本发明属于电机驱动和动力电池充电技术领域，具体涉及一种混合动力汽车的电机驱动与锂电池充电一体化方法。
背景技术：
目前，随着全球汽车数量的增长，城市汽车排放污染日趋严重，传统汽车燃料的供需矛盾也更加突出。氢燃料电池-锂电池混合动力汽车是电动汽车的一种，被业界称为终极环保汽车。随着氢燃料电池-锂电池混合动力汽车的普及，电动汽车充电难的问题日益凸显，且锂电池充电系统与电机驱动系统相互独立，两个系统各自拥有自己的主控芯片、工作电路、控制器外壳和线束等。两者的制造成本较高，分别安装会造成空间浪费。
中国专利文献“201910590360.4”提出的一种利用电机驱动系统的充电系统将外接三相交流电充电系统集成在了电机驱动系统之上，替代了原有的充电系统，节省了安装空间，减小了制造成本。中国专利文献“202010511679.6”提出一种电池充电和电机驱动两用的控制器将电机控制器和电池充电器集成在一起，具备给电池充电和从电池中获取能源并控制电机的功能。但是，以上专利不能实现对混合动力汽车驱动的控制，同时也不能实现在电机运行及停止时有氢燃料电池充电的功能，造成了氢燃料电池能源的浪费。
考虑到以上问题，提出一种混合动力汽车的电机驱动与锂电池充电一体化方法。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的技术问题，提供一种混合动力汽车的电机驱动与锂电池充电一体化方法，该方法集“电机驱动与锂电池充电”功能于一体，实现氢燃料电池-锂电池混合动力汽车的电机驱动与锂电池充电一体化，确保永磁同步电机驱动和锂电池充电的安全、高效运行。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
第一方面，本发明实施例提供了一种混合动力汽车的电机驱动与锂电池充电一体化方法，所述方法包括：电机驱动子系统实现永磁同步电机的驱动，锂电池充电子系统实现锂电池充电；
(1)电机驱动子系统：由电机驱动子系统由氢燃料电池系统、锂电池、主电路、控制系统中的电机驱动控制模块、永磁同步电机、第一开关和第二开关、第二接触器、第一直流接口、第二直流接口、交流输出接口组成；所述氢燃料电池系统由氢燃料电堆和dc/dc变换器组成，实现永磁同步电机的驱动方法为：
首先，实时采集脚踏板加速度和车的运行工况信息，从“氢燃料电池供电、锂电池供电、混合供电”3种供电方式中，选择其中一种为电机驱动子系统的直流电源；当选择“氢燃料电池供电”时运行，第一开关闭合，第二开关断开，第一接触器断开，第二接触器闭合，当选择“锂电池供电”时运行，第一开关断开，第二开关闭合，第一接触器断开，第二接触器闭合；当需要“混合供电”时运行，第一开关和第二开关均闭合，第二接触器闭合，第一接触器断开；当需要停车时，第一开关、第二开关、第一接触器和第二接触器均断开；
然后，在电机驱动子系的直流电源作用下，由主电路、控制系统中的电机驱动控制模块、永磁同步电机组成的系统根据主控器的命令将直流电变成可调的交流电驱动永磁同步电机，带动和永磁同步电机联机的汽车运转。
(2)锂电池充电子系统：锂电池充电子系统由三相交流电源、交流输入接口、氢燃料电池系统、主电路、控制系统中的充电控制模块、第一接触器、第一开关和第二开关组成，实现锂电池充电方法为：
交流电源充电：汽车停止运行并且锂电池电量低于阈值时，由三相交流电源、交流输入接口、主电路、控制系统中的充电控制模块、第一接触器和第二开关组成的系统实现锂电池的智能充电；
