CN104608649B - 集成式电动汽车电能变换系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种集成式电动汽车电能变换系统，包括电机模块的输入端与三相交流模块的输出端相连；三相交流模块的输出端与电机模块的输入端之间串接有三相内锁开关；三相内锁开关与三相交流模块的输出端之间三相线路中任选两相线路引出一单相交流充电接口；三相交流模块的输入端设有直流充电接口；三相交流模块包括三相桥臂，每相桥臂均由上桥臂和下桥臂构成；通过控制三相内锁开关、单相交流充电接口和直流充电接口的通断来实现集成式电动汽车电能变换系统的不同工作模式；控制模块包括三相交流模块的功率控制单元，其产生正弦/直流调制波；正弦/直流调制波通过不同模式下控制叠加相应的调节量通过PWM调制产生开关驱动信号。

Description

集成式电动汽车电能变换系统

技术领域

本发明涉及电动汽车领域，具体涉及一种集成式电动汽车电能变换系统。

背景技术

随着科学技术的进步与经济的发展，汽车已经成为人们日常生活中必不可少的交通工具。其中电动汽车作为新时代汽车工业的代表之作，正逐步走入大众的视野中。混合动力汽车采用内燃机和电动机双动力源驱动；燃料电池汽车以氢气和氧气发生氧化还原反应，为汽车提供能源；纯电动汽车将电动机作为唯一动力源，采用多种储能装置，包括电池和超级电容等，为电动机驱动提供能量。

由于单体电池电压水平较低，纯电动汽车在实际应用中大多采用电池组串、并联连接方式使用。由于工艺问题和材质不均匀等因素，单体电池间会存在差异。同时在装车使用过程中，由于电池组温度、通风条件、自放电程度等因素的影响，也会在一定程度上导致电池组不一致。电池组的不一致性会大大降低电池的使用寿命，严重影响电动汽车的使用。电池能量管理系统(Battery management system,BMS)能够通过对电池的工作状态进行监控，包括对电池的电压、温度和电流等进行检测和计算，并根据这些参数确定电池组工作状态，以进行相关操作，防止电池的过充和过放现象。BMS系统最为重要的功能是实现电池组中单体电池充、放电过程中的电池荷电状态(state of charge,SOC)均衡一致，进而提高电池的利用效率，延长电动汽车行驶里程数。

电驱动系统是电动汽车的重要部分，其核心装置主要由驱动电机、功率变换器、机械传动装置和控制器等部分组成，直接影响电动汽车的动力性能和经济性能。驱动电机的类型直接决定了其功率变换器和控制器的类型，也对能量控制提出了不同的要求。目前，电动汽车的驱动系统主要包括直流和交流两种类型。以直流电机为驱动电机构成的驱动系统称为直流电动机驱动系统，其驱动功率电路通常采用斩波控制方式，相应的驱动系统为直流—直流功率变换器。以交流感应电动机作为驱动电机构成的驱动系统称为交流感应电动机驱动系统，其相应的驱动功率电路采用逆变电路形式。制动能量的回收是在保证车辆稳定行驶的前提下，将电动汽车制动或减速过程中的一部分机械能经再生系统转化为其他形式的能量，并经过功率转化装置存储于储能单元中，同时产生一定的制动阻力使车辆减速。由于再生制动利用了原本被消耗与摩擦制动的能量，对降低电动汽车的能耗，改善电动汽车的经济性能有十分重要的作用。以交流感应电动机为例，采用两电平变换器作为控制逆变电路结构时，其输出电动机驱动指令信号谐波含量较高，容易导致电机震荡发热，不利于其长期稳定运行。模块化多电平变换结构易于实现输出电平数的增加，进而使得输出电压更接近于理想正弦，有利于交流感应电动机安全稳定运行。模块化多电平变换结构主要应用于高压大功率电机驱动场合，目前仍未出现在电动汽车领域的应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种集成式电动汽车电能变换系统，该系统能够有效减小电池均衡系统的复杂度，提高电池均衡系统的运行效率，灵活控制充放电电流在各电池组间的分配，保证各电池组交流、直流充放电状态下荷电状态的均衡一致。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种集成式电动汽车电能变换系统，包括电机模块，其用于为电动汽车提供动力，所述电机模块的输入端与三相交流模块的输出端相连；所述三相交流模块的输出端与电机模块的输入端之间串接有三相内锁开关；在所述三相内锁开关与三相交流模块的输出端之间三相线路中任选两相线路引出一单相交流充电接口，所述单相交流充电接口作为与单相交流电源相连的端口；所述三相交流模块的输入端设有直流充电接口，其作为与外接直流母线连接的端口；所述三相交流模块，包括三相桥臂，每相桥臂均由上桥臂和下桥臂构成，上桥臂和下桥臂均由若干个电池子模块和一个电感元件串联构成；所述三相内锁开关、单相交流充电接口和直流充电接口的通断实现所述集成式电动汽车电能变换系统的不同工作模式；

控制模块，包括三相交流模块的功率控制单元，其产生正弦/直流调制波；所述正弦/直流调制波通过不同模式下控制叠加相应的调节量，最后通过PWM调制产生三相交流模块的开关驱动信号。

