CN115230507A - 同时实现双绕组电机控制及obc充电的复用拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同时实现双绕组电机控制及车载充电器充电的复用拓扑结构。通过对特定继电器闭合断开的状态进行控制，实现双绕组电机控制拓扑和车载充电器充电拓扑之间的双向切换。在双绕组电机控制模式下，拓扑结构分为电池模块、双绕组电机功率控制模块1、双绕组电机功率控制模块2、双绕组电机绕组模块1、双绕组电机绕组模块2；在车载充电器充电模式下，拓扑结构分为市电模块、PFC逆变电路模块、逆变模块、隔离变压器模块、整流模块、电池模块。本发明极大程度上复用一套硬件设备的同时实现了双绕组电机控制及车载充电器充电的功能需求，在节省设备空间，提升车载充电效率的同时具有十分可观的成本优势。

Description

同时实现双绕组电机控制及OBC充电的复用拓扑结构
技术领域
本发明属于电机控制及车载充电装置领域，尤其涉及一种同时实现双绕组电机控制及车载充电器（OBC，On Board Charger）充电的复用拓扑结构。
背景技术
近年来世界各国不断推进清洁能源和绿色交通的发展，以应对日益恶化的能源危机和环境污染问题。汽车工业面临转型，电动汽车逐渐成为现代汽车发展中的一个重要方向，许多国家也都在积极推广电动汽车的普及。在转型过渡期间，如何有效地为电动汽车充电是解决用户里程焦虑的一个关键问题。
现如今电动汽车充电主要包括充电桩充电和车载充电器两种形式，充电桩的建设目前还不够完善，车载充电器具有便携充电的优点，可以作为充电桩大规模实现之前的一种过渡状态。
由于电动汽车空间限制和出于成本的考虑，目前车内配备的车载充电器的实际充电效率并不高，在现有的技术当中，众多的科研人员也对车载充电器优化做了许多探索并取得了一定的成果，但依然具有较大的提升空间。
基于此，针对上述论述，期望获得一种新型的车载充电器替代方案，能够有效解决电动汽车空间限制，降低整体硬件成本并尽可能地提升充电效率。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种同时实现双绕组电机控制和车载充电器充电的复用拓扑结构。本发明极大程度上复用一套硬件设备，同时实现了双绕组电机控制及车载充电器充电的功能需求，在节省设备空间的同时具有十分可观的成本优势。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种同时实现双绕组电机控制及车载充电器充电的复用拓扑结构，包括：
在双绕组电机控制模式下，所述复用拓扑结构分为电池模块、双绕组电机功率控制模块1、双绕组电机功率控制模块2、双绕组电机绕组模块1、双绕组电机绕组模块2。
所述电池模块中，电池BAT的正负极均分别引出两路。正极HV+一路通过第一开关K1连接到双绕组电机功率控制模块1中第一电容C1的上端，并引出连接点1与双绕组电机功率控制模块2的第六开关K6连接；正极HV+另外一路直接连接到双绕组电机功率控制模块2中第二电容C2的上端。负极HV-一路通过第二开关K2连接到双绕组电机功率控制模块1中第一电容C1的下端，并引出连接点2与双绕组电机功率控制模块2的第十开关K10连接，负极HV-另外一路直接连接到双绕组电机功率控制模块2中第二电容C2的下端。
所述双绕组电机功率控制模块1中，第一电容C1的上下端与三相逆变电路桥臂的上下端连接。各相桥臂的基本组块由功率开关管和续流二极管连接构成。基本组块UT1作为U相上桥臂，基本组块UB1作为U相下桥臂，两组块相互连接；U相桥臂中点与双绕组电机绕组模块1其中一相绕组La1连接。基本组块VT1作为V相上桥臂，基本组块VB1作为V相下桥臂，两组块相互连接，V相桥臂中点与双绕组电机绕组模块1其中一相绕组Lb1连接。基本组块WT1作为W相上桥臂，基本组块WB1作为W相下桥臂，两组块相互连接，W相桥臂中点与双绕组电机绕组模块1其中一相绕组Lc1连接。
