CN112118981A - 具有集成电池充电器的多电平电机驱动器 - Google Patents

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Abstract

一种用于具有集成电池充电器的多电平电动车辆(EV)电机驱动电路的装置、系统和方法。该装置、系统和方法可包括：用于所述电动车辆EV的直流(DC)电池，其与电容并联连接；三电平逆变器电路，其与所述DC电池并联，并且与所述电容等分中性点连接。所述三电平逆变器电路包括：高频低压脉宽调制电路；低频基本开关电路，其至少部分地与所述高频低压脉宽调制电路并联；电机绕组，其与所述低频基本开关电路等分中性点连接；以及功率因数校正升压充电电路，其与所述三电平逆变器电路连接，且与交流电网连接。

Description

具有集成电池充电器的多电平电机驱动器
相关申请的交叉参考
本申请要求于2018年3月12日提交的美国临时申请No.62/641,809的权益，该申请的全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及电动车辆电池技术领域，具体地涉及用于电动车辆的具有集成电池充电器的多电平电机驱动器。
背景技术
随着道路上电动车辆数量的迅速增加，车辆的充电，特别是充电时间和车辆充电后可行驶的距离，越来越成为影响电动车辆占有量的重要方面。当设计电动车辆充电方法时，需要考虑很多因素，例如总充电功率、单位时间的充电功率、充电连接类型和电动车辆规格等。
已经用于解决电动车辆充电考虑的系统和方法，例如，标题为“用于电动车辆的快速充电装置”的美国专利8,847,555(以下用'555专利表示)，其公开的内容，涉及一种用于对车辆电池充电的装置，该装置包括被配置为连接到供电网络的整流器输入级、被配置为连接到电池的逆变器输出级、以及用于调节从输入级获得的平均电流的装置。
'555专利中的输入整流器级是降压整流器级。这种降压整流器级和'555专利的其它方面需要大量专门用于电池充电的部件，而这些部件不在电机驱动模式下使用。例如，'555专利需要在充电系统的AC电网输入上安装大型滤波电容器。
'555专利另外采用共享的驱动电子器件和电机磁性元件(即电机绕组)的交错升压级。如图2所示，该交错升压级使用两级驱动逆变器，该升压级使用电动机绕组作为升压电感器，因此遭受电机绕组内的高寄生电容，以及相关的泄漏电流。此外，'555专利仅提供了单向AC充电，即AC电网给电动车辆电池充电的解决方案。
标题为“电动车和动力系统和用于电动车的电机控制器”的美国专利9,260,022(以下用'022专利表示)，其公开的内容涉及一种电动车和动力系统和用于电动车的电机控制器。该动力系统包括动力电池；充放电插座；与动力电池连接的双向DC/DC模块；驱动控制开关，与动力电池和双向DC/DC模块连接；双向DC/AC模块，与驱动控制开关和动力电池连接；电机控制开关，与双向DC/AC模块和电机连接；充放电控制模块，与所述双向DC/AC模块和充放电插座连接；以及控制器模块，其与驱动控制开关连接并被配置为控制驱动控制开关。
'022专利使用功率因数校正(PFC)升压电池充电器接口，即采用专用PFC升压电感器。'022专利在充电期间不使用电机绕组作为线路滤波器，因此避免了'555专利的电机绕组的高寄生电容和不期望的电机转矩的影响。
'022专利需要用于充电模式的电机断开开关。重要的是，该电动机断开开关必须被限定用于全部电动机驱动电流。
例如在'555专利中的情况一样，'022专利使用用于电机驱动和PFC升压充电的两级逆变器级。另外提出了在电池和DC链路电容器之间的DC/DC转换器级。需要该DC/DC转换器以在充电期间升高DC链路电压，并且在电机模式期间避开上述开关。
'022专利旨在具有双向AC电网到车辆和车辆到电网(V2G)的能力。也就是说，该技术适于从电网接收充电功率，并且向电网放电。
“Continental”最近开发了一项电动车辆充电技术，该技术属于“AllCharge”品牌。该技术提供单相、三相和DC充电器兼容，DC电压高达800V和350kW。该技术还使用现有的传动系电子设备进行充电，另附加DC/DC升压转换器，因此需要的额外电子设备比'555和'022专利的技术要少很多。且该技术也是双向的。
与两电平逆变器不同，图1所示的三电平逆变器有明显的优点。例如，在高功率电动机驱动中，三电平逆变器提供更高的DC链路电压，并且对于给定的DC链路电压，在更宽的频率范围内比两电平逆变器更有效。这在一定程度上是由于三电平逆变器的较低开关损耗。
