CN103269113B - 低压电动车驱动控制器及充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低压电动车驱动控制器，包括三相全桥逆变模块、数字信号处理单元、电网连接单元、电池连接单元及充电切换单元，其中：所述电网连接单元，用于单相电网；所述电池连接单元，用于连接电池；所述充电切换单元，用于产生充电指令；所述数字信号处理单元在接收到充电指令时通过控制第一桥臂、第二桥臂的功率单元将来自电网连接单元的交流电转换为直流电并通过控制第三桥臂的功率单元将直流电输出到电池连接单元。本发明还提供一种低压电动车充电方法。本发明以驱动控制器中的功率单元将外接交流电整流后为电池充电，可实现电池大电流快速充电，使充电时间大大缩短。

Description

低压电动车驱动控制器及充电方法

技术领域

本发明涉及低压电动车领域，更具体地说，涉及一种低压电动车驱动控制器及充电方法。

背景技术

低电压电动车包括电动自行车、电动摩托车、电动叉车等，其作为绿色朝阳产业，在中国发展非常迅猛。例如低电压电动车，由于其能耗只有摩托车的八分之一、小轿车的十二分之一，并且电动自行车占有的空间只有一般私家车的二十分之一，因此电动自行车是非常有效的节能交通工具。到2010年底，电动自行车已经达到1.2亿辆，而且以每年30％的速度增长。

目前国内的低压电动车主要采用外置式充电装置进行充电。现有的外置式充电装置一般选用反激式或者半桥式电源拓扑，由于该拓扑结构的变压器发热严重，功率受到一定限制，从而导致输出电流小，充电时间长，且充电效率低。同时该充电装置为恒压开环充电，安全性不高。上述问题大大地减缓了电动车的市场推广。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述低压电动车电池充电时间长、充电效率低的问题，提供一种低压电动车驱动控制器及充电方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种低压电动车驱动控制器，包括三相全桥逆变模块及数字信号处理单元，所述三相全桥逆变模块包括并联连接于正直流母线和负直流母线之间的第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂及第三桥臂分别包括两个串联的功率单元，所述驱动控制器还包括电网连接单元、电池连接单元及充电切换单元，其中：所述电网连接单元，用于将第一桥臂和第二桥臂的中点分别连接到单相电网的火线和零线；所述电池连接单元，用于将第三桥臂的中点连接到电池的正极并将负直流母线连接到电池的负极；所述充电切换单元，用于产生充电指令并将该充电指令发送到数字信号处理单元；所述数字信号处理单元在接收到充电指令时通过控制第一桥臂、第二桥臂的功率单元将来自电网连接单元的交流电转换为直流电并通过控制第三桥臂的功率单元将直流电输出到电池连接单元；

所述数字信号处理单元包括充电控制子单元，该充电控制子单元用于向第三桥臂的功率单元输出PWM波，将所述三相全桥逆变模块上的正直流母线和负直流母线的直流电输出到电池连接单元；

所述电池连接单元包括电压检测子单元、电流检测子单元、电感以及第一储能滤波电容，其中：所述电压检测子单元，用于检测充电电压并将充电电压的值传送到充电控制子单元；所述电流检测子单元，用于检测充电电流并将充电电流的值传送到充电控制子单元；所述电感连接在第三桥臂的中点与电池的正极之间；所述第一储能滤波电容的两端分别连接电池的正极和负极；所述充电控制子单元根据充电电压的值及充电电流的值调整输出的PWM波：在充电电流小于指定阈值时使第五功率单元导通并使第六功率单元关断，通过三相全桥逆变器的正直流母线和负直流母线为电池充电；在充电电流大于或等于指定阈值时使第五功率单元关断并使第六功率单元导通，通过电感为电池充电；

