CN208216510U - 基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统，包括：由电机、电机控制器和减速器构成的动力总成，电机控制器分别与电动汽车的电池、所述电机、减速器连接，所述电机控制器包括三相逆变主回路，所述电机控制器的三相逆变主回路拓扑上通过以器件复用方式形成双向充放电转换电路使整个系统集成有双向充电机(OBC)功能。本实用新型在不增加较多元件的情况下，复用逆变主回路的器件，能够实现双向V‑G、V‑L、V‑V、L‑V双向充放电功能。

Description

基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统

技术领域

本实用新型涉及新能源电动汽车技术领域，尤其涉及一种基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统，具体包括电动汽车动力集成方案和电机控制器集成方案。

背景技术

目前，随着能源短缺和环境污染问题的日益加重以及国际石油价格的不断攀升，纯电动汽车作为绿色新能源技术的一个分支，具有零排放、噪声低、结构相对简单、可以实现交通能源来源多元化等优点成为未来汽车技术的发展方向，逐渐为人们所青睐，市场份额也在逐年增加，用户的需求也越来越多，促使电动汽车零部件厂商的产品开发功能更丰富。

但是电动汽车的续航里程也是用户重点考虑、关注的问题，许多整车企业也因此备受困扰。电动汽车作为家庭的第二台车，但是为续航里程所累使得电动汽车的发展备受困扰，车辆的续航里程问题和电池有着密不可分的关系，如果想从电池入手增长续航里程就需要增大电池的体积，从而使得充电时间变长，车辆的布置空间变小，整体重量也增加。目前充电问题始终困扰着电动汽车的推广，直流充电功率大，但是只能到充电站去充电，然而充电站的数量有限；交流充电到处都是，家里也有，但是充电效率低，因此很少使用家里交流电充电。

目前充电设备还没有完全普及，部分厂家推出的充电设备，结构形式也不统一且价格昂贵。电动汽车配套设施的发展严重制约新能源行业的发展，所以如何能够创新的提出一种安全有效的电动汽车充电系统或装置就显得尤为重要，也成为整个新能源行业的课题。

实用新型内容

本实用新型提供一种可实现交流电大功率充电，充电更加便捷、快速、减轻电网的压力的基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统。

为实现上述目的，本实用新型提供一种基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统，包括：由电机、电机控制器和减速器构成的动力总成，所述电机控制器分别与电动汽车的电池、所述电机、减速器连接，所述电机控制器包括三相逆变主回路，所述电机控制器的三相逆变主回路拓扑上通过以器件复用方式形成双向充放电转换电路使整个系统集成有双向充电机功能。

可选地，所述电动汽车集成驱动系统还包括：外围双向慢充电端口，所述外围充放电端口与所述三相逆变主回路连接。

可选地，反向充电时或者正向放电时以工作模式区分，所述三相逆变主回路包括：Buck降压电路和单相逆变/PWM整流电路，所述单相逆变/PWM整流电路的一端连接所述电机，另一端连接所述Buck 降压电路的一端，所述Buck降压电路的另一端连接所述电池。

可选地，所述电动汽车集成驱动系统还包括：支撑电容和被动放电电阻，所述支撑电容和被动放电电阻连接在所述Buck降压电路与所述电池之间。

可选地，所述电动汽车集成驱动系统还包括：连接在所述外围充放电端口与电机之间的EMI电路、电感和缓冲电路，所述EMI电路、电感和缓冲电路依次连接。

可选地，所述电机控制器支持V-V、V-G、V-L、L-V工作模式。

本实用新型的有益效果是：通过电动汽车动力集成和电机控制器集成，在电机控制器的三相逆变主回路拓扑上通过以器件复用方式形成双向充放电转换电路使整个系统集成有双向充电机功能，可实现交流电大功率充电，充电更加便捷、快速。能够使用电动汽车减轻电网的压力，在用电谷底时电动汽车再进行充电，从而有效的减轻电网的压力并实现了能量的充分、高效使用，让车不再是车，变为移动的储能电站。本方案在不增加较多元件的情况下，复用逆变主回路的器件，能够实现双向充放电功能。既可以由交流电网直接对电动汽车进行大功率交流充电，也可以车辆放电并入电网削弱电网的压力；民用市电可以通过专门的连接线直接给电池充电，也可以放电给交流负载供电。在不增加较多元件和部件的情况下丰富功能，快捷高效的充电，在闲置时放电到电网或给交流负载供电，提升用户体验，实现V-G、 V-L、V-V、L-V功能。

