CN109687722B - 一种电动汽车用集成多模式功率转换器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电动汽车用集成多模式功率转换器及其控制方法，包括单相交流接口、单刀双掷开关、充放电插座、单相交流电磁干扰滤波器EMI、直流端接口、直流母线开关、功率开关器件、交流电感、控制器、滤波电容、三相交流电磁干扰滤波器EMI、三相交流电机、电流传感器和电压传感器，可实现高电压需求或低电压需求下的直流‑直流的双向转换、单相交流‑直流的双向转换、直流‑电机三相交流的双向转换、直流‑电网三相交流的双向转换、单相交流‑三相交流的双向转换的多种转换模式；本发明各个模式共用部分器件，能够节省空间，提高控制效率，减少了功率开关器件的数量和与之配套的散热器数量，具有更小的体积、更轻的重量、更低的成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种电源转换系统，具体涉及一种电动汽车用集成多模式功率转换器及其控制方法。
背景技术
电动汽车作为一种低碳环保的交通工具，代表着未来汽车发展的方向，近年来发展迅速。对于电动汽车，基于其空间布置的限制，功率密度的要求，通常需要将不同功能的系统进行集成设计，同时主电路部分需要设计成共享器件的通路结构，从而达到降低体积、质量和成本，提高功率密度和整车性能的要求。为了提高电动汽车电源系统的性能，通常采用锂电池或燃料电池作为能量源，为满足负载功率和能量的需求需要采用一个DC/DC转换器进行直流电源转换，实现电压匹配；同时，为了给电池高效、快捷的充电，需要采用具备AC/DC功能的充电机，将电网中单相交流电转换成直流电进行小功率充电，或者将电网中的三相交流电转换成直流电进行大功率充电，同时在电机制动时，需要将制动能量回收至电池处进行充电，以提高能量利用率；在进行户外活动时，为了满足小功率交流用电设备的需求，又需要一个DC/AC逆变器，将电池的直流电转换成单相交流电；对于驱动电机这种大功率交流用电设备时，同样需要一个DC/AC逆变器，将电池的直流电转换成三相交流电；为了利用电动汽车对电网进行“削峰填谷”，需要将直流电逆变为交流电回馈到电网。目前，为了实现所述的多种功能，需要配备一个双向DC/DC变换器、两个AC/DC充电机、两个DC/AC逆变器、一个双向AC/AC变换器，占用了车内宝贵空间、增加了电动汽车重量和成本，降低了能量密度和整车性能。目前，有共享电机控制器的功率开关管进行DC/AC转换以进行大功率充电的方案(如比亚迪公司的201210591834.5号专利)，但是，该方案当电机输出电压较低时，也需要经过DC/DC升压后再经过电机控制器模块转换，增加了损耗。另外该方案在进行大功率充电时，需要经过三相逆变电路、DC/DC模块电路，降低效率。
发明内容
有鉴于此，为解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种电动汽车用集成多模式功率转换器及其控制方法，能够实现电动汽车电源的双向DC/DC转换、双向AC/DC转换、双向AC/AC转换的多功能功率转换。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种电动汽车用集成多模式功率转换器，包括单相交流通路、三相交流通路和直流通路、单相交流接口、单刀双掷开关、充放电插座、单相交流电磁干扰滤波器EMI、直流端接口、直流母线开关、功率开关器件、交流电感、控制器、滤波电容、三相交流电磁干扰滤波器EMI、三相交流电机，具有高电压或低电压情况下的直流-直流的双向转换模式、直流-单相交流的双向转换模式、直流-电机三相交流的双向转换、电网三相交流-直流的双向转换模式和单相交流-三相交流的双向转换模式；所述单相交流通路电输入单相交流电磁干扰滤波器EMI进行滤波后，经过两个单刀双掷开关，连接到功率开关器件组成的其中两个桥臂上；所述直流通路经过一个并联滤波电容后，通过单刀双掷开关切换为两种通路，其中一种直接连接直流母线开关，另一种分为两个支路，分别串联电感后连接到两个桥臂的中点；所述两个桥臂的高端经过一个并联电容后连接到直流母线，所述直流母线并联滤波电容后连接到功率开关器件组成的另外三个桥臂的高端上，所述三个桥臂的中点分别连接三个支路，所述三个支路经过一个交流开关后连接到三相交流电机的三相绕组；同时还分别串联三个交流电感，并经过三相交流电磁干扰滤波器EMI后与充放电插座连接。
进一步地，还包括电流传感器和电压传感器，所述单相交流接口配置一个电压传感器；所述直流母线开关配置一个电压传感器和一个电流传感器；所述直流端接口配置一个电压传感器；所述集成多模式功率转换器的三条通路分别配置一个电流传感器；所述电流传感器用于采集端口或通路的电流信号，所述电压传感器用于采集端口的电压信号
