CN114336746A - 汽车能量管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种汽车能量管理系统，原边模块、副边高压模块及副边低压模块的交流侧分别连接变压器模块的原边、副边高压侧和副边低压侧，将电机模块、电机控制器模块及辅助变换模块依次连接后连接至原边模块的直流侧，电源模块的两端分别连接电机模块及辅助变换模块的交流侧，通过电机模块、电机控制器模块及辅助变换模块可共同实现交直流转换，替代传统充电机里的功率因数校正环节，且高压电池组分别通过第一继电器组及第二继电器组连接副边高压模块及电机控制器的直流侧，低压电池组连接副边低压模块的直流侧，通过控制第一继电器组及第二继电器组的继电器的开闭状态即可控制汽车能量管理系统的工作模式，以灵活实现整车能量管理。

Description

汽车能量管理系统
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术领域，尤其涉及一种汽车能量管理系统。
背景技术
随着电动汽车市场渗透率的不断提高，电动汽车零部件技术得到快速的发展，其中电力电子零部件的成本和体积已经成为当前最主要的设计目标和竞争手段。目前大部分整车中，电机、电机驱动器、充电机和高压DCDC都是各自独立的，集成在一起的一般也是机械集成，由于器件无法共用，成本和体积难以大幅度降低。本发明则主要为解决该问题，提出一种电机、电机驱动器、充电机和高压DCDC电气集成的系统方案及对应的控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种汽车能量管理系统，以解决现有电动汽车的电机、电机驱动器、充电机和高压DCDC无法电气集成的问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种汽车能量管理系统，包括电源模块、电机模块、电机控制器模块、辅助变换模块、原边模块、变压器模块、副边高压模块、副边低压模块、高压电池组及低压电池组；
其中，所述原边模块、副边高压模块及副边低压模块的交流侧分别连接所述变压器模块的原边、副边高压侧和副边低压侧；
所述电机模块、电机控制器模块及辅助变换模块依次连接后连接至所述原边模块的直流侧，所述电源模块的两端分别连接所述电机模块及所述辅助变换模块的交流侧，所述电机模块、电机控制器模块及辅助变换模块共同实现交直流转换；
所述高压电池组分别通过第一继电器组及第二继电器组连接所述副边高压模块及所述电机控制器的直流侧，所述低压电池组连接所述副边低压模块的直流侧；以及，
通过控制所述第一继电器组及所述第二继电器组的继电器的开闭状态控制所述汽车能量管理系统的工作模式。
可选的，所述工作模式包括驱动模式、交流充电模式、直流充电模式、负载供电模式、充供电并行模式、放电模式及并网逆变模式。
可选的，在所述驱动模式下，所述第二继电器组中的继电器闭合；
所述高压电池组通过所述电机控制器模块驱动所述电机模块，以驱动汽车运动；以及，
所述高压电池组通过所述原边模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
可选的，在所述驱动模式下，所述第一继电器组中的继电器闭合；以及，
所述高压电池组通过所述副边高压模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
可选的，在所述交流充电模式下，所述电源模块连接交流电网，所述第一继电器组中的继电器闭合，所述第二继电器组中的继电器断开；
所述电源模块通过所述电机模块、电机控制器模块、辅助变换模块、原边模块、变压器模块及副边高压模块为所述高压电池组充电；以及，
所述电源模块通过所述电机模块、电机控制器模块、辅助变换模块、原边模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
可选的，在所述直流充电模式下，所述电源模块连接直流充电桩，所述第二继电器组中的继电器闭合；
所述电源模块通过所述电机模块及所述电机控制器模块为所述高压电池组充电；以及，
所述电源模块通过所述电机模块、电机控制器模块、辅助变换模块、原边模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
可选的，在所述直流充电模式下，所述第一继电器组中的继电器闭合；
所述高压电池组通过所述副边高压模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
可选的，所述电机控制器模块与所述第二继电器组之间连接有第一高压负载和/或所述副边高压模块与所述第一继电器组之间连接有第二高压负载，在所述负载供电模式下，所述电源模块连接交流电网，所述第一继电器组及所述第二继电器组中的继电器均断开；以及，
所述电源模块通过所述电机模块及所述电机控制器模块为所述第一高压负载供电，和/或所述电源模块通过所述电机模块、电机控制器模块、辅助变换模块、原边模块、变压器模块及副边高压模块为所述第二高压负载供电；以及，
所述电源模块通过所述电机模块、电机控制器模块、辅助变换模块、原边模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
可选的，所述电机控制器模块与所述第二继电器组之间连接有第一高压负载和/或所述副边高压模块与所述第一继电器组之间连接有第二高压负载，在所述充供电并行模式下，所述电源模块连接交流电网，所述第一继电器组中的继电器闭合，所述第二继电器组中的继电器断开；
所述电源模块通过所述电机模块及所述电机控制器模块为所述第一高压负载供电；和/或所述电源模块通过所述电机模块、电机控制器模块、辅助变换模块、原边模块、变压器模块及副边高压模块为所述第二高压负载供电，并同时为所述高压电池组充电；以及，
所述电源模块通过所述电机模块、电机控制器模块、辅助变换模块、原边模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
可选的，在所述放电模式下，所述电源模块连接交流负载，所述第一继电器组中的继电器闭合，所述第二继电器组中的继电器断开；
