CN111564983B - 一种集成式电动汽车电能变换装置及其控制方法 - Google Patents

一种集成式电动汽车电能变换装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集成式电动汽车电能变换装置及其控制方法，属于电动汽车领域，该装置具有电机驱动模式和并网模式，装置包括：逆变电路、磁集成式耦合电感、交流滤波电容模块、电机接口模块、电网接口模块以及控制模块；仅在电机驱动模式下，电机接口模块使三相电机与装置相连；仅在并网模式下，电网接口模块使三相电网与装置相连；逆变电路用于在电机驱动模式中生成所需的驱动电压，并在并网模式中生成所需的控制电压；磁集成式耦合电感用于在电机驱动模式中抑制逆变器之间的高频环流，并在并网模式中与交流滤波电容模块共同进行电流滤波。本发明能够在保证高集成度的前提下，使得装置在并网时不会对电机产生任何影响，同时提高电能质量。

Description

一种集成式电动汽车电能变换装置及其控制方法
技术领域
本发明属于电动汽车领域，更具体地，涉及一种集成式电动汽车电能变换装置及其控制方法。
背景技术
纯电动汽车中的电能变换装置一般包括电机驱动逆变器、DC/DC变换器和车载充电机。受限于车内有限的空间以及成本，目前的车载充电机的功率等级一般在3kW至12kW之间，这难以满足用户对快充的需求。另一方面，电机驱动逆变器的功率等级一般是40kW至120kW，但通常逆变器装置在充电时不会参与运行，相关设备被闲置。从电能变换的角度上来说，电机驱动逆变器和并网逆变器都属于交直流变换环节，没有本质的差别。所以为提升车载充电的功率等级而同时不会增加额外的成本与重量、体积，复用电机驱动逆变器来进行并网充放电是一种可行的策略。集成式电动汽车电能变换装置的基本概念应运而生。
现有的集成式电动汽车电能变换装置根据是否复用电机绕组，可以分为两类。第一类是复用电机逆变器做并网逆变器的同时，还复用电机绕组作并网滤波电感，如申请公布号为CN105490364A的发明专利申请中所述的方法。第二类是仅复用电机逆变器，而额外增加一套滤波器来进行并网第一类装置集成度高，但是并网过程对电机有显著的影响，例如电机在并网过程种会产生损耗及温升、振动噪声等。另一方面，在第一类装置中，由于滤波器仅为L型滤波器，滤波能力很有限，而电机逆变器的开关频率通常只有5kHz到10kHz，所以在这样的情况下进行并网运行，电能质量很可能无法满足电网的标准要求。对于第二类集成装置，额外增加的滤波器在电机驱动时是闲置的，所以装置整体的集成度比较低。同时第二类装置还存在共模漏电流的问题，即在电机控制的过程中，三相半桥逆变器的共模电压会在电机中激励出高频轴电流，严重影响电机的寿命。
总的来说，现有的集成式电动汽车电能变换装置的综合性能仍有待进一步提高。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种集成式电动汽车电能变换装置及其控制方法，其目的在于，在保证高集成度的前提下，使得集成装置在并网时不会对电机产生任何影响，同时提高电能质量。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种集成式电动汽车电能变换装置，具有电机驱动模式和并网模式这两种工作模式，该集成式电动汽车电能变换装置包括：逆变电路、磁集成式耦合电感、交流滤波电容模块、电机接口模块、电网接口模块以及控制模块；
逆变电路、交流滤波电容模块、电机接口模块以及电网接口模块中均包含开关器件，且所有的开关器件均与控制模块相连接；控制模块用于生成开关驱动信号，通过控制各开关器件的通断，实现工作模式的选择；
逆变电路具有包括两个并联的逆变器，且直流接口
Figure GDA0002961546180000021
第一三相交流接口
Figure GDA0002961546180000022
和第二三相交流接口
Figure GDA0002961546180000023
磁集成式耦合电感具有第一三相交流接口
Figure GDA0002961546180000024
第二三相交流接口
Figure GDA0002961546180000025
第三三相交流接口
Figure GDA0002961546180000026
以及第四三相交流接口
Figure GDA0002961546180000027
交流滤波电容模块具有三相交流接口
Figure GDA0002961546180000028
直流接口
Figure GDA0002961546180000029
连接至电动汽车的直流母线，第一三相交流接口
Figure GDA00029615461800000210
连接至第二三相交流接口
Figure GDA00029615461800000211
第二三相交流接口
Figure GDA00029615461800000212
连接至第四三相交流接口
Figure GDA00029615461800000213
逆变电路用于在电机驱动模式中生成所需的驱动电压，并在并网模式中生成所需的控制电压；磁集成式耦合电感用于在电机驱动模式中抑制逆变电路中逆变器之间的高频环流，并在并网模式中进行电流滤波；