进一步地，所述功率开关器件共有十个，每两个串联组合，构成五个桥臂；所述功率开关器件由硅金属氧化物半导体场效应晶体管、碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管与反并联二极管构成。
进一步地，所述单相交流通路通过单相交流电磁干扰滤波器EMI、单刀双掷开关和电感将交流电压传输到后级直流电路和三相交流电路，所述单相交流电为220V/50Hz的单相交流电，所述三相交流电为380V/50Hz的三相交流电。
一种电动汽车用集成多模式功率转换器的控制方法，通过改变单相交流通路、电机三相交流通路和直流通路的通断，以及充放电插座工作情况，实现以下10种模式的能量转换：
模式1、直流-直流双向转换模式；将所述单相交流通路断开，所述电机三相交流通路断开，所述直流通路接通，所述充放电插座不工作，通过单刀双掷开关切换为降压模式或升压模式，对输出电压和电流大小进行控制；在升压模式下，所述直流端通过直流端电感、四个功率开关器件和直流母线端电容组成两相交错结构Boost电路，实现直流高压输出；在降压模式下，所述直流母线端通过两个功率开关器件、直流端电感、直流端电容组成的两相交错Buck电路，实现降压输出；
模式2、单相交流-直流的双向转换模式；将所述直流通路接通，所述单相交流通路接通，所述电机三相交流通路断开，所述充放电插座不工作，工作模式为整流模式或逆变模式；在整流模式下，能量由电网单相交流流向直流端，完成对直流能量源的功率充电，两路桥臂其中两个功率开关器件工作于PWM模式，另外两个功率开关器件的反并二极管工作，构成无桥有源功率因数校正变换电路，通过对PWM信号的控制，提高输入端的功率因数；在逆变模式下，能量由直流端流向单相交流端；4个功率开关器件均工作于PWM模式，通过控制器进行矢量控制，完成直流到交流的转换；
模式3、直流-电机三相交流的双向转换模式；将所述直流通路接通，所述单向交流通路断开，所述电机三相交流通路接通，所述充放电插座不工作，工作模式为直流电直接驱动电机模式、直流电升压驱动电机模式或电机再生制动模式；在直流电直接驱动电机模式下，电机低压需求时，能量不经DC/DC变换，直接经直流母线端，并联电容后连接到三个桥臂的高端上，所述三个桥臂的中点分别连接三个支路，所述三个支路经过交流开关后连接到三相交流电机的三相绕组，同时三路桥臂的功率开关器件工作，将直流电转换成三相交流电，完成对电机的驱动；在直流电升压驱动电机模式下，直流端通过直流端电感、四个功率开关器件和直流母线端电容组成两相交错结构Boost电路，将电压泵升到直流高压输出，经过三相桥式逆变电路，完成对电机的驱动；在电机再生制动模式下，电流由电机三相交流端流向直流端，三路桥臂中的反并联二级管工作，将电机三相交流电转换成直流电，完成对直流能量源的充电过程；
模式4、直流-电网三相交流的双向转换模式；将所述直流通路接通，所述单向交流通路断开，所述电机三相交流通路断开，所述充放电插座工作，工作模式为整流模式或逆变模式；在整流模式下，电网三相电流经过充放电插头通过三相交流电磁干扰滤波器EMI后，串联三个电感后连接到三个整流桥臂的中点，三个桥臂的高端并联电容后，输出直流电至直流母线端，直流母线端通过两个功率开关器件、直流端电感、直流端电容组成的两相交错Buck电路，实现降压输出，完成对锂电池组的功率充电；在逆变模式下，由直流端提供直流电，充放电插座输出三相交流电给三相交流用电设备；
模式5、单相交流-三相交流的双向转换模式；将所述直流通路断开，所述单向交流通路接通，所述电机三相交流通路接通，工作模式为双向AC/AC变压模式；在双向AC/AC变压模式下，单相交流电经过双相整流桥，使三相逆变桥转变为三相交流电，通过三相交流开关切换，提供给电机或者三相交流用电设备；电机制动能量或电网三相交流电，经过三相整流桥和三相逆变桥，提供单相交流电给单相交流用电设备。
进一步地，所述直流-直流双向转换模式与直流-单相交流双向转换模式共用四个功率开关器件；所述直流-电机三相交流的双向转换模式和直流-电网三相交流的双向转换模式共用六个功率开关器件。
与现有技术比较，本发明的一种电动汽车用集成多模式功率转换器及其控制方法具有以下优点和有益效果：
(1)采用单刀双掷开关、母线开关和三相交流开关组合，采用了单相桥式DC/DC构架和两相交错式双向DC/DC构架，集成低功率需求和高功率需求的双向DC/DC、单相AC/DC和单相DC/AC模式；6个功率开关器件组成整流逆变桥，集成三相AC/DC和三相DC/AC模式。能够实现双向直流变换器、小功率电池包充电器、大功率电池包充电器、单相逆变器、三相逆变器多种功能。
(2)采用单刀双掷开关、母线开关和三相交流开关组合，在三相AC/DC大功率充电模式下，当可充放电能量源的电压与直流母线的电压满足一定条件时，通过对能量源参数匹配，实现母线电压不经过DC/DC变换，直接对能量源进行快充，提高充电效率。
