CN112389176B - 集成式电驱动系统与包括该系统的电动车辆 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种集成式电驱动系统及车辆，包括：电机；能量存储单元；第一转换单元，其配置为将来自车辆外部电源或电机再生反馈时所产生的交流电转换为直流电，或者将来自能量存储单元的直流电转换为交流电；第二转换单元，其配置为对来自第一转换单元或能量存储单元的直流电执行升压或降压操作；第三转换单元，其配置为将来自第二转换单元或能量存储单元的直流电执行转换操作，第三转换单元包括逆变器、隔离变压器、第一整流器和第二整流器；以及控制单元，其配置为选择性地控制上述各个模块，以实现系统的不同工作模式。本公开还涉及一种包括该系统的电动车辆。根据本公开的系统与车辆实现了功率电子器件的复用；降低了车辆的制造成本。

Description

集成式电驱动系统与包括该系统的电动车辆
技术领域
本公开涉及电动车辆领域，更具体而言，本公开涉及一种集成式电驱动系统与包括该系统的电动车辆。
背景技术
迫于能源危机和环境污染的双重压力，电动车辆(和/或混合动力车辆)成为未来车辆的主要发展趋势。通常，电动车辆包括可充电的高压电池、利用该高压电池所提供的电力驱动车辆行驶的三相电机、以及用于借助高压电池驱动电机的逆变器。
当高压电池中的剩余电力(SOC)过低时，需要利用车辆中所配备的充电机来对高压电池充电，该充电机通常是借助外接单相交流电或三相交流电进行充电的交流充电机。
此外，需要安装额外的DC/DC转换器给12V蓄电池供电，该12V蓄电池可以为车辆中的音响、车窗及车灯等低压设备供电。
在现有的电动车辆中，充电过程和驱动过程中所用到的逆变器、充电机以及DC/DC转换器等都各自独立地安装在车辆上，并且使用场景单一，这不仅增加了电路的复杂性和车辆的制造成本，还造成了功率电子器件的浪费。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述问题，本公开提供了一种用于车辆的集成式电驱动系统，其将充电机、逆变器、电机和DC/DC转换器集成于一体，实现了功率电子器件的复用，可同时支持两相、三相交流充电和直流充电；此外，该系统取消了单独的充电机、逆变器和直流转换器，减少了车辆的固定负载，降低了车辆的制造成本。
具体地，本公开提供了一种集成式电驱动系统，该系统包括：电机，其配置为在控制单元的控制下借助车辆的能量存储单元驱动车辆行驶，或者借助车辆外部电源或电机再生反馈能量向车辆的能量存储单元充电；能量存储单元，其配置为在控制单元的控制下使用车辆外部电源的电功率充电，或者通过所述电机驱动车辆行驶，或者对车内负载供电；第一转换单元，其配置为在控制单元的控制下将来自车辆外部电源或电机再生反馈时所产生的交流电转换为直流电，或者将来自所述能量存储单元的直流电转换为交流电；第二转换单元，其配置为在控制单元的控制下对来自所述第一转换单元或所述能量存储单元的直流电执行升压或降压操作；第三转换单元，其配置为在控制单元的控制下将来自所述第二转换单元的直流电转换成用于对所述能量存储单元充电的直流电，或者将来自所述能量存储单元的直流电转换为低压直流电，以及控制单元，其配置为选择性地控制车辆外部电源、所述电机、所述第一转换单元、所述第二转换单元、所述逆变器、所述隔离变压器、所述第一整流器、所述第二整流器以及所述能量存储单元，以实现所述系统的不同工作模式，
其中，所述第三转换单元包括：逆变器，其配置为将来自所述第二转换单元或所述能量存储单元中的高压电池的直流电转换成交流电，隔离变压器，其配置为对来自所述逆变器的交流电执行隔离变压操作，并且包括第一输出端和第二输出端，第一整流器，其配置为将来自所述隔离变压器的第一输出端的交流电转换成用于对所述能量存储单元中的高压电池充电的直流电，以及第二整流器，其配置为将来自所述隔离变压器的第二输出端的交流电转换成用于对所述能量存储单元中的低压电池充电的直流电。
其中，所述系统的不同工作模式包括借助所述能量存储单元驱动电机、借助所述能量存储单元的高压电池对所述能量存储单元的低压电池充电、借助车辆外部电源对所述能量存储单元充电以及借助电机再生反馈能量对所述能量存储单元的高压电池充电中的一者或多者。
其中，所述电机包括多个线圈电感，每个线圈电感的第一端借助第一开关连接至车辆外部电源并且借助第二开关连接至中性点，第二端连接至所述第一转换单元的交流端，并且所述控制单元配置为在系统的不同工作模式下选择性地控制第一和第二开关的通断。
其中，所述能量存储单元包括用于驱动所述电机的高压电池和用于向车辆中的低压设备供电的低压电池。
其中，所述第一转换单元包括六个半导体开关管，并且所述控制单元配置为在系统的不同工作模式下选择性地控制所述六个半导体开关管的通断。
其中，所述第二转换单元包括两个半导体开关管和一个扼流电感，在所述电感的两端并联连接有一续流二极管，并且所述控制单元配置为在系统的不同工作模式下选择性地控制所述两个半导体开关管的通断。
其中，该系统还包括：第三开关，其连接在所述第一转换单元的直流端与所述第二转换单元的第一端之间；第四开关，其连接在所述第二转换单元的第二端与所述第三转换单元的输入端之间；第五开关，其连接在所述第一转换单元的直流端与所述第二转换单元的第二端之间；以及第六开关，其连接在所述第二转换单元的第一端与所述第三转换单元的输入端之间，其中，所述控制单元配置为选择性地控制第三、第四、第五和第六开关的通断，以使所述第二转换单元对来自所述第一转换单元或所述能量存储单元的高压电池的直流电执行升压或降压操作，其中，所述控制单元配置为断开第二、第三及第四开关，且闭合第一、第五及第六开关，以使车辆外部电源降压后用于对所述能量存储单元充电；或者，所述控制单元配置为断开第二、第五及第六开关，且闭合第一、第三及第四开关，以使车辆外部电源升压后用于对所述能量存储单元充电。
