CN103825349B - 集成式功率变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于以可充电电池驱动电动机工作的交通工具的功率变换器，包括：功率变换器单元（10），分别连接外部电源和所述电池，适于通过电压变换，提供自外部电源至所述电池或自所述电池至外部电源的电压；模式控制单元，适于控制所述功率变换器单元（10），使得所述功率变换器单元（10）适于：在第一模式下，在所述外部电源与所述电池之间进行能量转移，从而将电能从所述外部电源供给至所述电池，或者将电能从所述电池供给至所述外部电源；在第二模式下，将所述电池的电压不经过功率变换直接对所述电动机提供驱动电压；以及在第三模式下，第一部分电压与所述第二部分电压共同对所述电动机提供驱动电压。

Description

集成式功率变换器

技术领域

本发明涉及混合动力车和电动车领域，尤其涉及一种电动车用集成式功率变换器。

背景技术

如图1a-1b所示，在混合动力车和电动车中，使用功率变换器将车载电池的输出电压提升到车辆电动机所需的水平。

使用上述功率变换器的优点在于实现了解耦设计，即在保持相对较低的电池输出电压的同时，又能够对车辆的电动机提供较高电压。由于所需的车载电池输出电压较低，可以减少对串联的电池单元；由于能够对车辆的电动机提供较高电压，车辆得以获得较高的行驶速度。

而且在另一个方面，对于安全和断路器技术（safety and breakertechnology）来说，600V的电压是一个重要的阈值，所以车载电池的输出电压应该限制在600V之内；而车辆电动机由于高速行驶需要更高的电压，所以功率变换器使得既满足了电动机的需求又解决了安全的问题。

但是，功率变换器的增加也增加了车辆的成本，并且对车内空间和冷却的要求更高。参考图2，图2为图1b的一部分，其中，功率变换器至少包括两个开关、一个电感和一个电容（滤波电容器）。所以，虽然具有上述优点，车辆制造商考虑到成本因素没有在混合动力车和电动车中大规模采用功率变换器。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种集成式功率变换器，复用功率变换器的电路，从而以较低的成本实现功率变换功能。

根据本发明的一个方面，提供一种用于以可充电电池驱动电动机工作的交通工具的功率变换器，包括：

功率变换器单元，分别连接外部电源和所述电池，适于通过电压变换，提供自外部电源至所述电池或自所述电池至外部电源的电压；

模式控制单元，适于控制所述功率变换器单元，使得所述功率变换器单元适于：

在第一模式下，在所述外部电源与所述电池之间进行能量转移，从而将电能从所述外部电源供给至所述电池，或者将电能从所述电池供给至所述外部电源；

在第二模式下，将所述电池的电压不经过功率变换直接对所述电动机提供驱动电压；以及

在第三模式下，将所述电池的电压不经过功率变换以为所述电动机提供第一部分电压，同时将所述电池的电压经过功率变换以为所述电动机提供第二部分电压，所述第一部分电压与所述第二部分电压共同对所述电动机提供驱动电压。

可选的，其中所述功率变换单元包括隔离双向功率变换电路，具有连接外部电源的第一侧以及连接所述电池的第二侧，所述隔离双向功率变换电路适于在第一侧的电压与第二侧的电压之间进行电压变换，其中所述功率变换器被构造为适于在所述第一模式和所述第三模式中复用所述双向功率变换电路。

可选的，其中所述功率变换单元还包括第一变换单元，连接至所述第一侧，用于提供交流-直流转换。

可选的，其中所述隔离双向功率变换电路包括：

第二变换单元，位于所述第一侧，用于提供交流-直流转换；

第三变换单元，位于所述第二侧，用于提供交流-直流转换；以及

隔离变压器，适于通过交流电感应耦合第二变换单元和所述第三变换单元。

可选的，所述模式控制单元包括三个直流接触器，其中：

第一接触器的一端接在所述电池的第一极性端上，另一端接在所述第一侧的第二极性端上；

第二接触器的一端接在所述电池的第一极性端上，另一端接功率变换器至所述电机的直流输出的第一极性端上；

第三接触器的一端接在所述第一侧的第一极性端上，另一端接在功率变换器至所述电机的直流输出的第一极性端上；以及

所述电池的第二极性端接功率变换器至所述电机的直流输出的第二极性端上；

其中所述第一极性端为正极、第二极性端为负极，或所述第一极性端为负极、第二极性端为正极。

根据本发明另一个方面，提供一种用于该功率变换器的控制方法，其中在第一模式下，控制第一接触器、第三接触器关断，且第二接触器关断或导通；在第二模式下控制第一接触器、第三接触器关断，且第二接触器导通；以及在第三模式下控制第一接触器、第三接触器导通，且第二接触器关断。

