CN112600411A - 电压变换设备、电驱动系统和车辆 - Google Patents

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洪文成
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Abstract

本发明涉及一种电压变换设备，所述设备包括：第一端子、第二端子以及第三端子；动力控制单元PEU中的逆变器组件，与所述第一端子和所述第二端子相连，所述逆变器组件用于在第一直流电压经由所述第一端子和所述第二端子输入时将所述第一直流电压转换为交流电压来驱动电机，以及用于在第二直流电压经由所述第二端子和所述第三端子输入时将所述第二直流电压升压成所述第一直流电压并经由所述第一端子和所述第二端子输出；以及与所述逆变器组件连接的电机绕组，其中，所述电机绕组的中心点与所述第三端子相连。本发明还涉及一种电驱动系统EDS、充电及驱动系统和车辆。

Description

电压变换设备、电驱动系统和车辆
技术领域
本发明涉及直流/直流变换领域，更具体地，涉及一种电压变换设备、电驱动系统EDS、充电及驱动系统和车辆。
背景技术
目前市场上主流电动汽车高压系统平台均为400V，为了更高的效率和更便捷的充电体验，且随着汽车供应链和市场产品的逐步成熟，下一代电动汽车高压系统平台会逐渐由400V向800V过渡，整个过渡的过程有以下几种方式：1）动力电池和驱动系统由400V切换到800V，但是其他高压附件系统包括充电系统和空调系统部分或者全部仍然是400V平台；2）动力电池、驱动系统和其他高压附件系统一起切换到800V，也即整个高压系统为全800V。
方式1）一方面是考虑到充电系统和空调系统目前没有成熟的800V产品，更重要的是为了兼容市场上400V的充电基础设施。在动力电池切换到800V平台时，为了兼容400V的充电，目前市场上的解决方案是增加一级升压DC/DC变换器（即，直流/直流变换器），在碰到400V 的直流充电桩时，充电桩的电压不会直接施加到动力电池端，而是通过此大功率直流/直流变换器将电压升到800V后再给动力电池充电，但这种解决方案有如下不足：首先，400V转800V直流/直流变换器功率大导致单体成本高，进而提高了整车成本；其次，400V转800V 直流/直流变换器功率大导致体积大，重量大，不利于整车布置和轻量化；最后，随着充电基础设施逐渐由400V 切换到800V，400V的充电设施会被逐步更新换代，但这一过程的进度表无法预估，如果市面上很快出现800V充电设施的占比超过400V的充电设施，若整车仍然按照此系统开发，400V转800V 直流/直流变换器会带来很大的沉默成本，投入和产出不成比例。
因而，期待一种改进的电压变换方案。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种电压变换设备，所述设备包括：第一端子、第二端子以及第三端子；动力控制单元PEU中的逆变器组件，与所述第一端子和所述第二端子相连，所述逆变器组件用于在第一直流电压经由所述第一端子和所述第二端子输入时将所述第一直流电压转换为交流电压来驱动电机，以及用于在第二直流电压经由所述第二端子和所述第三端子输入时将所述第二直流电压升压成所述第一直流电压并经由所述第一端子和所述第二端子输出；以及与所述逆变器组件连接的电机绕组，其中，所述电机绕组的中心点与所述第三端子相连。
作为上述方案的补充或替换，在上述设备中，所述第一电压为800V，并且所述第二电压为400V。
作为上述方案的补充或替换，上述设备还可包括电容器，所述电容器的一端与所述第一端子相连，另一端与所述第二端子相连。
作为上述方案的补充或替换，在上述设备中，所述逆变器组件包括第一开关组件、第二开关组件、第三开关组件、第四开关组件、第五开关组件以及第六开关组件，其中，所述第一开关组件的第一端与所述第一端子相连，所述第一开关组件的第二端与所述第二开关组件的第一端相连，所述第二开关组件的第二端与所述第二端子相连，所述第三开关组件的第一端与所述第一端子相连，所述第三开关组件的第二端与所述第四开关组件的第一端相连，所述第四开关组件的第二端与所述第二端子相连，所述第五开关组件的第一端与所述第一端子相连，所述第五开关组件的第二端与所述第六开关组件的第一端相连，以及所述第六开关组件的第二端与所述第二端子相连。
