CN208931152U - 用于电动汽车的分布式双向驱动充电电能变换系统 - Google Patents

用于电动汽车的分布式双向驱动充电电能变换系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种用于电动汽车的分布式双向驱动充电电能变换系统，包括：高压电池、电流变换模块、电机驱动回路、交流充电回路以及控制所述系统进行驱动模式和充电模式切换的主控单元模块，主控单元模块与电流变换模块连接；电流变换模块包括并联的第一半桥电路、第二半桥电路和第三半桥电路，第一交流端、第二交流端和第三交流端均与电机驱动回路连接；第二交流端和第三交流端均与交流充电回路连接。本实用新型的技术方案，通过在驱动模式和充电模式中复用第一半桥电路，实现了对电动汽车进行交流充电，并同时驱动一个三相电机，可提高产品集成度、减小体积、降低成本，满足现有大部分电动汽车汽车的应用需求。

Description

用于电动汽车的分布式双向驱动充电电能变换系统
技术领域
本实用新型涉及电动汽车技术领域，具体而言，涉及一种用于电动汽车的分布式双向驱动充电电能变换系统。
背景技术
随着环保意识的增强，与当前严峻的大气变暖环境，绿色环保零排放的纯电动汽车成为汽车行业发展的主流方向，发展电动汽车已成为我国汽车行业的战略布局，新兴的电动汽车行业快速发展，对于关键零部件有更多、更高的要求。
目前的技术方案是将电机驱动控制器和单相交流充电机进行物理集成，布置到多合一控制器内部，并没有做深度的设计融合。
如何对当前设计进行进一步地优化是当前需要解决的技术问题。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本实用新型的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种用于电动汽车的分布式双向驱动充电电能变换系统，用来深度集成电机驱动控制器和车载交流充电机，满足小体积、低成本的电动汽车零部件需求。
本实用新型的目的是通过下述技术方案予以实现的：
一种用于电动汽车的分布式双向驱动充电电能变换系统，所述系统包括高压电池、电流变换模块、电机驱动回路、交流充电回路以及控制所述系统进行驱动模式和充电模式切换的主控单元模块，其中：所述主控单元模块与所述电流变换模块连接；所述电流变换模块包括并联的第一半桥电路、第二半桥电路和第三半桥电路，所述第一半桥电路的中点引出所述电流变换模块的第一交流端，所述第二半桥电路的中点引出所述电流变换模块的第二交流端，所述第三半桥电路的中点引出所述电流变换模块的第三交流端；所述电流变换模块的直流端连接在所述高压电池的两端；所述第一交流端、所述第二交流端和所述第三交流端均与所述电机驱动回路连接；所述第二交流端和所述第三交流端均与所述交流充电回路连接。
上述方案中，所述电流变换模块还包括第一电容、第二电容、第一电感以及直流预充模块，其中：所述第一半桥电路的两端引出电流变换模块的第一直流端和直流地；所述电流变换模块还包括第二直流端，所述第二直流端通过所述第一电感与所述第一交流端连接；所述第一电容连接在所述第二直流端和所述直流地之间，所述第二电容并联在所述第一半桥电路两端；所述第一直流端和所述第二直流端通过所述直流预充模块连接在所述高压电池的正极，所述直流地与所述高压电池的负极连接。
上述方案中，所述直流预充模块的第一直流端与所述高压电池的正极相连，所述直流预充模块的第二直流端与所述电流变换模块的第二直流端相连，所述直流预充模块的第三直流端与所述电流变换模块的第一直流端相连。
上述方案中，所述直流预充模块包括：第一接触器、第一预充电阻、第二接触器和第三接触器，所述第二接触器连接在所述高压电池的正极和所述电流变换模块的第二直流端之间；所述第三接触器连接在所述高压电池的正极和所述电流变换模块第一直流端之间；所述第一接触器与所述第一预充电阻串联后与所述第二接触器并联；所述第一接触器、所述第二接触器和所述第三接触器的控制端分别与所述主控单元模块连接；所述直流预充模块与所述高压电池集成为一体。
上述方案中，所述第一半桥电路、所述第二半桥电路和所述第三半桥电路各自包括两个串联的开关器件，所述开关器件的两端反并联一个二极管。
上述方案中，所述电机驱动回路包括相连接的电机控制开关和电机；所述交流充电回路包括依次连接的功率因数校正PFC功率电感、交流控制开关和交流充电插座
上述方案中，所述电机控制开关还包括分别串联在所述第一交流端、所述第二交流端和所述第三交流端与所述电机之间的第五接触器、第六接触器和第七接触器；所述交流控制开关还包括串联在所述PFC功率电感与所交流充电插座之间的第四继电器；所述第四继电器为两相交流固态继电器，所述两相交流固态继电器包括两组功率触点。
上述方案中，所述PFC功率电感包括分别串联在所述第一交流端、所述第二交流端与所述第四继电器之间的第二电感和第三电感。
