CN103368239A

CN103368239A - 用于对电池充电并用于驱动三相电机的电路

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Publication number: CN103368239A
Application number: CN2013100526578A
Authority: CN
Inventors: M·尼尔松
Original assignee: Volvo Car Corp
Current assignee: Volvo Car Corp
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2013-02-18
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2033-02-18
Also published as: US9387769B2; CN103368239B; EP2647523A1; US20130265011A1

Abstract

提供了一种用于对电池（104）充电并用于驱动电机（180）的电路（102），所述三相电机（180）包括采用Y型结构的至少三个静态电感器（182，184，186），具有连接到中心点的第一充电端子（188）。电路（102）包括三相逆变器，包括开关（112，116，122，126，132，136）和整流元件（114，118，124，128，134，138），用于将电池（104）连接到电路（102）的两个直流端子（152，154）；以及三个相端子（162，164，166），用于将电路（102）连接到电感器（182，184，186）。所述电路（102）还包括彼此串联连接的第一整流元件（144）和第二整流元件（148），其中第二充电端子（172）设置于所述第一整流元件（144）和所述第二整流元件（148）之间。串联连接的第一整流元件（144）和第二整流元件（148）连接到与直流端子（152，154）和第一整流元件（144）并联的逆变器，第二整流元件（148）与逆变器的整流元件（114，118，124，128，134，138）具有相同的取向，以形成全桥整流器。

Description

用于对电池充电并用于驱动三相电机的电路

技术领域

本发明涉及用于对电池进行充电的电路。

背景技术

US专利申请2011/0187185公开了一种用于汽车的电力牵引链，其包括车载可充电电源、能够产生通过输入连接到可充电电源的三相电压系统的静态变换器、由静态变换器产生的三相电压系统供电的三相电动机，其中外部电源可以连接到电动机的定子绕组以能够对静态变换器两端的车载电源再充电。

这种电力牵引链的问题是，在电机（电动机）的转子中包括永磁体的情况下，利用单相电力线充电是非常不现实的，这是因为定子的电感器不被均等地充电。利用转子中的永磁体，这导致转子运动。

发明内容

优选提供具有低数量部件的简单驱动和充电电路。

第一方面提供了一种用于对电池充电并用于驱动三相电机的电路，包括采用Y型结构的至少三个静态电感器，具有连接到中心点的第一充电端子。该电路包括三相直流-交流变换器，其包括多个开关和整流元件，两个用于将电池连接到电路的直流端子，和三个用于将电路连接到电感器的相端子。所述电路还包括彼此串联连接的第一整流元件和第二整流元件，具有提供于所述第一整流元件和所述第二整流元件之间的第二充电端子。串联连接的第一整流元件和第二整流元件连接到与直流端子并联的直流-交流变换器，所述第一整流元件和所述第二整流元件与所述直流-交流变换器的整流元件的至少两个整流元件具有相同取向，以便形成具有直流-交流变换器的整流元件的全桥整流器，用于对所述第一充电端子和所述第二充电端子上施加的交流电压进行整流，以在两个直流端子之间提供整流电压。

静态变换器、电气逆变器和其他直流-交流变换器包括整流元件，尤其是二极管，无论是单层次或多层次，包括像二极管和开关的整流元件，具有相对于直流端子相同取向中的二极管。通过提供两个额外的串联二极管，在它们之间提供充电端子，可以生成全桥整流器。由额外两个二极管提供整流器的一半，由逆变器提供另一半。这样允许利用交流电信号对电池进行充电。有很多拓扑结构用于包括整流元件和开关的直流-交流变换器，但全部都具有至少两个串联的整流元件，其可用作全桥整流器的一半。

在实施例中，所述直流-交流变换器包括三对，每一对包括两组，每一组由并联连接的开关和整流元件构成，所述两组彼此串联连接，其中相端子设置在所述两组之间，所述三对彼此并联连接，并且其中所述整流元件全都具有相同的取向。