电机接口模块的前端三相接口和后端三相接口分别连接至第三三相交流接口
Figure GDA0002961546180000031
和三相电机，电机接口模块用于在电机驱动模式中使第三三相交流接口
Figure GDA0002961546180000032
连接至三相电机，并在并网模式中切断第三三相交流接口
Figure GDA0002961546180000033
与三相电机之间的连接；
电网接口模块的前端三相接口和后端三相端口分别连接至第一三相交流接口
Figure GDA0002961546180000034
和三相电网，电网接口模块用于在并网模式中使第一三相交流接口
Figure GDA0002961546180000035
连接至三相电网，并在电机驱动模式中切断第一三相交流接口
Figure GDA0002961546180000036
与三相电网之间的连接；
三相交流接口
Figure GDA0002961546180000037
连接至第二三相交流接口
Figure GDA0002961546180000038
交流滤波电容模块用于在并网模式中进行电流滤波；
控制模块还用于检测三相电网的电压、流经第四三相交流接口
Figure GDA0002961546180000039
的电流，流经第二三相交流接口
Figure GDA00029615461800000310
的电流和流经交流接口
Figure GDA00029615461800000311
的电流之和，以及三相电机的转速，并根据所检测的信号运行所选择的工作模式对应的控制算法。
本发明在两种工作模式中复用一套硬件，因此，能够共用一套硬件同时实现电机控制和电池快速充放电的功能，集成度高，有效降低了电动汽车电能变换装置的体积、重量以及成本；由于并网过程中，电机未参与到电能转换过程，因此本发明中，并网过程不会给电机带来任何负面影响；本发明利用两套三相逆变器供电，可以在电机控制的过程中优化开关模态，从而能够有效抑制共模轴电流；本发明在并网模式中同时利用磁集成式耦合电感和交流滤波电容模块进行电流滤波，能够有效提升电能质量。总的来说，本发明能够在保证高集成度的前提下，使得集成装置在并网时不会对电机产生任何影响，同时能够提高电能质量。
进一步地，磁集成式耦合电感包括：第一E型磁芯、第二E型磁芯、I型磁芯、第一三相线圈、第二三相线圈以及第三三相线圈；
第一E型磁芯的柱长大于第二E型磁芯的柱长；第一E型磁芯、第二E型磁芯以及I型磁芯拼接在一起，且两个E型磁芯分别位于I型磁芯两侧，两个E型磁芯的三个柱相向对齐；
第一三相线圈的三个线圈分别绕制在第一E型磁芯的三个柱上，第二三相线圈的三个线圈分别绕制在第一E型磁芯的三个柱上，第三三相线圈的三个线圈分别绕制在第二E型磁芯的三个柱上，各三相线圈的绕制方向一致；第一三相线圈的后端三相端口与第二三相线圈的前端三相端口相连，第二三相线圈的后端三相端口与第三三相线圈的前端三相端口相连；
第一三相线圈的前端三相端口构成磁集成式耦合电感的第四三相交流接口
Figure GDA0002961546180000041
第一三相线圈与第二三相线圈的连接端构成磁集成式耦合电感的第三三相交流接口
Figure GDA0002961546180000042
第二三相线圈与第三三相线圈的连接端构成集成式耦合电感的第二三相交流接口
Figure GDA0002961546180000043
第三三相线圈的后端三相端口构成磁集成式耦合电感的第一三相交流接口
Figure GDA0002961546180000044
进一步地，第一三相线圈的匝数N1、第二三相线圈的匝数N2以及第三三相线圈的匝数N3满足：
Figure GDA0002961546180000045
第一E型磁芯的柱长l1与第二E型磁芯的柱长l2满足：
Figure GDA0002961546180000046
其中，k为第一三相线圈的自感与第三三相线圈的自感的比值。
本发明基于上述参数要求设置磁集成式耦合电感，能够实现并网LCL滤波器，在并网模式中提高装置的滤波能力。
进一步地，交流滤波电容模块包括：电容接口模块和三个电容；
三个电容的第一端短接；
电容接口模块的前端三相端口构成交流滤波电容模块的三相交流接口
Figure GDA0002961546180000047
电容接口模块的后端三相端口分别与三个电容的第二端相连；电容接口模块用于在并网模式中使三个电容与第二三相交流接口
Figure GDA0002961546180000051
相连，并在电机驱动模式中切断三个电容与第二三相交流接口
Figure GDA0002961546180000052
之间的连接。
进一步地，交流滤波电容模块还包括一个附加开关器件；
附加开关器件的一端与三个电容的短接端相连接，附加开关器件的另一端与直流侧负极相连；附加开关器件用于在并网模式中使三个电容的短接端与直流侧负极相连接，并在电机驱动模式中切断三个电容的短接端与直流侧负极的连接。
本发明通过一个附加开关器件使得在并网模式中三个电容的短接端与直流侧负极相连，能够降低并网运行时，系统对电网的共模漏电流。
