CN217514984U - 驱动充电一体电路、充放一体机与电动汽车 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种驱动充电一体电路、充放一体机及电动汽车，涉及电动汽车技术领域。本实用新型所述的驱动充电一体电路，包括整流与逆变单元和DC‑DC变换器。所述DC‑DC变换器包括同步BOOST电路和隔离型CUK‑SEPIC电路；所述整流与逆变单元的整流输出端和所述隔离型CUK‑SEPIC电路的输入端电连接；所述整流与逆变单元的逆变输入端和所述同步BOOST电路的输出端电连接。本实用新型所提供的技术方案，能够提升电网侧与车端的绝缘等级，提高充电安全，降低电池损坏风险。

Description

驱动充电一体电路、充放一体机与电动汽车

技术领域

本实用新型涉及电动汽车技术领域，具体而言，涉及一种驱动充电一体电路、充放一体机与电动汽车。

背景技术

电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶的车辆。在电动汽车中，蓄电池等电源为电动汽车的驱动电动机提供电能，电动机将电源的电能转化为机械能，从而驱动车辆行驶。

现有大多数电动汽车采用车载充电器对蓄电池进行充电，为增加车载充电器的集成度并减小成本，通常会将牵引逆变器与电动汽车电池充电器集成，但是，在给动力电池充电时，从电网端到车端的绝缘等级较弱，易威胁人的安全；且电路发生故障时，容易损坏动力电池。

实用新型内容

本实用新型解决的问题是如何提高现有电机驱动和充电一体机的安全性。

为解决上述问题，本实用新型提供一种驱动充电一体电路，其包括整流与逆变单元和DC-DC变换器。

所述DC-DC变换器包括同步BOOST电路和隔离型CUK-SEPIC电路；所述整流与逆变单元的整流输出端和所述隔离型CUK-SEPIC电路的输入端电连接；所述整流与逆变单元的逆变输入端和所述同步BOOST电路的输出端电连接。

在一个可选的实施方式中，所述隔离型CUK-SEPIC电路中的电感在一个磁芯中集成。

在一个可选的实施方式中，所述隔离型CUK-SEPIC电路包括第一电感、第二电感和第三电感，所述第一电感、所述第二电感和所述第三电感在一个磁芯中集成。

在一个可选的实施方式中，驱动充电一体电路还包括第四开关；所述第一电感的第一端、所述第二电感的第二端和所述第三电感的第二端互为同名端；所述隔离型CUK-SEPIC电路还包括第二功率开关管、第一电容、第一变压器、第二电容、第三电容、第一二极管、第二二极管、第一双掷开关和第二双掷开关；所述第一变压器原边的第一端与所述第一变压器副边的第二端互为同名端；

所述第四开关的一端与所述第一电感的第一端连接；所述第四开关的另一端与所述整流与逆变单元的整流输出端正极连接；所述第一电感的第二端与所述第二功率开关管的漏极连接；所述第一电容的一端与所述第二功率开关管的漏极连接，所述第一电容的另一端与所述第一变压器原边的第一端连接；所述第二功率开关管的源极、所述第一变压器原边的第二端皆与原边地连接；

所述第一变压器副边的第一端与所述第二电容、第三电容的一端连接；所述第二电感的第一端与所述第三电容的另一端连接；所述第二二极管的阳极与所述第二电容的另一端连接；所述第二二极管的阴极、所述第二电感的第二端、所述第一变压器副边的第二端皆与副边地连接；所述第一二极管的阳极与所述第二电感的第二端连接；所述第一二极管的阴极与所述第一双掷开关的第二端连接；所述第三电感的第一端与所述第二二极管的阳极连接；所述第三电感的第二端与所述第二双掷开关的第二端连接；所述第一双掷开关的第一端与所述第一电感的第一端连接；所述第二双掷开关的第一端与所述原边地连接；所述第一双掷开关的公共端用于连接动力电池的正极；所述第二双掷开关的第二端用于连接动力电池的负极。

在一个可选的实施方式中，所述同步BOOST电路与所述隔离型CUK-SEPIC电路复用所述第二功率开关管和所述第一电感；

所述同步BOOST电路还包括第一功率开关管和第四开关；所述第一功率开关管的漏极与所述第二功率开关管的漏极连接；所述第一功率开关管的源极与所述整流与逆变单元的逆变输入端皆与所述第四开关的另一端连接。