其中，所述第三转换单元包括：
所述逆变器包括四个半导体开关管，所述隔离变压器包括与所述第一输出端连接的第一选通开关和与所述第二输出端连接的第二选通开关；并且所述整流器包括第一整流器和第二整流器，第一整流器包括两个半导体开关管和两个二极管，该第一整流器的输入端连接到隔离变压器的第一输出端，输出端连接至能量存储单元的高压电池；所述第二整流器包括两个半导体开关管和两个二极管，该第二整流器的输入端连接到隔离变压器的第二输出端，输出端连接至能量存储单元的低压电池，其中，所述控制单元配置为闭合第一选通开关且断开第二选通开关，以使所述第二转换单元的直流电经逆变器、隔离变压器和第一整流器转换后用于对所述能量存储单元的高压电池充电；或者，所述控制单元配置为闭合第二选通开关且断开第一选通开关，以使来自所述第二转换单元或所述能量存储单元的高压电池的直流电经逆变器、隔离变压器和第二整流器转换后用于对所述能量存储单元的低压电池充电。
其中，该系统还包括：第七开关，其连接在所述第一转换单元的直流端与所述能量存储单元的高压电池之间，其中，所述控制单元配置为选择性地控制第一至第七开关以及第一和第二选通开关的通断，以实现所述系统的不同工作模式，其中，所述控制单元配置为闭合第二和第七开关，且断开第一、第三及第五开关，以借助所述能量存储单元的高压电池驱动电机或者借助电机再生反馈能量对所述能量存储单元的高压电池充电。
其中，该系统还包括：第八开关，其连接在所述能量存储单元的高压电池与所述第三转换单元的输入端之间，其中，所述控制单元配置为选择性地控制第一至第八开关以及第一和第二选通开关的通断，以实现所述系统的不同工作模式，其中，所述控制单元配置为闭合第八开关，且断开第四和第六开关，以借助所述能量存储单元的高压电池对所述能量存储单元的低压电池充电。
其中，所述控制单元根据所述能量存储单元的高压电池和所述能量存储单元的低压电池的荷电状态选择性地控制对能量存储单元的高压电池或能量存储单元的低压电池充电。
其中，该系统还包括：第一LC滤波器，其并联连接至所述第一整流器的输出端，用于滤除所述第一整流器的输出信号中的谐波；第二LC滤波器，其并联连接至所述第二整流器的输出端，用于滤除所述第二整流器的输出信号中的谐波；第一滤波电容，其并联连接至所述第一转换单元的直流端，用于滤除所述第一转换单元的直流端信号中的谐波；和/或第二滤波电容，其并联连接至所述第三转换单元的输入端，用于滤除所述第三转换单元的输入信号中的谐波。
其中，第一至第八开关为受控开关或半导体开关，并且，所述半导体开关管为场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管，在每个半导体开关管上并联连接有一续流二极管。
本公开还提供了一种电动车辆，其包括根据如上所述的集成式电驱动系统。
附图说明
图1示出了根据本公开的用于车辆的集成式电驱动系统的示意性框图；以及
图2示出了图1中所示的集成式电驱动系统的电路图。
具体实施方式
下面将参照附图并通过实施例来描述根据本公开的集成式电驱动系统。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属技术领域的技术人员更全面地了解本公开。但是，对于所属技术领域内的技术人员明显的是，本公开的实现可不具有这些具体细节中的一些。相反，可以考虑用下面的特征和要素的任意组合来实施本公开，而无论它们是否涉及不同的实施例。因此，下面的各个方面、特征、实施例和优点仅作说明之用而不应被看作是权利要求的要素或限定，除非在权利要求中明确提出。
图1示出了根据本公开的用于车辆的集成式电驱动系统的示意性框图，图2示出了图1中所示的集成式电驱动系统的电路图。如图1和2中所示，该系统10包括控制单元11、电机12、牵引功率变换单元13、双向升降压变换单元14、充电转换单元以及能量存储单元。
能量存储单元包括高压电池18和低压电池19，高压电池18配置为向电机12供电以使其带动车轮旋转，因此也称为“动力电池”；低压电池19是指车辆中的12V蓄电池，其配置为向车辆中的低压设备供电。本文所称的“车辆”包括电动车辆和混合动力车辆。下面将详细阐述系统中的各个模块的功能及其之间的连接关系。
电机12借助电机输出构件110带动车轮旋转，其被配置为永磁体/AC感应电机，并且包括由多个电感线圈构成的电感单元121。如图2中所示，电感单元121由三相绕组(电感L1、L2、L3)构成，在驱动模式下，电感L1、L2、L3被配置成感应线圈，用作对外部输入交流电进行励磁，电感L1、L2、L3的一端连接至牵引功率变换单元13，另一端连接至中性点，以借助来自高压电池的电力驱动车辆电机旋转；在充电模式下，电感L1、L2、L3被配置成滤波电感，用作对外部输入交流电进行滤波，其中，电感L1、L2、L3分别借助开关S4、S5、S6打开中性点，并且借助另外的开关S1、S2、S3连接至外部电网，以借助外部电网对车辆能量存储单元进行充电。在充电模式下的一特殊示例中，例如在发生再生能量反馈的情况下，此时电机12充当发电机的作用，并利用所产生的再生反馈能量对高压电池充电。
牵引功率变换单元13为双向DC/AC转换器，其包括多个半导体开关管Q1-Q6。牵引功率变换单元13的交流端连接至电机12的电感L1、L2、L3，直流端经由开关S7连接至高压电池18，其配置为在控制单元11的控制下将来自电机(发生再生反馈的情况下)或外接电网的交流电转换为对能量存储单元进行充电的直流电(即“充电模式”，此时牵引功率变换单元13充当整流器的作用)，或者将来自能量存储单元的直流电转换为驱动电机的交流电(即“驱动模式”，此时牵引功率变换单元13充当逆变器的作用)。
