CN105946849A - 一种插电式混合电动汽车综合变换系统拓扑结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种插电式混合电动汽车综合变换系统拓扑结构及方法，包括i*j个进行功率变换的桥臂的多维矩阵结构，其输入端为i相，输出端为j相，且所述输入端对应连接混合动力电动汽车交流发电机的定子绕组，所述输出端对应连接混合动力电动汽车的交流电动机定子绕组；输入端通过j个桥臂分别连接到所述j个输出端，每个所述输出端通过i个桥臂分别连接到所述i个输入端。该拓扑采用级联式模块化多电平矩阵式结构，能实现集PHEV动力电池均衡控制、电动机和发电机驱动以及动力电池充电和V2G控制等多功能为一身的高度一体化系统和控制。该拓扑结构不仅可用于插电式混合动力电动汽车(PHEV)，而且也可用于具有两台驱动电机的纯电动汽车，还可用于多端口储能系统。

Description

一种插电式混合电动汽车综合变换系统拓扑结构及方法
技术领域
本发明涉及一种插电式混合电动汽车综合变换系统拓扑结构及方法。
背景技术
燃油供求矛盾日益突出，雾霾等环境污染问题已成为全国性的生态问题。在大力发展风力、太阳能等清洁能源发电的同时，加快发展电动汽车，可以有效降低负荷侧汽油的消耗，有益于保障国家安全并显著改善环境，已经成为我国可持续发展的必然选择。另一方面，随着智能电网和能源互联网的建设和发展，电动汽车(Electric Vehicle，EV)作为一种分布式储能设备，将通过V2G(Vehicle to Grid)技术同电力系统完美融合，成为能源互联网的核心之一，发挥其储能、用能、调峰的多元作用，从而优化系统运行，提高交通运输系统以及整个经济社会的低碳化水平。
电动汽车功率变换系统包括：(1)电动机驱动DC/AC逆变器，将直流动力电转换成电机控制的三相交流电；(2)双向DC/DC变换器，实现动力电池与电机驱动逆变器的电平匹配；(3)车载AC/DC充电器，从电网向动力电池充电。除此之外，还包括动力电池管理系统(BatteryManagement Systems,BMS)。这种由不同功能模块实现的电动汽车功率变换系统集成具有体积大、重量重、效率低等缺点。众所周知，整车轻量化设计、整车一体化和系统一体化设计等一直是新一代电动汽车的重要课题。
另外，由于续航能力问题，纯电动汽车(Battery Electric Vehicle，BEV)要取代燃油汽车还有很长的路要走，插电式混合动力电动汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV)作为一种中间过渡产品比纯电动汽车更具现实性，具有更广阔的市场前景。
在《电力自动化设备》2013年第10期143-149页刊登的“电动汽车驱动系统与蓄电池充电一体化混合拓扑研究综述”一文(作者刘莹等)，总结了国内外学者提出的多种电动汽车一体化拓扑结构，但是这些一体化拓扑基本是基于两电平逆变器，并且需要外加单独的动力电池均衡控制系统。
在《IEEE Transactions on Power Electronics》2016年第1期507-517页的“Design and Controlof Modular Multilevel Converters for Battery Electric Vehicles”一文(作者Quraan M等)提出一种基于模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converters,MMC)的电动汽车一体化变换系统拓扑，如图1所示。该拓扑使用同一个变换器驱动电机和充电，并且直接利用负载电流进行电池均衡管理，不需要增加额外硬件，即该拓扑可以实现EV电机驱动、电池充电与电池均衡管理等功能的系统集成。但是，该拓扑只有一个三相交流端口，因此只适合于具有单台电机的纯电动汽车或混合动力电动汽车，不能用于带独立发电机的混合动力电动汽车或多台电动机的纯电动汽车系统。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种插电式混合电动汽车综合变换系统拓扑结构及方法，本发明通过内嵌电池均衡控制，能够实现集PHEV动力电池均衡控制、电动机和发电机驱动以及动力电池充电和入网控制等多功能为一身的高度一体化系统和控制。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种插电式混合电动汽车综合变换系统拓扑结构，包括i*j个进行功率变换的桥臂的多维矩阵结构，其输入端为i相，输出端为j相，且所述输入端对应连接混合动力电动汽车交流发电机的定子绕组，所述输出端对应连接混合动力电动汽车的交流电动机定子绕组；
所述输入端通过j个桥臂分别连接到所述j个输出端，每个所述输出端通过i个桥臂分别连接到所述i个输入端。