作为上述方案的补充或替换，在上述设备中，所述电机绕组包括第一电感器、第二电感器和第三电感器，其中所述第一电感器的一端与所述第一开关组件的所述第二端相连，所述第一电感器的另一端与所述第三端子相连，所述第二电感器的一端与所述第三开关组件的所述第二端相连，所述第二电感器的另一端与所述第三端子相连，所述第三电感器的一端与所述第五开关组件的所述第二端相连，所述第三电感器的另一端与所述第三端子相连。
作为上述方案的补充或替换，在上述设备中，所述第一开关组件、所述第二开关组件、所述第三开关组件、所述第四开关组件、所述第五开关组件以及所述第六开关组件中的每一个包括相互并联的三极管和二极管，其中所述二极管的一端与所述三极管的集电极相连，所述二极管的另一端与所述三极管的发射极相连。
根据本发明的另一个方面，提供了一种电驱动系统EDS，所述电驱动系统包括如前所述的电压变换设备。
根据本发明的又一个方面，提供了一种用于车辆的充电及驱动系统，所述系统包括：电池；如前所述的电驱动系统EDS；以及开关装置，所述开关装置配置成在第一直流电压输入时将所述第一直流电压提供给所述电池，并且在所述第二直流电压输入时经由所述电驱动系统EDS将所述第二直流电压升压成所述第一直流电压来提供给所述电池。
作为上述方案的补充或替换，在上述充电及驱动系统中，所述开关装置配置成在驱动模式下使所述电池直接供电给相关附件。
根据本发明的又一个方面，提供了一种车辆，其包括如前所述的充电及驱动系统。
本发明的实施例的电压变换方案复用了动力控制单元PEU中的逆变器和电机绕组，实现从第二直流电压（例如400V）到第一直流电压（例如800V）的升压功能，从而可将外部充电桩提供的较低电压变换为较高电压来给动力电池充电，可以大大降低整车成本、重量，节约整车空间。
本发明的实施例的电驱动系统EDS以及包括该EDS的充电及驱动系统具有高集成度、高效率分时复用等特点，既兼顾市面上不同电压等级基础设施，又保护了整车高压系统的可移植性和可拓展性。
附图说明
从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。
图1示出了根据本发明的一个实施例的电压变换设备的结构示意图；
图2示出了根据本发明的一个实施例的电压变换设备工作在升压模式时的结构示意图；
图3示出了根据本发明的一个实施例的电压变换设备工作在驱动模式时的结构示意图；以及
图4示出了根据本发明的一个实施例的充电及驱动系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明具体实施例作进一步的详细描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。虽然将示例性实施例描述为使用多个单元来执行示例性过程，但是应理解，这些示例性过程也可由一个或多个模块来执行。除非具体地提到或者从上下文中显而易见，否则如这里使用的，将术语“大约”理解为在本领域中的正常公差的范围内，例如在平均值的2个标准差内。
应理解，这里所使用的术语“车辆”或者其他类似的术语包括一般的机动车辆，例如乘用车（包括运动型多用途车、公共汽车、卡车等）、各种商用车等等，并包括混合动力汽车、电动车等。混合动力汽车是一种具有两个或更多个功率源的车辆，例如汽油动力和电动车辆。
在下文中，将参考附图详细地描述根据本发明的各示例性实施例的电压变换方案。
图1示出了根据本发明的一个实施例的电压变换设备1000的结构示意图。如图1所示，电压变换设备1000包括第一端子P1、第二端子P2、第三端子P3、动力控制单元PEU中的逆变器组件100以及电机绕组200。
动力控制单元PEU，即Power Electronic Unit，又称为电力电子单元。新能源混合动力汽车/纯电动汽车的动力控制单元PEU的核心部件是IGBT模组或MOSFET模组（即逆变器组件）、驱动控制电路及薄膜电容等。随着技术的发展，对功率密度要求越来越高，核心部件的集成度和性能要求越来越高，电力电子控制器PEU的功能也愈加复杂。在一个实施例中，动力控制单元PEU集成了驱动电机控制器、附件电机控制器、车载充电机OBC、PDU高压配电等功率电子部件，实现对驱动电机、转向油泵电机、刹车气泵电机驱动控制，对车载低压小蓄电池充电，慢充等，并配合整车控制系统实现主动放电以及跛行等特殊功能。参考图1，逆变器组件100包括多个开关组件110至160，每个开关组件包括一个三极管和一个二极管。当然，本领域技术人员可以理解，可以采用其他的元件来构成开关组件110至160，例如IGBT模组或MOSFET模组等，本发明对此不作限定。
