CN112803561A - 基于辅助电感和三相电机驱动的电动汽车集成充电电路 - Google Patents

基于辅助电感和三相电机驱动的电动汽车集成充电电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于辅助电感和三相电机驱动的电动汽车集成充电电路，包括动力电池、双向DC/DC变换器、三桥臂DC/AC变换器、三相电机、辅助电感、第一转换触点开关、第二转换触点开关、单触点开关和交流接口。该集成充电电路复用三相电机驱动电路以及电机绕组，只需外接一个辅助电感即可实现三相交流快充，体积可以设计得更小，功率密度更高。本发明采用的电机在充电模式只需将中性点打开，辅助电感与其中一相绕组的两个外接端子并联，不需对电机内部结构进行修改，实用性强。本发明通过辅助电感分流实现三相输入快充时电机的转矩消除，保持电动汽车静止充电，在单相输入时电机绕组流过的电流同相位，同样无法产生启动转矩，兼容单相慢充和三相快充。

Description

基于辅助电感和三相电机驱动的电动汽车集成充电电路
技术领域
本发明涉及电动汽车充电的技术领域，尤其是指一种基于辅助电感和三相电机驱动的电动汽车集成充电电路。
背景技术
业内习知，电动汽车一般配有车载充电机，直接从交流电网取电，相应的外部设施建设成本低、占用空间小，可安装在小区停车场，便于用户充电。但由于车载充电机位于汽车内部，增加了汽车的体积和重量，影响电动汽车的续航，一般充电功率较小。威迈斯公司的单相输入6.6kW车载充电机体积约为3.8L，重量约为4.7kg，而市面上三相输入40kW充电机体积已超过20L，重量超过40kg。由于电动汽车的充电电路结构及电路元件与电机驱动电路及其相似，且目前电动汽车驱动功率都较大，比亚迪唐的单台电机功率达110kW，特斯拉Model S的单台电机功率超过200kW。因此将电机驱动逆变器复用为电池充电整流器、电机绕组复用为充电滤波电感，构造集成充电电路，有利于减少车载充电机的体积、重量和成本，提高车载充电机的功率密度。
现有基于电机驱动的集成充电电路有单相和三相输入两类，其中单相输入电路原理简单，不需修改电机，目前已在国外的部分车型中应用，但单相输入充电功率较小；而三相输入电路大多对电机改动较大，实用性差，比亚迪的40kW车载充电机无需修改电机，共用了驱动系统的逆变器，可实现三相输入快充，但充电时电机闲置，需增加三个滤波电感，功率密度较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种功率密度更高、不修改电机内部结构且可以三相输入快充的基于辅助电感和三相电机驱动的电动汽车集成充电电路。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于辅助电感和三相电机驱动的电动汽车集成充电电路，包括动力电池、双向DC/DC变换器、三桥臂DC/AC变换器、三相电机、辅助电感、第一转换触点开关、第二转换触点开关、单触点开关和交流接口；
所述三桥臂DC/AC变换器的三个桥臂分别为第一、二、三桥臂；所述三相电机包含三个定子绕组，分别为第一、二、三定子绕组，每个定子绕组均有两个接线端子；所述第一转换触点开关包含一个公共触点和两个转换触点，分别为第一、二触点；所述第二转换触点开关包含一个公共触点和两个转换触点，分别为第三、四触点；所述交流接口有三个接线端子，分别为第一、二、三接线端子；
所述双向DC/DC变换器的低压侧正、负极分别与动力电池的正、负极相连接，所述双向DC/DC变换器的高压侧正、负极分别与三桥臂DC/AC变换器的正、负极相连接；
所述三桥臂DC/AC变换器的第一桥臂中点分别与第一转换触点开关的第二触点及第二转换触点开关的第三触点相连接；
