CN108859705B - 一种新能源汽车集成电驱动*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新能源汽车集成电驱动***,包括低压电池、升压型全桥DC‑DC变换器、降压型DC‑DC变换器、高压直流母线、带中性点的三相交流电动机、电机驱动器、双向DC‑DC变换器、超级电容、变换器控制器1、变换器控制器2、变换器控制器3、驱动器控制器;所述的升压型全桥DC‑DC变换器分别与低压电池、高压直流母线连接;所述的降压型DC‑DC变换器分别与三相交流电动机的中性点、低压电池连接;所述的电机驱动器分别与高压直流母线、三相交流电动机连接;所述的超级电容通过双向DC‑DC变换器与高压直流母线连接。本发明的新能源汽车集成电驱动***减少了驱动***所用器件的数量、体积和重量,具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于新能源汽车的动力***领域,具体涉及一种新能源汽车集成电驱动***。
背景技术
随着人们越来越重视不可再生能源和环境污染问题,积极探索和研究绿色可再生能源以及新的汽车驱动方式,因而诞生了新能源汽车。纯电动汽车动力***方案中,一般是采用复合能源方式,即采用电池+超级电容方式给汽车电机***供电,驱动汽车在各种工况下行驶。一般来说,汽车存在一个最大稳态行驶功率,利用电池能量密度大、超级电容功率密度大的特性,若整车运行期间所需功率小于最大稳态行驶功率,则由电池持续提供电能;若汽车启动或产生较大的速度变化时,需要较大的功率,且一般会大于最大稳态行驶功率,其中超出的功率由超级电容提供,即超级电容用于弥补最大稳态功率以外的波动功率,起到对电池输出功率的“削峰”作用。除此之外,当汽车处于制动状态,此时电动机工作在发电模式,一方面,产生的电能给超级电容充电;另一方面,若再生能量不能被超级电容完全接收,则剩余部分电量则由电池吸收,起到对电池的“填谷”作用。若超级电容电量不足,欠缺部分由电池在低功率行驶时进行补充。
在以上所述的动力***方案中,电机及其驱动***、电池及其管理***是新能源汽车关键技术,是构成新能源汽车动力***的重要部件。在常规的动力***中,动力电池通过DC-DC变换器与电机驱动***连接,为电机提供电能;电池通过DC-DC变换器为汽车其他辅助部件提供低压等级的电源;超级电容通过DC-DC变换器与高压直流母线连接,由此知,DC-DC变换器是新能源汽车实现整车电能流动控制、提高整车动力性能的关键零部件。其中,为实现动力电池和电机驱动***的电能双向流动,连接部件DC-DC变换器需为双向变换器。独立设计、制作的双向DC-DC变换器及其控制器、电机驱动***及其控制器与电池、电机等部件进行适当连接,构成了常规的电驱动***。在该***中应用较多的功率开关管(IGBT)等器件,造成了***成本较高、体积和重量大,且消耗电能多,DC-DC变换器的效率降低。另外,若应用的功率开关管为高应力(如高电压、大电流)器件,要求的容量大,则***的整体成本较高。
发明内容
本发明旨在提供一种新能源汽车集成电驱动***,该新能源汽车集成电驱动***减少了驱动***所用器件的数量、体积和重量,降低了成本,具有很好的应用前景。
为达到上述目的,本发明的技术方案如下:
所述的新能源汽车集成电驱动***,包括低压电池、升压型全桥DC-DC变换器、降压型DC-DC变换器、高压直流母线、带中性点的三相交流电动机、电机驱动器、双向DC-DC变换器、超级电容、变换器控制器1、变换器控制器2、变换器控制器3、驱动器控制器;
所述的升压型全桥DC-DC变换器分别与低压电池、高压直流母线连接;所述的降压型DC-DC变换器分别与三相交流电动机的中性点、低压电池连接;所述的电机驱动器分别与高压直流母线、三相交流电动机连接;所述的超级电容通过双向DC-DC变换器与高压直流母线连接;