所述电池子模块，包含一直流电源单元和一半桥单元，在所述直流电源单元和半桥单元之间串接有一保险丝。

所述半桥单元，由两个开关器件彼此串联构成。

所述直流电源单元，包括蓄电池组和与其并联的直流电容。

所述三相内锁开关为继电器开关。

所述集成式电动汽车电能变换系统的工作模式，包括电机驱动模式、交流充电模式和直流充电模式。

所述集成式电动汽车电能变换系统的电机驱动模式为：

三相内锁开关保持闭合，交流充电接口以及直流充电接口断开，此模式下电动汽车正常行驶或制动，三相交流模块的功率控制单元产生正弦调制波，正弦调制波通过相间环流控制叠加相应的调节量，最后通过PWM调制产生三相交流模块的开关驱动信号。

所述集成式电动汽车电能变换系统的交流充电模式为：

三相内锁开关以及直流充电接口均断开，交流充电接口与单相交流电源相连，此模式下电动汽车处于常规交流充电状态下，三相交流模块的功率控制单元产生正弦调制波，正弦调制波依次通过相间环流控制以及单相交流的直流分量抑制控制叠加相应的调节量，最后通过PWM调制产生三相交流模块的开关驱动信号。

所述集成式电动汽车电能变换系统的直流充电模式为：

三相内锁开关以及交流充电接口均断开，直流充电接口与外接直流母线连接，此模式下电动汽车处于快速直流充电状态下，三相交流模块的功率控制单元产生直流调制波，直流调制波通过直流电源控制叠加相应的调节量，最后通过PWM调制产生三相交流模块的开关驱动信号。

本发明的有益效果为：

(1)传统电动汽车中，电池组能量管理系统，电机驱动逆变系统和车载充电系统分别隶属于三个不同的电路结构，占用空间较大，不利于其在电动汽车中的安装；本发明将电机驱动逆变电路、电池充电电路和SOC均衡电路整合于同一个模块化结构中，在大量减少器件接入的同时，也便于其在电动汽车中的应用；

(2)通过相应的控制方式，能够实现电动汽车在正常运行、制动和常规交流充电、快速直流充电状态下蓄电池组SOC的均衡一致性要求，对提高蓄电池使用效率，提升电动汽车性能，延长电动汽车行驶里程数，具有很大的帮助；

(3)与传统电动汽车电池组集中连接结构有所区别，模块化分布式结构安装方式更为灵活，降低对电动汽车热管理系统的要求；在个别模块化电池组性能下降时，能够通过控制相应子模块半桥开关结构实现电池组切除功能；

(4)本发明提出的功能整合型模块化结构便于厂商生产与制造，对于电动汽车市场的进一步推广具有很好的推动作用。

附图说明

图1为本发明的集成式电动汽车电能变换系统结构示意图；

图2为本发明的电池子模块结构示意图；

图3为电动汽车驱动模式下的对应结构示意图；

图4为电动汽车常规交流充电状态下的对应结构示意图；

图5为电动汽车快速直流充电状态下的对应结构示意图；

图6为电动汽车驱动模式下控制策略框图；

图7为电动汽车常规交流充电模式下控制策略框图；

图8为电动汽车快速直流充电模式下控制策略框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的集成式电动汽车电能变换系统，包括电机模块，其用于为电动汽车提供动力，所述电机模块的输入端与三相交流模块的输出端相连；所述三相交流模块的输出端与电机模块的输入端之间串接有三相内锁开关；在所述三相内锁开关与三相交流模块的输出端之间三相线路中任选两相线路引出一单相交流充电接口，所述单相交流充电接口作为与单相交流电源相连的端口；所述三相交流模块的输入端设有直流充电接口，其作为与外接直流母线连接的端口；所述三相交流模块，包括三相桥臂，每相桥臂均由上桥臂和下桥臂构成，上桥臂和下桥臂均由N个电池子模块(N≥1)和一个电感元件串联构成；所述三相内锁开关、单相交流充电接口和直流充电接口的通断实现所述集成式电动汽车电能变换系统的不同工作模式；其中，所述三相内锁开关选用继电器开关；所述半桥单元，由两个开关器件彼此串联构成。

本发明的集成式电动汽车电能变换系统，还包括控制模块，包括三相交流模块的功率控制单元，其产生正弦/直流调制波；所述正弦/直流调制波通过不同模式下控制叠加相应的调节量，最后通过PWM调制产生三相交流模块的开关驱动信号。

如图2所述，三相交流模块的每条桥臂上的电池子模块，包含一直流电源单元和一半桥单元，在所述直流电源单元和半桥单元之间串接有一保险丝；直流电源单元，包括蓄电池组和与其并联的直流电容。

