CN110774917A - 一种电动汽车用车载充电与驱动一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车用车载充电与驱动一体化装置。该装置包括：主电路单元、开关逻辑控制单元。所述主电路由蓄电池、多三相H桥、多盘轴向磁通永磁同步电机与开关网络构成，多盘轴向磁通电机定子绕组作为多相整流与多相交错并联电路中的电感，实现驱动模式与充电模式的混合功能；所述开关逻辑控制单元通过电压传感器单元检测定子是否连接上电，信号发送给整车管理器；整车管理器处理信号，控制开关网络动作，切换驱动与充电模式。该结构具有较多优点：驱动与充电电路结构可复用，可通过开关逻辑变换实现充电与驱动模式的转换；电机定子绕组充当大电感通过多相交错并联升降压拓扑结构减小电流谐波提升电流质量，提高充电功率等级，延长寿命。

Description

一种电动汽车用车载充电与驱动一体化装置

技术领域

本发明涉及一种电动汽车用车载充电与驱动一体化装置。

背景技术

电动汽车的发展是解决化石能源短缺的一个重要方案，其相关技术及产业发展迅速，但是电动汽车的蓄电池及其充电技术是制约其发展的重要因素，蓄电池充电技术的好坏会直接影响到其充电时间与工作寿命。电动汽车充电系统包括车载型充电系统以及独立型充电系统，两者最大区别即车载型充电系统将充电变换器安装在车上，而独立型充电系统将充电整流器放置在专门充电桩上。

传统的电动汽车充电系统当电动汽车工作在驱动模式或者充电模式时，其相应变流器工作而对应变流器停止工作，即充电整流变换器和驱动逆变器不同时运行；这就使得充电系统中的大电感和大电容数量等级较高，造成了车载型充电系统普遍存在成本高、体积大、功率密度等级低等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供了一种电动汽车用车载充电与驱动一体化装置。该装置的结构如图1所示。该电源主电路由多个三相H桥、多盘轴向磁通永磁同步电机、蓄电池侧开关网络以及电网侧开关网络组成：驱动状态下，蓄电池侧开关网络以及电网侧开关网络产生相应动作改变电路结构，实现电动车的驱动，充电状态下，轴向磁通永磁同步电机定子绕组充当大电感与三相H桥构成多相整流电路与多相独立电流控制交错并联电路，产生高精度低纹波的充电电压与电流。该主电路驱动状态与充电状态电路拓扑切换通过开关动作完成，实现驱动与充电电路结构复用，节省空间。控制电路通过电网侧电压传感器检测的电压信号判断处于驱动状态或者充电状态：主电路若要处于驱动模式，整车管理器控制蓄电池侧开关与电网侧开关动作，主电路转换到驱动模式，控制电路采用前馈与滑模控制等控制方法控制DSP控制单元产生PWM波，控制主电路中三相整流桥中电力电子器件开关信号，实现电机的正常驱动；主电路若处于充电模式下，整车管理器控制蓄电池侧开关与电网侧开关动作，主电路形成整流电路与交错并联Buck/Boost电路的级联电路，通过电网对蓄电池进行充电。本装置还具有容错控制以及转矩协同优化控制，保证电动车在任何情况下的安全正常的高效率运行。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明涉及的一种电动汽车用车载充电与驱动一体化装置，该系统如图1所示。该系统主电路包括蓄电池、蓄电池侧开关网络单元、三相H桥单元、多盘轴向磁通永磁同步电机单元、电网侧开关网络、充电插头与电网。蓄电池连接电池侧开关网络单元，开关逻辑单元连接电池侧开关网络单元，三相H桥单元、多盘轴向磁通永磁同步电机、电网侧开关网络单元和充电插头，电池侧开关网络单元依次经三相H桥单元、多盘轴向磁通永磁同步电机和电网侧开关网络单元连接充电插头（以四定子盘式轴向磁通同步电机进行说明），所述蓄电池侧开关网络单元主要控制充电与驱动模式的切换；所述三相H桥单元在驱动状态下将蓄电池输出直流逆变成三相交流供给多盘轴向磁通永磁同步电机单元，在充电状态下与多盘轴向磁通永磁同步电机单元定子绕组自身电感构成多相整流电路与多相独立电流控制交错并联电路，实现电网到蓄电池的充电；所述电网侧开关网络用于控制整流定子电感与交错并联定子电感的分配。

当装置处于驱动模式下，整车管理器控制蓄电池侧开关网络以及电网侧开关网络动作形成电机驱动电路拓扑结构，DSP控制单元产生PWM信号控制三相H桥上的电力电子开关器件通断，驱动电机运转。

当装置处于充电模式下，两定子三相绕组与电力电子器件构成整流电路，另两定子绕组分别与电力电子器件构成交错并联Buck/Boost电路，通过整流电路将交流电转换成直流，而后通过交错并联Buck/Boost电路进行升降压，将电压等级调整到蓄电池额定电压等级，减小电流电压纹波。