由三电平逆变器提供的改进开关降低了电动车辆电机上的dV/dt应力，并减小了轴承端子处共模电压，从而增加了电动机寿命。如上所述，在许多已知技术中电源开关用于断开和闭合充电电路。然而，在小的时间变化(di/dt)上电流的高变化可能使开关退化，甚至使开关熔化。因此，在使用开关的情况下，当该开关闭合时，避免开关两端的高电势差(dV/dt)降低了开关应力，从而增加了电机寿命。
三电平逆变器更好地解决了电磁兼容性(EMC)问题。电磁兼容性EMC可能是由于电磁能量的无意产生、传播和接收而发生的，这导致了对充电系统的有害影响，例如充电系统中的电磁干扰(EMI)或物理损坏。
发明内容
本公开是并且包括至少一种用于具有集成电池充电器的多电平电动车辆(EV)电机驱动电路的装置、系统和方法。该装置、系统和方法可包括：用于所述电动车辆EV的直流(DC)电池，其与电容并联连接；三电平逆变器电路，其与所述DC电池并联，并且与所述电容等分中性点连接。所述三电平逆变器电路包括：高频低压脉宽调制电路；低频基本开关电路，其至少部分地与所述高频低压脉宽调制电路并联；电机绕组，其与所述低频基本开关电路等分中性点连接；以及功率因数校正升压充电电路，其与所述三电平逆变器电路连接，且与交流电网连接。
另外或可选地，所公开的装置、系统和方法可以包括：连接在电池正极和电容中性点之间的高电平桥接电路；连接在电池负极和电容中性点之间的低电平桥接电路；以及第一中间电平桥接电路，其连接在所述高电平桥接电路和低电平桥接电路的输出级之间；电动机绕组可以连接到第一中间电平桥接电路的输出级。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是现有技术的图示；
图2是现有技术的图示；
图3是现有技术的图示；
图4是现有技术的图示；
图5是实施例的各方面的图示；以及
图6是实施例的各方面的图示。
具体实施方式
本文提供的附图和描述可能已经被简化，以说明与清楚理解本文描述的装置、系统和方法相关的方面，同时为了清楚起见，消除了可以在典型的类似装置、系统和方法中可能存在的其他方面。因此，本领域技术人员可以认识到，在实施本文所述的装置、系统和方法时，其他要素和/或操作可能是可选的和/或必要的。但是，由于这些要素和操作在本领域中是已知的，并且由于它们不促进对本公开的更好理解，为简洁起见，此处可能不提供对这样的要素和操作的讨论。然而，本公开仍然被认为包括本领域普通技术人员已知的对所描述方面的所有要素、变化和修改。
在全文提供的实施例，使得本公开充分彻底并且将所公开的实施例的范围完全传达给本领域技术人员。并阐述了许多具体细节，例如特定组件、设备和方法的示例，以提供对本公开的实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说，显然不需要使用某些具体公开的细节，并且实施例可以以不同的形式体现。因此，实施例不应被解释为限制本公开的范围。如上所述，在一些实施例中，可能不详细描述公知的工艺、公知的设备结构和公知的技术。
本文所用的术语仅是为了描述特定实施例，而不是旨在进行限制。例如，在本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也可旨在包括复数形式，除非上下文另外有明确指明。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包含性的，指定了所述特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元素、组件和/或其群组的存在或添加。除非特别地被确定为优选的或需要的执行顺序，否则这里描述的步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序执行。还应理解，可采用额外或替代步骤来代替所揭示方面或与所揭示方面结合。
当一个元件或一层被称为在另一元件或一层“上”、“之上”时、其可以直接与另一元件或层“连接”或“耦合”，也可以存在中间元件或中间层，除非另外明确指出。相反，当一个元件或一层被称为“直接在另一元件或一层上”、或“直接连接到”或“直接耦合到”另一元件或一层时，可能不存在中间元件或中间层。用于描述元件之间的关系的其他词语应当以类似的方式解释(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。此外，如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。
此外，尽管术语第一、第二、第三等可以在这里用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个元件、部件、区域、层或部分区分开。除非上下文清楚地指出，否则诸如“第一”、“第二”和其它数字术语的术语当在本文中使用时不暗示顺序或次序。因此，在不脱离实施例的指示的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。