所述高压电池组通过所述副边高压模块、变压器模块、原边模块、辅助变换模块、电机控制器模块、电机模块及电源模块为所述交流负载供电；以及，
所述高压电池组通过所述副边高压模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
可选的，在所述放电模式下，所述电源模块连接交流负载，所述第二继电器组中的继电器闭合；
所述高压电池组通过所述电机控制器模块、电机模块及电源模块为所述交流负载供电；以及，
所述高压电池组通过所述原边模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
可选的，在所述放电模式下，所述第一继电器组中的继电器闭合；
所述高压电池组通过所述副边高压模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
可选的，在所述并网逆变模式下，所述电源模块连接交流电网，所述第一继电器组中的继电器闭合，所述第二继电器组中的继电器断开；
所述高压电池组通过所述副边高压模块、变压器模块、原边模块、辅助变换模块、电机控制器模块、电机模块及电源模块为所述交流电网供电；以及，
所述高压电池组通过所述副边高压模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
可选的，在所述并网逆变模式下，所述电源模块连接交流电网，所述第二继电器组中的继电器闭合；
所述高压电池组通过所述电机控制器模块、电机模块及电源模块为所述交流电网供电；以及，
所述高压电池组通过所述原边模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
可选的，在所述并网逆变模式下，所述第一继电器组中的继电器闭合；
所述高压电池组通过所述副边高压模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
可选的，所述电机控制器模块的直流侧连接有第一母线电容，所述电源模块与所述电机模块之间还连接有第三继电器，所述第三继电器上并联有第一预充电电阻；以及，
所述副边高压模块的直流侧连接有第二母线电容，所述第二继电器组的任一继电器上并联有第四继电器，所述第四继电器串联有第二预充电电阻。
可选的，在所述驱动模式下，所述第三继电器断开或闭合，所述第四继电器断开；在所述交流充电模式、直流充电模式、负载供电模式、充供电并行模式、放电模式及并网逆变模式下，所述第三继电器闭合，所述第四继电器断开。
可选的，所述工作模式还包括预充电模式，用于为所述第一母线电容及所述第二母线电容预充电。
可选的，在所述预充电模式下，所述第一继电器组和所述第二继电器组中的继电器、所述第三继电器及所述第四继电器均断开；
所述低压电池组通过所述副边低压模块、变压器模块及原边模块为所述第一母线电容预充电；以及，
所述低压电池组通过所述副边低压模块、变压器模块及所述副边高压模块为所述第二母线电容预充电。
可选的，所述第一继电器组及所述第二继电器组均具有两个继电器，所述高压电池组的正极和负极分别通过所述第一继电器组的两个继电器连接所述副边高压模块的直流侧，所述高压电池组的正极和负极分别通过所述第二继电器组的两个继电器连接所述电机控制器的交流侧。
可选的，所述辅助变换模块包括两个串联的功率开关管，所述电源模块的一端连接两个所述功率开关管之间的节点。
可选的，还包括升降压模块，所述升降压模块连接在所述副边低压模块与所述低压电池组之间。
在本发明提供的汽车能量管理系统中，原边模块、副边高压模块及副边低压模块的交流侧分别连接变压器模块的原边、副边高压侧和副边低压侧，将电机模块、电机控制器模块及辅助变换模块依次连接后连接至原边模块的直流侧，电源模块的两端分别连接电机模块及辅助变换模块的交流侧，通过电机模块、电机控制器模块及辅助变换模块可共同实现交直流转换，将电机和电机控制器进行复用，替代传统充电机里的功率因数校正环节，并且，高压电池组分别通过第一继电器组及第二继电器组连接副边高压模块的直流侧及电机控制器的交流侧，低压电池组连接副边低压模块的直流侧，通过控制第一继电器组及第二继电器组的继电器的开闭状态即可控制汽车能量管理系统的工作模式，以灵活实现整车能量管理。本发明实现了电机、电机驱动器、充电机和高压DCDC的电气集成，降低了成本并减小了系统的体积。
附图说明
图1为本发明实施例提供的汽车能量管理系统的电路图；
图2a为本发明实施例提供的汽车能量管理系统在驱动模式1的功率流的示意图；
图2b为本发明实施例提供的汽车能量管理系统在驱动模式2的功率流的示意图；
图3a为本发明实施例提供的汽车能量管理系统在交流充电模式的功率流的示意图；
图3b为本发明实施例提供的汽车能量管理系统在直流充电模式1的功率流的示意图；
图3c为本发明实施例提供的汽车能量管理系统在直流充电模式2的功率流的示意图；
图4a为本发明实施例提供的汽车能量管理系统在负载供电模式1下的功率流的示意图；
图4b为本发明实施例提供的汽车能量管理系统在负载供电模式2下的功率流的示意图；
图4c为本发明实施例提供的汽车能量管理系统在负载供电模式3下的功率流的示意图；
图5为本发明实施例提供的汽车能量管理系统在充供电并行模式下的功率流的示意图；
图6a为本发明实施例提供的汽车能量管理系统在放电模式1下的功率流的示意图；
图6b为本发明实施例提供的汽车能量管理系统在放电模式2下的功率流的示意图；
图6c为本发明实施例提供的汽车能量管理系统在放电模式3下的功率流的示意图；
图7a为本发明实施例提供的汽车能量管理系统在并网逆变模式1下的功率流的示意图；
图7b为本发明实施例提供的汽车能量管理系统在并网逆变模式2下的功率流的示意图；
图7c为本发明实施例提供的汽车能量管理系统在并网逆变模式3下的功率流的示意图；
图8为本发明实施例提供的汽车能量管理系统在预充电模式下的功率流的示意图；
其中，附图标记为：
101-电源模块；102-电机模块；103-电机控制器模块；104-辅助变换模块；105-原边模块；106-变压器模块；107-副边高压模块；108-副边低压模块；109-升降压模块；110-控制模块；HV Bat-高压电池组；LV Bat-低压电池组；