汽车运行过程中，当氢燃料电池系统输出的直流电的电压高于锂电池的电压，且锂电池电量低于阈值时，由氢燃料电池系统、第一开关和第二开关、控制系统中的充电模块组成的系统实现锂电池的智能充电；
汽车运行过程中，汽车制动需要能量回馈，且锂电池电量低于阈值时，由永磁同步电机、第二接触器、主电路、第二开关、控制系统中的充电模块组成的系统实现锂电池的智能充电；
所述的永磁同步电机的驱动方法和锂电池充电方法的之间的协调控制由控制系统中的主控制器实现；经过上述步骤实现混合动力汽车的永磁同步电机驱动和锂电池充电的运行。
进一步，所述控制系统由主控制器、电机驱动控制模块、充电控制模块、其他模块组成，集成在一块pcb板上，控制系统设置4个cpu，分别对应主控制器、电机驱动控制模块、充电控制模块和其他模块。
进一步，所述的其他模块包括处理模块、通讯模块、故障模块和i/o模块，所述处理模块，用于对脚踏板加速度和汽车的运行工况信息进行量化处理及滤波，处理好的信号供主控制器使用；所述通讯模块，是主控制器和外界联系的工具，用于接收外界信号、向外界报告锂电池和主控制器的状态；所述故障模块，用于实时探测可能存在的故障、采取措施补救、以及通知使用者；第一开关和第二开关，第一接触器和第二接触器的通断由所述的i/o模块处理实现。
进一步，将由控制系统和电机驱动子系统、锂电池充电子系统组成的电机驱动与锂电池充电一体化装置集成化，采用一个机箱外壳，一个插头和线束。以降低制造成本比，减少重量和安装空间，便于安装，可应用于氢燃料电池-锂电池混合动力汽车。
进一步，可应用于氢燃料电池-锂电池混合动力汽车。
本发明针对氢燃料电池-锂电池混合动力汽车的普及，锂电池充电系统与电机驱动系统相互独立，制造成本较高，安装空间浪费，安全差，效率低等问题，主要有以下的优点：
(1)拓扑结构创新，为了实现电动机驱动和锂电池充电功能高度集成化，采用一个主电路，分时实现电机驱动是的逆变dc/ac和三相交流电源经整流ac/dc给锂电池充电，简化了设计。
(2)提出协调控制策略，根据燃料电池-锂电池混合动力汽车的运行工况，电机驱动所需能源可以灵活分配，可选择“氢燃料电池供电”、“锂电池供电”和“混合供电”一种，根据需要可以选择充电的电源方式“三相交流电源经整流供电、电机运行时氢燃料电池系统供电、停车时氢燃料电池系统供电”一种，以提高汽车的效率和续航能力。
(3)实现工艺创新，采用一个外壳，一个插头和线束，具备给锂电池充电，以及从锂电池或氢燃料电池系统中获取能源并驱动电机的两个功能，以降低制造成本比，减少重量和安装空间，便于安装。
(4)本发明不仅适用于燃料电池-锂电池混合动力汽车，也适用于使用电池类储能能源进行逆变后给电机供电和用充电器给储能器充电的汽车。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种混合动力汽车的电机驱动与锂电池充电一体化装置的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的一种混合动力汽车的电机驱动与锂电池充电一体化装置的电机驱动时电路示意图。
图3为本发明实施例提供的一种混合动力汽车的电机驱动与锂电池充电一体化装置的锂电池充电时电路示意图。
附图说明：1.氢燃料电池系统；2.锂电池；3.主电路；4.控制系统；5.永磁同步电机；6.第一直流接口；7.第二直流接口；8.交流输出接口；9.交流输入接口；10.三相交流电源；1-1.氢燃料电堆；1-2.dc/dc变换器；4-1.主控制器；4-2.电机驱动控制模块；4-3.充电控制模块；4-4.处理模块；4-5.通讯模块；4-6.故障模块；4-7.i/o模块。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
