CN113400959A - 计及二次功率脉动抑制的电动汽车用电驱重构型充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计及二次功率脉动抑制的电动汽车用电驱重构型充电系统，包括不控整流桥，三相逆变器，三相永磁同步电机，储能电容，输出滤波电容，动力电池和切换开关。在充电状态，永磁同步电机的两相绕组与逆变器的两组半桥构成并联Boost电路，永磁同步电机剩余的一相绕组与逆变器剩余的一组半桥构成一个有源滤波器。该系统充分利用电动汽车原有的三相逆变器、三相永磁同步电机绕组、控制及传感器单元等，在原有电驱系统的基础上只需要增加一个电容与三个切换开关，即可完成网侧功率因数校正和直流侧二次功率脉动抑制的功能，在提高充电系统功率密度的同时，有效降低了系统的成本。

Description

计及二次功率脉动抑制的电动汽车用电驱重构型充电系统
技术领域
本发明涉及一种计及二次功率脉动抑制的电动汽车用电驱重构型充电系统，属于电力电子及电力拖动领域。
背景技术
随着科技的进步以及人们生活水平的提高，汽车保有量逐年递增，这加剧了不可再生能源的消耗，并且汽车尾气对环境的影响日益严重。电动汽车具有节能、环保和高效等优点，有望解决环境污染及能源短缺问题，因此各个国家争相研究和开发电动汽车。作为电动汽车的关键技术，动力电池组的充电时间与续航里程是制约其发展的主要因素。
传统电动汽车采用非车载充电机进行充电，该方法虽然能够实现快速充电，但是充电桩的建设面临着建设地点紧缺、建设费用高昂、区域建设密度低等困难。相比于传统充电方式，车载充电机携带方便，充电简单灵活，越来越受到汽车厂商和用户的青睐。传统的车载充电机充电和驱动是两个独立的工作系统，其空间利用率低、充电时间长、可靠性低，不符合电动汽车的模块化和小型化发展趋势，影响电动汽车的普及。因此，研究和开发结构紧凑的车载充电机将对未来电动汽车的发展有着重要意义。
电驱重构型车载充电系统通过共用、重构电驱系统大定额逆变器装置和控制电路，使其充电运行在整流模式，以达到优化功率等级、成本、重量体积等特性指标；创新性地将电动机的电枢绕组作为充电系统中的滤波电感或储能电感使用，以减少传统车载充电机由于大电感和冷却系统存在而占用的车体空间，但是，当通过三相永磁重构型充电机对动力电池进行单相充电时，输出侧存在二次功率脉动问题，输出侧较小的充电电压脉动将引起较大充电电流脉动，不适合直接给动力电池充电。
发明内容
发明目的：针对上述问题，提出一种计及二次功率脉动抑制的电动汽车用电驱重构型充电系统，以实现电动汽车电驱与动力电池充电功能总集成，同时抑制充电时二次功率脉动。
技术方案：一种计及二次功率脉动抑制的电动汽车用电驱重构型充电系统，包括不控整流桥、三相永磁同步电机、三相逆变器、输出滤波电容、储能电容、动力电池、模式切换开关K 1、K 2、K 3；
单相交流电源连接不控整流桥的输入端，不控整流桥的正极通过模式切换开关K 1连接三相永磁同步电机的中性点，不控整流桥的负极连接动力电池的负极，模式切换开关K 2用于切换三相永磁同步电机的C相绕组连接所述中性点或动力电池的负极，三相永磁同步电机连接三相逆变器的输出端，输出滤波电容与动力电池并联在逆变器的输入端，模式切换开关K 3用于控制将储能电容串联到与所述C相绕组相连的三相逆变器的半桥的负极与动力电池的负极之间。
进一步的，在电驱模式，通过操作模式切换开关K 1、K 2、K 3，断开不控整流桥的正极与三相永磁同步电机的中性点的连接，连接三相永磁同步电机的C相绕组到中性点，控制C相绕组相连的三相逆变器的半桥的负极与动力电池的负极连接，此时动力电池通过三相逆变器驱动三相永磁同步电机运行；
在充电时，通过操作模式切换开关K 1、K 2、K 3，控制不控整流桥的正极连接三相永磁同步电机的中性点，三相永磁同步电机的C相绕组连接动力电池的负极，将储能电容串联到与所述C相绕组相连的三相逆变器的半桥的负极与动力电池的负极之间，三相永磁同步电机中的A相、B相绕组及其连接的两组半桥构成并联Boost电路，对交流侧进行功率因数校正并对直流侧电压进行调节；三相永磁同步电机中的C相绕组及其连接的半桥、储能电容构成有源滤波器，吸收直流侧二次功率纹波，抑制动力电池充电电流纹波。
有益效果：该系统充分利用电动汽车原有的三相逆变器、三相永磁同步电机绕组、控制及传感器单元等，在原有电驱系统的基础上只需要增加一个电容与三个切换开关，即可完成网侧功率因数校正和直流侧二次功率脉动抑制的功能，在提高充电系统功率密度的同时，有效降低了系统的成本。
附图说明
图1为一种计及二次功率脉动抑制的电动汽车用电驱重构型充电系统结构示意图；
图2为充电模式下系统简化拓扑结构；
图3为网侧电压和电流仿真结果；
图4为三通道Boost并联电路的充电电流仿真结果；
图5为一种计及二次功率脉动抑制的电动汽车用电驱重构型充电系统充电电流仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种计及二次功率脉动抑制的电动汽车用电驱重构型充电系统，包括不控整流桥2、三相永磁同步电机3、三相逆变器4、输出滤波电容5、储能电容6、动力电池7、模式切换开关K 1、K 2、K 3。
