CN118418844A - 能量转换装置和车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能量转换装置和车辆，包括：电池组；逆变单元包括Y相桥臂，每一相桥臂的第一端与第一电池包的正极连接，每一相桥臂的第二端与第二电池包的负极连接；电机，每一相桥臂的第三端与对应一套绕组的一相线圈的第一端连接，X套绕组中至少一套绕组的多相线圈的第二端共接并引出N线，X套绕组的余下套绕组的多相线圈的第二端共接，其中，桥臂的相数与线圈的相数相等，X≥2；第一开关单元，第一开关单元的第一端与N线连接，第一开关单元的第二端与第一电池包和第二电池包的中点连接。采用该能量转换装置可以充分利用电机的多套绕组满足车辆在不同状态下的功能需求，提升能量利用效率，提高系统兼容性。

Description

能量转换装置和车辆

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其是涉及一种能量转换装置和车辆。

背景技术

随着电动汽车的发展和快速普及，也面临着诸多挑战。基于锂离子的动力电池得到大量应用，由于电池的固有特性，在合适的温度下电池充电或放电，能够提高其充放电效率，延长电池使用寿命，而在低温时电池的充放电能力则会大幅降低，这将影响电动汽车在寒冷地区的实用。尤其对于电动汽车，在冬天就容易出现充电速度慢、续航缩短、空调制热不敢开等现象，“低温焦虑”已经成为影响电动汽车市场化进程中的用户体验痛点，因此如何提升锂离子低温下的使用性能是急需要解决的关键问题之一。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种能量转换装置，采用该能量转换装置可以充分利用电机的多套绕组满足车辆在不同状态下的功能需求，提升能量利用效率，提高系统兼容性。

本发明的目的之二在于提出一种车辆。

为了解决上述问题，本发明第一方面实施例提供一种能量转换装置，包括：电池组，所述电池组包括两个串联连接的第一电池包和第二电池包；逆变单元，所述逆变单元包括Y相桥臂，每一相桥臂包括上桥臂和下桥臂，每一相桥臂的第一端与所述第一电池包的正极连接，每一相桥臂的第二端与所述第二电池包的负极连接；电机，所述电机包括X套绕组，每一相桥臂的第三端与对应一套绕组的一相线圈的第一端连接，所述X套绕组中至少一套绕组的多相线圈的第二端共接并引出N线，所述X套绕组的余下套绕组的多相线圈的第二端共接，其中，桥臂的相数与线圈的相数相等，X≥2；第一开关单元，所述第一开关单元的第一端与所述N线连接，所述第一开关单元的第二端与所述第一电池包和所述第二电池包的中点连接。

根据本发明实施例的能量转换装置，在第一开关单元导通时，通过调整逆变单元中每相桥臂对应的占空比来控制电机输出能量，从而基于电机设置多套绕组的方式，既可以利用电机产生的能量，促使电池组内的第一电池包、第二电池包交替充电、放电产生热量，达到在电池组内部进行自加热的效果，又同时可以利用电机产生的能量，满足车辆在不同状态如驱动、充电或放电等状态下的功能需求，由此在解决电池低温环境无法使用的问题下，最大限度地提升能量利用效率，提高系统兼容性。

为了解决上述问题，本发明第二方面实施例提供一种车辆，包括上述实施例所述的能量转换装置。

根据本发明实施例的车辆，通过采用上述实施例的能量转换装置，可以充分利用电机的多套绕组满足车辆在不同状态下的功能需求，提升能量利用效率，提高系统兼容性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的能量转换装置的电路示意图；

图2是根据本发明一个实施例的扭矩曲线图；

图3是根据本发明另一个实施例的能量转换装置采用六相电机的电路连接图；

图4是根据本发明一个实施例的能量转换装置的控制示意图；

图5是根据本发明一个实施例的车辆的结构框图。

附图标记：

车辆100；能量转换装置10；

电池组11；电机1；逆变单元2；第一开关单元3。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本发明的实施例。

锂离子电池对低温比较敏感，低温下锂离子的内阻急剧升高，可放电容量、充放电性能大大受限，导致电动汽车在低温环境下动力性能不足，续驶里程大幅缩短，而且电池在低于-20℃时几乎无法对其进行充电，若强行充电，容易引发内部短路，造成安全隐患。

相关技术中，对于锂离子电池的低温使用问题，可利用电池充、放电自行加热，来提高自加热安全和效率，具体地，电池的交流电自加热回路由第1蓄电装置、第2蓄电装置、功率电子开关、电机控制器、电机组成。所述电机中性点通过所述功率电子开关与第1和第2蓄电装置之间的等势点电力连接，功率电子开关串联在所述电机中性点和所述等势点之间，但是，该方案中的功率电子开关受自加热控制系统控制，其只有在停车低温环境下动力电池需要自加热时才闭合，其他时候都断开，也就是说，上述方案仅适用于在停车状态下实现自加热，而不能在直流充电过程中自加热、行车过程中实现自加热，实现功能太单一，适应环境范围窄，系统器件利用率低，系统集成度低，不能最大限度的提升系统效率和电池性能。

为了解决上述问题，本发明第一方面实施例提出一种能量转换装置，采用该能量转换装置可以充分利用电机的多套绕组满足车辆在不同状态下的功能需求，提升能量利用效率，提高系统兼容性。

下面参考图1描述本发明实施例的能量转换装置，如图1所示，能量转换装置10包括电池组11、电机1、逆变单元2和第一开关单元3。

其中，电池组11包括两个串联连接的第一电池包E1和第二电池包E2，电机1包括X套绕组；第一开关单元3的第一端与第一电池包E1连接；逆变单元2包括Y相桥臂，每一相桥臂包括上桥臂和下桥臂，每一相桥臂的第一端与第一电池包E1的正极连接，每一相桥臂的第二端与第二电池包E2的负极连接；电机1包括X套绕组，每一相桥臂的第三端与对应一套绕组的一相线圈的第一端连接，X套绕组中至少一套绕组的多相线圈的第二端共接并引出N线，X套绕组的余下套绕组的多相线圈的第二端共接，其中，桥臂的相数与线圈的相数相等，X≥2；第一开关单元3的第一端与N线连接，第一开关单元3的第二端与第一电池包E1和第二电池包E2的中点连接。

