一种基于新能源汽车电机控制器的DCDC升压充电系统及方法

技术领域

本发明涉及电动汽车技术领域，尤其是涉及一种基于新能源汽车电机控制器的DCDC升压充电系统及方法。

背景技术

随着新能源汽车用户对应急性和长距离出行的充电需求日益增多，提升充电速度已成为新能源行业迫切需求解决的问题。目前最主流的解决方案为大功率直流快充。现阶段的直流快充模式一般功率在60KW，直流输出电压最大650V.10%-80%SOC充电时间普遍在40分钟以上。为了进一步缩短充电时间，以及提升整车的动力性能，800V高电压电气架构已成为未来趋势，搭载800V直流快充单枪充电功率可提升至350kw以上，充电时间可进一步缩短。

800V高电压电气架构平台需要车端和充电端同步升级实现，而直流充电桩近年来已快速发展布局，800V高电压平台架构的车辆与400V直流充电桩的匹配也成为主要的技术问题。目前最简单直接的方式是在车辆端增加DC-DC升压电路，而增加升压电路就意味着增加成本，也会给车辆的轻量化设计和空间布局带来问题。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中高电压平台架构车辆与中压直流充电桩难匹配，以及通过增加升压电路带来的成本高、重量重、占用空间的问题，提供了一种基于新能源汽车电机控制器的DCDC升压充电系统及方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种基于新能源汽车电机控制器的DCDC升压充电系统，包括快充接口、驱动充电控制器和电池管理器，快充接口连接驱动充电控制器，驱动充电控制器与电池管理器通信连接，电池管理器与快充接口通信连接；

快充接口，用于连接充电枪，在快充接口与充电枪连接后，发送快充连接信号给电池管理器；

电池管理器，根据快充接口信号判断充电枪的连接状态，在确认充电枪为连接正常状态下，对整车进行高压上电，控制驱动充电控制器切换为升压充电模式；对驱动充电控制器是否充电就绪进行判断，在确认充电就绪后，通过can通讯通知快充充电设备允许充电，由驱动充电控制器进行升压控制；

驱动充电控制器，包括第三切换开关、电池、永磁电机，电池通过三相全桥逆变电路与永磁电机连接，第三切换开关连接在快充接口输出端与驱动充电控制器输入端之间，其中永磁电机定子绕组中性点作为正极输入端连接第三切换开关，三相全桥逆变电路母线负极作为负极输入端连接第三切换开关，在工作在升压充电模式时，控制第三切换开关闭合，三相全桥逆变电路上桥关断，三相全桥逆变电路下桥以固定频率重复通断，由上桥续流二极管、下桥、永磁电机三相电感共同组成等效的直流升压电路。第三切换开关包括正极输入端、负极输入端、正极输出端、负极输出端，其中第三切换开关正极输入端和负极输入端连接快充接口输出端，第三切换开关正极输出端、负极输出端分别与驱动充电控制器正极输入端、负极输入端连接。

本发明利用了新能源汽车已有的电路进行改进，抽出永磁电机三相绕组的中性点作为充电直流电压的正极输入端，利用定子绕组三相电感和三相全桥逆变电路，通过控制三相全桥逆变电路结构，将其等效为boost升压电路，控制抬升高压直流侧电压，反向给电池充电。无需另外增加DC-DC升压电路，既降低了成本，更便利于车辆轻量化和空间布局。针对基于驱动充电控制器的DCDC升压充电系统，还包括快充接口、电池管理器、驱动充电控制器，以及它们之间交互逻辑。

在升压充电模式时，利用永磁电机中性点作为直流正极输入端，永磁电机定子绕组三相电感作为升压电路的储能电感，三相全桥逆变电路的上桥关断，利用续流二极管与下桥组成一个具有三个直流升压电路并联的boost电路，其控制原理与普通boost电路的基本原理一样。

电池管理器与驱动充电控制器之间的交互通过can通讯进行连接，快充接口与与电池管理器之间通过can通讯进行连接。

作为一种优选方案，直流升压电路包括三相电感La、Lb、Lc、二极管D1、二极管D3、二极管D5、晶体管S2、晶体管S4、晶体管S6，三相电感La、Lb、Lc的一端相连接作为正极输入端，三相电感La、Lb、Lc的另一端分别对应连接二极管D1、二极管D3、二极管D5的正极，二极管D1、二极管D3、二极管D5的负极相连接并连接至电池正极端，晶体管S2集电极连接二极管D1正极，晶体管S4集电极连接二极管D3正极，晶体管S6集电极连接二极管D5正极，晶体管S2、晶体管S4、晶体管S6的发射极分别接地，晶体管S2、晶体管S4、晶体管S6的基极都输入相同的固定频率的控制信号。