所述的变换器控制器1控制双向DC-DC变换器,所述的变换器控制器2控制升压型全桥DC-DC变换器,所述的变换器控制器3控制降压型DC-DC变换器,所述的驱动器控制器控制电机驱动器。
所述的升压全桥DC-DC变换器包括功率开关管D1、功率开关管D2、功率开关管D3、功率开关管D4;所述的功率开关管D1和功率开关管D2的集电极连接,作为端子O1;所述的功率开关管D3、功率开关管D4的发射极连接,作为端子O2;所述的功率开关管D3的集电极和功率开关管D1的发射极连接,作为端子S1;所述的功率开关管D4的集电极和功率开关管D2的发射极连接,作为端子S2;
所述的端子S1与低压电池LV的正极连接,所述的端子S2与低压电池LV的负极连接;所述的端子O1与高压直流母线的高电位线H连接;所述的端子O2与高压直流母线的低电位线L连接。
所述的变换器控制器2包括4个控制脉冲输出端,所述的功率开关管D1、功率开关管D2、功率开关管D3、功率开关管D4的基极g1、g2、g3、g4分别与这4个控制脉冲输出端连接,由变换器控制器2控制这4个功率开关管的开、关。
所述的降压型DC-DC变换器包括功率开关管D5、功率开关管D6、滤波电感器L1、滤波电感器L2、分压电容器C1、分压电容器C2、滤波电容器C3、滤波电容器C4、续流二极管d1、续流二极管d2;
所述的分压电容器C1和分压电容器C2串联后接到端子S3、S4;所述的功率开关管D5的集电极与端子S3连接,发射极与滤波电感器L1的一端连接,所述的滤波电感器L1的另一端与端子O3连接;所述的功率开关管D6的发射极与端子S4连接,集电极与滤波电感器L2的一端连接,所述的滤波电感器L2的另一端与端子O4连接;所述的续流二极管d1和续流二极管d2串联,续流二极管d1的负极与功率开关管D5的发射极连接,续流二极管d2的正极与功率开关管D6的集电极连接;所述的滤波电容器C3和电容器C4串联后接到端子O3、O4;所述的分压电容器C1和分压电容器C2的连接端、续流二极管d1和续流二极管d2的连接端、滤波电容器C3和滤波电容器C4的连接端接到一起;所述的端子S3与三相交流电动机的中性点O连接,所述的端子S4与低电位线L连接,所述的端子O3、O4分别与低压电池LV的正、负极连接。
所述的变换器控制器3包括两个控制脉冲输出端,所述的功率开关管D5和功率开关管D6的基极g5、g6分别连接至变换器控制器3的2个控制脉冲输出端,由变换器控制器3控制这2个功率开关管的开、关。
所述的电机驱动器包括功率开关管D7、功率开关管D8、功率开关管D9、功率开关管D10、功率开关管D11、功率开关管D12;
所述的功率开关管D7、功率开关管D8、功率开关管D9的集电极连接,作为端子S5,所述的端子S5与高电位线H连接;所述的、功率开关管D10、功率开关管D11、功率开关管D12的发射极连接,作为端子S6,所述的端子S6与低电位线L连接;
所述的功率开关管D10的集电极和功率开关管D7的发射极连接,作为端子O5;所述的功率开关管D11的集电极和功率开关管D8的发射极连接,作为端子O6;所述的功率开关管D12的集电极和功率开关管D9的发射极连接,作为端子O7;所述的端子O5、O6、O7分别与三相交流电机的3个绕组端连接。
所述的功率开关管D7、功率开关管D8、功率开关管D9共同组成电机驱动器的上桥臂功率管,功率开关管D10、功率开关管D11、功率开关管D12共同组成电机驱动器的下桥臂功率管。
所述的驱动器控制器包括6个控制脉冲输出端,所述的功率开关管D7、功率开关管D8、功率开关管D9、功率开关管D10、功率开关管D11、功率开关管D12的基极端g7、g8、g9、g10、g11、g12分别与这6个控制脉冲输出端连接,由驱动器控制器控制这6个功率开关管的开、关,从而控制三相交流电机的运行。