所述双绕组电机绕组模块1中，三相绕组La1、Lb1、Lc1采用星型连接的方式进行连接，绕组La1与星型中点连接的链路中配置双刀双掷开关（K3、K4），其中第三开关K3控制绕组La1与星型中点的连接，第四开关K4控制绕组La1与连接点N的连接，连接点N与市电模块AC的N端连接。其中，双绕组电机绕组模块1的三相绕组La1、Lb1、Lc1电气阻感特性相同。通过控制第四开关K4、第七开关K7断开，屏蔽市电模块的输入。
所述双绕组电机功率控制模块2中，第二电容C2的上下端与三相逆变电路桥臂的上下端连接。各相桥臂的基本组块由功率开关管和续流二极管连接构成。基本组块UT2作为U相上桥臂，基本组块UB2作为U相下桥臂，两组块相互连接；U相桥臂上端配置双刀双掷开关（K5、K6），其中第五开关K5控制U相上桥臂UT2上端与第二电容C2上端的连接，第六开关K6控制U相上桥臂UT2上端与连接点1的连接；U相桥臂下端配置双刀双掷开关（K9、K10），其中第九开关K9控制U相下桥臂UB2下端与第二电容C2下端的连接，第十开关K10控制U相下桥臂UB2下端与连接点2的连接；U相桥臂中点与双绕组电机绕组模块2其中一相绕组La2连接，链路配置双刀双掷开关（K7、K8），其中第七开关K7控制U相桥臂中点与连接点L的连接，连接点L与市电模块AC的L端连接，第八开关K8控制U相桥臂中点与双绕组电机绕组模块2中一相绕组La2的连接。基本组块VT2作为V相上桥臂，基本组块VB2作为V相下桥臂，两组块相互连接，V相桥臂中点与双绕组电机绕组模块2其中一相绕组Lb2连接。基本组块WT2作为W相上桥臂，基本组块WB2作为W相下桥臂，两组块相互连接，W相桥臂中点与双绕组电机绕组模块2其中一相绕组Lc2连接。
所述双绕组电机绕组模块2中，三相绕组La2、Lb2、Lc2采用星型连接的方式进行连接。其中，双绕组电机绕组模块2的三相绕组La2、Lb2、Lc2电气阻感特性相同。双绕组电机绕组模块1中三相绕组与双绕组电机绕组模块2中三相绕组的匝数不同，用于控制切换为车载充电器充电模式下隔离变压器模块原边和副边的匝数比，实现隔离变压器模块的升压功能。
在车载充电器充电模式下，所述复用拓扑结构分为市电模块、PFC逆变电路模块、逆变模块、隔离变压器模块、整流模块、电池模块。
所述市电模块中，N端通过第四开关K4与PFC逆变电路模块中的绕组La1连接，L端通过第七开关K7与PFC逆变电路模块中的第二桥臂中点连接。连接点L与市电模块AC的L端连接；连接点N与市电模块AC的N端连接。
所述PFC逆变电路模块中，复用双绕组电机控制模式下双绕组电机绕组模块1中的绕组La1和双绕组电机绕组模块2中的绕组La2，分别通过控制第三开关、第八开关断开，将其从星型连接方式下分离。双绕组电机绕组模块1中的绕组La1作为阻感元件；还包括双绕组电机功率控制模块1中的U相上下桥臂UT1和UB1、双绕组电机功率控制模块2中的U相上下桥臂UT2和UB2，以及双绕组电机功率控制模块1中的第一电容C1；两相（双绕组电机功率控制模块1中的U相、双绕组电机功率控制模块2中的U相）桥臂上下端均与第一电容C1上下端连接。
所述逆变模块中，复用双绕组电机控制模式下，包括双绕组电机功率控制模块1中的V相上下桥臂VT1和VB1，以及W相上下桥臂WT1和WB1。
所述隔离变压器模块中，复用双绕组电机控制模式下，包括双绕组电机绕组模块1中的绕组Lb1和绕组Lc1，以及双绕组电机绕组模块2中的绕组Lb2和绕组Lc2；两相绕组Lb1、Lc1串接后构成变压器的原边，两相绕组Lb2、Lc2串接后构成变压器的副边。其中，合理配置绕组匝数，实现隔离变压器模块的升压需求；具体地，双绕组电机绕组模块1中三相绕组与双绕组电机绕组模块2中三相绕组的匝数不同，用于控制切换为车载充电器充电模式下隔离变压器模块原边和副边的匝数比，实现隔离变压器模块的升压功能。
所述整流模块中，复用双绕组电机控制模式下，包括双绕组电机功率控制模块2中的V相上下桥臂VT2和VB2、W相上下桥臂WT2和WB2，以及双绕组电机功率控制模块2中的第二电容C2；两相（双绕组电机功率控制模块2中的V相、W相）桥臂上下端与第二电容C2上下端连接。
所述电池模块中，复用双绕组电机控制模式下的电池，其正负极与第二电容C2上下端连接。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明所述的拓扑结构极大程度上复用一套硬件设备，同时实现了双绕组电机的控制以及车载充电器的充电功能，从而有效的节省了整体的布局空间；
