一种电动汽车驱动与充电集成功率变换器的制作方法

本发明属于电动汽车控制技术领域，具体涉及一种电动汽车驱动与充电集成功率变换器。

背景技术：

随着全球性能源危机的不断加深，以及大气污染、全球变暖等问题日益加剧，电动汽车受到世界各国的关注，成为未来汽车技术发展的主攻方向。电动汽车的电力电子系统主要包括电机控制器、车载充电机以及低压直流变换器，是实现电能变换和传输的重要单元，对电动汽车的动力性、经济性、安全性具有重要的影响。然而，电动汽车严酷的使用环境加上高效率、高性能、高可靠性及低污染等要求对电力电子系统的开发与设计提出了极大的挑战。电动汽车轻量化的结构要求也促使电力电子系统向高功率密度、高集成度、低成本方向发展。

目前，电动汽车的电力电子系统由分立的功率变换器组成，主要包括电机驱动系统和充电系统，结构如图1所示。两个系统是分散独立的，由不同的供应商制造，限制了系统功率密度的提升，难以优化整车空间布局和降低成本。考虑到电机驱动系统和充电系统并不同时工作，可以将两个系统集成，使得两个系统共用一个功率变换器。当前常用的集成方式是将电机驱动系统的逆变器作为整流器运行，同时通过开关控制驱动模式和充电模式的切换，结构如图2所示。这种集成方式需要增加额外的开关和滤波电感，导致系统体积大、成本高，并且不具备电气隔离，充电安全性差。本发明解决这样的问题。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电动汽车驱动与充电集成功率变换器。本发明集成功率变换器使得驱动系统和充电系统共用一个功率变换器，能够实现高功率密度、高可靠性、单位功率因数、电气隔离以及低成本。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种电动汽车驱动与充电集成功率变换器，包括：连接于动力电池的隔离型双向直流变换电路，电机三相定子绕组，直流端连接于隔离型双向直流变换电路且交流端连接于电机三相定子绕组的三相桥式电路，交流端连接于充电插头的单相不控整流电路，连接于电机三相定子绕组的中性点n与单向不控整流电路的直流端正极之间的接触器mk。

前述的一种电动汽车驱动与充电集成功率变换器，隔离型双向直流变换电路组成有：直流端与动力电池连接的电流型半桥结构，直流端与三相桥式电路连接的电压型半桥结构，原边与电流型半桥结构的交流端连接、副边与电压型半桥结构的交流端连接的高频变压器tr。

前述的一种电动汽车驱动与充电集成功率变换器，电流型半桥结构由igbt管s1、igbt管s2、电容c1、电容c2和电感l1组成，igbt管自带反并联二极管；igbt管s1的发射极和igbt管s2的集电极相连并且引出一个交流端，该交流端同时和电感l1的一端相连，电感l1的另一端引出直流端正极，电容c1的正极和igbt管s1的集电极相连，电容c1的负极和电容c2的正极相连并且引出另一个交流端，电容c2的负极和s2的发射极相连并且引出直流端负极。

前述的一种电动汽车驱动与充电集成功率变换器，电压型半桥结构由igbt管s3、igbt管s4、电容c3和电容c4组成，所述igbt管自带反并联二极管；igbt管s3的发射极和igbt管s4的集电极相连并且引出一个交流端，电容c3的正极和igbt管s3的集电极相连并且引出直流端正极，电容c3的负极和电容c4的正极相连并且引出另一个交流端，电容c4的负极和s4的发射极相连并且引出直流端负极。

前述的一种电动汽车驱动与充电集成功率变换器，电机三相定子绕组为y型连接，abc三相和中性点n通过导线引出。

前述的一种电动汽车驱动与充电集成功率变换器，三相桥式电路由igbt管s5、igbt管s6、igbt管s7、igbt管s8、igbt管s9和igbt管s10组成；igbt管自带反并联二极管；igbt管s5、igbt管s7和igbt管s9的集电极相连并且引出直流端正极，igbt管s6、igbt管s8和igbt管s10的发射极相连并且引出直流端负极，igbt管s5的发射极和igbt管s6的集电极相连并且引出交流端a相，igbt管s7的发射极和igbt管s8的集电极相连并且引出交流端b相，igbt管s9的发射极和igbt管s10的集电极相连并且引出交流端c相，三相桥式电路的交流端abc三相分别和电机三相定子绕组的abc三相相连。

