CN103738153B - 一种新能源汽车的电驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新能源汽车的电驱动系统，包括隔离式非全桥DC‑DC变换器，分别与所述隔离式非全桥DC‑DC变换器连接的低压电池LV、变换器控制器、高压电池HV和电机驱动器，以及分别与所述电机驱动器连接的驱动器控制器和三相交流电机；所述高压电池HV还与电机驱动器连接，所述隔离式非全桥DC‑DC变换器的隔离变压器高压侧的同名端（A）连接至三相交流电机绕组的中性点O。本发明所述新能源汽车的电驱动系统，可以克服现有技术中占用空间大、成本高和能源转换效率低等缺陷，以实现占用空间小、成本低和能源转换效率高的优点。

Description

一种新能源汽车的电驱动系统

技术领域

本发明涉及混合动力汽车的动力系统技术领域，具体地，涉及一种新能源汽车的电驱动系统。

背景技术

能源枯竭和环境污染问题已成为当今社会急需解决的问题，也是全球面临的重大挑战和制约汽车工业可持续发展的症结所在。为了减缓这种情况，人们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。在新能源汽车中，混合动力汽车是将传统燃油发动机驱动与电力驱动相结合，通过对机械、计算机、电力电子、智能控制、新能源等技术的综合利用，控制其动力系统使之按照整车的实际运行工况要求灵活调控，达到提高汽车燃油经济性、减少排放、降低污染的目的，具有高性能、低能耗和低污染的特点以及在技术、经济和环境等方面的综合优势，这决定了它在汽车变革史上起到承上启下的作用，是目前新能源汽车实现产业化的最佳产品。

混合动力汽车动力系统方案中，除了燃油的发动机作为动力源外，还有用电池提供电能的电机系统作为动力源。特别是对于并联混合式混合动力汽车来说，通常需要两个电能存储包，一个用高压电池（HV，高压直流电源）构成，另一个用低压电池（LV，低压直流电源）构成。当汽车需要电机辅助驱动时，高压电池主要用于将其存储的电能提供给电机系统；当汽车再生制动时，主要用于存储电机系统将动能转化过来的电能，此时电机系统为发电状态。高压电池通过高压直流母线与电机系统连接，电机系统通过驱动器（通常也称为逆变器，将直流电变为交流电）连接到高压直流母线。低压电池主要给车载低压负载，如风扇、照明等，提供电能。在这个动力系统方案中，需要双向DC-DC变换器将低压直流母线和高压直流母线连接起来，可将低电压等级的直流电变换成高电压等级或者高电压等级变换成低电压等级，实现整车的能量流动控制。

关于该系统的实现，目前的做法如：双向DC-DC变换器及其控制器、电机驱动系统及其控制器都是独立设计、制作的，然后与电池、电机等部件进行适当的安装和连接，构成常规的电驱动系统。DC-DC变换器和电机系统中的驱动器都主要由功率开关器件构成，如IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），若在系统中这些器件应用较多，则成本高，体积和重量大，另外DC-DC变换的效率可能会变低，多消耗了能量。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在占用空间大、成本高和能源转换效率低等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种新能源汽车的电驱动系统，以实现占用空间小、成本低和能源转换效率高的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新能源汽车的电驱动系统，包括隔离式非全桥DC-DC变换器，分别与所述隔离式非全桥DC-DC变换器连接的低压电池LV、变换器控制器、高压电池HV和电机驱动器，以及分别与所述电机驱动器连接的驱动器控制器和三相交流电机；

所述高压电池HV还与电机驱动器连接，所述隔离式非全桥DC-DC变换器的隔离变压器高压侧的同名端（A）连接至三相交流电机绕组的中性点O。

进一步地，所述隔离式非全桥DC-DC变换器，包括依次连接在所述低压电池LV与电机驱动器之间的降压全桥功率开关电路、隔离变压器和升压半桥功率开关电路，所述变换器控制器分别与降压全桥功率开关电路和升压半桥功率开关电路连接，所述隔离变压器高压侧的同名端（A）连接至三相交流电机绕组的中性点O。

进一步地，所述降压全桥功率开关电路，主要由功率开关器件D1、D2、D3、D4连接而成，形成一个全桥开关电路；

所述全桥开关电路的端子S1、S2分别与低压电池LV的正、副极连接，全桥开关电路的端子O1、O2分别与隔离变压器低压侧的同名端、异名端连接；4个功率开关器件D1、D2、D3、D4的门极端g1、g2、g3、g4，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个功率开关器件的开通、关断。