在另一个实施方式中，所述模式控制单元包括的三个直流接触器的布置方式为：

第一接触器的一端接在所述电池的第一极性端上，另一端接在所述第一侧的第二极性端上；

第二接触器的一端接在所述第一侧的第一极性端上，另一端接在所述第一侧的第二极性端上；

第三接触器的一端接在所述第一侧的第一极性端上，另一端接在功率变换器至所述电机的直流输出的第一极性端上；以及

所述电池的第二极性端接功率变换器至所述电机的直流输出的第二极性端上；

其中所述第一极性端为正极、第二极性端为负极，或所述第一极性端为负极、第二极性端为正极。

根据本发明另一个方面，提供一种用于该功率变换器的控制方法，其中在第一模式下，控制第一接触器、第二接触器以及第三接触器均关断；在第二模式下控制第一接触器、第二接触器以及第三接触器均导通；以及在第三模式下控制第一接触器、第三接触器导通，且第二接触器关断。

在另一个实施方式中，所述模式控制单元包括的三个直流接触器的布置方式为：

第一接触器的一端接在所述电池的第一极性端上，另一端接功率变换器至所述电机的直流输出的第一极性端上；

第二接触器的一端接在所述第一侧的第一极性端上，另一端接功率变换器至所述电机的直流输出的第一极性端上；

第三接触器的一端接在所述第一侧的第二极性端上，另一端接在所述电池的第一极性端上；以及

所述电池的第二极性端接在功率变换器至所述电机的直流输出的第二极性端上；

其中所述第一极性端为正极、第二极性端为负极，或所述第一极性端为负极、第二极性端为正极。

根据本发明另一个方面，提供一种用于该功率变换器的控制方法，其中在第一模式或第二模式下，控制第一接触器导通，且第二接触器、第三接触器关断；以及在第三模式下，控制第一接触器关断，且第二接触器、第三接触器导通。

可选的，其中所述的第一接触器和第三接触器为机电开关。

可选的，在上述方法中，其中在关断任意接触器时或之前，将相应的接触器中的电流控制到零，从而实现不同模式间的安全切换，将相应的接触器两端的电压控制到零，从而避免短路电流。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

（1）由于电池和功率变换电路共同向电动机提供电压，即电动机所需电压中只有一部分（所需电压与电池电压的差）来自功率变换电路，所以相对于传统的功率变换器，本发明提供的功率变换电路的功率容量低得多（所以既降低了成本，又提高了效率）；

（2）复用了车载充电器，将车载充电器变为集成式功率变换器，提高了车载电路的利用率；既保留了功率变换器的升压功能，又不需要在车辆上安装功率变换器，降低了成本和空间；

（3）通过设置低速模式，功率变换电路可以被旁路，进一步提高系统效率；

（4）由于功率变换电路具有缓冲作用，可以平滑需要电池提供的暂态电流。

附图说明

图1a-1b是现有技术中电动车内部的逻辑结构示意图；

图2是图1b的一部分；

图3是本发明一个实施例中提供的集成式功率变换器的结构示意图；

图4是图3关于功率变换电路的等效电路图；

图5是图4中功率变换电路的电压升高比和额定功率比之间的关系图；

图6是本发明图3所示的集成式功率变换器的具体结构示意图；

图7是本发明另一个实施例中提供的集成式功率变换器的结构示意图；

图8是本发明另一个实施例中提供的集成式功率变换器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

发明人经研究发现，在电动车或混合动力车中，如果使用双向充电机来提供功率变换功能，以替代独立的功率变换器，可以达到在保持升压功能的同时降低成本的目的。

基于上述思路，根据本发明一个实施例，提供一种集成式功率变换器。如图3所示，其中，车载充电器10用于对电池20充电，为了让车载充电器集成功率变换器的功能，在充电电路中添加三个直流接触器（DCContactor）S1、S2和S3。