双向升降压变换单元14为DC/DC转换器，其由两个半导体开关管Q13、Q14和扼流电感L5构成。双向升降压变换单元14通过开关2PS1或3PS3连接至牵引功率变换单元13的直流端，并通过开关2PS2或3PS4连接至充电转换单元，进一步地，通过开关S8连接至高压电池18，以借助开关2PS1、2PS2、3PS3、3PS4及S8的通断对经牵引功率变换单元13转换后的直流电压或高压电池18输出的直流电压执行升压或降压操作。
具体地，当开关2PS1和2PS2闭合且开关3PS3和3PS4断开时，双向升降压变换单元14对来自牵引功率变换单元13的直流电执行升压操作，或当开关S8进一步闭合时，对来自高压电池18的直流电执行降压操作；当开关2PS1和2PS2断开且开关3PS3和3PS4闭合时，双向升降压变换单元14对来自牵引功率变换单元13的直流电执行降压操作，或当开关S8进一步闭合时，对来自高压电池18的直流电执行升压操作。
充电转换单元不仅借助开关2PS2或3PS4连接至双向升降压变换单元14，而且借助开关S8连接至高压电池18，该充电转换单元配置为将来自双向升降压变换单元14的直流电转换成用于对高压电池18或低压电池充电19的直流电，或将来高压电池18的直流电转换成用于对低压电池充电19的直流电。该充电转换单元具体包括H桥逆变器15、隔离变压器16和整流器模块17(本文中也直接简称为“整流器17”)，其中该整流器模块17具体包括第一整流器171和第二整流器172，下面详细阐述充电转换单元的内部电路结构。
H桥逆变器15为由四个开关管Q7-Q10连接而成的H桥逆变器，其输入端通过开关2PS2或3PS4连接至双向升降压变换单元14，并且借助开关S8连接至高压电池18，以将来自双向升降压变换单元14或来自高压电池18的直流电转换成交流电。
隔离变压器16的输入端连接至H桥逆变器15的输出端，用于对来自H桥逆变器15的交流电执行隔离变压操作。其中，隔离变压器16包括分别带有选通开关K1和K2(图1-2中未示出)的两个输出端，以根据控制单元11的控制指令将不同的隔离电压(取决于对高压电池18还是低压电池19充电)输出至第一整流器171或第二整流器172。在任意时刻，选通开关K1和K2中仅一者保持闭合，而另一者断开。例如，当对高压电池18充电时，选通开关K1闭合，K2断开，从而借助第一输出端将经过隔离变压操作之后的交流电输送至第一整流器171；当对低压电池充电时，选通开关K1断开，K2闭合，从而借助第二输出端将经过隔离变压操作后的交流电输送至第二整流器172。
第一整流器171由开关管Q11、Q12和二极管D1、D2构成，其输入端连接至隔离变压器16的第一输出端，用于将来自隔离变压器16的交流电重新转换为直流电。第一整流器171的输出端连接至高压电池18，经第一整流器171整流后的直流电可用于对高压电池18充电。
第二整流器172由开关管Q15、Q16和二极管D3、D4构成，其输入端连接至隔离变压器16的第二输出端，用于将来自隔离变压器16的交流电重新转换为直流电。第二整流器172的输出端连接至低压电池19，经第二整流器172整流后的直流电可用于对低压电池19充电。
在本文中，将用于车辆的集成式电驱动系统的工作模式大体分为“充电模式”和“驱动模式”两种方式。本文所称的“驱动模式”指的是在车辆行驶过程中，借助车辆的高压电池驱动车辆电机运转；可选地，在驱动车辆电机运转的同时可借助车辆高压电池对低压电池充电(即，借助高压电池同时驱动电机和对低压电池充电)。本文所称的“充电模式”涉及如下两种情况：
-在车辆静止状态下(例如停放在车库中)，借助车辆的高压电池对低压电池充电，或者借助外部电源对车辆高压电池或低压电池充电，具体包括借助三相电压对高压电池(HV)充电、借助两相电压对高压电池充电、借助三相电压对低压电池(LV)充电及借助两相电压对低压电池充电；和
-当在车辆行驶过程中发生反馈能量的情况下，将再生反馈能量用于对车辆的高压电池充电，即，借助再生能量对高压电池充电。在本文中，反馈能量(也称为再生制动或反馈制动)指的是在车辆制动或惯性滑行时借助电机将负载上的机械能转化成电能并存储于高压电池中，在此情况下车辆电机充当发电机的作用。
在系统的不同工作模式下，控制单元11可选择性地接通或断开上文所提及的开关S1-S8、K1、K2、2PS1、2PS2、3PS3和3PS4以及半导体开关管Q1-Q16，以控制电机12、牵引功率变换单元13、双向升降压变换单元14、H桥逆变器15、隔离变压器16、整流器171/172、高压电池18、低压电池19执行不同的功能。
在本公开中，半导体开关管Q1-Q16可实施为场效应晶体管(例如MOSFET和JFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。优选地，在每个半导体开关管上可并联一续流二极管(图2中未示出)，以防止开关管被反向电压击穿；此外，在牵引功率变换单元13和充电转换单元的输入端可并联一电容器，以滤除电路中的谐波。更优选地，在第一整流器171和第二整流器172的输出端可连接一LC低通滤波器(如图2中所示)，以滤除电路中的谐波。
在驱动模式下，控制单元11借助开关S7控制高压电池18的电力流经牵引功率变换单元13以转换为用于驱动电机的交流电；同时，控制单元11还可借助开关S8控制高压电池18的电力依次流经H桥逆变器15、隔离变压器16和整流器172，并最终用于给12V低压电池19充电。
在充电模式下，控制单元11通过电机的电感单元121接入外部交流电，经过牵引功率变换单元13整流成直流电，经双向升降压变换单元14升压或降压后，再经H桥逆变器15转换成交流电，经隔离变压器16调压后，最后经整流器171或172整流成直流电，以用于给高压电池18或低压电池19充电。根据一特殊实施例，在发生再生能量反馈的情况下，控制单元11可借助电机电感单元121自身提供的电力向高压电池18充电，在此情况下，由电感单元121产生的电力在经过牵引功率变换单元13整流后被直接提供给高压电池。