本方案中利用了永磁电机中性点作为直流正极输入端，永磁电机定子绕组三相电感La、Lb、Lc作为升压电路的储能电感，三相全桥逆变电路的上桥常闭关断，利用续流二极管D1、D3、D5与三相全桥逆变电路的下臂晶体管S2、S4、S6组成一个由三个直流升压电路并联的boost电路。其控制与普通boost电路的基本原理一样，具体控制如下：

控制晶体管S2、S4、S6以相同的固定频率重复开通关断，在三相电感Lx（x=a、b、c）、晶体管Sy（y=2，4，6）和二极管Dz（z=1、3、5）中间节点产生一串脉冲，三相电感和电容C形成输出滤波器将电脉冲滤波，从而得到直流输出电压Vout。

当晶体管Sy处于导通状态，三相电感Lx进行储能，电感电流上升斜率为Vin/Lx，二极管Dz反向阻断，电容C和预充电阻R形成放电回路输出电流。

当晶体管Sy处于关断状态，三相电感Lx进行放电，电感电流下降斜率为（Vout-Vin）/Lx。二极管Dz正向导通，三相电感Lx并联分流产生三个电流Ix（x=a、b、c），为预充电阻R提供电流Iout，并为电容C充电。

boost电路在电流连续工作在CCM模式稳态状态下，输入电压和输出电压关系为：Vout/Vin=1/（1-D），其中D为输入控制信号的占空比。

作为一种优选方案，所述第三切换开关包括第一开关和第二开关，第一开关一端为正极输出端与驱动充电控制器正极输入端连接，第二开关一端为负极输出端与驱动充电控制器负极输入端连接，第一开关另一端为正极输入端，第二开关另一端为负极输入端，第一开关正极输入端和第二开关负极输入端分别连接至快充接口的正极输出端和负极输出端上。第三切换开关用于连接和关断快充接口与驱动充电控制器，第三切换开关设置在高压控制盒内，即驱动充电控制器与快充接口之间通过高压控制盒连接。

作为一种优选方案，电池还包括预充电电路，预充电电路包括预充电阻R、第一切换开关K1、第二切换开关K2、电容C，电容C第一端和第二端分别连接在电池正极和负极，预充电阻R一端连接电池正极，预充电阻R另一端连接第一切换开关K1一端，第一切换开关K1另一端连接与电容C第一端连接，第一切换开关K1另一端形成正极连接点与直流升压电路正极输出端连接，第二切换开关K2并联在预充电阻R和第一切换开关K1串联的电路上，电容C第二端形成负极连接点与直流升压电路负极输出端连接。具体的，本方案中电容C的第一端分别与二极管D1负极、二极管D3负极、二极管D5负极、第一切换开关K1另一端、第二切换开关K2一端连接，电容C的第二端分别连接电池负极、三相全桥逆变电路母线负极。其中第一切换开关K1、第二切换开关K2、预充电阻R、电容C共同构成预充电电路。

一种基于新能源汽车电机控制器的DCDC升压充电控制方法，包括以下步骤：

S1. 对快充接口与充电枪连接状态检测；

S2.在快充接口与车辆充电连接完成后，驱动充电控制器切换为升压充电模式，过程为将第三切换开关闭合，三相全桥逆变电路上桥关断，三相全桥逆变电路下桥以固定频率重复通断，由上桥续流二极管、下桥、永磁电机三相电感共同组成等效的直流升压电路；

S3.确认充电准备正常，驱动充电控制器进行升压控制，将输出电压调节至目标电压。

作为一种优选方案，步骤S1具体过程包括：

S11. 快充接口检测是否与充电枪连接，快充接口发送快充连接信号给电池管理器；

S12.电池管理器根据快充连接信号判断连接是否正常，若正常，进入下一步骤，若不正常报出充电故障信号；

S13.电池管理器控制第一切换开关和第二切换开关，对整车进行高压上电。过程包括断开第二切换开关，闭合第一切换开关，由电池、电容C和预充电阻R构成预充电电路进行预充电，预充电完成后，控制断开第一切换开关，闭合第二切换开关。

作为一种优选方案，步骤2中的具体过程包括：

S21.在车辆快充接口与充电枪连接完成后，电池管理器通过can通讯通知驱动充电控制器切换为升压充电模式；

S22.驱动充电控制器进行模式切换自检，自检完成后，驱动充电控制器由驱动控制模式切换为升压充电模式；

S23.驱动充电控制器确认是否充电就绪，若是，允许充电，反馈允许充电信号给电池管理器，若否，不允许充电，报出充电故障信号。

作为一种优选方案，步骤S3具体过程包括：

S31.驱动充电控制器充电就绪后，等待输入充电电压，电池管理器通过can通讯快充充电设备允许充电；

S32.驱动充电控制器检测充电输入端电压是否正常，若正常进入下一步骤，若不正常，报出充电故障信号；

S33. 驱动充电控制器进行升压充电，将输出电压调节至目标电压。

因此，本发明的优点是：

1.通过快充接口、电池管理器、驱动充电控制器之间进行交互，实现了系统对两种工作模式的识别和切换，通过切换到高压充电工作模式，实现了高压电源平台架构与中压电流充电桩的匹配。