T-变压器；Lr1-第一阻抗；Cr1-第一谐振电容；Lr2-第二阻抗；Cr2-第二谐振电容；Lr3-第三电感；C3-稳压电容；L1、L2、L3-定子绕组；Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14、Q15、Q16、Q17、Q18、Q19、Q20、Q21、Q22-功率开关管；C1-第一母线电容；C2-第二母线电容；rly11、rly12-第一继电器；rly21、rly22-第二继电器；rly3-第三继电器；rly4-第四继电器；R1-第一预充电电阻；R2-第二预充电电阻；Rs-交流负载。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
图1为本实施例提供的汽车能量管理系统的电路图。如图1所示，所述汽车能量管理系统包括电源模块101、电机模块102、电机控制器模块103、辅助变换模块104、原边模块105、变压器模块106、副边高压模块107、副边低压模块108、升降压模块109、高压电池组HVBat及低压电池组LV Bat。
其中，所述原边模块105、副边高压模块107及副边低压模块108的交流侧分别连接所述变压器模块106的原边、副边高压侧和副边低压侧。所述电机模块102、电机控制器模块103及辅助变换模块104依次连接后连接至所述原边模块105的直流侧，所述电源模块101的两端分别连接所述电机模块102及所述辅助变换模块104的交流侧，所述电机模块102、电机控制器模块103及辅助变换模块104共同实现交直流转换。本实施例将所述电机模块102和电机控制器模块103进行复用，替代传统充电机里的功率因数校正环节。进一步地，所述高压电池组HV Bat分别通过第一继电器组及第二继电器组连接所述副边高压模块107及所述电机控制器的直流侧，所述低压电池组LV Bat与所述升降压模块109连接后连接所述副边低压模块108的直流侧，通过控制所述第一继电器组及所述第二继电器组的继电器的开闭状态控制所述汽车能量管理系统的工作模式，以灵活实现整车能量管理。本实施例实现了电机、电机驱动器、充电机和高压DCDC的电气集成，降低了成本并减小了体积。
请继续参阅图1，具体而言，所述电机模块102为三相电机，所述三相电机具有三个相位差为120°的定子绕组L1、L2和L3。所述电机控制器模块103为三桥臂逆变电路，所述电机控制器模块103具有6个功率开关管，分别为功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。其中，功率开关管Q1、Q2分别位于所述电机控制器模块103的第一个桥臂的上下桥臂上，功率开关管Q3、Q4分别位于所述电机控制器模块103的第二个桥臂的上下桥臂上，功率开关管Q5、Q6分别位、位于所述电机控制器模块103的第一个桥臂的上下桥臂上。所述电机控制器模块103的直流侧还连接有第一母线电容C1。进一步地，所述辅助变换模块104为单桥臂逆变电路，具有2个功率开关管，分别为功率开关管Q7、Q8，功率开关管Q7、Q8分别位于所述辅助变换模块104的桥臂上下桥臂上。
所述三相电机的定子绕组L1、L2和L3的首端分别连接功率开关管Q1、Q2之间的节点、功率开关管Q3、Q4之间的节点以及功率开关管Q5、Q6之间的节点；所述三相电机的定子绕组L1、L2和L3的末端连接后连接所述电源模块101的一端，所述电源模块101的另一端连接功率开关管Q7、Q8之间的节点。
请继续参阅图1，所述原边模块105、副边高压模块107及副边低压模块108均为H桥逆变电路，均用于实现交直流转换。具体而言，所述原边模块105具有4个功率开关管，分别为功率开关管Q9、Q10、Q11、Q12。功率开关管Q9、Q10分别位于所述原边模块105的第一个桥臂的上下桥臂上，功率开关管Q11、Q12分别位于所述原边模块105的第二个桥臂的上下桥臂上。类似的，所述副边高压模块107具有4个功率开关管，分别为功率开关管Q13、Q14、Q15、Q16。功率开关管Q13、Q14分别位于所述副边高压模块107的第一个桥臂的上下桥臂上，功率开关管Q15、Q16分别位于所述副边高压模块107的第二个桥臂的上下桥臂上。类似的，所述副边低压模块108具有4个功率开关管，分别为功率开关管Q17、Q18、Q19、Q20。功率开关管Q17、Q18分别位于所述副边低压模块108的第一个桥臂的上下桥臂上，功率开关管Q19、Q20分别位于所述副边高压模块107的第二个桥臂的上下桥臂上。
进一步地，所述变压器模块106包括变压器T、第一阻抗Lr1、第一谐振电容Cr1、第二阻抗Lr2和第二谐振电容Cr2，所述变压器T具有原边绕组、副边高压绕组和副边低压绕组。功率开关管Q9、Q10之间的节点通过所述第一谐振电容Cr1连接所述原边绕组的一端，功率开关管Q11、Q12之间的节点通过所述第一阻抗Lr1连接所述原边绕组的另一端。功率开关管Q13、Q14之间的节点通过所述第二阻抗Lr2连接所述副边高压绕组的一端，功率开关管Q15、Q16之间的节点通过所述第二谐振电容Cr2连接所述副边高压绕组的另一端。功率开关管Q17、Q18之间的节点直接连接所述副边低压绕组的一端，功率开关管Q19、Q20之间的节点直接连接所述副边低压绕组的另一端。所述原边模块105、副边高压模块107及副边低压模块108构成汽车的高压DCDC。
所述升降压模块109具有两个功率开关管及第三电感Lr3，两个功率开关管分别为功率开关管Q21、Q22。功率开关管Q21、Q22之间的节点连接所述第三电感Lr3的一端，所述第三电感Lr3的另一端连接所述低压电池组LV Bat。
进一步地，所述副边低压模块108的直流侧还连接有一稳压电容C3，所述副边高压模块107的直流侧还连接有第二母线电容C2。
请继续参阅图1，所述第一继电器组及所述第二继电器组均具有两个继电器，其中，所述第一继电器组中的两个继电器分别为第一继电器rly11、rly12，所述第一继电器rly11、rly12同步开启或关闭；所述第二继电器组中的两个继电器分别为第二继电器rly21、rly22，所述第二继电器rly21、rly22同步开启或关闭。所述高压电池组HV Bat的正极和负极分别通过所述第一继电器rly11、rly12连接所述副边高压模块107的直流侧，所述高压电池组HV Bat的正极和负极分别通过所述第二继电器rly21、rly22连接所述电机控制器的直流侧。