进一步地，电网接口模块、电机接口模块以及电容接口模块均包互不相连的两个开关器件和一段导线；
两个开关器件以及导线的一端构成对应模块的前端三相端口，两个开关器件以及导线的另一端构成对应模块的后端三相端口。
对于三相系统而言，只要断开其中两相就可以完成断路；本发明中，电网接口模块、电机接口模块以及电容接口中均只包含两个开关器件，能够在保证实现断路与导通功能的情况下，节约成本。
进一步地，控制模块包括：电压传感器、转速传感器、电流传感器组以及数字信号处理器；
数字信号处理器用于生成开关驱动信号，通过控制各开关器件的通断，实现工作模式的选择；
电压传感器设置于电网接口模块的前端三相端口，电压传感器用于检测三相电网的电压；
电流传感器组包括六个电流传感器，其中三个电流传感器设置于第四三相交流接口
Figure GDA0002961546180000053
用于检测流经第四三相交流接口
Figure GDA0002961546180000054
的电流；另外三个电流传感器设置于三相交流接口
Figure GDA0002961546180000055
与第二三相交流接口
Figure GDA0002961546180000056
的连接端，用于检测流经第二三相交流接口
Figure GDA0002961546180000057
的电流和流经交流接口
Figure GDA0002961546180000058
的电流之和；
转速传感器与三相电机相连，转速传感器用于检测三相电机的转速；
电压传感器、转速传感器以及电流传感器组的输出端均与数字信号处理器的输入端相连；数字信号处理器，还用于根据各传感器所检测到的信号运行所选择的工作模式对应的控制算法。
进一步地，逆变电路包括：第一逆变器、第二逆变器和稳压电容；
第一逆变器的桥臂与第二逆变器的桥臂并联，并与稳压电容并联；桥臂以及稳压电容的并联端口构成逆变电路的直流接口
Figure GDA0002961546180000061
第一逆变器的交流输出端构成逆变电路的第一三相交流接口
Figure GDA0002961546180000062
第二逆变器的交流输出端构成逆变电路的第二三相交流接口
Figure GDA0002961546180000063
按照本发明的另一个方面，提供了一种基于本发明所提供的集成式电动汽车电能装置的控制方法，包括：
(S1)根据要求的工作模式，利用控制模块生成开关驱动信号，通过控制各开关器件的通断，实现工作模式的选择：
若所要求的工作模式为电机驱动模式，则生成开关信号切断第一三相交流接口
Figure GDA0002961546180000064
与三相电网之间的连接，切断交流滤波电容模块中三个电容与第二三相交流接口
Figure GDA0002961546180000065
之间的连接，并使第三三相交流接口
Figure GDA0002961546180000066
连接至三相电机；
若所要求的工作模式为并网模式，则生成开关驱动信号切断第三三相交流接口
Figure GDA0002961546180000067
与三相电机之间的连接，使第一三相交流接口
Figure GDA0002961546180000068
连接至三相电网，并使交流滤波电容模块中的三个电容与第二三相交流接口
Figure GDA0002961546180000069
相连；
(S2)根据所处的工作模式，对检测到的电流进行预处理，并根据预处理结果运行所处工作模式对应的控制算法：
当工作在电机驱动模式时，对流经第二三相交流接口
Figure GDA00029615461800000610
的电流和流经交流接口
Figure GDA00029615461800000611
的电流之和i2取反，得到电流i3；根据电流i3和流经第四三相交流接口
Figure GDA00029615461800000612
的电流i1运行电机控制算法；
当工作在并网模式时，将电流i1与电流之和i2相加，得到电流i4；将电流i1减去电流i4，得到电流i5；根据电流i4和电流i5运行LCL型并网逆变器的控制算法；
(S3)根据所处的工作模式，选择逆变电路中各逆变器的开关工作方式，以实现对电流和输出功率的有效控制：
当工作在电机驱动模式时，第一逆变器和第二逆变器均工作在高频开关模式，并执行载波移相调制或零共模调制算法；
当工作在并网模式时，第一逆变器不工作而第二逆变器工作在高频开关模式，并执行正弦脉冲宽度调制算法。
通过本发明所构思的以上技术方案，在两种工作模式中复用一套硬件，因此，能够共用一套硬件同时实现电机控制和电池快速充放电的功能，集成度高，有效降低了电动汽车电能变换装置的体积、重量以及成本；由于并网过程中，电机未参与到电能转换过程，因此本发明中，并网过程不会给电机带来任何负面影响；本发明利用逆变电路供电，可以在电机控制的过程中优化开关模态，从而能够有效抑制共模轴电流；本发明在并网模式中同时利用磁集成式耦合电感和交流滤波电容模块进行电流滤波，能够有效提升电能质量。总体而言，本发明能够在保证高集成度的前提下，使得集成装置在并网时不会对电机产生任何影响，同时能够提高电能质量，有效提高了电动汽车电能变换装置的综合性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的集成式电动汽车电能变换装置的系统框图；