本公开涉及对电池(例如电动车辆(EV))的充电，并且更具体地涉及可能被并入例如车辆中的充电装置，以改进对例如车辆的充电的可选性。该方法通过有源中点钳位多电平逆变器用于电机驱动，特别是通过二极管连接三电平逆变器电机驱动电路与集成电池充电器，以提供高效充电、高电压DC链路，并且避免使用电源开关。附加实施例可以使用双电池并且可以提供双向电荷传输能力。
电动车辆的主要缺点之一涉及它们各自的可用性。实际上，当电池放电时，电动车辆在必需的充电时间(通常是几小时)，在相当长的时间段内保持不可用。
更具体地，目前大部分电动车辆(EV)都使用大容量电池。尽管这种大容量电池可以提高电动车辆EV的电池寿命，但它们需要长的充电时间来对大容量电池充电。专用DC充电可以快速地对电池充电，尽管诸如高成本和大占用空间的问题限制了这种高功率DC充电基础设施的可用性。
因此，通常的做法是通过车载充电器将AC电源转换成DC电源为电动车辆电池进行充电。提供了实现不同充电电平速率的充电器。例如，“3级”充电器通常比“1级”或“2级”充电器充电快得多。简而言之，1级和2级充电器向电动车辆EV的车载充电器提供AC电，而3级充电器绕过车载充电器，直接向电动车辆EV的电池提供DC电，例如使用与电动车辆的电动机驱动器共享的电子设备。本公开的实施例可通过直接向电池提供DC电源力来提供这种高速率充电器。
这可以部分地通过经由多电平逆变器提供高压DC链路来实现。更具体地，在充电配置中，在第一阶段，输入的AC电源可以被转换为DC，并且DC电压可用于DC总线。该总线用作转换器和逆变器电路之间的链路，因此该总线的DC电压被称为DC链路电压。高压DC链路可以提供比常规配置更高效率的电动车辆充电效率。此外，用于电机驱动的有源中性点箝位逆变器可证明是结合这种高压DC链路使用的有效设计选择。此外，二极管连接的充电部件可以提供低冲击和低成本的附加部件以实现这种高压DC链路。
图3和图4示出了三电平逆变器电路的使用。更具体地，图3示出了三电平逆变器电机驱动电路，图4示出了三电平逆变器电池充电器电路。使用多电平(即三电平)逆变器而不是传统的两电平逆变器的益处是可以提供在电动车辆EV应用中需要使用的高DC链路电压值。对于高电压和高功率系统，代替使用串联的具有高额定电压的开关，对于连接具有低额定电压的开关或电平开关是有益的，例如图3-6的基于晶体管的开关(其可以使用IGBT晶体管，作为非限制性示例)。使用这种电平可以避免由于串联使用功率开关而产生的不适当的dV/dt应力，并且可以比具有较高额定电压的开关更快的进行切换，从而导致较高频的开关谐波容易被滤除。
图5示出了根据本公开的实施例的具有集成电池充电器的三电平逆变器电机驱动电路。更具体地说，图5的电路可以用作为有源中性点箝位逆变器500，除了电机驱动系统之外，其仅需非常有限的电子器件，并且避免了大功率开关串联，从而避免了dV/dt应力。
在图5所示的实施例中，逆变器500包括高频脉宽调制(PWM)开关部分502；低频基本开关部分504；以及附加的功率因数校正(PFC)升压充电部分506。在该图中还示出了输入AC电网功率508、电机驱动绕组510和电池512，例如要充电的电动车辆EV电池。
部件502、504、506提供了到电池512的高压DC链路，运行在AC电网供电508上。该高压DC链路使用比两电平逆变器使用更少的电流来提供相同的功率，并且这种三电平逆变器配置可以提供比等效的两电平逆变器提供更高的效率，从而降低对散热器的需求。
此外，应该注意，在图5的实施例中，不需要DC升压转换器，相反，该实施例包括二极管连接的PFC升压部分506。该PFC升压校正部分506包括无源校正，其中系统的无功功率可以由相等但相反的无功功率量来补偿。
二极管连接的升压PFC部分506是相对简单和低成本的电路。如图所示，除了三级逆变器之外，所需的额外部件可以是二极管、电容器和电感器。然而，即使具有这些有限的附加部件，升压PFC部分506也有助于消除对用于充电模式操作的高电流电动机断开开关的需要，如上所述，这可能导致充电系统退化和故障。因此，本公开的实施例可以显著改善类似于以上讨论的那些的常规方法的系统性能，同时限制系统降级和故障。
高频低压PWM开关部分504可以使用比传统使用的更小的充电升压电感器和滤波电容器，进一步支持改进转换效率，至少通过使用高频低压PWM开关部分504，进一步降低了电机开关期间的dV/dt电机应力。
应当理解，图5所示的实施例提供了具有有源电桥连接的增压部件的B方向有源电机驱动器。这种配置提供双向充电、更好的开关损耗分布选择以及高水平的可配置性。当然，根据图5的实施例，本领域技术人员将理解，该实施例可以单向操作，这提供了更低的额外充电组件成本和共享功率切换组件的良好利用。类似地，对图5的微小修改，特别是从PWM开关部分502中去除选择开关，使得能够实现具有有源桥式连接的升压部件的双向无源电动机驱动；然而，这样的配置将导致对桥式开关设备充电的成本更高，并且导致对共享的功率开关部件的利用减少。