在本发明的上下文中，电机绕组是指安装在定子上的绕组，也称为定子绕组。该电机绕组可以是绕在定子上面的铜线，该绕组是由多个线圈或线圈组构成一相或整个电磁电路的统称。如图1所示，该电机绕组200由三个并联的电感器组成，即L1、L2和L3。
继续参考图1，动力控制单元PEU中的逆变器组件100与第一端子P1和第二端子P2相连，逆变器组件100用于在第一直流电压（例如800V时）经由第一端子P1和第二端子P2输入时将该第一直流电压转换为交流电压来驱动电机，以及用于在第二直流电压（例如400V）经由第二端子P2和第三端子P3输入时将该第二直流电压升压成第一直流电压并经由第一端子P1和第二端子P2输出。另外，电机绕组200的中心点引出与第三端子P3相连。在一个或多个实施例中，该电机绕组200为Y型连接。
如图1所示，电压变换设备1000还包括电容器C1，该电容器的一端与第一端子P1相连，另一端与第二端子P2相连。在图1的实施例中，逆变器组件100包括第一开关组件110、第二开关组件120、第三开关组件130、第四开关组件140、第五开关组件150以及第六开关组件160，其中，第一开关组件110的第一端与第一端子P1相连，第一开关组件110的第二端与第二开关组件120的第一端相连，第二开关组件120的第二端与第二端子P2相连，第三开关组件130的第一端与第一端子P1相连，第三开关组件130的第二端与第四开关组件140的第一端相连，第四开关组件140的第二端与第二端子P2相连，第五开关组件150的第一端与第一端子P1相连，第五开关组件150的第二端与第六开关组件160的第一端相连，第六开关组件160的第二端与第二端子P2相连。
更具体地，参考图1，第一开关组件110包括相互并联的三极管Q1和二极管D1，第二开关组件120包括相互并联的三极管Q2和二极管D2，第三开关组件130包括相互并联的三极管Q3和二极管D3，第四开关组件140包括相互并联的三极管Q4和二极管D4，第五开关组件150包括相互并联的三极管Q5和二极管D5，第六开关组件160包括相互并联的三极管Q6和二极管D6。其中，三极管Q1的集电极与第一端子P1相连，三极管Q1的发射极与三极管Q2的集电极相连，二极管D1的负极与三极管Q1的集电极相连，二极管D1的正极与三极管Q1的发射极相连；三极管Q2的发射极与第二端子P2相连，二极管D2的负极与三极管Q2的集电极相连，二极管D2的正极与三极管Q2的发射极相连；三极管Q3的集电极与第一端子P1相连，三极管Q3的发射极与三极管Q4的集电极相连，二极管D3的负极与三极管Q3的集电极相连，二极管D3的正极与三极管Q3的发射极相连；三极管Q4的发射极与第二端子P2相连，二极管D4的负极与三极管Q4的集电极相连，二极管D4的正极与三极管Q4的发射极相连；三极管Q5的集电极与第一端子P1相连，三极管Q5的发射极与三极管Q6的集电极相连，二极管D5的负极与三极管Q5的集电极相连，二极管D5的正极与三极管Q5的发射极相连；三极管Q6的发射极与第二端子P2相连，二极管D6的负极与三极管Q6的集电极相连，二极管D6的正极与三极管Q6的发射极相连。
图1的实施例中的电机绕组200包括第一电感器L1、第二电感器L2和第三电感器L3，其中第一电感器L1的一端与第一开关组件110的第二端（即三极管Q1的发射极）相连，第一电感器L1的另一端与第三端子P3相连，第二电感器L2的一端与第三开关组件130的第二端（即三极管Q3的发射极）相连，第二电感器L2的另一端与第三端子P3相连，第三电感器L3的一端与第五开关组件150的第二端（即三极管Q5的发射极）相连，第三电感器的另一端与第三端子P3相连。
图2示出了根据本发明的一个实施例的工作在升压模式时的电压变换设备2000的结构示意图。如图2所示，在升压模式时，第三端子P3和第二端子P2用作输入端（例如输入400V），第一端子P1和第二端子P2用作输出端（例如输出800V）。也就是说，从图2示出的电压变换设备2000的右侧输入，左侧输出，可以实现升压的功能。
图2所示的实施例的电压变换设备2000的升压原理如下：当开关管（例如三极管Q2、Q4以及Q6）导通时，其相当于一根导线，这时输入的直流电压流过电感器L1、L2和L3。二极管D1、D3以及D5的作用是防止电容C1对地放电，同时起到续流作用。由于输入的电压是直流电，因此电感上的电流以一定的比率线性的增加，这个比率跟电感因素有关，随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。