在一个可选的实施方式中，所述整流与逆变单元为双向变换器。

在一个可选的实施方式中，所述双向变换器包括由第三功率开关管和第四功率开关管组成的第一桥臂、由第五功率开关管和第六功率开关管组成的第二桥臂、由第七功率开关管和第八功率开关管组成的第三桥臂、第一功率电感、第二功率电感、第三功率电感、第一开关、第二开关和第三开关；所述第一功率电感、第二功率电感、第三功率电感的一端用于与电网连接；所述第一功率电感、第二功率电感、第三功率电感的另一端分别与所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中点位置连接；所述第二桥臂的一端与所述第一桥臂、第三桥臂的一端连接，所述第二桥臂的另一端与所述第一桥臂、第三桥臂的另一端连接；所述第三桥臂的一端还与所述第四开关的另一端连接；所述第一开关、第二开关、第三开关的一端分别与所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中点位置连接；所述第一开关、第二开关、第三开关的另一端用于与驱动电机连接。

在一个可选的实施方式中，所述电网为三相电、两相电或单相电。

本实用新型所述的驱动充电一体电路，实现了电机驱动与充电的集成，且在车载充电时具有隔离效果，能够避免非隔离电路导致的充电危险和电池损坏的风险，能够提高驱动充电一体电路的安全性。该集成方案仅需一个主控制器即可实现所有控制逻辑，有利于降低整车成本。

本实用新型还提供一种充放一体机，其包括驱动电机、动力电池、控制器和上述驱动充电一体电路。所述充放一体机包括了与上述任一实施例所述驱动充电一体电路相对于现有技术所具有的优势，在此不再赘述。

本实用新型还提供一种电动汽车，其包括上述任一实施例所述充放一体机。所述电动汽车包括了与上述充放一体机相对于现有技术所具有的优势，在此不再赘述。

附图说明

图1为本实用新型实施例中的驱动充电一体电路的示意图；

图2为现有驱动充电一体机的示意图；

图3为本实用新型实施例中的驱动充电一体电路工作在充电模式下的示意图；

图4为本实用新型实施例中的第二功率开关管S2导通时的充电模式示意图；

图5为本实用新型实施例中的第二功率开关管S2断开时的充电模式示意图；

图6为本实用新型实施例中的隔离型CUK-SEPIC电路工作关键波形示意图；

图7为本实用新型实施例中的驱动充电一体电路工作在电驱模式下的示意图；

图8为本实用新型实施例中的驱动充电一体电路工作在V2G模式下的示意图；

图9为本实用新型实施例中的充放一体机的控制框图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细的说明。

如图2所示，现有技术中将车载充电机与电机驱动集成一体，相对于分散独立的电机驱动器和车载充电器而言，能够优化整车布局且降低成本。但是该方案在给动力电池充电时，从电网端到车端的绝缘等级较弱，易威胁人的安全；且电路发生故障时，容易损坏动力电池。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种驱动充电一体电路，该电路包括整流与逆变单元和DC-DC变换器。

DC-DC变换器包括同步BOOST电路和隔离型CUK-SEPIC(CUK与SEPIC组合型)电路。整流与逆变单元的整流输出端和隔离型CUK-SEPIC电路的输入端电连接；整流与逆变单元的逆变输入端和同步BOOST电路的输出端电连接。

同步BOOST电路主要用于在电驱模式和V2G模式下将动力电池组电压升高，以减小直流母线电流。隔离型CUK-SEPIC电路则主要用于在充电模式下为电池提供稳定的充电电压和电流。在DC-DC变换器部分采用隔离型CUK-SEPIC电路，可提升电网侧与车端之间的绝缘等级，从而降低充电风险和电池损坏风险。

通过本实施例，可实现电机驱动与充电的集成，且在车载充电时具有隔离效果，能够避免非隔离电路导致的充电危险和电池损坏的风险，能够提高驱动充电一体电路的安全性。

在本实施例中，隔离型CUK-SEPIC电路中的电感在一个磁芯中集成。DC-DC变换器使用磁集成技术，使得DC-DC变换器输入电流纹波减小，可降低直流母线滤波电容容值，降低直流侧滤波电容体积。

在本实施例中，隔离型CUK-SEPIC电路包括第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3，第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3在一个磁芯中集成。

需要说明的是，在其他实施方式中，第二电感L2和第三电感L3可集成在一个磁芯中，则第一电感L1对应单独的磁芯。

具体地，在本实施例中，驱动充电一体电路还包括第四开关F4。第一电感L1的第一端、第二电感L2的第二端和第三电感L3的第二端互为同名端。

隔离型CUK-SEPIC电路还包括第二功率开关管S2、第一电容C1、第一变压器T、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2、第一双掷开关K1和第二双掷开关K2。第一变压器T原边的第一端与第一变压器T副边的第二端互为同名端。

