB6。所述双向DC/DC变换器驱动保护电路5包括有驱动电路与保护电路，图4所示为驱动电路，包括有PC^9驱动芯片U1、U2，光耦U3、U4、R1 R26、Z1 Z4、Q1 Q4、Dl D4、Cl C6 ；同桥臂上下两个开关器件的控制信号QG1_IN与QG2_IN在送入驱动芯片U1、 U2输入侧时，连接成互锁电路以防止信号出错引起两个开关器件同时被触发。Ul、U2的输出后连接电阻R21、R22，并驱动由对管Ql、Q3与Q2、Q4构成的图腾柱，图腾柱中间通过电阻R23、RM连接至功率开关器件的门极。驱动电路的供电采用多路隔离输出的电源，分别输出 VCC1/VEE1、VCC2/VEE2、VCC3/VEE3、VCC4/VEE4、VCC5/VEE5，其中 VCC2/VEE2 同时供给四相的下桥臂开关器件驱动电路，其他输出分别供给各相的上桥臂驱动电路；驱动电路通过D3、Zl、D4、Z2、R2、R3、R19、R20组成的检测电路来检测开关器件的导通压降，D3、D4的 N结分别连接上、下桥臂功率开关器件的漏极，D3、D4的P结分别连接稳压管Zl、Z2上端， Z1、Z2下端分别连接由R2与R19、R3与R20组成的分压电路中点，并连接PC929的9脚，以此判断器件是否短路。光耦U3、U4的二极管分别与R5、R9组成短路信号隔离电路的输入部分，当功率器件短路时，导驱动芯片给出短路信号从而使光耦U3或U4的二极管导通，光耦 U3或U4的输出与Rl组成的检测电路中点F-IPMl产生负跳变，送入保护电路进行处理；如图5所示保护电路，包括有Rl R8、RlO R15、Cl C7、Dl、D2、Ul、U2、U3、Q10，短路信号F-IPMl F-IPM4送入由Rl R8、Cl C5、DU D2、U2组成的保护逻辑电路后，集中连接至与门U1B，并通过RlO R15、C6、C7、U1、U2、U3、Q1组成的逻辑电路与0C1、PWM EN、 DRIVE信号相与，最后与RESET相与后信号取反，生成驱动使能信号DRV EN，DRV EN连接至缓冲器ACT244的使能引脚。上述双向DC/DC变换器的四相桥式电路每两相通过耦合电感相互连接至电池。本实施例中，上述双向DC/DC变换器采用同相互补、异相移相的控制方式。上述双向DC/DC变换器数字控制系统根据电池电流的大小调节双向DC/DC变换器的工作频率；在汽车以较低速度进行减速或制动时，能自动将母线电压调低。图1所示的双向电源其对象分别是车载动力电池与永磁同步电机，电池电压小于直流母线电压，当由电池向永磁同步电机供电时，双向DC/DC变换器工作在升压模式，逆变电路处于工作状态；当永磁同步电机发电向电池供电时，双向DC/DC变换器工作在降压模式，整流电路处于工作工作状态。两种工作模式切换以汽车控制台的刹车信号作为依据。本发明的开关器件过流保护逻辑电路原理可采用现有技术。如图6所示为本发明的双向DC/DC变换器控制流程图，其中图6 (a)所示为主程序控制流程图，图6 (b)所示为中断程序流程图，为提高控制系统的实时性，对电压的采样由中断程序完成，该中断由定时器每20us触发一次，每采样6次更新一次占空比。采样次数由变量i计算，每6次对其进行清零处理，6六采样结果通过滤波后，将采样值返回至主程序。Flag是控制台发出的刹车信号，程序以此来决定双向DC/DC变换器的工作模式。
权利要求
1.一种电动汽车电机驱动与能量回馈双向电源，其特征在于包括有能量变换直流部分及正向电机驱动与反向电机电能回收部分，其中能量变换直流部分包括有双向DC/DC变换器(1)、双向DC/DC变换器数字控制系统(2)、正向逆变与反向整流电路(3)、电机驱动数字控制系统(4)、双向DC/DC电路驱动保护电路(5)、逆变电路驱动保护电路(6)、电池电压检测电路(7)、电池电流检测电路(8)、母线电压检测电路(9)、电机电流检测电路(10)，其中电池电压检测电路(7)、电池电流检测电路(8)、母线电压检测电路(9)、电机电流检测电路(10)与双向DC/DC变换器数字控制系统(2)连接，双向DC/DC变换器数字控制系统(2) 