所述数字信号处理单元包括整流控制子单元，该整流控制子单元用于向第一桥臂和第二桥臂的功率单元输出PWM波，使所述第一桥臂和第二桥臂构成单相H桥整流电路。

在本发明所述的低压电动车驱动控制器中，所述数字信号处理单元还包括信息反馈子单元，该信息反馈子单元用于将充电信息发送到***设备显示。

在本发明所述的低压电动车驱动控制器中，所述三相全桥逆变模块的正直流母线和负直流母线之间连接有第二储能滤波电容。

本发明还提供一种低压电动车充电方法，所述低压电动车包括具有三相全桥逆变模块及数字信号处理单元的驱动控制器，所述三相全桥逆变模块包括并联连接于正直流母线和负直流母线之间的第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂及第三桥臂分别包括两个串联的功率单元，包括以下步骤：

(a)所述数字信号处理单元在接收到充电指令时，通过控制三相全桥逆变模块的第一桥臂和第二桥臂的功率单元将单相交流电转换为直流电，所述单相交流电的火线和零线分别连接到第一桥臂和第二桥臂的中点；

(b)所述数字信号处理单元通过控制三相全桥逆变器的第三桥臂使三相全桥逆变模块的正直流母线和负直流母线经由电池连接单元为电池充电，所述电池连接单元用于将第三桥臂的中点连接到电池的正极并将负直流母线连接到电池的负极；

所述步骤(b)中，数字信号处理单元向三相全桥逆变模块的第三桥臂的功率单元输出PWM波使三相全桥逆变模块的正直流母线和负直流母线为电池充电；

所述第三桥臂包括与正直流母线连接的第五功率单元及与负直流母线连接的第六功率单元，所述电池连接单元包括串接在第三桥臂的中点与电池正极之间的电感以及并接在电池的正极和负极的第一储能滤波电容，所述步骤(b)中包括：

(b1)采样获取电池的充电电流和充电电压；

(b2)数字信号处理单元根据采样获取的充电电压和充电电流调整输出PWM波，并在充电电流小于指定阈值时执行步骤(b3)，否则执行步骤(b4)；

(b3)使第五功率单元导通并使第六功率单元关断，通过三相全桥逆变器的正直流母线和负直流母线为电池充电；

(b4)使第五功率单元关断并使第六功率单元导通，通过电感为电池充电；

所述步骤(a)中，数字信号处理单元向三相全桥逆变模块的第一桥臂和第二桥臂的功率单元输出PWM波，使所述第一桥臂和第二桥臂以单相H桥整流方式将单相交流电转换为直流电。

本发明的低压电动车驱动控制器及充电方法，以驱动控制器中的功率单元将外接交流电整流后为电池充电，可实现电池大电流快速充电，使充电时间大大缩短。此外，本发明在驱动控制器中增加一个降压电路，配合软件精确控制充电过程，可实现对充电电流、电压的实时闭环控制，安全性大大提高。

并且，本发明集充电与驱动电机控制器功能于一体，资源利用率高，可降低产品成本。

附图说明

图1是本发明低压电动车驱动控制器实施例的示意图。

图2是图1中电网连接单元、三相全桥逆变模块及电池连接单元的具体实现的示意图。

图3是图1中数字信号处理单元的结构框图。

图4是本发明低压电动车充电方法实施例的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-3所示，是本发明低压电动车驱动控制器实施例的示意图。本实施例中的低压电动车驱动控制器包括电网连接单元11、三相全桥逆变模块12、数字信号处理单元14、电池连接单元13以及充电切换单元15，其中电网连接单元11和电池连接单元13分别连接到三相全桥逆变模块12上，充电切换单元15连接到数字信号处理单元14的输入端，数字信号处理单元14的输出端连接到三相全桥逆变模块12中的控制信号输入端。

上述三相全桥逆变模块12包括并联连接于正直流母线和负直流母线之间的第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂，其中第一桥臂由第一功率单元Q1和第二功率单元Q2串联构成，第二桥臂由第三功率单元Q3和第四功率单元Q4串联构成，第三桥臂第五功率单元Q5和第六功率单元Q6串联构成。具体地，上述功率单元Q1-Q6可以采用MOS管、IGBT等。