进一步地，所述电源模块101与所述定子绕组L1、L2和L3的末端之间还连接有第三继电器rly3，所述第三继电器rly3上并联有第一预充电电阻R1；所述第二继电器rly21上并联有第四继电器rly4，所述第四继电器rly4串联一第二预充电电阻R2。
本实施例中，所述汽车能量管理系统的工作模式包括驱动模式、交流充电模式、直流充电模式、负载供电模式、充供电并行模式、放电模式、并网逆变模式及预充电模式。接下来，将结合表1及图2a～图8对所述汽车能量管理系统的工作模式进行详细说明。
表1：工作模式与继电器的开闭状态对应表
Figure BDA0003440902870000101
所述驱动模式具有两种，分别为驱动模式1和驱动模式2。
图2a为本实施例提供的汽车能量管理系统在驱动模式1的功率流的示意图。如图2a所示，在所述驱动模式1下，所述汽车处于行驶状态，所述第一继电器rly11、rly12闭合，所述第二继电器rly21、rly22闭合，所述第三继电器rly3断开，所述第四继电器rly4断开。此时，所述汽车能量管理系统具有三条功率流。第一条功率流为：所述高压电池组HV Bat通过所述电机控制器模块103驱动所述电机模块102，以驱动汽车运动；第二条功率流为：所述高压电池组HV Bat通过所述原边模块105、所述变压器模块106、所述副边低压模块108及所述升降压模块109为所述低压电池组LV Bat充电；第三条功率流为：所述高压电池组HV Bat通过所述副边高压模块107、所述变压器模块106、所述副边低压模块108及所述升降压模块109为所述低压电池组LV Bat充电。
图2b为本实施例提供的汽车能量管理系统在驱动模式2的功率流的示意图。如图2b所示，在所述驱动模式2下，所述汽车处于行驶状态，所述第一继电器rly11、rly12断开，所述第二继电器rly21、rly22闭合，所述第三继电器rly3断开，所述第四继电器rly4断开。相较于所述驱动模式1来说，由于所述第一继电器rly11、rly12断开了，此时，所述汽车能量管理系统具有两条功率流。第一条功率流为：所述高压电池组HV Bat通过所述电机控制器模块103驱动所述电机模块102，以驱动汽车运动；第二条功率流为：所述高压电池组HV Bat通过所述原边模块105、所述变压器模块106、所述副边低压模块108及所述升降压模块109为所述低压电池组LV Bat充电。
应理解，由于交流电是不连接的，在所述驱动模式1及所述驱动模式2下，所述第三继电器rly3断开也可以闭合，本实施不作限制。
图3a为本实施例提供的汽车能量管理系统在交流充电模式的功率流的示意图。如图3a所示，在所述交流充电模式下，所述汽车静止，所述电源模块101为交流电源模块，连接交流电网，所述第一继电器rly11、rly12闭合，所述第二继电器rly21、rly22断开(确保所述高压电池组HV Bat与所述交流电网之间有电气隔离)，所述第三继电器rly3闭合，所述第四继电器rly4断开。此时，所述汽车能量管理系统具有两条功率流。第一条功率流为：所述电源模块101通过所述电机模块102、电机控制器模块103、辅助变换模块104、原边模块105、变压器模块106及副边高压模块107为所述高压电池组HV Bat充电；第二条功率流为：所述电源模块101通过所述电机模块102、电机控制器模块103、辅助变换模块104、原边模块105、变压器模块106、副边低压模块108及升降压模块109为所述低压电池组LV Bat充电。
所述直流充电模式具有两种，分别为直流充电模式1和直流充电模式2。
图3b为本实施例提供的汽车能量管理系统在直流充电模式1的功率流的示意图。如图3b所示，在所述直流充电模式1下，所述汽车静止，所述电源模块101为直流电源模块，连接直流充电桩，所述第一继电器rly11、rly12断开，所述第二继电器rly21、rly22闭合，所述第三继电器rly3闭合，所述第四继电器rly4断开。此时，所述汽车能量管理系统具有两条功率流。第一条功率流为：所述电源模块101通过所述电机模块102、电机控制器模块103、辅助变换模块104、原边模块105、变压器模块106及副边高压模块107为所述高压电池组HVBat充电；第二条功率流为：所述电源模块101通过所述电机模块102、电机控制器模块103、辅助变换模块104、原边模块105、变压器模块106、副边低压模块108及升降压模块109为所述低压电池组LV Bat充电。
图3c为本实施例提供的汽车能量管理系统在直流充电模式2的功率流的示意图。如图3c所示，在所述直流充电模式2下，所述汽车静止，所述电源模块101为直流电源模块，连接直流充电桩，所述第一继电器rly11、rly12闭合，所述第二继电器rly21、rly22闭合，所述第三继电器rly3闭合，所述第四继电器rly4断开。此时，所述汽车能量管理系统具有三条功率流。第一条功率流为：所述电源模块101通过所述电机模块102、电机控制器模块103、辅助变换模块104、原边模块105、变压器模块106及副边高压模块107为所述高压电池组HVBat充电；第二条功率流为：所述电源模块101通过所述电机模块102、电机控制器模块103、辅助变换模块104、原边模块105、变压器模块106、副边低压模块108及升降压模块109为所述低压电池组LV Bat充电；第三条功率流为：所述高压电池组HV Bat通过所述原边模块105、所述变压器模块106、所述副边低压模块108及所述升降压模块109为所述低压电池组LV Bat充电。
在所述交流充电模式下，所述电机模块102、所述电机控制器模块103和所述辅助变换模块104构成了三相交错并联图腾柱PFC结构，实现功率因数校正功能，并控制所述电机控制器模块103的输出电压为恒定电压；所述原边模块105、所述变压器模块106及所述副边高压模块107共同构成了CLLLC谐振拓扑。在直流充电模式下，所述电源模块101、所述电机模块102、所述电机控制器模块103和所述辅助变换模块104一起构成了非隔离式的升压电路，可以直接给所述高压电池组HV Bat进行充电(所述直流充电桩此时已经进行了电气隔离)。