根据一优选实施例，控制单元11可根据高压电池18和/或低压电池19的荷电状态SOC，实时控制各开关和/或开关管的通断，以协调控制高压电池18和低压电池19的充电。具体地，当高压电池18的SOC低于第一阈值时，控制单元11优先确保对高压电池18的充电；在高压电池18的SOC恢复到第二阈值(其高于第一阈值)的情况下，当低压电池19的SOC低于第三阈值时，控制单元11停止对高压电池18的充电，同时高压电池18通过H桥逆变器15、隔离变压器16及整流器172给低压电池19充电。
在本文中，低压电池为12V蓄电池，外部电源(即“离车电源”)为220V市电或380V三相交流电。作为第一示例，假定车辆电机和高压电池均工作在400v电压平台，则根据本公开的用于车辆的集成式电驱动系统在该平台下的几种主要工作模式可描述如下。
a.充电模式
1.1借助三相电压对高压电池充电
该工作模式指的是借助外部三相电网对车辆的高压电池进行充电。在该模式下，开关S1-S3闭合，S4-S6断开，从而使得外部电网的交流电经电机电感L1、L2、L3滤波后被传输至牵引功率变换单元13，此时牵引功率变换单元13由Q1-Q6开关管组成。牵引功率变换单元13工作在整流模式，以将外部电网的交流电转换为直流电。
进一步地，开关S7和S8断开，2PS1和2PS2断开，3PS3和3PS4闭合，从牵引功率变换单元13输出的直流电被输入至双向升降压变换单元14的第二端，双向升降压变换单元14对从牵引功率变换单元13输出的直流电执行降压操作，并且经降压后的直流电从双向升降压变换单元14的第一端传输至H桥逆变器15，H桥逆变器15将该降压后的直流电重新转换成交流电。经H桥逆变器15转换后的交流电借助隔离变压器16进行调压后，经由选通开关K1传输至第一整流器171，以借助第一整流器171重新转换为直流电。具体地，选通开关K2断开，K1闭合，经隔离变压器16调压后的直流电经由其第一输出端传输至第一整流器171，并且第一整流器171将整流后的直流电传输至高压电池18以对其充电。
1.2借助两相电压对高压电池充电
该工作模式指的是借助外部两相电压对车辆的高压电池进行充电。在该模式下，开关S1-S2闭合，S3-S6断开，从而使得外部电网的交流电经电机电感L1、L2滤波后被传输至牵引功率变换单元13，此时牵引功率变换单元13由Q1-Q4开关管组成，Q5-Q6不工作。牵引功率变换单元13工作在整流模式，以将外部电网的交流电转换为直流电。
进一步地，开关S7和S8断开，2PS1和2PS2闭合，3PS3和3PS4断开，从牵引功率变换单元13输出的直流电被输入至双向升降压变换单元14的第一端，双向升降压变换单元14对从牵引功率变换单元13输出的直流电执行升压操作，并且经升压后的直流电从双向升降压变换单元14的第二端传输至H桥逆变器15，H桥逆变器15将该升压后的直流电重新转换成交流电。经H桥逆变器15转换后的交流电借助隔离变压器16进行调压后，经由选通开关K1传输至第一整流器171，以借助第一整流器171重新转换为直流电。具体地，选通开关K2断开，K1闭合，经隔离变压器16调压后的直流电经由其第一输出端传输至第一整流器171，并且第一整流器171将整流后的直流电传输至高压电池18以对其充电。
1.3借助三相电压对低压电池充电
该工作模式指的是借助外部三相电网对车辆的低压电池(12v蓄电池)进行充电。在该模式下，开关S1-S3闭合，S4-S6断开，从而使得外部电网的交流电经电机电感L1、L2、L3滤波后被传输至牵引功率变换单元13，此时牵引功率变换单元13由Q1-Q6开关管组成。牵引功率变换单元13工作在整流模式，以将外部电网的交流电转换为直流电。
进一步地，开关S7和S8断开，2PS1和2PS2断开，3PS3和3PS4闭合，从牵引功率变换单元13输出的直流电被输入至双向升降压变换单元14的第二端，双向升降压变换单元14对从牵引功率变换单元13输出的直流电执行降压操作，并且经降压后的直流电从双向升降压变换单元14的第一端传输至H桥逆变器15，H桥逆变器15将该降压后的直流电重新转换成交流电。经H桥逆变器15转换后的交流电借助隔离变压器16进行调压后，经由选通开关K2传输至第二整流器172，以借助第二整流器172重新转换为直流电。具体地，选通开关K1断开，K2闭合，经隔离变压器16调压后的直流电经由其第二输出端传输至第二整流器172，并且第二整流器172将整流后的直流电传输至低压电池19以对其充电。
1.4借助两相电压对低压电池充电
该工作模式指的是借助外部两相电压对车辆的低压电池进行充电。在该模式下，开关S1-S2闭合，S3-S6断开，从而使得外部电网的交流电经电机电感L1、L2滤波后被传输至牵引功率变换单元13，此时牵引功率变换单元13由Q1-Q4开关管组成，Q5-Q6不工作。牵引功率变换单元13工作在整流模式，以将外部交流电转换为直流电。
进一步地，开关S7和S8断开，2PS1和2PS2闭合，3PS3和3PS4断开，从牵引功率变换单元13输出的直流电被输入至双向升降压变换单元14的第一端，双向升降压变换单元14对从牵引功率变换单元13输出的直流电执行升压操作，并且经升压后的直流电从双向升降压变换单元14的第二端传输至H桥逆变器15，H桥逆变器15将该升压后的直流电重新转换成交流电。经H桥逆变器15转换后的交流电借助隔离变压器16进行调压后，经由选通开关K2传输至第二整流器172，以借助第二整流器172重新转换为直流电。具体地，选通开关K1断开，K2闭合，经隔离变压器16调压后的直流电经由其第二输出端传输至第二整流器172，并且第二整流器172将整流后的直流电传输至低压电池19以对其充电。
1.5借助高压电池对低压电池充电
