CN109103974A - 一种电动汽车驱动与蓄电池充电集成化拓扑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车驱动与蓄电池充电集成化拓扑，该集成化拓扑将驱动系统中的电机绕组作为充电系统中的升压、滤波电感，将驱动系统中的双逆变器重构为充电系统中的AC/DC及DC/DC变换电路，通过元器件以及电机绕组的复用，提升了车载型充电系统在重量、体积、成本方面的竞争力。在驱动模式下，该集成化拓扑等效为共母线双逆变器驱动三相开绕组电机驱动系统，具有驱动功率大、可控性好、容错能力强的优点。在充电模式下，该集成化拓扑前级等效为无桥Boost PFC电路，后级等效为Buck电路，不仅可实现系统的单位功率因数充电运行，也可适用于宽电压范围的蓄电池系统中。

Description

一种电动汽车驱动与蓄电池充电集成化拓扑

技术领域

本发明涉及电动汽车领域，尤其涉及一种电动汽车驱动与蓄电池充电集成化拓扑。

背景技术

新能源汽车的大规模发展能有效缓解能源与环境的压力，是推动汽车产业技术创新与转型升级的重要战略举措。电动汽车是新能源汽车的重要组成部分，蓄电池是制约其发展的关键因素。蓄电池充电时间和使用寿命与充电技术息息相关，因此蓄电池充电技术受到学术界和工业界的重视。

电动汽车充电系统可分为两种，即独立型充电系统和车载型充电系统。独立型充电系统包括位于车内的蓄电池、驱动变流器、电机以及位于车外的独立型充电变流器，一般用于大电流快速充电，对充电技术方法和充电安全性要求较高的场合。车载型充电系统，包括充电变流器、蓄电池、驱动变流器和电机。车载型充电系统适用于夜间连接到家用插座上，利用晚间用电低谷期富余的电力进行充电。

现如今充电站尚未大规模普及使用，因此车载型充电系统成为许多生产厂家和用户的首选。但目前所研究的车载型充电系统普遍存在成本高、体积大、重量重以及对电网有不可忽略的谐波污染等问题，使得电动汽车无法与内燃机汽车相抗衡，阻碍了电动汽车的普及和推广。一些学者针对电动汽车牵引系统与充电系统不同时工作的特点，提出驱动系统与蓄电池充电集成化拓扑，即将牵引驱动系统的硬件结构重构成蓄电池充电装置，通过优化拓扑及控制策略控制变流器装置实现电机驱动与高功率因数充电功能，扭转车载型充电系统在充电质量、体积、重量和成本上的劣势。

但从目前已取得的研究成果来看能实现高功率因数充电的集成化拓扑，在驱动模式下电机本体结构及控制策略通常较为复杂，或者实现充电模式与驱动模式功能切换复杂，这些都限制了集成化拓扑推向实际应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种电动汽车驱动与蓄电池充电集成化拓扑，驱动模式与充电模式切换简单，通过元器件以及电机绕组的复用，提升了车载型充电系统在重量、体积、成本方面的竞争力。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种电动汽车驱动与蓄电池充电集成化拓扑，包含第一开关、联动开关、第一电解电容、第二电解电容、蓄电池、第一至十二开关管、单相交流电源和三相开绕组电机；

所述联动开关包含第二至第四开关，所述第二至第四开关联动、同时打开或者闭合；

所述三相开绕组电机包含第一至第三绕组；

所述蓄电池的正极分别和所述第一开关的一端、第二电解电容的一端、第二开关的一端相连，负极分别和第二电解电容的另一端、第一电解电容的一端、第二开关管的源极、第四开关管的源极、第六开关管的源极、第八开关管的源极、第十开关管的源极、第十二开关管的源极相连；

所述第一开关的另一端分别和第一电解电容的另一端、第一开关管的漏极、第三开关管的漏极、第五开关管的漏极、第七开关管的漏极、第九开关管的漏极、第十一开关管的漏极相连；

