CN111660844A - 一种插电式电动汽车三相集成化车载充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种插电式电动汽车三相集成化车载充电系统，分成三个部分：前端全桥变换器(FE‑FBC)、中端半桥变换器(ME‑HBC)和末端全桥变换器(BE‑FBC)。将电感和电容串联后接入ME‑HBC的中点，构成了双向Buck‑boost变换器。8个IGBT与高频变压器组成了隔离式双向CLLC谐振电路，将牵引电池与电网、辅助电池电气隔离，增加了整车系统的安全性，同时可以将牵引电池中剩余的能量回馈至电网。在辅助电池充电过程中，牵引电池经CLLC变换器隔离后，再由BE‑HBC组成的Buck电路降压后给辅助电池充电。为了实现整车系统不同功能的灵活切换，在集成充电拓扑中增加了三个继电器开关。根据继电器开关的状态，可以实现整车系统集成充电拓扑的五种不同的工作模式。

Description

一种插电式电动汽车三相集成化车载充电系统
技术领域
本发明涉及一种插电式电动汽车三相集成化车载充电系统。
背景技术
相比于动力汽车，插电式电动汽车因具有零排放、低噪声和高效率等优良特点，正得到越来越多的人关注与发展，而作为电动汽车核心技术，电动汽车驱动系统与充电系统尤为重要。传统的电动汽车将驱动系统、牵引电池充电系统和辅助电池充电系统各自独立，这不仅增加了电动汽车的体积、重量、费用，还大大地限制了电动汽车今后的发展。不仅如此，传统的电动汽车车载充电系统只能通过接入单相电源插座来进行1及或2级慢速充电，而针对3级快速充电，需要使用大功率充电桩进行充电。但是充电桩的体积大、价格昂贵并且需要全面的发展，因此限制了电动汽车的快速充电问题。本专利设计了一种集成驱动与充电系统，提高了插电式电动汽车的驱动与充电系统的集成度，解决了大功率充电问题。
当插电式汽车工作在充电状态时，电机驱动系统是停止状态，而充电系统由功率开关器件和电感构成，因此可以利用此时的电机驱动系统的功率开关器和附加电感构成三相大功率充电系统。不仅如此，辅助电池的充电也可以通过此集成车载系统完成。所以，集成充电系统不仅大大提高了整个系统的集成度和充电灵活性，减少了系统的成本和体积，还避免的大功率充电带来的问题。已有的专利仅仅是针对于车载牵引蓄电池的单相充电且集成度不高，并且需要额外的辅助电池充电系统，增加了整车系统的体积和成本。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种插电式电动汽车三相集成化车载充电系统，在充电状态下可以实现电网给牵引蓄电池充电(Grid to vehicle-G2V)和牵引蓄电池给辅助蓄电池充电(Traction battery to auxiliary battery-T2A)两种充电模式。同时，本专利提出的集成化充电系统还可以将牵引蓄电池能量回馈至三相电网(Vehicle to grid-V2G)、给家庭负载供电模式(Vehicle to home-V2H)和驱动电机传动模式(Traction battery tomotor-T2M)。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种插电式电动汽车三相集成化车载充电系统，包括电机、三相电压型PWM整流器、半桥变换器、隔离式双向CLLC谐振电路以及牵引电池；
三相电压型PWM整流器包括三个交流侧滤波电感L以及并联的三个半桥电路和一个直流侧电容Cdc，三个交流侧滤波电感L的一端分别串联一个滤波电感C，构成星形结构的三相交流LC滤波器，三个滤波电容C的公共端接地；三个交流侧滤波电感L的另一端通过继电器开关Ja分别与三个半桥电路的中点连接；电机通过继电器开关Ja分别与三个半桥电路的中点连接；
半桥变换器与直流侧电容Cdc并联，半桥变换器的中点与串联谐振电感Laux的一端连接；串联谐振电感Laux的另一端通过继电器开关Jc与辅助电池vaux的正极连接，辅助电池vaux的负极连接直流侧电容Cdc的负极；
隔离式双向CLLC谐振电路包括两个全桥电路、一个高频变压器以及输出滤波电容Ctra，与高频变压器原边相连的全桥电路直流侧电容Cdc并联，与高频变压器副边相连的全桥电路通过继电器开关Jc并联在继电器开关Jb和辅助电池vaux的串联电路两端；
牵引电池与输出滤波电容Ctra并联。
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)本发明在充电状态下可以实现电网给牵引蓄电池充电(Grid to vehicle-G2V)和牵引蓄电池给辅助蓄电池充电(Traction battery to auxiliary battery-T2A)两种充电模式；