具体地，基于上述连接设置方式，通过控制第一开关单元3的开关状态来导通或关闭以第一电池包E1或第二电池包E2、逆变单元2、电机1所形成的自加热回路。也就是说，在控制第一开关单元3的开关状态为闭合状态时，即可导通自加热回路，进而，通过调整逆变单元2中每相桥臂的占空比，以控制每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，从而驱动电机1运转，进而基于电机1设置多套绕组的方式，利用电机产生的能量，既可以使得第一电池包E1和第二电池包E2之间相互充电、放电，充电、放电的过程中电流流过电池内阻发热，以在电池组11内部进行自加热，实现电池快速升温，解决低温下电池组充放电能力降低的问题，提高电池组11的使用寿命，又可以同时满足车辆在不同状态如驱动、充电或放电等状态下的功能需求，由此在解决电池低温环境无法使用的问题下，最大限度地提升能量利用效率，提高系统兼容性。

其中，电机1可以为永磁同步电机或者异步电机，电机1中线圈的相数可以是三相、双三相、五相、六相、九相等，对此不作限制。在实施例中，参考图1所示，电机1包括X套绕组，其中，X≥2，且X为整数，第X套绕组的相数为m_X相，第X套绕组中的每一相绕组包括n_X个线圈支路，每一相绕组的n_X个线圈支路的第一端共接形成一个相端点，第X套绕组中的每一相绕组的n_X个线圈支路中的一个线圈支路的第二端还分别与其他相绕组中的n_x个线圈支路中的一个线圈支路的第二端连接以形成n_X个连接点，其中，n_X≥1，m_X≥2，且n_X、m_X为整数。基于此，X套绕组共形成个连接点，个连接点形成T个中性点，T个中性点引出x条中性线，其中，T的取值范围为≥1，x的取值范围为T≥x≥1，且T、x均为整数；

以及，逆变单元包括Y组P_N路桥臂，一组P_N路桥臂中至少一路桥臂的中点与X套绕组中的一相端点连接，任意两个相端点连接的桥臂不相同，其中，P_N≥m_X，Y≥X，且Y、P_N均为整数。

其中，可以理解的是，在车辆处于整车下电状态，即车辆不充电、未行车、系统断电的情况下，能量转换装置10中所有开关的开关状态均为断开状态，由此既可以减少电能损耗，也可以有效避免触电危险，提高用车安全。

根据本发明实施例的能量转换装置10，在第一开关单元导通时，通过调整逆变单元中每相桥臂对应的占空比来控制电机输出能量，从而基于电机设置多套绕组的方式，既可以利用电机产生的能量，促使电池组内的第一电池包、第二电池包交替充电、放电产生热量，达到在电池组内部进行自加热的效果，又同时可以利用电机产生的能量，满足车辆在不同状态如驱动、充电或放电等状态下的功能需求，由此在解决电池低温环境无法使用的问题下，最大限度地提升能量利用效率，提高系统兼容性。。

在一些实施例中，如图1所示，电机1包括2套绕组，每一套绕组包括2个对极，每一个对极包括三个线圈支路；其中，在同一套绕组中，2个对极的三个线圈支路中同相的线圈支路的第一端共接，并与对应的桥臂的中点连接；每一个对极的三个线圈支路的第二端共接形成一个中性点，2套绕组的所有中性点共接并引出N线。

具体地，参考图1所示为采用六相电机的电路连接示意图，电池组11的两个电池包即第一电池包E1和第二电池包E2先串联，后通过开关K1、开关K2连接在逆变单元2的直流母线上；逆变单元2包括六相桥臂，其分别为：A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂、U相桥臂、V相桥臂、W相桥臂；电机1的其中一套绕组的其中一个对极的三个线圈支路分别为：A1相线圈支路、B1相线圈支路和C1相线圈支路，另一个对极的三个线圈支路分别为：A2相线圈支路、B2相线圈支路和C2相线圈支路；电机1的另一套绕组的其中一个对极的三个线圈支路分别为：U1相线圈支路、V1相线圈支路和W1相线圈支路，另一个对极的三个线圈支路分别为：U2相线圈支路、V2相线圈支路和W2相线圈支路。其中，A1相线圈支路的第一端与A2相线圈支路的第一端共接并与A相桥臂的中点连接，B1相线圈支路的第一端与B2相线圈支路的第一端共接并与B相桥臂的中点连接，C1相线圈支路的第一端与C2相线圈支路的第一端共接并与C相桥臂的中点连接，以此类推，使得每一相桥臂的中点与对应一套绕组的一相线圈的第一端完成连接；A1相线圈支路的第二端、B1相线圈支路的第二端和C1相线圈支路的第二端共接形成一个中性点n1，A2相线圈支路的第二端、B2相线圈支路的第二端和C2相线圈支路的第二端共接形成一个中性点n2，U1相线圈支路的第二端、V1相线圈支路的第二端和W1相线圈支路的第二端共接形成一个中性点n3，U2相线圈支路的第二端、V2相线圈支路的第二端和W2相线圈支路的第二端共接形成一个中性点n4，中性点n1、中性点n2、中性点n3和中性点n4共接并引出N线。电机1引出的N线连接第一开关单元3即开关K3的一端，第一开关单元3的另一端连接到第一电池包E1与第二电池包E2之间的中点即等势点，母线电容C1并联在逆变单元2的正负母线上。由此，基于上述连接设置方式，可以充分利用电机的多套绕组满足车辆在不同状态下的功能需求，提升能量利用效率，提高系统兼容性。

