CN118508581A - 一种高稳定车载快速集成电池充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高稳定车载快速集成电池充电系统，包括EV电池、电机驱动系统、六相开路绕线机和充电插座，本发明将充电功能集成到六相开口绕线机驱动中来实现快速充电，因此无需采用大体积的电池充电机；将三相电源直接连接到AC升压整流器上，避免了使用机械开关，以此提升了系统的鲁棒性和可靠性；通过六相开路绕线机内相反相电流产生的旋转磁场在充电/V2G模式下自然相互抵消，从而在系统运行期间产生零扭矩/速度，以此减小了安全风险；通过在双三相AC升压整流器A和B的并联PWM之间应用180度相移，在三重DC‑DC升降压转换器C和D的并联PWM之间应用120度相移，减少了谐波电流。

Description

一种高稳定车载快速集成电池充电系统

技术领域

本发明涉及电动汽车技术领域，具体为一种高稳定车载快速集成电池充电系统。

背景技术

随着电动汽车技术的快速发展，电池充电系统的设计与集成成为了一个重要的研究领域。然而，现有的集成电池充电系统在设计上仍存在以下问题：

首先，为了实现快速充电，现有电池充电机采用大体积设计，以便在电池侧提供高充电功率，但这会使得电池充电机在电动汽车内部占据了较大的空间，不仅影响了汽车的空间利用效率，也增加了车辆的整体成本，对电动汽车的行驶性能和续航里程产生不利影响；其次，现有集成电池充电机大多依赖于机械开关(如继电器)进行牵引和充电模式下的系统重新配置，然而，长期使用这些机械开关会导致磨损，这种磨损不仅影响了充电机的性能，还会带来安全风险，因此无法保证系统的鲁棒性和可靠性；再者，现有的集成电池充电机大多采用机械转子闭锁系统来阻止转子旋转，或利用离合器将转子轴与传动系统断开，或使用机械开关(继电器)在非生产扭矩下重新排列电机相定子绕组，然而，这些解决方案在充电或V2G期间产生不可避免的扭矩和速度，系统在长期工作下缺乏足够的可靠性，存在较大的安全风险；最后，由于功率模块开关的循环ON和OFF操作引起的功率转换器的非线性行为会产生谐波电流，这些谐波电流会增加电压/电流额定值，从而产生热量、增加损耗并降低系统效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高稳定车载快速集成电池充电系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高稳定车载快速集成电池充电系统，包括EV电池、电机驱动系统、六相开路绕线机和充电插座，所述六相开路绕线机分别与电机驱动系统和充电插座建立电性连接，电机驱动系统与EV电池建立电性连接。

优选的，所述电机驱动系统包括AC升压整流器A、AC升压整流器B、DC-DC升降压转换器C、DC-DC升降压转换器D、电容C_bat、电容C_{dc bus}和防反功率二极管D1，且电机驱动系统通过并联的AC升压整流器A、AC升压整流器B以及电容C_{dc bus}实现三相交流到直流的转换，电机驱动系统通过并联的DC-DC升降压转换器C、DC-DC升降压转换器D以及电容C_bat和防反功率二极管D1实现直流到直流的转换。

优选的，所述AC升压整流器A和AC升压整流器B之间采用180度的相移，DC-DC升降压转换器C和DC-DC升降压转换器D之间采用120度的相移。

优选的，所述防反功率二极管D1的输入端电性连接于DC-DC升降压转换器D上，防反功率二极管D1的输出端电性连接于DC-DC升降压转换器C上。

优选的，所述电容C_bat与EV电池并联。

优选的，所述电容C_{dc bus}的正极电性连接于AC升压整流器A和AC升压整流器B上，电容C_{dc bus}的负极电性连接于AC升压整流器A和AC升压整流器B上。

优选的，所述充电插座的引脚a接三相电源3P的引脚V_ga，充电插座的引脚b接三相电源3P的引脚V_gb，充电插座的引脚c接三相电源3P的引脚V_gc。

优选的，所述六相开路绕线机包括定子绕组L₁、L₂、L₃、L_1′、L_2′、L_3′、L₄、L₅、L₆、L_4′、L_5′和L_6′，且定子绕组L₁、L₂和L₃均与AC升压整流器A电性连接，定子绕组L_1′、L_2′和L_3′均与AC升压整流器B电性连接，定子绕组L₁和L_1′与充电插座的引脚a电性连接，定子绕组L₂和L_2′与充电插座的引脚b电性连接，定子绕组L₃和L₃与充电插座的引脚c电性连接，定子绕组L₄和L_4′串联，定子绕组L₅和L_5′串联，定子绕组L₆和L_6′串联，且定子绕组L₄、L₅和L₆与DC-DC升降压转换器D电性连接，定子绕组L_4′、L_5′和L_6′与DC-DC升降压转换器C电性连接。