所述的双向DC-DC变换器包括滤波电感器L3、功率开关管D17、功率开关管D18;所述的功率开关管D18的集电极与端子S9连接,所述的端子S9与高压直流母线的高电位线H连接;所述的端子S10和端子O11连接,所述的功率开关管D17的发射极分别与端子S10和端子O11连接,所述的端子S10与高压直流母线的低电位线L连接,所述的端子O11与超级电容的正极连接;所述的功率开关管D17的集电极和功率开关管D18的发射极连接,所述的滤波电感器L3的一端分别与功率开关管D17的集电极和功率开关管D18的发射极连接,另一端与端子O10连接,所述的端子O10与超级电容的负极连接。
所述的变换器控制器1包括2个控制脉冲输出端,分别与功率开关管D17、功率开关管D18的基极端g17、g18连接。
本发明采用了独特布局的集成电驱动***,无需使用隔离变压器,并且能够至少减少2个功率开关管,其重量和体积都获得减少,有效降低了新能源汽车电驱动***的成本;并且降低能耗,配合更轻的重量和体积,有效提高了新能源汽车的续航能力。
本发明优选方案采用了独特结构布局的降压型DC-DC变换器,所用器件的电压等级和功率容量要求降低,进一步降低了成本和能耗,具有很好的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例提供的新能源汽车集成电驱动***结构示意图;
图2是本发明实施例提供的升压全桥DC-DC变换器电路示意图;
图3是本发明实施例提供的降压型DC-DC变换器电路示意图;
图4是本发明实施例提供的电机驱动器电路示意图;
图5是本发明实施例提供的双向DC-DC变换器电路示意图;
图6是电机驱动器与三相交流电动机连接的电路示意图;
图7是一种常规的新能源汽车电驱动***结构示意图;
图8是一种常规的新能源汽车电驱动***中降压全桥DC-DC变换器电路示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1-6所示,所述的新能源汽车集成电驱动***,包括低压电池、升压型全桥DC-DC变换器、降压型DC-DC变换器、高压直流母线、带中性点的三相交流电动机、电机驱动器、双向DC-DC变换器、超级电容、变换器控制器1、变换器控制器2、变换器控制器3、驱动器控制器;
所述的升压型全桥DC-DC变换器分别与低压电池、高压直流母线连接;所述的降压型DC-DC变换器分别与三相交流电动机的中性点、低压电池连接;所述的电机驱动器分别与高压直流母线、三相交流电动机连接;所述的超级电容通过双向DC-DC变换器与高压直流母线连接;
所述的变换器控制器1控制双向DC-DC变换器,所述的变换器控制器2控制升压型全桥DC-DC变换器,所述的变换器控制器3控制降压型DC-DC变换器,所述的驱动器控制器控制电机驱动器。
所述的升压全桥DC-DC变换器包括功率开关管D1、功率开关管D2、功率开关管D3、功率开关管D4;所述的功率开关管D1和功率开关管D2的集电极连接,作为端子O1;所述的功率开关管D3、功率开关管D4的发射极连接,作为端子O2;所述的功率开关管D3的集电极和功率开关管D1的发射极连接,作为端子S1;所述的功率开关管D4的集电极和功率开关管D2的发射极连接,作为端子S2;
所述的端子S1与低压电池LV的正极连接,所述的端子S2与低压电池LV的负极连接;所述的端子O1与高压直流母线的高电位线H连接;所述的端子O2与高压直流母线的低电位线L连接。
所述的变换器控制器2包括4个控制脉冲输出端,所述的功率开关管D1、功率开关管D2、功率开关管D3、功率开关管D4的基极g1、g2、g3、g4分别与这4个控制脉冲输出端连接,由变换器控制器2控制这4个功率开关管的开、关。
所述的降压型DC-DC变换器包括功率开关管D5、功率开关管D6、滤波电感器L1、滤波电感器L2、分压电容器C1、分压电容器C2、滤波电容器C3、滤波电容器C4、续流二极管d1、续流二极管d2;