(3)采用单刀双掷开关、母线开关组合，可以满足不同母线电压和负载功率的需求。实现低压需求时，能量源直接供能；高压低功率需求时，能量源通过单相桥式DC/DC升压供能；高压高功率需求时，能量源通过两相交错式双向DC/DC升压供能。
(4)双向DC/DC模式、单相AC/DC模式和单相DC/AC模式共用一个功率开关器件组、传感器、驱动器；三相AC/DC模式和三相DC/AC模式共用一个功率开关器件组。所有模式共用同一控制器，减小了系统体积，节约了系统成本。
(5)双向DC/DC模式下，直流端口的能量源既可以是可充放电的直流电源，如超级电容、锂电池、铅酸电池等，也可以是只放电的直流电源，如燃料电池。当直流端口的能量源为锂电池组类可充放电的直流电源时，实现双向DC/DC功能，当直流端口的能量源为燃料电池时，实现单向升压(Boost)功能。
(6)单相AC/DC模式下，采用4个全可控功率开关器件组成H桥，能够实现功率因数校正。三相AC/DC模式和三相DC/AC模式下，采用6个全可控功率开关器件组成的整流逆变桥，能够实现对电池组的大功率充电和对三相交流电的输出。
附图说明
图1为本发明实施例1的电路原理图。
图2a和图2b为本发明实施例1直流-直流双向转换模式的电路原理图。
图3为本发明实施例1单相交流-直流双向转换模式的电路原理图。
图4a、图4b和图4c为本发明实施例1直流-电机三相交流双向转换模式的电路原理图。
图5a和5b为本发明实施例1直流-电网三相交流双向转换模式的电路原理图。
图6为本发明实施例1单相交流-电网三相交流双向转换模式的电路原理图。
图7为本发明实施例1单相交流-电机三相交流双向转换模式的电路原理图。
图8为本发明实施例3的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体的实施例对本发明的具体实施作进一步说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，为实施例1的电路原理图，为一种电动汽车用集成多模式功率转换器，能量源选用锂电池或铅酸电池的充放电储能源。
所述集成多模式功率转换器将交流输入电源转换成直流电源为能量源充电，将能量源的直流电逆变成交流输出。所述集成多模式功率转换器包括单相交流通路、三相交流通路和直流通路。
功率开关器件IGBT91的发射极和IGBT94的集电极相连，组成一组桥臂，IGBT91的集电极端为桥臂高端，IGBT91的发射极和IGBT94的集电极连接处为桥臂中点；IGBT92的发射极和IGBT93的集电极相连，组成另一组桥臂，IGBT92的集电极端为桥臂高端，IGBT92的发射极和IGBT93的集电极连接处为桥臂中点；IGBT95的发射极和IGBT100的集电极相连，组成一组桥臂，IGBT95的集电极端为桥臂高端，IGBT95的发射极和IGBT100的集电极连接处为桥臂中点；IGBT96的发射极和IGBT99的集电极相连，组成一组桥臂，IGBT96的集电极端为桥臂高端，IGBT96的发射极和IGBT99的集电极连接处为桥臂中点；IGBT97的发射极和IGBT98的集电极相连，组成一组桥臂，IGBT97的集电极端为桥臂高端，IGBT97的发射极和IGBT98的集电极连接处为桥臂中点。
如图1，集成多模式功率转换器包括交流接口1、单相交流电磁干扰滤波器EMI2、直流端滤波电容13、能量源15、直流端接口14、第一单刀双掷开关3、第二单刀双掷开关12、直流母线开关11、第一交流端共用电感51、第二交流端共用电感52、三相交流电机10、三相电机开关9、直流母线端滤波电容6、第一三相交流端电感53、第二三相交流端电感54、第三三相交流端电感55、三相交流电磁干扰滤波器EMI7、充放电插头8、控制器(ECU)4、IGBT91、IGBT92、IGBT93、IGBT94、IGBT95、IGBT96、IGBT97、IGBT98、IGBT99和IGBT100。
所述交流接口1依次经过单相交流电磁干扰滤波器EMI2、第一单刀双掷开关3的1端口和第二单刀双掷开关12的1端口、分别连接第一交流端共用电感51和第二交流端共用电感52，连接到IGBT91和IGBT94、IGBT93和IGBT92组成的桥臂中点。
所述直流端接口14连接能量源15，直流端接口14与直流端滤波电容13并联，根据功率需求可分为两种通路：其中一种通路经第一单刀双掷开关3的2端口或者第二单刀双掷开关12的2端口，经过第一交流端共用电感51，连接到IGBT91和IGBT94组成的桥臂中点；另外一种通路经第一单刀双掷开关3的2端口和第二单刀双掷开关12的2端口后分为两路，两路分别经过第一交流端共用电感51、第二交流端共用电感52，连接到IGBT91和IGBT94、IGBT93和IGBT92组成的桥臂中点。在电机低压需求时，所述直流端接口14与直流端滤波电容13并联后，经直流母线开关11直接连接到直流母线端口5。