电网连接单元11用于连接交流电源，即充电电源(本实施例中为单相电网)。具体地，该电网连接单元11在低压电动车电池充电时，将三相全桥逆变模块12的第一桥臂的中点连接到单相电网的火线并将第二桥臂的中点连接到单相电网的零线。上述电网连接单元11可包括分别对火线和零线进行滤波的电感和电容。

电池连接单元13用于连接低压电动车的电池。具体地，该电池连接单元13将三相全桥逆变模块12的第三桥臂的中点连接到电池的正极并将负直流母线连接到电池的负极。

数字信号处理单元14的控制信号输出端连接到三相全桥逆变模块12的各个功率单元的控制端(例如IGBT的栅极)，并通过PWM波控制各个功率单元工作，实现逆变(例如电动车行驶时)或整流(例如电池充电时，此时需关断对电机的输出)功能。在充电时，数字信号处理单元14通过控制三相全桥逆变模块12的第一桥臂、第二桥臂的功率单元将来自电网连接单元11的交流电转换为直流电并通过控制第三桥臂的功率单元将直流电输出到电池连接单元13。

充电切换单元15用于产生充电指令并将该充电指令发送到数字信号处理单元14。在具体实现时，上述充电切换单元15可包括一个按钮，并在该按钮被按下时生成充电指令。

进一步地，上述充电切换单元15可集成到电网连接单元11，即电网连接单元11连接到数字信号处理单元14，并在电网连接单元11连接到单相电网时触发数字信号处理单元14进入充电模式。

在具体实现时，上述数字信号处理单元14可包括整流控制子单元141，该整流控制子单元141可结合运行在该数字信号处理单元14中的软件实现，其通过向第一桥臂和第二桥臂的功率单元(即第一功率单元Q1、第二功率单元Q2、第三功率单元Q3及第四功率单元Q4)输出PWM波，控制第一功率单元Q1、第二功率单元Q2、第三功率单元Q3及第四功率单元Q4的开通和关断，使三相全桥逆变模块12的第一桥臂和第二桥臂构成单相H桥整流电路，从而将来自电网连接单元11的单相交流电转换为直流电。

上述数字信号处理单元14还可包括充电控制子单元142，该充电控制子单元142可结合运行在该数字信号处理单元14中的软件实现，用于向第三桥臂的功率单元(即第五功率单元Q5和第六功率单元Q6)输出PWM波，从而将三相全桥逆变模块12上的正直流母线和负直流母线的直流电输出到电池连接单元13。例如控制第五功率单元Q5导通并控制第六功率单元Q6关断，从而使三相全桥逆变模块12的正直流母线和负直流母线(经由电池连接单元13)分别连接到电池的正、负两极，实现充电。

此外，为了实现对充电电流、充电电压的控制，在上述的低压电动车驱动控制器中，电池连接单元13可包括电压检测子单元、电流检测子单元、电感L以及第一滤波储能电容C1，其中电压检测子单元用于检测充电电压并将充电电压的值传送到数字信号处理单元的充电控制子单元；电流检测子单元用于检测充电电流并将充电电流的值传送到数字信号处理单元的充电控制子单元。电感L串接在连接三相全桥逆变模块12的第三桥臂的中点与电池的正极的导线上。第一滤波储能电容C1的两端分别连接在电池正极和负极两端，用于实现滤波和储能。具体地，上述电流检测子单元可采用分流器或霍尔传感器，而电压检测单元则可直接采用与电池并联的电阻。

在充电时，充电控制子单元142可根据充电电压的值及充电电流的值调整输出的PWM波，控制第五功率单元Q5和第六功率单元Q6的导通和关断，以调整电感L上的压降，从而调整充电电压和充电电流。具体地，充电控制子单元142可通过PWM波，在充电电流小于指定阈值时，使第五功率单元Q5导通并使第六功率单元Q6关断，从而通过三相全桥逆变模块12的正、负直流母线为电池充电；在充电电流大于或等于指定阈值时，使第五功率单元Q5关断并使第六功率单元Q6导通(此时第六功率单元Q6成为续流管)，从而通过电感L和第一滤波储能电容C1为电池充电。