所述的分压电容器C1和分压电容器C2串联后接到端子S3、S4;所述的功率开关管D5的集电极与端子S3连接,发射极与滤波电感器L1的一端连接,所述的滤波电感器L1的另一端与端子O3连接;所述的功率开关管D6的发射极与端子S4连接,集电极与滤波电感器L2的一端连接,所述的滤波电感器L2的另一端与端子O4连接;所述的续流二极管d1和续流二极管d2串联,续流二极管d1的负极与功率开关管D5的发射极连接,续流二极管d2的正极与功率开关管D6的集电极连接;所述的滤波电容器C3和电容器C4串联后接到端子O3、O4;所述的分压电容器C1和分压电容器C2的连接端、续流二极管d1和续流二极管d2的连接端、滤波电容器C3和滤波电容器C4的连接端接到一起;所述的端子S3与三相交流电动机的中性点O连接,所述的端子S4与低电位线L连接,所述的端子O3、O4分别与低压电池LV的正、负极连接。
所述的变换器控制器3包括两个控制脉冲输出端,所述的功率开关管D5和功率开关管D6的基极g5、g6分别连接至变换器控制器3的2个控制脉冲输出端,由变换器控制器3控制这2个功率开关管的开、关。
所述的电机驱动器包括功率开关管D7、功率开关管D8、功率开关管D9、功率开关管D10、功率开关管D11、功率开关管D12;
所述的功率开关管D7、功率开关管D8、功率开关管D9的集电极连接,作为端子S5,所述的端子S5与高电位线H连接;所述的、功率开关管D10、功率开关管D11、功率开关管D12的发射极连接,作为端子S6,所述的端子S6与低电位线L连接;
所述的功率开关管D10的集电极和功率开关管D7的发射极连接,作为端子O5;所述的功率开关管D11的集电极和功率开关管D8的发射极连接,作为端子O6;所述的功率开关管D12的集电极和功率开关管D9的发射极连接,作为端子O7;所述的端子O5、O6、O7分别与三相交流电机的3个绕组端连接。
所述的功率开关管D7、功率开关管D8、功率开关管D9共同组成电机驱动器的上桥臂功率管,功率开关管D10、功率开关管D11、功率开关管D12共同组成电机驱动器的下桥臂功率管。
所述的新能源汽车集成电驱动***,还包括驱动器控制器,所述的驱动器控制器包括6个控制脉冲输出端,所述的功率开关管D7、功率开关管D8、功率开关管D9、功率开关管D10、功率开关管D11、功率开关管D12的基极端g7、g8、g9、g10、g11、g12分别与这6个控制脉冲输出端连接,由驱动器控制器控制这6个功率开关管的开、关,从而控制三相交流电机的运行。
所述的双向DC-DC变换器包括滤波电感器L3、功率开关管D17、功率开关管D18;所述的功率开关管D18的集电极与端子S9连接,所述的端子S9与高压直流母线的高电位线H连接;所述的端子S10和端子O11连接,所述的功率开关管D17的发射极分别与端子S10和端子O11连接,所述的端子S10与高压直流母线的低电位线L连接,所述的端子O11与超级电容的正极连接;所述的功率开关管D17的集电极和功率开关管D18的发射极连接,所述的滤波电感器L3的一端分别与功率开关管D17的集电极和功率开关管D18的发射极连接,另一端与端子O10连接,所述的端子O10与超级电容的负极连接。
所述的变换器控制器1包括2个控制脉冲输出端,分别与功率开关管D17、功率开关管D18的基极端g17、g18连接。
对比例1
为了进一步说明本发明,给出了一种现有技术记载的常规新能源汽车电驱动***,见图7,包括低压电池、高压直流母线、隔离式全桥双向DC-DC变换器、变换器控制器、三相交流电动机、电机驱动器、驱动器控制器、超级电容、双向DC-DC变换器、变换器控制器1。所述的隔离式全桥双向DC-DC变换器包括降压全桥DC-DC变换器、隔离变压器、升压全桥DC-DC变换器,能够实现电能的双向流动,即低压电源LV经该变换器升压后向三相交流电动机供电;当电动机制动时可将多余的电能经变换器流向低压电池LV,进行能量的存储。其降压全桥DC-DC变换器由图8示出,由功率开关管D13、D14、D15、D16连接而成,其端子S7、S8分别低压电池的正、负极连接;端子O8、O9与隔离变压器低压侧的同名端、异名端连接,4个功率开关管的基极端g13、g14、g15、g16分别连接至变换器控制器的4个控制脉冲输出端,由变换器控制器控制这4个功率开关管的开、关。升压全桥DC-DC变换器由图3示出,其端子S1、S2分别与隔离变压器高压侧的同名端、异名端连接,端子O1、O2分别与高压直流母线的高电位线H、低电位线L连接。双向DC-DC变换器由图5示出,与变换器控制器1、超级电容、高低电位线的连接关系与本发明实施例相同。
