CN219394710U - 一种电动汽车的功率变换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种电动汽车的功率变换器，包括：三相电网接口、单相电网接口、电机绕组接口、母线、三相全桥变换器、CLLC变换器、继电器Ja、Jb、Jc‑1、Jc‑2和Jd、电容Cdc和电容Ctra；三相全桥变换器、Cdc、CLLC变换器和Ctra依次并联，三相全桥变换器的输入端接入母线，Ctra的两端分别与电动汽车的牵引电池的正极和负极连接；三相电网接口通过Jb和Jd接入母线，单相电网接口通过Jd接入母线，电机绕组接口通过Ja接入母线；Jc‑1和Jc‑2的一端均与CLLC变换器的原边连接，另一端均与CLLC变换器的副边连接；电动汽车的辅助电池的正极通过Jb接入母线。本实用新型不仅用于驱动电动汽车行驶，还用于给电动汽车的电池充电，具备良好的电气隔离的能力，安全性和可靠性很高。
Description
技术领域
本实用新型属于电动汽车技术领域，具体涉及一种电动汽车的功率变换器。
背景技术
与传统的燃油汽车相比，电动汽车具有二氧化碳排放量低、环保、维护和使用成本较低等优势，因此引起了广泛关注。对于电动汽车而言，充电系统和驱动系统是极其重要的。传统的电动汽车的驱动系统和充电系统是相互独立的，这增加了电动汽车的体积、重量和费用，限制了电动汽车的发展。此外，由于三相系统和单相系统的差异，传统的电动汽车的充电系统通常针对其中的一种系统进行设计，无法实现两种系统的切换使用，这对使用者造成了很大的不便。不仅如此，传统的单相充电系统为了消除固有的二倍频的纹波功率，通常会在直流母线侧并联大容量的电解电容。但是由于电解电容体积大，寿命短，严重影响了电动汽车的可靠性。
实用新型内容
为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种电动汽车的功率变换器。
第一方面，提供一种电动汽车的功率变换器，所述功率变换器包括：三相电网接口、单相电网接口、电机绕组接口、母线、三相全桥变换器、CLLC变换器、继电器Ja、继电器Jb、继电器Jc-1、继电器Jc-2和继电器Jd、电容Cdc和电容Ctra；
所述三相全桥变换器、所述电容Cdc、所述CLLC变换器和所述电容Ctra依次并联，所述三相全桥变换器的输入端接入所述母线，所述电容Ctra的两端分别与电动汽车的牵引电池的正极和负极连接；
所述三相电网接口通过继电器Jb和继电器Jd接入母线，所述单相电网接口通过继电器Jd接入母线，所述电机绕组接口通过继电器Ja接入母线；
所述继电器Jc-1和所述继电器Jc-2的一端均与所述CLLC变换器的原边连接，另一端均与所述CLLC变换器的副边连接；
电动汽车的辅助电池的正极通过所述继电器Jb接入母线。
优选的，所述功率变换器还包括：电感La、电感Lb、电感Laux和电容Caux；
所述电感La和所述电感Lb的一端均与继电器Jd连接，另一端均与母线连接；
所述电感Laux的一端与继电器Jb连接，另一端均与母线连接；
所述电容Caux的一端通过所述继电器Jb接入母线，另一端分别与电动汽车的辅助电池的负极和电动汽车的牵引电池的负极连接。
优选的，所述三相全桥变换器包括：依次并联的单相全桥变换器和半桥变换器。
优选的，所述单相全桥变换器包括：功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3和功率开关管Q4；
所述功率开关管Q1和功率开关管Q2相连，组成第一支路；
所述功率开关管Q3和功率开关管Q4相连，组成第二支路；
所述第一支路、所述第二支路和所述半桥变换器依次并联连接。
优选的，所述半桥变换器包括：功率开关管Q5和功率开关管Q6；
所述功率开关管Q5和功率开关管Q6相连，组成第三支路；
所述第三支路与所述第二支路并联连接；
