专利名称：一种用于电动汽车的具有补偿充电的多功能一体化充电机的制作方法
技术领域：
本发明属于电动汽车充电技术领域，涉及一种具有补偿充电的多功能一体化充电机。
背景技术：
电动汽车的常规充电主要包括以下三个方面
1. 在停车充电过程中，从交流电网给动力电池充电(简称"动力充电")，以补充动力 电池的能量为目的；
2. 在制动过程中，制动能量回馈给动力电池充电(简称"回馈充电")，以回收车辆的 制动能量提高能量利用率为目的；
3. 在行驶过程中，动力电池给辅助电池浮充充电(以下简称"浮充充电")，以保持辅 助电池能量并配合辅助电池为车辆提供低压供电为目的。
图1为常规充电基本原理框图。图l中包括动力电池l、电机控制器2、驱动电机 3、充电机4、 DC/DC模块(直流/直流变换模块)5、辅助电池6、高压直流母线7、三相 交流母线8、交流电网9、电线10、低压直流母线ll。动力电池、充电机、电机控制器 和DC/DC模块通过高压直流母线相联，电机控制器与驱动电机通过三相交流母线相联， 交流电网与充电机(车载充电机或地面充电机或地面充电站)通过电线10相联，DC/DC 模块与辅助电池通过低压直流母线相联。
图1中的充电机具有"AC/DC (交流/直流)"的变换功能。交流电网的交流电经过 电线10进入充电机，充电机将交流电变换成高压直流电，再经过高压直流母线给动力电 池进行高压直流充电。该充电机是单一功能设备，仅负责动力充电的任务。
图1中的驱动电机在电动车辆制动时处于发电状态，发出的电能经过三相交流母线 进入电机控制器并变换成高压直流电，'再经过高压直流母线为动力电池进行高压直流充 电，即回馈充电。动力电池回收制动能量可以节约能源，提高能源的利用率，延长车辆 的续驶里程。
图1中的辅助电池为车辆提供低压供电， 一般选择铅酸蓄电池，标称电压为12V(用 于轿车或微型车)或者24V (用于客车)。动力电池的高压直流电经过高压直流母线进入 DC/DC模块，DC/DC模块将高压直流电变换成低压直流电，再经过低压直流母线给辅助电 池充电。DC/DC模块输出恒定的工作电压， 一般为13. 5V (用于轿车或微型车)或27V (用 于客车)，因此只能为辅助电池提供浮充充电，使得辅助电池始终处于满电或接近满电 状态，因此辅助电池不能够回收制动能量。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种具有补偿充电的多功能一 体化充电机。该充电机将补偿充电等四种充电功能高度集成在一台充电机内，提高了充 电机的集成度，使电动汽车能够回收更多的制动能量。 本发明的技术方案如下
一种用于电动汽车的具有补偿充电的多功能一体化充电机，包括整流桥、逆变充电 电路、控制电路、接触器组、动力电池和辅助电池以及制动回馈能量检测、动力电池能 量检测和辅助电池能量检测电路，所述整流桥的输出端与逆变充电电路相连，所述逆变
充电电路包括电容滤波电路、占空比受控制电路控制的IGBT逆变桥、带有高压和低压
两种输出端的高频变压器以及高压整流滤波电路和低压整流滤波电路，电容滤波电路输
出的直流电加载在所述的IGBT逆变桥的输入端，所述IGBT逆变桥的两个输出端分别连 接在高频变压器的原边线圈上，所述的高频变压器具有三个副边线圈，其第一副边线圈 实现高频高压逆变，其第二和第三副边线圈实现高频低压逆变，所述的第一副边线圈与 高压整流滤波电路和动力电池之间依次连接的线路的通断受接触器组控制，所述的第二 副边线圈与低压整流滤波电路和辅助电池之间依次连接的线路的通断受接触器组控制， 所述的第三副边线圈与低压整流滤波电路和辅助电池之间依次连接的线路的通断受接触 器组控制；所述的控制电路在车辆行驶时，通过对接触器组的控制，使动力电池的两端 