进一步地，在所述全桥开关电路中，所述功率开关器件D1、D2的漏极连接，作为全桥开关电路的S1端；所述功率开关器件D3、D4的源极连接，作为全桥开关电路的S2端；

所述功率开关器件D1的源极和功率开关器件D3的漏极连接，作为全桥开关电路的O2端；所述功率开关器件D2的源极和功率开关器件D4的漏极连接，作为全桥开关电路O1端。

进一步地，所述升压半桥功率开关电路，主要由功率开关器件D5、D6连接而成，形成一个半桥开关电路；

所述半桥开关电路的端子S3与隔离变压器高压侧的异名端连接，半桥开关电路的端子O3、O4分别与高压直流母线的高电位线H、低电位线L连接；2个功率开关器件D5、D6的门极端g5、g6，分别连接至变换器控制器的2个控制脉冲输出端，由变换器控制器控制这2个功率开关器件的开通、关断。

进一步地，在所述半桥开关电路中，所述功率开关器件D5的漏极作为半桥开关电路的O3端；功率开关器件D5的源极与功率开关器件D6的漏极连接，作为半桥开关电路的S3端；功率开关器件D6的源极，作为半桥开关电路的O4端。

进一步地，所述电机驱动器，主要由功率开关器件D7、D8、D9、D10、D11、D12连接而成；

所述电机驱动器的端子S4、S5分别与高压直流母线的高电位线H、低电位线L连接，电机驱动器的端子O5、O6、O7分别与三相交流电机的3个绕组端连接；6个功率开关器件D7、D8、D9、D10、D11、D12的门极端g7、g8、g9、g10、g11、g12，分别连接至驱动器控制器的6个控制脉冲输出端，由驱动器控制器控制这6个功率开关器件的开通、关断，控制三相交流电机的运行。

进一步地，在所述电机驱动器中，所述功率开关器件D7、D8、D9的漏极连接，作为电机驱动器的S4端；所述功率开关器件D10、D11、D12的源极连接，作为电机驱动器的S5端；所述功率开关器件D7的源极和功率开关器件D10的漏极连接，作为电机驱动器的O7端；所述功率开关器件D8的源极和功率开关器件D11的漏极连接，作为电机驱动器的O6端；所述功率开关器件D9的源极和功率开关器件D12的漏极连接，作为电机驱动器的O5端。

本发明各实施例的新能源汽车的电驱动系统，由于包括隔离式非全桥DC-DC变换器，分别与隔离式非全桥DC-DC变换器连接的低压电池LV、变换器控制器、高压电池HV和电机驱动器，以及分别与电机驱动器连接的驱动器控制器和三相交流电机；高压电池HV还与电机驱动器连接，隔离式非全桥DC-DC变换器的隔离变压器高压侧的同名端（A）连接至三相交流电机绕组的中性点O；可以减少功率开关器件的个数，降低新能源汽车电驱动系统的成本，提高DC-DC变换器的转换效率；从而可以克服现有技术中占用空间大、成本高和能源转换效率低的缺陷，以实现占用空间小、成本低和能源转换效率高的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明新能源汽车的电驱动系统的结构示意图；

图2为常规的新能源汽车电驱动系统的结构示意图；

图3为本发明新能源汽车的电驱动系统中降压全桥功率开关的电路示意图；

图4为本发明新能源汽车的电驱动系统中升压半桥功率开关的电路示意图；

图5为本发明新能源汽车的电驱动系统中电机驱动器的电路示意图；

图6为常规的新能源汽车电驱动系统中升压全桥功率开关的电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

针对应用隔离式全桥DC-DC变换器、三相交流电机的常规电驱动系统，为了解决现有技术存在的技术问题，根据本发明实施例，如图1、图3、图4和图5所示，提供了一种新能源汽车的电驱动系统，具体涉及降低成本、减少重量和体积所涉及的DC-DC变换技术以及电动机驱动技术。该新能源汽车的电驱动系统，主要是涉及DC-DC变换器与电机及其驱动器的集成设计方法，达到减少功率开关器件数量，减小动力系统体积和重量，降低动力系统的成本、节约能源的目的。

本实施例的新能源汽车的电驱动系统，包括高压电池及其高压直流母线、低压电池、隔离式非全桥DC-DC变换器、变换器控制器、三相交流电机、电机驱动器、驱动器控制器。高压电池连接至高压直流母线；隔离式非全桥DC-DC变换器分别与高压直流母线、低压电池连接，变换器控制器对隔离式非全桥DC-DC变换器的运行实施控制；电机驱动器分别与高压直流母线、三相交流电机连接，驱动器控制器对电机驱动器运行实施控制，从而控制三相交流电机的运行。三相交流电机为三相交流电动机，其绕组采用星型连接方式。