所述负载供电模式具有三种，分别为负载供电模式1、负载供电模式2及负载供电模式3。
图4a为本实施例提供的汽车能量管理系统在负载供电模式1下的功率流的示意图。如图4a所示，在所述负载供电模式1下，所述汽车静止，所述电机控制器模块103与所述第二继电器组之间连接有第一高压负载(例如PTC加热器等)，所述电源模块101连接交流电网，所述第一继电器rly11、rly12断开，所述第二继电器rly21、rly22断开(确保所述高压电池组HV Bat与所述交流电网之间有电气隔离)，所述第三继电器rly3闭合，所述第四继电器rly4断开。此时，所述汽车能量管理系统具有两条功率流。第一条功率流为：所述电源模块101通过所述电机模块102及所述电机控制器模块103为所述第一高压负载供电；第二条功率流为：所述电源模块101通过所述电机模块102、电机控制器模块103、辅助变换模块104、原边模块105、变压器模块106、副边低压模块108及升降压模块109为所述低压电池组LVBat充电。
图4b为本实施例提供的汽车能量管理系统在负载供电模式2下的功率流的示意图。如图4b所示，在所述负载供电模式2下，所述汽车静止，所述副边高压模块107与所述第一继电器组之间连接有第二高压负载(例如PTC加热器等)，所述电源模块101连接交流电网，所述第一继电器rly11、rly12断开，所述第二继电器rly21、rly22断开(确保所述高压电池组HV Bat与所述交流电网之间有电气隔离)，所述第三继电器rly3闭合，所述第四继电器rly4断开。此时，所述汽车能量管理系统具有两条功率流。第一条功率流为：所述电源模块101通过所述电机模块102、电机控制器模块103、辅助变换模块104、原边模块105、变压器模块106及副边高压模块107为所述第二高压负载供电；第二条功率流为：所述电源模块101通过所述电机模块102、电机控制器模块103、辅助变换模块104、原边模块105、变压器模块106、副边低压模块108及升降压模块109为所述低压电池组LV Bat充电。
图4c为本实施例提供的汽车能量管理系统在负载供电模式3下的功率流的示意图。如图4c所示，在所述负载供电模式3下，所述汽车静止，所述电机控制器模块103与所述第二继电器组之间连接有第一高压负载(例如PTC加热器等)，所述副边高压模块107与所述第一继电器组之间连接有第二高压负载(例如PTC加热器等)，所述电源模块101连接交流电网，所述第一继电器rly11、rly12断开，所述第二继电器rly21、rly22断开(确保所述高压电池组HV Bat与所述交流电网之间有电气隔离)，所述第三继电器rly3闭合，所述第四继电器rly4断开。此时，所述汽车能量管理系统具有三条功率流。第一条功率流为：所述电源模块101通过所述电机模块102及所述电机控制器模块103为所述第一高压负载供电；第二条功率流为：所述电源模块101通过所述电机模块102、电机控制器模块103、辅助变换模块104、原边模块105、变压器模块106及副边高压模块107为所述第二高压负载供电；第三条功率流为：所述电源模块101通过所述电机模块102、电机控制器模块103、辅助变换模块104、原边模块105、变压器模块106、副边低压模块108及升降压模块109为所述低压电池组LV Bat充电。
在所述负载供电模式1、所述负载供电模式2及所述负载供电模式3下，所述高压电池组HV Bat不接入，所述高压电池组HV Bat既不提供电能也不接受电能。在所述负载供电模式1下，所述电机模块102、电机控制器模块103和辅助变换模块104共同完成功率因数校正功能，并控制所述电机控制器模块103输出电压为恒定电压；在所述负载供电模式2下，所述电源模块101、电机模块102、电机控制器模块103、辅助变换模块104、原边模块105、变压器模块106及副边高压模块107一起提供恒定电压；在所述负载供电模式3下，所述电机模块102、电机控制器模块103和辅助变换模块104共同完成功率因数校正功能，并控制所述电机控制器模块103输出电压为恒定电压，同时，所述电源模块101、电机模块102、电机控制器模块103、辅助变换模块104、原边模块105、变压器模块106及副边高压模块107一起提供恒定电压。
图5为本实施例提供的汽车能量管理系统在充供电并行模式下的功率流的示意图。如图5所示，在所述充供电并行模式下，所述汽车静止，所述电机控制器模块103与所述第二继电器组之间连接有第一高压负载，所述副边高压模块107与所述第一继电器组之间连接有第二高压负载，所述电源模块101连接交流电网，所述第一继电器rly11、rly12闭合，所述第二继电器rly21、rly22断开，所述第三继电器rly3闭合，所述第四继电器rly4断开。此时，所述汽车能量管理系统具有三条功率流。第一条功率流为：所述电源模块101通过所述电机模块102及所述电机控制器模块103为所述第一高压负载供电；第二条功率流为：所述电源模块101通过所述电机模块102、电机控制器模块103、辅助变换模块104、原边模块105、变压器模块106及副边高压模块107为所述第二高压负载供电，并同时为所述高压电池组HV Bat充电；第三条功率流为：所述电源模块101通过所述电机模块102、电机控制器模块103、辅助变换模块104、原边模块105、变压器模块106及副边低压模块108为所述低压电池组LV Bat充电。
在所述充供电并行模式下，所述高压电池组HV Bat接入，可一边为所述高压电池组HV Bat充电，一边为所述第一高压负载及所述第二高压负载供电。
所述放电模式具有三种，分别为放电模式1、放电模式2及放电模式3。