在一些实施例中，能量转换装置10还包括控制器，控制器与逆变单元2连接。

具体地，基于图1所示的连接方式，控制器被配置为：在第一状态下，控制第一开关单元3导通，且根据每相桥臂上的相电流值、转子电角度、D轴目标电流值和Q轴目标电流值获得每相桥臂对应的差模电压值；根据每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值、自加热电流频率获得每相桥臂对应的共模电压值；根据差模电压值和共模电压值获得每组桥臂对应的占空比；根据每相桥臂对应的占空比控制对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以实现电机驱动和电池组的自加热的协同。由此通过上述控制方式来控制电机1运转，使得车辆在行车状态下也可以实现电池的自加热，充分利用电机的多套绕组实现车辆行车与电池自加热的协同控制，提升能量利用效率，提高系统兼容性。

其中，占空比是指上桥臂导通的占空比，上桥臂的占空比和下桥臂的占空比互补，并根据功率器件特性保留一定的死区时间。具体地，将每相桥臂对应的差模电压值与每相桥臂对应的共模电压值Un做差值运算，以获得每相桥臂对应的相电压值，Y相中各相桥臂的相电压值与母线电压值和载波进行调制，以得到每相桥臂对应的PWM占空比，而通过桥臂的调制作用，得到所需要的电机各相电流值。

在一些实施例中，也可以根据Uα、Uβ采用SVPWM调制来获得每相桥臂对应的占空比。

具体地，在车辆处于行驶状态时，实时采集电机1的转矩值和电机1的转速值，以及车辆内预先标定扭矩曲线图，如图2所示，其中，横坐标为D轴电流值，纵坐标为Q轴电流值，MTPA曲线即为扭矩曲线图中的0-H-F-D-A，MTPV曲线即为扭矩曲线图中的B-E-G-I-C，基于扭矩曲线，通过查表或者查表和插值结合或者分段线性拟合的方法由电机的转矩值Te、电机的转速值ωe和母线电压值Udc获得D轴目标电流值id*和Q轴目标电流值iq*，进而按照电机的矢量控制方法对dq轴上电流矢量进行闭环控制，以进行后续每组桥臂对应的占空比的计算，完成对电池组11的自加热。因此，以母线电压值、电机的转矩值和电机的转速值相结合来获得D轴目标电流值和Q轴目标电流值，既可以在车辆处于停车状态，如用户在出行前对车辆保温或者停车等人的情况时，支持电池自加热的控制，从而解决停车状态下因电池组温度低而造成电池放电性能受限的问题，又可以在车辆处于行驶状态时，在不影响车辆正常行驶功能下，有效解决行车过程中因电池组温度低而造成电池放电性能受限的问题。

其中，需要说明的是，在车辆处于停车状态时，电机的处于未工作状态，所以电机1的转矩值和电机1的转速值为0。

在一些实施例中，车辆100还包括空调装置，以下先对电池自加热的冷却液回路进行具体说明。

在车辆中，电池系统和空调系统的冷却回路通过阀体、管道、换热板相连接，通过阀体切换，使空调系统通过换热板加热后的冷却液的流向电池；电驱系统的电机定子和电控水冷回路产生的热量通过阀体、管道，使电驱系统加热后的冷却液的流向电池；若采用油冷电机，电驱系统的电机转子油冷回路通过阀体、管道、换热板相连接，将电机转子中的热导入电池冷却液回路。低温环境下，在电池进行自加热时，需要等待电驱系统产生足够的热量，加热冷却液后再开启阀门，将电驱系统产生的热量导入电池热循环系统，避免前期自加热产生的热量被带出去。

控制器通过获取车辆的电机的转矩值和电机的转速值，以及获取空调装置的目标加热功率值，并根据母线电压值、电机的转矩值、电机的转速值和目标加热功率值，根据目标加热功率选择在电机的恒扭矩曲线上进行滑动增加或者减少查表转速，保证扭矩不变，整车动力性能不变，从而增大或者减少D轴电流值和Q轴电流值的合成电流幅值，获得D轴目标电流值和Q轴目标电流值。由此通过上述方式获得D轴目标电流值和Q轴目标电流值可增加或者减少无功功率，以充分利用电机1和逆变单元2产生的热量，既可以使得空调装置能够正常启动使用，以加热车辆的乘员舱，满足用户的温度需求，又可以用于电池自加热，从而实现车辆行车、电池自加热与低效加热的协同控制，在不影响车辆正常行驶功能下，有效解决行车过程中因电池组温度低而造成电池放电性能受限的问题。其中，目标加热功率值可理解为为达到车辆内乘客所需的温度值时所使用的加热功率值。

此外，可以理解的是，在车辆处于停车状态时，电机1处于未工作状态，此时电机1的转矩值和电机1的转速值为0，由此，以母线电压值、电机的转矩值、电机的转速值和目标加热功率值，根据目标加热功率选择在电机的恒扭矩曲线上进行滑动增加或者减少查表转速，从而增大或者减少D轴电流值和Q轴电流值的合成电流幅值，来获得D轴目标电流值和Q轴目标电流值，从而使得电驱系统产生的热量既可以用于加热电池，还可以用于加热乘员舱，实现电池自加热与低效加热的协同控制，有效解决停车状态下因电池组温度低而造成电池放电性能受限的问题。

在一些实施例中，能量转换装置10还包括控制器，控制器与逆变单元2连接。

具体地，基于图1所示的连接方式，控制器被配置为：在第二状态下，控制第一开关单元导通，且根据每相桥臂上的相电流值、转子电角度、D轴目标电流值和Q轴目标电流值获得每相桥臂对应的差模电压值；根据每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值、自加热电流频率和自加热均衡电流获得每相桥臂对应的共模电压值；根据差模电压值和共模电压值获得每组桥臂对应的占空比；根据每相桥臂对应的占空比控制对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以实现电机驱动、电池组的自加热和电池组的均衡处理的协同。由此通过上述控制方式来控制电机运转，使得车辆在行车状态下既可以实现电池的自加热，又可以达到电池组的均衡处理，充分利用电机的多套绕组实现车辆行车、电池均衡与电池自加热的协同控制，提升能量利用效率，提高系统兼容性。