这样的逆变器具有简单可行的设计，部件数很少。由并联连接的开关和整流元件组的一个或多个对作为第一半，另外两个整流元件作为第二半来提供全桥整流器。

实施例还包括直流-直流变换器，用于将由直流-交流变换器提供的变换器电压降低到低于变换器电压的充电电压，所述直流-直流变换器的输入并联连接到直流-交流变换器的直流部分，而所述直流-直流变换器的输出连接到所述两个直流端子。

第二方面提供了用于车辆的驱动和充电模块，包括：三相电机，包括至少三个采用Y型结构的电感，连接到第一充电端子和第二充电端子的连接器和根据第一方面和其实施例的任何电路。

这样的模块适于组装在车辆中。提供连接器以将该模块连接到一相充电源，像墙装插座。在这种情况下，连接器是公型的。或者，连接器是用于连接延长电线的母型。后一种选项也是可行的，连接器为公型的。

在第三方面中，提供了一种车辆，包括：至少两个车轮；根据第二方面的模块，用于控制电路开关的控制模块；以及连接到模块的电池。在该车辆中，所述两个车轮中的至少一个连接到所述三相电机，以驱动所述车轮。

这样的车辆可以是汽车、自行车、卡车或玩具或其他。

附图说明

现在将利用附图更详细地论述本发明。在附图中，

图1示出了充电和驱动模块；

图2示出了包括充电和驱动模块的车辆；

图3示出了充电操作期间的充电和驱动模块的等效物；以及

图4示出了另一种充电和驱动模块。

具体实施方式

图1示出了用于车辆的充电和驱动模块100。充电和驱动模块100包括逆变器电路102、电机180、电池104和插头108。逆变器电路102布置成驱动电机180并为电池104充电。

电机180包括第一电感器182、第二电感器184和第三电感器186。三个电感器采用Y型结构连接，具有公共中心点，在该中心点提供第一充电端子188。三个电感器优选是静态电感器，充当用于电机180的定子。转子优选设置有提供于轴上的永磁体。通过静态电感器提供交流电，每个电流都具有优选120°或2/3π的相移，可以驱动转子以建立转子和轴的转动。

如图2所示，充电和驱动模块100布置成用于汽车200中。汽车200包括逆变器电路102、电池104、插头108和用于驱动前轮204的电机180。替代地或此外，也可以由电机180或额外的电机驱动后轮208。汽车200还包括用于驱动逆变器电路102的控制电路210。

逆变器电路102包括第一组，包括与第一二极管114并联的第一开关112，该组与第二组串联，第二组包括并联的第二开关116和第二二极管118。与两组开关和二极管并联地，提供了并联的一组第三开关122和第三二极管124，与一组第三开关122和第三二极管124串联的是并联的另一开关126和第四二极管128。而且一组并联的第五开关132和第五二极管134与一组并联的第六开关136和第六二极管138串联，这两组串联布置，并且与其他串联的组并联放置。因此，提供了三对，每一对包括两组，每一组由并联连接的开关和二极管构成，所述两组彼此串联连接，所述三对彼此并联连接。二极管全都具有相同的取向。

逆变器电路还包括并联到成对的开关和二极管组以及第一端子152和第二DC端子154的电容器106，用于将电池104并联连接到电容器。与电容器并联地，还将串联连接的第七二极管144和第八二极管148连接到逆变器电路102。

在三组开关和二极管的每个之间，提供端子，用于将逆变器电路102连接到电机180。一方面，在第一开关112和第一二极管114之间，另一方面在第二开关116和第二二极管118之间，提供第一相端子162。一方面，在第三开关122和第三二极管124之间，另一方面在第四开关126和第四二极管128之间，提供第二相端子164。一方面，在第五开关132和第五二极管134之间，另一方面在第六开关136和第六二极管138之间，提供第三相端子166。在第七二极管144和第四二极管148之间，提供第二充电端子172。

充电插头108连接到第一充电端子188和第二充电端子172。

为了驱动电机180，操作逆变器电路的开关以在逆变器电路102的每个相端子产生正弦波。这是通过在脉冲宽度调制（PWM）操作模式中操作开关进行的。相端子处的正弦波偏移120°或2/3π。通过改变正弦波的频率，可以修改电机180的旋转频率。通过这种方式，将电池104提供的直流电压转换成在第一相端子162、第二相端子164和第三相端子166处可用的三相交流电压。

