一種低成本的電機(jī)驅(qū)動(dòng)-電池充電一體化裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電氣工程技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種低成本的電機(jī)驅(qū)動(dòng)-電池充電 一體化裝置及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著石油資源的日益短缺，以及人們對(duì)環(huán)境問題的不斷關(guān)注，使得電動(dòng)汽車技術(shù) 在快速發(fā)展。傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)器依然采用六開關(guān)三相逆變器，這種逆變器的開關(guān) 管數(shù)量多成本較高。另外，傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車需要同時(shí)配備一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)車載充電 器，但電動(dòng)汽車在行駛過程中并不使用車載充電器，卻需要攜帶笨重的車載充電器，嚴(yán)重影 響了電動(dòng)汽車的性能和大幅提高了電動(dòng)汽車的成本。此外，國家對(duì)電動(dòng)汽車的電池充電器 設(shè)立了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于充電器的輸入功率因數(shù)和輸入電流的諧波含量進(jìn)行了限制，以提高 電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此，發(fā)明一種輕巧、廉價(jià)，且能夠滿足充電器的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)驅(qū) 動(dòng)-電池充電一體化裝置，能夠有利于促進(jìn)電動(dòng)汽車的長足發(fā)展和快速推廣。
[0003] 專利CN104578253A，"一種具有高頻三角變技術(shù)的電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)DC/DC變換 裝置"介紹了一種利用高頻三角變技術(shù)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)-電池充電一體化裝置。這一發(fā)明通過 增加 DC/DC變換裝置包括整流電路、充電器側(cè)和電池側(cè)的單相逆變電路、三角變壓器等，實(shí) 現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的隔離充電功能。這一發(fā)明雖然實(shí)現(xiàn)了隔離充電功能，但整體成 本依然很高，充電時(shí)沒有對(duì)閑置的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器加以利用。
[0004] 專利CN203902312U，"具有快速充電-慢速充電功能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)-充電一體化裝 置"介紹了一種重復(fù)利用六開關(guān)逆變器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)-電池充電一體化裝置。這一發(fā)明在傳 統(tǒng)六開關(guān)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)整流電路及一些繼電器，利用繼電器的開關(guān)使裝 置能夠運(yùn)行于電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式或電池充電模式，從而降低了充電器的成本、體積和重量。但這 一發(fā)明對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的重復(fù)利用率較低，且需要增加一些繼電器或開關(guān)器件用來改變逆變 器結(jié)構(gòu)，裝置的成本依然較高。
[0005] 專利CN203708154U，"一種集成開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電池充電的功率變換裝置"介 紹了一種不需增加額外器件的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)-電池充電一體化裝置。這一裝置實(shí)現(xiàn)了 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電池充電的雙重分時(shí)復(fù)用，系統(tǒng)的重復(fù)利用率較高。但這一發(fā)明提出的功率變 換裝置僅能應(yīng)用于開關(guān)磁阻電機(jī)，且依然使用了六個(gè)全控開關(guān)器件，成本仍然較高。
[0006] 專利CN104578253A、專利CN203902312U和專利CN203708154U等專利對(duì)傳統(tǒng)技術(shù) 進(jìn)行了改進(jìn)，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電池充電整合成一個(gè)一體化裝置。但它們依然需要使用六個(gè)全 控開關(guān)，控制較為復(fù)雜、成本也較高。部分專利還僅能用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)磁阻電機(jī)，對(duì)于現(xiàn)在電 動(dòng)汽車普遍采用永磁同步電機(jī)等交流電機(jī)的現(xiàn)狀不符，難以進(jìn)行大量推廣。另一些專利則 需要增加一些繼電器或開關(guān)器件用來改變逆變器結(jié)構(gòu)或電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)，增加了成本的同時(shí) 也增大了控制的復(fù)雜性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種成本、體積和重量較低，性能較 高，能夠控制各類常見交流電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)-電池充電一體化裝置及其控制方法，從而有 利于促進(jìn)電動(dòng)汽車的長足發(fā)展和快速推廣。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0009] 本發(fā)明提供一種低成本的電機(jī)驅(qū)動(dòng)-電池充電一體化裝置，所述裝置包括：所述 裝置包括：電池組、四開關(guān)三相逆變器、單相不控整流橋、帶中性線的電機(jī)，其中：所述電池 組的正、負(fù)極分別連接四開關(guān)三相逆變器的正、負(fù)母線；所述四開關(guān)三相逆變器共有四個(gè)橋 臂，分別與電機(jī)的三相引出線和中性線相連，每個(gè)橋臂中分別有一功率開關(guān)器件SI、S2、S3、 S4;所述單相不控整流橋在中性線所在的橋臂中，單相不控整流橋的陰極連接電機(jī)的中性 線、同時(shí)連接該橋臂的功率開關(guān)器件S4的發(fā)射極，單相不控整流橋的陽極連接四開關(guān)三相 逆變器的負(fù)母線。