在一些实施例中，能量转换装置10还包括控制器，控制器与逆变单元2连接。

具体地，基于图1所示的连接方式，控制器被配置为：在第三状态下，控制第一开关单元导通，且根据每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值、自加热电流频率和自加热均衡电流获得每相桥臂对应的共模电压值；根据共模电压值获得每组桥臂对应的占空比；根据每相桥臂对应的占空比控制对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以实现电池组的自加热和电池组的均衡处理的协同。由此通过上述控制方式来控制电机运转，使得电机产生的能量既可以实现电池的自加热，又可以达到电池组的均衡处理，由此充分利用电机的多套绕组实现电池均衡与电池自加热的协同控制，提升能量利用效率，提高系统兼容性。

在一些实施例中，能量转换装置10还包括直流充放电口和控制器。

其中，直流充放电口的正极与第一汇流端连接，直流充放电口的负极与第二汇流端连接，其中，Y相桥臂的第一端共接形成第一汇流端，Y相桥臂的第二端共接形成第二汇流端；控制器与逆变单元2连接。

具体地，基于图1所示的连接方式，控制器被配置为：在第四状态下，控制第一开关单元导通，且根据每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值和自加热电流频率获得每相桥臂对应的共模电压值；根据共模电压值获得每组桥臂对应的占空比；根据每相桥臂对应的占空比控制对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以实现直流充放电和电池组的自加热的协同。由此，通过上述直流充放电口与逆变单元2的连接设置，有效将电池组的充电或放电功能与电池组的自加热功能相结合，从而便于在车辆处于充电或放电状态下也可同时实现电池自加热，从而可以有效提高电池组的充放电能力，提高充放电效率。

在一些实施例中，车辆100还包括空调装置，在上述车辆充放电与电池自加热的协同控制的基础上，控制器还具体用于获取空调装置的目标加热功率值，并根据目标加热功率值获得D轴目标电流值和Q轴目标电流值，由此，以目标加热功率值来获得D轴目标电流值和Q轴目标电流值，从而使得电驱系统产生的热量既可以用于加热电池，还可以用于加热乘员舱，实现充放电、电池自加热与低效加热的协同控制，有效解决充放电状态下因电池组温度低而造成电池放电性能受限的问题。其中，可以理解的是，在车辆充电状态下，车辆应处于停车状态，因此，在利用扭矩曲线获得D轴目标电流值和Q轴目标电流值时，电机的转矩值和电机的转速值为0，根据目标加热功率值选择在电机的恒扭矩曲线上进行滑动增加或者减少查表转速，从而增大或者减少D轴电流值和Q轴电流值的合成电流幅值，来确定D轴目标电流值和Q轴目标电流值。

在一些实施例中，如图1或3所示，能量转换装置10还包括第四开关单元K4和第五开关单元K5。

其中，第四开关单元K4的第一端与直流充放电口的正极连接，第四开关单元K4的第二端与开关K1的第二端连接；第五开关单元K5的第一端与直流充放电口的负极连接，第五开关单元K5的第二端与开关K2的第二端连接；控制器与第四开关单元K4、第五开关单元K5连接，控制器用于控制第四开关单元K4和第五开关单元K5的开关状态。由此，通过上述第四开关单元K4和第五开关单元K5的连接设置，有效将电池的充电或放电功能与电池组的自加热功能相结合，从而便于在车辆处于充电或放电状态下也可同时实现电池自加热，从而可以有效提高电池组的充放电能力，提高充放电效率。

在一些实施例中，控制器在接收到充电指令或放电指令后，控制第四开关单元和第五开关单元的开关状态均为闭合状态。例如，参考图1或3所示，在车辆处于低温环境下进行直流充电时，控制器即会控制K1、K2、K3、K4、K5均闭合，充放电接口、K1、K2、K4、K5、电池组11之间形成充电回路，外部直流充电桩的充电电流经充放电接口，直接为电池组11进行充电，同时，第一电池包E1或第二电池包E2、K1、K2、K3、逆变单元2、电机1之间形成自加热回路，由此，实现车辆充电与电池自加热的协同控制，有效解决充电状态下，因电池组温度低造成不允许充电、充电电流小、充电时间长的问题。或者，在车辆处于低温环境下进行直流放电时，控制器即会控制K1、K2、K3、K4、K5均闭合，充放电接口、K1、K2、K4、K5、电池组11之间形成放电回路，电池组11的输出电流直接经充放电接口，来为外部负载进行充电，同时，第一电池包E1或第二电池包E2、K1、K2、K3、逆变单元2、电机1之间形成自加热回路，由此，实现车辆放电与电池自加热的协同控制，有效解决放电状态下，因电池组温度低造成不允许放电、放电电流小、电量下降的问题。

在一些实施例中，基于图1所示的连接方式，控制器还被配置为：在第五状态下，控制第一开关单元导通，且根据每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值、自加热电流频率和自加热均衡电流获得每相桥臂对应的共模电压值；根据共模电压值获得每组桥臂对应的占空比；根据每相桥臂对应的占空比控制对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以实现直流充放电、电池组的自加热和电池组的均衡处理的协同。由此，基于直流充放电口与逆变单元2的连接设置，通过上述控制方式来控制电机1运转，使得车辆在充放电状态下既可以实现电池的自加热，又可以达到电池组的均衡处理，由此充分利用电机的多套绕组实现车辆充放电、电池均衡与电池自加热的协同控制，既提升能量利用效率，提高系统兼容性，又有效避免电池组出现过充、过放的问题，提高电池组的使用寿命。