本发明集“电机驱动与锂电池充电”功能于一体，实现氢燃料电池-锂电池混合动力汽车的电机驱动与锂电池充电一体化，确保永磁同步电机驱动和锂电池充电的安全、高效运行。
本发明提供的一种混合动力汽车的电机驱动与锂电池充电一体化方法，采用由控制系统和电机驱动子系统、锂电池充电子系统组成的电机驱动与锂电池充电一体化装置来实现。电机驱动子系统将氢燃料电池系统输出的直流电或锂电池输出的直流电、或二者混合输出的直流电变成可调的交流电驱动永磁同步电机，带动和永磁同步电机联机的汽车运转；锂电池充电子系统将交流电整流成可调的直流电或氢燃料电池系统输出的直流电向锂电池充电；控制系统中的主控器通过协调控制策略来控制2个子系统完成永磁同步电机驱动和锂电池充电的安全、高效运行。
一种混合动力汽车的电机驱动与锂电池充电一体化方法，所述方法包括：电机驱动子系统实现永磁同步电机的驱动，锂电池充电子系统实现锂电池充电；
(1)电机驱动子系统：电机驱动子系统由氢燃料电池系统、锂电池、主电路、控制系统中的电机驱动控制模块、永磁同步电机、第一开关和第二开关、第二接触器、第一直流接口、第二直流接口、交流输出接口组成；所述氢燃料电池系统由氢燃料电堆和dc/dc变换器组成，实现永磁同步电机的驱动方法为：
首先，实时采集脚踏板加速度和汽车的运行工况信息，从“氢燃料电池供电、锂电池供电、混合供电”3种供电方式中，选择其中一种为电机驱动子系统的直流电源；当选择“氢燃料电池供电”时运行，第一开关闭合，第二开关断开，第一接触器断开，第二接触器闭合，当选择“锂电池供电”时运行，第一开关断开，第二开关闭合，第一接触器断开，第二接触器闭合；当需要“混合供电”时运行，第一开关和第二开关均闭合，第二接触器闭合，第一接触器断开；当需要停车时，第一开关、第二开关、第一接触器和第二接触器均断开；
然后，在电机驱动子系的直流电源作用下，由主电路、控制系统中的电机驱动控制模块、永磁同步电机组成的系统根据主控器的命令将直流电变成可调的交流电驱动永磁同步电机，带动和永磁同步电机联机的汽车运转。
(2)锂电池充电子系统：锂电池充电子系统由三相交流电源、交流输入接口、氢燃料电池系统、主电路、控制系统中的充电控制模块、第一接触器、第一开关和第二开关组成，实现锂电池充电方法为：
交流电源充电：汽车停止运行并且锂电池电量低于阈值时，由三相交流电源、交流输入接口、主电路、控制系统中的充电控制模块、第一接触器和第二开关组成的系统实现锂电池的智能充电；
汽车运行过程中，当氢燃料电池系统输出的直流电的电压高于锂电池的电压，且锂电池电量低于阈值时，由氢燃料电池系统、第一开关和第二开关、控制系统中的充电模块组成的系统实现锂电池的智能充电；
汽车运行过程中，汽车制动需要能量回馈，且锂电池电量低于阈值时，由永磁同步电机、第二接触器、主电路、第二开关、控制系统中的充电模块组成的系统实现锂电池的智能充电；
所述的永磁同步电机的驱动方法和锂电池充电方法的之间的协调控制由控制系统中的主控制器实现；经过上述步骤实现混合动力汽车的永磁同步电机驱动和锂电池充电的运行。
进一步，所述控制系统由主控制器、电机驱动控制模块、充电控制模块、其他模块组成，集成在一块pcb板上，控制系统设置4个cpu，分别对应主控制器、电机驱动控制模块、充电控制模块和其他模块。
