CN110450645A - 一种电动汽车驱动系统和电动汽车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车驱动系统，包括多个逆变单元和驱动电机，所述驱动电机的各相定子绕组中的多个线圈分成多组，形成多组分绕组，各所述分绕组均为三相绕组，所述分绕组和逆变单元数量相等，一组分绕组的三相输入与一个逆变单元的三相输出对应相连，各所述逆变单元均为由分立的开关器件构成的三相全桥结构。本发明还相应公开了一种电动汽车，包括如上所述的电动汽车驱动系统。本发明的电动汽车驱动系统和电动汽车均具有结构紧凑、成本低、可靠性高、散热性能好等优点。

Description

一种电动汽车驱动系统和电动汽车

技术领域

本发明主要涉及电动汽车技术领域，特指一种电动汽车驱动系统和电动汽车。

背景技术

电动汽车驱动系统一般包括驱动电机和电机控制器，目前驱动电机一般采用三相交流电机，电机控制器一般采用基于三相全桥结构的主电路结构。如图1所示为三相交流驱动电机和电机控制器主电路原理图。图1中从电池输出的直流电经DC+和DC-进入到电机控制器中，电机控制器通过6个开关管(图1中的1-6#)组成的三相全桥逆变电路将电池输入的直流电逆变成三相交流电，分别通过U、V和W进入驱动电机2，为电机供电。其中开关管(1#、3#、5#)组成全桥的三个上管，开关管(2#、4#、6#)为全桥的三个下管。

目前驱动电机控制器的开关管普遍采用IGBT模块(如英飞凌IGBT模块-FF600R12ME4)，其中一个IGBT模块中包含图1所示的一个上管(1#或3#或5#)和一个下管(2#或4#或6#)。图2所示为IGBT模块内部主电路原理图，图2中a1为一个IGBT芯片构成的单管，a2为与a1相同的多个IGBT芯片构成的单管，a1与多个a2的集电极c连在一起，发射极e也连在一起，并联形成一个三相逆变全桥的上管；类似地，图2中b1为一个IGBT芯片构成的单管，b2为与b1相同的多个IGBT芯片构成的单管，b1与多个b2的集电极c连在一起，发射极e也连在一起，并联形成一个三相逆变全桥的下管。上述上管的集电极c与模块的正输入端D1相连；上述下管的发射极e与模块的负输入端D2相连；上述上管的发射极e和下管的集电极c连在一起，形成图2中的输出端H1，输出端H1与输出端H2和H3相连。

图3所示为基于图2所示IGBT模块构成控制器主电路在具体应用时的原理图。车辆动力电池输出的直流电源接电机控制器1的输入端DC+和DC-，电机控制器1内部有3个IGBT模块，3个IGBT模块的输入端D1连在一起，与DC+相连；3个IGBT模块的输入端D2连在一起，与DC-相连；每个IGBT模块的输出端H2和H3连在一起，并与驱动电机的一相绕组相连，3个IGBT模块共输出3路交流U、V和W，给三相交流驱动电机供电。

电动汽车对驱动系统成本提出了很高要求，为了降低成本，同时提高电机控制器电流等级的灵活性，行业中出现了用IGBT单管的分立器件来代替IGBT模块，如美国电动汽车公司特斯拉的ModelS车型，就是采用基于IGBT分立单管并联的电机控制器。国内英搏尔等公司也批量推出了基于IGBT分立单管并联的驱动电机控制器，如发明专利《CN201710132378-交流电机控制器》所述。IGBT分立单管有3个引脚，即分别为图2中IGBT芯片的集电极c、发射极e和门级g。

基于IGBT分立单管并联的电机控制器与基于IGBT模块的电机控制器结构和原理类似，其主要区别在于基于IGBT分立单管并联的电机控制器是多个分立的IGBT单管通过外部电路进行并联，形成图1所示的开关器件，而基于IGBT模块的电机控制器是通过IGBT模块内部的IGBT芯片单管在模块内部并联，形成图1所示的开关器件。