上述方案中，所述主控单元模块与所述电流变换模块、所述直流预充模块、所述电机控制开关和所述交流控制开关的控制端分别连接，控制所述电流变换模块、所述直流预充模块、所述电机控制开关和所述交流控制开关工作；其中，在所述系统处于驱动模式时，所述电流变换模块向所述电机驱动回路输出电能，所述电机控制开关闭合，所述交流控制开关断开；在所述系统处于充电模式时，外部交流电源通过所述交流充电插座向所述电流变换模块输入电能，所述交流控制开关闭合，所述电机控制开关断开。
本实用新型还提供一种电动汽车，所述电动汽车包括上述技术方案中的用于电动汽车的分布式双向驱动充电电能变换系统。
本实用新型实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本实用新型一种示例性实施例所提供的技术方案与现有技术相比，具有如下效果：可实现使用单相交流电对电动汽车进行充电，并可以驱动一个三相电机，通过复用高压器件，提高产品功率密度并降低成本，满足电动汽车零部件的发展需求。
当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本实用新型。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型实施例提供的用于电动汽车的分布式双向驱动充电电能变换系统的框图；
图2是本实用新型实施例提供的一种用于电动汽车的分布式双向驱动充电电能变换系统的部分电路图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例性实施方式。然而，示例性实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本实用新型将更加全面和完整，并将示例性实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
用语“一个”、“一”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
下面通过具体实施例并结合附图对本实用新型作进一步详细的描述。
如图1所示，本实用新型实施例提供的用于电动汽车的分布式双向驱动充电电能变换系统，包括高压电池102、电流变换模块105、电机驱动回路、交流充电回路以及控制系统进行驱动模式和充电模式切换的主控单元模块101，其中：主控单元模块101与电流变换模块105连接；电流变换模块105包括并联的第一半桥电路、第二半桥电路和第三半桥电路，第一半桥电路的中点引出电流变换模块105的第一交流端，第二半桥电路的中点引出电流变换模块105的第二交流端，第三半桥电路的中点引出电流变换模块105的第三交流端；电流变换模块105的直流端连接在高压电池102的两端；第一交流端、第二交流端和第三交流端均与电机驱动回路连接；第二交流端和第三交流端均与交流充电回路连接。
以上方案中，根据电动汽车行驶和充电两个不能重合的工作状态，进行深度融合设计，实现半导体功率器件以及高压电容器件的复用，既降优化减小了产品体积也降低了产品成本。
如图1所示，上述系统还包括直流预充模块104，其中，电机驱动回路包括相连接的电机控制开关113和电机114；交流充电回路包括依次连接的功率因数校正PFC功率电感107、交流控制开关109和交流充电插座111；主控单元模块101分别与电流变换模块105、直流预充模块104、电机控制开关113和交流控制开关109的控制端连接；主控单元模块通过对电机控制开关113和交流控制开关109的控制进行驱动模式和充电模式的切换；当系统进行驱动模式时，电流变换模块105向所述电机驱动回路输出电能；当系统进行充电模式时，外部交流电源向所述电流变换模块输入电能。
以下，根据电路图对本实用新型实施例的用于电动汽车的分布式双向驱动充电电能变换系统进行详述。
如图2所示，在本实用新型实施例中，直流预充模块104用于对电流变换模块105中的电容进行预充电，直流预充模块的第一直流端与高压电池的正极相连，直流预充模块的第二直流端与电流变换模块的第一直流端相连，直流预充模块的第三直流端与电流变换模块的第二直流端相连。
具体地，如图2所示，直流预充模块104还包括：第一接触器K1、第一预充电阻R1、第二接触器K2和第三接触器K3，第二接触器K2连接在高压电池102的正极和电流变换模块105的第二直流端之间；第三接触器K3连接在高压电池102的正极和电流变换模块105第一直流端之间；第一接触器K1与第一预充电阻R1串联后与第二接触器K2并联；第一接触器K1、第二接触器K2和第三接触器K3的控制端分别与主控单元模块连接；直流预充模块104与高压电池102集成为一体，以便于组装。