前述的一种电动汽车驱动与充电集成功率变换器，单相不控整流电路由电力二极管dp1、电力二极管dp2、电力二极管dp3和电力二极管dp4组成；电力二极管dp1的阳极和电力二极管dp2的阴极相连并且引出一个交流端，电力二极管dp1的阴极和电力二极管dp3的阴极相连并且引出直流端正极，电力二极管dp3的阳极和电力二极管dp4的阴极相连并且引出另一个交流端，电力二极管dp2的阳极和电力二极管dp4的阳极相连并且引出直流端负极，该直流端负极同时和三相桥式电路的直流端负极相连。

本发明的有益之处在于：

本发明提供一种电动汽车驱动与充电集成功率变换器，实现了电机驱动系统和充电系统共用一个功率变换器，系统高度集成，具有高功率密度、高可靠性、单位功率因数、电气隔离以及低成本的特点。

连接于动力电池的隔离型双向直流电路，由于电感的作用，其直流端表现为电流源特性，电流纹波小，动力电池的充放电效果好。

当集成功率变换器处于驱动模式时，电机驱动系统为直流变换电路和三相桥式电路组成的两级变换结构，直流变换电路能够匹配电池电压和三相桥式电路的直流侧电压，实现对电池放电和电机调速的优化控制。

在集成功率变换器处于充电模式时，电机三相定子绕组和三相桥式电路构成三个并联的boost电路，并且可以交错并联运行，从而减小由于使用大电感而占用的大量空间。boost电路作为功率因数校正电路运行，实现电网侧的单位功率因数运行。充电系统的后级电路为隔离型双向直流变换电路，实现网侧与动力电池的电气隔离，充电安全性好。

附图说明

图1是电动汽车驱动与充电相互独立的结构示意图；

图2是常用电动汽车驱动与充电集成的结构示意图；

图3是本发明的一种实施例的结构示意图；

图4是本发明的一种实施例的电路原理图；

图5是本发明处于驱动模式时的电路原理图；

图6是本发明处于充电模式时的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

如图4所示，一种电动汽车驱动与充电集成功率变换器，包括：连接于动力电池的隔离型双向直流变换电路，电机三相定子绕组，直流端连接于所述隔离型双向直流变换电路且交流端连接于所述电机三相定子绕组的三相桥式电路，交流端连接于充电插头的单相不控整流电路，连接于所述电机三相定子绕组的中性点n与所述单向不控整流电路的直流端正极之间的接触器mk。作为一种实施例，三相定子绕组为永磁同步电机三相定子绕组。当集成功率变换器处于驱动模式时，断开接触器mk，如图5所示，将单相不控整流电路从功率回路中切除，提高系统的安全性。当集成功率变换器处于充电模式时，闭合接触器mk，如图6所示，形成完整的充电电路。

隔离型双向直流变换电路组成有：直流端与动力电池连接的电流型半桥结构，直流端与三相桥式电路连接的电压型半桥结构，原边与电流型半桥结构的交流端连接、副边与电压型半桥结构的交流端连接的高频变压器tr。

电流型半桥结构由igbt管s1、igbt管s2、电容c1、电容c2和电感l1组成；igbt管自带反并联二极管；igbt管s1的发射极和igbt管s2的集电极相连并且引出一个交流端，该交流端同时和电感l1的一端相连，电感l1的另一端引出直流端正极，电容c1的正极和igbt管s1的集电极相连，电容c1的负极和电容c2的正极相连并且引出另一个交流端，电容c2的负极和s2的发射极相连并且引出直流端负极。

电压型半桥结构由igbt管s3、igbt管s4、电容c3和电容c4组成；所述igbt管自带反并联二极管；igbt管s3的发射极和igbt管s4的集电极相连并且引出一个交流端，电容c3的正极和igbt管s3的集电极相连并且引出直流端正极，电容c3的负极和电容c4的正极相连并且引出另一个交流端，电容c4的负极和s4的发射极相连并且引出直流端负极。