图2为本发明实施例提供的集成式电动汽车电能变换装置的电路拓扑结构图；
图3为本发明实施例提供的磁集成式耦合电感结构示意图；
图4为本发明实施例提供的电流传感器测量方式示意图；其中，(a)为流经第四三相交流接口
Figure GDA0002961546180000071
的电流测量方式示意图，(b)为流经第二三相交流接口
Figure GDA0002961546180000081
的电流和流经交流接口
Figure GDA0002961546180000082
的电流之和的测量方式示意图；
图5为本发明实施例提供的集成式电动汽车电能变换装置的控制方法示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为逆变电路，2为磁集成式耦合电感，3为交流滤波电容模块，4为电流传感器组，5为电机接口模块，6为电网接口模块，11为逆变电路的直流接口，12为逆变电路的第一三相交流接口，13为逆变电路的第二三相接口，21为磁集成式耦合电感的第一三相交流接口，22为磁集成式耦合电感的第二三相交流接口，23为磁集成式耦合电感的第三三相交流接口，24为磁集成式耦合电感的第四三相交流接口，31为交流滤波电容模块的三相交流接口，32为交流滤波电容模块中三个电容的短接端，51为电机接口模块的前端三相接口，52为电机接口模块的后端三相接口，61为电网接口模块的前端三相接口，62为电网接口模块的后端三相接口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等如果存在是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
为了在保证高集成度的前提下，使得集成装置在并网时不会对电机产生任何影响，同时提高电能质量，在本发明的一个实施例中，提供了一种集成式电动汽车电能变换装置，具有电机驱动模式和并网模式这两种工作模式，如图1-2所示，该集成式电动汽车电能变换装置包括：逆变电路1、磁集成式耦合电感2、交流滤波电容模块3、电机接口模块5、电网接口模块6以及控制模块；
逆变电路1、交流滤波电容模块3、电机接口模块5以及电网接口模块6中均包含开关器件，且所有的开关器件均与控制模块相连接；控制模块用于生成开关驱动信号，通过控制各开关器件的通断，实现工作模式的选择；
逆变电路1包括两个并联的逆变器，且具有直流接口11、第一三相交流接口12和第二三相交流接口13；磁集成式耦合电感2具有第一三相交流接口21、第二三相交流接口22、第三三相交流接口23以及第四三相交流接口24；交流滤波电容模块3具有三相交流接口31；
直流接口11连接至电动汽车的直流母线(可以是高压电池，也可以是DC/DC变换器的直流输出)，第一三相交流接口12连接至第二三相交流接口22，第二三相交流接口13连接至第四三相交流接口24；逆变电路1用于在电机驱动模式中生成所需的驱动电压，并在并网模式中生成所需的控制电压；磁集成式耦合电感2用于在电机驱动模式中抑制逆变电路1中逆变器之间的高频环流，并在并网模式中进行电流滤波；
电机接口模块5的前端三相接口51和后端三相接口52分别连接至第三三相交流接口23和三相电机，电机接口模块5用于在电机驱动模式中使第三三相交流接口23连接至三相电机，并在并网模式中切断第三三相交流接口23与三相电机之间的连接；
电网接口模块6的前端三相接口61和后端三相端口62分别连接至第一三相交流接口21和三相电网，电网接口模块6用于在并网模式中使第一三相交流接口21连接至三相电网，并在电机驱动模式中切断第一三相交流接口21与三相电网之间的连接；
三相交流接口31连接至第二三相交流接口22，交流滤波电容模块3用于在并网模式中进行电流滤波；
控制模块还用于检测三相电网的电压、流经第四三相交流接口
Figure GDA0002961546180000091
的电流，流经第二三相交流接口
Figure GDA0002961546180000101
的电流和流经交流接口
Figure GDA0002961546180000102
的电流之和，以及三相电机的转速，并根据所检测的信号运行所选择的工作模式对应的控制算法。
本实施例所提供的集成式电动汽车电能变换装置中，磁集成式耦合电感2如图3所示，包括：第一E型磁芯、第二E型磁芯、I型磁芯、第一三相线圈、第二三相线圈以及第三三相线圈；
第一E型磁芯的柱长大于第二E型磁芯的柱长；第一E型磁芯、第二E型磁芯以及I型磁芯拼接在一起，且两个E型磁芯分别位于I型磁芯两侧，两个E型磁芯的三个柱相向对齐；
第一三相线圈的三个线圈分别绕制在第一E型磁芯的三个柱上，第二三相线圈的三个线圈分别绕制在第一E型磁芯的三个柱上，第三三相线圈的三个线圈分别绕制在第二E型磁芯的三个柱上，各三相线圈的绕制方向一致；第一三相线圈的后端三相端口与第二三相线圈的前端三相端口相连，第二三相线圈的后端三相端口与第三三相线圈的前端三相端口相连；