所述功率开关管Q1和功率开关管Q2之间的连接点、所述功率开关管Q3和功率开关管Q4之间的连接点和所述功率开关管Q5和功率开关管Q6之间的连接点为所述三相全桥变换器的输入端。
优选的，所述三相全桥变换器中的功率开关管由三极管反并联一个二极管组成，所述CLLC变换器中的功率开关管由三极管反并联一个二极管和一个电容组成。
优选的，所述继电器Ja为三刀单掷继电器。
优选的，所述继电器Jb为双刀双掷继电器。
优选的，所述继电器Jc-1、和继电器Jc-2均为单刀单掷继电器。
优选的，所述继电器Jd为单刀三掷继电器。
本实用新型上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：
本实用新型提供的一种电动汽车的功率变换器，包括：三相电网接口、单相电网接口、电机绕组接口、母线、三相全桥变换器、CLLC变换器、继电器Ja、继电器Jb、继电器Jc-1、继电器Jc-2和继电器Jd、电容Cdc和电容Ctra；三相全桥变换器、电容Cdc、CLLC变换器和电容Ctra依次并联，三相全桥变换器的输入端接入母线，电容Ctra的两端分别与电动汽车的牵引电池的正极和负极连接；三相电网接口通过继电器Jb和继电器Jd接入母线，单相电网接口通过继电器Jd接入母线，电机绕组接口通过继电器Ja接入母线；继电器Jc-1和继电器Jc-2的一端均与CLLC变换器的原边连接，另一端均与CLLC变换器的副边连接；电动汽车的辅助电池的正极通过继电器Jb接入母线。本实用新型提供的功率变换器，元器件利用率高，集成度高，功能更加完备，不仅可以用来驱动电动汽车行驶，也可以用来给电动汽车的牵引电池充电；当它用来给电池充电时，不仅可以配置成单相模式，也可以配置成三相模式，具备良好的电气隔离的能力；当它配置成单相模式时，可以有效的消除单相模式中存在的二倍频纹波功率，安全性和可靠性很高。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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是本实用新型提供的一种电动汽车的功率变换器的主要结构示意图；
图2是本实用新型提供的G2V(1P)模式和V2G(1P)模式电路拓扑图；
图3是本实用新型提供的功率解耦电路的工作状态示意图；
图4是本实用新型提供的功率解耦电路的运行波形图；
图5是本实用新型提供的CLLC变换器BE-FBC的工作状态示意图；
图6是本实用新型提供的G2V(3P)模式和V2G(3P)模式电路拓扑图；
图7是本实用新型提供的T2A模式电路拓扑图；
图8是本实用新型提供的T2M模式电路拓扑图；
图中，1-单相电网接口，2-三相电网接口，3-三相电网接口，4-电机绕组接口，5-母线，vaux-电动汽车的辅助电池，vtra-电动汽车的牵引电池，MDC-三相全桥变换器，FE-FBC-单相全桥变换器，ME-HBC-半桥变换器，BE-FBC-CLLC变换器，Q7-CLLC变换器中的功率开关管，Q8-CLLC变换器中的功率开关管，Q9-CLLC变换器中的功率开关管，Q10-CLLC变换器中的功率开关管，Q11-CLLC变换器中的功率开关管，Q12-CLLC变换器中的功率开关管，Q13-CLLC变换器中的功率开关管，Q14-CLLC变换器中的功率开关管。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如背景技术中所公开的，与传统的燃油汽车相比，电动汽车具有二氧化碳排放量低、环保、维护和使用成本较低等优势，因此引起了广泛关注。对于电动汽车而言，充电系统和驱动系统是极其重要的。传统的电动汽车的驱动系统和充电系统是相互独立的，这增加了电动汽车的体积、重量和费用，限制了电动汽车的发展。此外，由于三相系统和单相系统的差异，传统的电动汽车的充电系统通常针对其中的一种系统进行设计，无法实现两种系统的切换使用，这对使用者造成了很大的不便。不仅如此，传统的单相充电系统为了消除固有的二倍频的纹波功率，通常会在直流母线侧并联大容量的电解电容。但是由于电解电容体积大，寿命短，严重影响了电动汽车的可靠性。