相比现有技术，本实用新型具有如下优点：

1、省去独立的充电机(OBC)单元及对应匹配线束，系统高度集成，更好的发挥了减轻重量和减小体积的优势，节省了整车的布置空间；

2、复用逆变主回路器件提高实用的基础上，集成更多功能，提升用户使用体验；

3、在电压极性不变的情况下，实现能量的双向、高效传输；利用双向逆变充放电技术实现双向V-V、V-L、V-G、L-V功能。

4、通常为常开的继电器，在此处定制为常闭继电器，防止充放电系统故障影响车辆的正常驱动。

5、本实用新型能够实现使用交流电网、电动汽车、市电等等多种类的对电动汽车进行大功率交流充电，使用户可以随时随地、高效率充电。

从以上的考虑中大大的降低了成本且功能和系统都实现了高度集成。

附图说明

图1是本实用新型提出的基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统的集成框架示意图；

图2是本实用新型提出的基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统的主回路拓扑结构示意图；

图3是本实用新型提出的基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统的交流充电原理示意图；

图4是本实用新型提出的基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统的正向单相全桥逆变(H桥)方向PWM整流示意图；

图5是本实用新型提出的基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统的反向Buck降压电路结构示意图。

具体实施方式

本实用新型考虑到：通常情况下车载充电机设备通过将电网的电能转化直流电再对电池充电，电池在为整个电动汽车提供动力，以满足电动汽车的续航里程。但是车辆闲暇时间，电池的能量通过转化可以为交流负载、直流负载、以及电网提供电能，而这些都没有得到很好的利用和发展。并且随着电动汽车数量的增加，在用电高峰时多数车辆一起充电对电网的压力是巨大的，但是在车辆闲置时能量也存在闲置，如果能够使用电动汽车减轻电网的压力，在用电谷底时电动汽车再进行充电有效的减轻电网的压力并实现了能量的充分、高效使用，让车不在是车，变为移动的储能电站。

目前很多人不仅仅是关注新能源、清洁能源，现在慢慢的开始关注能量储存技术，特别是电池储能系统。可以在未工作时储存部分交流电的能量在电池内，在需要时可以放电到交流负载、电网、其他车辆，实现双向V-V、V-L、V-G、L-V功能。

以下为本实用新型的一种技术方案，在成熟产品控制器、电机、减速器的基础上，复用控制器的主回路主要元器件实现能量的双向流动，实现高度集成化的同时节省整车布置空间、降低成本的同时集驱动电机、车载充电、直流充电站的功能，实现V-G、V-L、V-V、L-V的功能，让车不再是车而是移动的储能电站。具体的方案实施如下：

具体地，请参照图1-图5，图1是本实用新型提出的基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统的集成框架示意图；图2是本实用新型提出的基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统的主回路拓扑结构示意图；图3是本实用新型提出的基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统的交流充电原理示意图；图4是本实用新型提出的基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统的正向单相全桥逆变(H桥)方向PWM整流示意图；图5是本实用新型提出的基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统的反向Buck降压电路结构示意图。

如图1所示，本实用新型提出的一种基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统，包括：由电机、电机控制器和减速器构成的动力总成，所述电机控制器分别与电动汽车的电池、所述电机、减速器连接，所述电机控制器包括三相逆变主回路，所述电机控制器的三相逆变主回路拓扑上通过以器件复用方式形成双向充放电转换电路使整个系统集成有双向充电机功能。

其中，所述主回路与电机之间由MCU控制的继电器相连，所述继电器可以为常闭或者为常开。所述电动汽车集成驱动系统还包括：外围充放电端口，所述外围充放电端口与所述三相逆变主回路连接。

可选的，所述三相逆变主回路充电时或者放点时以工作模式区分，所述三相逆变主回路包括：Buck降压电路和单相逆变/PWM整流电路，所述单相逆变/PWM整流电路的一端连接所述电机，另一端连接所述Buck降压电路的一端，所述Buck降压电路的另一端连接所述电池。其中三相逆变主回路详细的为：反向充电时：充放电端口途径PWM整流和Buck降压给电池充电；正向放电时：电池经Buck 降压和H桥单向逆变后到外围充放电端口，即为三相逆变主回路正向细化为：Buck降压-H桥单向逆变；反向细化为：PWM整流-Buck 降压。