分别连接到逆变充电电路的两个输入端，并使第二副边线圈经过低压整流滤波电路变成 低压直流电后给辅助电池充电，控制电路在检测到存在制动回馈能量情况下，根据动力 电池以及辅助电池剩余能量检测和计算结果，控制IGBT逆变桥的占空比，进行补偿充 电模式的启动和控制；控制电路在未检测到存在制动回馈能量情况下，并检测到辅助电 池剩余能量过低时，控制IGBT逆变桥的占空比，进行调整充电模式的启动和控制；所 述控制电路在通过交流电网为电动车辆充电时，通过对接触器组的控制，使第一副边线 圈经过高压整流滤波电路变成高压直流电后给动力电池充电，并使辅助电池与逆变充电电 路断开，实现对动力电池进行充电的动力充电模式；所述的控制电路，在监测到用户选 择辅助充电模式时，使动力电池与逆变充电电路断开，并使第三副边线圈经过低压整流 滤波电路变成低压直流电后给辅助电池充电，且在控制电路检测到辅助电池充电完毕后， 自动切换成动力充电模式继续进行动力鬼池的充电。
本发明多功能一体化充电机包含有实现"补偿充电"、"调整充电"、"辅助充电" 和"动力充电"等四种充电功能的充电电路和综合控制方法，集成在一台充电机中的四 种充电模式没有采用彼此完全独立的电路，而是通过对高频变压器的结构设计和接触器 组的逻辑控制，实现电路切换，整个电路结构具有高效复用的特点。同时四种充电模式 还共用了一个控制电路，在控制电路中除了集^S四种充电模式的接触器组切换控制程序 和综合充电控制方法外，还集成了根据动力电池和辅助电池的试验建立的数据库为四种充电模式所共用。
图1是电动汽车常规充电原理框图； 图2是电动汽车补偿充电原理框图； 图3是多功能一体化充电原理框图4是"补偿充电"模式和"调整充电"模式下逆变充电电路结构示意图； 图5是"动力充电"模式下逆变充电电路结构示意图； 图6是"辅助充电"模式下逆变充电电路结构示意图。
具体实施例方式
图2是电动汽车补偿充电的原理框图。图2中包括动力电池1、电机控制器2、驱 动电机3、补偿充电模块4、辅助电池5、高压直流母线6、三相交流母线7、低压直流母 线8。动力电池、电机控制器和补偿充电模块通过高压直流母线6相联，电机控制器通过 三相交流母线7与驱动电机相联，补偿充电模块通过低压直流母线8与辅助电池相联。
在电动车辆制动时，图2中的驱动电机发出的电能经过三相交流母线进入电机控制 器，并转换成高压直流电，再经过高压直流母线一分为二， 一部分进入动力电池，另一 部分进入补偿充电模块。进入动力电池的能量为动力电池充电，由动力电池回收。进入 补偿充电模块的能量转换成低压直流电，然后再经过低压直流母线为辅助电池充电，由 辅助电池回收，实现补偿充电。图2中的箭头指示方向表示回馈充电能量的流动方向。 在没有制动能量回馈时，补偿充电模块不输出充电功率或减小输出的充电功率，辅助电 池的能量通过电动车辆的低压用电而消耗，当车辆再次制动时又可以回收制动能量得到 补充，从而形成"放电一回收一再放电一再回收"的良性循环。辅助电池通过补偿充电 模块实现了补偿动力电池回收制动能量的功能，可以回收更多的制动能量，提高电动汽 车的能源利用率。
图3中包括动力电池、电机控制器、驱动电机、多功能一体化充电机、辅助电池、 高压直流母线、'三相交流母线、低压直流母线、辅助电池检测线束和辅助电池检测电路、 动力电池检测线束和动力电池检测电路、制动回馈检测线束和制动回馈检测电路、交流 输入线束和交流电网。动力电池、多功能一体化充电机、电机控制器通过高压直流母线 相联，电机控制器通过三相交流母线与驱动电机相联，多功能一体化充电机通过交流输 入线束与交流电网相联，多功能一体化充电机通过低压直流母线与辅助电池相联。辅助 电池检测电路通过辅助电池检测线束分别与多功能一体化充电机和辅助电池相联，动力 电池检测电路通过动力电池检测线束分别与多功能一体化充电机和动力电池相联，制动 回馈检测电路通过制动回馈检测线束分别与多功能一体化充电机和高压直流母线相联。