进一步，所述的其他模块包括处理模块、通讯模块、故障模块和i/o模块，所述处理模块，用于对脚踏板加速度和汽车的运行工况信息进行量化处理及滤波，处理好的信号供主控制器使用；所述通讯模块，是主控制器和外界联系的工具，用于接收外界信号、向外界报告锂电池和主控制器的状态；所述故障模块，用于实时探测可能存在的故障、采取措施补救、以及通知使用者；第一开关和第二开关，第一接触器和第二接触器的通断由所述的i/o模块处理实现。
进一步，将由控制系统和电机驱动子系统、锂电池充电子系统组成的电机驱动与锂电池充电一体化装置集成化，采用一个机箱外壳，一个插头和线束。以降低制造成本比，减少重量和安装空间，便于安装，可应用于氢燃料电池-锂电池混合动力汽车。
进一步，可应用于氢燃料电池-锂电池混合动力汽车。
本发明提供的氢燃料电池-锂电池混合动力汽车的电机驱动与锂电池充电一体化方法，可由电机驱动与锂电池充电一体化装置实现，该装置的结构如图1所示：由电机驱动子系统、锂电池充电子系统和控制系统组成，控制系统中的主控器通过协调控制策略来控制2个子系统完成永磁同步电机驱动和锂电池充电的安全、高效运行。
所述的电机驱动子系统由氢燃料电池系统1、锂电池2、主电路3、控制系统4、永磁同步电机5、开关k1(即第一开关)和开关k2(即第二开关)、接触器km2(即第二接触器)、直流接口6(即第一直流接口)、直流接口7(即第二直接接口)、交流输出接口8组成，所述氢燃料电池系统1由氢燃料电堆1-1和dc/dc变换器1-2构成电机驱动子系统。所述的锂电池充电子系统由三相交流电源10、交流输入接口9、氢燃料电池系统1、主电路3、控制系统中的充电控制模块4-3、接触器km1(即第一接触器)、开关k1和开关k2构成。
氢燃料电堆1-1发出直流电，其输出正极端与dc/dc变换器1-2的一端相连，dc/dc变换器1-2另一端与直流接口6相连，直流接口6的正极端(u1+)经开关k1与主电路的直流正极端(u+)相连，直流接口6的负极端(u1-)直接与主电路的直流负极端(u-)相连；锂电池的输出与直流接口7相连，直流接口7的正极端(u2+)经开关k2与主电路的直流正极端(u+)相连，直流接口7的负极端(u2-)直接与主电路的直流负极端(u-)相连；主电路3的交流端与接触器km2相连，km2的另一端经交流输出接口8与永磁同步电机5相连；三相交流电源10经交流输入接口8与接触器km1相连，接触器km1的另一端与主电路的交流端相连。
所述电机驱动子系统的与锂电池充电子系统分时公用主电路3。包括与功率器件v1和功率器件v4连接的第一桥臂、与功率器件v3和功率器件v6连接的第二桥臂、与功率器件v5和功率器件v2连接的第三桥臂；三支桥臂的中点作为主电路3的交流端，三支桥臂并联后引出两端作为主电路3的直流端；所述v1～v6为igbt管，d1-d6为二极管，d1-d6作用是保护v1-v6。
电机驱动子系统中，断开接触器km1，闭合接触器km2，主电路的交流端与接触器km2连接，再经交流输出接口8与永磁同步电机5相连，如图2所示。
锂电池充电子系统中，断开接触器km2，闭合接触器km1，三相交流电源10通过交流输入接口9与接触器km1相连，接触器km1的另一端与主电路3的交流端相连，如图3所示。
所述控制系统4由主控制器4-1、电机驱动控制模块4-2、充电控制模块4-3、其他模块组成，其他模块包括处理模块4-4、通讯模块4-5、故障模块4-6、i/o模块4-7等。
所述的协调控制策略是：设sf11、sf12、sf13、sf14分别表示电机驱动子系统的4种供电方式，即：氢燃料电池供电、锂电池供电、混合供电、未供电；设sf21、sf22、sf23分别表示锂电池充电子系统的3种电源方式，即：三相交流电源经整流供电、电机运行时氢燃料电池系统供电、停车时氢燃料电池系统供电；其值为“1”表示有效，为“0”表示无效，均通过控制系统中的主控制器来设置。协调控制策略由主控制器实现，具体是：