所述IGBT91和IGBT94、IGBT93和IGBT92组成的桥臂高端相连，并和直流母线端滤波电容6并联后连接直流母线端接口5，所述直流母线端接口5连接IGBT95和IGBT100、IGBT96和IGBT99、IGBT97和IGBT98组成的桥臂高端，所述IGBT95和IGBT100、IGBT96和IGBT99、IGBT97和IGBT98组成的桥臂中点分别连接第一三相交流端电感53、第二三相交流端电感54、第三三相交流端电感55，经三相交流电磁干扰滤波器EMI7后连接充放电插座8。IGBT95和IGBT100、IGBT96和IGBT99、IGBT97和IGBT98组成的桥臂中点通过三相电机开关9与三相交流电机10连接。
控制器(ECU)4需要采集的电流信号包括：IGBT91和IGBT94、IGBT93和IGBT92组成的桥臂中点电流和桥臂高端的电流；IGBT95和IGBT100、IGBT96和IGBT99、IGBT97和IGBT98组成的桥臂中点电流。
控制器(ECU)4需要采集的电压信号包括：单相交流电磁干扰滤波器EMI2后的交流通路两端电压、直流端接口14两端电压、直流母线端接口5两端电压；IGBT95和IGBT100、IGBT96和IGBT99、IGBT97和IGBT98组成的桥臂中点电压。
控制器(ECU)4接收采集到的电压、电流信号并处理，生成四路PWM信号送入IGBT91、IGBT92、IGBT93和IGBT94的门极，六路PWM信号送入IGBT95、IGBT96、IGBT97、IGBT98、IGBT99和IGBT100的门极。
本实施例以直流母线为过渡转换点，通过对第一单刀双掷开关3、第二单刀双掷开关12、直流母线开关11和三相交流电机10的开关组合，系统可以工作在10种转换模式下(如表1所示)。
表1集成多模式功率转换器工作模式转换一览表
*1—开关位置1；2—开关位置2；●—开关闭合；○—开关断开
具体转换模式如下：
(1)直流-直流(DC-DC)双向转换模式；将直流母线开关11断开，三相电机开关9断开，充放电插座8不工作；在低功率需求下，第一单刀双掷开关3接2端口，第二单刀双掷开关12接1端口；在高功率需求下，第一单刀双掷开关3接2端口，第二单刀双掷开关12接2端口。此模式下，交流接口1、单相交流电磁干扰滤波器EMI2、IGBT95、IGBT96、IGBT97、IGBT98、IGBT99、IGBT100、第一三相交流端电感53、第二三相交流端电感54、第三三相交流端电感55、三相交流电磁干扰滤波器EMI 7、三相交流电机10不参与工作，低功率DC/DC和高功率DC/DC简化原理图如图2a和图2b所示。为了使桥臂的上下开关器件不会因为开关速度问题发生同时导通，在IGBT91和IGBT94之间，IGBT92和IGBT93之间设置死区时间Tdead，使桥臂的上下IGBT之间间隔Tdead导通。当系统工作于直流升压模式时，IGBT93和IGBT94工作在PWM模式，IGBT91、IGBT92通过反并联二极管提供电流通路或工作于同步整流模式，为了减小纹波，令IGBT93和IGBT94的控制信号相位相差180度，能量源15的直流电源经过升压后提供直流输出；当系统工作于直流降压模式时，IGBT91、IGBT92工作在PWM模式，IGBT93和IGBT94通过反并联二极管提供电流通路或工作于同步整流模式，为了减小纹波，令IGBT91、IGBT92的控制信号相位相差180度，直流母线端电压降压后充入能量源15。
(2)单相交流-直流(AC-DC)的双向转换模式；将第一单刀双掷开关3接1端口，第二单刀双掷开关12接1端口，直流母线开关11闭合，交流接口1连接电网单相交流电，三相电机开关9断开，充放电插座8、能量源15、直流端开关12、单相交流电磁干扰滤波器EMI 2、IGBT95、IGBT96、IGBT97、IGBT98、IGBT99、IGBT100、第一三相交流端电感53、第二三相交流端电感54、第三三相交流端电感55、三相交流电磁干扰滤波器EMI7和三相交流电机10不工作，简化原理图如图3所示。
此模式下，当交流接口1的交流电压大于0时，控制时序为：IGBT94工作于PWM模式，IGBT91、IGBT93门极驱动为低电平保持关闭，通过反并联二极管提供电流通路；IGBT92关闭，由于输入电压大于0，IGBT92的反并联二极管不会导通。此时，可以将正半周的输入电压变换为高压直流信号，通过对IGBT94的PWM信号施加合适的控制策略，可以实现功率因数校正；