直流接触器S1、S2、S3的连接关系如图3所示，接触器S1的一端接电池正极、另一端接AC/DC变换单元105的负极，S2的一端接电池正极，另一端接DC总线输出的正极，S3的一端接AC/DC变换单元105的正极，另一端接DC总线输出的正极，同时电池的负极接DC总线输出的负极。但本领域技术人员能够明白采用与图示相反的极性接法也是可行的。例如，也可以采用接触器S1的一端接电池负极、另一端接AC/DC变换单元105的正极的连接方式，此时S2、S3的接触器两端所连接的极性也相应调整。

该集成式功率变换器的工作方式如下：

（1）第一模式（对车载电池充电模式）：当其用于充电功能时（车辆处于静止状态），至少S1、S3被关断，S2优选是关断的，但不是必须的，以确保高压电路与车辆底盘之间具有足够的隔离性（根据行业标准要求）。

在第一模式下，充电器的控制方式与传统的控制方式相同，AC交流电源首先经过AC/DC变换单元103变换成直流电，再经过AC/DC变换单元105逆变为高频交流电，经变压器变压后，由AC/DC变换单元106再整流为直流电，作用于电池20上，为电池20充电。可选的，在该模式下，能量传递方向也可以是相反的方向，从而将电池多余的电能反馈回外部的市电网络。

（2）第二模式（仅电池工作模式）：在电动机低转速（车辆低速行驶）或电动机低牵引力情况下，即电池的功率可以满足车辆行驶的需要，接触器S2导通，S1和S3不导通，充电器10被短路，电池20直接对电动机提供电压。

（3）第三模式（对电动机提供电压模式）：在电动机高转速（车辆高速行驶）或电动机高牵引力情况下，可以对电动机提供高于电池额定电压的电压。此时接触器S2断开，S1和S3导通。电池20与AC/DC变换单元105的输出正向串联，使得AC/DC变换单元105输出的直流电压与电池20的电压一起向电动机提供增高的电压。

进一步分析功率变换电路30，参考图4，图4为图3关于功率变换电路的等效电路图。假设在车辆高速行驶时，DC总线（DC bus）电压需要提升到kUbat（即k倍电池电压，Ubat表示电池终端电压），则功率变换电路30最大输出电压Uconv应该为（k-1）Ubat。同理，假设在车辆高速行驶时，DC总线（DC bus）电压需要提升到（k+1）Ubat（即k+1倍电池电压，Ubat表示电池终端电压），则功率变换电路30最大输出电压Uconv应该为kUbat。

继续参考图4，当功率变换电路30最大输出电压Uconv为kUbat时，功率变换电路30的最大输出功率为：

Pconv=Uconv*Iout=（k）Ubat*Iout

对电动机的最大输出功率为：

Pout=Uout*Iout=（k+1）Ubat*Iout

由此可以推导出功率变换电路30的功率容量为：

Pconv=（k/（k+1））Pout

根据上述公式，所述电压升高比（voltage step-up ratio）k和额定功率比（powerrating ratio）之间的关系如图5所示。从图5中可以看出，随着电压升高比的增加，功率变换电路输出的电压在总输出电压中所占的比例也在增加。例如，假设功率变换电路30可输出最高功率为10kW，电动机驱动所需最大功率为40kW，则功率变换电路30可以将电压从400V提升到560V（k=0.4）。

需要注意的是，在并联式混合动力电动汽车中，高速时发动机是主要动力来源而需要电动机输出的功率非常低，因此上述40kW的假设过于苛刻。假设电动机驱动所需最高功率仅为10kW，则最大功率为5kW的功率变换电路30就可以将电压从300V提升到600V（k=1）。

另外，一般来说，开关S1、S2和S3既可以是机电开关，也可以是电子开关。但是，由于本发明中的电路要求接触器S1和S3在断开时阻抗足够大，以达到有效的完全隔离目的，所以接触器S1和S3优选的为机电开关。S2可以是两种类型的开关。

上述开关S2和S3是独立的，在本发明其他实施例中，开关S2和S3也可以用一个3路开关替代。

通过接触器（即开关）S2的调节，可以在不需要功率变换功能的时候（例如车辆低速行驶时）旁路子电路30，这样相比于在车辆行驶时一直采用第三模式要更高效，尤其是在现实条件下，市内车辆在大多数时间都是低速行驶的。

根据本发明另一个实施例，可以只包含第一模式（充电时）和第三模式（行驶时）。

根据本发明另一个实施例，上述三种模式在切换的时候，在断开接触器（S1、S2或S3）时或之前，将相应的开关中的电流控制到零，这样所有的接触器都在零电流条件下断开，从而实现不同模式间的安全切换。相似地，在断开接触器（S1、S2或S3）时或之前，将相应的开关两端的电压也控制到零，从而避免短路电流。