在一些实施例中，如图3所示，电机1包括第一套绕组和第二套绕组，其中，第一套绕组包括2个对极，每一个对极包括三个线圈支路，第一套绕组的2个对极的三个线圈支路中同相的线圈支路的第一端共接、并与对应的相桥臂的中点连接，第一套绕组的2个对极的三个线圈支路的第二端共接；第二套绕组包括2个对极，每一个对极包括三个线圈支路，第二套绕组的2个对极的三个线圈支路中同相的线圈支路的第一端共接、并与对应的相桥臂的中点连接，第二套绕组的2个对极的三个线圈支路的第二端共接并引出N线。

具体地，参考图3所示为采用六相电机的电路连接示意图，电池组11的两个电池包即第一电池包E1和第二电池包E2先串联，后通过开关K1、开关K2连接在逆变单元2的直流母线上；逆变单元2包括六相桥臂，其分别为：A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂、U相桥臂、V相桥臂、W相桥臂；电机1的第一套绕组的其中一个对极的三个线圈支路分别为：A1相线圈支路、B1相线圈支路和C1相线圈支路，另一个对极的三个线圈支路分别为：A2相线圈支路、B2相线圈支路和C2相线圈支路；电机1的第二套绕组的其中一个对极的三个线圈支路分别为：U1相线圈支路、V1相线圈支路和W1相线圈支路，另一个对极的三个线圈支路分别为：U2相线圈支路、V2相线圈支路和W2相线圈支路。其中，A1相线圈支路的第一端与A2相线圈支路的第一端共接并与A相桥臂的中点连接，B1相线圈支路的第一端与B2相线圈支路的第一端共接并与B相桥臂的中点连接，C1相线圈支路的第一端与C2相线圈支路的第一端共接并与C相桥臂的中点连接，以此类推，使得每一相桥臂的中点与对应一套绕组的一相线圈的第一端完成连接；A1相线圈支路的第二端、B1相线圈支路的第二端和C1相线圈支路的第二端共接形成一个中性点n1，A2相线圈支路的第二端、B2相线圈支路的第二端和C2相线圈支路的第二端共接形成一个中性点n2，U1相线圈支路的第二端、V1相线圈支路的第二端和W1相线圈支路的第二端共接形成一个中性点n3，U2相线圈支路的第二端、V2相线圈支路的第二端和W2相线圈支路的第二端共接形成一个中性点n4，中性点n1和中性点n2共接，中性点n3和中性点n4共接并引出N线。电机1引出的N线连接第一开关单元3即开关K3的一端，第一开关单元3的另一端连接到第一电池包E1与第二电池包E2之间的中点即等势点，母线电容C1并联在逆变单元2的正负母线上。由此，基于上述连接设置方式，可以充分利用电机的多套绕组满足车辆在不同状态下的功能需求，提升能量利用效率，提高系统兼容性。

在一些实施例中，能量转换装置10还包括控制器，控制器与逆变单元2连接。

具体地，基于图3所示的连接方式，控制器被配置为：在第六状态下，控制第一开关单元导通，控制第一套绕组对应的桥臂，以驱动车辆，且控制第二套绕组对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以至少实现电池组的自加热。由此通过上述控制方式来控制电机运转，车辆在行车状态下仍能满足电池的自加热需求，由此充分利用电机的多套绕组实现车辆行车与电池自加热的协同控制，提升能量利用效率，提高系统兼容性。

在一些实施例中，基于图3所示的连接方式，控制器还被配置为：根据第二套绕组每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值、自加热电流频率获得每相桥臂对应的共模电压值；根据共模电压值获得第二套绕组每相桥臂对应的占空比；根据第二套绕组每相桥臂对应的占空比控制对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以实现电池组的自加热。由此通过上述控制方式来控制电机运转，车辆在行车状态下仍能满足电池的自加热需求，有效解决行车状态下无法进行电池自加热的问题。

在一些实施例中，基于图3所示的连接方式，控制器还被配置为：根据第二套绕组的相电流值、转子电角度、D轴目标电流值和Q轴目标电流值获得对应的每相桥臂对应的差模电压值；根据第二套绕组每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值、自加热电流频率获得每相桥臂对应的共模电压值；根据差模电压值和共模电压值获得第二套绕组每相桥臂对应的占空比；根据第二套绕组每相桥臂对应的占空比控制对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以实现电机驱动和电池组的自加热的协同。由此通过上述控制方式来控制电机运转，车辆在行车状态下仍能满足电池的自加热需求，由此充分利用电机的多套绕组实现车辆行车与电池自加热的协同控制，提升能量利用效率，提高系统兼容性。

在一些实施例中，基于图3所示的连接方式，控制器还被配置为：在第七状态下，控制第一开关单元导通，控制第一套绕组对应的桥臂，以驱动车辆，且控制第二套绕组对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以至少致第一电池包和第二电池包交替充放电，以实现电池组的自加热，且致第一电池包的电容量与第二电池包的电容量的差值绝对值低于预设阈值。由此通过上述控制方式来控制电机运转，使得车辆在行车状态下既可以实现电池的自加热，又可以达到电池组的均衡处理，充分利用电机的多套绕组实现车辆行车、电池均衡与电池自加热的协同控制，既提升能量利用效率，提高系统兼容性，又有效避免电池组出现过放的问题，提高电池组的使用寿命。

在一些实施例中，基于图3所示的连接方式，控制器还被配置为：根据第二套绕组每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值、自加热电流频率和自加热均衡电流获得每相桥臂对应的共模电压值；根据共模电压值获得第二套绕组每相桥臂对应的占空比；根据第二套绕组每相桥臂对应的占空比控制对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以实现电池组的自加热，且致第一电池包的电容量与第二电池包的电容量的差值绝对值低于预设阈值。由此通过上述控制方式来控制电机运转，有效解决行车状态下无法进行电池自加热的问题，而且有效避免电池组出现过放的问题，提高电池组的使用寿命。