另外，电动汽车驱动电机定子绕组一般采用分布式绕组，电机的极数一般在8极以上，为简化说明，图4展示了一台4极24槽的电机绕组的连接方式，该电机为普遍采用的双层绕组，即一个定子槽内有上下两个绕组边，上层边用实线代表，下层边用虚线代表。电机的每极每相槽数为2，节距为5，其中1槽、2槽的上层边(实线)和6槽、7槽的下层边(虚线)为一个线圈组，A相共有4个类似的线圈组，另外3个线圈组的上层边分别位于7槽和8槽、13槽和14槽、19槽和20槽，如图5所示为A相绕组的4个线圈组分布和连接情况。因节距固定为5，为简化起见，各线圈可以用上层边来代替，图4所示绕组的连接方式简化如图6所示，从图6可以看出，每相绕组的4个线圈组为2串2并，即并联支路数为2，三相绕组为星形连接。每相绕组的4个线圈组也可以是4个全部串联(如图7为U相4个线圈组全部串联，此时并联支路数为1)或4个全部并联(如图8为U相4个线圈组全部并联，此时并联支路数为4)，具体根据驱动电机电压高低和电机的设计来定。

如上所述，目前电动汽车驱动系统普遍采用的方案，基于IGBT模块或基于IGBT分立单管并联的电机控制器+三相交流驱动电机主要存在的问题包括：

1、IGBT模块的芯片并联方案或IGBT分立单管并联方案，由于需要减小杂散电感，芯片和单管之间需要紧密排布，这样使发热集中，散热相对困难，影响IGBT的性能发挥；

2、基于IGBT模块的电机控制器成本偏高，且电流等级少，与驱动电机匹配灵活性差；

3、由于IGBT电流与温度具有正相关的特性，电流增加使得温度升高，温度升高又会促使电流增加，IGBT分立单管之间的参数差异容易导致过流，并联技术难度大，且难度随着并联的个数增加而增加；目前国内方案并联的IGBT分立单管个数最大为4个，限制了并联方案的应用，也存在可靠性差的问题。

4、电机控制器一个IGBT模块故障或驱动电机内部部分绕组故障将导致整个电机控制器或驱动电机无法工作，可靠性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种可靠性高、灵活性强的电动汽车驱动系统和电动汽车。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种电动汽车驱动系统，包括多个逆变单元和驱动电机，所述驱动电机的各相定子绕组中的多个线圈分成多组，形成多组分绕组，各所述分绕组均为三相绕组，各所述分绕组和逆变单元数量相等，一组分绕组的三相输入与一个逆变单元的三相输出对应相连，各所述逆变单元均为由分立的开关器件构成的三相全桥结构。

作为上述技术方案的进一步改进：

分立的开关器件为IGBT分立单管或Mosfet分立单管或碳化硅分立单管或氮化镓分立单管。

各所述分绕组中每相绕组中的线圈相互串联或并联。

各所述分绕组为驱动电机一个极对应的一个三相极相组或一对极对应的两个极性相反的三相极相组。

各所述分绕组均形成一个中性点，所述分绕组的中性点相互不连接。

多个逆变单元输入端并联有母线电容，所述母线电容包括单个电容或多个并联的电容。

分绕组或逆变单元的数量与驱动电机的极数或极对数相等。

本发明还公开了一种电动汽车，包括如上所述的电动汽车驱动系统。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的电动汽车驱动系统，将驱动电机的各相定子绕组分成多组分绕组，每个分绕组对应有一套独立的逆变单元，各逆变单元的分立单管可以选用不同的电流等级，通过与不同组数的分绕组搭配实现更多的总电流等级，灵活性强；另一方面，采用由逆变单元与分绕组构成的多套主电路形式，相对于现有单套逆变器与定子绕组构成的单套主电路的形式，其可靠性也更高，各套主电路独立工作，相互之间可以冗余形成保护；在其中某一套主电路出现问题的情况下，其余主电路可以正常工作，电机驱动系统可以实现降功率运行，从而避免现有逆变器出现问题后整个系统都无法工作的问题。

(2)由于采用IGBT分立单管代替现有的IGBT模块，整个系统的成本降低；

(3)由于逆变单元采用IGBT分立单管构成，各IGBT分立单管可以均布在较大的空间内，便于IGBT分立单管进行散热，有利于更好地发挥IGBT分立单管的工作性能；

(4)由于采用IGBT分立单管构成三相全桥结构，三相全桥结构与对应分绕组直接相连，省去了现有IGBT模块与电机绕组并联的大容量母线和电缆，进一步降低了成本，减小了体积和重量，也有利于电机与逆变单元进行深度集成，进一步减小体积。

(5)本发明的电动汽车，同样具有如上所述电动汽车驱动系统的优点。

附图说明

图1为现有技术中的驱动系统的主电路原理图。

图2为现有技术中IGBT模块内部的主电路原理图。

图3为现有技术中基于IGBT模块构建的驱动系统主电路框图。

图4为现有技术中驱动电机的定子绕组布置及连接图。

图5为现有技术中驱动电机U相绕组的四个线圈的布置图。

图6为现有技术中驱动电机各绕组连接原理图(串并联)