(1)启动并初始化；
启动控制系统；复位变量sf11、sf12、sf13、sf14以及sf21、sf22、sf23，即其值均为“0”。
(2)电机运行时的协调控制；
根据需要可以选择电机驱动子系统的4种供电方式“氢燃料电池供电、锂电池供电、混合供电、未供电”中的一种供电方式。当选择“氢燃料电池供电”时运行，开关k1闭合，开关k2断开，接触器km1断开，接触器km2闭合，此时sf11＝“1”；当选择“锂电池供电”时运行，开关k1断开，开关k2闭合，接触器km1断开，接触器km2闭合，此时sf12＝“1”；当需要“混合供电”时运行，开关k1和开关k2均闭合，接触器km2闭合，接触器km1断开；此时sf13＝“1”；当需要停车时，开关k1、开关k2、接触器km1和接触器km2均断开。
(3)锂电池充电时的协调控制；
根据需要可以选择充电的电源方式“三相交流电源经整流供电、电机运行时氢燃料电池系统供电、停车时氢燃料电池系统供电”一种。当选择“三相交流电源经整流供电”时充电，开关k1断开，开关k2闭合，接触器km1接通，接触器km2断开，此时sf21＝“1”；当需要“电机运行时氢燃料电池系统供电”时充电，开关k1和开关k2均闭合，接触器km1断开，接触器km2闭合，此时sf22＝“1”；当需要“停车时氢燃料电池系统供电”时充电，开关k1和开关k2均闭合，接触器km1和接触器km2均断开，此时sf23＝“1”。
所述电机驱动控制模块的工作原理是，根据sf1i(i＝1,2,3,4)中值为“1”对应方式，并根据主控器的命令调节驱动电压和驱动电流的大小。使用脉宽pwm法，通过调整pwm的周期和占空比而达到将直流电变成可调的交流电的目的(逆变dc/ac)。电动机在这个交流电的驱动下旋转，进而带动和永磁同步电机联机的汽车运转。空间矢量法等逆变的控制技术是公众已知的，所以不在此地赘述。
所述充电控制模块的工作原理是，根据sf2i(i＝1,2,3)中值为“1”对应方式。当sf21＝“1”时，就可以通过调整pwm的周期和占空比而达到将输入的交流电变成可调的直流电的目的(整流ac/dc)。当这个直流电的电压高于锂电池的电压时，就对其进行充电。在同样的电池状态下，整流输出的直流电的电压越高，充电电流就越大。当sf22＝“1”或当sf23＝“1”时，氢燃料电池系统输出的直流电的电压高于锂电池的电压时，就对其进行充电。
所述控制系统中的处理模块4-4，用于对所有的输入信号进行量化处理及滤波，处理好的信号供控制器使用；所述通讯模块4-5，是控制器和外界联系的工具，用于接收外界信号、向外界报告电池状态和控制器状态；所述故障模块4-6，用于实时探测可能存在的故障、采取措施补救、以及通知使用者；所述i/o模块4-7处理开关量输入/输出信号。
综上所述，本发明将由控制系统和电机驱动子系统、锂电池充电子系统组成的电机驱动与锂电池充电一体化装置集成化，采用一个机箱外壳，一个插头和线束，以降低制造成本比，减少重量和安装空间，便于安装，可应用于氢燃料电池-锂电池混合动力汽车。
以上对本发明所提供的一种混合动力汽车的电机驱动与锂电池充电一体化方法进行了详细介绍，以上实施说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