在一些实施例中，基于图3所示的连接方式，控制器还被配置为：根据第二套绕组的每相桥臂上的相电流值、转子电角度、D轴目标电流值和Q轴目标电流值获得每相桥臂对应的差模电压值；根据第二套绕组的每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值、自加热电流频率和自加热均衡电流获得每相桥臂对应的共模电压值；根据差模电压值和共模电压值获得每组桥臂对应的占空比；根据第二套绕组的每相桥臂对应的占空比控制对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，致第一电池包和第二电池包交替充放电，以实现电机驱动和电池组的自加热的协同，且致第一电池包的电容量与第二电池包的电容量的差值绝对值低于预设阈值。由此通过上述控制方式来控制电机运转，使得车辆在行车状态下既可以实现电池的自加热，又可以达到电池组的均衡处理，充分利用电机的多套绕组实现车辆行车、电池均衡与电池自加热的协同控制，既提升能量利用效率，提高系统兼容性，又有效避免电池组出现过放的问题，提高电池组的使用寿命。

在一些实施例中，能量转换装置10还包括直流充放电口和控制器。

其中，直流充放电口的正极与第一汇流端连接，直流充放电口的负极与第二汇流端连接，其中，Y相桥臂的第一端共接形成第一汇流端，Y相桥臂的第二端共接形成第二汇流端；控制器与逆变单元2连接。

具体地，基于图1所示的连接方式，控制器被配置为：在第八状态下，控制第一开关单元导通，且根据第二套绕组每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值和自加热电流频率获得每相桥臂对应的共模电压值；根据共模电压值获得每组桥臂对应的占空比；根据第二套绕组每相桥臂对应的占空比控制对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以实现直流充放电和电池组的自加热的协同。由此，通过上述直流充放电口与逆变单元2的连接设置，有效将电池组的充电或放电功能与电池组的自加热功能相结合，从而便于在车辆处于充电或放电状态下也可同时实现电池自加热，从而可以有效提高电池组的充放电能力，提高充放电效率。

在一些实施例中，在根据每相桥臂上的相电流值、转子电角度、D轴目标电流值和Q轴目标电流值获得每相桥臂对应的差模电压值时，控制器被具体配置为执行以下步骤。

步骤S1，获取电池组两端的母线电压值、电机的转矩值和电机的转速值；

其中，可通过设置电压采样单元来获取母线电压值，如参考图1所示，电压采样单元与电容C1、控制器连接，用于采集电容C1两端的母线电压值如记为Udc。

步骤S2，根据母线电压值、电机的转矩值和电机的转速值获得D轴目标电流值和Q轴目标电流值；

步骤S3，根据每相桥臂上的相电流值、转子电角度、D轴目标电流值和Q轴目标电流值获得每相桥臂对应的差模电压值。

其中，可通过设置电流采样单元来获取每相桥臂上的相电流值，如参考图1所示，电流采样单元与逆变单元2、控制器连接，用于采集每组桥臂上的相电流值，如可在每组桥臂与电机对应绕组连接的连接线上分别安装一电流传感器，以获得每组桥臂上的相电流值。

在实施例中，参考图4所示，将每组桥臂上采样的相电流值i1、i2……ip由Clark坐标变换换算到αβ坐标系下的iα、iβ，根据电机转子电角度再将iα、iβ通过Park坐标变换换算到dq坐标系上，以获得D轴实际电流值id和Q轴实际电流值iq。将D轴目标电流值id*和D轴实际电流值id做差后，经过PID控制来获得D轴目标电压值Ud，以及将Q轴目标电流值iq*和Q轴实际电流值iq做差后，经过PID控制来获得Q轴目标电压值Uq。

进而，将D轴目标电压值Ud和Q轴目标电压值Uq、电机转子电角度通过反Park变换得到Uα、Uβ，再将Uα、Uβ通过反Clark变换获得每相桥臂控制的差模电压值，如记为U1、U2...Up。

在一些实施例中，在根据每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值、自加热电流频率获得每相桥臂对应的共模电压值时，控制器被具体配置为执行以下步骤。

步骤S4，根据每相桥臂上的相电流值获得N线实际电流值。

在实施例中，参考图1所示，电机采用六相七线电机，以电流流进电机的方向为整，六组桥臂上的相电流值依次记为ia、ib、ic、iu、iv、iw，N线实际电流值记为in，且满足ia+ib+ic+iu+iv+iw+in＝0，基于此，N线实际电流值in＝-ia-ib-ic-iu-iv-iw。

在一些实施例中，也可以直接在电机4引出的N线上安装一电流传感器，以用于直接采集N线实际电流值，对此不作限制。

步骤S5，根据自加热目标电流幅值和自加热电流频率获得N线目标电流值。

在实施例中，可通过电池组的当前电芯温度来获得自加热目标电流幅值如记为ipk和自加热电流频率如记为f，具体地，可将电芯温度、自加热目标电流幅值、自加热电流频率对应的自加热功率进行预先标定，在实际应用时，先根据车辆状态和动力电池状态来获取电池组的需求自加热功率，再根据当前电芯温度和需求自加热功率通过查表或者线性拟合的方式来确定自加热目标电流幅值和自加热电流频率。

此外，在实现电池组的均衡处理时会引入自加热均衡电流值来计算N线目标电流值，此时对于自加热均衡电流值如记为indc，可通过第一电池包E1和第二电池包E2的SOC(State Of Charge，荷电状态)差值获得，或者也可以根据电池组11母线正负极间的电流差值获得，对此不作限制。具体地，N线目标电流值可通过以下公式(1)或公式(2)获得。

in*＝indc+ipk*cos 2 公式(1)

in*＝indc+ipk*sin 2 公式(2)