图6示出了根据本公开的某些实施例的在中心抽头电池配置600中，具有集成电池充电器的三电平逆变器电机驱动电路。更具体地说，图6示出了连接到DC链路中性点608的中心抽头电池606。图6中还提供了双向插入式能源部分610，其包括晶体管连接的充电部件以提供双向电力传输。本领域技术人员将理解，该双向电力传输包括电动车辆EV到AC电网以及电动车辆EV到电动车辆EV的连接612。还示出了电机驱动绕组614。
因此，图6提供了具有双向AC功率传输能力的双电池EV驱动系统。在本公开的某些实施例中，双400V电池部分606可以产生800V DC链路。此外，该实施例600可以提供宽的操作范围而不需要DC升压转换器。因此，该实施例兼容低电压和高电压DC快速充电。
另外，所说明的配置可提供低电压单个电池连接选项。作为非限制性示例，这种选择可以提供例如用于空调压缩机的辅助动力。类似地，辅助电源可以以12V DC转换的形式提供。
此外，本公开的实施例可以提供来自每个电池的成比例的功率输送控制，这可以允许单个电池电机驱动，并且提供固有的操作冗余。在操作期间，基于该成比例的功率控制，电池平衡可以容易地发生，并且这可以实现通过电机电感绕组614在电池606之间的的能量传递平衡模式。
另外，如图6所示的本公开的实施例可以允许接近电池606集成高频开关电子器件和DC链路电容器，这是由于双电池操作的受控电池比例。这又可以允许更小的DC链路电容器要求。因此，结合地上述优点可以为电池集成的转换器提供潜力。
因此，一些实施例提供了比现有技术中提供的更高电压、更高功率、更高效率的电动车辆EV充电系统。与现有技术实施例相比，这些实施例降低了功率转换阶段的需要、更少的传导和开关损耗(并且因此减少了散热的需要)、降低了成本和重量。
通过使用三电平逆变器系统，在电动机驱动和充电系统之间共享部件还消除了对用于电动机断开的高功率开关的需要。避免dV/dt应力降低了所述的系统上的电压应力，并且由此改善了电机的工作范围。
此外，提供本公开的描述以使得本领域的任何技术人员能够制造或使用所公开的实施例。所属领域的技术人员将容易明白对本发明的各种修改，且本文所界定的一般原理可在不脱离本发明的精神或范围的情况下应用于其它变化。因此，本公开内容并不旨在局限于本文所描述的示例和设计，而是应当符合与本文所公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。

Claims (8)

1.一种具有集成电池充电器的多电平电动车辆(EV)电机驱动电路，包括：
用于所述电动车辆EV的直流(DC)电池，其与电容并联连接；
三电平逆变器电路，其与所述DC电池并联，并且与所述电容等分中性点连接，所述三电平逆变器电路包括：
高频低压脉宽调制电路；
低频基本开关电路，其至少部分地与所述高频低压脉宽调制电路并联；
电机绕组，其与所述低频基本开关电路等分中性点连接；以及
功率因数校正升压充电电路，其与所述三电平逆变器电路连接，且与交流电网连接。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，其中所述DC电池是分体式电池，权利要求1，其中所述分体式电池与电容中性点中点连接。
3.一种具有集成电池充电器的多电平电动车辆(EV)电机驱动器，包括：
用于所述电动车辆EV的直流(DC)电池，其与电容并联连接；
三电平逆变器电路，其与所述DC电池并联，并且与所述电容等分中性点连接，所述三电平逆变器电路包括：
高电平桥接电路，连接在电池正极和电容中性点之间；
低电平桥接电路，连接在电池负极和电容中性点之间；
第一中间电平桥接电路，连接在所述高电平桥接电路和所述低电平桥接电路的输出级之间；
电动机绕组，连接在所述第一中间电平桥接电路的输出级；
第二中间电平桥接电路，与所述第一中间电平桥接电路并联连接；以及
电感，所述电感与交流(AC)电网和所述第二中间电平桥接电路的输出级串联连接。
4.根据权利要求3所述的驱动电路，其中所述DC电池是分体式电池。
5.根据权利要求4所述的驱动电路，其中所述分体式电池与所述电容中性点中点连接。
6.根据权利要求3所述的驱动电路，其中所述高电平桥接电路包括高频低压脉宽调制电路。
7.根据权利要求3所述的驱动电路，其中所述高电平桥接电路和所述低电平桥接电路中的一者包括低频基本开关电路。
8.根据权利要求7所述的驱动电路，其中所述低频基本开关电路至少部分地与高频低压脉宽调制电路并联。
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