1.一种混合动力汽车的电机驱动与锂电池充电一体化方法，其特征在于：所述方法包括：电机驱动子系统实现永磁同步电机的驱动，锂电池充电子系统实现锂电池充电；
(1)电机驱动子系统：电机驱动子系统由氢燃料电池系统、锂电池、主电路、控制系统中的电机驱动控制模块、永磁同步电机、第一开关和第二开关、第二接触器、第一直流接口、第二直流接口、交流输出接口组成；所述氢燃料电池系统由氢燃料电堆和dc/dc变换器组成，实现永磁同步电机的驱动方法为：
首先，实时采集脚踏板加速度和汽车的运行工况信息，从“氢燃料电池供电、锂电池供电、混合供电”3种供电方式中，选择其中一种为电机驱动子系统的直流电源；当选择“氢燃料电池供电”时运行，第一开关闭合，第二开关断开，第一接触器断开，第二接触器闭合，当选择“锂电池供电”时运行，第一开关断开，第二开关闭合，第一接触器断开，第二接触器闭合；当需要“混合供电”时运行，第一开关和第二开关均闭合，第二接触器闭合，第一接触器断开；当需要停车时，第一开关、第二开关、第一接触器和第二接触器均断开；
然后，在电机驱动子系统的直流电源作用下，由主电路、控制系统中的电机驱动控制模块、永磁同步电机组成的系统根据控制系统中的主控器的命令将直流电变成可调的交流电驱动永磁同步电机，带动和永磁同步电机联机的汽车运转；
(2)锂电池充电子系统：锂电池充电子系统由三相交流电源、交流输入接口、氢燃料电池系统、主电路、控制系统中的充电控制模块、第一接触器、第一开关和第二开关组成，实现锂电池充电方法为：
交流电源充电：汽车停止运行并且锂电池电量低于阈值时，由三相交流电源、交流输入接口、主电路、控制系统中的充电控制模块、第一接触器和第二开关组成的系统实现锂电池的智能充电；
汽车运行过程中，当氢燃料电池系统输出的直流电的电压高于锂电池的电压，且锂电池电量低于阈值时，由氢燃料电池系统、第一开关和第二开关、控制系统中的充电模块组成的系统实现锂电池的智能充电；
汽车运行过程中，汽车制动需要能量回馈，且锂电池电量低于阈值时，由永磁同步电机、第二接触器、主电路、第二开关、控制系统中的充电模块组成的系统实现锂电池的智能充电；
所述的永磁同步电机的驱动方法和锂电池充电方法的之间的协调控制由控制系统中的主控制器实现；经过上述步骤实现混合动力汽车的永磁同步电机驱动和锂电池充电的运行。
2.根据权利要求1所述一种混合动力汽车的电机驱动与锂电池充电一体化方法，其特征在于：所述控制系统由主控制器、电机驱动控制模块、充电控制模块、其他模块组成，集成在一块pcb板上，控制系统设置4个cpu，分别对应主控制器、电机驱动控制模块、充电控制模块和其他模块。
3.根据权利要求2所述的一种混合动力汽车的电机驱动与锂电池充电一体化方法，其特征在于，所述的其他模块包括处理模块、通讯模块、故障模块和i/o模块，所述处理模块，用于对脚踏板加速度和汽车的运行工况信息进行量化处理及滤波，处理好的信号供主控制器使用；所述通讯模块，是主控制器和外界联系的工具，用于接收外界信号、向外界报告锂电池和主控制器的状态；所述故障模块，用于实时探测可能存在的故障、采取措施补救、以及通知使用者；第一开关和第二开关，第一接触器和第二接触器的通断由所述的i/o模块处理实现。
4.根据权利要求1至3中任一所述的一种混合动力汽车的电机驱动与锂电池充电一体化方法，其特征在于，将由控制系统和电机驱动子系统、锂电池充电子系统组成的电机驱动与锂电池充电一体化装置集成化，采用一个机箱外壳，一个插头和线束。
5.根据权利要求1至4中任一所述的一种混合动力汽车的电机驱动与锂电池充电一体化方法，其特征在于，可应用于氢燃料电池-锂电池混合动力汽车。
技术总结