第四开关F4的一端与第一电感L1的第一端连接。第四开关F4的另一端与整流与逆变单元的整流输出端正极连接。第一电感L1的第二端与第二功率开关管S2的漏极连接。第一电容C1的一端与第二功率开关管S2的漏极连接。第一电容C1的另一端与第一变压器T原边的第一端连接。第二功率开关管S2的源极、第一变压器T原边的第二端皆与原边地PGND连接。需要说明的是，第一变压器T将电路的地隔离出原边地PGND和副边地SGND。

第一变压器T副边的第一端与第二电容C2、第三电容C3的一端连接。第二电感L2的第一端与第三电容C3的另一端连接。第二二极管D2的阳极与第二电容C2的另一端连接。第二二极管D2的阴极、第二电感L2的第二端、第一变压器T副边的第二端皆与副边地连接。第一二极管D1的阳极与第二电感L2的第二端连接。第一二极管D1的阴极与第一双掷开关K1的第二端2连接。第三电感L3的第一端与第二二极管D2的阳极连接。第三电感L3的第二端与第二双掷开关K2的第二端2连接。第一双掷开关K1的第一端1与第一电感L1的第一端连接。第二双掷开关K2的第一端1与原边地连接。第一双掷开关K1的公共端用于连接动力电池Battery的正极。第二双掷开关K2的第二端2用于连接动力电池Battery的负极。

在本实施例中，隔离型CUK-SEPIC电路还包括第三滤波电容CE3和第四滤波电容CE4。第一二极管D1的阴极通过第四滤波电容CE4连接副边地。第三电感L3的第二端通过第三滤波电容CE3连接副边地。

具体地，在本实施例中，同步BOOST电路与隔离型CUK-SEPIC电路复用第二功率开关管S2和第一电感L1。

同步BOOST电路还包括第一功率开关管S1和第四开关F4。第一功率开关管S1的漏极与第二功率开关管S2的漏极连接。第一功率开关管S1的源极与整流与逆变单元的逆变输入端皆与第四开关F4的另一端连接。

在本实施例中，同步BOOST电路还包括第二滤波电容CE2。第四开关F4的另一端通过第二滤波电容CE2连接原边地。

工作时，当动力电池需要充电时，第四开关F4闭合，双掷开关K1、K2置于“2”，通过控制器给第二功率开关管S2相应的PWM信号即可将直流母线DC-BUS电压变换至动力电池所需电压进行充电。当动力电池放电时，开关F4断开，开关K1、K2置于“1”，通过控制功率开关管S2、S1的PWM信号，可以将动力电池电压升压至设定DC-BUS电压以满足电机驱动或电网需求。其中在同步BOOST变换器工作期间，功率开关管S1、S2的PWM信号互补。

在满足电机驱动或电网需求的同时，本实施例通过复用第二功率开关管S2和第一电感L1，可减少器件，节约空间，有利于降低成本。

具体地，整流与逆变单元为双向变换器。该双向变换器的正向为整流功能，用于将电网交流电变换为高压直流电，反向为逆变功能。相对于传统技术中一个变换器用于整流、另一个变换器用于逆变的方案来说，能够有效提高驱动充电一体电路的集成度，有利于降低成本。

在本实施例中，双向变换器为三相三桥臂结构。具体地，双向变换器包括由第三功率开关管Q1和第四功率开关管Q2组成的第一桥臂、由第五功率开关管Q3和第六功率开关管Q4组成的第二桥臂、由第七功率开关管Q5和第八功率开关管Q6组成的第三桥臂、第一功率电感La、第二功率电感Lb、第三功率电感Lc、第一开关F1、第二开关F2和第三开关F3。第一功率电感La、第二功率电感Lb、第三功率电感Lc的一端用于与电网连接。电网可以是三相电、两相电或单相电。第一功率电感La、第二功率电感Lb、第三功率电感Lc的另一端分别与第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中点位置连接。第二桥臂的一端与第一桥臂、第三桥臂的一端连接。第二桥臂的另一端与第一桥臂、第三桥臂的另一端连接。第三桥臂的一端还与第四开关F4的另一端连接。第一开关F1、第二开关F2、第三开关F3的一端分别与第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中点位置连接。第一开关F1、第二开关F2、第三开关F3的另一端用于与驱动电机Motor连接。