其中，隔离式非全桥DC-DC变换器，包括降压全桥功率开关电路、隔离变压器、升压半桥功率开关电路，降压全桥功率开关电路与隔离变压器的低压侧连接，升压半桥功率开关电路与隔离变压器的高压侧连接，隔离变压器的高压侧同名端与三相交流电机绕组的中性点连接。与常规的隔离式全桥DC-DC变换器主要不同在于：采用升压半桥功率开关电路，而不是升压全桥功率开关电路。

下面参见图1、图3、图4、图5，对上述实施例的新能源汽车的电驱动系统进行具体说明。

图1显示的隔离式非全桥DC-DC变换器包括降压全桥功率开关电路、隔离变压器、升压半桥功率开关电路。降压全桥功率开关电路由图3示出，由功率开关器件D1、D2、D3、D4连接而成，形成一个全桥开关电路，其端子S1、S2分别与低压电池LV的正、副极连接，端子O1、O2分别与隔离变压器低压侧的同名端、异名端连接，4个功率开关器件的门极端g1、g2、g3、g4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个功率开关器件的开通、关断。

升压半桥功率开关电路由图4示出，由功率开关器件D5、D6连接而成，形成一个半桥开关电路，其端子S3与隔离变压器高压侧的异名端连接，端子O3、O4分别与高压直流母线的高电位线H、低电位线L连接，2个功率开关器件的门极端g5、g6分别连接至变换器控制器的2个控制脉冲输出端，由变换器控制器控制这2个功率开关器件的开通、关断。隔离变压器高压侧的同名端A连接至三相交流电机绕组的中性点O。

电机驱动器由图5示出，由功率开关器件D7、D8、D9、D10、D11、D12连接而成，其端子S4、S5分别与高压直流母线的高电位线H、低电位线L连接，端子O5、O6、O7分别与三相交流电机的3个绕组端连接，6个功率开关器件的门极端g7、g8、g9、g10、g11、g12分别连接至驱动器控制器的6个控制脉冲输出端，由驱动器控制器控制这6个功率开关器件的开通、关断，从而控制三相交流电机的运行。

为了进一步说明本发明上述实施例的新能源汽车的电驱动系统，给出了一种常规的新能源汽车电驱动系统，参见图2。该常规的新能源汽车电驱动系统，包括高压电池及其高压直流母线、低压电池、隔离式全桥DC-DC变换器、变换器控制器、三相交流电机、电机驱动器、驱动器控制器。隔离式全桥DC-DC变换器包括降压全桥功率开关电路、隔离变压器、升压全桥功率开关电路。

在该常规的新能源汽车电驱动系统中，升压全桥功率开关电路由图6示出，由功率开关器件D13、D14、D15、D16连接而成，其端子S6、S7分别与隔离变压器高压侧的同名端、异名端连接，端子O8、O9分别与高压直流母线的高电位线H、低电位线L连接，4个功率开关器件的门极端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个功率开关器件的开通、关断。隔离变压器高压侧的同名端A不与三相交流电机绕组的中性点O连接。本发明上述实施例的新能源汽车的电驱动系统与图2所示系统相比较，主要不同：升压半桥功率开关电路取代了升压全桥功率开关电路，隔离变压器高压侧的同名端A需连接至三相交流电机绕组的中性点O。图2所示的常规的新能源汽车电驱动系统，其他部分及其连接与本发明相同。

进一步地分析，本发明上述实施例的新能源汽车的电驱动系统与图2所示系统具有等效的电路关系。从图2得到三相交流电机的零序电压（即三相交流电机绕组中性点的电压）：

；

以上公式中，V _HL 为高压直流母线的电压；如若功率开关器件D7闭合、D10断开，则=1，否则=0；同样地，功率开关器件D8闭合、D11断开，则=1，否则=0；功率开关器件D9闭合、D12断开，则=1，否则=0。

因此，不同的控制脉冲下，获得不同的零序电压。对于图2中的升压全桥功率开关电路，变换器控制器输出适当的控制脉冲，使隔离变压器高压侧的同名端A具有与三相交流电机的零序电压相同的电压，则可用零序电压取代图6中功率开关器件D14、D16组成的半个桥，即隔离变压器高压侧的同名端A可以和三相交流电机绕组中性点O连接在一起，并将功率开关器件D14、D16取消，获得与图1等效的电路。