本发明实施例1与图7所示的对比例1***相比较,主要不同:去掉了隔离变压器;不同拓扑结构的降压型DC-DC变换器取代了降压全桥DC-DC变换器,且其端子S3连接至三相交流电动机绕组的中性点O。
进一步地分析,本发明实施例1与对比例1***在电能双向流动方面具有等效的作用。为此,运用图6电机驱动器与三相交流电动机电路进行分析和说明。已知三相交流电动机的方程为:
式中,θ、Ma、la、R、Φ、I分别为转子角、主磁通自感、漏磁通自感、电阻、磁通量和单位矩阵。vu、vv、vw、iu、iv、iw分别为交流电动机三相u、v、w的电压和电流。
考虑中性点O所具有的低电压和逆变器的操作,电动机的三相电压方程为:
将式(1)、式(2)进行d-q坐标轴转换,得到
式中,i0为零序电流分量。
式(3)反应了电机的运动特性,主要是电机转矩的控制;而式(4)则反应了高压直流电压Uh、低压直流电压Ul、零序电流i0之间的关系,本质上就是控制了两个直流电压之间的变换以及电能的流动,完全是DC-DC变换器的功能。显然利用电机的中性点和零序电压(零序电流)后,电机本身及其驱动器也起到DC-DC变换器的作用。若高压直流电压Uh由低压电池LV经升压型DC-DC变换器升压后提供,作为三相交流电动机的电力电源,电能由低压电池向三相交流电动机流动;低压直流电压Ul接降压型DC-DC变换器,其输出接低压电池LV,则当三相交流电动机制动时产生的多余电能由该电动机向低压电池流动。可见,在电能的双向流动方面,实施例1通过利用电机的中性点和零序电压,电机本身及其驱动器也起到DC-DC变换器的作用,达到了一致的技术效果。
本发明实施例1相对于对比例,还进一步对降压型DC-DC变换器的电路拓扑进行设计和优化,最终实现了功率开关管的数量减少,并且其器件的电压等级和功率容量要求变低,降压型DC-DC变换器的总体成本和体积都减少,器件功耗降低,使得整个***的变换效率大为提高,并且通过降低能耗和减重,进一步提升了新能源汽车的续航能力。
Claims (9)
1.一种新能源汽车集成电驱动***,其特征在于:
包括低压电池、升压型全桥DC-DC变换器、降压型DC-DC变换器、高压直流母线、带中性点的三相交流电动机、电机驱动器、双向DC-DC变换器、超级电容、变换器控制器1、变换器控制器2、变换器控制器3、驱动器控制器;
所述的升压型全桥DC-DC变换器分别与低压电池、高压直流母线连接;所述的降压型DC-DC变换器分别与三相交流电动机的中性点、低压电池连接;所述的电机驱动器分别与高压直流母线、三相交流电动机连接;所述的超级电容通过双向DC-DC变换器与高压直流母线连接;
所述的变换器控制器1控制双向DC-DC变换器,所述的变换器控制器2控制升压型全桥DC-DC变换器,所述的变换器控制器3控制降压型DC-DC变换器,所述的驱动器控制器控制电机驱动器。
2.根据权利要求1所述的新能源汽车集成电驱动***,其特征在于:
所述的升压型全桥DC-DC变换器包括功率开关管D1、功率开关管D2、功率开关管D3、功率开关管D4;所述的功率开关管D1和功率开关管D2的集电极连接,作为端子O1;所述的功率开关管D3、功率开关管D4的发射极连接,作为端子O2;所述的功率开关管D3的集电极和功率开关管D1的发射极连接,作为端子S1;所述的功率开关管D4的集电极和功率开关管D2的发射极连接,作为端子S2;
所述的端子S1与低压电池LV的正极连接,所述的端子S2与低压电池LV的负极连接;所述的端子O1与高压直流母线的高电位线H连接;所述的端子O2与高压直流母线的低电位线L连接。
3.根据权利要求2所述的新能源汽车集成电驱动***,其特征在于:
所述的变换器控制器2包括4个控制脉冲输出端,所述的功率开关管D1、功率开关管D2、功率开关管D3、功率开关管D4的基极g1、g2、g3、g4分别与这4个控制脉冲输出端连接,由变换器控制器2控制这4个功率开关管的开、关。