利用电机驱动器和三相/单相交流电逆变器电路结构一致，本实施例对电路结构进行复用，通过控制开关F1、F2、F3的开断来切换电机驱动器功能和逆变器功能。

需要说明的是，本领域技术人员应当知道，开关的受控端、功率开关管的栅极可用于接收控制信号或控制指令，本实施例附图中已对其省略表示。

工作时，在动力电池充电时，双向变换器开启整流功能。示例性地，双向变换器可将电网电压变换为高压直流母线DC-BUS(500～1000V)，对于电压在200～800V之间的动力电池，此时可控制DCDC电路开启降压功能。在动力电池放电时，为了降低母线电流，可控制DCDC电路开启升压功能。

其中，在本实用新型实施例的各个附图中，深色表示器件运行，浅色表示暂停运行，例如图3中，驱动电机为浅色，则表示暂停运行，变换器为深色，则表示运行中。

图3为本实用新型实施例中的驱动充电一体电路工作在充电模式下的示意图。如图3所示，开关K1、K2置于触点2，电池与隔离型CUK-SEPIC电路连接，开关F4闭合，开关F1至F3断开，电机驱动处于关闭状态，电网通过整流器将交流电变换为直流DC-BUS，通过单开关管S2将DC-BUS电压变换为动力电池组电压，为动力电池充电。

结合图4所示，当开关管S2导通时，如回路H1所示，DC-BUS为电感L1激磁储能，回路H2所示电容C1放电，回路H3所示电容C2、C3放电为电感L2、L3充电储能，即该阶段中所有电感充电、电容放电。

结合图5所示，当开关管S2断开时，回路H4所示电感L1放电、电容C1充电，回路H5、H6电感L2、L3放电，电容C2、C3充电，回路H7、H8所示电感L2、L3通过二极管D1、D2续流，为负载提供能量。

结合图6所示，T0至T1时刻的波形对应开关管S2断开，T1至T2时刻的波形对应开关管S2导通，其中，IL1、IL2、IL3表示电感L1、L2、L3中的电流纹波，IBAT表示输出电流，Vds_S2表示开关管S2中ds两端电压波形，Ids_S2表示开关管S2中ds两端电流波形。

在充电模式下，隔离型CUK-SEPIC电路可以提供较大的升压和降压转换比，当占空比(D)大于50％时为升压模式，占空比(D)小于50％时为降压模式，转换器的总增益为2D/(n*(1-D))，其中n为所述第一变压器T的匝比。

不同的输出/输入电压比允许在相同的占空比范围内调节更大的输入电压变化，也能允许转换器以更窄的占空比范围处理相同的输入电压变化，从而允许使用更小的电感器。当DC-BUS电压有较大波动时，也能稳定输出电压，为动力电池充电。通过设置隔离型CUK-SEPIC电路中每个正负直流输出端子的输出/输入比，当DC-BUS电压有较大波动时，也能稳定输出电压，从而提高电池充电稳定性。

图7为本实用新型实施例中的驱动充电一体电路工作在电驱模式下的示意图。如图7所示，开关K1、K2置于触点1，电池与同步BOOST电路连接，开关F4断开，开关F1至F3闭合，动力电池通过电感L1、开关管S1、开关管S2、电容CE2构成的BOOST电路将动力电池组电压升高，以减小直流母线电流，再通过变换器将电能传递至驱动电机。

图8为本实用新型实施例中的驱动充电一体电路工作在V2G模式下的示意图。如图8所示，开关K1、K2置于触点1，电池与同步BOOST电路连接，开关F1至F4断开，动力电池通过电感L1、开关管S1、开关管S2、电容CE2构成的BOOST电路将动力电池组电压升高，以减小直流母线电流；此时整流与逆变单元实现逆变器功能，将DC-BUS电压逆变为单相/三相电压与电网并网(V2G模式，全称Vehicle-to-grid，车辆到电网)。通过各开关的断开和闭合实现电池在V2G模式下的运行，为电网侧传输能量。

本实用新型另一实施例提供一种充放一体机，包括驱动电机、动力电池、控制器和上述实施例所述的驱动充电一体电路。图9为本实用新型一实施例中的充放一体机的控制框图。多种工作模式仅需要一块控制器控制。控制器通过检测外部信号识别charging/motoring/V2G，可进行开关配置以及模式的切换动作；通过采集交流侧电压Vac、电流Iac，以及直流母线电压Vdc_bus可实现整流和V2G功能；通过采集电池电压Vabt、电流Ibat，可对动力电池组进行充电、放电控制；在电驱模式下，通过采集电机霍尔信号HallA、HallB、HallC，来定义电机驱动逻辑。