图6a为本实施例提供的汽车能量管理系统在放电模式1下的功率流的示意图。如图6a所示，在所述放电模式1下，所述汽车静止，所述电源模块101连接交流负载Rs，所述第一继电器rly11、rly12闭合，所述第二继电器rly21、rly22断开，所述第三继电器rly3闭合，所述第四继电器rly4断开。此时，所述汽车能量管理系统具有两条功率流。第一条功率流为：所述高压电池组HV Bat通过所述副边高压模块107、变压器模块106、原边模块105、辅助变换模块104、电机控制器模块103、电机模块102及电源模块101为所述交流负载Rs供电；第二条功率流为：所述高压电池组HV Bat通过所述副边高压模块107、变压器模块106、副边低压模块108及升降压模块109为所述低压电池组LV Bat充电。
图6b为本实施例提供的汽车能量管理系统在放电模式2下的功率流的示意图。如图6b所示，在所述放电模式2下，所述汽车静止，所述电源模块101连接交流负载Rs，所述第一继电器rly11、rly12断开，所述第二继电器rly21、rly22闭合，所述第三继电器rly3闭合，所述第四继电器rly4断开。此时，所述汽车能量管理系统具有两条功率流。第一条功率流为：所述高压电池组HV Bat通过所述电机控制器模块103、电机模块102及电源模块101为所述交流负载Rs供电；第二条功率流为：所述高压电池组HV Bat通过所述原边模块105、变压器模块106、副边低压模块108及升降压模块109为所述低压电池组LV Bat充电。
图6c为本实施例提供的汽车能量管理系统在放电模式3下的功率流的示意图。如图6c所示，在所述放电模式3下，所述汽车静止，所述电源模块101连接交流负载Rs，所述第一继电器rly11、rly12闭合，所述第二继电器rly21、rly22闭合，所述第三继电器rly3闭合，所述第四继电器rly4断开。此时，所述汽车能量管理系统具有三条功率流。第一条功率流为：所述高压电池组HV Bat通过所述电机控制器模块103、电机模块102及电源模块101为所述交流负载Rs供电；第二条功率流为：所述高压电池组HV Bat通过所述原边模块105、变压器模块106、副边低压模块108及升降压模块109为所述低压电池组LV Bat充电；第三条功率流为：所述高压电池组HV Bat通过所述副边高压模块107、变压器模块106、副边低压模块108及升降压模块109为所述低压电池组LV Bat充电。
在所述放电模式1中，所述副边高压模块107、变压器模块106、原边模块105构成反向CLLLC谐振拓扑，并将输出电压控制为恒定电压，所述电机控制器模块103、电机模块102和辅助变换模块104构成三相交错并联H桥逆变器，输出220V交流电。在所述放电模式2及放电模式3中，所述电机控制器模块103和所述电机模块102可实现逆变功能，通过所述电源模块101输出220V交流电，在第二条功率流及第三条功率流中均是构成的LLC谐振拓扑。
所述并网逆变模式具有三种，分别为并网逆变模式1、并网逆变模式2及并网逆变模式3。
图7a为本实施例提供的汽车能量管理系统在并网逆变模式1下的功率流的示意图。如图7a所示，在所述并网逆变模式1下，所述汽车静止，所述电源模块101连接交流电网，所述第一继电器rly11、rly12闭合，所述第二继电器rly21、rly22断开，所述第三继电器rly3闭合，所述第四继电器rly4断开。此时，所述汽车能量管理系统具有两条功率流。第一条功率流为：所述高压电池组HV Bat通过所述副边高压模块107、变压器模块106、辅助变换模块104、原边模块105、电机控制器模块103、电机模块102及电源模块101为所述交流电网供电；第二条功率流为：所述高压电池组HV Bat通过所述副边高压模块107、变压器模块106、副边低压模块108及升降压模块109为所述低压电池组LV Bat充电。
图7b为本实施例提供的汽车能量管理系统在并网逆变模式2下的功率流的示意图。如图7b所示，在所述并网逆变模式2下，所述汽车静止，所述电源模块101连接交流电网，所述第一继电器rly11、rly12断开，所述第二继电器rly21、rly22闭合，所述第三继电器rly3闭合，所述第四继电器rly4断开。此时，所述汽车能量管理系统具有两条功率流。第一条功率流为：所述高压电池组HV Bat通过所述电机控制器模块103、电机模块102及电源模块101为所述交流电网供电；第二条功率流为：所述高压电池组HV Bat通过所述原边模块105、变压器模块106、副边低压模块108及升降压模块109为所述低压电池组LV Bat充电。
图7c为本实施例提供的汽车能量管理系统在并网逆变模式3下的功率流的示意图。如图7c所示，在所述并网逆变模式3下，所述汽车静止，所述电源模块101连接交流电网，所述第一继电器rly11、rly12闭合，所述第二继电器rly21、rly22闭合，所述第三继电器rly3闭合，所述第四继电器rly4断开。此时，所述汽车能量管理系统具有三条功率流。第一条功率流为：所述高压电池组HV Bat通过所述电机控制器模块103、电机模块102及电源模块101为所述交流电网供电；第二条功率流为：所述高压电池组HV Bat通过所述原边模块105、变压器模块106、副边低压模块108及升降压模块109为所述低压电池组LV Bat充电；第三条功率流为：所述高压电池组HV Bat通过所述副边高压模块107、变压器模块106、副边低压模块108及升降压模块109为所述低压电池组LV Bat充电。
在所述并网逆变模式1中，所述副边高压模块107、变压器模块106、原边模块105构成反向CLLLC谐振拓扑，并将输出电压控制为恒定电压，所述电机控制器模块103、电机模块102和辅助变换模块104构成三相交错并联H桥逆变器，输出220V交流电，为隔离式并网逆变。在所述并网逆变模式2及并网逆变模式3中，所述电机控制器模块103和所述电机模块102可实现逆变功能，通过所述电源模块101输出220V交流电，在第二条功率流及第三条功率流中均是构成的LLC谐振拓扑，为非隔离式并网逆变。
当电动汽车准备进入行驶状态或者充电状态或者放电状态时，所述第一母线电容C1及所述第二母线电容C2均需要预充电，所述汽车能量管理系统在预充电模式下为所述第一母线电容C1及所述第二母线电容C2预充电。