该工作模式指的是借助车辆的高压电池对低压电池进行充电。在该模式下，开关2PS2、3PS4及S7断开，且S8闭合，来自高压电池18的直流电经由开关S8传输至H桥逆变器15。H桥逆变器15将该直流电转换成交流电，借助隔离变压器16进行调压后，经由选通开关K2将经调压后的交流电进一步被输送至第二整流器172，以借助第二整流器172重新转换为直流电。具体地，选通开关K1断开，K2闭合，经隔离变压器16调压后的直流电经由其第二输出端传输至第二整流器172，并且第二整流器172将整流后的直流电传输至低压电池19以对其充电。
1.6借助再生能量对高压电池充电
在该工作模式下，开关S1-S3断开，S4-S6闭合，车辆电机充当发电机的作用。电机在再生能量反馈下所产生的交流电被传输至牵引功率变换单元13，此时牵引功率变换单元13由Q1-Q6开关管组成，工作在整流模式，以将电机提供的交流电转换为直流电。
进一步地，开关2PS1和3PS3断开；同时，开关S7闭合，经转换后的直流电经由开关S7被传输至高压电池18以对其充电。
b.驱动模式
该工作模式指的是借助高压电池驱动车辆电机，在此模式下开关S8断开，且S7闭合，同时开关2PS1和3PS3断开，来自高压电池18的直流电经由开关S7传输至牵引功率变换单元13，此时，牵引功率变换单元13由Q1-Q6开关管组成，工作在逆变模式，以将高压电池18的直流电转换为交流电。进一步地，开关S1-S3断开，S4-S6闭合，电感L1-L3被配置为绕组线圈，以借助经牵引功率变换单元13转换后的交流电驱动电机旋转。
附加地或替换地，在借助高压电池18驱动电机旋转的同时，S8闭合，同时开关2PS2和3PS4断开，来自高压电池18的直流电经由开关S8传输至H桥逆变器15，H桥逆变器15将来自高压电池18的直流电转换成交流电，并将该转换后的交流电输送至隔离变压器16以进行调压，经调压后的交流电经由选通开关K2进一步被输送至第二整流器172，以借助第二整流器172重新转换为直流电。具体地，选通开关K1断开，K2闭合，经隔离变压器16调压后的直流电经由其第二输出端传输至第二整流器172，并且第二整流器172将整流后的直流电传输至低压电池19以对其充电。
作为第二示例，假定车辆电机工作在800v电压平台，高压电池工作在400v电压平台，则根据本公开的用于车辆的集成式电驱动系统在该平台下的几种主要工作模式可描述如下。
a.充电模式
2.1借助三相电压对高压电池充电
该工作模式指的是借助外部三相电网对车辆的高压电池进行充电。在该模式下，开关S1-S3闭合，S4-S6断开，从而使得外部电网的交流电经电机电感L1、L2、L3滤波后被传输至牵引功率变换单元13，此时牵引功率变换单元13由Q1-Q6开关管组成。牵引功率变换单元13工作在整流模式，以将外部电网的交流电转换为直流电。
进一步地，开关S7和S8断开，2PS1和2PS2断开，3PS3和3PS4闭合，从牵引功率变换单元13输出的直流电被输入至双向升降压变换单元14的第二端，双向升降压变换单元14对从牵引功率变换单元13输出的直流电执行降压操作，并且经降压后的直流电从双向升降压变换单元14的第一端传输至H桥逆变器15，H桥逆变器15将该降压后的直流电重新转换成交流电。经H桥逆变器15转换后的交流电借助隔离变压器16进行调压后，经由选通开关K1传输至第一整流器171，以借助第一整流器171重新转换为直流电。具体地，选通开关K2断开，K1闭合，经隔离变压器16调压后的直流电经由其第一输出端传输至第一整流器171，并且第一整流器171将整流后的直流电传输至高压电池18以对其充电。
2.2借助两相电压对高压电池充电
该工作模式指的是借助外部两相电压对车辆的高压电池进行充电。在该模式下，开关S1-S2闭合，S3-S6断开，从而使得外部电网的交流电经电机电感L1、L2滤波后被传输至牵引功率变换单元13，此时牵引功率变换单元13由Q1-Q4开关管组成，Q5-Q6不工作。牵引功率变换单元13工作在整流模式，以将外部交流电转换为直流电。
进一步地，开关S7和S8断开，2PS1和2PS2闭合，3PS3和3PS4断开，从牵引功率变换单元13输出的直流电被输入至双向升降压变换单元14的第一端，双向升降压变换单元14对从牵引功率变换单元13输出的直流电执行升压操作，并且经升压后的直流电从双向升降压变换单元14的第二端传输至H桥逆变器15，H桥逆变器15将该升压后的直流电重新转换成交流电。经H桥逆变器15转换后的交流电借助隔离变压器16进行调压后，经由选通开关K1传输至第一整流器171，以借助第一整流器171重新转换为直流电。具体地，选通开关K2断开，K1闭合，经隔离变压器16调压后的直流电经由其第一输出端传输至第一整流器171，并且第一整流器171将整流后的直流电传输至高压电池18以对其充电。
2.3借助三相电压对低压电池充电
该工作模式指的是借助外部三相电网对车辆的低压电池(12v蓄电池)进行充电。在该模式下，开关S1-S3闭合，S4-S6断开，从而使得外部电网的交流电经电机电感L1、L2、L3滤波后被传输至牵引功率变换单元13。牵引功率变换单元13工作在整流模式，以将外部电网的交流电转换为直流电。
进一步地，开关S7和S8断开，2PS1和2PS2断开，3PS3和3PS4闭合，从牵引功率变换单元13输出的直流电被输入至双向升降压变换单元14的第二端，双向升降压变换单元14对从变换单元13输出的直流电执行降压操作，并且经降压后的直流电从双向升降压变换单元14的第一端传输至H桥逆变器15，H桥逆变器15将该降压后的直流电重新转换成交流电。经H桥逆变器15转换后的交流电借助隔离变压器16进行调压后，经由选通开关K2传输至第二整流器172，以借助第二整流器172重新转换为直流电。具体地，选通开关K1断开，K2闭合，经隔离变压器16调压后的直流电经由其第二输出端传输至第二整流器172，并且第二整流器172将整流后的直流电传输至低压电池19以对其充电。