单相交流电源1连接不控整流桥2的输入端，不控整流桥2的正极连接模式切换开关K 1第一端，不控整流桥2的负极连接动力电池7的负极，模式切换开关K 1第二端连接三相永磁同步电机3的中性点，模式切换开关K 2连接在三相永磁同步电机3的C相绕组、中性点和动力电池7的负极之间，模式切换开关K 3连接在与三相永磁同步电机3的C相绕组相连的半桥的负极、动力电池负极7和储能电容6之间，三相永磁同步电机3连接三相逆变器4的输出端，输出滤波电容5和动力电池7并联在三相逆变器4的输入端。
在电驱模式，模式切换开关K 1断开，K 2连接a，开关K 3连接c，即断开不控整流桥2的正极与三相永磁同步电机3的中性点的连接，连接三相永磁同步电机3的C相绕组到中性点，控制C相绕组相连的三相逆变器4的半桥的负极与动力电池7的负极连接，此时动力电池7通过三相逆变器4驱动三相永磁同步电机3运行。
在充电模式，开关K 1闭合，开关K 2连接b，开关K 3连接d，即控制不控整流桥2的正极连接三相永磁同步电机3的中性点，三相永磁同步电机3的C相绕组连接动力电池7的负极，将储能电容6串联到与C相绕组相连的三相逆变器4的半桥的负极与动力电池7的负极之间。三相永磁同步电机3中的A相、B相绕组及其连接的两组半桥构成并联Boost电路，对交流侧进行功率因数校正并对直流侧电压进行调节。三相永磁同步电机3中的C相绕组及其连接的半桥、储能电容6构成有源滤波器，吸收直流侧二次功率纹波，抑制动力电池7充电电流纹波。
本实施例中，通过复用三相永磁同步电机绕组与三相逆变器，在充电时将三相永磁同步电机的两相绕组与其连接的两组半桥重构为一个双通道Boost并联电路，实现对网侧的功率因数校正，同时将三相永磁同步电机的一相绕组和其连接的一组半桥重构为一个有源滤波器，抑制直流侧二次功率脉动，实现较小的充电电流脉动，以延长动力电池的使用寿命。
为验证本发明的技术问题，构建了计及二次功率脉动抑制的电动汽车用电驱重构型充电系统的简化拓扑电路，如图2所示，它主要由双通道Boost并联电路和有源滤波器的电路构成。在本实施例中，单相交流电源电压幅值48V，频率50Hz，充电电压52V，充电电流10A，输出功率520W。
在本实施例中，图3为网侧电压与电流波形，可以看出，充电过程中电源输入电压和电流波形相位基本一致并且电流呈正弦状态，满足单位功率因数运行要求。
图4为三通道Boost并联电路的充电电流波形，可以看出，当系统只有输出滤波电容而无用于吸收二次功率脉动的有源滤波器时，充电电流纹波高达22A，这将大大降低电池的使用寿命。
图5为本发明提出的计及二次功率脉动抑制的电动汽车用电驱重构型充电系统充电电流波形，由图可见，充电电流纹波由图4的22A降低至图5的4A左右，电流脉动抑制效果明显。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种计及二次功率脉动抑制的电动汽车用电驱重构型充电系统，其特征在于：包括不控整流桥(2)、三相永磁同步电机(3)、三相逆变器(4)、输出滤波电容(5)、储能电容(6)、动力电池(7)、模式切换开关K 1、K 2、K 3；
单相交流电源(1)连接不控整流桥(2)的输入端，不控整流桥(2)的正极通过模式切换开关K 1连接三相永磁同步电机(3)的中性点，不控整流桥(2)的负极连接动力电池(7)的负极，模式切换开关K 2用于切换三相永磁同步电机(3)的C相绕组连接所述中性点或动力电池(7)的负极，三相永磁同步电机(3)连接三相逆变器(4)的输出端，输出滤波电容(5)与动力电池(7)并联在逆变器的输入端，模式切换开关K 3用于控制将储能电容(6)串联到与所述C相绕组相连的三相逆变器(4)的半桥的负极与动力电池(7)的负极之间。
2.根据权利要求1所述的一种计及二次功率脉动抑制的电动汽车用电驱重构型充电系统，其特征在于：在电驱模式，通过操作模式切换开关K 1、K 2、K 3，断开不控整流桥(2)的正极与三相永磁同步电机(3)的中性点的连接，连接三相永磁同步电机(3)的C相绕组到中性点，控制C相绕组相连的三相逆变器(4)的半桥的负极与动力电池(7)的负极连接，此时动力电池(7)通过三相逆变器(4)驱动三相永磁同步电机(3)运行；
在充电时，通过操作模式切换开关K 1、K 2、K 3，控制不控整流桥(2)的正极连接三相永磁同步电机(3)的中性点，三相永磁同步电机(3)的C相绕组连接动力电池(7)的负极，将储能电容(6)串联到与所述C相绕组相连的三相逆变器(4)的半桥的负极与动力电池(7)的负极之间，三相永磁同步电机(3)中的A相、B相绕组及其连接的两组半桥构成并联Boost电路，对交流侧进行功率因数校正并对直流侧电压进行调节；三相永磁同步电机(3)中的C相绕组及其连接的半桥、储能电容(6)构成有源滤波器，吸收直流侧二次功率纹波，抑制动力电池(7)充电电流纹波。
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