2)本发明提出的集成化充电系统还可以将牵引蓄电池能量回馈至三相电网(Vehicle to grid-V2G)、给家庭负载供电模式(Vehicle to home-V2H)和驱动电机传动模式(Traction battery to motor-T2M)
附图说明
图1是插电式电动汽车集成化充电拓扑；
图2是G2V模式电路拓扑；
图3是双向LLC的工作状态，其中，(a)是状态1，(b)是状态2，(c)是状态3，(d)是状态4；
图4是V2H模式电路拓扑；
图5是T2A模式电路拓扑；
图6是Buck电路的工作状态，其中，(a)是电感充电，(b)是电感续流；
图7是T2M模式电路拓扑；
图8是Boost电路的工作状态，其中，(a)是状态1，(b)是状态2。
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：
本发明专利提出的插电式电动汽车集成充电拓扑如图1所示，在电机驱动过程中，电动机三相绕组与三相功率变换器相连接，直流母线侧电压通过三相功率变换器逆变产生三相交流电来驱动电机。在牵引电池充电过程中，附加的三相LC滤波器与功率变换器组成了三相电压型PWM整流器，完成充电过程中的AC/DC部分。整个集成系统可以分成三个部分：前端全桥变换器(FE-FBC)、中端半桥变换器(ME-HBC)和末端全桥变换器(BE-FBC)。将电感Laux接入ME-HBC的中点，构成了双向Buck-boost变换器。8个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)Q9～Q16与高频变压器组成了隔离式双向CLLC谐振电路，将牵引电池与电网、辅助电池电气隔离，增加了整车系统的安全性。由于双向CLLC变换器具有能量双向流动的特点，因此可以将牵引电池中剩余的能量回馈至电网。在辅助电池充电过程中，牵引电池经CLLC变换器隔离后，再由BE-HBC组成的Buck电路降压后给辅助电池充电。为了实现整车系统不同功能的灵活切换，在集成充电拓扑中增加了三个继电器开关Ja、Jb和Jc。根据继电器开关的状态，可以实现整车系统集成充电拓扑的五种不同的工作模式。
本发明提出的集成化插电式电动汽车充电系统拥有五种不同的功能，包括：电网对牵引电池充电(G2V)、牵引电池回馈能量至电网(V2G)、牵引电池给家庭负载提供能量(V2H)、牵引电池对辅助电池充电(T2A)和牵引电池驱动电机(T2M)，表1列出了不同功能下继电器与IGBT的开关状态。
表1不同功能下继电器与IGBT的开关状态
模式 # 能量流动 J<sub>a</sub> J<sub>b</sub> J<sub>c</sub> Q<sub>1</sub>～Q<sub>6</sub> Q<sub>7</sub>～Q<sub>8</sub> Q<sub>9</sub>～Q<sub>16</sub>
G2V 1 V<sub>grid</sub>→V<sub>tra</sub> 接“2” 断开 断开 PWM信号 关 PFM信号
V2G 2 V<sub>tra</sub>→V<sub>grid</sub> 接“2” 断开 断开 PWM信号 关 PFM信号
V2H 3 V<sub>tra</sub>→V<sub>home</sub> 接“2” 断开 断开 PWM信号 关 PFM信号
T2A 4 V<sub>tra</sub>→V<sub>aux</sub> 断开 闭合 断开 关 PWM信号 PFM信号
T2M 5 V<sub>tra</sub>→V<sub>dc</sub> 接“1” 断开 闭合 PWM信号 PWM信号 关
一、G2V模式
当继电器开关Ja接“2”、Jb和Jc断开时，系统主电路工作在G2V模式下，其等效电路结构如图2所示。此时，电机驱动系统功率变换器的FE-FBC被用作AC/DC变换器，与LC滤波器构成了三相PWM整流器，将交流电整流成直流电；BE-FBC是双向CLLC谐振电路，与PWM整流器相级联，保证了牵引电池与电网之间的电气隔离，并通过控制方法给电池提供合适的充电电压和电流。
双向LLC谐振电路的一共八个工作状态，其中前半周期的四个状态与后半周期的四个状态相同，这里只列出前半个周期的工作状态，如图3中(a)至(d)所示。
二、V2G模式
当电网负荷出现较大的波动时，电动汽车需要对电网进行功率的削峰填谷或者无功补偿时，同样将继电器Ja接“2”、Jb和Jc断开，此时系统主电路工作在反向状态，完成主电池回馈电能给电网的V2G工作模式。在此状态下，对功率开关器件Q1～Q6和Q13～Q16进行控制.
