CN103770656A - 一种集成驱动/充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集成驱动/充电装置，包括：电池，适于在充电模式下被充电、在工作模式下供电；三电平变换器，其直流侧连接到所述电池的正负极，其交流侧具有三个端口，所述三电平变换器适于提供直流交流的相互转换；三相电机，具有三个绕组；开关，具有至少三个接线端，适于在闭合时使得所述三个接线端之间电连接，且在打开时使得所述三个接线端之间彼此电隔离；其中所述三个绕组的一端分别连接到所述开关的三个接线端，其中两个绕组连接到所述开关的该端还分别适于连接到外部电源的火线和零线，所述三个绕组的另一端分别连接到所述三电平变换器的交流侧的三个端口。

Description

一种集成驱动/充电装置

技术领域

本发明涉及一种用于EV（Electric Vehicle，电动汽车）和PHEV（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，充电式混合电动汽车）的车载型充电装置，尤其涉及一种可集成驱动和充电功能的集成驱动/充电装置。

背景技术

EV（Electric Vehicle，电动汽车）和PHEV（Plug-in Hybrid ElectricVehicle，充电式混合电动汽车）的发展越来越受到人们的关注，相比较于传统的汽车来说，EV和PHEV使用电能作为驱动的源泉，不再依赖于化石能源，同时可以实现零排放（低排放），有利于环境，是未来的发展方向。在EV和PHEV中，电池是一个非常重要的部件，而电池的性能和寿命不仅仅取决于电池所使用的原材料，也取决于充电的方式。目前主要有两种形式的电动汽车充电器，一种为on-board（车载）类型，通常功率较小，无隔离，满足常规充电（6到8小时）需求；而另一种则为off-board（非车载）类型，功率较大，一般有隔离，满足快速充电（10到15分钟）需求。

典型EV的结构相对简单，其结构如图1所示，只有一套电池/电机系统，电池作为汽车的动力源，通过变换器来驱动电机。EV的核心控制部分具有2个控制单元、电池控制单元以及变换器控制单元。

典型的PHEV具有2套动力装置，其结构如图2所示，一套为传统的内燃机系统，另一套为电池/电机系统，与普通的HEV（Hybrid ElectricVehicle，混合电动汽车）不同的是，PHEV的电池可以通过外部电源充电。除了电机和内燃机的控制系统，还有一个系统控制器，完成包括充电以及能量管理的任务。

在EV和PHEV中，都有电机的驱动器这个部件来确保电池的化学能转化为电机的机械能，驱动汽车行驶。而由于电池的存在，一般都需要充电器对电池进行能量的补充，如前所述，On-board类型充电器功率小，一般随时携带在车内，因此要求其体积小，成本低，使用简单方便。为了达成此目标，很多学者讨论了将充电器与电机的驱动器集成在一起的可能性，从而使用一套硬件平台，在不同时段满足驱动和充电的双重功能。

Wally E.Rippel等人在公开号为US4920475A、题为“Integrated TractionInverter and Battery Charger Apparatus”的美国专利中公开了一种使用电机驱动器内的3相2电平全桥变换器与外置的电感及整流桥构成Boost充电器的概念，在对电池充电的同时保持输入侧高功率因数。Alan G.Cocconi等人在公开号为US5341075A、题为“Combined Motor Drive and BatteryRecharge System”的美国专利中进一步使用电机的绕组作为电感，再与3相2电平全桥变换器器形成Boost电路，通过使用2个开关来切断/连接变换器和电机的绕组，从而在驱动和充电的功能之间切换。

Wally E.Rippel等人在公开号为US5099186A、题为“Integrated MotorDrive and Recharge System.”的美国专利中提出使用2套变换器和2台电机（或者一台电机2套绕组）来实现驱动器与充电器之间的集成。其思想为电机的三相绕组同时作为输入电感，这样可以保证三相绕组内的电流方向一致，防止出现不期望的转矩，这种思想可以用于2轮驱动的EV或PHEV中。

S.J.Lee等人在“An Integral Battery Charger for 4 Wheel Drive ElectricVehicle.”（IEEE Trans.Ind.Electron.,Vol.57,No.2,641–648,2010.6.）中提出使用4套变换器以及4台电机构成的驱动器/充电器集成系统，通过一个切换开关可以完成驱动和充电功能之间的转换，适用于4轮驱动的EV和PHEV中。

另外，也有一些方案采用了特殊的电机结构来进一步有效利用电机绕组的电感，从而实现单相或者3相的充电器与驱动器的集成，使用split绕组电机的系统，其思想是使用定子绕组的中心抽头作为输入，3相定子绕组变为6个电感，从而构成2个3相充电器（或者是1个单相充电器）；使用绕线型转子异步电机的定子和转子绕组构成了一个隔离的变压器，从而实现了隔离式充电器系统。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种基于三电平变换器的集成驱动/充电装置，将充电器与电机的驱动器集成在一起，可在不同时段满足驱动和充电的双重功能，又能提高系统效率，降低共模电压。