第一三相线圈的前端三相端口构成磁集成式耦合电感2的第四三相交流接口24，第一三相线圈与第二三相线圈的连接端构成磁集成式耦合电感2的第三三相交流接口23，第二三相线圈与第三三相线圈的连接端构成集成式耦合电感2的第二三相交流接口22，第三三相线圈的后端三相端口构成磁集成式耦合电感2的第一三相交流接口21；
图3所示的磁集成式耦合电感2中，第一三相线圈的匝数N1、第二三相线圈的匝数N2以及第三三相线圈的匝数N3满足：
Figure GDA0002961546180000103
第一E型磁芯的柱长l1与第二E型磁芯的柱长l2满足：
Figure GDA0002961546180000104
其中，k为第一三相线圈的自感与第三三相线圈的自感的比值，k的具体取值可根据常规的并网LCL滤波器的参数设计方法确定；三相线圈和磁芯相关的其他参数，根据常规的磁性元件设计方法确定，且I型磁芯的磁导率与截面积须选取合适，以保证第三组三相线圈与另外两组三相线圈的耦合系数尽可能低，至少小于0.05。
图3所示的磁集成式耦合电感2，由于第一三相线圈与第二三相线圈绕制在同一个磁芯上，所以两者有非常强的耦合，故而用这两套线圈作为第一逆变器和第二逆变器之间的抑制环流的电感，可以利用磁耦合增加环流流过时的等效电感从而降低环流电流的纹波；第三三相线圈绕制在另外一个E型磁芯中，由于两个E型磁芯之间有气隙存在，因此第三三相线圈与另外两套三相线圈之间的耦合很小，可以看作是独立的电感，所以用第三三相线圈来构成并网LCL滤波器的网侧电感，用另外两套三相线圈来构成LCL滤波器的逆变器侧电感，再结合交流滤波电容，可最终构成滤波能力很强的LCL型滤波器，从而在并网时实现高质量电流控制。
如图2所示，本实施例提供的集成式电动汽车电能变换装置中，交流滤波电容模块3包括：电容接口模块和三个电容；
三个电容的第一端短接，形成交流滤波电容模块3的短接端；
电容接口模块的前端三相端口构成交流滤波电容模块3的三相交流接口31，电容接口模块的后端三相端口分别与三个电容的第二端相连；电容接口模块用于在并网模式中使三个电容与第二三相交流接口22相连，并在电机驱动模式中切断三个电容与第二三相交流接口22之间的连接；
本实施例中，交流滤波电容模块3还包括一个附加开关器件；
附加开关器件的一端与三个电容的短接端相连接，附加开关器件的另一端与直流侧负极相连；附加开关器件用于在并网模式中使三个电容的短接端与直流侧负极相连接，并在电机驱动模式中切断三个电容的短接端与直流侧负极的连接；
本实施例通过一个附加开关器件使得在并网模式中三个电容的短接端与直流侧负极相连，能够降低并网运行时，系统对电网的共模漏电流；应当说明的是，本实施例中，附加开关器件的设置仅为本发明的一种优选的实施方式，不应理解为对本发明的唯一限定，在本发明其他的一些实施例中，三个电容的短接端可直接短接在一起，不与其他器件相连。
在并网模式中，磁集成式耦合电感2中的第一三相线圈和第二三相线圈串联起来构成逆变器侧电感用于对逆变器侧的交流电流进行滤波，第三三相线圈构成电网侧电感用于对电网侧的交流电流进行滤波，交流滤波电容模块3位于逆变器侧电感与电网侧电感之间，用于吸收逆变器侧电流中的高频成分从而进一步降低电网侧的交流电流纹波，从而在磁集成式耦合电感2和交流滤波电容模块3的共同作用下，实现较强的滤波能力，在并网时实现高质量电流控制。
如图2所示，在本实施例中，电网接口模块6、电机接口模块5以及电容接口模块均包互不相连的两个开关器件和一段导线；
两个开关器件以及导线的一端构成对应模块的前端三相端口，两个开关器件以及导线的另一端构成对应模块的后端三相端口；
对于三相系统而言，只要断开其中两相就可以完成断路，本实施例中，电网接口模块、电机接口模块以及电容接口中均只包含两个开关器件，能够在保证实现断路与导通功能的情况下，节约成本；应当说明的是，此处描述仅为本发明的一种优选的实施方式，在本发明其他的一些实施例中，各接口模块也可以采用其他方式实现，例如，由三个互不相连的开关器件实现。
如图1所示，本实施例中，控制模块包括：电压传感器、转速传感器、电流传感器组4以及数字信号处理器；
数字信号处理器用于生成开关驱动信号，通过控制各开关器件的通断，实现工作模式的选择；
电压传感器设置于电网接口模块的前端三相端口，电压传感器用于检测三相电网的电压；
电流传感器组4包括六个电流传感器，其中三个电流传感器设置于第四三相交流接口24，用于检测流经第四三相交流接口24的电流，即第一三相线圈中的电流，这三个电流传感器的设置方式具体如图4中的(a)所示；另外三个电流传感器设置于三相交流接口31与第二三相交流接口22的连接端，用于检测流经第二三相交流接口22的电流和流经交流接口31的电流之和，即交流滤波电容模块中的电流与第二三相线圈中的电流之和，这三个电流传感器的设置方式具体如图4中的(b)所示；在本实施例中，六个电流传感器均为常用的电流霍尔传感器，在本发明其他的一些实施例中，也可以使用其他类型的电流传感器；
转速传感器与三相电机相连，转速传感器用于检测三相电机的转速；