本发明的集成式电动汽车电能变换系统的工作模式，包括电机驱动模式、交流充电模式和直流充电模式，这三种模式所对应的结构图如图3-图5所示。

图3为电动汽车驱动模式下对应的结构。其中，集成式电动汽车电能变换系统的内锁开关保持闭合，交流充电接口以及直流充电接口断开。电动汽车正常行驶与制动时功率流动方向如图3中所示。电动汽车驱动模式下控制策略如图6所示，在此模式下，电动汽车正常行驶或制动，三相交流模块的功率控制单元产生正弦调制波，正弦调制波相通过相间环流控制叠加相应的调节量，最后通过PWM调制产生三相交流模块的开关驱动信号。三相交流模块结构中的各个电池子模块在相间环流控制作用下实现SOC均衡效果。

图4为电动汽车常规交流充电状态下的对应结构。交流侧内锁开关以及直流侧快速充电接口断开，单相交流充电接口与三相结构中的任意两相连接。如图7所示为电动汽车常规交流充电模式下控制策略框图，此模式下电动汽车处于常规交流充电状态下，三相交流模块的功率控制单元产生正弦调制波，正弦调制波依次通过相间环流控制以及单相交流的直流分量抑制控制叠加相应的调节量，最后通过PWM调制产生三相交流模块的开关驱动信号。此模式下，三相交流模块结构中的各个电池子模块在单相交流充电电流控制和相间环流控制的共同作用下实现SOC均衡效果。

图5为电动汽车快速直流充电状态下的对应结构。交流侧内锁开关以及交流侧充电接口断开，直流侧充电接口与外接直流母线连接。如图8所示为电动汽车快速直流充电模式下控制策略框图，此模式下电动汽车处于快速直流充电状态下，三相交流模块的功率控制单元产生直流调制波，直流调制波通过直流电源控制叠加相应的调节量，最后通过PWM调制产生三相交流模块的开关驱动信号。三相交流模块结构中的各个电池子模块在直流电源控制作用下实现SOC均衡效果。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种集成式电动汽车电能变换系统，其特征在于，包括电机模块，其用于为电动汽车提供动力，所述电机模块的输入端与三相交流模块的输出端相连；

所述三相交流模块的输出端与电机模块的输入端之间串接有三相内锁开关；

在所述三相内锁开关与三相交流模块的输出端之间三相线路中任选两相线路引出一单相交流充电接口，所述单相交流充电接口作为与单相交流电源相连的端口；

所述三相交流模块的输入端设有直流充电接口，其作为与外接直流母线连接的端口；

所述三相交流模块，包括三相桥臂，每相桥臂均由上桥臂和下桥臂构成，上桥臂和下桥臂均由若干个电池子模块和一个电感元件串联构成；

所述三相内锁开关、单相交流充电接口和直流充电接口的通断实现所述集成式电动汽车电能变换系统的不同工作模式；

控制模块，包括三相交流模块的功率控制单元，其产生正弦/直流调制波；所述正弦/直流调制波通过不同模式下控制叠加相应的调节量，最后通过PWM调制产生三相交流模块的开关驱动信号；

所述集成式电动汽车电能变换系统的工作模式，包括电机驱动模式、交流充电模式和直流充电模式。

2.如权利要求1所述的一种集成式电动汽车电能变换系统，其特征在于，所述电池子模块，包含一直流电源单元和一半桥单元。

3.如权利要求2所述的一种集成式电动汽车电能变换系统，其特征在于，所述电池子模块，还包含在所述直流电源单元和半桥单元之间串接的保险丝。

4.如权利要求3所述的一种集成式电动汽车电能变换系统，其特征在于，所述半桥单元，由两个开关器件彼此串联构成。

5.如权利要求3所述的一种集成式电动汽车电能变换系统，其特征在于，所述直流电源单元，包括蓄电池组和与其并联的直流电容。

6.如权利要求1所述的一种集成式电动汽车电能变换系统，其特征在于，所述三相内锁开关为继电器开关。

7.如权利要求1所述的一种集成式电动汽车电能变换系统，其特征在于，所述集成式电动汽车电能变换系统的电机驱动模式为：

三相内锁开关保持闭合，交流充电接口以及直流充电接口断开，此模式下电动汽车正常行驶或制动，三相交流模块的功率控制单元产生正弦调制波，正弦调制波通过相间环流控制叠加相应的调节量，最后通过PWM调制产生三相交流模块的开关驱动信号。

8.如权利要求1所述的一种集成式电动汽车电能变换系统，其特征在于，所述集成式电动汽车电能变换系统的交流充电模式为：

三相内锁开关以及直流充电接口均断开，交流充电接口与单相交流电源相连，此模式下电动汽车处于常规交流充电状态下，三相交流模块的功率控制单元产生正弦调制波，正弦调制波依次通过相间环流控制以及单向交流的直流分量抑制控制叠加相应的调节量，最后通过PWM调制产生三相交流模块的开关驱动信号。

9.如权利要求1所述的一种集成式电动汽车电能变换系统，其特征在于，所述集成式电动汽车电能变换系统的直流充电模式为：

三相内锁开关以及交流充电接口均断开，直流充电接口与外接直流母线连接，此模式下电动汽车处于快速直流充电状态下，三相交流模块的功率控制单元产生直流调制波，直流调制波通过直流电源控制叠加相应的调节量，最后通过PWM调制产生三相交流模块的开关驱动信号。