所述电动汽车集成驱动系统还包括：支撑电容和被动放电电阻，所述支撑电容和被动放电电阻连接在所述Buck降压电路与所述电池之间。

所述电动汽车集成驱动系统还包括：连接在所述外围充放电端口与电机之间的EMI电路、电感和缓冲电路，所述EMI电路、电感和缓冲电路依次连接。

本实施例的电机控制器支持V-V、V-G、V-L、L-V工作模式，实现V-G、V-L、V-V、L-V功能。具体地，本实用新型可以实现工业电网或民用交流电给电动汽车充电的状态L-V，G-V；电动汽车放电给交流负载或者电网V-L，V-G的双向转换，能量双向流动、高效使用的功能。

相比现有技术，本实用新型涉及电动汽车动力集成方案和电机控制器集成方案，方案在不增加较多元件的情况下，复用逆变主回路的器件，能够实现双向充放电功能。既可以由交流电网直接对电动汽车进行大功率交流充电，也可以车辆放电并入电网削弱电网的压力；民用市电可以通过专门的连接线直接给电池充电，也可以放电给交流负载供电。即为交流电通过控制器逆变主回路转化为直流电直接对电动汽车电池充电。

以下对本实用新型方案进行详细阐述：

如图2所示，方案中正常驱动时由MCU控制所有与电机相连的继电器连接，三相逆变主回路工作带动电机转动；充电和放电时， MCU控制继电器与电机不相连、接触器闭合，完成充电的整流和放电的单相逆变，给电池充电或放电电网、交流负载、电动汽车。电池到BUCK降压电路由接触器隔开，但是不会影响三相逆变的功能；控制器与电机由继电器隔开；方案中到市电/电网部分有缓冲电路隔开，所有继电器和接触器开关全由控制器MCU统一控制。

驱动电机转动时，电池提供电能，MCU控制降压电路开关断开不工作，连接电机端的继电器开关连接，控制器响应VCU给定的扭矩、转速指令，使电机转动给电动汽车提供动能。

放电时，与电机相连的开关不再连接，到输出交流电部分电路开通。电池的直流电通过原三相逆变回路的部分电路单相逆变为交流电后，经由电感、EMI(ElectromagneticInterference，电磁干扰)滤波去除杂散电感后可给电网馈电，弥补电网用电高峰时压力或给交流负载供电功能，车辆不在是车而是移动的储能电站，保证使用的基础上，提升用户体验。

充电时，电网、交流桩、家用电以及工业用电经原电机控制器的三相逆变主回路的PWM整流成直流电给车辆的电池充电，交流大功率充电，充电更方便、快捷，充电设施零投资，与全球充电标准一致，由此使得电动汽车不再仅仅是车而可以是一个家用电器。

本实用新型可以实现双向V-G、V-L、V-V、L-V充放电的功能，器件复用率更高，高度集成，在一定程度上降低成本，节省整车布置空间。

如图2所示，主回路拓扑结构由控制器主回路、外围充放电端口、电池、电机组成的主拓扑。

慢充控制的接触器由电机控制器MCU控制断开，电机控制器的正常工作模式：MCU接收整车控制器VCU的指令，由电池单元提供动力经逆变主回路逆变驱动电机转动。

其中，电路原理图描述如下：

1、正反向驱动：1)继电器为常开时：MCU控制继电器KM3、 KM1、KM2接通闭合，电池提供足够电压等级的电源给主回路，再由S3-S8逆变主回路将直流逆变为三相交流，并响应VCU给对应的转速和扭矩指令，驱动电机正常转动。

1)继电器为常闭时：继电器KM3、KM1、KM2闭合状态，电池提供足够电压等级的电源给主回路，再由S3-S8逆变主回路将直流逆变为三相交流，并响应VCU给对应的转速和扭矩指令，驱动电机正常转动。

2、制动/回馈：对应的电压对电池进行充电，从而实现能量回收功能。

3、双向慢充模式：

1)继电器常开情况下的放电：在车辆闲暇时或则电网用电高峰、需要紧急提供交流电时；继电器KM3、KM1和KM2断开状态，接触器PLY4闭合。S5-S8组合形成单向全桥逆变电路，电池的直流电施加给逆变回路供电，逆变成交流电给后续交流负载或反馈到电网。

2)继电器常闭情况下的放电：在车辆闲暇时或则电网用电高峰、需要紧急提供交流电时；MCU控制继电器KM3、KM1和KM2断开，接触器PLY4闭合。S5-S8组合形成单向全桥逆变电路，电池的直流电施加给逆变回路供电，逆变成交流电给后续交流负载或反馈到电网。

如图3所示，交流充电原理解析如下：

1)继电器常开情况下的充电：继电器KM3、KM1、KM2断开状态，后端的交流电经过主回路S5-S8组成的PWM整流电路整流后，再由L1、RLY4、S3、S4组成Buck电路降压给电池充电。