优选的，所述六相开路绕线机为感应电机、永磁同步电机和同步磁阻电机中的一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将充电功能集成到六相开口绕线机驱动中来实现快速充电，因此无需采用大体积的电池充电机；通过将三相电源直接连接到AC升压整流器上，避免了使用机械开关，以此提升了系统的鲁棒性和可靠性；六相开路绕线机内相反相电流产生的旋转磁场在充电/V2G模式下自然相互抵消，从而在系统运行期间产生零扭矩/速度，以此减小了安全风险；通过在双三相AC升压整流器A和B的并联PWM之间应用180度相移，在三重DC-DC升降压转换器C和D的并联PWM之间应用120度相移，减少了谐波电流。

附图说明

图1为本发明的整体概况图；

图2为本发明的整体结构框图；

图3为本发明的整体详细拓扑结构图；

图4为未采用谐波控制策略时三相电源和定子绕组的电流波形；

图5为没有谐波控制策略时的详细交流电流波形和PWM；

图6为基于交错式PWM谐波控制策略的三相电源和定子绕组的电流波形；

图7为采用谐波控制策略的详细交流电流波形和PWM；

图8为充电过程中没有谐波控制策略时DC-DC变换器侧电机绕组和输入电池的电流波形；

图9为充电期间采用谐波控制策略的DC-DC变换器侧电机绕组和输入电池的电流波形。

图中：1、EV电池；2、电机驱动系统；3、六相开路绕线机；4、充电插座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-9，本发明提供的一种实施例：一种高稳定车载快速集成电池充电系统，包括EV电池1、电机驱动系统2、六相开路绕线机3和充电插座4，六相开路绕线机3分别与电机驱动系统2和充电插座4建立电性连接，电机驱动系统2与EV电池1建立电性连接；电机驱动系统2包括AC升压整流器A、AC升压整流器B、DC-DC升降压转换器C、DC-DC升降压转换器D、电容C_bat、电容C_{dc bus}和防反功率二极管D1，且电机驱动系统2通过并联的AC升压整流器A、AC升压整流器B以及电容C_{dc bus}实现三相交流到直流的转换，电机驱动系统2通过并联的DC-DC升降压转换器C、DC-DC升降压转换器D以及电容C_bat和防反功率二极管D1实现直流到直流的转换；AC升压整流器A和AC升压整流器B之间采用180度的相移，DC-DC升降压转换器C和DC-DC升降压转换器D之间采用120度的相移；防反功率二极管D1的输入端电性连接于DC-DC升降压转换器D上，防反功率二极管D1的输出端电性连接于DC-DC升降压转换器C上；电容C_bat与EV电池1并联；电容C_{dc bus}的正极电性连接于AC升压整流器A和AC升压整流器B上，电容C_{dc bus}的负极电性连接于AC升压整流器A和AC升压整流器B上；充电插座4的引脚a接三相电源3P的引脚V_ga，充电插座4的引脚b接三相电源3P的引脚V_gb，充电插座4的引脚c接三相电源3P的引脚V_gc；六相开路绕线机3包括定子绕组L₁、L₂、L₃、L_1′、L_2′、L_3′、L₄、L₅、L₆、L_4′、L_5′和L_6′，且定子绕组L₁、L₂和L₃均与AC升压整流器A电性连接，定子绕组L_1′、L_2′和L_3′均与AC升压整流器B电性连接，定子绕组L₁和L_1′与充电插座4的引脚a电性连接，定子绕组L₂和L_2′与充电插座4的引脚b电性连接，定子绕组L₃和L₃与充电插座4的引脚c电性连接，定子绕组L₄和L_4′串联，定子绕组L₅和L_5′串联，定子绕组L₆和L_6′串联，且定子绕组L₄、L₅和L₆与DC-DC升降压转换器D电性连接，定子绕组L_4′、L_5′和L_6′与DC-DC升降压转换器C电性连接；六相开路绕线机3为感应电机、永磁同步电机和同步磁阻电机中的一种。

