一种电动汽车容错充电电路的制作方法

本实用新型涉及一种电动汽车容错充电电路，属于汽车充电技术领域。

背景技术：

电动汽车作为当前解决交通领域环境污染和能源危机的重要途径，越发受到全球领域的关注。在当前汽车行业技术日益成熟的今天，电动汽车普及推广的关键制约问题为蓄电池及充电技术，其中充电技术成为电动汽车续航和成本的关键。

目前，电动汽车的蓄电池充电方式有两种：一种为车载慢充装置，将蓄电池的充电装置安置在电动汽车上，可以利用普通单相交流电源或安置于公共建筑和居民小区停车场内的充电插座或者充电桩直接充电。另外一种为解决慢充装置充电速度的快速充电桩，通常布置于专用充电站，通过大功率变换器将工业三相交流电转换为大功率直流电，直接给车载蓄电池充电。

其中，采用车载慢充装置具有充电便利的优点，但是慢速充电装置存在的问题是充电功率比较小，车载蓄电池充满电耗时较长，影响电动汽车的利用率，并且该车载充电机在电动汽车行驶过程中为固有的负载，影响整车运行性能的提升。而快速充电桩可以在短时间内快速完成蓄电池的充电，能够有效提高电动汽车的充电效率和利用率，但是该快速充电装置由于功率、体积和重量较大，安装于电动汽车严重占据电动汽车有限的空间和重量资源，在推广电动汽车的应用过程中需要辅助建立配套的快速充电站，同样在成本、市场和环境适应性等方面也受到了很大的限制，并且逆变器是电动汽车驱动系统中的薄弱环节，逆变器的功率管极易出现故障，逆变器出现故障会影响电动汽车的正常行驶。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种电动汽车容错充电电路，用于解决逆变器出现故障时如何保证电动汽车的正常充电问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种电动汽车容错充电电路，包括双三相电机绕组、两个三相逆变桥电路以及至少一条冗余桥臂支路，双三相电机绕组的各进线端用于连接三相交流电源，各出线端分别对应连接两个三相逆变桥电路的各个交流连接端，两个三相逆变桥电路的直流连接端用于连接动力电池的充电连接端；所述冗余桥臂支路包括串联连接的上桥臂和下桥臂，冗余桥臂支路的上桥臂和下桥臂中均设置有全控器件阀组，冗余桥臂支路的上桥臂和下桥臂的串联点连接三相逆变桥电路的至少一个交流连接端，所述串联点与交流连接端之间串设有控制开关，冗余桥臂支路的上桥臂和下桥臂的非串联点用于连接动力电池的充电连接端。

本实用新型的有益效果是：通过给两个三相逆变桥电路中的桥臂设置冗余桥臂支路，当桥臂发生故障时，可以通过控制控制开关闭合将对应的冗余桥臂支路投入代替该故障桥臂，从而保证了电动汽车的正常充电。

进一步的，为了实现整流控制，所述三相逆变桥电路包括并联连接的三个桥臂，每个桥臂包括串联连接的上桥臂和下桥臂，每个桥臂的上桥臂和下桥臂中均设置有全控器件阀组；每个桥臂的上桥臂和下桥臂的串联点连接双三相电机绕组对应的出线端，三个桥臂的并联点用于连接动力电池的充电连接端。

进一步的，为了实现过压过流保护，三相逆变桥电路中每个桥臂的上桥臂和下桥臂中均串设有熔断器。

进一步的，所述全控器件阀组由一个或者串联连接至少两个全控器件构成。

进一步的，所述全控器件为IGBT。

进一步的，为了实现充电控制，双三相电机绕组的各进线端还串设有充电开关。

进一步的，双三相电机绕组的各进线端之间还连接有控制开关。

进一步的，所述控制开关为双向晶闸管。

进一步的，两个三相逆变桥电路的直流连接端与充电连接端之间以及冗余桥臂支路中均串设有开关。

进一步的，还包括控制器，所述控制器控制连接所述控制开关的控制端以及充电开关。

进一步的，所述控制器为电机控制器。

附图说明

图1是本实用新型的电动汽车容错充电电路的原理图；

图2是本实用新型的电动汽车容错充电电路在正常状态下的电路图；

图3是当逆变器1第一桥臂发生故障后的驱动等效电路图；

图4是当逆变器1第一桥臂发生故障后的充电等效电路图；

图5是当逆变器2第七桥臂发生故障后的驱动等效电路图；

图6是当逆变器2第七桥臂发生故障后的充电等效电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本实用新型进行进一步详细说明。