图7为现有技术中驱动电机U各绕组连接原理图(全部串联)。

图8为现有技术中驱动电机U各绕组连接原理图(全部并联)。

图9为本发明在实施例一中的主电路原理图。

图10为本发明在实施例二中的主电路原理图。

图中标号表示：1、逆变单元；101、IGBT分立单管；2、驱动电机；3、定子绕组；4、分绕组。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图9和图10所示，本实施例的电动汽车驱动系统，包括多个逆变单元1和驱动电机2，驱动电机2的各相定子绕组3中的多个线圈分成多组，形成多组分绕组4，各分绕组4为三相绕组；各分绕组4和逆变单元1数量相等，一组分绕组4的三相输入与一个逆变单元1的三相输出对应相连，各逆变单元1均为由分立的开关器件构成的三相全桥结构，各分绕组4为三相绕组。

本发明的电动汽车驱动系统，将驱动电机2的各相定子绕组3分成多组分绕组4，每个分绕组4对应有一套独立的逆变单元1，各逆变单元1的分立单管可以选用不同的电流等级，通过与不同组数的分绕组搭配实现更多的总电流等级，灵活性强；另一方面，采用由逆变单元1与分绕组4构成的多套主电路形式，相对于现有单套逆变器与定子绕组3构成的单套主电路的形式，其可靠性也更高，各套主电路可以独立工作，相互之间可以冗余形成保护；在其中某一套主电路出现问题的情况下，其余主电路可以正常工作，电机驱动系统可以实现降功率运行，从而避免现有逆变器出现问题后整个系统都无法工作的问题。

本实施例中，分立的开关器件均为IGBT分立单管101，即每套逆变单元1均包括六个IGBT分立单管101；各逆变单元1的三相输出与对应的分绕组4的三相输入直接相连。在具体应用时，IGBT分立单管101的等级型号依据对应分绕组4等情况进行选择。通过采用上述IGBT分立单管101构成的三相全桥结构，具有如下的技术效果：

(1)由于采用IGBT分立单管101代替现有的IGBT模块，整个系统的成本降低；

(2)由于逆变单元1采用IGBT分立单管101构成，各IGBT分立单管101可以均布在较大的空间内，便于IGBT分立单管101进行散热，有利于更好地发挥IGBT分立单管101的工作性能；

(3)由于采用IGBT分立单管101构成三相全桥结构，三相全桥结构与对应分绕组4直接相连，省去了现有IGBT模块之间并联及输出的大容量母线和电缆，进一步降低了成本，也有利于驱动电机2与逆变单元1进行深度集成，减小体积。

当然，在其它实施例中，也可以采用Mosfet分立单管或碳化硅分立单管或氮化镓分立单管等来代替IGBT分立单管，同样能够达到上述技术效果。

本实施例中，各分绕组4中的线圈个数相同，且各分绕组4中的线圈相互串联；通过以上的设置，使得各主电路的结构及性能一致，便于控制。当然，在其它实施例中，各分绕组4中的各线圈也可以采用并联或串并联(混联)的形式。

本实施例中，分绕组或逆变单元的数量与驱动电机的极数或极对数相等；各分绕组为驱动电机一个极对应的一个三相极相组或一对极对应的两个极性相反的三相极相组；各分绕组均形成一个中性点，分绕组的中性点相互不连接。另外，多个逆变单元输入端并联有母线电容，母线电容包括单个电容(如图9或10中的电容C)或多个并联的电容。

本发明还相应公开了一种电动汽车，包括如上所述的电动汽车驱动系统。本发明的电动汽车同样具有如上所述的电动汽车驱动系统的优点。

下面结合两个完整的具体实施例对本发明的电动汽车驱动系统进行说明：

实施例一：

如图9所示，同样以图4所示的4极24槽的电机绕组进行说明，本实施例中的绕组均分成了两套三相分绕组(图9中的F1和F2)，其中三相分绕组F1的U1相为图6中U相绕组的一条并联支路，即由线圈组A1-X1和线圈组A2-X2串联形成的一条支路；三相分绕组F2的U2相为图6中U相绕组的另一条并联支路，即由线圈组A3-X3和线圈组A4-X4串联形成的一条支路。同理，三相分绕组F1的V1相、F2的V2相同样由图6中V相绕组的两条并联支路拆开构成，类似地，分绕组F1的W1相和分绕组F2的W2相也是由图6中W相的两条支路构成。分绕组F1的三相U1、V1和W1分别与三相逆变桥E1的3个交流输出端O11、O13和O12相连。