进一步参考图6，图6中显示了图3所示实施例的一个具体的例子。其中，图3中的AC/DC和AC/DC变换器均以电力电子开关器件组成的H桥为例代替。其它形式实现同样功能的电路也可作为替代方案。

根据本发明另一个实施例，提供一种集成式功率变换器。如图7所示，其与图3的不同之处在于接触器S1、S2、S3的布置。其中，接触器S1的一端接电池正极、另一端接AC/DC变换单元105的负极，S2的一端接AC/DC变换单元105的正极，另一端接AC/DC变换单元105的负极，S3的一端接AC/DC变换单元105的正极，另一端接DC总线输出的正极，同时电池的负极接DC总线输出的负极。与图3的实施例类似，上述接法中也可以以相反极性的接法实现。

该集成式功率变换器的工作方式如下：

（1）第一模式：用于对电池20充电（此时车辆处于静止状态），三个接触器S1、S2、S3都断开，以确保高压电路与车辆底盘之间具有足够的隔离性；

（2）第二模式：车辆低速行驶条件下，当电池电压可以满足牵引车辆所需电压时，接触器S1、S2、S3都导通，充电器10被短路，电池20直接对电动机提供电压；

（3）第三模式：车辆高速行驶条件下，当电池电压无法满足牵引车辆所需电压时，接触器S2断开，接触器S1和S3保持导通，此时，电池20和子电路（功率变换电路）30串联，共同向电动机提供高压。

可选的，上述三种模式在切换的时候，在断开接触器（S1、S2或S3）时或之前，将相应的开关中的电流控制到零，这样所有的接触器都在零电流条件下断开，从而实现不同模式间的安全切换。相似地，在断开接触器（S1、S2或S3）时或之前，将相应的开关两端的电压也控制到零，从而避免短路电流。

根据本发明另一个实施例，提供一种集成式功率变换器，如图8所示。与之前的实施例相比，区别仍仅在于接触器的连接方式不同。

其中，接触器S1的一端接电池20正极、另一端接DC总线输出的正极，S2的一端接AC/DC变换单元105的正极，另一端接电池20的正极，S3的一端接电池20的正极，另一端接AC/DC变换单元105的负极，同时电池20的负极接DC总线输出的负极。与图3的实施例类似，上述接法中也可以以相反极性的接法实现。

相应的，其控制方式也略有不同，其中在第一模式及第二模式下，控制S1导通，且S2、S3关断；以及在第三模式下，控制S1关断，且S2、S3导通。

上述实施例所提供的集成式功率变换器（1）既保留了功率变换器的升压功能，又不需要在车辆上安装功率变换器，降低了成本和空间；（2）复用了车载充电器，将车载充电器变为集成式功率变换器，提高了车载电路的利用率；（3）由于电池和升压电路共同向电动机提供电压，即电动机所需电压中只有一部分（所需电压与电池电压的差）来自升压电路，所以相对于传统的功率变换器，本发明提供的功率变换电路的功率容量低得多，所以既降低了成本，又提高了效率；通过设置低速模式，功率变换电路可以被旁路，进一步提高系统效率。

应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。

Claims (14)

1.一种用于以可充电电池驱动电动机工作的交通工具的功率变换器，包括：

功率变换器单元(10)，分别连接外部电源和所述电池，适于通过电压变换，提供自外部电源至所述电池或自所述电池至外部电源的电压；

模式控制单元，适于控制所述功率变换器单元(10)，使得所述功率变换器单元(10)适于：

在第一模式下，在所述外部电源与所述电池之间进行能量转移，从而将电能从所述外部电源供给至所述电池，或者将电能从所述电池供给至所述外部电源；

在第二模式下，将所述电池的电压不经过功率变换直接对所述电动机提供驱动电压；以及

在第三模式下，将所述电池的电压不经过功率变换以为所述电动机提供第一部分电压，同时将所述电池的电压经过功率变换以为所述电动机提供第二部分电压，所述第一部分电压与所述第二部分电压之和对所述电动机提供驱动电压。