图8为本实施例提供的汽车能量管理系统在预充电模式下的功率流的示意图。如图8所示，在所述预充电模式下，所述汽车静止，所述第一继电器rly11、rly12、所述第二继电器rly21、rly22、所述第三继电器rly3及所述第四继电器rly4均断开。此时，所述汽车能量管理系统具有三条功率流。第一条功率流为：所述低压电池组LV Bat通过所述升降压模块109、副边低压模块108、变压器模块106、原边模块105及辅助变换模块104为所述第一母线电容C1预充电；第二条功率流为：所述低压电池组LV Bat通过所述升降压模块109、副边低压模块108、变压器模块106及所述副边高压模块107为所述第二母线电容C2预充电。
在所述预充电模式下，所述升降压模块109、副边低压模块108、变压器模块106和原边模块105构成了反向LC串联谐振拓扑；所述升降压模块109、副边低压模块108、变压器模块106和副边高压模块107构成了反向LC串联谐振拓扑。
请参阅图1，所述汽车能量管理系统还包括控制模块110，用于为所述汽车能量管理系统中的各个功率开关管及继电器提供控制信号，以切换所述汽车能量管理系统的模式。具体而言，所述控制模块110包含了：继电器驱动控制，用于控制所述第一继电器rly11、rly12、所述第二继电器rly21、rly22、第三继电器rly3断开及第四继电器rly4的开闭状态；电机控制器模块驱动控制，用于控制所述电机控制器模块103中的功率开关管，进而控制电机模块102中的电机；辅助变换模块驱动控制，用于控制所述辅助变换模块104中的功率开关管；原边模块驱动控制，用于控制所述原边模块105中的功率开关管；副边高压模块驱动控制，用于控制所述副边高压模块107中的功率开关管；副边低压模块驱动控制，用于控制所述副边低压模块108中的功率开关管；升降压模块驱动控制，用于控制所述升降压模块109中的功率开关管。
进一步地，通过所述控制模块110可以实现三相交错并联正向PFC控制或倍频调制控制、三相交错并联逆变INV控制或倍频调制控制、正向CLLLC谐振拓扑变频、变占空比及移相混合控制、反向CLLLC谐振拓扑变频、变占空比及移相混合控制、低压电池充电的LLC谐振拓扑变频、变占空比及移相控制、低压电池充电的LLC谐振拓扑变频、变占空比及移相控制、母线电容预充电的反向LC串联谐振拓扑变频、变占空比及移相控制、母线电容预充电的反向LC串联谐振拓扑变频、变占空比及移相控制等。
综上，在本实施例提供的汽车能量管理系统中，原边模块、副边高压模块及副边低压模块的交流侧分别连接变压器模块的原边、副边高压侧和副边低压侧，将电机模块、电机控制器模块及辅助变换模块依次连接后连接至原边模块的直流侧，电源模块的两端分别连接电机模块及辅助变换模块的交流侧，通过电机模块、电机控制器模块及辅助变换模块可共同实现交直流转换，将电机和电机控制器进行复用，替代传统充电机里的功率因数校正环节，并且，高压电池组分别通过第一继电器组及第二继电器组连接副边高压模块的直流侧及电机控制器的直流侧，低压电池组连接副边低压模块的直流侧，通过控制第一继电器组及第二继电器组的继电器的开闭状态即可控制汽车能量管理系统的工作模式，以灵活实现整车能量管理。本发明实现了电机、电机驱动器、充电机和高压DCDC的电气集成，降低了成本并减小了系统的体积。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (22)

1.一种汽车能量管理系统，其特征在于，包括电源模块、电机模块、电机控制器模块、辅助变换模块、原边模块、变压器模块、副边高压模块、副边低压模块、高压电池组及低压电池组；
其中，所述原边模块、副边高压模块及副边低压模块的交流侧分别连接所述变压器模块的原边、副边高压侧和副边低压侧；
所述电机模块、电机控制器模块及辅助变换模块依次连接后连接至所述原边模块的直流侧，所述电源模块的两端分别连接所述电机模块及所述辅助变换模块的交流侧，所述电机模块、电机控制器模块及辅助变换模块共同实现交直流转换；
所述高压电池组分别通过第一继电器组及第二继电器组连接所述副边高压模块及所述电机控制器的直流侧，所述低压电池组连接所述副边低压模块的直流侧；以及，
通过控制所述第一继电器组及所述第二继电器组的继电器的开闭状态控制所述汽车能量管理系统的工作模式。
2.如权利要求1所述的汽车能量管理系统，其特征在于，所述工作模式包括驱动模式、交流充电模式、直流充电模式、负载供电模式、充供电并行模式、放电模式及并网逆变模式。
3.如权利要求2所述的汽车能量管理系统，其特征在于，在所述驱动模式下，所述第二继电器组中的继电器闭合；
所述高压电池组通过所述电机控制器模块驱动所述电机模块，以驱动汽车运动；以及，
所述高压电池组通过所述原边模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
4.如权利要求3所述的汽车能量管理系统，其特征在于，在所述驱动模式下，所述第一继电器组中的继电器闭合；以及，
所述高压电池组通过所述副边高压模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
5.如权利要求2所述的汽车能量管理系统，其特征在于，在所述交流充电模式下，所述电源模块连接交流电网，所述第一继电器组中的继电器闭合，所述第二继电器组中的继电器断开；
所述电源模块通过所述电机模块、电机控制器模块、辅助变换模块、原边模块、变压器模块及副边高压模块为所述高压电池组充电；以及，
所述电源模块通过所述电机模块、电机控制器模块、辅助变换模块、原边模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
6.如权利要求2所述的汽车能量管理系统，其特征在于，在所述直流充电模式下，所述电源模块连接直流充电桩，所述第二继电器组中的继电器闭合；
所述电源模块通过所述电机模块及所述电机控制器模块为所述高压电池组充电；以及，
所述电源模块通过所述电机模块、电机控制器模块、辅助变换模块、原边模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
7.如权利要求2所述的汽车能量管理系统，其特征在于，在所述直流充电模式下，所述第一继电器组中的继电器闭合；