2.4借助两相电压对低压电池充电
该工作模式指的是借助外部两相电压对车辆的低压电池进行充电。在该模式下，开关S1-S2闭合，S3-S6断开，从而使得外部电网的交流电经电机电感L1、L2滤波后被传输至牵引功率变换单元13，此时牵引功率变换单元13由Q1-Q4开关管组成，Q5-Q6不工作。牵引功率变换单元13工作在整流模式，以将外部交流电转换为直流电。
进一步地，开关S7和S8断开，2PS1和2PS2闭合，3PS3和3PS4断开，从牵引功率变换单元13输出的直流电被输入至双向升降压变换单元14的第一端，双向升降压变换单元14对从牵引功率变换单元13输出的直流电执行升压操作，并且经升压后的直流电从双向升降压变换单元14的第二端传输至H桥逆变器15，H桥逆变器15将该升压后的直流电重新转换成交流电。经H桥逆变器15转换后的交流电借助隔离变压器16进行调压后，经由选通开关K2传输至第二整流器172，以借助第二整流器172重新转换为直流电。具体地，选通开关K1断开，K2闭合，经隔离变压器16调压后的直流电经由其第二输出端传输至第二整流器172，并且第二整流器172将整流后的直流电传输至低压电池19以对其充电。
2.5借助高压电池对低压电池充电
该工作模式指的是借助车辆的高压电池对低压电池进行充电。在该模式下，开关2PS2、3PS4及S7断开，且S8闭合，来自高压电池18的直流电经由开关S8传输至H桥逆变器15。H桥逆变器15将该直流电转换成交流电，借助隔离变压器16进行调压后，经调压后的交流电经由选通开关K2进一步输送至第二整流器172，以借助第二整流器172重新转换为直流电。具体地，选通开关K1断开，K2闭合，经隔离变压器16调压后的直流电经由其第二输出端传输至第二整流器172，并且第二整流器172将整流后的直流电传输至低压电池19以对其充电。
2.6借助电机再生能量对高压电池充电
在该工作模式下，开关S1-S3断开，S4-S6闭合，车辆电机充当发电机的作用。电机在再生能量反馈下所产生的交流电被传输至牵引功率变换单元13，此时牵引功率变换单元13由Q1-Q6开关管组成，工作在整流模式，以将电机提供的交流电转换为直流电。
进一步地，2PS1和2PS2断开，3PS3和3PS4闭合，开关S7断开，S8闭合，从牵引功率变换单元13输出的直流电被输入至双向升降压变换单元14的第二端，双向升降压变换单元14对从牵引功率变换单元13输出的直流电执行降压操作，经降压后的直流电从双向升降压变换单元14的第一端借助开关S8传输至高压电池18以对其充电。
b.驱动模式
该工作模式指的是借助高压电池驱动车辆电机，在此模式下开关2PS1和2PS2断开，3PS3和3PS4闭合，开关S7断开，S8闭合，来自高压电池18的直流电被输入至双向升降压变换单元14的第一端，双向升降压变换单元14对该直流电执行升压操作，经升压后的直流电从双向升降压变换单元14的第二端传输至牵引功率变换单元13，此时，牵引功率变换单元13由Q1-Q6开关管组成，工作在逆变模式，以将高压电池18的直流电转换为交流电。进一步地，开关S1-S3断开，S4-S6闭合，电感L1-L3被配置为绕组线圈，以借助经牵引功率变换单元13转换后的交流电驱动电机旋转。
附加地或替换地，在驱动电机旋转的同时，可借助高压电池18对低压电池19充电，在此情况下，来自高压电池18的直流电经由开关S8传输至H桥逆变器15，H桥逆变器15将来自高压电池18的直流电转换成交流电，并将该转换后的交流电输送至隔离变压器16以进行调压，经调压后的交流电经由选通开关K2进一步输送至第二整流器172，以借助第二整流器172转换为直流电。具体地，选通开关K1断开，K2闭合，经隔离变压器16调压后的直流电经由其第二输出端传输至第二整流器172，并且第二整流器172将整流后的直流电传输至低压电池19以对其充电。
作为第三示例，假定车辆电机和高压电池均工作在800v电压平台，则与第一和第二示例不同的是，在借助外部三相交流电对高压或低压电池充电的模式下，开关2PS1和2PS2闭合，3PS3和3PS4断开，S7和S8断开，从而借助双向升降压变换单元14对来自牵引功率变换单元13的直流电执行升压操作，并将升压后的直流电传输至充电转换单元以用于对高压或低压电池充电。此外，在借助电机再生能量对高压电池充电的模式下，开关S8、2PS1和2PS2闭合，S7、3PS3和3PS4断开，从而借助双向升降压变换单元14对来自牵引功率变换单元13的直流电执行升压操作，经升压后的直流电从双向升降压变换单元14的第一端借助开关S8传输至高压电池18以对其充电。
本领域技术人员可以理解的是，根据本公开的系统并不限于上述列举的工作模式，而是包括能够采用本公开的系统或电路结构实现的所有可能工作模式。例如，下述变型均落入本公开的保护范围之内：
作为第一变型，可将外部直流电源直接连接至电容C1或C2两端，以对车辆的高压电池或低压电池充电。
作为第二变型，可省略充电转换单元(H桥逆变器15、隔离变压器16及整流器17)，而将高压电池直接连接至双向升降压变换单元14(即，连接至C2的两端)。例如，可借助开关3PS4将高压电池直接连接至双向升降压变换单元14的第一端，或借助开关2PS2将高压电池直接连接至双向升降压变换单元14的第二端，从而将升压或降压后的直流电直接用于对高压电池充电。在此情况下，该集成式电驱动系统集成有充电机的功能，并且控制单元11可通过控制开关S1-S6以及2PS1、2PS2、3PS3和3PS4的通断而使该充电机实现不同工作模式。例如，当开关S1-S3、3PS3和3PS4闭合，且开关S4-S6、2PS1和2PS2断开时，可使来自车辆外部电源的交流电依次经过整流和降压操作后用于对高压电池充电。