所述的开关网络为三个普通继电器与五个SPDT继电器组成的逻辑结构。

所述的滤波电容单元为四个电容组成。

所述的三相桥式电路有四组，每组由六个电力电子开关与六个二极管组成。

所述的电感单元由多轴向磁通电机定子绕组组成。

与现有技术相比，本结构的有益效果在于：

1、驱动电路与充电电路复用一套装置，无需外加充电装置，更加便捷；

2、利用多组定子三相绕组独立电流控制交错并联升/降压，降低充电电流纹波，提升充电电流质量；

3、 适合各电压等级蓄电池，当电动车更换蓄电池，也能通过控制升降压电路占空比使之充电电压电流适配。

该系统开关逻辑控制电路包括电压检测单元、A/D转换单元、整车管理器单元、DSP控制单元和驱动电路。所述电压检测单元为一个交流电压传感器以及一个直流电压传感器，交流电压传感器采集两组三相定子绕组中性点之间的电压信号，直流电压传感器采集三相H桥直流母线电容两端电压；所述A/D转换单元采用LTC1403串行模数转换器，将电压模拟信号转换成数字信号，输送至主控单元；主控单元采用STM32f107，根据采集到的电压信号确定驱动或充电模式，驱动模式下DSP芯片TMS320F28335控制产生PWM信号通过驱动电路用以控制三相H桥上开关管的通断，充电模式下控制开关动作形成充电拓扑结构。

当蓄电池工作时，S2与S2a、S2b断开，电压检测单元检测到任意两组三相绕组中性线电压均为零，整车管理器控制开关K1、K2、K3、K4吸合1档，Ka、Kb挂0档，闭合S1，此时开关状态为驱动模式，DSP控制单元按照要求发出PWM信号，经驱动模块控制三相H桥电路中电力电子开关通断，蓄电池给电机定子绕组供电，电机运行；当蓄电池不工作时，如需充电，任意两组三相绕组中性线接入交流市电（以1、2定子绕组接入交流市电为例），S2与S2a连接，电压检测单元检测到此电压，经模数转换模块将信号传送至整车管理器控制K1、K2、K3、K4吸合2档，Ka与Ka0相连，若检测到直流母线电容两端电压高于蓄电池充电额定电压，整车管理器控制继电器Kb接Kb2档；若检测到直流母线电容两端电压低于蓄电池充电额定电压，整车管理器控制继电器Kb接Kb1档，此时交流市电供蓄电池充电。

与现有电动汽车充电技术相比，本控制方法的有益效果在于：

1、驱动电路与充电电路复用一套装置，控制方法更加简洁；

2、可自动判别电动汽车所处状态，完成相应开关动作，实现相应操作。

附图说明

图1为电动汽车用车载充电与驱动一体化装置整体原理框图；

图2为电动汽车用车载充电与驱动一体化装置整体拓扑结构图；

图3为驱动模式下主电路及开关状态图；

图4为电动汽车用充电模式下的一种主电路及开关状态图。

具体实施方式

一种电动汽车用车载充电与驱动一体化装置。该装置包括：蓄电池、蓄电池侧开关网络、三相H桥单元、控制电路、多盘轴向磁通永磁同步电机、电网侧开关网络、充电插头与电网。主电路部分所述蓄电池侧开关网络与电网侧开关网络控制拓扑结构的变化，切换驱动与充电模式；所述三相H桥单元内滤波电容用于稳压与滤波，以期获得高质量电能，三相H桥电路用于实现驱动模式下的逆变以及充电模式下的整流与交错并联，在驱动状态下将蓄电池输出的直流逆变成交流供给电机运转，在充电模式下部分桥式电路对电网交流进行整流部分对整流后的直流进行升降压处理，以期满足蓄电池充电的额定电压条件；所述多盘轴向磁通电机在驱动状态下通三相相位差120°电流产生转矩带动汽车运行，在充电状态下定子绕组充当整流电路以及交错并联电路中的电感，实现整流与交错并联供蓄电池充电；所述控制电路包括：电压检测单元、模数转换单元、整车管理器单元、DSP控制单元和驱动电路单元：所述电压检测单元检测整流部分两组三相定子绕组中性线电压与三相H桥滤波电容两端电压，判断是否接通交流电源以及整流过后电压与蓄电池充电电压是否匹配；所述模数转换单元采用LTC1403串行模数转换器，将电压模拟信号转换成数字信号，输送至主控单元；所述整车管理器采用STM32f107，若接通交流电源，则控制蓄电池侧开关网络与电网侧开关网络进行动作，使得主电路形成整流电路与交错并联电路级联的拓扑结构，若未接通交流电源，所述DSP芯片TMS320F28335则根据控制要求产生PWM信号给驱动电路，控制三相H桥上电力电子开关的通断。