所述高压电池组通过所述副边高压模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
8.如权利要求2所述的汽车能量管理系统，其特征在于，所述电机控制器模块与所述第二继电器组之间连接有第一高压负载和/或所述副边高压模块与所述第一继电器组之间连接有第二高压负载，在所述负载供电模式下，所述电源模块连接交流电网，所述第一继电器组及所述第二继电器组中的继电器均断开；以及，
所述电源模块通过所述电机模块及所述电机控制器模块为所述第一高压负载供电，和/或所述电源模块通过所述电机模块、电机控制器模块、辅助变换模块、原边模块、变压器模块及副边高压模块为所述第二高压负载供电；以及，
所述电源模块通过所述电机模块、电机控制器模块、辅助变换模块、原边模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
9.如权利要求2所述的汽车能量管理系统，其特征在于，所述电机控制器模块与所述第二继电器组之间连接有第一高压负载和/或所述副边高压模块与所述第一继电器组之间连接有第二高压负载，在所述充供电并行模式下，所述电源模块连接交流电网，所述第一继电器组中的继电器闭合，所述第二继电器组中的继电器断开；
所述电源模块通过所述电机模块及所述电机控制器模块为所述第一高压负载供电；和/或所述电源模块通过所述电机模块、电机控制器模块、辅助变换模块、原边模块、变压器模块及副边高压模块为所述第二高压负载供电，并同时为所述高压电池组充电；以及，
所述电源模块通过所述电机模块、电机控制器模块、辅助变换模块、原边模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
10.如权利要求2所述的汽车能量管理系统，其特征在于，在所述放电模式下，所述电源模块连接交流负载，所述第一继电器组中的继电器闭合，所述第二继电器组中的继电器断开；
所述高压电池组通过所述副边高压模块、变压器模块、原边模块、辅助变换模块、电机控制器模块、电机模块及电源模块为所述交流负载供电；以及，
所述高压电池组通过所述副边高压模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
11.如权利要求2所述的汽车能量管理系统，其特征在于，在所述放电模式下，所述电源模块连接交流负载，所述第二继电器组中的继电器闭合；
所述高压电池组通过所述电机控制器模块、电机模块及电源模块为所述交流负载供电；以及，
所述高压电池组通过所述原边模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
12.如权利要求11所述的汽车能量管理系统，其特征在于，在所述放电模式下，所述第一继电器组中的继电器闭合；
所述高压电池组通过所述副边高压模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
13.如权利要求2所述的汽车能量管理系统，其特征在于，在所述并网逆变模式下，所述电源模块连接交流电网，所述第一继电器组中的继电器闭合，所述第二继电器组中的继电器断开；
所述高压电池组通过所述副边高压模块、变压器模块、原边模块、辅助变换模块、电机控制器模块、电机模块及电源模块为所述交流电网供电；以及，
所述高压电池组通过所述副边高压模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
14.如权利要求2所述的汽车能量管理系统，其特征在于，在所述并网逆变模式下，所述电源模块连接交流电网，所述第二继电器组中的继电器闭合；
所述高压电池组通过所述电机控制器模块、电机模块及电源模块为所述交流电网供电；以及，
所述高压电池组通过所述原边模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
15.如权利要求14所述的汽车能量管理系统，其特征在于，在所述并网逆变模式下，所述第一继电器组中的继电器闭合；
所述高压电池组通过所述副边高压模块、变压器模块及副边低压模块为所述低压电池组充电。
16.如权利要求2所述的汽车能量管理系统，其特征在于，所述电机控制器模块的直流侧连接有第一母线电容，所述电源模块与所述电机模块之间还连接有第三继电器，所述第三继电器上并联有第一预充电电阻；以及，
所述副边高压模块的直流侧连接有第二母线电容，所述第二继电器组的任一继电器上并联有第四继电器，所述第四继电器串联有第二预充电电阻。
17.如权利要求16所述的汽车能量管理系统，其特征在于，在所述驱动模式下，所述第三继电器断开或闭合，所述第四继电器断开；在所述交流充电模式、直流充电模式、负载供电模式、充供电并行模式、放电模式及并网逆变模式下，所述第三继电器闭合，所述第四继电器断开。
18.如权利要求16所述的汽车能量管理系统，其特征在于，所述工作模式还包括预充电模式，用于为所述第一母线电容及所述第二母线电容预充电。
19.如权利要求18所述的汽车能量管理系统，其特征在于，在所述预充电模式下，所述第一继电器组和所述第二继电器组中的继电器、所述第三继电器及所述第四继电器均断开；
所述低压电池组通过所述副边低压模块、变压器模块及原边模块为所述第一母线电容预充电；以及，
所述低压电池组通过所述副边低压模块、变压器模块及所述副边高压模块为所述第二母线电容预充电。
20.如权利要求1～19中任一项所述的汽车能量管理系统，其特征在于，所述第一继电器组及所述第二继电器组均具有两个继电器，所述高压电池组的正极和负极分别通过所述第一继电器组的两个继电器连接所述副边高压模块的直流侧，所述高压电池组的正极和负极分别通过所述第二继电器组的两个继电器连接所述电机控制器的交流侧。
21.如权利要求1～19中任一项所述的汽车能量管理系统，其特征在于，所述辅助变换模块包括两个串联的功率开关管，所述电源模块的一端连接两个所述功率开关管之间的节点。
22.如权利要求1～19中任一项所述的汽车能量管理系统，其特征在于，还包括升降压模块，所述升降压模块连接在所述副边低压模块与所述低压电池组之间。
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