2)继电器常闭情况下的充电：MCU控制继电器KM3、KM1、KM2断开，后端的交流电经过主回路S5-S8组成的PWM整流电路整流后，再由L1、RLY4、S3、S4组成Buck电路降压给电池充电。

如图4所示，正向单相全桥逆变(H桥)反向PWM整流原理如下：

正向放电时，电池直流电经单向全桥逆变(H桥)后变成交流电；

反向充电时，外部的交流电经PWM整流后变为直流电给车载电池充电。

如图5所示，在反向Buck降压电路中，本实用新型复用主回路闲置元件，驱动或者充电时中间的开关RLY4断开，电路未工作，功率管S3、S4作为三相逆变的桥臂；充电时RLY4闭合，S3作为开关管，S4作为二极管降压给电池充电，作为BUCK降压电路使用。

V-G工作模式：结合电网的使用状况，用电低谷时，电网对电动汽车充电储备电能以备后续使用；用电高峰时，电动汽车向电网并网放电，将储备的限制能量反馈给电网。在一定程度上减轻了电网的压力，那么电动汽车就不仅仅是交通工具了，更是一个移动的储能电站。

V-L工作模式：车辆电池电压通过单相全桥逆变后可以施加在交流负载的两端，给其供电，类似于一个移动电源。例如停电可以给家里供电照明、或者出去游玩可以给电烤炉或则学校、医院的紧急供电等，很好的解决停电的困扰和紧急供电的状况，提高实用性的基础上，提升用户体验。

L-V工作模式：外部无论是工业用电还是民用市电交流电大功率都可以经由PWM整流电路整流、BUCK电路降压给电池大功率充电。

相比现有技术，本方案的优势在于：

1、在电压极性保持不变的情况下，较为方便的实现能量双向传输，整个方案具有效率高、体积小、器件复用率高。

2、优化电动汽车整体性能和效率，增加电动汽车的行驶里程和更好适应城市工况，更好的适应制动能量回收和避免变换器输出端出现浪涌电压等情况。

3、功能高度集成，通过该方案方便实现双向充放电功能，极大节省整车布置空间和整车成本，方便整车布置和减重。

4、在不增加独立慢充单元(OBC)的基础上实现双向V-L、V-G、 V-V充放电的功能，支持V→G、V→L、V→V、L-V等供电模式，适应我国电动汽车日趋复杂的应用工况，极大的提升电动汽车的实用性及带给用户良好的体验。

5、省去独立的OBC单元及对应匹配线束，用外围功能替代；

从以上的考虑中大大的降低了成本且高度集成。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统，其特征在于，包括：由电机、电机控制器和减速器构成的动力总成，所述电机控制器分别与电动汽车的电池、所述电机、减速器连接，所述电机控制器包括三相逆变主回路，所述电机控制器的三相逆变主回路拓扑上通过以器件复用方式形成双向充放电转换电路使整个系统集成有双向充电机功能。

2.根据权利要求1所述的基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统，其特征在于，所述电动汽车集成驱动系统还包括：外围充放电端口，所述外围充放电端口与所述三相逆变主回路连接。

3.根据权利要求2所述的基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统，其特征在于，所述三相逆变主回路包括：Buck降压电路和单相逆变/PWM整流电路，所述单相逆变/PWM整流电路的一端连接所述电机，另一端连接所述Buck降压电路的一端，所述Buck降压电路的另一端连接所述电池；其中三相逆变主回路详细的为：反向充电时：充放电端口途径PWM整流和Buck降压给电池充电；正向放电时：电池经Buck降压和H桥单向逆变后到外围充放电端口，即为三相逆变主回路正向细化为：Buck降压-H桥单向逆变；反向细化为：PWM整流-Buck降压。

4.根据权利要求3所述的基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统，其特征在于，所述电动汽车集成驱动系统还包括：支撑电容和被动放电电阻，所述支撑电容和被动放电电阻连接在所述Buck降压电路与所述电池之间。

5.根据权利要求3所述的基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统，其特征在于，所述电动汽车集成驱动系统还包括：连接在所述外围充放电端口与电机之间的EMI电路、电感和缓冲电路，所述EMI电路、电感和缓冲电路依次连接。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统，其特征在于，所述电机控制器支持V-V、V-G、V-L、L-V工作模式。

7.根据权利要求1所述的基于双向逆变充放电的电动汽车集成驱动系统，其特征在于，所述主回路与电机之间由MCU控制的继电器相连，所述继电器可以为常闭或者为常开。