电压传感器、转速传感器以及电流传感器组4的输出端均与数字信号处理器的输入端相连；数字信号处理器，还用于根据各传感器所检测到的信号运行所选择的工作模式对应的控制算法。
如图2所示，本实施例中，逆变电路1包括：第一逆变器、第二逆变器和稳压电容；
第一逆变器的桥臂与第二逆变器的桥臂并联，并与稳压电容并联，即两个逆变器中共六个桥臂以及稳压电容均并联；桥臂以及稳压电容的并联端口构成逆变电路1的直流接口11；
第一逆变器的交流输出端构成逆变电路1的第一三相交流接口12，第二逆变器的交流输出端构成逆变电路1的第二三相交流接口13；
本实施例中利用并联逆变器供电，可以在电机控制的过程中优化开关模态，从而能够有效抑制共模轴电流，相关的原理，可参考专利号为201710665039.9的专利文件中的描述。
在本实施例中，电机接口模块、电网接口模块以及交流滤波电容模块中的开关器件均为继电器，在本发明其他的一些实施例中，也可由替换为其他类型的开关器件，例如固态开关。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种基于上述集成式电动汽车电能装置的控制方法，如图5所示，包括：
(S1)根据要求的工作模式，利用控制模块生成开关驱动信号，通过控制各开关器件的通断，实现工作模式的选择：
若所要求的工作模式为电机驱动模式，则生成开关信号切断第一三相交流接口21与三相电网之间的连接，切断交流滤波电容模块3中三个电容与第二三相交流接口22之间的连接，并使第三三相交流接口23连接至三相电机；按照图2所示的电路拓扑结构，生成开关信号使电网接口模块6和交流滤波电容模块3中的开关器件全部关断，并使电机接口模块5中的开关器件全部导通，即使装置工作在电机驱动模式；
若所要求的工作模式为并网模式，则生成开关驱动信号切断第三三相交流接口23与三相电机之间的连接，使第一三相交流接口21连接至三相电网，并使交流滤波电容模块3中的三个电容与第二三相交流接口22相连；按照图2所示的电路拓扑结构，生成开关信号使电网接口模块6和交流滤波电容模块3中的开关器件全部导通，并使电机接口模块5中的开关器件全部关断，即使装置工作在并网模式；
(S2)根据所处的工作模式，对检测到的电流进行预处理，并根据预处理结果运行所处工作模式对应的控制算法：
当工作在电机驱动模式时，对流经第二三相交流接口22的电流和流经交流接口31的电流之和i2取反，得到电流i3；根据电流i3和流经第四三相交流接口24的电流i1运行电机控制算法；在此，可采用任意一种电机控制算法，例如，使用两个控制环，最外的控制环用于控制电机转速，并产生电流指令输入到内部的电流控制环；电流控制环将电流指令与电流检测值作差，并进行比例-积分调节，输出逆变器电压指令；接着利用空间矢量脉宽调制使得逆变器输出该电压指令；
当工作在并网模式时，将电流i1与电流之和i2相加，得到电流i4；将电流i1减去电流i4，得到电流i5；根据电流i4和电流i5运行LCL型并网逆变器的控制算法；在此，可采用任意一种LCL型并网逆变器的控制算法，例如，
S3根据所处的工作模式，选择逆变电路1中各逆变器的开关工作方式，以实现对电流和输出功率的有效控制：用电流指令与实际电感采样电流作差，得到的误差送入比例-积分调节器计算得到调节电压；电容采样电流经过一个比例环节计算后与调节电压相加得到最后的逆变器输出电压指令；然后利用空间矢量脉冲宽度调制输出该电压指令；
当工作在电机驱动模式时，第一逆变器和第二逆变器均工作在高频开关模式，并执行载波移相调制或零共模调制算法；
当工作在并网模式时，第一逆变器不工作而第二逆变器工作在高频开关模式，并执行正弦脉冲宽度调制(SPWM)算法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种集成式电动汽车电能变换装置，具有电机驱动模式和并网模式这两种工作模式，其特征在于，包括：逆变电路、磁集成式耦合电感、交流滤波电容模块、电机接口模块、电网接口模块以及控制模块；
所述逆变电路、所述交流滤波电容模块、所述电机接口模块以及所述电网接口模块中均包含开关器件，且所有的开关器件均与所述控制模块相连接；所述控制模块用于生成开关驱动信号，通过控制各开关器件的通断，实现工作模式的选择；
所述逆变电路包括两个并联的逆变器，且具有直流接口
Figure FDA0002961546170000011
第一三相交流接口
Figure FDA0002961546170000012
和第二三相交流接口
Figure FDA0002961546170000013
所述磁集成式耦合电感具有第一三相交流接口
Figure FDA0002961546170000014
第二三相交流接口
Figure FDA0002961546170000015
第三三相交流接口
Figure FDA0002961546170000016
以及第四三相交流接口
Figure FDA0002961546170000017
所述交流滤波电容模块具有三相交流接口
Figure FDA0002961546170000018
所述直流接口
Figure FDA0002961546170000019