电动汽车用车载充电与驱动一体化装置整体拓扑结构如图2。在三相H桥电路中含有直流滤波电容进行滤波；

下面结合附图对本发明的优选实施例进行说明：

实施例一：

驱动模式下，S2悬空即不接入电网，电压传感器检测到S2处电位为零，信号经A/D转换后传送至整车管理器，通过驱动电路控制开关网络进行如下通断：如图3所示，蓄电池侧开关A1、A2、A3、A4分别与C1、C2、C3、C4连接，B2、B3断开，蓄电池输出直流电经过一定占空比的SVPWM移相控制的三相逆变H桥产生三相交流电，电网侧开关D1、D2断开，E1、E2断开，Ka、Kb分别与Ka0、Kb0相连，每一组三相定子绕组接通三相交流电，独立产生旋转磁场，使转子运动，电动汽车处于驱动状态。此外，驱动状态下对电机进行容错控制与协同优化控制：1、容错控制：当某一盘电机出现故障，可以通过控制将该盘立即切除出电路，保证电动汽车的正常运行。2、协同优化控制：驱动与制动时均采用转矩协同优化控制，合理分配驱动与制动所需转矩，使得驱动时效率最高，制动时能够回收更多能量。

本实施例电动汽车用车载充电与驱动一体化装置用于电动汽车驱动模式下，通过电网侧电压检测判定电动汽车处于驱动模式，电压检测信号输送至整车管理器，控制驱动电路产生驱动信号至三相H桥进行逆变，整车管理器控制蓄电池侧开关以及电网侧开关使主电路成四并联逆变拓扑结构。

实施例二：

本实施例较实施例一有所不同，不同之处如下：

充电模式下：如使1、2两组三相绕组做整流电感，则S2接S2a；如使3、4两组三相绕组做整流电感，则S2接S2b。此时电压传感器检测到S2处接入市电，信号经A/D转换后传送至整车管理器，通过驱动电路控制开关网络进行如下通断：蓄电池侧开关B1、B2、B3、B4分别与C1、C2、C3、C4连接。若1、2两组三相绕组做整流电感，3、4两组三相绕组做交错并联，如图4所示，电网侧开关D1、D2断开，E1、E2连接，Ka与Ka0连接，当检测到电容网络单元电压低于蓄电池充电所需额定电压即需要升压时，Kb与Kb1相连，整流后的直流电经多轴向磁通定子绕组M3、M4与三相H桥组成的三相Boost交错并联电路实现升压；若检测到电容网络单元电压高于蓄电池充电所需额定电压即需要降压时，Kb与Kb2相连，整流后的直流电经多轴向磁通定子绕组与三相H桥组成的三相Buck交错并联电路实现降压。若3、4两组三相绕组做整流电感，1、2两组三相绕组做交错并联，电网侧开关D1、D2连接，E1、E2断开，Kb与Kb0连接，当检测到三相H桥滤波电容两端电压低于蓄电池充电所需额定电压即需要升压时，Ka与Ka1相连，整流后的直流电经多轴向磁通定子绕组M1、M2与三相H桥组成的三相Boost交错并联电路实现升压；若检测到三相H桥滤波电容两端电压高于蓄电池充电所需额定电压即需要降压时，Kb与Kb2相连，B2、B3连接，整流后的直流电经多盘轴向磁通永磁同步电机定子绕组与三相H桥组成的三相Buck交错并联电路实现降压。

此外，通过大数据管理，分别记录每一盘定子绕组在充电模式下处于整流与交错并联的时间，对充电时整流与交错并联的定子绕组进行分配，使得定子绕组剩余使用寿命保持一致，保证电机整体使用寿命。

该装置具有较多优点：开关采用电子继电器，切换迅速，响应时间短，精确度高；驱动与充电主电路复用，节省空间；使用多轴向磁通电机，驱动模式下能够获得较大转矩，启动更迅速，充电模式下使用电机定子绕组充当电路拓扑中电感，多组定子绕组交错并联，提升充电电流等级与充电效率，加快充电速度；可切换定子绕组在充电模式下的作用，即可以使所有定子绕组在不同充电周期工作在整流与交错并联状态下的时间近乎平均，延长电机整体使用寿命。此外，该结构还可进行扩展，使用2n(n>2)盘电机。若n为偶数，则其中n盘做整流，n盘做交错并联，其中，整流环节内，n/2盘定子绕组中心抽头连在一点接单相交流电正相输出，n/2盘定子绕组中心抽头连在一点接单相交流电反相输出；若n为奇数，则其中n-1盘做整流，n+1盘做交错并联，同样的，整流环节内，(n-1)/2盘定子绕组中心抽头连在一点接单相交流电正相输出，(n+1)/2盘定子绕组中心抽头连在一点接单相交流电反相输出。电机盘数扩展能够进一步减小电流谐波，提高充电效率。