本实用新型提供了一种电动汽车容错充电电路，包括双三相电机绕组、两个三相逆变桥电路以及至少一条冗余桥臂支路。其中，双三相电机绕组的各进线端用于连接三相交流电源，各出线端分别对应连接两个三相逆变桥电路的各个交流连接端，两个三相逆变桥电路的直流连接端用于连接动力电池的充电连接端。冗余桥臂支路的交流连接端与两个三相逆变桥电路中的至少一个交流连接端相连，冗余桥臂支路的交流连接端与两个三相逆变桥电路中的各个交流连接端之间均串设有控制开关，冗余桥臂支路的直流连接端用于连接动力电池的充电连接端。

对于上述的电动汽车容错充电电路，可以给两个三相逆变桥电路仅设置一条冗余桥臂支路，也可以设置一条以上的多条冗余桥臂支路。每条冗余桥臂支路可以与两个三相逆变桥电路的其中一条桥臂对应冗余设置，也可以与两个三相逆变桥电路中的部分或者全部桥臂对应冗余设置。

其中，图1给了两个三相逆变桥电路仅设置一条冗余桥臂支路，且该冗余桥臂支路与两个三相逆变桥电路中的全部桥臂对应冗余设置时，电动汽车容错充电电路的电路原理图。具体的，如图1所示，该电动汽车容错充电电路包括第一三相电机绕组、第二三相电机绕组、第一三相逆变桥电路、第二三相逆变桥电路以及一条冗余桥臂支路，第一三相逆变桥电路(逆变器1)由第一相桥臂1、第二相桥臂2和第三相桥臂3构成，第二三相逆变桥电路(逆变器2)由第五相桥臂5、第六相桥臂6和第七相桥臂7构成。其中，两个三相逆变桥电路的每个桥臂均包括串联连接的上桥臂和下桥臂，每个桥臂的上桥臂和下桥臂中均设置有全控器件阀组。在本实施例中，第一相桥臂中上桥臂的全控器件阀组由第一功率管IGBT器件Q1构成，第一相桥臂中下桥臂的全控器件阀组由第二功率管IGBT器件Q2构成；第二相桥臂中上桥臂的全控器件阀组由第三功率管IGBT器件Q3构成，第二相桥臂中下桥臂的全控器件阀组由第四功率管IGBT器件Q4构成；第三相桥臂中上桥臂的全控器件阀组由第五功率管IGBT器件Q5构成；第三相桥臂中下桥臂的全控器件阀组由第六功率管IGBT器件Q6构成；第五相臂中上桥臂的全控器件阀组由第九功率管IGBT器件Q9构成，第五相桥臂中下桥臂的全控器件阀组由第十功率管IGBT器件Q10构成；第六相桥臂中上桥臂的全控器件阀组由第十一功率管IGBT器件Q11构成，第六相桥臂中下桥臂的全控器件阀组由第十二功率管IGBT器件Q12构成；第七相桥臂中上桥臂的全控器件阀组由第十三功率管IGBT器件Q13构成，第七相桥臂中下桥臂的全控器件阀组由第十四功率管IGBT器件Q14构成。两个三相逆变桥电路中每个桥臂的上桥臂和下桥臂的串联点连接双三相电机绕组对应的出线端，三个桥臂的并联点用于连接动力电池的充电连接端。此时，第一三相逆变桥电路的第一相桥臂中Q1和Q2的串联点连接第一套绕组a相的出线端，第二相桥臂中Q3和Q4的串联点连接第一套绕组b相的出线端，第三相桥臂中Q5和Q6的串联点连接第一套绕组c相的出线端；第二三相逆变桥电路的第五相桥臂中Q9和Q10的串联点连接第二套绕组A相的出线端，第六相桥臂中Q11和Q12的串联点连接第二套绕组B相的出线端，第七相桥臂中Q13和Q14的串联点连接第二套绕组C相的出线端。