2.利用了新能源汽车已有的电路进行改进，无需另外增加DC-DC升压电路，既降低了成本，更便利于车辆轻量化和空间布局。

附图说明

图1是本发明的一种结构框示图；

图2是本发明中驱动充电控制器的一种电路结构示意图；

图3是本发明控制方法的一种流程示意图；

图4是本发明中驱动充电控制器的一种仿真电路结构示意图；

图5是本发明中仿真电路输入电压和输出电压的波形图；

图6是本发明中仿真电路输入电流和输出电流的波形图。

1-快充接口 2-高压控制盒 3-驱动充电控制器 4-电池管理器。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例一种基于新能源汽车电机控制器的DCDC升压充电系统，如图1所示，包括快充接口1、驱动充电控制器3和电池管理器4，快充接口通过高压控制盒2连接驱动充电控制器，驱动充电控制器与电池管理器通信连接，电池管理器与快充接口通信连接。

快充接口，用于连接充电枪，在快充接口与充电枪连接后，发送快充连接信号给电池管理器；

电池管理器，根据快充接口信号判断充电枪的连接状态，在确认充电枪为连接正常状态下，对整车进行高压上电，控制驱动充电控制器切换为升压充电模式；对驱动充电控制器是否充电就绪进行判断，在确认充电就绪后，通过can通讯通知快充充电设备允许充电，由驱动充电控制器进行升压控制。

驱动充电控制器，包括第三切换开关K3、电池、永磁电机，电池通过三相全桥逆变电路与永磁电机连接，第三切换开关连接在快充接口输出端与驱动充电控制器输入端之间，其中永磁电机定子绕组中性点作为正极输入端连接第三切换开关，三相全桥逆变电路母线负极作为负极输入端连接第三切换开关，在工作在升压充电模式时，控制第三切换开关闭合，三相全桥逆变电路上桥关断，三相全桥逆变电路下桥以固定频率重复通断，由上桥续流二极管、下桥、永磁电机三相电感共同组成等效的直流升压电路。

如图2所示，驱动充电控制器中形成的直流升压电路包括三相电感La、Lb、Lc、二极管D1、二极管D3、二极管D5、晶体管S2、晶体管S4、晶体管S6，三相电感La、Lb、Lc的一端相连接作为正极正极端，三相电感La、Lb、Lc的另一端分别对应连接二极管D1、二极管D3、二极管D5的正极，二极管D1、二极管D3、二极管D5的负极相连接并连接至电池输入端，晶体管S2集电极连接二极管D1正极，晶体管S4集电极连接二极管D3正极，晶体管S6集电极连接二极管D5正极，晶体管S2、晶体管S4、晶体管S6的发射极分别接地，晶体管S2、晶体管S4、晶体管S6的基极都输入相同的固定频率的控制信号。

第三切换开关K3设置在高压控制盒内部，第三切换开关K3包括第一开关和第二开关，第一开关一端为正极输出端与驱动充电控制器正极输入端连接，第二开关一端为负极输出端与驱动充电控制器负极输入端连接，第一开关另一端为正极输入端，第二开关另一端为负极输入端，第一开关正极输入端和第二开关负极输入端分别连接至快充接口的正极输出端和负极输出端上。

电池还包括预充电电路，预充电电路包括预充电阻R、第一切换开关K1、第二切换开关K2、电容C，电容C第一端和第二端分别连接在电池正极和负极，预充电阻R一端连接电池正极，预充电阻R另一端连接第一切换开关K1一端，第一切换开关K1另一端与电容C第一端连接，第一切换开关K1另一端形成正极连接点与直流升压电路正极输出端连接，第二切换开关K2并联在预充电阻R和第一切换开关K1串联的电路上，电容C第二端形成负极连接点与直流升压电路负极输出端连接。

通常情况下电机控制器由永磁电机、三相全桥逆变电路和直流侧电容C构成。直流升压电路采用新能源汽车已有的电机控制器进行改进。利用了永磁电机中性点作为直流正极输入端，永磁电机定子绕组三相电感La、Lb、Lc作为升压电路的储能电感，三相全桥逆变电路的上桥常闭关断，利用续流二极管D1、D3、D5与三相全桥逆变电路的下臂晶体管S2、S4、S6组成一个有三个直流升压电路并联的boost电路。其控制与普通boost电路的基本原理一样，具体控制如下：