当交流接口1的交流电压小于0时，控制时序：IGBT93工作于PWM模式，IGBT92、IGBT94门极驱动为低电平保持关闭，通过反并二极管提供电流通路，IGBT 91门极驱动为低电平，由于输入电压小于0，IGBT91的反并二极管不会导通。此时，可以将负半周的输入电压变换为高压直流信号，通过对IGBT93的PWM信号施加合适的控制策略，实现功率因数校正。经过变换后为能量源15小功率充电。
当系统工作于直流-单相交流(DC-AC)模式时，控制时序为：为了使桥臂的上下开关器件不会因为开关速度问题发生同时导通，IGBT91和IGBT94之间，IGBT92和IGBT93之间设置死区时间Tdead，使桥臂的上下IGBT之间间隔Tdead导通。IGBT91、IGBT92、IGBT93、IGBT94工作于PWM模式，通过对PWM信号进行控制，系统构成单相逆变电路，将能量源11的直流电源逆变为单相交流电源输出。
(3)直流-电机三相交流(DC-AC)的双向转换模式；将本转换模式分解为直流端接口14和直流母线端5之间的DC/DC转换，与直流母线端5和三相交流电机10之间的DC/AC转换。
直流端14和直流母线端5间的DC/DC转换时，单相交流电磁干扰滤波器EMI2、交流端口1不工作。能量源15经直流端接口14后，DC/DC转换过程包括三种，一种是第一单刀双掷开关3接1端口，第二单刀双掷开关12接1端口，直流母线开关11闭合，此种方式可满足低压直流母线工况要求，此时IGBT91、IGBT92、IGBT93、IGBT94、第一交流端共用电感51、第二交流端共用电感52不工作；一种是第一单刀双掷开关3接2端口，第二单刀双掷开关12接1端口，直流母线开关11断开，此种方式可满足低功率需求工况要求，此时IGBT92、IGBT93、第一交流端共用电感51不工作；最后一种是第一单刀双掷开关3接2端口，第二单刀双掷开关12接2端口，直流母线开关11断开，此种方式可满足高功率需求工况要求。
直流母线端5和三相交流电机10间的DC/AC转换时，三相电机开关9闭合，充放电插座8、三相交流电磁干扰滤波器EMI7、第一三相交流端电感53、第二三相交流端电感54、第三三相交流端电感55不工作，直流母线端5经过IGBT95和IGBT100、IGBT96和IGBT99、IGBT97和IGBT98的高端，经三相桥臂中点引出，三相电机开关9，供给三相交流电机10。组合转换下的简化原理图如图4a、图4b和图4c所示。
当系统工作于直流母线-电机三相交流(DC-AC)模式时，为了使桥臂的上下开关器件不会因为开关速度问题发生同时导通，IGBT95和IGBT100之间，IGBT96和IGBT99之间、IGBT97和IGBT98之间设置死区时间Tdead，使桥臂的上下IGBT之间间隔Tdead导通。IGBT95、IGBT96、IGBT97、IGBT98、IGBT99、IGBT100工作于PWM模式，通过对PWM信号进行控制，系统构成三相逆变电路。
当系统工作于电机三相交流-直流母线(AC-DC)模式时，三相交流电机10制动时，反向交流电通过三相电机开关9、IGBT95和IGBT100、IGBT96和IGBT99、IGBT97和IGBT98组成的三相整流桥，通过控制策略，将三相交流电机10制动时产生的电流，经过变换后为能量源15大功率充电，完成三相交流电机10制动时的能量回收。
(4)直流-电网三相交流(DC-AC)的双向转换模式；将第一单刀双掷开关3接2端口，第二单刀双掷开关12接2端口，直流母线开关11断开，三相电机开关9断开，直流母线端接口5连接能量源15，三相交流电机10、单相交流电磁干扰滤波器EMI2、交流接口1不工作。
当系统工作于直流-电网三相交流(DC-AC)模式时，为了使桥臂的上下开关器件不会因为开关速度问题发生同时导通，IGBT95和IGBT100之间，IGBT96和IGBT99之间、IGBT97和IGBT98之间设置死区时间Tdead，使桥臂的上下IGBT之间间隔Tdead导通。IGBT95、IGBT96、IGBT97、IGBT98、IGBT99、IGBT100工作于PWM模式，通过对PWM信号进行控制，系统构成三相逆变电路，将能量源15的直流电源，通过直流端接口14，经过DC-DC转换电路和三相桥式逆变电路，再分别经过第一三相交流端电感53、第二三相交流端电感54、第三三相交流端电感55、三相交流电磁干扰滤波器EMI7，连接到充放电插座8，转换成三相交流电源输出，完成将能量源15的直流电源逆变为三相交流电源输出。
当系统工作于电网三相交流-直流(AC-DC)模式时，IGBT98、IGBT99、IGBT100工作于PWM模式，可以将输入三相电压变换为高压直流信号，通过对IGBT98、IGBT99、IGBT100的PWM信号施加合适的控制策略，实现功率因数校正。然后在经过DC-DC转换电路，完成电网三相电流经过变换后为能量源15大功率充电，其简化原理图如图5a所示。