Claims (9)

1.一种电动汽车用车载充电与驱动一体化装置，包括蓄电池（1）、蓄电池侧开关网络单元（2）、三相H桥单元（3）、开关逻辑控制单元（4）、多盘轴向磁通永磁同步电机单元（5）、电网侧开关网络单元（6）和充电插头（7），其特征在于：所述蓄电池（1）连接电池侧开关网络单元（2），开关逻辑单元（4）连接电池侧开关网络单元（2），三相H桥单元（3）、多盘轴向磁通永磁同步电机（5）、电网侧开关网络单元（6）和充电插头（7），电池侧开关网络单元（2）依次经三相H桥单元（3）、多盘轴向磁通永磁同步电机（5）和电网侧开关网络单元（6）连接充电插头（7）（以四定子盘式轴向磁通同步电机进行说明），所述蓄电池侧开关网络单元（2）主要控制充电与驱动模式的切换；所述三相H桥单元在驱动状态下将蓄电池输出直流逆变成三相交流供给多盘轴向磁通永磁同步电机单元（5），在充电状态下与多盘轴向磁通永磁同步电机单元（5）定子绕组自身电感构成多相整流电路与多相独立电流控制交错并联电路，实现电网到蓄电池的充电；所述开关逻辑控制单元由电压传感器（4-1）、A/D转换模块（4-2）、整车管理器（4-3）、DSP控制单元（4-4）驱动电路（4-5）组成，所述电压传感器（4-1）检测两定子是否连接上电，经A/D转换模块（4-2）将信号发送给整车管理器（4-3）；所述整车管理器（4-3）处理信号，控制各个开关通断，从而切换驱动与充电模式，驱动状态下DSP控制单元（4-4）产生PWM信号通过驱动电路（4-5）至三相H桥单元（3）；所述电网侧开关网络（6）用于控制整流定子电感与交错并联定子电感的分配。

2.描述蓄电池侧开关网络单元（2）的结构，即包括控制四组三相桥式电路对应的四组单刀双掷开关以及这些开关之间的电路连接，配合电网侧开关网络单元（6）一同控制驱动充电状态切换。

3.描述三相H桥单元（3）的结构，即包括24个电力电子开关、24个反并联二极管与4个直流母线电容以及这些器件组成的四组三相H桥电路（3）之间的电路连接，在汽车驱动时，对三相桥式电路进行空间矢量控制；在汽车充电时，电网电流通过三相H桥电路（3）多盘轴向磁通永磁同步电机单元（5）组成的整流与交错并联电路对蓄电池进行充电。

4.描述开关逻辑控制单元（4）的结构，即包括电压传感器（4-1）、A/D转换模块（4-2）、整车管理器（4-3）、DSP控制单元（4-4）以及驱动电路（4-5）以及这些模块之间的电路连接，分别对充电插头（7）与三相H桥单元（3）处直流母线电容电压进行检测，判定处于充电或驱动状态，控制蓄电池侧开关网络单元（2）、三相H桥单元（3）与电网侧开关网络单元（6）内相应开关产生相应动作，进行充放电操作。

5.描述多盘轴向磁通永磁同步电机单元（5）的结构，即包括四定子盘式轴向磁通同步电机的四组定子绕组以及这些定子绕组之间的电路连接，以四定子盘式轴向磁通同步电机的四组定子绕组充当整流与交错并联电路大电感，实现充电电流与蓄电池充电电流等级匹配并提升充电功率等级。

6.描述电网侧开关网络单元（6）的结构，即包括两个单刀双掷开关与两个单刀单掷开关以及这些开关之间的电路连接，配合蓄电池侧开关网络单元（2）一同控制驱动充电状态切换。

7.根据权利要求1所述的电动汽车用车载充电与驱动一体化装置，其特征在于：将电动汽车的驱动与充电电路拓扑结构相结合，将充电电路安装在电动汽车内，省去单独充电装置，实现一体化。

8.根据权利要求1所述的电动汽车用车载充电与驱动一体化装置，其特征在于：利用多盘轴向磁通永磁同步电机定子绕组自身电感组成多相独立电流控制交错并联升降压充电电路实现充电电压与蓄电池额定电压的匹配，与权利要求2中整流电路共同构成高精度低纹波充电系统。

9.根据权利要求1所述的电动汽车用车载充电与驱动一体化装置，其特征在于：通过大数据管理分类记录每盘轴向磁通永磁同步电机定子绕组工作状态时间，合理进行充电时整流与交错并联的定子绕组分配，进行寿命优化控制，延长电机整体使用寿命，使各盘工作周期基本相同。

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