图3中的多功能一体化充电机包含有一个控制电路、一个接触器组和一个逆变充电
5电路。其中控制电路包含有"补偿充电"、"调整充电"、"辅助充电"和"动力充电" 等四种充电模式的接触器组切换控制程序和综合充电控制方法。控制电路通过控制接触 器组中相应的接触器，实现四种逆变充电电路的切换。控制电路为四种充电功能提供充 电控制方法，从而实现四种充电功能的切换和控制。
电池在不同的电压、电流和温度等条件下对应不同的剩余能量，通过电池试验得到 电压、电流和温度等与电池剩余能量之间对应关系的数据，并建立数据库存储在控制电 路中为四种充电模式所共用。控制电路通过检测电路实时检测电池的电压、电流和温度 等并査询数据库则可以计算出辅助电池和动力电池的剩余能量。
电池在不同的剩余能量时对应不同的最佳充电功率，通过电池试验得到剩余能量与 最佳充电功率之间对应关系的数据，并建立数据库存储在控制电路中。控制电路根据电 池的剩余能量査询数据库就可以得到动力电池和辅助电池的最佳充电功率。
控制电路通过制动回馈检测电路和制动回馈检测线束实时检测是否产生制动回馈 能量以及制动能量的大小，同时根据检测到的动力电池和辅助电池的剩余能量的高低， 进行补偿充电的启动和控制。 "补偿充电"模式
在图4中，控制电路首先控制接触器JA的触点JA1与JA1-1导通、触点JA2与JA2-1 导通，再控制接触器JB的触点JB1与JB1-1导通、触点JB2与JB2-1导通，最后控制接 触器JC的触点JC1与JC1-1导通、触点JC2与JC2-1导通，使辅助电池与逆变充电电路 的低压直流输出端连接，而动力电池则与逆变充电电路的高压直流输入端连接，实现了 将补偿和调整充电电路切换成当前充电电路。
在图4中，制动回馈的高压直流电通过动力电池的正负极进入逆变充电电路。该高 压直流电首先被Cl和C2滤波，然后经过IGBT、 Np和Ns2逆变成高频低压交流电，再经过 D1和D2整流以及L2和C8滤波成低压直流电，通过JB切换给辅助电池充电，实现的是 DC/DC变换。
辅助电池能够回收的制动能量等于辅助电池充满电时的能量与剩余能量的差值，该差 值是补偿充电功率在时间上的积分。控制电路将补偿充电功率与辅助电池的实际充电功 率相比较，如果实际充电功率>补偿充电功率，则减小IGBT的占空比，逆变充电电路的 实际输出功率就会减小，如果实际充电功率<补偿充电功率，则增加IGBT的占空比，逆 变充电电路的实际输出功率就会增加。使得辅助电池能够补偿动力电池回收更多制动能 量，提高能量利用率，即实现了补偿充电。 "调整充电"模式
"调整充电"与"补偿充电"使用相同的逆变充电电路，见图4。在图4中，动力电 池的高压直流电被C1和C2滤波后，经过IGBT、 Np和Ns2逆变成高频低压交流电，再经过 D1和D2整流以及L2和C8滤波成低压直流电，通过JB切换给辅助电池充电，实现的是 DC/DC变换。"调整充电"模式主要用于没有制动能量回馈的场合，例如电动汽车怠速时或者行 驶过程中驱动电机不处于发电状态。为了在"补偿充电"模式下能够回收更多制动能量， 在没有制动能量回馈时，控制电路通过控制IGBT的占空比等于0从而关断逆变充电电路 的输出，使得辅助电池的能量被电动车辆的低压用电消耗而减少。 '
辅助电池的剩余能量过低会影响电动车辆的低压用电。当辅助电池的剩余能量过低而 不足以为低压供电提供足够能量时，控制电路就将启动"调整充电"模式，将动力电池 的能量变换成低压直流电为辅助电池充电。控制电路通过控制IGBT的占空比控制逆变充 电电路的输出功率，占空比越大充电功率越大，占空比越小充电功率越小，从而实现调 整辅助电池剩余能量的目的。 "动力充电"模式
