基于SiC三相双变换器的电动汽车充电与驱动集成系统的制作方法

本实用新型涉及一种基于SiC三相双变换器的电动汽车充电与驱动集成系统。

背景技术：

随着人们对快速充电的需求越来越高，大功率车载充电机将是未来的一个发展趋势，而体积、效率和散热是一个必须要面临的挑战。车载充电机是一种将交流电变换为直流电的技术，将电网的电能转化为电动车车载蓄电池的电能。车载高压充电机安装于电动汽车上，通过插头和电缆与交流插座连接，充电方便。车载充电机的优点是在蓄电池需要充电的任何时候，只要有可用的供电插座，就可以进行充电。车载充电机和电机驱动系统已经成为电动汽车不可缺少的两大电气零部件，由于车载充电机和电机驱动系统都利用了电力电子变换技术，因此两种不同功能的系统可共享部分电力电子变换器，从而减小体积和重量，降低成本。

目前，具有车载充电机和电机驱动系统集成的充电机是否具有电气隔离，分为两类：有隔离变压器和无隔离变压器的充电机。其中充电机具有隔离作用的集成方结构有两种：第一种，如图1所示，利用特殊电机结构构成静止变压器，由于其是工频变压器，损耗较大；第二种，如图2所示，是公告号为CN104670040B，名称为“一种电动汽车充电与驱动集成拓扑”的中国发明专利，充电拓扑利用磁组合高频变压器的电气隔离提高了系统安全性，集成的阻抗源驱动拓扑利用三原边绕组并联的磁组合高频变压器提高升压能力。但是在该方案中存在较多的无源器件和切换开关，从而导致电路结构复杂，不便于维修。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本实用新型提供一种基于SiC三相双变换器的电动汽车充电与驱动集成系统，结构简单，便于维修，无电解电容，以及仅需采用较少的切换开关，即可使能量双向流动，从而实现充电模式和驱动模式的切换。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：基于SiC三相双变换器的电动汽车充电与驱动集成系统，包括三相全桥变换器I、三相全桥变换器Ⅱ、三相全桥变换器Ⅲ和高频变压器组，高频变压器组由三个高频变压器组成，还包括切换开关K1～K5，所述切换开关K1为三联开关，切换开关K2和K3均为两路转换开关，切换开关K4和K5分别由三个两路转换开关组成；其中切换开关K4的第一两路转换开关由L1端、L2端和L3端组成，切换开关K4的第二两路转换开关由M1端、M2端和M3端组成，切换开关K4的第三两路转换开关由N1端、N2端和N3端组成；切换开关K5的第一两路转换开关由O1端、O2端和O3端组成，切换开关K5的第二两路转换开关由P1端、P2端和P3端组成，切换开关K5的第三两路转换开关由Q1端、Q2端和Q3端组成；

所述切换开关K1的三个输入端分别接三相电网，切换开关K1的三个输出端分别连接输入滤波电感LA、LB、LC的一端；输入滤波电感LA、LB、LC的另一端分别与三相全桥变换器Ⅰ的三个输入端相连；

所述三相全桥变换器I的第一输出端与切换开关K2的2端相连，三相全桥变换器I的第二输出端与切换开关K3的2端相连；

所述三相全桥变换器Ⅱ的第一输入端与切换开关K2的1端相连，三相全桥变换器Ⅱ的第二输入端与切换开关K3的1端相连；

所述三相全桥变换器Ⅲ的第一输出端与切换开关K2的3端和动力电池的一端相连，三相全桥变换器Ⅲ的第二输出端与切换开关K3的3端和动力电池的另一端相连；

所述三相全桥变换器Ⅱ的三个输出端分别与切换开关K4中的L1端、M1端和N1端相连；

所述三个高频变压器各自原边绕组的其中一端相连，三个高频变压器各自原边绕组的另一端分别与切换开关K4中的L2端、M2端和N2端相连；三个高频变压器各自副边绕组的其中一端相连，三个高频变压器各自副边绕组的另一端分别与切换开关K5中的O2端、P2端和Q2端相连；

切换开关K5中的O3端、P3端、Q3端分别与开绕组电机的三相定子绕组一端相连；开绕组电机的三相定子绕组另一端分别与切换开关K4中的L3端、M3端、N3端相连；

切换开关K5中的O1端、P1端、Q1端分别与三相全桥变换器Ⅲ的三个输入端相连；

当电动汽车处于充电模式时，切换开关K1处于连通状态，切换开关K2和K3各自中的1端和2端连通，切换开关K4中的L1端与L2端、M1端与M 2端、N1端与N 2端均连通，切换开关K5中的O1端与O2端、P1端与P 2端、Q1端与Q2端均连通；

当电动汽车处于驱动模式时，切换开关K1处于断开状态，切换开关K2和K3各自中的1端和3端连通，切换开关K4中的L1端与L3端、M1端与M 3端、N1端与N 3端均连通，切换开关K5中的O1端与O3端、P1端与P 3端、Q1端与Q3端均连通。

进一步，所述三相全桥变换器I、三相全桥变换器Ⅱ、三相全桥变换器Ⅲ均为碳化硅(SiC)功率器件。

与现有技术相比，本实用新型采用三相全桥变换器I、三相全桥变换器Ⅱ、三相全桥变换器Ⅲ、高频变压器组和切换开关K1～K5相结合方式，通过控制切换开关K1～K5的接通、关断状态，即可实现能量的双向流动，使动力电池处于充电状态和放电状态，从而实现充电模式和驱动模式的切换；本实用新型具有如下优点：