其中，indc为自加热均衡电流值，ipk为自加热目标电流幅值，f为自加热电流频率。

步骤S6，根据N线实际电流值和N线目标电流值获得每相桥臂对应的共模电压值。

具体地，根据中性线目标电流值In*和中性线实际电流值in可通过PI或者PR闭环控制获得每相桥臂控制的共模电压值Un。

在一些实施例中，能量转换装置10还包括第一开关管VT13和第二开关管VT14。，第一开关管VT13的漏极端与第一开关单元3的第一端连接，第一开关管VT13的栅极端与控制器连接；第二开关管VT14的源极端与第一开关管VT13的源极端连接，第二开关管VT14的漏极端与电机1的中性点连接，第二开关管VT14的栅极端与控制器连接。由此，通过设置第一开关管VT13和第二开关管VT14，基于第一开关管VT13和第二开关管VT14的开关速度高于第三开关单元7的开关速度，因此可以有效提高自加热回路的断开速度，起到保护第三开关单元7的作用，避免第三开关单元7出现烧结问题。

总而言之，根据本发明实施例的能量转换装置，可以实现车辆在任意状态下电池自加热以及电驱动系统的余热利用技术，尤其在车辆处于充电/放电状态或行车状态中实现自加热，实现电驱系统的高度复用，最大限度的提升系统能量利用效率和电池性能，极大地提升低温环境下的动力电池性能，解决电池低温环境使用受限的问题，提高电池使用的兼容性，提高用户使用体验。

本发明第二方面实施例提供一种车辆，如图5所示，该车辆100包括上述实施例的能量转换装置10。

根据本发明实施例的车辆100，通过采用上述实施例的能量转换装置10，可以充分利用电机的多套绕组满足车辆在不同状态下的功能需求，提升能量利用效率，提高系统兼容性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (18)

1.一种能量转换装置，其特征在于，其包括：

电池组，所述电池组包括两个串联连接的第一电池包和第二电池包；

逆变单元，所述逆变单元包括Y相桥臂，每一相桥臂包括上桥臂和下桥臂，每一相桥臂的第一端与所述第一电池包的正极连接，每一相桥臂的第二端与所述第二电池包的负极连接；

电机，所述电机包括X套绕组，每一相桥臂的第三端与对应一套绕组的一相线圈的第一端连接，所述X套绕组中至少一套绕组的多相线圈的第二端共接并引出N线，所述X套绕组的余下套绕组的多相线圈的第二端共接，其中，桥臂的相数与线圈的相数相等，X≥2；

第一开关单元，所述第一开关单元的第一端与所述N线连接，所述第一开关单元的第二端与所述第一电池包和所述第二电池包的中点连接。

2.根据权利要求1所述的能量转换装置，其特征在于，所述逆变单元包括六相桥臂，所述电机包括2套绕组，每一套绕组包括2个对极，每一个对极包括三个线圈支路；

其中，在同一套绕组中，2个对极的三个线圈支路中同相的线圈支路的第一端共接，并与对应的桥臂的中点连接；

每一个对极的三个线圈支路的第二端共接形成一个中性点，2套绕组的所有中性点共接并引出N线。

3.根据权利要求2所述的能量转换装置，其特征在于，其还包括：

控制器，所述控制器与所述逆变单元连接，所述控制器被配置为：在第一状态下，控制所述第一开关单元导通，且根据每相桥臂上的相电流值、转子电角度、D轴目标电流值和Q轴目标电流值获得每相桥臂对应的差模电压值；

根据每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值、自加热电流频率获得每相桥臂对应的共模电压值；

根据所述差模电压值和所述共模电压值获得每组桥臂对应的占空比；

根据所述每相桥臂对应的占空比控制对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以实现电机驱动和所述电池组的自加热的协同。

4.根据权利要求2所述的能量转换装置，其特征在于，其还包括：

控制器，所述控制器与所述逆变单元连接，所述控制器被配置为：在第二状态下，控制所述第一开关单元导通，且根据每相桥臂上的相电流值、转子电角度、D轴目标电流值和Q轴目标电流值获得每相桥臂对应的差模电压值；

根据每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值、自加热电流频率和自加热均衡电流获得每相桥臂对应的共模电压值；

根据所述差模电压值和所述共模电压值获得每组桥臂对应的占空比；

根据所述每相桥臂对应的占空比控制对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以实现电机驱动、所述电池组的自加热和所述电池组的均衡处理的协同。

5.根据权利要求2所述的能量转换装置，其特征在于，其还包括：

控制器，所述控制器与所述逆变单元连接，所述控制器被配置为：在第三状态下，控制所述第一开关单元导通，且根据每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值、自加热电流频率和自加热均衡电流获得每相桥臂对应的共模电压值；

根据所述共模电压值获得每组桥臂对应的占空比；

根据所述每相桥臂对应的占空比控制对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以实现所述电池组的自加热和所述电池组的均衡处理的协同。

6.根据权利要求2所述的能量转换装置，其特征在于，其还包括：

直流充放电口，直流充放电口的正极与第一汇流端连接，所述直流充放电口的负极与第二汇流端连接，其中，所述Y相桥臂的第一端共接形成所述第一汇流端，所述Y相桥臂的第二端共接形成所述第二汇流端；

控制器，所述控制器与所述逆变单元连接，所述控制器被配置为：在第四状态下，控制所述第一开关单元导通，且根据每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值和自加热电流频率获得每相桥臂对应的共模电压值；

根据所述共模电压值获得每组桥臂对应的占空比；

根据所述每相桥臂对应的占空比控制对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以实现直流充放电和所述电池组的自加热的协同。

7.根据权利要求6所述的能量转换装置，其特征在于，所述控制器还被配置为：在第五状态下，控制所述第一开关单元导通，且根据每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值、自加热电流频率和自加热均衡电流获得每相桥臂对应的共模电压值；