当系统进行电网三相交流-直流(AC-DC)大功率充电模式时，第一单刀双掷开关3接1端口，第二单刀双掷开关12接1端口，直流母线开关11闭合。通过对能量源参数进行匹配对IGBT98、IGBT99、IGBT100的PWM信号施加合适的控制策略，使能量源电压和直流母线电压满足一定条件时，直接对能源源进行充电，其简化原理图如图5b所示。
(5)单相交流-电网三相交流(AC-AC)的双向转换模式；将第一单刀双掷开关3接1端口，第二单刀双掷开关12接1端口，直流母线开关11断开，三相电机开关9断开，三相交流电机10、直流能量源15不工作。
当系统工作于单相交流-电网三相交流(AC-AC)模式时，交流接口1提供的单相交流电，经过单相交流-直流母线(AC-DC)模块后整流成高压直流电，再经过直流母线-电网三相交流(DC-AC)模块后逆变成三相交流电，连接到充放电插头8，转换成三相交流电源输出，完成由单相交流电向三相交流电的转换。
当系统工作于电网三相交流-单相交流(AC-AC)模式时，充放电插座8提供三相交流电，通过电网三相交流-直流母线(AC-DC)模块整流成高压直流电，再经过直流母线-单相交流(DC-AC)模块后逆变成单相交流电，由单相交流接口1输出，完成由三相交流电向单相交流电的转换，其简化原理图如图6所示。
(6)电机三相交流-单相交流(AC-AC)的双向转换模式；将第一单刀双掷开关3接1端口，第二单刀双掷开关12接1端口，直流母线开关11断开，三相电机开关9闭合，能量源15、充放电插座8、三相交流电磁干扰滤波器EMI7不工作。
当三相交流电机10制动时，反向交流电通过电机三相交流-直流母线(AC-DC)模块整流成高压直流电，经过双向DC-DC模块后转换成低压直流电，在经过直流母线-单相交流(DC-AC)模块后转换成单相交流电输出，完成三相交流电机10制动时的能量回收再利用，其简化原理图如图7所示。
实施例2
本实施例中，直流端接口14连接的能量源15选用为燃料电池；相比其他能量来说，燃料电池具有无污染，效率高，可循环利用的优点，燃料电池无需充电，只需要补充燃料，因此直流端只具有单向DC/DC功能。
当系统工作于直流端-直流母线(DC-DC)的单向转换模式时，控制器(ECU)4通过信号控制IGBT93和IGBT94工作在PWM模式，IGBT91、IGBT92通过反并二极管提供电流通路或工作于同步整流模式，实现单向升压(Boost)功能。
其他基本工作原理与实例1基本相同，电路原理图参考实例1，此处不做赘述
实施例3
如图8所示，为实施例的电路原理图，当设计的电网三相交流通路和电机三相交流通路的电压等级、电流、开关频率、纹波率等参数相近时，电网三相交流电感值和电机三相交流电感值也相近，通过调整设计参数，电网三相交流通路和电机三相交流通路可以共用第一三相交流端电感53、第二三相交流端电感54、第三三相交流端电感55，从而进一步节省系统的空间和成本。
本实施实例的三相交流通路中，充放电插座8依次连接单相交流电磁干扰滤波器EMI2、六接头三相直流电机18、接入IGBT95和IGBT100、IGBT96和IGBT99、IGBT97和IGBT98组成的桥臂中点，其余通路连接方式和实施实例1相同。
当系统工作于直流-电网三相交流(DC-AC)的双向转换模式时，三相电机开关9断开，三相交流电机10不工作，充放电插座8工作；当系统工作于直流-电机三相交流(DC-AC)的双向转换模式时，三相电机开关9闭合，实现绕组的星型连接，三相交流电机10工作，充放电插座8不工作。
其他基本工作原理与实施例1基本相同，此处不做赘述，相比较于实施实例1，本实施实例由于共用第一三相交流端电感53、第二三相交流端电感54、第三三相交流端电感55，节省了体积和成本。
本发明通过对第一单刀双掷开关3、第二单刀双掷开关12、直流母线开关11、三相电机开关9、直流端接口14、充放电插座8和IGBT的控制，以直流母线端5为过渡转换点，可实现低功率需求和高功率需求下的直流-直流(DC-DC)的双向转换、单相交流-直流(AC-DC)的双向转换、直流-电机三相交流(DC-AC)的双向转换、直流-电网三相交流(DC-AC)的双向转换、单相交流-三相交流(AC-AC)的双向转换的多种转换模式。各个模式共用IGBT、电压传感器、电流传感器、控制器(ECU)，能够节省成本和空间，提高控制效率。
综上所述，本发明的一种电动汽车用集成多模式功率转换器及其控制方法，能够实现电动汽车电源的双向DC/DC转换、双向AC/DC转换、双向AC/AC转换的多功能功率转换，减少了功率开关器件的数量和与之配套的散热器数量，具有更小的体积、更轻的重量、更低的成本。
Claims (6)