工作原理：在本发明中，三相充电电路是通过AC升压整流器A和AC升压整流器B直接连接三相电源3P而获得的，不使用机械开关来重新布置定子绕组；在充电模式下，定子绕组L₁、L₂、L₃、L_1′、L_2′和L_3′在电网侧充当交流谐波滤波器，并且定子绕组L₄、L₅、L₆、L_4′、L_5′和L_6′用作DC谐波滤波器，电机驱动系统2通过并联的AC升压整流器A、AC升压整流器B以及电容C_{dc bus}实现三相交流到直流的转换，电机驱动系统2通过并联的DC-DC升降压转换器C、DC-DC升降压转换器D以及电容C_bat和防反功率二极管D1实现直流到直流的转换；在交直流转换过程中，流经定子绕组L₁、L₂、L₃、L_1′、L_2′和L_3′的交流电网电流产生两个幅值相同、相位相反的旋转磁场，从而得到该半部分定子绕组的总电磁转矩；在DC/DC转换时，DC降压转换得到的直流电流流经定子绕组L₄、L₅、L₆、L_4′、L_5′和L_6′，并产生同幅同相的三重旋转磁场，从而产生总电磁扭矩，六相开路绕线机3定子绕组中的直接和正交分量为零，由于充电时不产生电磁扭矩和速度，因此不需要转子闭锁系统；为了处理充电期间的谐波电流，采用了交错式PWM技术，两个并联的AC升压整流器A和AC升压整流器B之间采用180度的相移，两个并联的DC-DC升降压转换器C和DC-DC升降压转换器D之间采用120度的相移，如图4所示，当AC升压整流器A和AC升压整流器B的交错式PMW未激活时，三相A相的纹波电流大于电机定子绕组纹波电流，B相和C相也是如此；电网A相和定子绕组及其对应的PWM的详细电流波形如图5所示；根据图6，当激活交错PWM时，在电网A相、B相和C相处观察到纹波电流显著减小，其中大部分谐波电流被阻挡在六相开路绕线机3内部，如图7的定子绕组电流所示，电网A相和定子绕组的详细电流波形及其相应的PWM如图7所示；根据图8，当DC-DC升降压转换器C和DC-DC升降压转换器D的交错PWM不存在时，当三个PWM之间的相移为零度时被激活，DC-DC升降压转换器C和DC-DC升降压转换器D的输出处的纹波电流大于三个电感器纹波电流，然而，当交错式PWM被激活时，观察到DC-DC升降压转换器C和DC-DC升降压转换器D的输出处的纹波电流显著减小，其中大多数谐波电流被阻挡在电机定子绕组L₄、L₅、L₆、L_4′、L_5′和L_6′内部；在V2G模式下，可以通过旁路防反功率二极管D1省略DC-DC升降压转换器C和DC-DC升降压转换器D，以减少V2G模式期间的功率转换损耗，在该模式操作中，仅AC升压整流器A和AC升压整流器B执行直流到交流的级转换，以便在高峰值需求期间将EV电池1剩余能量发送回电网；为实现牵引模式，首先需要通过充电插座4将三相电源3P与系统断开，然后控制AC升压整流器A、AC升压整流器B、DC-DC升降压转换器C和DC-DC升降压转换器D，以执行基于六相开路绕线机3控制算法的电压源逆变器。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种高稳定车载快速集成电池充电系统，包括EV电池(1)、电机驱动系统(2)、六相开路绕线机(3)和充电插座(4)，其特征在于：所述六相开路绕线机(3)分别与电机驱动系统(2)和充电插座(4)建立电性连接，电机驱动系统(2)与EV电池(1)建立电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种高稳定车载快速集成电池充电系统，其特征在于：所述电机驱动系统(2)包括AC升压整流器A、AC升压整流器B、DC-DC升降压转换器C、DC-DC升降压转换器D、电容C_bat、电容C_dcbus和防反功率二极管D1，且电机驱动系统(2)通过并联的AC升压整流器A、AC升压整流器B以及电容C_dcbus实现三相交流到直流的转换，电机驱动系统(2)通过并联的DC-DC升降压转换器C、DC-DC升降压转换器D以及电容C_bat和防反功率二极管D1实现直流到直流的转换。

3.根据权利要求2所述的一种高稳定车载快速集成电池充电系统，其特征在于：所述AC升压整流器A和AC升压整流器B之间采用180度的相移，DC-DC升降压转换器C和DC-DC升降压转换器D之间采用120度的相移。

4.根据权利要求2所述的一种高稳定车载快速集成电池充电系统，其特征在于：所述防反功率二极管D1的输入端电性连接于DC-DC升降压转换器D上，防反功率二极管D1的输出端电性连接于DC-DC升降压转换器C上。

5.根据权利要求2所述的一种高稳定车载快速集成电池充电系统，其特征在于：所述电容C_bat与EV电池(1)并联。

6.根据权利要求2所述的一种高稳定车载快速集成电池充电系统，其特征在于：所述电容C_dcbus的正极电性连接于AC升压整流器A和AC升压整流器B上，电容C_dcbus的负极电性连接于AC升压整流器A和AC升压整流器B上。

7.根据权利要求1所述的一种高稳定车载快速集成电池充电系统，其特征在于：所述充电插座(4)的引脚a接三相电源3P的引脚V_ga，充电插座(4)的引脚b接三相电源3P的引脚V_gb，充电插座(4)的引脚c接三相电源3P的引脚V_gc。

8.根据权利要求1所述的一种高稳定车载快速集成电池充电系统，其特征在于：所述六相开路绕线机(3)包括定子绕组L₁、L₂、L₃、L_1′、L_2′、L_3′、L₄、L₅、L₆、L_4′、L_5′和L_6′，且定子绕组L₁、L₂和L₃均与AC升压整流器A电性连接，定子绕组L_1′、L_2′和L_3′均与AC升压整流器B电性连接，定子绕组L₁和L_1′与充电插座(4)的引脚a电性连接，定子绕组L₂和L_2′与充电插座(4)的引脚b电性连接，定子绕组L₃和L₃与充电插座(4)的引脚c电性连接，定子绕组L₄和L_4′串联，定子绕组L₅和L_5′串联，定子绕组L₆和L_6′串联，且定子绕组L₄、L₅和L₆与DC-DC升降压转换器D电性连接，定子绕组L_4′、L_5′和L_6′与DC-DC升降压转换器C电性连接。

9.根据权利要求8所述的一种高稳定车载快速集成电池充电系统，其特征在于：所述六相开路绕线机(3)为感应电机、永磁同步电机和同步磁阻电机中的一种。