在图5中，控制电路首先控制接触器JA的触点JA1与JA1-0导通、触点JA2与JA2-0 导通，再控制接触器JB的触点JB1与JB1-0导通、触点JB2与JB2-0导通，使动力电池 接入逆变充电电路，而辅助电池与逆变充电电路断开，实现了将动力充电电路切换成当 前充电电路。
图5中，交流电从AC-IN1和AC-IN2进入逆变充电电路，经Bl整流以及Cl和C2滤 波后成高压直流电，再经过IGBT、 Np和Ns,逆变成高频高压交流电，然后经过B2整流以 及L1和C7滤波成高压直流电，通过JA切换给动力电池充电，实现的是AC/DC变换。
控制电路将逆变充电电路输出给动力电池的实际充电功率与动力电池最佳充电功率 相比较，当实际充电功率>最佳充电功率时，控制电路减小IGBT的占空比，当实际充电 功率>最佳充电功率时，控制电路增加IGBT的占空比，当动力电池充满电时，控制电路 使IGBT的占空比等于O，关断逆变充电电路终止充电。在动力电池充电过程中，实际充 电功率始终等于最佳充电功率，实现了动力电池的最佳充电控制。 "辅助充电"模式
在图6中，控制电路首先控制接触器JA的触点JA1与JA1-0导通、触点JA2与JA2-0 导通，再控制接触器JB的触点JB1与JB1-1导通、触点JB2与JB2-1导通，最后在控制 接触器JC的触点JC1与JC1-0导通、触点JC2与JC2-0导通，使辅助电池接入逆变充电 电路，而动力电池与逆变充电电路断开，实现了将辅助充电电路切换成当前充电电路。
图6中，交流电从AC-IN1和AC-IN 2进入逆变充电电路，经Bl整流以及Cl和C2 滤波后成高压直流电，再经过IGBT、 Np和Ns3逆变成高频低压交流电，然后经过D1和D2 整流以及L2和C8滤波成低压直流电，通过JB切换给辅助电池充电，实现的是AC/DC变 换。
"辅助充电"模式主要用于辅助电池过放电而无法启动车辆的场合，或者动力电池 能量不足而无法进行调整充电的场合。控制电路将逆变充电电路输出给辅助电池的实际 充电功率与辅助电池的最佳充电功率相比较，当实际充电功率>最佳充电功率时，控制 电路减小IGBT的占空比，当实际充电功率 > 最佳充电功率时，控制电路增加IGBT的占空比，当辅助电池充满电时，控制电路使IGBT的占空比等于O，关断逆变充电电路终止 充电。在辅助电池充电过程中，实际充电功率始终等于最佳充电功率，实现了辅助电池 的最佳充电控制。 四种充电模式的切换控制
四种充电模式分别对应不同的充电使用场合，在电动车辆行驶的过程中仅使用"补 偿充电"和"调整充电"两种模式，而"动力充电"和"辅助充电"两种模式则用于通 过交流电网为电动车辆充电的场合。
在电动车辆行驶的过程中，控制电路通过监测车辆是否产生制动回馈能量作为充电 模式的切换依据。当监测到产生制动回馈能量时切换为"补偿充电"模式，如果没有监 测到产生制动回馈能量则切换成"调整充电"模式，这两种模式的切换是由控制系统自 动完成的。
在通过交流电网为电动车辆充电时，电动车辆处于静止状态。当用户使用充电电缆 将电动车辆的充电口与交流电网连接好并打开充电开关后，多功能一体化充电机将立即 启动，控制电路首先将充电模式自动设置并切换成"动力充电"模式，也就是说"动力 充电"模式是电网充电条件下的默认充电模式。
"辅助充电"模式与其它三种充电模式不同，是由用户通过手动开关来选择的。当 控制电路监测到用户选择了 "辅助充电"模式，就会立即停止"动力充电"模式并切换 到"辅助充电"模式，并在"辅助充电"过程结束后自动切换成"动力充电"模式继续 进行动力充电。
图4 图6中所用器件说明