本发明提供一种集成驱动/充电装置，包括：

电池，适于在充电模式下被充电、在工作模式下供电；

三电平变换器，其直流侧连接到所述电池的正负极，其交流侧具有三个端口，所述三电平变换器适于提供直流交流的相互转换；

三相电机，具有三个绕组；

开关，具有至少三个接线端，适于在闭合时使得所述三个接线端之间电连接，且在打开时使得所述三个接线端之间彼此电隔离；

其中所述三个绕组的一端分别连接到所述开关的三个接线端，其中两个绕组连接到所述开关的该端还分别适于连接到外部电源的火线和零线，所述三个绕组的另一端分别连接到所述三电平变换器的交流侧的三个端口。

根据本发明提供的装置，还包括位于电源与开关之间的电磁滤波器。

根据本发明提供的装置，其中当开关闭合时，控制电磁滤波器，使电磁滤波器将电源与开关断开，当开关打开时，控制电磁滤波器，使电磁滤波器将电源与开关连接。

根据本发明提供的装置，其中所述开关为单相接触器。

根据本发明提供的装置，其中所述开关闭合时，所述集成驱动/充电装置处于工作模式。

根据本发明提供的装置，其中所述开关打开时，所述集成驱动/充电装置处于充电模式。

本发明还提供一种电气控制系统，包括：

1)系统控制器；

2)上述集成驱动/充电装置；

3)三电平变换器控制器；

其中系统控制器向三电平变换器控制器发出电池充电和放电的命令，三电平变换器控制器根据收到的系统控制器的命令控制集成驱动/充电装置中的三电平变换器和单相接触器，实现电池在工作/充电模式之间的切换。

根据本发明提供系统，其中所述三相电机上具有速度/位置传感器，所述速度/位置传感器向三电平变换器控制器发送三相电机的速度和位置信息，其中当速度/位置传感器发送的信息显示电机处于运动状态中时，则三电平变换器控制器不执行从工作模式向充电模式的转换。

本发明还提供一种电动汽车，具有上述的集成驱动/充电装置。

本发明还提供一种充电式混合电动汽车，具有上述的集成驱动/充电装置。

本发明提供的基于三电平变换器的集成驱动/充电装置，能够将充电器与电机的驱动器集成在一起，充电时不会形成旋转磁场造成不期望的转矩，很容易实现单位功率因数运行，同时还具有能量可以双向流动的特点，除了通过电网向电池充电外，还可以实现电池能量回馈电网，即V2G（Vehicle to Grid）的功能。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为EV的结构示意图；

图2为PHEV的结构示意图；

图3为根据本发明的装置的电路图；

图4为实施例1中的单相接触器的电路图；

图5为充电模式下根据本发明的装置的电路图；

图6为根据本发明实施例2的电气控制系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种集成驱动/充电装置，其电路图如图3所示，包括：

电池，适于在充电模式下被充电、在工作模式下驱动电机；

三电平变换器1，适于提供直流交流的相互转换，其直流侧连接到电池的正负极，其中三电平变换器的正极连接到电池的正极，三电平变换器的负极连接到电池的负极，三电平变换器1的交流侧具有三个端口；

三相电机2，具有三相绕组L1、L2和L3；

开关S；

电磁滤波器（EMI filter），位于电源与开关S之间；

其中三相绕组L1、L2和L3的一端分别连接到开关S，开关S的具体电路结构如图3所示，三相绕组L1、L2和L3连接到开关S的这一端为中性点，另外绕组L1、L3的中性点这一端还分别通过电磁滤波器连接到外部电源3的火线、零线。这里选择L1、L3连接到外部电源3仅是为了方便说明，连接到外部电源3的正负极的绕组可以是三相绕组中的任意两个绕组。三相绕组L1、L2和L3的与中性点一端相反的另一端分别连接到三电平变换器的交流侧的三个端口，其中开关S为如图4所示的单相接触器，当开关S闭合（即单相接触器吸合，T1与T2电连接，T3与T4电连接）时，三相绕组L2与三相绕组L1、L3短接在一起构成中性点，同时控制电磁滤波器，使电磁滤波器将三相绕组L1、L3的中性点一端与外部电源断开，此时电池通过三电平变换器驱动电机。而当开关S打开（即单相接触器断开，T1与T2断开，T3与T4断开）时，三相绕组L1、L2和L3相互之间各自分别断开，同时控制电磁滤波器使三相绕组L1、L3的中性点一端与外部电源3连接，从而使外部电源3被接入电路。此时，绕组L1、L3与三电平变换器的A相、C相桥臂构成单相三电平整流电路，其等效电路图如图5所示，即处于充电模式，电源通过该单相三电平整流电路对电池进行充电。充电时，L1和L3的绕组中的电流大小相等，方向相反，不会形成旋转磁场造成不期望的转矩，因此也不需要增加额外的转子锁定装置。另外，图5中的3电平整流电路很容易实现单位功率因数运行，同时还具有能量可以双向流动的特点，除了通过电网向电池充电外，还可以实现电池能量回馈电网，即V2G（Vehicle to Grid）的功能。