1.集成的驱动模式的变换器具有较强的容错能力。

2.由于仅采用5组开关进行切换，因此其电路结构简单，便于维修，能有效减小系统整体的体积、重量。

3.本集成系统的主电路无需额外增加功率管，从而降低了硬件成本。

4.采用碳化硅功率器件，大大减小了无源器件的体积和重量，提高了集成系统的功率密度、小型化。

附图说明

图1是一种现有电动汽车充电与驱动集成系统的电路原理图；

图2是另一种现有电动汽车充电与驱动集成系统的电路原理图；

图3是本实用新型的电路原理图；

图4是本实用新型处于充电模式的拓扑图；

图5是本实用新型处于驱动模式的拓扑图。

具体实施方式

下面将对本实用新型做进一步说明。

如图3所示，本实用新型包括三相全桥变换器I、三相全桥变换器Ⅱ、三相全桥变换器Ⅲ和高频变压器组，高频变压器组由三个高频变压器组成，还包括切换开关K1～K5，所述切换开关K1为三联开关，切换开关K2和K3均为两路转换开关，切换开关K4和K5分别由三个两路转换开关组成；其中切换开关K4的第一两路转换开关由L1端、L2端和L3端组成，切换开关K4的第二两路转换开关由M1端、M2端和M3端组成，切换开关K4的第三两路转换开关由N1端、N2端和N3端组成；切换开关K5的第一两路转换开关由O1端、O2端和O3端组成，切换开关K5的第二两路转换开关由P1端、P2端和P3端组成，切换开关K5的第三两路转换开关由Q1端、Q2端和Q3端组成；

所述切换开关K1的三个输入端分别接三相电网，切换开关K1的三个输出端分别连接输入滤波电感LA、LB、LC的一端；输入滤波电感LA、LB、LC的另一端分别与三相全桥变换器Ⅰ的三个输入端相连；

所述三相全桥变换器I的第一输出端与切换开关K2的2端相连，三相全桥变换器I的第二输出端与切换开关K3的2端相连；

所述三相全桥变换器Ⅱ的第一输入端与切换开关K2的1端相连，三相全桥变换器Ⅱ的第二输入端与切换开关K3的1端相连；

所述三相全桥变换器Ⅲ的第一输出端与切换开关K2的3端和动力电池的一端相连，三相全桥变换器Ⅲ的第二输出端与切换开关K3的3端和动力电池的另一端相连；

所述三相全桥变换器Ⅱ的三个输出端分别与切换开关K4中的L1端、M1端和N1端相连；

所述三个高频变压器各自原边绕组的其中一端相连，三个高频变压器各自原边绕组的另一端分别与切换开关K4中的L2端、M2端和N2端相连；三个高频变压器各自副边绕组的其中一端相连，三个高频变压器各自副边绕组的另一端分别与切换开关K5中的O2端、P2端和Q2端相连；

切换开关K5中的O3端、P3端、Q3端分别与开绕组电机的三相定子绕组一端相连；开绕组电机的三相定子绕组另一端分别与切换开关K4中的L3端、M3端、N3端相连；

切换开关K5中的O1端、P1端、Q1端分别与三相全桥变换器Ⅲ的三个输入端相连；

当电动汽车处于充电模式时，切换开关K1处于连通状态，切换开关K2和K3各自中的1端和2端连通，切换开关K4中的L1端与L2端、M1端与M 2端、N1端与N 2端均连通，切换开关K5中的O1端与O2端、P1端与P 2端、Q1端与Q2端均连通；

当电动汽车处于驱动模式时，切换开关K1处于断开状态，切换开关K2和K3各自中的1端和3端连通，切换开关K4中的L1端与L3端、M1端与M 3端、N1端与N 3端均连通，切换开关K5中的O1端与O3端、P1端与P 3端、Q1端与Q3端均连通。

进一步，所述三相全桥变换器I、三相全桥变换器Ⅱ、三相全桥变换器Ⅲ均为碳化硅功率器件。三相全桥变换器既具有整流作用又具有逆变作用，根据能量在三相全桥变换器内的流向进行整流或逆变。

如图4所示，当电动汽车处于充电模式时，切换开关K1处于连通状态，切换开关K2和K3各自中的1端和2端连通，切换开关K4中的L1端与L2端、M1端与M 2端、N1端与N 2端均连通，切换开关K5中的O1端与O2端、P1端与P 2端、Q1端与Q2端均连通；此时三相电网中的交流电通过切换开关K1经滤波电感LA、LB、LC滤波后进入三相全桥变换器I，三相全桥变换器I对交流电整流后得到脉动的直流电，通过切换开关K2进入三相全桥变换器Ⅱ，三相全桥变换器Ⅱ对直流电逆变后通过切换开关K4进入高频变压器原边绕组，经过变压后，由高频变压器副边绕组输出，并通过切换开关K5进入三相全桥变换器Ⅲ，三相全桥变换器Ⅲ对高频电能进行二次整流后给动力电池充电。

如图5所示，当电动汽车处于驱动模式时，切换开关K1处于断开状态，切换开关K2和K3各自中的1端和3端连通，切换开关K4中的L1端与L3端、M1端与M3端、N1端与N3端均连通，切换开关K5中的O1端与O3端、P1端与P 3端、Q1端与Q3端均连通；此时三相电网的交流电无法通过切换开关K1，动力电池开始处于放电状态。动力电池输出的直流电一路进入三相全桥变换器Ⅲ进行逆变，另一路通过切换开关K2和K3接入三相全桥变换器Ⅱ进行逆变，逆变后的两路交流电分别通过切换开关K4和K5为开绕组电机提供电能驱动。