所述第一开关管的源极分别和第二开关管的漏极、第一绕组的一端相连；

所述第三开关管的源极分别和第四开关管的漏极、第二绕组的一端相连；

所述第五开关管的源极分别和第六开关管的漏极、第三绕组的一端相连；

所述第七开关管的源极分别和第八开关管的漏极、第一绕组的另一端相连；

所述第九开关管的源极分别和第十开关管的漏极、第二绕组的另一端相连；

所述第十一开关管的源极分别和第十二开关管的漏极、第三绕组的另一端相连；

所述第二开关的另一端和所述第一绕组的中点相连；

所述单相交流电源的两个输入端分别接第三开关的一端、第四开关的一端；

所述第三开关的另一端和所述第二绕组的中点相连，所述第四开关的另一端和所述第三绕组的中点相连。

作为本发明一种电动汽车驱动与蓄电池充电集成化拓扑进一步的优化方案，所述第一至第十二开关管采用IGBT、MOSFET中的任意一种。

本发明还公开了一种基于该电动汽车驱动与蓄电池充电集成化拓扑的控制方法，包含以下过程：

如果需要电动汽车驱动与蓄电池充电集成化拓扑工作在驱动模式，闭合第一开关，断开联动开关，此时集成化拓扑驱动三相开绕组电机工作；

如果需要电动汽车驱动与蓄电池充电集成化拓扑工作在充电模式，断开第一开关，闭合联动开关，此时集成化拓扑的等效拓扑前级为无桥Boost PFC电路，后级为Buck电路。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明提供了一种电动汽车驱动与蓄电池充电集成化拓扑，该集成化拓扑将驱动系统中的电机绕组作为充电系统中的升压、滤波电感，将驱动系统中的双逆变器重构为充电系统中的AC/DC及DC/DC变换电路。该集成化拓扑驱动模式与充电模式切换简单，通过元器件以及电机绕组的复用，提升了车载型充电系统在重量、体积、成本方面的竞争力；

2、本发明所提供电动汽车驱动与蓄电池充电集成化拓扑工作于驱动模式下等效为共直流母线双逆变器驱动的三相开绕组电机驱动拓扑由于采用双逆变器驱动拓扑，在逆变器直流母线电压受限的情况下能增大电机驱动系统的输出功率。且双逆变器供电的三相开绕组电机驱动系统可以产生64个离散的电压矢量，对于这一系统而言，具有冗余的电压矢量资源，电压组合灵活性高，易于实现容错驱动。由于电机端电压由两个逆变器电压合成得到，通过两个逆变器之间的合理配合，在同样控制效果下能够适当降低开关频率，实现降低逆变器开关损耗的目的；

3、本发明所提供电动汽车驱动与蓄电池充电集成化拓扑工作于充电模式下，由单相交流电源，B、C 相绕组及所对应的驱动桥臂构成无桥Boost PFC 电路。相比于传统Boost PFC电路省略了整流桥，不仅所使用的半导体器件总量减少，同时在工作过程中电流流通路径中半导体数量减少了一个，因此，通态损耗低、效率高。电容C2、A 相绕组及所对应的驱动桥臂构成Buck 电路，通过调节占空比可使该电路适用于更宽电压范围的蓄电池系统中。不仅可实现系统的单位功率因数充电运行，也可适用于宽电压范围的蓄电池。

附图说明

图1为本发明一种电动汽车充电与蓄电池充电集成化拓扑的示意图；

图2为本发明工作在驱动模式时的驱动拓扑示意图；

图3为本发明工作在充电模式时的充电拓扑示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种电动汽车驱动与蓄电池充电集成化拓扑，该集成化拓扑包含开关K1、联动开关K2、电解电容C1、电解电容C2、蓄电池、单相交流电源、三相开绕组电机、以及第一至第十二开关管，即图中的S_A1、S_B1、S_C1、S_A2、S_B2、S_C2、S_A1′S_B1′、S_C1′、S_A2′、S_B2′、S_C2′。

联动开关包含第二至第四开关，所述第二至第四开关联动、同时打开或者闭合；三相开绕组电机包含第一至第三绕组。

蓄电池的正极分别和第一开关的一端、第二电解电容的一端、第二开关的一端相连，负极分别和第二电解电容的另一端、第一电解电容的一端、第二开关管的源极、第四开关管的源极、第六开关管的源极、第八开关管的源极、第十开关管的源极、第十二开关管的源极相连。

第一开关的另一端分别和第一电解电容的另一端、第一开关管的漏极、第三开关管的漏极、第五开关管的漏极、第七开关管的漏极、第九开关管的漏极、第十一开关管的漏极相连。

第一开关管的源极分别和第二开关管的漏极、第一绕组的一端相连；第三开关管的源极分别和第四开关管的漏极、第二绕组的一端相连；第五开关管的源极分别和第六开关管的漏极、第三绕组的一端相连；第七开关管的源极分别和第八开关管的漏极、第一绕组的另一端相连；第九开关管的源极分别和第十开关管的漏极、第二绕组的另一端相连；第十一开关管的源极分别和第十二开关管的漏极、第三绕组的另一端相连。