可以通过将作为参考信号的具有目标频率的正弦波与频率更加高（优选至少是十倍高）的锯齿波形进行比较来产生PWM信号。输出为二进制信号，在连续的时间量程上从0变为1。使用这个信号驱动第一开关112。使用信号的补码驱动第二开关116。通过将参考信号偏移120°或2/3π来产生用于驱动第三开关122和第四开关126的另一信号，其中由所产生的另一控制信号的补码驱动第四开关126。通过将第一参考信号偏移240°或4/3π来产生驱动第五开关132的另一信号，其中由所产生的其他控制信号的补码驱动第六开关136。通过这种方式，产生了正弦波的相当近似。也可以使用精确度较低的近似，例如方块波或改性正弦波，但代价是电机180的效率。

电池104是可充电电池，可以通过连接到充电和驱动模块100的插头108为其充电。为了逆变器电路102对电池104充电的基本充电操作，打开逆变器电路102的所有开关，即处于不导电状态。插头108连接到市电电源，优选为230伏，50Hz，或110伏，60Hz。

在基本充电操作中，具有三对开关-二极管组的逆变器电路充当全桥整流器。第一二极管114、第三二极管124和第五二极管134并联连接，第二二极管118、第四二极管128和第六二极管138并联连接。这是因为连接到相端子的电机180的三个电感器182、184、186连接在一起并具有单相电压，且所有开关都是打开的。这些组形成整流器的一半，相当于两个串联的二极管，它们之间连接一个单相端子。由第七二极管144和第八二极管148提供全桥整流器的另一半。图3示出了配置的这种等效电路。

在图3中，一方面由第七二极管144和第八二极管148、以及第一二极管等效电路314和第二二极管等效电路318提供全桥整流器。第一二极管等效电路314等效于第一二极管114，并联的第三二极管124和第五二极管134，第二二极管等效电路318等效于并联的第二二极管118，第四二极管128和第六二极管138。

通过这种方式，将供应给插头108的单相交流电信号转换成直流信号，由电容器106均衡，并提供给电池104。

在电池需要高于市电电源最大电压的电压时，在充电阶段中同时操作逆变器电路的开关。与电机180的电感器一起，这构成功率因数控制电路，用于提高第一直流端子152和第二直流端子154上的输出电压。第一直流端子152和第二直流端子154上的实际输出电压取决于切换逆变器电路102的六个开关的占空比。

重要的是，在通过插头108进行充电操作时，同时操作第一开关112、第三开关122和第五开关132，而且同时操作第二开关116、第四开关126和第六开关136。这是因为在插入插头充电操作时，汽车200应当是并保持静止，电机180不转动，以防止事故。因此，通过三个电感器的电流应当在每个时刻基本相同，这是通过如上所述同时操作开关确定的。

另一方面，在电池104需要比提供给插头108的市电电源最大电压更低的电压时，图1所示的逆变器电路102不够用。图4所示的逆变器电路402包括降压变换器，用于向下变换由逆变器电路402的逆变部分提供的电压。降压变换器包括第一降压开关192、第一降压二极管194、第二降压开关196、第二降压二极管198和降压电感器190。本领域的技术人员将认识到，第一降压二极管194和第二降压开关196是任选的，可以省略。由输入电压、降压电感器190的值和第一降压开关193的占空比来确定提供给电池104的最终输出电压。

本领域的技术人员将认识到，上文提供的实施例的各种变化是可能的。替代二极管，也可以使用其他整流元件，无论是有源还是无源的。对于开关，可以使用任何适当的电子开关，包括，但不限于三端双向可控硅开关、IGBT、GTO、MOSFET等。对于汽车200，要指出的是，也可以将充电和驱动模块100用于像自行车的其他车辆。

在第一充电端子188和第二充电端子172上施加直流电压以为电池104充电时，也可以使用本发明的电路102而不做进一步修改。此外，本发明的全桥整流器允许将直流电压电源的正负导体以任何次序连接到第一充电端子188和第二充电端子172。