连接至电动汽车的直流母线，所述第一三相交流接口
Figure FDA00029615461700000110
连接至所述第二三相交流接口
Figure FDA00029615461700000111
所述第二三相交流接口
Figure FDA00029615461700000112
连接至所述第四三相交流接口
Figure FDA00029615461700000113
所述逆变电路用于在电机驱动模式中生成所需的驱动电压，并在并网模式中生成所需的控制电压；所述磁集成式耦合电感用于在电机驱动模式中抑制所述逆变电路中逆变器之间的高频环流，并在并网模式中进行电流滤波；
所述电机接口模块的前端三相接口和后端三相接口分别连接至所述第三三相交流接口
Figure FDA00029615461700000114
和三相电机，所述电机接口模块用于在电机驱动模式中使所述第三三相交流接口
Figure FDA00029615461700000115
连接至所述三相电机，并在并网模式中切断所述第三三相交流接口
Figure FDA00029615461700000116
与所述三相电机之间的连接；
所述电网接口模块的前端三相接口和后端三相端口分别连接至所述第一三相交流接口
Figure FDA00029615461700000117
和三相电网，所述电网接口模块用于在并网模式中使所述第一三相交流接口
Figure FDA00029615461700000118
连接至所述三相电网，并在电机驱动模式中切断所述第一三相交流接口
Figure FDA0002961546170000021
与所述三相电网之间的连接；
所述三相交流接口
Figure FDA0002961546170000022
连接至所述第二三相交流接口
Figure FDA0002961546170000023
所述交流滤波电容模块用于在并网模式中进行电流滤波；
所述控制模块还用于检测所述三相电网的电压、流经所述第四三相交流接口
Figure FDA0002961546170000024
的电流，流经所述第二三相交流接口
Figure FDA0002961546170000025
的电流和流经所述交流接口
Figure FDA0002961546170000026
的电流之和，以及所述三相电机的转速，并根据所检测的信号运行所选择的工作模式对应的控制算法。
2.如权利要求1所述的集成式电动汽车电能变换装置，其特征在于，所述磁集成式耦合电感包括：第一E型磁芯、第二E型磁芯、I型磁芯、第一三相线圈、第二三相线圈以及第三三相线圈；
所述第一E型磁芯的柱长大于所述第二E型磁芯的柱长；所述第一E型磁芯、所述第二E型磁芯以及所述I型磁芯拼接在一起，且两个E型磁芯分别位于所述I型磁芯两侧，两个E型磁芯的三个柱相向对齐；
所述第一三相线圈的三个线圈分别绕制在所述第一E型磁芯的三个柱上，所述第二三相线圈的三个线圈分别绕制在所述第一E型磁芯的三个柱上，所述第三三相线圈的三个线圈分别绕制在所述第二E型磁芯的三个柱上，各三相线圈的绕制方向一致；所述第一三相线圈的后端三相端口与所述第二三相线圈的前端三相端口相连，所述第二三相线圈的后端三相端口与所述第三三相线圈的前端三相端口相连；
所述第一三相线圈的前端三相端口构成所述磁集成式耦合电感的第四三相交流接口
Figure FDA0002961546170000027
所述第一三相线圈与所述第二三相线圈的连接端构成所述磁集成式耦合电感的第三三相交流接口
Figure FDA0002961546170000028
所述第二三相线圈与所述第三三相线圈的连接端构成所述集成式耦合电感的第二三相交流接口
Figure FDA0002961546170000029
所述第三三相线圈的后端三相端口构成所述磁集成式耦合电感的第一三相交流接口
Figure FDA00029615461700000210
3.如权利要求2所述的集成式电动汽车电能变换装置，其特征在于，所述第一三相线圈的匝数N1、所述第二三相线圈的匝数N2以及第三三相线圈的匝数N3满足：
Figure FDA0002961546170000031
所述第一E型磁芯的柱长l1与所述第二E型磁芯的柱长l2满足：
Figure FDA0002961546170000032
其中，k为所述第一三相线圈的自感与所述第三三相线圈的自感的比值。
4.如权利要求1所述的集成式电动汽车电能变换装置，其特征在于，所述交流滤波电容模块包括：电容接口模块和三个电容；
三个电容的第一端短接；
所述电容接口模块的前端三相端口构成所述交流滤波电容模块的三相交流接口
Figure FDA0002961546170000033
所述电容接口模块的后端三相端口分别与三个电容的第二端相连；所述电容接口模块用于在并网模式中使三个电容与所述第二三相交流接口
Figure FDA0002961546170000034
相连，并在电机驱动模式中切断三个电容与所述第二三相交流接口
Figure FDA0002961546170000035
之间的连接。
5.如权利要求4所述的集成式电动汽车电能变换装置，其特征在于，所述交流滤波电容模块还包括一个附加开关器件；