1.一种电动汽车用集成多模式功率转换器，其特征在于包括单相交流通路、三相交流通路和直流通路、单相交流接口、单刀双掷开关、充放电插座、单相交流电磁干扰滤波器、直流端接口、直流母线开关、功率开关器件、交流电感、控制器、滤波电容、三相交流电磁干扰滤波器、三相交流电机，可实现高电压需求或低电压需求下的直流-直流的双向转换模式、直流-单相交流的双向转换模式、直流-电机三相交流的双向转换、电网三相交流-直流的双向转换模式和单相交流-三相交流的双向转换模式，所述单相交流通路电输入单相交流电磁干扰滤波器EMI进行滤波后，经过两个单刀双掷开关，连接到功率开关器件组成的两个桥臂上；所述直流通路经过一个并联滤波电容后，通过单刀双掷开关切换为两种通路，其中一种直接连接直流母线开关的一端，另一端连接到直流母线上；另一种分为两个支路，两个支路分别串联电感后连接到两个桥臂的中点；所述两个桥臂的高端经过一个并联电容后连接到直流母线，所述直流母线并联滤波电容后连接到功率开关器件组成的另外三个桥臂的高端上，所述三个桥臂的中点分别连接三个支路，所述三个支路各经过一个交流开关后连接到三相交流电机的三相绕组；同时还分别串联三个交流电感，并经过三相交流电磁干扰滤波器EMI后与充放电插座连接；
通过改变单相交流通路、电机三相交流通路和直流通路的通断，以及充放电插座工作情况，实现以下10种模式的能量转换：
模式1、直流-直流双向转换模式；将所述单相交流通路断开，所述电机三相交流通路断开，所述直流通路接通，所述充放电插座不工作，通过单刀双掷开关切换为降压模式或升压模式，对输出电压和电流大小进行控制；在升压模式下，所述直流端通过直流端电感、四个功率开关器件和直流母线端电容组成两相交错结构Boost电路，实现直流高压输出；在降压模式下，所述直流母线端通过两个功率开关器件、直流端电感、直流端电容组成的两相交错Buck电路，实现降压输出；
模式2、单相交流-直流的双向转换模式；将所述直流通路接通，所述单相交流通路接通，所述电机三相交流通路断开，所述充放电插座不工作，工作模式为整流模式或逆变模式；在整流模式下，能量由电网单相交流流向直流端，完成对直流能量源的功率充电，两路桥臂其中两个功率开关器件工作于PWM模式，另外两个功率开关器件的反并二极管工作，构成无桥有源功率因数校正变换电路，通过对PWM信号的控制，提高输入端的功率因数；在逆变模式下，能量由直流端流向单相交流端；4个功率开关器件均工作于PWM模式，通过控制器进行矢量控制，完成直流到交流的转换；
模式3、直流-电机三相交流的双向转换模式；将所述直流通路接通，所述单相交流通路断开，所述电机三相交流通路接通，所述充放电插座不工作，工作模式为直流电直接驱动电机模式、直流电升压驱动电机模式或电机再生制动模式；在直流电直接驱动电机模式下，电机低压需求时，能量不经DC/DC变换，直接经直流母线端，并联电容后连接到三个桥臂的高端上，所述三个桥臂的中点分别连接三个支路，所述三个支路经过交流开关后连接到三相交流电机的三相绕组，同时三路桥臂的功率开关器件工作，将直流电转换成三相交流电，完成对电机的驱动；在直流电升压驱动电机模式下，直流端通过直流端电感、四个功率开关器件和直流母线端电容组成两相交错结构Boost电路，将电压泵升到直流高压输出，经过三相桥式逆变电路，完成对电机的驱动；在电机再生制动模式下，电流由电机三相交流端流向直流端，三路桥臂中的反并联二级管工作，将电机三相交流电转换成直流电，完成对直流能量源的充电过程；
模式4、直流-电网三相交流的双向转换模式；将所述直流通路接通，所述单相交流通路断开，所述电机三相交流通路断开，所述充放电插座工作，工作模式为整流模式或逆变模式；在整流模式下，电网三相电流经过充放电插座通过三相交流电磁干扰滤波器EMI后，串联三个电感后连接到三个整流桥臂的中点，三个桥臂的高端并联电容后，输出直流电至直流母线端，直流母线端通过两个功率开关器件、直流端电感、直流端电容组成的两相交错Buck电路，实现降压输出，完成对锂电池组的功率充电；在逆变模式下，由直流端提供直流电，充放电插座输出三相交流电给三相交流用电设备；
模式5、单相交流-三相交流的双向转换模式；将所述直流通路断开，所述单相交流通路接通，所述电机三相交流通路接通，工作模式为双向AC/AC变压模式；在双向AC/AC变压模式下，单相交流电经过双相整流桥，使三相逆变桥转变为三相交流电，通过三相交流开关切换，提供给电机或者三相交流用电设备；电机制动能量或电网三相交流电，经过三相整流桥和三相逆变桥，提供单相交流电给单相交流用电设备。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车用集成多模式功率转换器，其特征在于：所述功率开关器件共有十个，每两个串联组合，构成五个桥臂；所述功率开关器件由硅金属氧化物半导体场效应晶体管、碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管之一与反并联二极管构成。