隔离型双向直流变换电路的控制方法为：igbt管s1和igbt管s2互补导通，并且各自导通半个开关周期；igbt管s3和igbt管s4具有相同的导通过程。根据igbt管s1、igbt管s2、igbt管s3和igbt管s4的导通规律，可以得到高频变压器tr原副边的电压为50%占空比的交流方波电压，通过控制两个方波电压之间的移相角，即igbt管s1和igbt管s3的开通信号之间的移相角，就可以控制传输功率的方向和大小。当要求功率从电流型半桥结构流向电压型半桥结构时，控制igbt管s1的开通信号超前igbt管s3的开通信号，并且传输功率的大小与超前移相角成正比；当要求功率从电压型半桥结构流向电流型半桥结构时，控制igbt管s1的开通信号滞后igbt管s3的开通信号，并且传输功率的大小与滞后移相角成正比。

电机三相定子绕组为y型连接，abc三相和中性点n通过导线引出。

三相桥式电路由igbt管s5、igbt管s6、igbt管s7、igbt管s8、igbt管s9和igbt管s10组成；所述igbt管自带反并联二极管；igbt管s5、igbt管s7和igbt管s9的集电极相连并且引出直流端正极，igbt管s6、igbt管s8和igbt管s10的发射极相连并且引出直流端负极，igbt管s5的发射极和igbt管s6的集电极相连并且引出交流端a相，igbt管s7的发射极和igbt管s8的集电极相连并且引出交流端b相，igbt管s9的发射极和igbt管s10的集电极相连并且引出交流端c相，三相桥式电路的交流端abc三相分别和电机三相定子绕组的abc三相相连。

三相桥式电路的控制方法为：同一桥臂的上下管互补导通，上管（igbt管s5、igbt管s7和igbt管s9）的导通时间与开关周期的比值定义为导通占空比。当三相桥式电路作为逆变电路运行时，三相导通占空比根据空间矢量脉宽调制得到；当三相桥式电路作为boost运行时，导通占空比根据脉宽调制得到，并且三相导通占空比相等，igbt管s5、igbt管s7和igbt管s9的开通信号之间相互移相120^°。

单相不控整流电路由电力二极管dp1、电力二极管dp2、电力二极管dp3和电力二极管dp4组成；电力二极管dp1的阳极和电力二极管dp2的阴极相连并且引出一个交流端，电力二极管dp1的阴极和电力二极管dp3的阴极相连并且引出直流端正极，电力二极管dp3的阳极和电力二极管dp4的阴极相连并且引出另一个交流端，电力二极管dp2的阳极和电力二极管dp4的阳极相连并且引出直流端负极，该直流端负极同时和三相桥式电路的直流端负极相连。

本发明集成功率变换器的运行过程包括：

当集成功率变换器处于驱动模式时，接触器mk断开，将单相不控整流电路从功率回路中切除，电路原理图如图5所示。隔离型双向直流变换电路和三相桥式电路组成两级变换结构的电机驱动系统，直流变换电路控制动力电池放电，三相桥式电路作为逆变电路运行，驱动电机工作。直流变换电路能够匹配动力电池电压和三相桥式电路的直流侧电压，实现对电池放电和电机调速的优化控制。

当集成功率变换器处于充电模式时，接触器mk闭合，电路原理图如图6所示。单相不控整流电路、电机三相定子绕组、三相桥式电路和隔离型双向直流变换电路组成充电系统。电机三相定子绕组和三相桥式电路构成三个并联的boost电路，并且可以交错并联运行，减小直流侧的电流纹波。单相不控整流电路和boost电路完成交流到直流的变换过程，其中boost电路作为功率因数校正电路运行，实现电网侧的单位功率因数运行。boost电路利用了电机三相定子绕组，减小由于使用大电感而占用的大量空间。充电系统的后级电路为隔离型双向直流变换电路，控制动力电池充电，同时实现网侧与动力电池的电气隔离，充电安全性好。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，所述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。