所述桥臂包括串联的桥臂电感和子模块链。
所述桥臂电感可以为多个。
所述子模块链由N个H桥子模块SM串联而成，其中N大于等于1。
所述H桥子模块SM由四个带反并联二极管的功率开关、电容器C、电感Lb及动力电池构成，其中，第一与第二功率开关、第三与第四功率开关先分别串联再与电容器C并联，电感Lb与动力电池串联后在与电容器C并联。
所述桥臂电感为独立电感。
所述桥臂电感由所述交流发电机定子绕组取代，其中所述交流发电机的每相定子绕组等分为j个绕组，取代连接该相的桥臂电感。
所述桥臂电感由所述交流电动机定子绕组取代，其中所述交流电动机的每相定子绕组等分为i个绕组，取代连接该相的桥臂电感。
基于上述综合变换系统拓扑结构的插电连接方法，具体为插电时外接电源的一端连接所述混合电动汽车交流发电机i相定子绕组的中性点，外接电源的另一端连接所述混合电动汽车交流电动机j相定子绕组的中性点。
所述外接电源为单相交流电或直流电。
本发明的工作原理：采用级联式模块化多电平矩阵式结构，能实现集PHEV动力电池均衡控制、电动机和发电机驱动以及动力电池充电和V2G控制等多功能为一身的高度一体化系统和控制。该拓扑结构不仅可用于插电式混合动力电动汽车(PHEV)，而且也可用于具有两台驱动电机的纯电动汽车，还可用于多端口储能系统。
本发明的有益效果为：
1)本发明拓扑能够独立实现子模块动力电池充放电及均衡控制，同时可实现PHEV的4种驱动模式，即纯电、纯油、混合及发电机充电模式，并可实现插电充放电模式。
2)不需要改变拓扑，可连接外部电源(交流或直流)对PHEV动力电池进行充电或实现V2G控制，并同时实现动力电池均衡控制。虽然充电/放电电流流过发电机/电动机线圈，但并不产生转矩，不需要对发电机/电动机进行堵转。
3)具有较好的故障电池冗余处理能力，当某个子模块动力电池出现故障时，该子模块可退出运行，不影响其它子模块动力电池的正常运行。
4)用发电机/电动机绕组取代桥臂电感，可减小系统体积、重量和成本。
5)本发明的拓扑结构不仅可用于插电式混合动力电动汽车(PHEV)，而且也可用于具有两台驱动电机的纯电动汽车，还可用于多端口储能系统。
附图说明
图1是现有的基于MMC的电动汽车变换系统拓扑结构
图2是本发明的插电式混合动力电动汽车变换系统一种拓扑结构。
图3是桥臂子模块链结构图。
图3a是H桥子模块结构图。
图4是本发明的插电式混合动力电动汽车变换系统另一种拓扑结构。
图5是本发明的插电式混合动力电动汽车变换系统另一种拓扑结构。
图6是本发明的插电式混合动力电动汽车变换系统另一种拓扑结构。
图7是本发明的插电式混合动力电动汽车变换系统外接电源连接方式图。
其中，1、桥臂子模块串联结构，2、H桥子模块SM，3、发电机，4、电动机，5、外接电源。N1、发电机定子绕组中性点，N2、电动机定子绕组中性点。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示。现有的拓扑结构使用同一个变换器驱动电机和充电，并且直接利用负载电流进行电池均衡管理，不需要增加额外硬件，即该拓扑可以实现EV电机驱动、电池充电与电池均衡管理等功能的系统集成。但是，该拓扑只有一个三相交流端口，因此只适合于具有单台电机的纯电动汽车或混合动力电动汽车，不能用于带独立发电机的混合动力电动汽车或多台电动机的纯电动汽车系统。
本发明提供一种内嵌电池均衡控制的插电式混合动力电动汽车(PHEV)综合变换系统拓扑结构，以实现集PHEV动力电池均衡控制、电动机和发电机驱动以及动力电池充电和V2G控制等多功能为一身的高度一体化系统和控制。
一种插电式混合动力电动汽车(PHEV)综合变换系统拓扑结构，为i x j矩阵结构，其中i和j都大于等于3，有i个输入相和j个输出相，以及i x j个桥臂。其中，所述i个输入相分别接PHEV交流发电机i相定子绕组，所述j个输出相分别接PHEV交流电动机j相定子绕组；每个所述输入相通过j个桥臂分别连接到所述j个输出相，每个所述输出相通过i个桥臂分别连接到所述i个输入相；每个所述桥臂均由至少一个桥臂电感L0与一个子模块链串联而成，所述子模块链由N个H桥子模块SM串联而成，其中N大于等于1。所述H桥子模块SM由四个带反并联二极管的功率开关、电容器C、电感Lb及动力电池构成，其中，第一与第二功率开关、第三与第四功率开关先分别串联再与电容器C并联，电感Lb与动力电池串联后在与电容器C并联。
所述桥臂电感L0为独立电感。
所属桥臂电感L0由所述交流发电机/电动机定子绕组取代，其中所述交流发电机(电动机)的每相定子绕组等分为j(i)个绕组，分别取代连接该相的桥臂电感。
一种PHEV综合变换系统插电充电/放电连接方案，插电时外接电源的一端连接所述PHEV交流发电机i相定子绕组的中性点，外接电源的另一端连接所述PHEV交流电动机j相定子绕组的中性点。所述外接电源为单相交流电或直流电。