在此工作模式下，其系统主电路等效电路与G2V模式下的等效电路大致相同，不同之处在于PWM整流器工作在逆变状态，而CLLC谐振电路副边作为逆变侧，原边的四个功率开关管只用其内部的二极管来将副边传递过来的交流电整流成直流电。
三、V2H模式
当电网出现幅值跌落、频率偏移或停电等故障时，电动汽车主电池可以作为后备式不间断电源给家庭负载供电。将继电器开关Ja接“2”、Jb和Jc断开，电动汽车离网并接入家庭负载中，并通过对功率开关器件Q1～Q6的合适控制，产生与电网相同的电压幅值和频率，完成主电池供电给家庭负载的V2H工作模式。此模式下，能量流动方向为牵引电池至家庭负载。
在V2H工作模式中，系统主电路简化成如图4所示的电路图。CLLC谐振电路副边的四个功率开关管使用内部二极管完成整流功能，并且高频变压器的隔离也提高了主电池与家庭负载之间的安全性能。三相半桥逆变器退化成单相全桥逆变器，负责给家庭负载提供幅值与频率合适的交流电。
四、T2A模式
当继电器开关Ja和Jc断开、Jb闭合时，插电式电动汽车集成拓扑工作在T2A模式，牵引电池向辅助电池充电，电路结构如图5所示。ME-HBC与电感Laux组成了Buck电路，牵引电池经CLLC谐振电路隔离后再将母线电压通过Buck电路降低，最后给辅助电池充电。
在T2A模式中，ME-HBC组成的Buck电路有两种工作状态，如图6所示。当IGBT Q7导通时，充电电流经Q7和电感Laux流到辅助电池，如图6(a)所示。此阶段电感Laux存储能量。当IGBT Q7截至时，存储在电感Laux中的能量经过二极管D8流到辅助电池，如图6(b)所示。此阶段电感Laux中的能量给辅助电池充电，电感Laux释放能量。
五、T2M模式
当继电器开关Ja接“1”、Jb断开和Jc闭合时，集成的插电式电动汽车充电拓扑工作在驱动模式，如图7所示。此模式下，牵引电池连接在ME-HBC的低压侧，ME-HBC工作在Boost状态下升高并稳定直流母线电压，电机三相绕组分别连接在三相功率桥的中点，三相功率变换器将直流母线电压逆变为三相电压以此来驱动电机转动。
在T2M模式中，ME-HBC组成的Boost电路有两种工作状态，如图8所示。当IGBT Q8导通时，充电电流经Q8后给电感Laux充电，如图8(a)所示。此阶段电感Laux存储能量。当IGBT Q8截至时，电池与存储在电感Laux中的能量经过二极管D7共同向直流母线侧提供能量，如图8(b)所示。在此阶段，电感Laux释放能量。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种插电式电动汽车三相集成化车载充电系统，其特征在于，包括电机、三相电压型PWM整流器、半桥变换器、隔离式双向CLLC谐振电路以及牵引电池；
三相电压型PWM整流器包括三个交流侧滤波电感L以及并联的三个半桥电路和一个直流侧电容Cdc，三个交流侧滤波电感L的一端分别串联一个滤波电感C，构成星形结构的三相交流LC滤波器，三个滤波电容C的公共端接地；三个交流侧滤波电感L的另一端通过继电器开关Ja分别与三个半桥电路的中点连接；电机通过继电器开关Ja分别与三个半桥电路的中点连接；
半桥变换器与直流侧电容Cdc并联，半桥变换器的中点与串联谐振电感Laux的一端连接；串联谐振电感Laux的另一端通过继电器开关Jc与辅助电池vaux的正极连接，辅助电池vaux的负极连接直流侧电容Cdc的负极；
隔离式双向CLLC谐振电路包括两个全桥电路、一个高频变压器以及输出滤波电容Ctra，与高频变压器原边相连的全桥电路直流侧电容Cdc并联，与高频变压器副边相连的全桥电路通过继电器开关Jc并联在继电器开关Jb和辅助电池vaux的串联电路两端；
牵引电池与输出滤波电容Ctra并联。
2.根据权利要求1所述的一种插电式电动汽车三相集成化车载充电系统，其特征在于，隔离式双向CLLC谐振电路中的两个全桥电路由八个绝缘栅双极型晶体管构成。
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