与上述两个三相逆变桥电路中的桥臂结构一样，冗余桥臂支路(此处称为第四相桥臂4)也包括串联连接的上桥臂和下桥臂，且上桥臂和下桥臂中均设置有全控器件阀组，其中上桥臂中全控器件阀组由第七功率管IGBT器件Q7构成，下桥臂中全控器件阀组由第八功率管IGBT器件Q8构成。IGBT器件Q7和Q8的串联点分别通过双向晶闸管TR1、双向晶闸管TR2、双向晶闸管TR3连接第一套绕组a相的出线端、第一套绕b相的出线端、第一套绕c相的出线端，并分别通过双向晶闸管TR6、双向晶闸管TR5、双向晶闸管TR4连接第二套绕组A相的出线端、第二套绕B相的出线端、第二套绕C相的出线端，第四相桥臂和各个双向晶闸管一起构成了逆变器1和逆变器2的冗余电路。另外，Q7和Q8的非串联点与两个三相逆变桥电路的直流连接端一起与动力电池充电连接端的正负极对应相连。

上述功率管IGBT器件Q1～Q14均反相并联有二极管，功率管IGBT器件Q1～Q14的栅极均与电机控制器相连，由电机控制器输入触发或断开驱动信号。双向晶闸管TR1、TR2、TR3、TR4、TR5、TR6的控制极均与电机控制器相连，由电机控制器输入或断开触发信号。当然，作为其他的实施方式，该电机控制器也可以替换为其他的控制器。

另外，为了实现过流保护，用于在功率管发生短路故障时，快速将相应的桥臂从电路中断开，保护电路其他元件不被损坏，并实现容错控制，在两个三相逆变桥电路每个桥臂的上桥臂和下桥臂中均串设有熔断器。如图1所示，第一相桥臂中上桥臂中串设有快速熔断器F1，第一相桥臂中下桥臂中串设有快速熔断器F2；第二相桥臂中上桥臂中串设有快速熔断器F3，第二相桥臂中下桥臂中串设有快速熔断器F4；第三相桥臂中上桥臂中串设有快速熔断器F5，第三相桥臂中下桥臂中串设有快速熔断器F6；第五相桥臂中上桥臂中串设有快速熔断器F7，第五相桥臂中下桥臂中串设有快速熔断器F8；第六相桥臂中上桥臂中串设有快速熔断器F9，第六相桥臂中下桥臂中串设有快速熔断器F10；第七相桥臂中上桥臂中串设有快速熔断器F11，第七相桥臂中下桥臂中串设有快速熔断器F12。

需要说明的是，三相逆变桥电路每个桥臂以及冗余桥臂支路中的全控器件阀组也可以由串联连接的多个IGBT器件构成，当然IGBT器件也可以替换成IGCT等其他的全控器件。冗余桥臂支路与两个三相逆变桥电路中的各个交流连接端即两套绕组的出线端之间串联的双向晶闸管也可以替换为其他的控制开关。

另外，为了便于控制，双三相电机绕组的各进线端还串设有充电开关，即第一套绕组a相、b相和c相的进线端分别串设有充电开关K4、K5和K6，第二套绕组A相、B相和C相的进线端分别串设有充电开关K7、K8和K9。充电开关K4、K5、K6、K7、K8、K9均与控制模块相连，由控制模块控制继电器开关的闭合或断开。该控制模块可以由电机控制器实现，也可以由其他的控制器来实现。

为了防止给动力电池充电时，充电控制电路短路，双三相电机绕组的各进线端之间还连接有控制开关，在本实施例中，第一套绕组a相和b相的进线端之间连接有双向晶闸管TR7，第一套绕组b相和c相的进线端之间连接有双向晶闸管TR8，第二套绕组A相和B相的进线端之间连接有双向晶闸管TR9，第一套绕组B相和C相的进线端之间连接有双向晶闸管TR10。同样的，此处的四个双向晶闸管也可以替换为其他的控制开关。