本实用新型另一实施例提供一种电动汽车，包括上述驱动充电一体机。

虽然本实用新型公开披露如上，但本实用新型公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本实用新型公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种驱动充电一体电路，其特征在于，包括整流与逆变单元和DC-DC变换器；

所述DC-DC变换器包括同步BOOST电路和隔离型CUK-SEPIC电路；所述整流与逆变单元的整流输出端和所述隔离型CUK-SEPIC电路的输入端电连接；所述整流与逆变单元的逆变输入端和所述同步BOOST电路的输出端电连接。

2.根据权利要求1所述的驱动充电一体电路，其特征在于，所述隔离型CUK-SEPIC电路中的电感在一个磁芯中集成。

3.根据权利要求2所述的驱动充电一体电路，其特征在于，所述隔离型CUK-SEPIC电路包括第一电感、第二电感和第三电感，所述第一电感、所述第二电感和所述第三电感在一个磁芯中集成。

4.根据权利要求3所述的驱动充电一体电路，其特征在于，还包括第四开关；所述第一电感的第一端、所述第二电感的第二端和所述第三电感的第二端互为同名端；所述隔离型CUK-SEPIC电路还包括第二功率开关管、第一电容、第一变压器、第二电容、第三电容、第一二极管、第二二极管、第一双掷开关和第二双掷开关；所述第一变压器原边的第一端与所述第一变压器副边的第二端互为同名端；

所述第四开关的一端与所述第一电感的第一端连接；所述第四开关的另一端与所述整流与逆变单元的整流输出端正极连接；所述第一电感的第二端与所述第二功率开关管的漏极连接；所述第一电容的一端与所述第二功率开关管的漏极连接，所述第一电容的另一端与所述第一变压器原边的第一端连接；所述第二功率开关管的源极、所述第一变压器原边的第二端皆与原边地连接；

所述第一变压器副边的第一端与所述第二电容、第三电容的一端连接；所述第二电感的第一端与所述第三电容的另一端连接；所述第二二极管的阳极与所述第二电容的另一端连接；所述第二二极管的阴极、所述第二电感的第二端、所述第一变压器副边的第二端皆与副边地连接；所述第一二极管的阳极与所述第二电感的第二端连接；所述第一二极管的阴极与所述第一双掷开关的第二端连接；所述第三电感的第一端与所述第二二极管的阳极连接；所述第三电感的第二端与所述第二双掷开关的第二端连接；所述第一双掷开关的第一端与所述第一电感的第一端连接；所述第二双掷开关的第一端与所述原边地连接；所述第一双掷开关的公共端用于连接动力电池的正极；所述第二双掷开关的第二端用于连接动力电池的负极。

5.根据权利要求4所述的驱动充电一体电路，其特征在于，所述同步BOOST电路与所述隔离型CUK-SEPIC电路复用所述第二功率开关管和所述第一电感；

所述同步BOOST电路还包括第一功率开关管和第四开关；所述第一功率开关管的漏极与所述第二功率开关管的漏极连接；所述第一功率开关管的源极与所述整流与逆变单元的逆变输入端皆与所述第四开关的另一端连接。

6.根据权利要求5所述的驱动充电一体电路，其特征在于，所述整流与逆变单元为双向变换器。

7.根据权利要求6所述的驱动充电一体电路，其特征在于，所述双向变换器包括由第三功率开关管和第四功率开关管组成的第一桥臂、由第五功率开关管和第六功率开关管组成的第二桥臂、由第七功率开关管和第八功率开关管组成的第三桥臂、第一功率电感、第二功率电感、第三功率电感、第一开关、第二开关和第三开关；所述第一功率电感、第二功率电感、第三功率电感的一端用于与电网连接；所述第一功率电感、第二功率电感、第三功率电感的另一端分别与所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中点位置连接；所述第二桥臂的一端与所述第一桥臂、第三桥臂的一端连接，所述第二桥臂的另一端与所述第一桥臂、第三桥臂的另一端连接；所述第三桥臂的一端还与所述第四开关的另一端连接；所述第一开关、第二开关、第三开关的一端分别与所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中点位置连接；所述第一开关、第二开关、第三开关的另一端用于与驱动电机连接。

8.根据权利要求7所述的驱动充电一体电路，其特征在于，所述电网为三相电、两相电或单相电。

9.一种充放一体机，其特征在于，包括驱动电机、动力电池、控制器、以及如权利要求1至8任一项所述的驱动充电一体电路。

10.一种电动汽车，其特征在于，包括如权利要求9所述的充放一体机。

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