上述低压电动车驱动控制器，通过硬件对充电电压和充电电流做实时采样，并与软件可靠配合，可实现充电电压和充电电流可调，避免了电池低电压时大电流充电可能引起的电池过热的风险，大大提高了充电***的安全性。

此外，上述数字信号处理单元14还可包括信息反馈子单元143，该信息反馈子单元143用于将充电信息(例如充电电压、充电电流、电池温度等信息)发送到***设备(例如仪表盘)显示，实现整车信息实时交互。

为了提高充电电流的质量，上述三相全桥逆变模块的正直流母线和负直流母线之间可连接第二滤波储能电容C2。

如图4所示，是本发明低压电动车充电方法实施例的流程图。上述低压电动车包括具有三相全桥逆变模块及数字信号处理单元的驱动控制器，其中三相全桥逆变模块包括并联连接于正直流母线和负直流母线之间的第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂，第一桥臂由第一功率单元Q1和第二功率单元Q2串联构成，第二桥臂由第三功率单元Q3和第四功率单元Q4串联构成，第三桥臂第五功率单元Q5和第六功率单元Q6串联构成，该方法包括以下步骤：

步骤S41：数字信号处理单元在接收到充电指令时，通过控制三相全桥逆变模块的第一桥臂和第二桥臂的功率单元将单相交流电转换为直流电，上述单相交流电的火线和零线分别连接到第一桥臂和第二桥臂的中点。在该步骤中，还可包括分别通过电感和电容为接入的单相交流电滤波。

步骤S42：数字信号处理单元通过控制三相全桥逆变器的第三桥臂使三相全桥逆变模块的正直流母线和负直流母线经由电池连接单元为电池充电，上述电池连接单元用于将电池的正极连接到第三桥臂的中点、负极连接到三相全桥逆变模块的负直流母线。

在上述步骤S41中，数字信号处理单元通过向三相全桥逆变模块的第一桥臂和第二桥臂的功率单元输出PWM波，使第一桥臂和第二桥臂的四个功率单元以单相H桥整流方式将单相交流电转换为直流电。而在上述步骤S42中，数字信号处理单元向三相全桥逆变模块的第三桥臂的功率单元输出PWM波使三相全桥逆变模块的正直流母线和负直流母线为电池充电。

进一步地，在上述步骤S41中，为了实现对充电电流、充电电压的闭环控制，可在第三桥臂的中点与电池正极之间增加一个电感并增加一个两端分别连接到电池正极和负极的第一滤波电容，并执行以下步骤：

采样获取电池的充电电流和充电电压；

数字信号处理单元根据采样获取的充电电压和充电电流调整输出PWM波，并在充电电流小于指定阈值时使第五功率单元导通并使第六功率单元关断，通过三相全桥逆变器的正直流母线和负直流母线为电池充电；在充电电流大于或等于指定阈值时使第五功率单元关断并使第六功率单元导通，通过电感和第一滤波电容为电池充电。

本发明利用电机驱动控制器中的功率单元进行充电，其充电电流大，在充电时间大幅降低的同时使充电效率大幅提高。本发明还通过软硬件的合理结合，实现充电电流、电压的实时闭环控制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种低压电动车驱动控制器，包括三相全桥逆变模块及数字信号处理单元，所述三相全桥逆变模块包括并联连接于正直流母线和负直流母线之间的第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂及第三桥臂分别包括两个串联的功率单元，其特征在于：所述驱动控制器还包括电网连接单元、电池连接单元及充电切换单元，其中：所述电网连接单元，用于将第一桥臂和第二桥臂的中点分别连接到单相电网的火线和零线；所述电池连接单元，用于将第三桥臂的中点连接到电池的正极并将负直流母线连接到电池的负极；所述充电切换单元，用于产生充电指令并将该充电指令发送到数字信号处理单元；所述数字信号处理单元在接收到充电指令时通过控制第一桥臂、第二桥臂的功率单元将来自电网连接单元的交流电转换为直流电并通过控制第三桥臂的功率单元将直流电输出到电池连接单元；