为了改善上述问题，本实用新型提供一种电动汽车的功率变换器，不仅可以用来驱动电动汽车行驶，也可以用来给电动汽车的牵引电池充电；当它用来给电池充电时，不仅可以配置成单相模式，也可以配置成三相模式，具备良好的电气隔离的能力；当它配置成单相模式时，可以有效的消除单相模式中存在的二倍频纹波功率，安全性和可靠性很高。
下面对上述方案进行详细阐述。
实施例一
本实用新型提供一种电动汽车的功率变换器，如图1所示，该功率变换器包括：三相电网接口2-3、单相电网接口1、电机绕组接口4、母线5、三相全桥变换器MDC、CLLC变换器BE-FBC、继电器Ja、继电器Jb、继电器Jc-1、继电器Jc-2和继电器Jd、电容Cdc和电容Ctra；
三相全桥变换器MDC、电容Cdc、CLLC变换器BE-FBC和电容Ctra依次并联，三相全桥变换器MDC的输入端接入母线5，电容Ctra的两端分别与电动汽车的牵引电池vtra的正极和负极连接；
三相电网接口2-3通过继电器Jb和继电器Jd接入母线5，单相电网接口1通过继电器Jd接入母线5，电机绕组接口4通过继电器Ja接入母线5；
继电器Jc-1和继电器Jc-2的一端均与CLLC变换器BE-FBC的原边连接，另一端均与CLLC变换器BE-FBC的副边连接；
电动汽车的辅助电池vaux的正极通过继电器Jb接入母线5。
进一步的，功率变换器还包括：电感La、电感Lb、电感Laux和电容Caux；
电感La和电感Lb的一端均与继电器Jd连接，另一端均与母线5连接；
电感Laux的一端与继电器Jb连接，另一端均与母线5连接；
电容Caux的一端通过继电器Jb接入母线5，另一端分别与电动汽车的辅助电池vaux的负极和电动汽车的牵引电池vtra的负极连接。
进一步的，三相全桥变换器MDC包括：依次并联的单相全桥变换器FE-FBC和半桥变换器ME-HBC。
三相全桥变换器MDC作为一个整体使用有三种功能：作为三相整流器给牵引电池充电；作为三相逆变器，将牵引电池的电能回馈给电网；或作为三相逆变器来驱动电机。单相全桥变换器FE-FBC有两种功能：作为单相整流器给牵引电池充电；作为单相逆变器将牵引电池电能释放到电网中。半桥变换器ME-HBC有两个重要功能：作为降压型有源功率解耦电路(APD)吸收单相模式中的二倍频纹波功率以及给辅助电池充电的降压型直流变换器。CLLC变换器BE-FBC作为双向谐振DC-DC变换器，在牵引电池充放电模式下，保证电动汽车与电网之间的电气隔离；在辅助电池充电模式下，保证牵引电池与辅助电池之间的电气隔离。继电器Ja、Jb、Jc-1、Jc-2和Jd用来切换功率变换器的工作模式。
进一步的，单相全桥变换器FE-FBC包括：功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3和功率开关管Q4；
功率开关管Q1和功率开关管Q2相连，组成第一支路；
功率开关管Q3和功率开关管Q4相连，组成第二支路；
第一支路、第二支路和半桥变换器ME-HBC依次并联连接。
进一步的，半桥变换器ME-HBC包括：功率开关管Q5和功率开关管Q6；
功率开关管Q5和功率开关管Q6相连，组成第三支路；
第三支路与第二支路并联连接；
功率开关管Q1和功率开关管Q2之间的连接点、功率开关管Q3和功率开关管Q4之间的连接点和功率开关管Q5和功率开关管Q6之间的连接点为三相全桥变换器MDC的输入端。
进一步的，三相全桥变换器MDC中的功率开关管Q1-Q6由三极管反并联一个二极管组成，CLLC变换器BE-FBC中的功率开关管Q7-Q14由三极管反并联一个二极管和一个电容组成。