与双向DC/DC电路驱动保护电路(5)连接，双向DC/DC电路驱动保护电路(5)的输出与双向DC/DC变换器(1)连接；正向电机驱动与反向电机电能回收部分包括有电机驱动数字控制系统(4)、逆变电路驱动保护电路(6)、正向逆变与反向整流电路(3)、直流母线超级电容 (11)，所述电机电流检测电路(10)与电机驱动数字控制系统(4)连接，电机驱动数字控制系统(4)连接逆变电路驱动保护电路(6 )，逆变电路驱动保护电路(6 )的输出连接正向逆变与反向整流电路(3)，双向DC/DC变换器(1 )、正向逆变与反向整流电路(3)通过直流母线超级电容(11)相连接，双向DC/DC变换器数字控制系统(2 )与电机驱动数字控制系统(4 )相连接。
2.根据权利要求1所述的电动汽车电机驱动与能量回馈双向电源，其特征在于上述双向DC/DC变换器(1)包括有耦合电感Ll L4、功率管VTl VT8、二极管Dl D8、电容 Cl C8，正向逆变与反向整流电路(3))包括有功率开关管VT9 VT14、二极管D9 D14， 电池连接电感Li、L2、L3与L4左侧，功率管VTl VT8与反并联的二极管Dl D8、Cl C8构成四相桥式的电路，四相电路中点分别连接电感的右侧b、c、bl、cl，上、下两端与连接直流母线超级电容C9、C10，功率开关管VT9 VT14分别构成三相桥式逆变电路，与其反并联的二极管相互连接构成三相桥式整流电路。
3.根据权利要求2所述的电动汽车电机驱动与能量回馈双向电源，其特征在于上述双向DC/DC变换器(1)中的采用的电感L1、L2、L3、L4为耦合电感，Ll与L2、L3与L4分别绕在同一个EE磁芯的两边，从左往右看按顺时针方向绕线，电流由a流向b、c或电流由al流向bl、cl时，所产生的磁通方在磁芯中柱的方向一致，磁芯留有气隙，以确保电感工作时不进入饱和状态。
4.根据权利要求3所述的电动汽车电机驱动与能量回馈双向电源，其特征在于上述 Li、L2、L3、L4中安装有用于采集四相电流的电流传感器，电流传感器的信号输出端通过采样调理电路将信号送至双向DC/DC变换器数字控制系统(2)。
5.根据权利要求1至4任一项所述的电动汽车电机驱动与能量回馈双向电源，其特征在于上述双向DC/DC变换器(1)采用双闭环控制方式，电流为内环，电压为外环。
6.根据权利要求5所述的电动汽车电机驱动与能量回馈双向电源，其特征在于上述双向DC/DC变换器(1)采用同相互补、异相移相的控制方式。
7.根据权利要求6所述的电动汽车电机驱动与能量回馈双向电源，其特征在于上述双向DC/DC变换器数字控制系统(2 )根据电池电流的大小调节双向DC/DC变换器的工作频率； 在汽车以较低速度进行减速或制动时，能自动将母线电压调低。
全文摘要
本发明是一种电动汽车电机驱动与能量回馈双向电源。包括有能量变换直流部分及正向电机驱动与反向电机电能回收部分，能量变换直流部分包括有双向DC/DC变换器、双向DC/DC变换器数字控制系统、正向逆变与反向整流电路、电机驱动数字控制系统、双向DC/DC电路驱动保护电路、逆变电路驱动保护电路、电池电压检测电路、电池电流检测电路、母线电压检测电路、电机电流检测电路。电池接双向DC/DC变换器将电机驱动电路母线电压调节至稳定值，通过驱动电路驱动永磁同步电机运行以驱动汽车；制动时电机处于发电状态，电机驱动电路将能量送至母线，微控制器检测到刹车信号，驱动双向DC/DC变换器将能量反馈至电池。且本发明提高了电源的电磁兼容(EMC)特性及效率。
文档编号H02M3/315GK102390272SQ20111030971
公开日2012年3月28日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者刘方铭, 周映虹, 姚震, 李优新, 李志忠, 粱秀玲, 黄熙, 黎勉 申请人:广东工业大学