一种电动汽车车载充电驱动一体化拓扑结构

摘要

本发明公开了一种电动汽车车载充电驱动一体化拓扑结构，包括交流输入源端口，所述交流输入源端口通过第一桥式电路连接变压器的原边，所述变压器的副边通过第二桥式电路连接电动汽车主电池端口和电动汽车驱动端口，所述第二桥式电路上设置有开关切换电路，使交流输入源端口处的能量流向电动汽车主电池端口进行充电、电动汽车主电池端口的电能经过第二桥式电路的逆变向电动汽车驱动端口施加能量驱动电动汽车运行的能量双向流动。本发明通过机械开关实现电动汽车充电模式和驱动模式的切换，但控制电路仍然是分开的，通过整合一体化可以优化体积、减轻重量，进一步扩大客舱或行李舱的容量，同时可以减轻电动汽车因蓄电池组引起的重量上的劣势。

权利要求

1.一种电动汽车车载充电驱动一体化拓扑结构，其特征是：包括交流输入源端口，所述交流输入源端口通过第一桥式电路连接变压器的原边，所述变压器的副边通过第二桥式电路连接电动汽车主电池端口和电动汽车驱动端口，所述第二桥式电路上设置有开关切换电路，使交流输入源端口处的能量流向电动汽车主电池端口进行充电、电动汽车主电池端口的电能经过第二桥式电路的逆变向电动汽车驱动端口施加能量驱动电动汽车运行的能量双向流动；

所述第一桥式电路的开关管为场效应管或绝缘栅双极型晶体管；

所述开关切换电路，包括三个开关m1、m2和m3，其中，开关m1、m2分别连接在第二桥式电路其中两相电路的中点与电动汽车驱动端口的连接处，开关m3串联在另一相电路中。

2.如权利要求1所述的一种电动汽车车载充电驱动一体化拓扑结构，其特征是：所述交流输入源端口与第一桥式电路之间连接有整流电路。

3.如权利要求1所述的一种电动汽车车载充电驱动一体化拓扑结构，其特征是：所述第二桥式电路与电动汽车主电池端口之间设置有低通滤波电路。

4.如权利要求1所述的一种电动汽车车载充电驱动一体化拓扑结构，其特征是：所述第一桥式电路为全桥电路。

5.如权利要求1所述的一种电动汽车车载充电驱动一体化拓扑结构，其特征是：所述第二桥式电路为三相全桥电路。

6.如权利要求1所述的一种电动汽车车载充电驱动一体化拓扑结构，其特征是：所述开关切换电路的开关都处于断开状态时，实现交流输入源端口的能量给电动汽车主电池端口充电。

7.如权利要求1所述的一种电动汽车车载充电驱动一体化拓扑结构，其特征是：所述开关切换电路的开关都处于闭合状态时，此时交流输入源端口处于断路状态，实现电动汽车在正常行驶中主电池经三相逆变驱动电动汽车驱动端口。

8.如权利要求1所述的一种电动汽车车载充电驱动一体化拓扑结构，其特征是：所述第二桥式电路的开关管为场效应管或绝缘栅双极型晶体管。

9.如权利要求1所述的一种电动汽车车载充电驱动一体化拓扑结构，其特征是：所述电动汽车驱动端口为永磁同步电动机。

说明书

一种电动汽车车载充电驱动一体化拓扑结构

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电动汽车车载充电驱动一体化拓扑结构。

背景技术

[0002] 在电动汽车车载充电领域，多采用单级或双级充电。单级充电就是输入源单相220V交流电直接整流成直流给主电池充电，双级充电则是先将输入源整流成直流，后进行直流到直流的变换。整流器有多种结构，如：二极管不控整流，桥式全控整流电路等，直流到直流的变换现在多用双主动桥DC-DC变换器(DAB)。