进一步的，继电器Ja为三刀单掷继电器；继电器Jb为双刀双掷继电器；继电器Jc-1、和继电器Jc-2均为单刀单掷继电器；继电器Jd为单刀三掷继电器。
本实用新型提供的一种电动汽车的功率变换器，包括：三相电网接口2-3、单相电网接口1、电机绕组接口4、母线5、三相全桥变换器MDC、CLLC变换器BE-FBC、继电器Ja、继电器Jb、继电器Jc-1、继电器Jc-2和继电器Jd、电容Cdc和电容Ctra；三相全桥变换器MDC、电容Cdc、CLLC变换器BE-FBC和电容Ctra依次并联，三相全桥变换器MDC的输入端接入母线5，电容Ctra的两端分别与电动汽车的牵引电池vtra的正极和负极连接；三相电网接口2-3通过继电器Jb和继电器Jd接入母线5，单相电网接口1通过继电器Jd接入母线5，电机绕组接口4通过继电器Ja接入母线5；继电器Jc-1和继电器Jc-2的一端均与CLLC变换器BE-FBC的原边连接，另一端均与CLLC变换器BE-FBC的副边连接；电动汽车的辅助电池vaux的正极通过继电器Jb接入母线5。该功率变换器，元器件利用率高，集成度高，功能更加完备，不仅可以用来驱动电动汽车行驶，也可以用来给电动汽车的牵引电池vtra充电；当它用来给电池充电时，不仅可以配置成单相模式，也可以配置成三相模式，具备良好的电气隔离的能力；当它配置成单相模式时，可以有效的消除单相模式中存在的二倍频纹波功率，安全性和可靠性很高。
为进一步说明上述的电动汽车的功率变换器，本实用新型提供一种电动汽车的功率变换器的工作原理，如下所示：
(1)当继电器Jd接入单相电网接口1，且继电器Jb接入电容Caux的一端，且继电器Ja、继电器Jc-1和继电器Jc-2断开时，三相全桥变换器MDC中的功率开关管和CLLC变换器BE-FBC中的功率开关管全部导通，进而使单相电网为电动汽车的牵引电池vtra充电或电动汽车的牵引电池vtra向单相电网放电；
其中，当单相电网为电动汽车的牵引电池vtra充电时，功率变换器工作在G2V(1P)模式，即Single-phase grid to vehicle；当电动汽车的牵引电池vtra向单相电网放电时(即牵引电池回馈能量至单相电网)，功率变换器工作在V2G(1P)模式，即Vehicle tosingle-phase grid。
如图2所示，将继电器Jd接入单相电网接口1，将继电器Jb接入电容Caux的一端，断开继电器Ja、继电器Jc-1和继电器Jc-2，单相全桥变换器FE-FBC被用作单相变换器，将单向电网输出的交流电iac转换为直流电，并且实现单位功率因数运行。半桥变换器ME-HBC、电感Laux和电容Caux组成buck型有源功率解耦电路(APD)，滤除二倍频纹波功率，直流母线侧的电容的容量大大减小，一些实施例中可以但不限于采用薄膜电容替代电解电容，提高了系统的可靠性。当牵引电池荷电状态(SOC)较低时，电网对牵引电池进行充电，电能从电网流向牵引电池(G2V(1P))。牵引电池也可以通过CLLC变换器BE-FBC和单相全桥变换器FE-FBC将剩余能量回馈到单相电网(V2G(1P))。CLLC变换器BE-FBC实现了牵引电池与单相电网之间的电气隔离。
当电路运行在G2V(1P)模式和V2G(1P)模式时，功率解耦电路的工作状态及运行波形分别如图3和图4所示。当输入功率Pin大于设定功率Pdc时，有两种工作状态，其中，uGS5为功率开关管Q5的运行波形，uGS6为功率开关管Q6的运行波形，vCmax为电容Caux的最大电压，vCmin为电容Caux的最小电压，vdc为电容Cdc两端的电压。
功率解耦电路工作在buck模式：如图3(a)所示，当功率开关管Q5打开、功率开关管Q6关闭时，纹波电流流过功率开关管Q5、电感Laux和电容Caux；从图4可以看出，在此状态下，纹波电流为Laux和Caux充电，导致电感Laux电流iLaux和电容Caux电压vCaux升高；