综上，本发明提供了一种将EV和PHEV中的驱动和充电功能集成在一起的装置，其中3电平变换器本身具有高效率，器件电压应力低等特点，当3电平变换器作为EV和PHEV的驱动部分时，可以提供谐波含量更少的电流到电机，降低转矩波动，减小电机发热及噪音，通过适当的PWM方法可以有效降低共模电压，减小电机的轴承电流，延长电机寿命；而当3电平变换器作为EV和PHEV的充电部分时，可以实现能量在车辆和电网间的双向流动，有效降低网侧电流的谐波，实现高功率因数运行。

上述实施例中，电磁滤波器除了起到电磁屏蔽的作用外，还起到了切断/接入外部电源的作用，从而防止开关S闭合时外部电源发生短路，在根据本发明的其他实施例中，也可以用其他的可切断/接入外部电源的开关装置代替电磁滤波器。也可以省略电磁滤波器，在这种情况下，需要保证先断开外部电源后再闭合开关S以防止外部电源短路。

根据本发明的其他实施例，其中图3中仅示例性地示出三电平变换器中的一种，本发明也可以采用其他类型的三电平变换器。

根据本发明的其他实施例，其中所述三相电机可以为异步电机、永磁同步电机，或其他类型的三相电机等。

根据本发明的其他实施例，其中开关S也可以为其他类型的开关，并不局限于单相接触器，只要是能够使绕组L2在短接与分离于绕组L1、L3这两种状态之间切换即可。

本发明还提供一种用于EV或PHEV的电气控制系统，其结构如图6所示，包括：

1)系统控制器；

2)前述的集成驱动/充电装置，包括电池、三电平变换器、电机、电磁滤波器和单相接触器，其中电机上具有速度/位置传感器；

3)三电平变换器控制器；

其中系统控制器负责系统层面的逻辑控制，用于人机界面的交互及决定内燃机和电动机的动作情况，同时向三电平变换器控制器发出电池充电和放电的命令。速度/位置传感器向三电平变换器控制器发送电机的速度和位置信息。三电平变换器控制器根据收到的系统控制器的命令以及电机的速度和位置信息，选择执行充电算法或驱动算法，以控制集成驱动/充电装置中的三电平变换器和单相接触器，通过闭合/断开单相接触器，实现电池在驱动/充电模式之间的切换。其中当速度/位置传感器发送的信息显示电机处于运动状态中时，则三电平变换器控制器不执行从工作模式向充电模式的转换。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种集成驱动/充电装置，包括：

电池，适于在充电模式下被充电、在工作模式下供电；

三电平变换器，其直流侧连接到所述电池的正负极，其交流侧具有三个端口，所述三电平变换器适于提供直流交流的相互转换；

三相电机，具有三个绕组；

开关，具有至少三个接线端，适于在闭合时使得所述三个接线端之间电连接，且在打开时使得所述三个接线端之间彼此电隔离；

其中所述三个绕组的一端分别连接到所述开关的三个接线端，其中两个绕组连接到所述开关的该端还分别适于连接到外部电源的火线和零线，所述三个绕组的另一端分别连接到所述三电平变换器的交流侧的三个端口。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括位于外部电源与开关之间的电磁滤波器。

3.根据权利要求1所述的装置，其中当开关闭合时，控制电磁滤波器，使电磁滤波器将外部电源与开关断开，当开关打开时，控制电磁滤波器，使电磁滤波器将外部电源与开关连接。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述开关为单相接触器。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述开关闭合时，所述集成驱动/充电装置处于工作模式。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述开关打开时，所述集成驱动/充电装置处于充电模式。

7.一种电气控制系统，包括：

1)系统控制器；

2)根据权利要求1所述的集成驱动/充电装置；

3)三电平变换器控制器；

其中系统控制器向三电平变换器控制器发出电池充电和放电的命令，三电平变换器控制器根据收到的系统控制器的命令控制集成驱动/充电装置中的三电平变换器和单相接触器，实现电池在工作/充电模式之间的切换。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述三相电机上具有速度/位置传感器，所述速度/位置传感器向三电平变换器控制器发送三相电机的速度和位置信息，其中当速度/位置传感器发送的信息显示电机处于运动状态中时，则三电平变换器控制器不执行从工作模式向充电模式的转换。

9.一种电动汽车，具有如权利要求1所述的集成驱动/充电装置。

10.一种充电式混合电动汽车，具有如权利要求1所述的集成驱动/充电装置。

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