4.根据权利要求1所述的新能源汽车集成电驱动***,其特征在于:
所述的降压型DC-DC变换器包括功率开关管D5、功率开关管D6、滤波电感器L1、滤波电感器L2、分压电容器C1、分压电容器C2、滤波电容器C3、滤波电容器C4、续流二极管d1、续流二极管d2;
所述的分压电容器C1和分压电容器C2串联后接到端子S3、S4;所述的功率开关管D5的集电极与端子S3连接,发射极与滤波电感器L1的一端连接,所述的滤波电感器L1的另一端与端子O3连接;所述的功率开关管D6的发射极与端子S4连接,集电极与滤波电感器L2的一端连接,所述的滤波电感器L2的另一端与端子O4连接;所述的续流二极管d1和续流二极管d2串联,续流二极管d1的负极与功率开关管D5的发射极连接,续流二极管d2的正极与功率开关管D6的集电极连接;所述的滤波电容器C3和电容器C4串联后接到端子O3、O4;所述的分压电容器C1和分压电容器C2的连接端、续流二极管d1和续流二极管d2的连接端、滤波电容器C3和滤波电容器C4的连接端接到一起;所述的端子S3与三相交流电动机的中性点O连接,所述的端子S4与高压直流母线的低电位线L连接,所述的端子O3、O4分别与低压电池LV的正、负极连接。
5.根据权利要求4所述的新能源汽车集成电驱动***,其特征在于:
所述的变换器控制器3包括两个控制脉冲输出端,所述的功率开关管D5和功率开关管D6的基极g5、g6分别连接至变换器控制器3的2个控制脉冲输出端,由变换器控制器3控制这2个功率开关管的开、关。
6.根据权利要求1所述的新能源汽车集成电驱动***,其特征在于:
所述的电机驱动器包括功率开关管D7、功率开关管D8、功率开关管D9、功率开关管D10、功率开关管D11、功率开关管D12;
所述的功率开关管D7、功率开关管D8、功率开关管D9的集电极连接,作为端子S5,所述的端子S5与高压直流母线的高电位线H连接;所述的功率开关管D10、功率开关管D11、功率开关管D12的发射极连接,作为端子S6,所述的端子S6与高压直流母线的低电位线L连接;
所述的功率开关管D10的集电极和功率开关管D7的发射极连接,作为端子O5;所述的功率开关管D11的集电极和功率开关管D8的发射极连接,作为端子O6;所述的功率开关管D12的集电极和功率开关管D9的发射极连接,作为端子O7;所述的端子O5、O6、O7分别与三相交流电机的3个绕组端连接。
7.根据权利要求6所述的新能源汽车集成电驱动***,其特征在于:所述的驱动器控制器包括6个控制脉冲输出端,所述的功率开关管D7、功率开关管D8、功率开关管D9、功率开关管D10、功率开关管D11、功率开关管D12的基极端g7、g8、g9、g10、g11、g12分别与这6个控制脉冲输出端连接,由驱动器控制器控制这6个功率开关管的开、关,从而控制三相交流电机的运行。
8.根据权利要求1所述的新能源汽车集成电驱动***,其特征在于:
所述的双向DC-DC变换器包括滤波电感器L3、功率开关管D17、功率开关管D18;所述的功率开关管D18的集电极与端子S9连接,所述的端子S9与高压直流母线的高电位线H连接;端子S10和端子O11连接,所述的功率开关管D17的发射极分别与端子S10和端子O11连接,所述的端子S10与高压直流母线的低电位线L连接,所述的端子O11与超级电容的正极连接;所述的功率开关管D17的集电极和功率开关管D18的发射极连接,所述的滤波电感器L3的一端分别与功率开关管D17的集电极和功率开关管D18的发射极连接,另一端与端子O10连接,所述的端子O10与超级电容的负极连接。
9.根据权利要求8所述的新能源汽车集成电驱动***,其特征在于:所述的变换器控制器1包括2个控制脉冲输出端,分别与功率开关管D17、功率开关管D18的基极端g17、g18连接。
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