此外，牵引功率变换单元13的直流端还可借助开关S7连接至高压电池，并且控制单元11可通过控制开关S1-S6、S7以及2PS1、2PS2、3PS3和3PS4的通断而使该充电机实现不同工作模式。例如，当S4-S6和S7闭合且S1-S3、2PS2和3PS4断开(或S1-S3、2PS1和3PS3断开)时，可借助高压电池驱动电机或者借助电机再生反馈能量对高压电池充电。
本公开重点描述了控制单元11通过对各个开关S1-S8和2PS1、2PS2、3PS3和3PS4的通断状态的控制，实现了集成式电驱动系统的不同工作模式。但本领域普通技术人员可以理解的是，构成本公开的集成式电驱动系统的各个模块(例如牵引功率变换单元13、双向升降压变换单元14、H桥逆变器15、隔离变压器16和整流器171/172)，特别是构成这些模块的半导体开关管，也可以是受控的。例如，当牵引功率变换单元13工作在整流模式或逆变模式时，控制单元11通过各开关管Q1-Q6的使能控制端输入不同的控制信号，以控制各个开关管的通断状态。由于各模块的工作方式并不是本公开所保护的重点，因此在有些地方省略了描述。
在本公开中，术语“连接”指的是“电连接”。此外，“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元以外，本申请的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元的情形。再者，诸如“第一”、“第二”、“第三”等等之类的用语并不表示元器件或数值在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各元器件或数值之用。
在本公开中，本领域普通技术人员可以理解，所披露的系统可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统实施方式仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块的功能可以结合或者某个模块的功能可以被进一步拆分。在本公开各个实施方式中的各模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个单元中。
虽然本公开已以较佳实施例披露如上，但本公开并非限于此。在不脱离本公开的精神和范围内所作的各种更动与修改，均应纳入本公开的保护范围内，因此本公开的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (14)

1.一种集成式电驱动系统，其特征在于，该系统包括：
电机(12)，其配置为在控制单元(11)的控制下借助车辆的能量存储单元驱动车辆行驶，或者借助车辆外部电源或电机再生反馈能量向车辆的能量存储单元充电；
能量存储单元，其配置为在控制单元(11)的控制下使用车辆外部电源的电功率充电，或者通过所述电机(12)驱动车辆行驶，或者对车内负载供电；
第一转换单元(13)，其配置为在控制单元(11)的控制下将来自车辆外部电源或电机再生反馈时所产生的交流电转换为直流电，或者将来自所述能量存储单元的直流电转换为交流电；
第二转换单元(14)，其配置为在控制单元(11)的控制下对来自所述第一转换单元(13)或所述能量存储单元的直流电执行升压或降压操作；
第三转换单元(15,16,17)，其配置为在控制单元(11)的控制下将来自所述第二转换单元的直流电转换成用于对所述能量存储单元充电的直流电，或者将来自所述能量存储单元的直流电转换为低压直流电，其中，所述第三转换单元包括：
-逆变器(15)，其配置为将来自所述第二转换单元(14)或所述能量存储单元中的高压电池的直流电转换成交流电，
-隔离变压器(16)，其配置为对来自所述逆变器(15)的交流电执行隔离变压操作，并且包括第一输出端和第二输出端，
-第一整流器(171)，其配置为将来自所述隔离变压器的第一输出端的交流电转换成用于对所述能量存储单元中的高压电池(18)充电的直流电，以及
-第二整流器(172)，其配置为将来自所述隔离变压器的第二输出端的交流电转换成用于对所述能量存储单元中的低压电池(19)充电的直流电；
以及
控制单元(11)，其配置为选择性地控制车辆外部电源、所述电机、所述第一转换单元、所述第二转换单元、所述逆变器、所述隔离变压器、所述第一整流器、所述第二整流器以及所述能量存储单元，以实现所述系统的不同工作模式。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述系统的不同工作模式包括借助所述能量存储单元驱动电机、借助所述能量存储单元的高压电池(18)对所述能量存储单元的低压电池(19)充电、借助车辆外部电源对所述能量存储单元充电以及借助电机再生反馈能量对所述能量存储单元的高压电池(18)充电中的一者或多者。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述电机(12)包括多个线圈电感，每个线圈电感(L1,L2,L3)的第一端借助第一开关(S1,S2,S3)连接至车辆外部电源并且借助第二开关(S4,S5,S6)连接至中性点，第二端连接至所述第一转换单元(13)的交流端，并且所述控制单元(11)配置为在系统的不同工作模式下选择性地控制第一和第二开关的通断。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述能量存储单元包括用于驱动所述电机(12)的高压电池(18)和用于向车辆中的低压设备供电的低压电池(19)。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述第一转换单元(13)包括六个半导体开关管(Q1-Q6)，并且所述控制单元(11)配置为在系统的不同工作模式下选择性地控制所述六个半导体开关管的通断。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述第二转换单元(14)包括两个半导体开关管(Q13,Q14)和一个扼流电感(L5)，在所述电感(L5)的两端并联连接有一续流二极管，并且所述控制单元(11)配置为在系统的不同工作模式下选择性地控制所述两个半导体开关管的通断。