所述三相电机的第一定子绕组的两端分别与第一转换触点开关的公共触点和第二转换触点开关的公共触点相连接，所述三相电机的第二定子绕组的两端分别与三桥臂DC/AC变换器的第二桥臂中点和交流接口的第二接线端子相连接，所述三相电机的第三定子绕组的两端分别与三桥臂DC/AC变换器的第三桥臂中点和交流接口的第三接线端子相连接；其中，该三相电机与第二转换触点开关的公共触点、交流接口的第二接线端子、第三接线端子相连接的三个接线端子为一组同名端，该三相电机的其余三个接线端子为另一组同名端；
所述辅助电感的两端分别与第一转换触点开关的第一触点以及第二转换触点开关的第三触点相连接；
所述第二转换触点开关的第四触点与交流接口的第二接线端子相连接；所述单触点开关的两端分别与交流接口的第二接线端子、第三接线端子相连接。
进一步，当第一转换触点开关的第一触点断开、第二触点闭合，第二转换触点开关的第三触点断开、第四触点闭合，且单触点开关闭合时，电路工作在电机驱动模式；当第一转换触点开关的第一触点闭合、第二触点断开，第二转换触点开关的第三触点闭合、第四触点断开，且单触点开关断开时，电路工作在电池充电模式。
进一步，在电池充电模式时，所述辅助电感与三相电机的其中一个定子绕组并联，且感值与该定子绕组等效电感一致，为
Figure BDA0002918551940000031
其中Lls为三相电机的定子绕组的漏感，Lms为三相电机的定子绕组间的互感。
进一步，在电池充电模式，当输入源为三相电网时，交流接口的三个接线端子与电网相连接；当输入源为单相电网时，交流接口的任意两个接线端子与电网相连接。
进一步，所述三相电机为绕组两端均引出接线的三相永磁同步电动机或三相感应电动机。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、功率密度高
本发明只需外接一个辅助电感即可实现三相交流快充，且辅助电感流过电流仅为单相输入电流的0.5倍，体积可以设计得更小，功率密度大大提高。
2、实用性强
本发明采用的电机在充电模式只需将中性点打开，辅助电感与其中一相绕组的两个外接端子并联，不需对电机内部结构进行修改，实用性强。
3、兼容单/三相输入充电
本发明通过辅助电感分流实现三相输入快充时电机的转矩消除，保持电动汽车静止充电，在单相输入时电机绕组流过的电流同相位，同样无法产生启动转矩，因此本发明可同时兼容单相慢充和三相快充。
附图说明
图1为本发明实施例的电路原理图。
图2为本发明实施例工作在电机驱动模式时的等效电路图。
图3为本发明实施例工作在三相输入充电模式时的等效电路图。
图4为本发明实施例工作在三相输入充电模式时的三桥臂DC/AC变换器直流端电压、动力电池端电压及动力电池充电电流图。
图5为本发明实施例工作在三相输入充电模式时的三相输入电流以及a相电网电压图。
图6为本发明实施例工作在三相输入充电模式时流过三相电机定子绕组的电流图。
图7为本发明实施例工作在三相输入充电模式时三相电机的电磁转矩图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例所提供的基于辅助电感和三相电机驱动的电动汽车集成充电电路，包括动力电池1、双向DC/DC变换器2、三桥臂DC/AC变换器3、三相电机4、辅助电感5、第一转换触点开关6A、第二转换触点开关6B、单触点开关7和交流接口8；所述三桥臂DC/AC变换器3的三个桥臂分别为第一、二、三桥臂；所述三相电机4包含三个定子绕组，分别为第一、二、三定子绕组，每个定子绕组均有两个接线端子；所述第一转换触点开关6A包含一个公共触点和两个转换触点，分别为第一、二触点c1、c2；所述第二转换触点开关6B包含一个公共触点和两个转换触点，分别为第三、四触点d1、d2；所述交流接口8有三个接线端子，分别为第一、二、三接线端子b1、b2、b3；所述双向DC/DC变换器2的低压侧正、负极分别与动力电池1的正、负极相连接，所述双向DC/DC变换器2的高压侧正、负极分别与三桥臂DC/AC变换器3的正、负极相连接；所述三桥臂DC/AC变换器3的