2.如权利要求1所述的功率变换器，其中所述功率变换单元(10)包括隔离双向功率变换电路(30)，具有连接外部电源的第一侧以及连接所述电池的第二侧，所述隔离双向功率变换电路(30)适于在第一侧的电压与第二侧的电压之间进行电压变换，其中所述功率变换器被构造为适于在所述第一模式和所述第三模式中复用所述隔离双向功率变换电路(30)。

3.如权利要求2所述的功率变换器，其中所述功率变换单元(10)还包括第一变换单元(103)，连接至所述第一侧，用于提供交流-直流转换。

4.如权利要求3所述的功率变换器，其中所述隔离双向功率变换电路(30)包括：

第二变换单元(105)，位于所述第一侧，用于提供交流-直流转换；

第三变换单元(106)，位于所述第二侧，用于提供交流-直流转换；以及

隔离变压器，适于通过交流电感应耦合第二变换单元(105)和所述第三变换单元(106)。

5.如权利要求3或4所述的功率变换器，其中，所述模式控制单元包括三个直流接触器(S1，S2，S3)，其中：

第一接触器(S1)的一端接在所述电池的第一极性端上，另一端接在所述第一侧的第二极性端上；

第二接触器(S2)的一端接在所述电池的第一极性端上，另一端接功率变换器至所述电动机的直流输出的第一极性端上；

第三接触器(S3)的一端接在所述第一侧的第一极性端上，另一端接在功率变换器至所述电动机的直流输出的第一极性端上；以及

所述电池的第二极性端接功率变换器至所述电动机的直流输出的第二极性端上；

其中所述第一极性端为正极、第二极性端为负极，或所述第一极性端为负极、第二极性端为正极。

6.如权利要求3或4所述的功率变换器，其中，所述模式控制单元包括三个直流接触器(S1，S2，S3)，其中：

第一接触器(S1)的一端接在所述电池的第一极性端上，另一端接在所述第一侧的第二极性端上；

第二接触器(S2)的一端接在所述第一侧的第一极性端上，另一端接在所述第一侧的第二极性端上；

第三接触器(S3)的一端接在所述第一侧的第一极性端上，另一端接在功率变换器至所述电动机的直流输出的第一极性端上；以及

所述电池的第二极性端接功率变换器至所述电动机的直流输出的第二极性端上；

其中所述第一极性端为正极、第二极性端为负极，或所述第一极性端为负极、第二极性端为正极。

7.如权利要求3或4所述的功率变换器，其中，所述模式控制单元包括三个直流接触器(S1，S2，S3)，其中：

第一接触器(S1)的一端接在所述电池的第一极性端上，另一端接功率变换器至所述电动机的直流输出的第一极性端上；

第二接触器(S2)的一端接在所述第一侧的第一极性端上，另一端接功率变换器至所述电动机的直流输出的第一极性端上；

第三接触器(S3)的一端接在所述第一侧的第二极性端上，另一端接在所述电池的第一极性端上；以及

所述电池的第二极性端接在功率变换器至所述电动机的直流输出的第二极性端上；

其中所述第一极性端为正极、第二极性端为负极，或所述第一极性端为负极、第二极性端为正极。

8.如权利要求5所述的功率变换器，其中所述的第一接触器和第三接触器为机电开关。

9.如权利要求6所述的功率变换器，其中所述的第一接触器和第三接触器为机电开关。

10.如权利要求7所述的功率变换器，其中所述的第一接触器和第三接触器为机电开关。

11.一种用于权利要求5所述的功率变换器的控制方法，其中在第一模式下，控制第一接触器、第三接触器关断，且第二接触器关断或导通；在第二模式下控制第一接触器、第三接触器关断，且第二接触器导通；以及在第三模式下控制第一接触器、第三接触器导通，且第二接触器关断。

12.一种用于权利要求6所述的功率变换器的控制方法，其中在第一模式下，控制第一接触器、第二接触器以及第三接触器均关断；在第二模式下控制第一接触器、第二接触器以及第三接触器均导通；以及在第三模式下控制第一接触器、第三接触器导通，且第二接触器关断。

13.一种用于权利要求7所述的功率变换器的控制方法，其中在第一模式或第二模式下，控制第一接触器导通，且第二接触器、第三接触器关断；以及在第三模式下，控制第一接触器关断，且第二接触器、第三接触器导通。

14.如权利要求11-13之一所述的控制方法，其中在关断任意接触器时或之前，将相应的接触器中的电流控制到零，从而实现不同模式间的安全切换，将相应的接触器两端的电压控制到零，从而避免短路电流。