AC-皿 AC-IN2:交流输入。B1 B2:整流桥，BAT1:动力电池。BAT2:辅助电池。 C1 C8:电容。D1 D2:快恢复二极管。JA、 JB、 JC:接触器。JA1 JA2:接触器A的 公共触点。JB1 JB2:接触器B的公共触点。JC1 JC2:接触器C的公共触点。JA1- JA2-0:接触器A的常开触点。JA1-1 JA2-1:接触器A的常闭触点。JB1-0 JB2-0:接 触器B的常开触点。JB1-1 JB2-1:接触器B的常闭触点。JC1-0 JC2-0:接触器C的 常开触点。JC1-1 JC2-1:接触器C的常闭触点。L1 L2:电抗器。Q1 Q4:绝缘栅双 级三极管(IGBT) 。 R1 R5:电阻。Tl:高频变压器。NP:高频变压器原边线圈。NS1:高
频变压器副边线圈l。 NS2:高频变压器副边线圈2。 NS3:高频变压器副边线圈3。
权利要求
1. 一种用于电动汽车的具有补偿充电的多功能一体化充电机，包括整流桥、逆变充电电路、控制电路、接触器组、动力电池和辅助电池以及制动回馈能量检测、动力电池能量检测和辅助电池能量检测电路，所述整流桥的输出端与逆变充电电路相连，所述逆变充电电路包括电容滤波电路、占空比受控制电路控制的IGBT逆变桥、带有高压和低压两种输出端的高频变压器以及高压整流滤波电路和低压整流滤波电路，电容滤波电路输出的直流电加载在所述的IGBT逆变桥的输入端，所述IGBT逆变桥的两个输出端分别连接在高频变压器的原边线圈上，所述的高频变压器具有三个副边线圈，其第一副边线圈实现高频高压逆变，其第二和第三副边线圈实现高频低压逆变，所述的第一副边线圈与高压整流滤波电路和动力电池之间依次连接的线路的通断受接触器组控制，所述的第二副边线圈与低压整流滤波电路和辅助电池之间依次连接的线路的通断受接触器组控制，所述的第三副边线圈与低压整流滤波电路和辅助电池之间依次连接的线路的通断受接触器组控制；所述的控制电路在车辆行驶时，通过对接触器组的控制，使动力电池的两端分别连接到逆变充电电路的两个输入端，并使第二副边线圈经过低压整流滤波电路变成低压直流电后给辅助电池充电，控制电路在检测到存在制动回馈能量情况下，根据动力电池以及辅助电池剩余能量检测和计算结果，控制IGBT逆变桥的占空比，进行补偿充电模式的启动和控制；控制电路在未检测到存在制动回馈能量情况下，并检测到辅助电池剩余能量过低时，控制IGBT逆变桥的占空比，进行调整充电模式的启动和控制；所述控制电路在通过交流电网为电动车辆充电时，通过对接触器组的控制，使第一副边线圈经过高压整流滤波电路变成高压直流电后给动力电池充电，并使辅助电池与逆变充电电路断开，实现对动力电池进行充电的动力充电模式；所述的控制电路，在监测到用户选择辅助充电模式时，使动力电池与逆变充电电路断开，并使第三副边线圈经过低压整流滤波电路变成低压直流电后给辅助电池充电，且在控制电路检测到辅助电池充电完毕后，自动切换成动力充电模式继续进行动力电池的充电。
全文摘要
本发明属于电动汽车充电技术领域，涉及一种用于电动汽车的具有补偿充电的多功能一体化充电机，包括整流桥、逆变充电电路、控制电路、接触器组、动力电池和辅助电池以及制动回馈能量检测、动力电池能量检测和辅助电池能量检测电路，整流桥的输出端与逆变充电电路相连，逆变充电电路包括电容滤波电路、占空比受控制电路控制的IGBT逆变桥、高频变压器以及整流滤波电路，通过对接触器组的控制，改变不同的充电模式。本发明将补偿充电等四种充电功能高度集成在一台充电机内，提高了充电机的集成度，使电动汽车能够回收更多的制动能量。
文档编号H02J7/02GK101499673SQ200910067988
公开日2009年8月5日 申请日期2009年2月27日 优先权日2009年2月27日
发明者宫学庚, 磊 李, 枫 梁, 雪 王, 毅 韩, 马宇坤 申请人:天津清源电动车辆有限责任公司