本发明上述实施例的新能源汽车的电驱动系统与图2所示的常规系统相比，具有如下有益效果：

⑴减少了2个功率开关器件，降低了新能源汽车电驱动系统的成本，其重量和体积都获得减少；

⑵由于少了2个功率开关器件，DC-DC变换器的转换效率得到提高，本发明上述实施例的新能源汽车的电驱动系统的功耗要比图2所示的常规系统低。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种新能源汽车的电驱动系统，其特征在于，包括隔离式非全桥DC-DC变换器，分别与所述隔离式非全桥DC-DC变换器连接的低压电池LV、变换器控制器、高压电池HV和电机驱动器，以及分别与所述电机驱动器连接的驱动器控制器和三相交流电机；

所述高压电池HV还与电机驱动器连接，所述隔离式非全桥DC-DC变换器的隔离变压器高压侧的同名端A连接至三相交流电机绕组的中性点O。

2.根据权利要求1所述的新能源汽车的电驱动系统，其特征在于，所述隔离式非全桥DC-DC变换器，包括依次连接在所述低压电池LV与电机驱动器之间的降压全桥功率开关电路、隔离变压器和升压半桥功率开关电路，所述变换器控制器分别与降压全桥功率开关电路和升压半桥功率开关电路连接，所述隔离变压器高压侧的同名端A连接至三相交流电机绕组的中性点O。

3.根据权利要求2所述的新能源汽车的电驱动系统，其特征在于，所述降压全桥功率开关电路，主要由功率开关器件D1、D2、D3、D4连接而成，形成一个全桥开关电路；

所述全桥开关电路的端子S1、S2分别与低压电池LV的正、副极连接，全桥开关电路的端子O1、O2分别与隔离变压器低压侧的同名端、异名端连接；4个功率开关器件D1、D2、D3、D4的门极端g1、g2、g3、g4，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个功率开关器件的开通、关断。

4.根据权利要求3所述的新能源汽车的电驱动系统，其特征在于，在所述全桥开关电路中，所述功率开关器件D1、D2的漏极连接，作为全桥开关电路的S1端；所述功率开关器件D3、D4的源极连接，作为全桥开关电路的S2端；

所述功率开关器件D1的源极和功率开关器件D3的漏极连接，作为全桥开关电路的O2端；所述功率开关器件D2的源极和功率开关器件D4的漏极连接，作为全桥开关电路O1端。

5.根据权利要求2所述的新能源汽车的电驱动系统，其特征在于，所述升压半桥功率开关电路，主要由功率开关器件D5、D6连接而成，形成一个半桥开关电路；

所述半桥开关电路的端子S3与隔离变压器高压侧的异名端连接，半桥开关电路的端子O3、O4分别与高压直流母线的高电位线H、低电位线L连接；2个功率开关器件D5、D6的门极端g5、g6，分别连接至变换器控制器的2个控制脉冲输出端，由变换器控制器控制这2个功率开关器件的开通、关断。

6.根据权利要求5所述的新能源汽车的电驱动系统，其特征在于，在所述半桥开关电路中，所述功率开关器件D5的漏极作为半桥开关电路的O3端；功率开关器件D5的源极与功率开关器件D6的漏极连接，作为半桥开关电路的S3端；功率开关器件D6的源极，作为半桥开关电路的O4端。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的新能源汽车的电驱动系统，其特征在于，所述电机驱动器，主要由功率开关器件D7、D8、D9、D10、D11、D12连接而成；

所述电机驱动器的端子S4、S5分别与高压直流母线的高电位线H、低电位线L连接，电机驱动器的端子O5、O6、O7分别与三相交流电机的3个绕组端连接；6个功率开关器件D7、D8、D9、D10、D11、D12的门极端g7、g8、g9、g10、g11、g12，分别连接至驱动器控制器的6个控制脉冲输出端，由驱动器控制器控制这6个功率开关器件的开通、关断，控制三相交流电机的运行。

8.根据权利要求7所述的新能源汽车的电驱动系统，其特征在于，在所述电机驱动器中，所述功率开关器件D7、D8、D9的漏极连接，作为电机驱动器的S4端；所述功率开关器件D10、D11、D12的源极连接，作为电机驱动器的S5端；所述功率开关器件D7的源极和功率开关器件D10的漏极连接，作为电机驱动器的O7端；所述功率开关器件D8的源极和功率开关器件D11的漏极连接，作为电机驱动器的O6端；所述功率开关器件D9的源极和功率开关器件D12的漏极连接，作为电机驱动器的O5端。