为了两个三相逆变桥电路以及冗余桥臂支路的投入和退出，在两个三相逆变桥电路的直流连接端与充电连接端之间还串设有开关K1和K2，在冗余桥臂支路中串设有开关K3。

相较于传统的充电电路，上述电动汽车容错充电电路结构简单，设计却十分合理，功率器件数量和成本增加有限，性价比高，相应的控制安全可靠。在无故障正常运行时，上述电动汽车容错充电电路的正常运行电路图如图2所示，仅第一相桥臂1、第二相桥臂2、第三相桥臂3、第五相桥臂5、第六相桥臂6和第七相桥臂7正常运行，第四相桥臂和各控制开关TR1、TR2、TR3、TR4、TR5、TR6不工作。该电动汽车容错充电电路不但能够实现充电功能，而且动力电池(车载蓄电池)通过该电路能够驱动电机运行。在实现充电功能时，交流电源AC通过充电开关、双三相电机绕组以及逆变器1中的三个桥臂或逆变器2中的三个桥臂给动力电池(车载蓄电池)进行快速充电。在驱动电机运行时，第一桥臂1、第二桥臂2、第三桥臂3、第五桥臂5、第六桥臂6和第七桥臂7运行，第四桥臂4和各控制开关TR1、TR2、TR3、TR4、TR5、TR6不工作，动力电池(车载蓄电池)通过两个逆变器给电机绕组供电，实现电机驱动。

当两个逆变器中任意一相桥臂出现开路故障时，电机控制器断开该故障相桥臂两个功率管的驱动信号，触发与该相桥臂中点(串联点)相连的双向晶闸管导通，同时将故障桥臂的驱动信号用于控制第四相桥臂4的两个功率管，由被触发的双向晶闸管与第四相桥臂构成的冗余电路投入运行，代替被断开的故障相桥臂，实现容错控制，即便某一桥臂出现故障，电路仍旧可以正常运行，实现电机的正常驱动以及动力电池的正常充电。

如图3所示，以第一相桥臂1的第一功率管Q1、第二功率管Q2出现开路故障为例，电机控制器断开第一功率管Q1和第二功率管Q2的驱动信号，控制双向晶闸管TR1导通，将本来用于第一功率管Q1和第二功率管Q2的驱动信号分别用于控制第七功率管Q7和第八功率管Q8，使双向晶闸管TR1及第四相桥臂4构成该第一相桥臂的冗余电路投入运行，实现容错控制。如图3所示，动力电池仍然通过逆变器控制双三相电机实现驱动功能；如图4所示，三相交流电源仍可通过充电开关和双三相电机绕组，由逆变器1向动力电池快速充电，各项性能指标和故障发生前一样。

如图5所示，以第七相桥臂7的第十三功率管Q13、第十四功率管Q14出现开路故障为例，电机控制器断开第十三功率管Q13和第十四功率管Q14的驱动信号，控制双向晶闸管TR4导通，将本来用于第十三功率管Q13和第十四功率管Q14的驱动信号分别用于控制第七功率管Q7和第八功率管Q8，使双向晶闸管TR4及第四相桥臂4构成该相桥臂的冗余电路投入运行，实现容错控制。如图5所示，动力电池仍然通过逆变器控制双三相电机实现驱动功能；如图6所示，三相交流电源仍可通过充电开关和双三相电机绕组，由逆变器2向动力电池快速充电，各项性能指标和故障发生前一样。

当逆变器1或逆变器2的某一相桥臂的其中一个功率管出现短路故障时，同一相桥臂上的互补功率管、该桥臂上的两个熔断器与直流电源即动力电池形成回路，两个熔断器因为过流被熔断，该桥臂从电路中断开，短路故障自动转化为开路故障，再利用上述功率管开路故障容错方法进行容错控制。

以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。本实用新型的基本思路在于上述基本方案，根据本实用新型的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围内。