[0003] 在电动汽车驱动领域，所用的电机有直流电机，交流感应电动机，开关磁阻电动机、永磁无刷电动机和双定子永磁无刷电动机等。现在技术较为成熟的应用为永磁同步电动机，关于永磁同步电动机的控制方式也是较为成熟的，除了传统的恒转矩控制，恒功率控制之外，近年来控制方式得到进一步发展，例如，在期刊《电工技术学报》2015年1月，第30卷，第1期，第30-37页刊登“内嵌式永磁同步电机改进型解耦控制”一文(作者吴荒原，王双红等)提出一种在恒转矩和恒功率控制的基础上加上电流解耦控制器改善电动机的动态性能。

[0004] 车载型充电系统普遍存在成本高、体积大、重量大等问题，阻碍了电动汽车的普及和推广，因此，为了解决这个问题，一体化混合拓扑结构的提出势在必行。在期刊《电力自动化设备》2013年10月，第33卷，第10期，第143-149页刊登“电动汽车驱动系统与蓄电池充电一体化混合拓扑研究综述”一文(作者刘莹，王辉，漆文龙等)提出使用继电器一体化混合拓扑，但其采用的单级结构，通过电感的充放电实现升压转换过程，控制过程比较复杂。

发明内容

[0005] 本发明为了解决上述问题，提出了一种电动汽车车载充电驱动一体化拓扑结构，本发明有效的整合电动汽车车载充电电路和驱动电路，提高元器件的利用率。

[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0007] 一种电动汽车车载充电驱动一体化拓扑结构，包括交流输入源端口，所述交流输入源端口通过第一桥式电路连接变压器的原边，所述变压器的副边通过第二桥式电路连接电动汽车主电池端口和电动汽车驱动端口，所述第二桥式电路上设置有开关切换电路，使交流输入源端口处的能量流向电动汽车主电池端口进行充电、电动汽车主电池端口的电能经过第二桥式电路的逆变向电动汽车驱动端口施加能量驱动电动汽车运行的能量双向流动。

[0008] 所述交流输入源端口与第一桥式电路之间连接有整流电路。

[0009] 所述第二桥式电路与电动汽车主电池端口之间设置有低通滤波电路。

[0010] 所述第一桥式电路为全桥电路。

[0011] 所述第二桥式电路为三相全桥电路。

[0012] 所述开关切换电路，包括三个开关m1、m2和m3，其中，开关m1、m2分别连接在第二桥式电路其中两相电路的中点与电动汽车驱动端口的连接处，开关m3串联在另一相电路中。

[0013] 所述开关切换电路的开关都处于断开状态时，实现交流输入源端口的能量给电动汽车主电池端口充电。

[0014] 所述开关切换电路的开关都处于闭合状态时，此时交流输入源端口处于断路状态，实现电动汽车在正常行驶中主电池经三相逆变驱动电动汽车驱动端口。

[0015] 所述第一桥式电路、第二桥式电路的开关管为场效应管或绝缘栅双极型晶体管。

[0016] 所述电动汽车驱动端口为永磁同步电动机。

[0017] 本发明的有益效果为：

[0018] 本发明通过机械开关实现电动汽车充电模式和驱动模式的切换，但控制电路仍然是分开的，通过整合一体化可以优化体积、减轻重量，进一步扩大客舱或行李舱的容量，同时可以减轻电动汽车因蓄电池组引起的重量上的劣势。

附图说明

[0019] 图1为本发明拓扑图；

[0020] 图2为现有技术中使用继电器的一体化混合拓扑结构。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

[0022] 一种电动汽车充电驱动一体化拓扑结构，它包括输入源、主电池和电动机。充电模式下机械开关m1、m2、m3断开，输入源经过整流模块后利用开关管S1、S2、S3、S4和P1、P2、P3、P4经低通滤波器给主电池充电；驱动模式下主电池经开关管P1、P2、P3、P4、P5、P6三相逆变后驱动电动机。

[0023] 机械开关m1、m2经全桥电路与变压器副边相连后，与电动机两相供电相连。m1的连接点与开关管P1、P2相连，m2的连接点与开关管P3、P4相连，驱动模式下处于闭合状态给电动机供电。