所述数字信号处理单元包括充电控制子单元，该充电控制子单元用于向第三桥臂的功率单元输出PWM波，将所述三相全桥逆变模块上的正直流母线和负直流母线的直流电输出到电池连接单元；

所述电池连接单元包括电压检测子单元、电流检测子单元、电感以及第一储能滤波电容，其中：所述电压检测子单元，用于检测充电电压并将充电电压的值传送到充电控制子单元；所述电流检测子单元，用于检测充电电流并将充电电流的值传送到充电控制子单元；所述电感连接在第三桥臂的中点与电池的正极之间；所述第一储能滤波电容的两端分别连接电池的正极和负极；所述充电控制子单元根据充电电压的值及充电电流的值调整输出的PWM波：在充电电流小于指定阈值时使第五功率单元导通并使第六功率单元关断，通过三相全桥逆变器的正直流母线和负直流母线为电池充电；在充电电流大于或等于指定阈值时使第五功率单元关断并使第六功率单元导通，通过电感为电池充电；

所述数字信号处理单元包括整流控制子单元，该整流控制子单元用于向第一桥臂和第二桥臂的功率单元输出PWM波，使所述第一桥臂和第二桥臂构成单相H桥整流电路。

2.根据权利要求1所述的低压电动车驱动控制器，其特征在于：所述数字信号处理单元还包括信息反馈子单元，该信息反馈子单元用于将充电信息发送到***设备显示。

3.根据权利要求1所述的低压电动车驱动控制器，其特征在于：所述三相全桥逆变模块的正直流母线和负直流母线之间连接有第二储能滤波电容。

4.一种低压电动车充电方法，所述低压电动车包括具有三相全桥逆变模块及数字信号处理单元的驱动控制器，所述三相全桥逆变模块包括并联连接于正直流母线和负直流母线之间的第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂及第三桥臂分别包括两个串联的功率单元，其特征在于：包括以下步骤：

(a)所述数字信号处理单元在接收到充电指令时，通过控制三相全桥逆变模块的第一桥臂和第二桥臂的功率单元将单相交流电转换为直流电，所述单相交流电的火线和零线分别连接到第一桥臂和第二桥臂的中点；

(b)所述数字信号处理单元通过控制三相全桥逆变器的第三桥臂使三相全桥逆变模块的正直流母线和负直流母线经由电池连接单元为电池充电，所述电池连接单元用于将第三桥臂的中点连接到电池的正极并将负直流母线连接到电池的负极；

所述步骤(b)中，数字信号处理单元向三相全桥逆变模块的第三桥臂的功率单元输出PWM波使三相全桥逆变模块的正直流母线和负直流母线为电池充电；

所述第三桥臂包括与正直流母线连接的第五功率单元及与负直流母线连接的第六功率单元，所述电池连接单元包括串接在第三桥臂的中点与电池正极之间的电感以及并接在电池的正极和负极的第一储能滤波电容，所述步骤(b)中包括：

(b1)采样获取电池的充电电流和充电电压；

(b2)数字信号处理单元根据采样获取的充电电压和充电电流调整输出PWM波，并在充电电流小于指定阈值时执行步骤(b3)，否则执行步骤(b4)；

(b3)使第五功率单元导通并使第六功率单元关断，通过三相全桥逆变器的正直流母线和负直流母线为电池充电；

(b4)使第五功率单元关断并使第六功率单元导通，通过电感为电池充电；

所述步骤(a)中，数字信号处理单元向三相全桥逆变模块的第一桥臂和第二桥臂的功率单元输出PWM波，使所述第一桥臂和第二桥臂以单相H桥整流方式将单相交流电转换为直流电。