第一桥臂中点a1分别与第一转换触点开关6A的第二触点c2及第二转换触点开关6B的第三触点d1相连接；所述三相电机4的第一定子绕组的两端分别与第一转换触点开关6A的公共触点和第二转换触点开关6B的公共触点相连接，所述三相电机4的第二定子绕组的两端分别与三桥臂DC/AC变换器3的第二桥臂中点a2和交流接口8的第二接线端子b2相连接，所述三相电机4的第三定子绕组的两端分别与三桥臂DC/AC变换器3的第三桥臂中点a3和交流接口8的第三接线端子b3相连接；其中，该三相电机4与第二转换触点开关6B的公共触点、交流接口8的第二接线端子b2、第三接线端子b3相连接的三个接线端子为一组同名端，该三相电机4的其余三个接线端子为另一组同名端；所述辅助电感5的两端分别与第一转换触点开关6A的第一触点c1以及第二转换触点开关6B的第三触点d1相连接；所述第二转换触点开关6B的第四触点d2与交流接口8的第二接线端子b2相连接；所述单触点开关7的两端分别与交流接口8的第二接线端子b2、第三接线端子b3相连接。
当第一转换触点开关6A的第一触点c1断开、第二触点c2闭合，第二转换触点开关6B的第三触点d1断开、第四触点d2闭合，且单触点开关7闭合时，电路工作在电机驱动模式，等效电路如图2所示，其原理与传统三相电机一致，本实施例不再具体分析；当第一转换触点开关6A的第一触点c1闭合、第二触点c2断开，第二转换触点开关6B的第三触点d1闭合、第四触点d2断开，且单触点开关7断开时，电路工作在电池充电模式。
在电池充电模式时，所述辅助电感5与三相电机4的其中一个定子绕组并联，且感值与该定子绕组等效电感一致，为
Figure BDA0002918551940000061
其中Lls为三相电机4的定子绕组的漏感，Lms为三相电机4的定子绕组间的互感。
在电池充电模式，当输入源为三相电网时，交流接口8的三个接线端子与电网相连接；当输入源为单相电网时，交流接口8的任意两个接线端子与电网相连接。
所述三相电机4为绕组两端均引出接线的三相永磁同步电动机或三相感应电动机。
下面分析三相输入充电模式的转矩消除原理，其等效电路如图3所示。单相输入情况的分析与三相输入类似，本实施例不再赘述。
三相电网电流为：
Figure BDA0002918551940000062
其中，Im为电网电流幅值，ωt为电网电流相位。
根据电路连接方式及辅助电感5的感值，可得三相电机4的三个定子绕组的电流为：
Figure BDA0002918551940000063
对式(2)进行clark等功率变换，可得：
Figure BDA0002918551940000071
其中，
Figure BDA0002918551940000072
定子绕组电流只有β方向分量，只能产生单方向脉动磁场，无法产生旋转磁场让转子转动，因此电动汽车可以停在固定位置静止充电。
以表贴式永磁同步电机为例，其转矩为：
Te＝npψfiq＝npψf(-sinθriα+cosθriβ) (4)
其中，np为转子极对数，ψf为转子磁链，iq为Park变换后的q轴电流，θr为转子d轴与定子d轴的夹角，当θr为π/2时，Te＝0，没有启动转矩产生。
在MATLAB/Simulink中对三相输入充电模式进行仿真测试，结果如图4～图7所示。设置三桥臂DC/AC变换器3的直流端电压为800V，动力电池1的端电压为400V，动力电池1的充电电流为100A，从图4可以看出实际三桥臂DC/AC变换器3的直流端电压Udc在0.1s后稳定在800V，动力电池1的端电压Ub稳定在400V，动力电池1的充电电流稳定在100A，跟踪效果良好；从图5可以看出电路实现了单位功率因数，且三相电流畸变小；从图6可以看出三相电机4的三个定子绕组电流的幅值和相位与式(2)理论分析一致；从图7可以看出充电过程中三相电机4的电磁转矩为0，实现了转矩消除。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于辅助电感和三相电机驱动的电动汽车集成充电电路，其特征在于：包括动力电池(1)、双向DC/DC变换器(2)、三桥臂DC/AC变换器(3)、三相电机(4)、辅助电感(5)、第一转换触点开关(6A)、第二转换触点开关(6B)、单触点开关(7)和交流接口(8)；