[0010] 優(yōu)選地，所述四開關(guān)三相逆變器共有四個(gè)橋臂，這四個(gè)橋臂的一端分別與正母線 相連，另一端分別與負(fù)母線相連，這四個(gè)橋臂除了與電機(jī)的引出線連接外，相互之間沒有其 他連接。
[0011] 優(yōu)選地，所述四開關(guān)三相逆變器，包括四個(gè)功率開關(guān)器件和三個(gè)功率二極管，另外 一個(gè)單相不控整流橋在四開關(guān)三相逆變器中被重復(fù)利用為一個(gè)功率二極管。其中三個(gè)功率 二極管分別與三個(gè)功率開關(guān)器件組成三個(gè)橋臂，二極管的陽極與功率開關(guān)器件的集電極相 連，并與電機(jī)三相引出線中的一根相連。另一份功率開關(guān)器件與單相不控整流橋相連，開關(guān) 的發(fā)射極與不控整流橋的陰極相連。
[0012] 優(yōu)選地，所述的四開關(guān)三相逆變器的四個(gè)功率開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)共有16種，不 同的開關(guān)狀態(tài)能夠輸出不同的電壓空間矢量。利用不同的電壓空間矢量能夠控制電機(jī)正常 旋轉(zhuǎn)。
[0013] 本發(fā)明提供一種低成本的電機(jī)驅(qū)動(dòng)-電池充電一體化裝置的控制方法，其中：
[0014] 當(dāng)所述裝置運(yùn)行于電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，單相交流電不被連接，單相不控整流橋等效 為單個(gè)二極管，通過控制四個(gè)功率開關(guān)器件的通斷控制電機(jī)正常旋轉(zhuǎn)；
[0015] 當(dāng)所述裝置運(yùn)行于電池充電模式時(shí)，單相交流電連接在單相不控整流橋的一側(cè)， 單相不控整流橋開始處于整流工作狀態(tài)，單相不控整流橋?qū)蜗嘟涣麟妷赫鞒梢粋€(gè)兩倍 電網(wǎng)頻率波動(dòng)的直流電壓，四開關(guān)三相逆變器與電機(jī)中性線連接的橋臂的開關(guān)恒關(guān)斷，所 述裝置等效為三個(gè)升壓斬波電路的并聯(lián)以此給電池組進(jìn)行充電。
[0016] 優(yōu)選地，與單相不控整流橋連接的功率開關(guān)器件S4有六個(gè)恒關(guān)斷的開關(guān)狀態(tài)，這 六個(gè)開關(guān)狀態(tài)輸出的電壓矢量與另外三個(gè)功率開關(guān)器件SI、S2、S3導(dǎo)通時(shí)與該開關(guān)（S1、 S2、S3中導(dǎo)通的那個(gè)開關(guān)）相連的電機(jī)繞組是否有電流有關(guān)：若電流為零，則這一矢量為零 矢量；若電流不為零，則對(duì)應(yīng)矢量分別與功率開關(guān)器件S4導(dǎo)通時(shí)相同；根據(jù)合成電壓空間 矢量分布圖，利用空間矢量脈寬調(diào)制方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，使電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。
[0017] 更優(yōu)選地，當(dāng)對(duì)應(yīng)相電流不為零時(shí)，使用功率開關(guān)器件S4六個(gè)恒關(guān)斷的開關(guān)狀態(tài) 來產(chǎn)生相同的電壓空間矢量，這些開關(guān)狀態(tài)在電機(jī)繞組上施加正的母線電壓，降低零序電 壓的平均值。
[0018] 優(yōu)選地，當(dāng)所述裝置運(yùn)行于電池充電模式時(shí)，三個(gè)功率開關(guān)器件SI、S2和S3同時(shí) 導(dǎo)通，總充電電流在三個(gè)功率開關(guān)器件上進(jìn)行分流。
[0019] 優(yōu)選地，所述裝置對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速采用傳統(tǒng)的控制方法，如磁場定向控制方法、直 接轉(zhuǎn)矩控制方法。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0021] 本發(fā)明所述的一種低成本的電機(jī)驅(qū)動(dòng)-電池充電一體化裝置，僅使用四個(gè)全控開 關(guān)器件，開關(guān)的驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)的成本較小；另外由于單相不控整流橋在四開關(guān)三相逆變 器連接電機(jī)中性線的那一橋臂，電網(wǎng)電流能夠通過電機(jī)中性線流經(jīng)電機(jī)繞組后給電池組充 電，電機(jī)繞組被重復(fù)利用為充電器的充電電感，使得裝置的體積和重量大幅縮??；由于流過 電機(jī)繞組的電流為單方向電流，不會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而電機(jī)轉(zhuǎn)子在電池充電時(shí)可以保持 靜止；采用四開關(guān)三相逆變器進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以采用無死區(qū)控制，避免了六開關(guān)逆變器 常見的上下橋臂直通產(chǎn)生的短路問題，提高了系統(tǒng)安全性和可靠性。
【附圖說明】
[0022] 通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0023] 圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的裝置示意圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的裝置運(yùn)行于電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式時(shí)的合成電壓空間矢量分布 圖；
[0025] 圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的裝置運(yùn)行于電池充電模式時(shí)的控制方法。
【具體實(shí)施方式