（2）本发明所述的拓扑结构通过复用硬件器件，少量添加继电器开关，同时实现电机控制和电池充电需求，整体上极大地压缩了成本支出；
（3）相比于市面一般使用的车载充电器，本发明拓扑结构下的充电效率更高。
附图说明
图1是双绕组电机控制模式下的拓扑结构图；
图2是车载充电器充电模式下的拓扑结构图；
图3是两模式切换的继电器控制操作条件示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明一种同时实现双绕组电机控制及车载充电器充电的复用拓扑结构，包括：
如图1所示，在双绕组电机控制模式下，所述复用拓扑结构包括电池模块、双绕组电机功率控制模块1、双绕组电机绕组模块1、双绕组电机功率控制模块2、双绕组电机绕组模块2。电池模块分别同时通过双绕组电机功率控制模块1和双绕组电机功率控制模块2，驱动控制双绕组电机绕组模块1和双绕组电机绕组模块2。
电池模块：电池BAT的正负极均分别引出两路。正极HV+一路通过第一继电器K1连接到双绕组电机功率控制模块1中第一电容C1的上端，并引出连接点1与双绕组电机功率控制模块2的第六继电器K6连接；正极HV+另外一路直接连接到双绕组电机功率控制模块2中第二电容C2的上端。负极HV-一路通过第二继电器K2连接到双绕组电机功率控制模块1中第一电容C1的下端，并引出连接点2与双绕组电机功率控制模块2的第十继电器K10连接，负极HV-另外一路直接连接到双绕组电机功率控制模块2中第二电容C2的下端。在双绕组电机控制模式下，控制第一继电器K1、第二继电器K2闭合，电池正负极分别接通连接点1、连接点2，为三相逆变电路提供直流电压。
双绕组电机功率控制模块1：由第一电容C1和三相桥臂组成，各相分为上下两个桥臂，每个桥臂由功率开关管和续流二极管连接而成，6个桥臂分别对应UT1和UB1、VT1和VB1、WT1和WB1，三相桥臂的中点分别对应连接到双绕组电机绕组模块1的三相绕组La1、Lb1、Lc1；通过控制各桥臂功率管门极信号，双绕组电机功率控制模块1输出PWM（PulseWidthModulation，脉冲宽度调制）波，驱动双绕组电机绕组模块1。
双绕组电机绕组模块1：由三相对称绕组La1、Lb1、Lc1星型连接组成；绕组La1与星型中点连接的链路中配置双刀双掷开关（K3、K4），其中第三继电器K3控制绕组La1与星型中点的连接，第四继电器K4控制绕组La1与连接点N的连接。其中，第四继电器K4断开，第三继电器K3闭合，保证双绕组电机绕组模块1在电机驱动模式下运行；通过控制第四继电器K4、第七继电器K7断开，屏蔽掉市电模块的输入。双绕组电机绕组模块1的三相绕组La1、Lb1、Lc1电气阻感特性相同。
双绕组电机功率控制模块2：此时，第五继电器K5闭合，第六继电器K6断开，第七继电器K7断开，第八继电器K8闭合，第九继电器K9闭合，第十继电器K10断开。在此继电器状态下，双绕组电机功率控制模块2由第二电容C2和三相桥臂组成，各相分为上下两个桥臂，每个桥臂由功率开关管和续流二极管连接而成，6个桥臂分别对应UT2和UB2、VT2和VB2、WT2和WB2。三相桥臂的中点分别对应连接到双绕组电机绕组模块2的三相绕组La2、Lb2、Lc2；通过控制各桥臂功率管门极信号，双绕组电机功率控制模块2输出PWM波，驱动双绕组电机绕组模块2。
双绕组电机绕组模块2：由三相对称绕组La2、Lb2、Lc2星型连接组成，受双绕组电机绕组模块2发出的PWM驱动控制。其中，双绕组电机绕组模块2的三相绕组La2、Lb2、Lc2电气阻感特性相同。
如图2所示，在车载充电器充电模式下，所述复用拓扑结构包括市电模块、PFC逆变电路模块、逆变模块、隔离变压器模块、整流模块、电池模块。
市电模块：N端通过第四继电器K4与PFC逆变电路模块中的绕组La1连接，L端通过第七继电器K7与PFC逆变电路模块中的第二桥臂中点连接。在车载充电器充电模式下，控制第四继电器K4、第七继电器K7闭合，控制第三继电器K3、第八继电器K8断开，市电N端接通连接点N，市电L端接通连接点L，实现向PFC逆变电路的功率传输。