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车用集成多模式功率转换器，其特征在于：所述单相交流通路通过单相交流电磁干扰滤波器EMI、单刀双掷开关和电感将交流电压传输到后级直流电路和三相交流电路，所述单相交流电为220V/50Hz的单相交流电，所述三相交流电为380V/50Hz的三相交流电。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车用集成多模式功率转换器，其特征在于：还包括电流传感器和电压传感器，所述单相交流接口配置一个电压传感器；所述直流母线开关配置一个电压传感器和一个电流传感器；所述直流端接口配置一个电压传感器；所述集成多模式功率转换器的三条通路分别配置一个电流传感器；所述电流传感器用于采集端口或通路的电流信号，所述电压传感器用于采集端口的电压信号。
5.用于权利要求1所述的一种电动汽车用集成多模式功率转换器的控制方法，其特征在于，通过改变单相交流通路、电机三相交流通路和直流通路的通断，以及充放电插座工作情况，实现以下10种模式的能量转换：
模式1、直流-直流双向转换模式；将所述单相交流通路断开，所述电机三相交流通路断开，所述直流通路接通，所述充放电插座不工作，通过单刀双掷开关切换为降压模式或升压模式，对输出电压和电流大小进行控制；在升压模式下，所述直流端通过直流端电感、四个功率开关器件和直流母线端电容组成两相交错结构Boost电路，实现直流高压输出；在降压模式下，所述直流母线端通过两个功率开关器件、直流端电感、直流端电容组成的两相交错Buck电路，实现降压输出；
模式2、单相交流-直流的双向转换模式；将所述直流通路接通，所述单相交流通路接通，所述电机三相交流通路断开，所述充放电插座不工作，工作模式为整流模式或逆变模式；在整流模式下，能量由电网单相交流流向直流端，完成对直流能量源的功率充电，两路桥臂其中两个功率开关器件工作于PWM模式，另外两个功率开关器件的反并二极管工作，构成无桥有源功率因数校正变换电路，通过对PWM信号的控制，提高输入端的功率因数；在逆变模式下，能量由直流端流向单相交流端；4个功率开关器件均工作于PWM模式，通过控制器进行矢量控制，完成直流到交流的转换；
模式3、直流-电机三相交流的双向转换模式；将所述直流通路接通，所述单相交流通路断开，所述电机三相交流通路接通，所述充放电插座不工作，工作模式为直流电直接驱动电机模式、直流电升压驱动电机模式或电机再生制动模式；在直流电直接驱动电机模式下，电机低压需求时，能量不经DC/DC变换，直接经直流母线端，并联电容后连接到三个桥臂的高端上，所述三个桥臂的中点分别连接三个支路，所述三个支路经过交流开关后连接到三相交流电机的三相绕组，同时三路桥臂的功率开关器件工作，将直流电转换成三相交流电，完成对电机的驱动；在直流电升压驱动电机模式下，直流端通过直流端电感、四个功率开关器件和直流母线端电容组成两相交错结构Boost电路，将电压泵升到直流高压输出，经过三相桥式逆变电路，完成对电机的驱动；在电机再生制动模式下，电流由电机三相交流端流向直流端，三路桥臂中的反并联二级管工作，将电机三相交流电转换成直流电，完成对直流能量源的充电过程；
模式4、直流-电网三相交流的双向转换模式；将所述直流通路接通，所述单相交流通路断开，所述电机三相交流通路断开，所述充放电插座工作，工作模式为整流模式或逆变模式；在整流模式下，电网三相电流经过充放电插座通过三相交流电磁干扰滤波器EMI后，串联三个电感后连接到三个整流桥臂的中点，三个桥臂的高端并联电容后，输出直流电至直流母线端，直流母线端通过两个功率开关器件、直流端电感、直流端电容组成的两相交错Buck电路，实现降压输出，完成对锂电池组的功率充电；在逆变模式下，由直流端提供直流电，充放电插座输出三相交流电给三相交流用电设备；
模式5、单相交流-三相交流的双向转换模式；将所述直流通路断开，所述单相交流通路接通，所述电机三相交流通路接通，工作模式为双向AC/AC变压模式；在双向AC/AC变压模式下，单相交流电经过双相整流桥，使三相逆变桥转变为三相交流电，通过三相交流开关切换，提供给电机或者三相交流用电设备；电机制动能量或电网三相交流电，经过三相整流桥和三相逆变桥，提供单相交流电给单相交流用电设备。
6.根据权利要求5所述的一种电动汽车用集成多模式功率转换器的控制方法，其特征在于：所述直流-直流双向转换模式与直流-单相交流双向转换模式共用四个功率开关器件；所述直流-电机三相交流的双向转换模式和直流-电网三相交流的双向转换模式共用六个功率开关器件。
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