[0024] 机械开关m3与低通滤波器和开关管P5相连，与机械开关m1、m2所处的位置不一样，驱动模式下处于闭合状态给电动机供电。

[0025] 所述开关管为场效应管或绝缘栅双极型晶体管。

[0026] 拓扑图如图1，Port1为交流输入源端口，Port2为电动汽车主电池端口(这里以尼桑Leaf电动汽车为例，蓄电池电压为350V)，Port3为电动汽车驱动端口(这里为永磁同步电动机)。变压器两端即为DAB结构，其中变压器右侧采用全控性器件是为了实现能量的双向流动(即Port1输入源到Port2主电池端口，Port2到Port3驱动端口)。m1、m2、m3为机械开关，当三个开关都处于断开状态时，即为模式1，即充电模式，实现输入源给主电池充电(车载充电)；当三个开关都处于闭合状态时，此时Port1输入源处于断路状态，即驱动模式，实现电动汽车在正常行驶中主电池经三相逆变驱动永磁同步电动机。DAB中全控型器件选用绝缘栅双极型晶体管，一方面可以实现更高频率的开断，另一方面可以传输更大的功率。

[0027] 图2为使用继电器的一体化混合拓扑结构，使用继电器K1，K2，K2′实现驱动模式和充电模式的转换。在驱动模式下K2，K2′断开，K1闭合，形成经典的三相全桥驱动系统；在充电模式下，图中L2和L3是感应电动机一相绕组相对于中性点的漏感，在升压转换电路中作为滤波电感使用。此时开关S1和S2断开，通过控制S3，S4，S5，S6实现升压转换电路。

[0028] 两种拓扑最大的区别在与充电模式下，本发明采用的是两级结构而图2采用的是单级结构，在进行升压转换的过程中图2是通过电感的充放电实现的，本发明是通过调节变压器，与图2的拓扑结构相比较本发明可以更方便的通过调节变比得到所需的输出电压。另一方面，在充电模式下，图2拓扑中的开关管S1，S2有三种状态，即充电时候的常断、驱动状态中的开断，控制比较复杂。

[0029] Port1为交流输入源端口，Port2为电动汽车主电池端口(这里以尼桑Leaf电动汽车为例，蓄电池电压为350V)，Port3为电动汽车驱动端口(这里为永磁同步电动机)。变压器两端即为DAB结构，其中变压器右侧采用全控性器件是为了实现能量的双向流动(即Port1输入源到Port2主电池端口，Port2到Port3驱动端口)。m1、m2、m3为机械开关，当三个开关都处于断开状态时，即为模式1，即充电模式，实现输入源给主电池充电(车载充电)；当三个开关都处于闭合状态时，此时Port1输入源处于断路状态，即驱动模式，实现电动汽车在正常行驶中主电池经三相逆变驱动永磁同步电动机。DAB中全控型器件选用绝缘栅双极型晶体管，一方面可以实现更高频率的开断，另一方面可以传输更大的功率。

[0030] 在图1给出了电动汽车充电驱动一体化拓扑图。Port1输入交流源为电动汽车在车载充电时接入的家用单相220V交流电，Rectifier circuit模块可以使用二极管不控整流，也可以是可控整流电路，如单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路等。Low-pass Filter可以根据具体实现设计低通滤波器，如RC滤波器、LC滤波器等。机械开关m1、m2、m3可以与充电端口结合，当插入充电时机械开关受压力断开，否则处于闭合状态，即驱动模式为常态。

[0031] 该拓扑通过机械开关实现一体化，两个工作模式不会相互影响，即在充电模式下驱动模式是不工作的，而在驱动模式时输入源也是处于断开状态。

[0032] 充电模式下输入源经整流模块后经过DAB(两个全桥电路经变压器连接)，即开关管S1、S2、S3、S4和开关管P1、P2、P3、P4，经过低通滤波器后给主电池供电；驱动模式下主电池经三相逆变，即P1、P2、P3、P4、P5、P6，驱动电动机。

[0033] 机械开关m1、m2经全桥电路与变压器副边相连后，与电动机两相供电相连。m1的连接点与开关管P1、P2相连，m2的连接点与开关管P3、P4相连，驱动模式下处于闭合状态给电动机供电。

[0034] 机械开关m3与低通滤波器和开关管P5相连，与机械开关m1、m2所处的位置不一样，驱动模式下处于闭合状态给电动机供电。

[0035] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。