PFC逆变电路模块：通过控制第三继电器K3、第八继电器K8断开，将双绕组电机绕组模块1的一相绕组La1和双绕组电机绕组模块2的绕组La2，从星型连接方式下分离。双绕组电机绕组模块1中的绕组La1作为阻感元件；还包括双绕组电机功率控制模块1中的U相上下桥臂UT1和UB1、双绕组电机功率控制模块2中的U相上下桥臂UT2和UB2，以及双绕组电机功率控制模块1中的第一电容C1。控制第六继电器K6、第十继电器K10闭合，控制第五继电器K5、第九继电器K9断开，从而使双绕组电机功率控制模块2的U相上下桥臂分别接通连接点1和连接点2。此时由UT1和UB1、UT2和UB2共同构成两相桥臂，两相桥臂上下两端共同并接第一电容C1，共同实现PFC（Power Factor Correction，功率因数校正）的逆变升压。
逆变模块：由双绕组电机功率控制模块1中的V相上下桥臂VT1、VB1，和W相上下桥臂WT1、WB1，共同组成两相桥臂，通过控制各功率开关管的门极信号实现逆变功能，输出高频交变电压。
隔离变压器模块：由于第三继电器K3和第八继电器K8的断开，双绕组电机绕组模块1中的绕组Lb1和绕组Lc1自动串接构成变压器的原边，双绕组电机绕组模块2中的绕组Lb2和绕组Lc2自动串接构成变压器的副边；通过合理配置两组绕组的匝数，即可实现隔离变压器变压功能。具体地，双绕组电机绕组模块1中三相绕组与双绕组电机绕组模块2中三相绕组的匝数不同，用于控制切换为车载充电器充电模式下隔离变压器模块原边和副边的匝数比，实现隔离变压器模块的升压功能。
整流模块：由双绕组电机功率控制模块2中的V相上下桥臂VT2、VB2，和W相上下桥臂WT2、WB2共同组成两相桥臂，两相桥臂上下两端分别与第二电容C2两端连接，通过控制各功率开关管的门极信号实现整流功能，输出直流充电电压为电池充电。
电池模块：电池正负极与第二电容C2上下端连接。此时控制第一继电器K1、第二继电器K2断开，电池在结构上只与整流模块连接，接受整流模块输出的电功率进行充电。
如图3所示，基于上述复用拓扑结构，断开K1、K2、K3、K5、K8、K9，闭合K4、K6、K7、K10可切换至车载充电器充电模式，闭合K1、K2、K3、K5、K8、K9，断开K4、K6、K7、K10可切换至双绕组电机控制模式。
本发明复用拓扑结构中所涉及的所有继电器开关可以替换为任意具有开关属性的器件。
本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施方式相同或近似的方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均在本发明专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同时实现双绕组电机控制及车载充电器充电的复用拓扑结构，其特征在于：
双绕组电机控制模式下，所述复用拓扑结构包括电池模块、第一双绕组电机功率控制模块、第一双绕组电机绕组模块、第二双绕组电机功率控制模块、第二双绕组电机绕组模块；通过对开关器件的控制操作，实现电池模块同时向第一双绕组电机功率控制模块和第二双绕组电机功率控制模块的直流驱动，进而实现第一双绕组电机功率控制模块和第二双绕组电机功率控制模块分别同时PWM驱动第一双绕组电机绕组模块和第二双绕组电机绕组模块的功能；
车载充电器充电模式下，所述复用拓扑结构包括市电模块、PFC逆变电路模块、逆变模块、隔离变压器模块、整流模块、电池模块；通过对开关器件的控制，第一双绕组电机功率控制模块的V相上下桥臂、W相上下桥臂，构成逆变电路，实现对PFC逆变电路输出电压的逆变，第二双绕组电机功率控制模块的V相上下桥臂、W相上下桥臂构成两相桥臂，并接第二双绕组电机功率控制模块中第二电容，构成整流电路，实现对隔离变压器输出的高频交流电的整流；通过对开关器件的控制，第一双绕组电机绕组模块中两相绕组串接，共同构成隔离变压器的原边，第二双绕组电机绕组模块中两相绕组串接，共同构成隔离变压器的副边，通过配置两组三相绕组的导线匝数，实现隔离变压器模块的升压功能。