其中，电流变换模块105还包括：第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1、以及并联的第一半桥电路、第二半桥电路和第三半桥电路，第一半桥电路的中点引出电流变换模块的第一交流端，第二半桥电路的中点引出电流变换模块的第二交流端，第三半桥电路的中点引出电流变换模块的第三交流端；第一半桥电路的两端引出电流变换模块的第一直流端和直流地；电流变换模块还包括第二直流端，第二直流端通过第一电感L1与直流预充模块第三直流端连接；第一电容C1连接在第二直流端和直流地之间，第二电容并联在第一半桥电路两端；第一直流端和第二直流端通过直流预充模块104连接在高压电池的正极，直流地与高压电池的负极连接；第一交流端、第二交流端和第三交流端均与电机驱动回路连接；第二交流端与第三交流端均与交流充电回路连接。
进一步地，第一半桥电路、第二半桥电路和第三半桥电路各自包括两个串联的开关器件Q1和Q2、Q3和Q4、Q5和Q6，开关器件的两端反并联一个二极管，开关管可以为绝缘栅双极型晶体管。
这里，主控单元模块(图2中未示出)分别与Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6的控制端连接，控制Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6工作。
如图2所示，电机驱动回路包括相连接的电机控制开关204和电机206；交流充电回路包括依次连接的功率因数校正PFC功率电感L2和L3、交流控制开关K4和交流充电插座205。
其中，电机控制开关还包括分别串联在第一交流端、第二交流端和第三交流端与电机之间的第五接触器K5、第六接触器K6和第七接触器K7。
进一步地，交流控制开关还包括串联在PFC功率电感与所交流充电插座之间的第四继电器K4；第四继电器为两相交流固态继电器，两相交流固态继电器包括两组功率触点。
这里，主控单元模块(图2中未示出)分别与K5、K6、K7和K4的控制端连接，控制K5、K6、K7和K4的通断。
如图2所示，PFC功率电感包括分别串联在第一交流端、第二交流端与第四继电器之间的第二电感L2和第三电感L3。
具体地，主控单元模块(图2中未示出)分别与交流充电插座205的低压信号输出端连接，接收充电插座中的低压信号。主控单元模块根据接收的低压信号或整车控制器的信号进行工作模式的判断。
例如，当电动汽车的充电枪与交流充电插座205连接时，充电枪的低压信号会激活主控单元模块上的低压控制电源，主控单元模块上电后，会将系统的工作模式切换到充电模式。
之后，主控单元模块检测到充电枪连接到该系统，通过充电枪中的PWM信号与充电桩进行信息交互，确认充电桩的供电能力；主控单元模块确认系统各个模块自检无故障后，向第一接触器K1开关发送闭合指令，使第一接触器开关K1闭合以进行系统高压预充电，高压预充电完成后再控制接触器K2闭合。
进一步地，主控单元模块启动电流变换模块105的BOOST功能，通过第一电容器C1、第一电感L1、第二开关Q2、第一二极管D1和第二电容器C2实现BOOST升压功能，对第二电容器C2电压进行升压；主控单元模块控制第四接触器K4闭合，并控制交流充电插座中PWM信号控制开关闭合使9V的PWM信号变换为6V的PWM信号，充电桩检测到6V的PWM信号后会闭合充电桩内的交流接触器，单相两线制交流电会通过交流充电插座进入到本变换系统，此时关闭电流变换模块105的BOOST功能。
进一步地，主控单元模块通过控制器局域网络(CAN)通信方式与车辆的电池管理系统(BMS)和整车控制器(VCU)进行数据交互，了解高压电池102的实时充电需求，主控单元模块首先通过控制第二半桥、第三半桥模块和PFC功率电感进行整流与稳压功能，再启动电流变换模块的BUCK降压功能，通过第一电容器C1、第一电感L1、第一开关Q1、第二二极管D2和第二电容器C2构成BUCK电路。该BUCK电路可以实现从交流电网电源取电，对车载高压电池102进行充电的功能。
其中，当出现高压电池102充满电，或运行中某个部件发生故障，或者充电桩人为停止充电过程操作的情况时，需要终止充电。这时，主控单元模块首先关闭整流功能、然后关闭BUCK功能，通过关闭PWM通信控制开关使PWM信号变为9V信号，充电桩检测到9V信号后关闭内部交流接触器，主控单元模块在检测到交流输入电压信号切断后，断开K2和K4接触器，记录故障后并进入到休眠模式。
基于以上方案，本系统可以实现从交流电网取电，对车载高压电池102进行充电。
当系统进行驱动模式时，主控单元模块通过VCU驱动使能信号激活上低压电，通过CAN通信与VCU进行驱动工作模式确认，然后闭合电机控制开关K5、K6、K7，这时，各个模块自检无故障后，则等待高压电池102上电，主控单元模块首先控制接触器K1闭合进行高压预充电，高压预充电完成后再控制控制接触器K3闭合并断开接触器K1。
进一步地，主控单元模块接收到VCU发送的电机运行指令后，电流变换模块通过PWM调制控制方式进行电机的实时控制。
本实用新型实施例提供的用于电动汽车的分布式双向驱动充电电能变换系统可实现使用单相交流电对电动汽车进行充电，并可以驱动一个三相电机，通过复用高压器件，提高产品功率密度并降低成本，满足电动汽车零部件的发展需求。
本实用新型还提供一种电动汽车，该电动汽车包括上述技术方案中的用于电动汽车的分布式双向驱动充电电能变换系统。