而当开关管（例如三极管Q2、Q4以及Q6）断开时候，由于电感器L1、L2和L3上的电流不能突变，也就是说流经电感器L1、L2和L3上的电流不会马上变为零，而是缓慢的由充电完毕时的值变为零，这需要一个过程，而原来的电路回路已经断开，于是电感器只能通过新电路（例如，经由第三端子P3、电感器L1、二极管D1、电容器C1回到第二端子P2）放电，即电感器L1、L2和L3开始给电容器C1充电，电容器C1两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了，升压过程中，电容器C1要足够大，这样在输出端（即第一端子P1和第二端子P2）就可以在放电过程中保持一个持续的电流。
通过不断重复开关管的关断和打开这两个步骤，在输出两端（即第一端子P1和第二端子P2）就得到高于输入电压400V的电压（例如800V），从而实现升压的功能。
参考图3，图3示出了根据本发明的一个实施例的工作在驱动模式时的电压变换设备3000的结构示意图。如图3所示，当电压变换设备工作在驱动模式时，第一直流电压（例如800V）被施加在第一端子P1和第二端子P2上，第三端子P3断开。这时，由开关组件构成的逆变器组件（其中包括三极管Q1至Q6以及二极管D1至D6）可以实现将输入端的800V直流电压调频成交流电以便将电能提供给电机（或电机绕组L1至L3）。这例如可通过对三极管Q1至Q6的基极发送控制信号来实现。如前所述，在本发明的上下文中，开关组件除了可以包括一个三极管和一个二极管以外，还可以采用其他的元件来构成，例如IGBT模组或MOSFET模组等，本发明对此不作限定。例如，在使用MOSFET模组来实现开关组件的实施例中，可通过施加控制信号到MOSFET的栅极来实现将直流电压调频转换成交流电的功能。
需要说明的是，前述各个实施例中的电压变换设备1000至3000可集成在电驱动系统EDS中。在一个实施例中，电驱动系统EDS可作为能量转化的中枢，除了直流/直流变换设备之外，该电驱动系统EDS配备有铜转子感应电机、电机控制器和大扭矩齿轮箱，把电池组中的电能转化成驱动电动汽车前进所需的机械能。
在一个实施例中，当外部电压为800V等级时，外部800V直流电通过800V+端口（即第一端子）和400V/800V-端口（即第二端子）接入到EDS，此时EDS工作在传统驻车模式。而当外部电压为400V等级时，外部400V直流电通过400V+端口（即第三端子）和400V/800V-端口（即第二端子）接入到EDS，EDS集成的400V/800V DC/DC变换器开始工作，电机绕组接成Y型，用做DC/DC变换器的储能电感，EDS逆变器整流管用做DC/DC开关管，此时DC/DC变换器工作在升压模式，将外部400V直流电升压到800V，然后通过800V+端口（即第一端子）和400V/800V-端口（即第二端子）接入到动力电池给电池充电。可见，该电驱动系统EDS可工作在逆变模式和升压模式，其中当整车处于驱动模式时，电驱动系统处于逆变模式，而当整车处于充电模式时，该电驱动系统处于充电模式。
图4进一步示出了根据本发明的一个实施例的充电及驱动系统4000的结构示意图。如图4所示，该充电及驱动系统4000包括：电池430、电驱动系统EDS 410以及开关装置460。其中，开关装置460配置成在第一直流电压输入（例如800V）时将所述第一直流电压提供给所述电池430，并且在所述第二直流电压输入（例如400V）时经由所述电驱动系统EDS410将所述第二直流电压升压成所述第一直流电压来提供给所述电池430。
在一个实施例中，开关装置460还配置成在驱动模式下使所述电池430直接供电给相关附件440。
继续参考图4，在一个实施例中，该系统包括：800V动力电池430、分时复用的电驱动系统EDS 410（其中集成了400V/800V DC/DC变换器）、开关装置460、高压分配盒PDU 450、直流充电口420及其他800V 高压附件440。高压分配盒PDU 450用于切换第一直流电压和第二直流电压（例如，800V和400V）充电。在一个实施例中，当经由直流充电口420的外部充电桩电压为800V等级时，开关装置460中的开关S1和S2闭合，S3断开，电驱动系统EDS 410集成的400V/800V DC/DC变换器不工作，外部800V直流电直接接入到动力电池给电池430充电。在一个实施例中，当外部充电桩电压为400V等级时，开关装置460中的开关S1和S3闭合，S2断开，电驱动系统EDS 410集成400V/800V DC/DC变换器开始工作，将外部充电桩400V直流电先通过DC/DC变换器升压到800V，然后接入到动力电池430充电。