优选地，可以利用现有的逆变器控制模块210实现组合式逆变器和车载充电器，仅仅修改其软件以包括充电模式。需要的其他修改是较小的硬件修改，例如增加第一和第二整流元件144、148，连接到三个静态电感器182、184、186的中心点的第一充电端子188，以及第二充电端子172。

在解释描述及其关联权利要求时，例如“包括”、“结合”、“包含”、“是”和“具有”的表达应以非排他方式解释，即理解为允许还存在未明确定义的其他物体或部件。提到单数也被解释为提到多个，反之亦然。

在以上描述中，应该理解，在称诸如层、区域或衬底的元件在另一元件“上”、向另一元件“上”，或“连接到”另一元件时，该元件直接在其他元件上或连接到其他元件，或者也可以有中间元件。

此外，也可以利用比这里所述实施例中提供的更少部件实现本发明，其中一个部件执行多种功能。同样，可以利用比图中所示更多的元件实现本发明，其中在多个部件上分布所提供实施例中的一个部件执行的功能。

本领域的技术人员将容易认识到，可以修改说明书中公开的各种参数，且可以组合所公开和/或主张的各实施例而不脱离本发明的范围。

规定：权利要求中的附图标记不限制权利要求的范围，插入其仅仅为了提高权利要求的易读性。

Claims

1.一种用于对电池（104）充电并用于驱动三相电机（180）的电路（102），所述三相电机（180）包括采用Y型结构的至少三个静态电感器（182，184，186），其具有连接到中心点的第一充电端子（188），所述电路包括：

-三相直流-交流变换器，包括：

-多个开关（112，116，122，126，132，136）和整流元件（114，118，124，128，134，138）；

-用于将所述电池（104）连接到所述电路（102）的两个直流端子（152，154）；以及

-用于将所述电路（102）连接到所述电感器（182，184，186）的三个相端子（162，164，166）；

其特征在于：

-所述电路（102）还包括彼此串联连接的第一整流元件（144）和第二整流元件（148），其中第二充电端子（172）设置于所述第一整流元件（144）和所述第二整流元件（148）之间；

-串联连接的所述第一整流元件（144）和所述第二整流元件（148）连接到与所述直流端子（152，154）并联的直流-交流变换器；以及

-所述第一整流元件（144）和所述第二整流元件（148）与所述直流-交流变换器的整流元件（114，118，124，128，134，138）中的至少两个整流元件具有相同取向，以便形成具有所述直流-交流变换器的整流元件（114，118，124，128，134，138）的全桥整流器，以用于对所述第一充电端子（188）和所述第二充电端子（172）上施加的交流电压进行整流，以在所述两个直流端子（152，154）之间提供整流电压。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述直流-交流变换器包括三对，每一对包括两组，每一组由并联连接的开关（112，116，122，126，132，136）和整流元件（114，118，124，128，134，138）构成，所述两组彼此串联连接，其中相端子（162，164，166）设置在所述两组之间，所述三对彼此并联连接，并且其中所述整流元件（114，118，124，128，134，138）全都具有相同的取向。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的电路（102），包括并联连接到所述直流-交流变换器的电容（106）。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的电路（102），还包括直流-直流变换器，用于将由所述直流-交流变换器提供的变换器电压降低到低于所述变换器电压的充电电压，所述直流-直流变换器的输入并联连接到所述直流-交流变换器的直流部分，而所述直流-直流变换器的输出连接到所述两个直流端子。

5.根据权利要求4所述的电路，其中所述直流-直流变换器是降压变换器。

6.一种用于车辆的驱动和充电模块（100），包括：

-三相电机（180），包括采用Y型结构的至少三个电感（182，184，186）；

-连接到第一充电端子（188）和第二充电端子（172）的连接器（108）；

-根据权利要求1到5中的任一项所述的电路（102）。

7.一种车辆（200），包括：

-至少两个车轮（204，208）；

-根据权利要求6所述的模块（100）；

-用于控制所述电路（102）的开关（112，116，122，126，132，136，192，196）的控制模块（210）；以及

-连接到所述模块（100）的电池（104）；

其中所述两个车轮（204，208）中的至少一个连接到所述三相电机（180），以驱动所述车轮（204，208）。