本实用新型实施例提供的电动汽车包括上述技术方案中的电能变换系统，因此与上述电能变换系统具有相同的技术特征，从而也具有提高产品功率密度并降低成本，满足电动汽车的发展需求的技术效果。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本申请旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本实用新型的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种用于电动汽车的分布式双向驱动充电电能变换系统，其特征在于，所述系统包括高压电池、电流变换模块、电机驱动回路、交流充电回路以及控制所述系统进行驱动模式和充电模式切换的主控单元模块，其中：
所述主控单元模块与所述电流变换模块连接；
所述电流变换模块包括并联的第一半桥电路、第二半桥电路和第三半桥电路，所述第一半桥电路的中点引出所述电流变换模块的第一交流端，所述第二半桥电路的中点引出所述电流变换模块的第二交流端，所述第三半桥电路的中点引出所述电流变换模块的第三交流端；
所述电流变换模块的直流端连接在所述高压电池的两端；
所述第一交流端、所述第二交流端和所述第三交流端均与所述电机驱动回路连接；
所述第二交流端和所述第三交流端均与所述交流充电回路连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电流变换模块还包括第一电容、第二电容、第一电感以及直流预充模块，其中：
所述第一半桥电路的两端引出电流变换模块的第一直流端和直流地；
所述电流变换模块还包括第二直流端，所述第二直流端通过所述第一电感与所述第一交流端连接；
所述第一电容连接在所述第二直流端和所述直流地之间，所述第二电容并联在所述第一半桥电路两端；
所述第一直流端和所述第二直流端通过所述直流预充模块连接在所述高压电池的正极，所述直流地与所述高压电池的负极连接。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述直流预充模块的第一直流端与所述高压电池的正极相连，所述直流预充模块的第二直流端与所述电流变换模块的第二直流端相连，所述直流预充模块的第三直流端与所述电流变换模块的第一直流端相连。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述直流预充模块包括：第一接触器、第一预充电阻、第二接触器和第三接触器，所述第二接触器连接在所述高压电池的正极和所述电流变换模块的第二直流端之间；所述第三接触器连接在所述高压电池的正极和所述电流变换模块第一直流端之间；所述第一接触器与所述第一预充电阻串联后与所述第二接触器并联；
所述第一接触器、所述第二接触器和所述第三接触器的控制端分别与所述主控单元模块连接；
所述直流预充模块与所述高压电池集成为一体。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一半桥电路、所述第二半桥电路和所述第三半桥电路各自包括两个串联的开关器件，所述开关器件的两端反并联一个二极管。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电机驱动回路包括相连接的电机控制开关和电机；
所述交流充电回路包括依次连接的功率因数校正PFC功率电感、交流控制开关和交流充电插座。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电机控制开关还包括分别串联在所述第一交流端、所述第二交流端和所述第三交流端与所述电机之间的第五接触器、第六接触器和第七接触器；
所述交流控制开关还包括串联在所述PFC功率电感与所述交流充电插座之间的第四继电器；所述第四继电器为两相交流固态继电器，所述两相交流固态继电器包括两组功率触点。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述PFC功率电感还包括分别串联在所述第一交流端、所述第二交流端与所述第四继电器之间的第二电感和第三电感。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述主控单元模块与所述电流变换模块、所述直流预充模块、所述电机控制开关和所述交流控制开关的控制端分别连接，控制所述电流变换模块、所述直流预充模块、所述电机控制开关和所述交流控制开关工作；
其中，在所述系统处于驱动模式时，所述电流变换模块向所述电机驱动回路输出电能，所述电机控制开关闭合，所述交流控制开关断开；
在所述系统处于充电模式时，外部交流电源通过所述交流充电插座向所述电流变换模块输入电能，所述交流控制开关闭合，所述电机控制开关断开。
10.一种电动汽车，其特征在于，所述电动汽车包括如权利要1至9任一项所述的用于电动汽车的分布式双向驱动充电电能变换系统。
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