7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，该系统还包括：
第三开关(2PS1)，其连接在所述第一转换单元(13)的直流端与所述第二转换单元(14)的第一端之间；
第四开关(2PS2)，其连接在所述第二转换单元(14)的第二端与所述第三转换单元的输入端之间；
第五开关(3PS3)，其连接在所述第一转换单元(13)的直流端与所述第二转换单元(14)的第二端之间；以及
第六开关(3PS4)，其连接在所述第二转换单元(14)的第一端与所述第三转换单元的输入端之间，
其中，所述控制单元(11)配置为选择性地控制第三、第四、第五和第六开关的通断，以使所述第二转换单元(14)对来自所述第一转换单元(13)或所述能量存储单元的高压电池(18)的直流电执行升压或降压操作，
其中，所述控制单元(11)配置为断开第二、第三及第四开关，且闭合第一、第五及第六开关，以使车辆外部电源降压后用于对所述能量存储单元充电；或者，所述控制单元(11)配置为断开第二、第五及第六开关，且闭合第一、第三及第四开关，以使车辆外部电源升压后用于对所述能量存储单元充电。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，
所述逆变器(15)包括四个半导体开关管(Q7-Q10)，所述隔离变压器(16)包括与所述第一输出端连接的第一选通开关(K1)和与所述第二输出端连接的第二选通开关(K2)，并且所述第一整流器(171)包括两个半导体开关管(Q11-Q12)和两个二极管(D1-D2)，该第一整流器(171)的输入端连接到隔离变压器(16)的第一输出端，输出端连接至能量存储单元的高压电池(18)；所述第二整流器(172)包括两个半导体开关管(Q15-Q16)和两个二极管(D3-D4)，该第二整流器(172)的输入端连接到隔离变压器(16)的第二输出端，输出端连接至能量存储单元的低压电池(19)，
其中，所述控制单元(11)配置为闭合第一选通开关(K1)且断开第二选通开关(K2)，以使所述第二转换单元的直流电经逆变器(15)、隔离变压器(16)和第一整流器(171)转换后用于对所述能量存储单元的高压电池(18)充电；或者，所述控制单元(11)配置为闭合第二选通开关(K2)且断开第一选通开关(K1)，以使来自所述第二转换单元或所述能量存储单元的高压电池(18)的直流电经逆变器(15)、隔离变压器(16)和第二整流器(172)转换后用于对所述能量存储单元的低压电池(19)充电。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，该系统还包括：
第七开关(S7)，其连接在所述第一转换单元(13)的直流端与所述能量存储单元的高压电池(18)之间，
其中，所述控制单元(11)配置为选择性地控制第一至第七开关以及第一和第二选通开关的通断，以实现所述系统的不同工作模式，
其中，所述控制单元(11)配置为闭合第二和第七开关，且断开第一、第三及第五开关，以借助所述能量存储单元的高压电池(18)驱动电机或者借助电机再生反馈能量对所述能量存储单元的高压电池(18)充电。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，该系统还包括：
第八开关(S8)，其连接在所述能量存储单元的高压电池(18)与所述第三转换单元的输入端之间，
其中，所述控制单元(11)配置为选择性地控制第一至第八开关以及第一和第二选通开关的通断，以实现所述系统的不同工作模式，
其中，所述控制单元(11)配置为闭合第八开关，且断开第四和第六开关，以借助所述能量存储单元的高压电池(18)对所述能量存储单元的低压电池(19)充电。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述控制单元(11)根据所述能量存储单元的高压电池(18)和所述能量存储单元的低压电池(19)的荷电状态选择性地控制对能量存储单元的高压电池(18)或能量存储单元的低压电池(19)充电。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括：
第一LC滤波器，其并联连接至所述第一整流器(171)的输出端，用于滤除所述第一整流器(171)的输出信号中的谐波；
第二LC滤波器，其并联连接至所述第二整流器(172)的输出端，用于滤除所述第二整流器(172)的输出信号中的谐波；
第一滤波电容(C1)，其并联连接至所述第一转换单元(13)的直流端，用于滤除所述第一转换单元(13)的直流端信号中的谐波；和/或
第二滤波电容(C2)，其并联连接至所述第三转换单元的输入端，用于滤除所述第三转换单元的输入信号中的谐波。
13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，
第一至第八开关(S1-S8,2PS1,2PS2,SPS3,3PS4)为受控开关或半导体开关，并且，所述半导体开关管(Q1-Q16)为场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管，在每个半导体开关管上并联连接有一续流二极管。
14.一种电动车辆，其特征在于，该电动车辆包括根据前述权利要求之一所述的集成式电驱动系统。
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