当整个系统处于驱动模式时，开关装置460中的开关S1、S2和S3均断开，动力电池430内的800V电压直接给包括电驱动系统EDS 410在内的所有高压器件供电。
综上，本发明的实施例的电压变换方案复用了动力控制单元PEU中的逆变器和电机绕组，实现从第二直流电压（例如400V）到第一直流电压（例如800V）的升压功能，从而可将外部充电桩提供的较低电压变换为较高电压来给动力电池充电，可以大大降低整车成本、重量，节约整车空间。
本发明的实施例的电驱动系统EDS以及包括该EDS的充电及驱动系统，无需额外增加一个400V转800V的直流/直流变换器也可以实现兼容400V和800V的直流充电系统，其具有高集成度、高效率分时复用等特点，提高了整车的经济性，降低了整车的重量，节省了空间。
尽管以上说明书只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (10)

1.一种电压变换设备，其特征在于，所述设备包括：
第一端子、第二端子以及第三端子；
动力控制单元PEU中的逆变器组件，与所述第一端子和所述第二端子相连，所述逆变器组件用于在第一直流电压经由所述第一端子和所述第二端子输入时将所述第一直流电压转换为交流电压来驱动电机，以及用于在第二直流电压经由所述第二端子和所述第三端子输入时将所述第二直流电压升压成所述第一直流电压并经由所述第一端子和所述第二端子输出；以及
与所述逆变器组件连接的电机绕组，其中，所述电机绕组的中心点与所述第三端子相连。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一电压为800V，并且所述第二电压为400V。
3.如权利要求1所述的设备，还包括：电容器，所述电容器的一端与所述第一端子相连，另一端与所述第二端子相连。
4.如权利要求1所述的设备，其中，所述逆变器组件包括第一开关组件、第二开关组件、第三开关组件、第四开关组件、第五开关组件以及第六开关组件，其中，所述第一开关组件的第一端与所述第一端子相连，所述第一开关组件的第二端与所述第二开关组件的第一端相连，所述第二开关组件的第二端与所述第二端子相连，所述第三开关组件的第一端与所述第一端子相连，所述第三开关组件的第二端与所述第四开关组件的第一端相连，所述第四开关组件的第二端与所述第二端子相连，所述第五开关组件的第一端与所述第一端子相连，所述第五开关组件的第二端与所述第六开关组件的第一端相连，以及所述第六开关组件的第二端与所述第二端子相连。
5.如权利要求4所述的设备，其中，所述电机绕组包括第一电感器、第二电感器和第三电感器，其中所述第一电感器的一端与所述第一开关组件的所述第二端相连，所述第一电感器的另一端与所述第三端子相连，所述第二电感器的一端与所述第三开关组件的所述第二端相连，所述第二电感器的另一端与所述第三端子相连，所述第三电感器的一端与所述第五开关组件的所述第二端相连，所述第三电感器的另一端与所述第三端子相连。
6.如权利要求4所述的设备，其中，所述第一开关组件、所述第二开关组件、所述第三开关组件、所述第四开关组件、所述第五开关组件以及所述第六开关组件中的每一个包括相互并联的三极管和二极管，其中所述二极管的一端与所述三极管的集电极相连，所述二极管的另一端与所述三极管的发射极相连。
7.一种电驱动系统EDS，所述电驱动系统包括如权利要求1至6中任一项所述的电压变换设备。
8.一种用于车辆的充电及驱动系统，其特征在于，所述系统包括：
电池；
如权利要求7所述的电驱动系统EDS；以及
开关装置，所述开关装置配置成在第一直流电压输入时将所述第一直流电压提供给所述电池，并且在所述第二直流电压输入时经由所述电驱动系统EDS将所述第二直流电压升压成所述第一直流电压来提供给所述电池。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述开关装置配置成在驱动模式下使所述电池直接供电给相关附件。
10.一种车辆，其包括如权利要求8或9所述的系统。
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