如图3(b)所示，当功率开关管Q5关闭、功率开关管Q6打开时，如存储在电感Laux的能量通过功率开关管Q6流入电容Caux,。虽然电感电流iLaux下降，但仍是正向，电容Caux电压vCaux持续上升；
当输入功率Pin小于设定功率Pdc时，功率解耦电路工作在boost模式，如图3(c)和图4所示，当功率开关管Q6打开、功率开关管Q5关闭时，电容Caux给电感Laux充电，导致电感电流反向上升并且电容电压下降；
如图3(d)所示，当功率开关管Q6关闭、功率开关管Q5导通时，电感Laux和电容Caux将存储的能量释放到母线5上。
另外，CLLC变换器BE-FBC实现了电网与牵引电池之间的隔离，确保了牵引电池的安全。它的工作状态如图5所示，一共八个状态，其中前半周期的四个状态与后半周期的四个状态相同，这里只列出前半个周期的工作状态。
(2)当继电器Jd接入三相电网接口2，且继电器Jb接入三相电网接口3，且继电器Ja、继电器Jc-1和继电器Jc-2断开时，三相全桥变换器MDC中的功率开关管和CLLC变换器BE-FBC中的功率开关管全部导通，进而使三相电网为电动汽车的牵引电池vtra充电或电动汽车的牵引电池vtra向三相电网放电；
其中，当三相电网为电动汽车的牵引电池vtra充电时，功率变换器工作在G2V(3P)模式，即Three-phase grid to vehicle；当电动汽车的牵引电池vtra向三相电网放电时(即牵引电池回馈能量至三相电网)，功率变换器工作在V2G(3P)模式，即Vehicle to three-phase grid。
如图6所示，继电器Jd接入三相电网接口2，继电器Jb接入三相电网接口3，继电器Ja、继电器Jc-1和继电器Jc-2断开，电路连接到三相电网。此时，三相电网产生的三相电流ia、ib和ic流入功率变换器，三相全桥变换器MDC作为三相变换器运行。牵引电池可以通过三相电网进行充电(G2V(3P))，也可向三相电网释放电能(V2G(3P))。CLLC变换器BE-FBC保证了三相电网与牵引电池的电气隔离。BE-FBC的运行模式与上述实施例二中单相模式相同。
(3)当继电器Jb接入电动汽车的辅助电池vaux的正极，且继电器Ja、继电器Jc-1、继电器Jc-2和继电器Jd断开时，半桥变换器中的功率开关管ME-HBC和CLLC变换器BE-FBC中的功率开关管全部导通，电动汽车的牵引电池vtra为电动汽车的辅助电池充电vaux；
其中，当电动汽车的牵引电池vtra为电动汽车的辅助电池vaux充电时，功率变换器工作在T2A模式，即Traction battery to auxiliary battery。
如图7所示，当辅助电池电量较低时，继电器Jb接入电动汽车的辅助电池vaux的正极，断开继电器Ja、继电器Jc-1、继电器Jc-2和继电器Jd。牵引电池通过半桥变换器ME-HBC和CLLC变换器BE-FBC给辅助电池充电。此时半桥变换器ME-HBC、电感Laux和电容Caux构成降压型直流变换器，BE-FBC实现牵引电池与辅助电池之间的电气隔离，电能从牵引电池流向辅助电池。
(4)当继电器Ja和继电器Jc-1和继电器Jc-2闭合，且继电器Jb和继电器Jd断开时，三相全桥变换器中的功率开关管全部导通，电动汽车的牵引电池vtra驱动电动汽车的电机；
其中，当电动汽车的牵引电池vtra驱动电动汽车的电机时，功率变换器工作在T2M模式，即Traction battery to motor。
如图8所示，当闭合继电器Ja和继电器Jc-1和继电器Jc-2，断开继电器Jb和继电器Jd时，功率变换器工作在电机驱动模式，此时，三相全桥变换器MDC作为一个三相逆变器来运行，牵引电池的输出电流由三相全桥变换器MDC逆变为交流来驱动电机转动，电能从牵引电池流向电机(T2M)。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电动汽车的功率变换器，其特征在于，所述功率变换器包括：三相电网接口、单相电网接口、电机绕组接口、母线、三相全桥变换器、CLLC变换器、继电器Ja、继电器Jb、继电器Jc-1、继电器Jc-2和继电器Jd、电容Cdc和电容Ctra；