所述附加开关器件的一端与三个电容的短接端相连接，所述附加开关器件的另一端与直流侧负极相连；所述附加开关器件用于在并网模式中使三个电容的短接端与直流侧负极相连接，并在电机驱动模式中切断三个电容的短接端与直流侧负极的连接。
6.如权利要求4所述的集成式电动汽车电能变换装置，其特征在于，所述电网接口模块、所述电机接口模块以及所述电容接口模块均包互不相连的两个开关器件和一段导线；
两个开关器件以及导线的一端构成对应模块的前端三相端口，两个开关器件以及导线的另一端构成对应模块的后端三相端口。
7.如权利要求1所述的集成式电动汽车电能变换装置，其特征在于，所述控制模块包括：电压传感器、转速传感器、电流传感器组以及数字信号处理器；
所述数字信号处理器用于生成开关驱动信号，通过控制各开关器件的通断，实现工作模式的选择；
所述电压传感器设置于所述电网接口模块的前端三相端口，所述电压传感器用于检测所述三相电网的电压；
所述电流传感器组包括六个电流传感器，其中三个电流传感器设置于所述第四三相交流接口
Figure FDA0002961546170000041
用于检测流经所述第四三相交流接口
Figure FDA0002961546170000042
的电流；另外三个电流传感器设置于所述三相交流接口
Figure FDA0002961546170000043
与所述第二三相交流接口
Figure FDA0002961546170000044
的连接端，用于检测流经所述第二三相交流接口
Figure FDA0002961546170000045
的电流和流经所述交流接口
Figure FDA0002961546170000046
的电流之和；
所述转速传感器与所述三相电机相连，所述转速传感器用于检测所述三相电机的转速；
所述电压传感器、所述转速传感器以及所述电流传感器组的输出端均与所述数字信号处理器的输入端相连；所述数字信号处理器，还用于根据各传感器所检测到的信号运行所选择的工作模式对应的控制算法。
8.如权利要求1-7任一项所述的集成式电动汽车电能变换装置，其特征在于，所述逆变电路包括：第一逆变器、第二逆变器和稳压电容；
所述第一逆变器的桥臂与所述第二逆变器的桥臂并联，并与所述稳压电容并联；桥臂以及所述稳压电容的并联端口构成所述逆变电路的直流接口
Figure FDA0002961546170000047
所述第一逆变器的交流输出端构成所述逆变电路的第一三相交流接口
Figure FDA0002961546170000048
所述第二逆变器的交流输出端构成所述逆变电路的第二三相交流接口
Figure FDA0002961546170000049
9.一种基于权利要求8所述的集成式电动汽车电能装置的控制方法，其特征在于，包括：
(S1)根据要求的工作模式，利用所述控制模块生成开关驱动信号，通过控制各开关器件的通断，实现工作模式的选择：
若所要求的工作模式为电机驱动模式，则生成开关信号切断所述第一三相交流接口
Figure FDA0002961546170000051
与所述三相电网之间的连接，切断所述交流滤波电容模块中三个电容与所述第二三相交流接口
Figure FDA0002961546170000052
之间的连接，并使所述第三三相交流接口
Figure FDA0002961546170000053
连接至所述三相电机；
若所要求的工作模式为并网模式，则生成开关驱动信号切断所述第三三相交流接口
Figure FDA0002961546170000054
与所述三相电机之间的连接，使所述第一三相交流接口
Figure FDA0002961546170000055
连接至所述三相电网，并使所述交流滤波电容模块中的三个电容与所述第二三相交流接口
Figure FDA0002961546170000056
相连；
(S2)根据所处的工作模式，对检测到的电流进行预处理，并根据预处理结果运行所处工作模式对应的控制算法：
当工作在电机驱动模式时，对流经所述第二三相交流接口
Figure FDA0002961546170000057
的电流和流经所述交流接口
Figure FDA0002961546170000058
的电流之和i2取反，得到电流i3；根据所述电流i3和流经所述第四三相交流接口
Figure FDA0002961546170000059
的电流i1运行电机控制算法；
当工作在并网模式时，将所述电流i1与所述电流之和i2相加，得到电流i4；将所述电流i1减去所述电流i4，得到电流i5；根据所述电流i4和所述电流i5运行LCL型并网逆变器的控制算法；
(S3)根据所处的工作模式，选择所述逆变电路中各逆变器的开关工作方式，以实现对电流和输出功率的有效控制：
当工作在电机驱动模式时，所述第一逆变器和所述第二逆变器均工作在高频开关模式，并执行载波移相调制或零共模调制算法；
当工作在并网模式时，所述第一逆变器不工作而所述第二逆变器工作在高频开关模式，并执行正弦脉冲宽度调制算法。
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