2.如权利要求1所述同时实现双绕组电机控制及车载充电器充电的复用拓扑结构，其特征在于，通过控制第一开关、第二开关闭合，电池模块同时与第一双绕组电机功率控制模块和第二双绕组电机功率控制模块连接，实现两路的直流驱动；通过控制第四开关、第七开关断开，屏蔽掉市电模块的输入。
3.如权利要求1所述同时实现双绕组电机控制及车载充电器充电的复用拓扑结构，其特征在于，第一双绕组电机功率控制模块和第二双绕组电机功率控制模块在通过开关器件操作控制，构成三相逆变电路结构，同时在电池模块直流驱动下发出所需的PWM波。
4.如权利要求1所述同时实现双绕组电机控制及车载充电器充电的复用拓扑结构，其特征在于，通过在第二双绕组电机功率控制模块中的一相桥臂中配置第五开关、第九开关，控制两个开关闭合，实现三相逆变桥臂的并接。
5.如权利要求1所述同时实现双绕组电机控制及车载充电器充电的复用拓扑结构，其特征在于，在第一双绕组电机绕组模块中的一相绕组与星型连接中点之间，配置第三开关；在第二双绕组电机绕组模块中的一相桥臂中点和第二双绕组电机绕组模块一相绕组之间，配置第八开关，通过控制两个开关的通断，实现双绕组电机控制模式下的绕组星型连接，和车载充电器充电模式下的绕组串接构成隔离变压器原边和副边的结构切换。
6.如权利要求1所述同时实现双绕组电机控制及车载充电器充电的复用拓扑结构，其特征在于，在第一双绕组电机绕组模块中的一相绕组与星型连接中点之间，配置第四开关；在第二双绕组电机绕组模块中的一相桥臂中点和第二双绕组电机绕组模块一相绕组之间，配置第七开关；控制两个开关闭合，实现车载充电器充电模式下的市电交流功率输入。
7.如权利要求1所述同时实现双绕组电机控制及车载充电器充电的复用拓扑结构，其特征在于，在第二双绕组电机功率控制模块的一相桥臂中配置第六开关、第十开关，通过控制两个开关通断，实现第二双绕组电机功率控制模块的一相桥臂与第一双绕组电机功率控制模块中的一相桥臂、第一电容并接共同实现三相逆变桥，和PFC逆变电路桥式结构的切换。
8.如权利要求1所述同时实现双绕组电机控制及车载充电器充电的复用拓扑结构，其特征在于，通过控制相关开关器件通断，实现第一双绕组电机绕组模块中用于逆变输出的三相桥臂中的两相桥臂，和车载充电器充电模式下的逆变模块的桥式电路结构的切换；通过控制相关开关器件通断，实现第二双绕组电机绕组模块中用于逆变输出的三相桥臂中的两相桥臂，和车载充电器充电模式下的整流模块的桥式电路结构的切换。
9.如权利要求1所述同时实现双绕组电机控制及车载充电器充电的复用拓扑结构，其特征在于，在双绕组电机控制模式下：
电池模块通过控制第一开关和第二开关闭合，同时连接第一双绕组电机功率控制模块和第二双绕组电机功率控制模块三相桥臂的上下两端，以同时实现对其的直流功率传递；
第二双绕组电机功率控制模块通过控制第五开关、第九开关闭合，以及第六开关、第十开关断开，实现第二双绕组电机功率控制模块内的三相桥臂的连接；同时控制第七开关断开，以及第八开关闭合，第二双绕组电机功率控制模块三相桥臂的中点分别对应连接第二双绕组电机绕组模块的三相绕组；各桥臂由功率开关管和续流二极管连接而成，通过对各相桥臂功率开关管的门极进行控制，从而实现PWM波输出；其中，第二双绕组电机绕组模块由三相绕组星型连接组成；
第一双绕组电机绕组模块通过控制第三开关闭合，以及第四开关断开，实现第一双绕组电机绕组模块的三相绕组的星型连接。
10.如权利要求1所述同时实现双绕组电机控制及车载充电器充电的复用拓扑结构，其特征在于，在车载充电器充电模式下：
市电模块通过控制第四开关和第七开关闭合，以及第一开关和第二开关断开，将市电接入PFC逆变电路模块两端实现交流功率输入；
PFC逆变电路模块通过控制第三开关、第八开关断开，将第一双绕组电机绕组模块的一相绕组和第二双绕组电机绕组模块的一相绕组，从星型连接方式下分离；再通过控制第六开关、第十开关闭合，以及第五开关、第九开关断开，联合第一双绕组电机功率控制模块中的U相上下桥臂和第一电容，以及第二双绕组电机功率控制模块中的U相上下桥臂，共同构成PFC逆变电路，通过控制各桥臂功率开关管的门极，实现PFC功能。
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