根据所述共模电压值获得每组桥臂对应的占空比；

根据所述每相桥臂对应的占空比控制对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以实现直流充放电、所述电池组的自加热和所述电池组的均衡处理的协同。

8.根据权利要求1所述的能量转换装置，其特征在于，所述逆变单元包括六相桥臂，

所述电机包括：

第一套绕组，所述第一套绕组包括2个对极，每一个对极包括三个线圈支路，所述第一套绕组的2个对极的三个线圈支路中同相的线圈支路的第一端共接、并与对应的相桥臂的中点连接，所述第一套绕组的2个对极的三个线圈支路的第二端共接；

第二套绕组，所述第二套绕组包括2个对极，每一个对极包括三个线圈支路，所述第二套绕组的2个对极的三个线圈支路中同相的线圈支路的第一端共接、并与对应的相桥臂的中点连接，所述第二套绕组的2个对极的三个线圈支路的第二端共接并引出N线。

9.根据权利要求8所述的能量转换装置，其特征在于，还包括：

控制器，所述控制器与所述逆变单元连接，所述控制器被配置为：在第六状态下，控制所述第一开关单元导通，控制所述第一套绕组对应的桥臂，以驱动车辆，且控制所述第二套绕组对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以至少实现所述电池组的自加热。

10.根据权利要求9所述的能量转换装置，其特征在于，所述控制器被配置为：

根据第二套绕组每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值、自加热电流频率获得每相桥臂对应的共模电压值；

根据所述共模电压值获得第二套绕组每相桥臂对应的占空比；

根据所述第二套绕组每相桥臂对应的占空比控制对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以实现所述电池组的自加热。

11.根据权利要求9所述的能量转换装置，其特征在于，所述控制器被配置为：

根据第二套绕组的相电流值、转子电角度、D轴目标电流值和Q轴目标电流值获得对应的每相桥臂对应的差模电压值；

根据第二套绕组每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值、自加热电流频率获得每相桥臂对应的共模电压值；

根据所述差模电压值和所述共模电压值获得第二套绕组每相桥臂对应的占空比；

根据所述第二套绕组每相桥臂对应的占空比控制对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以实现电机驱动和所述电池组的自加热的协同。

12.根据权利要求8所述的能量转换装置，其特征在于，所述控制器被配置为：在第七状态下，控制所述第一开关单元导通，控制所述第一套绕组对应的桥臂，以驱动车辆，且控制所述第二套绕组对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以至少致所述第一电池包和所述第二电池包交替充放电，以实现所述电池组的自加热，且致所述第一电池包的电容量与所述第二电池包的电容量的差值绝对值低于所述预设阈值。

13.根据权利要求12所述的能量转换装置，其特征在于，所述控制器被配置为：

根据第二套绕组每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值、自加热电流频率和自加热均衡电流获得每相桥臂对应的共模电压值；

根据所述共模电压值获得第二套绕组每相桥臂对应的占空比；

根据所述第二套绕组每相桥臂对应的占空比控制对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以实现所述电池组的自加热，且致所述第一电池包的电容量与所述第二电池包的电容量的差值绝对值低于所述预设阈值。

14.根据权利要求12所述的能量转换装置，其特征在于，所述控制器被配置为：

根据第二套绕组的每相桥臂上的相电流值、转子电角度、D轴目标电流值和Q轴目标电流值获得每相桥臂对应的差模电压值；

根据第二套绕组的每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值、自加热电流频率和自加热均衡电流获得每相桥臂对应的共模电压值；

根据所述差模电压值和所述共模电压值获得每组桥臂对应的占空比；

根据所述第二套绕组的每相桥臂对应的占空比控制对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，致所述第一电池包和所述第二电池包交替充放电，以实现电机驱动和所述电池组的自加热的协同，且致所述第一电池包的电容量与所述第二电池包的电容量的差值绝对值低于所述预设阈值。

15.根据权利要求8所述的能量转换装置，其特征在于，其还包括：

直流充放电口，直流充放电口的正极与第一汇流端连接，所述直流充电口的负极与第二汇流端连接，其中，所述Y相桥臂的第一端共接形成所述第一汇流端，所述Y相桥臂的第二端共接形成所述第二汇流端；

控制器，所述控制器与所述逆变单元连接，所述控制器被配置为：在第八状态下，控制所述第一开关单元导通，且根据第二套绕组每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值和自加热电流频率获得每相桥臂对应的共模电压值；

根据所述共模电压值获得每组桥臂对应的占空比；

根据所述第二套绕组每相桥臂对应的占空比控制对应的每相桥臂的上桥臂和下桥臂交替工作，以实现直流充放电和所述电池组的自加热的协同。

16.根据权利要求3、4、11和14所述的能量转换装置，其特征在于，在根据每相桥臂上的相电流值、转子电角度、D轴目标电流值和Q轴目标电流值获得每相桥臂对应的差模电压值时，所述控制器被具体配置为：

获取所述电池组两端的母线电压值、所述电机的转矩值和所述电机的转速值；

根据所述母线电压值、所述电机的转矩值和所述电机的转速值获得所述D轴目标电流值和所述Q轴目标电流值；

根据所述每相桥臂上的相电流值、转子电角度、所述D轴目标电流值和所述Q轴目标电流值获得每相桥臂对应的差模电压值。

17.根据权利要求3、6、10、11和15所述的能量转换装置，其特征在于，在根据每相桥臂上的相电流值、自加热目标电流幅值、自加热电流频率获得每相桥臂对应的共模电压值时，所述控制器被具体配置为：

根据所述每相桥臂上的相电流值获得N线实际电流值；

根据所述自加热目标电流幅值和所述自加热电流频率获得N线目标电流值；

根据所述N线实际电流值和所述N线目标电流值获得每相桥臂对应的共模电压值。

18.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-17任一项所述的能量转换装置。