实施例1：
图2给出了本发明的插电式混合动力电动汽车(PHEV)综合变换系统一种拓扑结构，图中，变换系统为i x j矩阵结构，其中i＝j＝3，有三个输入相和三个输出相，以及九个桥臂。其中，所述三个输入相分别接PHEV交流发电机三相定子绕组A、B和C，所述三个输出相分别接PHEV交流电动机三相定子绕组U、V和W；每个所述输入相通过三个桥臂分别连接到所述三个输出相，每个所述输出相通过三个桥臂分别连接到所述三个输入相；每个桥臂由至少一个电感L0与一个子模块链1串联而成，所述子模块链1由N个H桥子模块SM串联而成，其中N大于等于1。
图3为子模块链结构图，由N个H桥子模块SM串联而成，其中N大于等于1。图3a给出了H桥功率单元SM的拓扑结构图，由四个带反并联二极管的功率开关(Q1、Q2、Q3和Q4)、电容器C、电感Lb及动力电池Bt构成，其中，第一功率开关Q1与第二功率开关Q2、第三功率开关Q3与第四功率开关Q4先分别串联再与电容器C并联，电感Lb与动力电池Bt串联后在与电容器C并联，电感Lb用于滤除流入动力电池Bt的高频电流。
实施例2：
图4给出了本发明的插电式混合动力电动汽车(PHEV)综合变换系统另一种拓扑结构，图中，所述PHEV发电机3的每相绕组等分成三个绕组，分别取代与该相连接的三个桥臂的桥臂电感L0。该拓扑利用所述发电机3绕组线圈的漏感代替桥臂电感L0的功能，使所述变换系统省略了九个桥臂电感L0。
实施例3：
图5给出了本发明的插电式混合动力电动汽车(PHEV)综合变换系统另一种拓扑结构，图中，所述PHEV电动机4的每相绕组等分成三个绕组，分别取代与该相连接的三个桥臂的桥臂电感L0。该拓扑利用所述电动机4绕组线圈的漏感代替桥臂电感L0的功能，使所述变换系统省略了九个桥臂电感L0。
实施例4：
图6给出了本发明的插电式混合动力电动汽车(PHEV)综合变换系统另一种拓扑结构，图中，所述PHEV发电机3和电动机4的每相绕组分别等分成三个绕组，分别取代与该相连接的三个桥臂的桥臂电感L0。该拓扑利用所述发电机3和电动机4绕组线圈的漏感代替桥臂电感L0的功能，使所述变换系统省略了九个桥臂电感L0。
实施例5：
图7给出了本发明的插电式混合动力电动汽车(PHEV)综合变换系统外接电源充电/放电连接方案，外接电源5的一端连接所述PHEV交流发电机3三相定子绕组的中性点N1，外接电源5的另一端连接所述PHEV交流电动机4三相定子绕组的中性点N2。所述外接电源5为单相交流电或直流电。
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)

1.一种插电式混合电动汽车综合变换系统拓扑结构，其特征是：包括i*j个进行功率变换的桥臂的多维矩阵结构，其输入端为i相，输出端为j相，且所述输入端对应连接混合动力电动汽车交流发电机的定子绕组，所述输出端对应连接混合动力电动汽车的交流电动机定子绕组；
所述输入端通过j个桥臂分别连接到所述j个输出端，每个所述输出端通过i个桥臂分别连接到所述i个输入端。
2.如权利要求1所述的一种插电式混合电动汽车综合变换系统拓扑结构，其特征是：所述桥臂包括串联的桥臂电感和子模块链。
3.如权利要求1所述的一种插电式混合电动汽车综合变换系统拓扑结构，其特征是：所述子模块链由N个H桥子模块SM串联而成，其中N大于等于1。
4.如权利要求1所述的一种插电式混合电动汽车综合变换系统拓扑结构，其特征是：所述H桥子模块SM由四个带反并联二极管的功率开关、电容器C、电感Lb及动力电池构成，其中，第一与第二功率开关、第三与第四功率开关先分别串联再与电容器C并联，电感Lb与动力电池串联后在与电容器C并联。
5.如权利要求1所述的一种插电式混合电动汽车综合变换系统拓扑结构，其特征是：所述桥臂电感为独立电感。
6.如权利要求1所述的一种插电式混合电动汽车综合变换系统拓扑结构，其特征是：所述桥臂电感由所述交流发电机定子绕组取代，其中所述交流发电机的每相定子绕组等分为j个绕组，取代连接该相的桥臂电感。
7.如权利要求1所述的一种插电式混合电动汽车综合变换系统拓扑结构，其特征是：所述桥臂电感由所述交流电动机定子绕组取代，其中所述交流电动机的每相定子绕组等分为i个绕组，取代连接该相的桥臂电感。
8.基于如权利要求1-7中任一项所述的综合变换系统拓扑结构的插电连接方法，其特征是：具体为插电时外接电源的一端连接所述混合电动汽车交流发电机i相定子绕组的中性点，外接电源的另一端连接所述混合电动汽车交流电动机j相定子绕组的中性点。
9.如权利要求8所述的插电连接方法，其特征是：所述外接电源为单相交流电或直流电。
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