第二开关的另一端和第一绕组的中点相连；单相交流电源的两个输入端分别接第三开关的一端、第四开关的一端；第三开关的另一端和第二绕组的中点相连，第四开关的另一端和第三绕组的中点相连。

第一至第十二开关管采用IGBT、MOSFET中的任意一种。

该集成化拓扑可通过开关来选择工作在驱动模式或充电模式。当K1闭合、K2断开时，系统工作在驱动模式；当K1断开、K2闭合时，系统工作在充电模式。

如图2所示，所述集成化拓扑工作于驱动模式时，将电机三相绕组各端子分别接入两个两电平逆变器，构成共母线双逆变器驱动的三相开绕组电机拓扑。该电机驱动拓扑针对单个电力电子器件存在功率定额的限制，采取在定子绕组两端串联较小功率变换器的方式来获得更大的系统输出功率和更多电平的供电效果，这样每组功率变换器只需为电机功率的一半，适合于大功率驱动场合。并且，双逆变器能够产生64个离散的电压矢量，电压组合灵活性高，易于实现容错驱动。

如图3所示，所述集成化拓扑工作于充电模式时， A₁与A₂、B₁与B₂、C₁与C₂桥臂开关状态分别相同，因此，用A、B、C三桥臂分别表示A₁与A₂、B₁与B₂、C₁与C₂桥臂开关状态。B、C桥臂上管、A桥臂下管开关管处于恒关断状态，通过体内二极管工作。充电模式等效拓扑前级为无桥Boost PFC电路，后级为Buck电路。充电模式下，本发明将各电枢绕组中心抽头引出从而将每相电枢绕组分裂成两线圈，在充电模式下使得同相电枢绕组分裂出的两个线圈上流过大小相等、方向相反的电流，各相磁通平衡，不产生电磁转矩。因此，充电时无需机械紧固装置。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电动汽车驱动与蓄电池充电集成化拓扑，其特征在于，包含第一开关、联动开关、第一电解电容、第二电解电容、蓄电池、第一至十二开关管、单相交流电源和三相开绕组电机；

所述联动开关包含第二至第四开关，所述第二至第四开关联动、同时打开或者闭合；

所述三相开绕组电机包含第一至第三绕组；

所述蓄电池的正极分别和所述第一开关的一端、第二电解电容的一端、第二开关的一端相连，负极分别和第二电解电容的另一端、第一电解电容的一端、第二开关管的源极、第四开关管的源极、第六开关管的源极、第八开关管的源极、第十开关管的源极、第十二开关管的源极相连；

所述第一开关的另一端分别和第一电解电容的另一端、第一开关管的漏极、第三开关管的漏极、第五开关管的漏极、第七开关管的漏极、第九开关管的漏极、第十一开关管的漏极相连；

所述第一开关管的源极分别和第二开关管的漏极、第一绕组的一端相连；

所述第三开关管的源极分别和第四开关管的漏极、第二绕组的一端相连；

所述第五开关管的源极分别和第六开关管的漏极、第三绕组的一端相连；

所述第七开关管的源极分别和第八开关管的漏极、第一绕组的另一端相连；

所述第九开关管的源极分别和第十开关管的漏极、第二绕组的另一端相连；

所述第十一开关管的源极分别和第十二开关管的漏极、第三绕组的另一端相连；

所述第二开关的另一端和所述第一绕组的中点相连；

所述单相交流电源的两个输入端分别接第三开关的一端、第四开关的一端；

所述第三开关的另一端和所述第二绕组的中点相连，所述第四开关的另一端和所述第三绕组的中点相连。

2.根据权利要求1所述的电动汽车驱动与蓄电池充电集成化拓扑，其特征在于，所述第一至第十二开关管采用IGBT、MOSFET中的任意一种。

3.基于权利要求1所述的电动汽车驱动与蓄电池充电集成化拓扑的控制方法，其特征在于，包含以下过程：

如果需要电动汽车驱动与蓄电池充电集成化拓扑工作在驱动模式，闭合第一开关，断开联动开关，此时集成化拓扑驱动三相开绕组电机工作；

如果需要电动汽车驱动与蓄电池充电集成化拓扑工作在充电模式，断开第一开关，闭合联动开关，此时集成化拓扑的等效拓扑前级为无桥Boost PFC电路，后级为Buck电路。