如图9所示，三相逆变桥E1由6个IGBT分立单管(图9中1-6#)构成，3个上管(1#、3#和5#)的集电极c连在一起形成直流正极IN1+，3个下管(2#、4#和6#)的发射极e连在一起形成直流负极输入IN1-，IGBT分立单管1#的发射极e与IGBT分立单管2#的集电极c相连，形成交流输出端O11，IGBT分立单管3#的发射极e与IGBT分立单管4#的集电极c相连，形成交流输出端O12，IGBT分立单管5#的发射极e与IGBT分立单管6#的集电极c相连，形成交流输出端O13。

类似地，分绕组F2的三相U2、V2和W2分别与三相逆变桥E2的3个交流输出端O11、O12和O13三相连。三相逆变桥E2与E1结构相同，也是由6个IGBT分立单管构成。

如图9所示，分绕组F1具有中性点D1，分绕组F2具有中性点D2，中性点D1和中性点D2不相连。

实施例二：

如图10所示，同样以图4所示的4极24槽的电机绕组进行说明，本实施例中的各相绕组均分成了四套三相分绕组，分别为图10中的F3-F6。同样地，采用了4个由IGBT分立单管组成的三相逆变桥，分别是E3-E6；三相分绕组F3的三相交流输入端U1、V1和W1分别与三相逆变桥E3的输出端O11、O13和O12相连；三相分绕组F4的三相交流输入端U2、V2和W2分别与三相逆变桥E4的输出端O11、O13和O12相连；三相分绕组F5的三相交流输入端U3、V3和W3分别与三相逆变桥E5的输出端O11、O13和O12相连；三相分绕组F6的三相交流输入端U4、V4和W4分别与三相逆变桥E6的输出端O11、O13和O12相连。

其中驱动电机2的三相分绕组F3的U1相由线圈组A1-X1构成，V1相由线圈组B1-Y1构成，W1相由线圈组C1-Z1构成；三相分绕组F4的U2相由线圈组A2-X2构成，V2相由线圈组B2-Y2构成，W2相由线圈组C2-Z2构成；三相分绕组F5的U3相由线圈组A3-X3构成，V3相由线圈组B3-Y3构成，W3相由线圈组C3-Z3构成；三相分绕组F6的U4相由线圈组A4-X4构成，V4相由线圈组B4-Y4构成，W4相由线圈组C4-Z4构成。

如图10所示，分绕组F3具有中性点D3，分绕组F4具有中性点D4，分绕组F5具有中性点D5，分绕组F6具有中性点D6，中性点D3、中性点D4、中性点D5、中性点D6互不相连。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种电动汽车驱动系统，其特征在于，包括多个逆变单元(1)和驱动电机(2)，所述驱动电机(2)的各相定子绕组(3)中的多个线圈分成多组，形成多组分绕组(4)，各所述分绕组(4)均为三相绕组，各所述分绕组(4)和逆变单元(1)数量相等，一组分绕组(4)的三相输入与一个逆变单元(1)的三相输出对应相连，各所述逆变单元(1)均为由分立的开关器件构成的三相全桥结构。

2.根据权利要求1所述的电动汽车驱动系统，其特征在于，分立的开关器件为IGBT分立单管或Mosfet分立单管或碳化硅分立单管或氮化镓分立单管(101)。

3.根据权利要求1所述的电动汽车驱动系统，其特征在于，各所述分绕组(4)中每相绕组中的线圈相互串联或并联。

4.根据权利要求1或2或3所述的电动汽车驱动系统，其特征在于，各所述分绕组(4)为驱动电机(2)一个极对应的一个三相极相组或一对极对应的两个极性相反的三相极相组。

5.根据权利要求1或2或3所述的电动汽车驱动系统，其特征在于，各所述分绕组(4)均形成一个中性点，所述分绕组(4)的中性点相互不连接。

6.根据权利要求1或2或3所述的电动汽车驱动系统，其特征在于，多个逆变单元(1)输入端并联有母线电容，所述母线电容包括单个电容或多个并联的电容。

7.根据权利要求1或2或3所述的电动汽车驱动系统，其特征在于，分绕组(4)或逆变单元(1)的数量与驱动电机(2)的极数或极对数相等。

8.一种电动汽车，其特征在于，包括如权利要求1至7中任意一项所述的电动汽车驱动系统。