控制晶体管S2、S4、S6以相同的固定频率重复开通关断，在三相电感Lx（x=a、b、c）、晶体管Sy（y=2，4，6）和二极管Dz（z=1、3、5）中间节点产生一串脉冲，三相电感和电容C形成输出滤波器将电脉冲滤波，从而得到直流输出电压Vout。

当晶体管Sy处于导通状态，三相电感Lx进行储能，电感电流上升斜率为Vin/Lx，二极管Dz反向阻断，电容C和预充电阻R形成放电回路输出电流。

当晶体管Sy处于关断状态，三相电感Lx进行放电，电感电流下降斜率为（Vout-Vin）/Lx。二极管Dz正向导通，三相电感Lx并联分流产生三个电流Ix（x=a、b、c），为预充电阻R提供电流Iout，并为电容C充电。

boost电路在电流连续工作在CCM模式稳态状态下，输入电压和输出电压关系为：Vout/Vin=1/（1-D），其中D为输入晶体管控制信号的占空比。

改进后形成驱动充电控制器，通过与快充接口、电池控制器的交互，使其具有两种工作模式：驱动控制模式和升压充电模式。

工作在驱动控制模式下，第三切换开关断开，不连接快充接口，电机定子中性点处于短路状态，工作过程为：电池提供直流侧电压，通过三相全桥逆变电路进行逆变控制，使定子绕组产生磁动势，控制永磁电机旋转。

工作在升压充电模式，第二切换开关、第三切换开关闭合，永磁电机中性点连接充电桩直流侧Vin+，驱动充电控制器负极连接充电桩直流侧Vin-，模拟boost升压电路进行DCDC升压控制，即三相全桥逆变电路上桥关断，利用永磁电机的三相电感、三相全桥逆变电路上桥续流二极管和下桥IGBT电路，组成一种三组并联的boost电路，实现高压平台架构车辆的DCDC升压快充功能。

以下采用仿真电路图进行说明，如图5所示，永磁电机三相定子绕组漏感：La=Lb=Lc=127μH；

高压侧电容：C=350μF

模拟负载电阻：R=5.33Ω

占空比D=0.4375

开管周期：f

根据发明设计，车辆高压架构系统需求DCDC升压充电控制系统输出电压Vout=450V，计算得到触发脉冲占空比D=0.4375。

输入电压和输出电压结果如图5所示，输入功率120kw，忽略损耗，输入动率等于输出功率，则有电池充电电流Iout=P/Vout=150A。输入电流和输出电流结果如图6所示。

一种基于新能源汽车电机控制器的DCDC升压充电控制方法，如图3所示，包括以下步骤：

S1. 对快充接口与充电枪连接状态检测；具体过程包括：

S11.快充接口与充电枪连接，快充接口发送快充连接信号给电池管理器；

S12.电池管理器根据快充连接信号判断连接是否正常，若正常，进入下一步骤，若不正常报出充电故障信号；

S13.电池管理器控制第一切换开关和第二切换开关，对整车进行高压上电。

S2.在快充接口与车辆充电连接完成后，驱动充电控制器切换为升压充电模式，过程为将第三切换开关闭合，三相全桥逆变电路上桥关断，三相全桥逆变电路下桥以固定频率重复通断，由上桥续流二极管、下桥、永磁电机三相电感共同组成等效的直流升压电路；步骤S2的具体过程扩展包括：

S21.在车辆快充接口与充电枪连接完成后，电池管理器通过can通讯通知驱动充电控制器切换为升压充电模式；

S22.驱动充电控制器进行模式切换自检，自检完成后，驱动充电控制器由驱动控制模式切换为升压充电模式；即过程为将第三切换开关闭合，三相全桥逆变电路上桥关断，三相全桥逆变电路下桥以固定频率重复通断，由上桥续流二极管、下桥、永磁电机三相电感共同组成等效的直流升压电路；

S23.驱动充电控制器确认是否充电就绪，若是，允许充电，反馈允许充电信号给电池管理器，若否，不允许充电，报出充电故障信号。

S3.确认充电准备正常，驱动充电控制器进行升压控制，将输出电压调节至目标电压。具体过程包括：

S31.驱动充电控制器充电就绪后，等待输入充电电压，电池管理器通过can通讯快充充电设备允许充电；

S32.驱动充电控制器检测充电输入端电压是否正常，若正常进入下一步骤，若不正常，报出充电故障信号；

S33. 驱动充电控制器进行升压充电，将输出电压调节至目标电压。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了快充接口、高压控制盒、驱动充电控制器、电池管理器等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。