所述三桥臂DC/AC变换器(3)的三个桥臂分别为第一、二、三桥臂；所述三相电机(4)包含三个定子绕组，分别为第一、二、三定子绕组，每个定子绕组均有两个接线端子；所述第一转换触点开关(6A)包含一个公共触点和两个转换触点，分别为第一、二触点(c1)、(c2)；所述第二转换触点开关(6B)包含一个公共触点和两个转换触点，分别为第三、四触点(d1)、(d2)；所述交流接口(8)有三个接线端子，分别为第一、二、三接线端子(b1)、(b2)、(b3)；
所述双向DC/DC变换器(2)的低压侧正、负极分别与动力电池(1)的正、负极相连接，所述双向DC/DC变换器(2)的高压侧正、负极分别与三桥臂DC/AC变换器(3)的正、负极相连接；
所述三桥臂DC/AC变换器(3)的第一桥臂中点(a1)分别与第一转换触点开关(6A)的第二触点(c2)及第二转换触点开关(6B)的第三触点(d1)相连接；
所述三相电机(4)的第一定子绕组的两端分别与第一转换触点开关(6A)的公共触点和第二转换触点开关(6B)的公共触点相连接，所述三相电机(4)的第二定子绕组的两端分别与三桥臂DC/AC变换器(3)的第二桥臂中点(a2)和交流接口(8)的第二接线端子(b2)相连接，所述三相电机(4)的第三定子绕组的两端分别与三桥臂DC/AC变换器(3)的第三桥臂中点(a3)和交流接口(8)的第三接线端子(b3)相连接；其中，该三相电机(4)与第二转换触点开关(6B)的公共触点、交流接口(8)的第二接线端子(b2)、第三接线端子(b3)相连接的三个接线端子为一组同名端，该三相电机(4)的其余三个接线端子为另一组同名端；
所述辅助电感(5)的两端分别与第一转换触点开关(6A)的第一触点(c1)以及第二转换触点开关(6B)的第三触点(d1)相连接；
所述第二转换触点开关(6B)的第四触点(d2)与交流接口(8)的第二接线端子(b2)相连接；所述单触点开关(7)的两端分别与交流接口(8)的第二接线端子(b2)、第三接线端子(b3)相连接。
2.根据权利要求1所述的基于辅助电感和三相电机驱动的电动汽车集成充电电路，其特征在于，当第一转换触点开关(6A)的第一触点(c1)断开、第二触点(c2)闭合，第二转换触点开关(6B)的第三触点(d1)断开、第四触点(d2)闭合，且单触点开关(7)闭合时，电路工作在电机驱动模式；当第一转换触点开关(6A)的第一触点(c1)闭合、第二触点(c2)断开，第二转换触点开关(6B)的第三触点(d1)闭合、第四触点(d2)断开，且单触点开关(7)断开时，电路工作在电池充电模式。
3.根据权利要求2所述的基于辅助电感和三相电机驱动的电动汽车集成充电电路，其特征在于，在电池充电模式时，所述辅助电感(5)与三相电机(4)的其中一个定子绕组并联，且感值与该定子绕组等效电感一致，为
Figure FDA0002918551930000021
其中Lls为三相电机(4)的定子绕组的漏感，Lms为三相电机(4)的定子绕组间的互感。
4.根据权利要求2所述的基于辅助电感和三相电机驱动的电动汽车集成充电电路，其特征在于，在电池充电模式，当输入源为三相电网时，交流接口(8)的三个接线端子与电网相连接；当输入源为单相电网时，交流接口(8)的任意两个接线端子与电网相连接。
5.根据权利要求1所述的基于辅助电感和三相电机驱动的电动汽车集成充电电路，其特征在于，所述三相电机(4)为绕组两端均引出接线的三相永磁同步电动机或三相感应电动机。
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