所述三相全桥变换器、所述电容Cdc、所述CLLC变换器和所述电容Ctra依次并联，所述三相全桥变换器的输入端接入所述母线，所述电容Ctra的两端分别与电动汽车的牵引电池的正极和负极连接；
所述三相电网接口通过继电器Jb和继电器Jd接入母线，所述单相电网接口通过继电器Jd接入母线，所述电机绕组接口通过继电器Ja接入母线；
所述继电器Jc-1和所述继电器Jc-2的一端均与所述CLLC变换器的原边连接，另一端均与所述CLLC变换器的副边连接；
电动汽车的辅助电池的正极通过所述继电器Jb接入母线。
2.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，所述功率变换器还包括：电感La、电感Lb、电感Laux和电容Caux；
所述电感La和所述电感Lb的一端均与继电器Jd连接，另一端均与母线连接；
所述电感Laux的一端与继电器Jb连接，另一端均与母线连接；
所述电容Caux的一端通过所述继电器Jb接入母线，另一端分别与电动汽车的辅助电池的负极和电动汽车的牵引电池的负极连接。
3.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，所述三相全桥变换器包括：依次并联的单相全桥变换器和半桥变换器。
4.根据权利要求3所述的功率变换器，其特征在于，所述单相全桥变换器包括：功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3和功率开关管Q4；
所述功率开关管Q1和功率开关管Q2相连，组成第一支路；
所述功率开关管Q3和功率开关管Q4相连，组成第二支路；
所述第一支路、所述第二支路和所述半桥变换器依次并联连接。
5.根据权利要求4所述的功率变换器，其特征在于，所述半桥变换器包括：功率开关管Q5和功率开关管Q6；
所述功率开关管Q5和功率开关管Q6相连，组成第三支路；
所述第三支路与所述第二支路并联连接；
所述功率开关管Q1和功率开关管Q2之间的连接点、所述功率开关管Q3和功率开关管Q4之间的连接点和所述功率开关管Q5和功率开关管Q6之间的连接点为所述三相全桥变换器的输入端。
6.如权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，所述三相全桥变换器中的功率开关管由三极管反并联一个二极管组成，所述CLLC变换器中的功率开关管由三极管反并联一个二极管和一个电容组成。
7.如权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，所述继电器Ja为三刀单掷继电器。
8.如权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，所述继电器Jb为双刀双掷继电器。
9.如权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，所述继电器Jc-1、和继电器Jc-2均为单刀单掷继电器。
10.如权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，所述继电器Jd为单刀三掷继电器。
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|---|---|---|---|
| CN202320302676.0U CN219394710U (zh) | 2023-02-23 | 2023-02-23 | 一种电动汽车的功率变换器 |
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