CN102826054A - 一种电动汽车多功能集成电力电子系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电动汽车多功能集成电力电子系统，包括储能装置、双向变换器、驱动电机逆变器、电网连接器、控制器以及通信网络，同时具有驱动电机逆变、双向升降压变换和电网接入智能充电的功能，由于电动汽车驱动电机系统和储能装置的充电系统不会同时使用，因此该系统实现了这两个功能从硬件上结合到了一起，使得其电力电子开关器件和控制器能够分时复用，且集成设置，大大减少了整个系统的体积和制造成本，同时也提高了整个系统的稳定性。

Description

一种电动汽车多功能集成电力电子系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术，具体地说是一种用于电动汽车的集成多功能的电力电子系统。

背景技术

随着能源危机和环境危机的日益严重，新能源以其节能环保的优点日益受到人们的关注。新能源汽车则成为绿色交通发展的趋势。由于传统的汽车领域，国内发展较晚，国外大型的汽车企业占据着不可取代的优势。而新能源汽车，近几年开始发展，各个国家和地区都处于起步阶段，因此新能源汽车也为我国汽车产业缩小差距、提升产业国际竞争力、实现弯刀超车提供难得的历史性机遇。目前，电动汽车成为新能源汽车的主流。电动汽车的发展依赖于整车集成技术以及电机、电池等零部件技术的发展。随着电动汽车集成度的提升，电动汽车的整车成本有望大大降低。

电动汽车动力系统关系着电动汽车动力的来源，是电动汽车的关键技术之一。电动汽车动力系统的重要组成部分是蓄电池组和驱动电机逆变器，蓄电池组用于存储电能，驱动电机逆变器用于将蓄电池的直流电转变成交流电，驱动电机运行。蓄电池组直接连接到驱动电机逆变器的输入端，为其提供电能，因此，驱动电机逆变器的电压为蓄电池两端的电压。在使用过程中，由于蓄电池的特性，蓄电池两端的电压会随着电量的输出而降低。而对于驱动电机逆变器来说，其输入电压的浮动会影响整个驱动电机系统的工作稳定性和工作效率。为了提高电动汽车驱动系统的效率和稳定性，降低能量在传输和变换过程中的损失，驱动电机逆变器的输入电压应尽量保持一致和稳定。但是对于动力蓄电池来说，蓄电池组是由多个电池单体串并联而成，对电池单体的一致性要求很高，过多的串联电池会降低蓄电池供电系统的可靠性，但是电池设置过少又会影响电动汽车的连续运行里程。为了降低电池串联带来的问题，国内外多采用250V-380V作为电池的输出电压。在电动汽车内部除了上述驱动电机运行的高压蓄电池组外，还设有为车内低压设备供电的低压蓄电池，因此高压蓄电池还负责在需要时为低压电池充电的任务。

在中国专利文献CN101499673B中公开了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。在该技术方案中，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。但是，在该技术方案中，仍无法解决高压蓄电池组电压不稳定与驱动电机逆变器的输入端电压需要保持恒定的问题，此外，该技术方案中的充电机内虽然集成了电池充电的功能，但是需要单独设置，与其他设备的集成度并不高。

发明内容

为此， 本发明所要解决的一个问题是现有技术中的电动汽车的动力系统集成度不高，浪费空间和电气元件，从而提出一种具有较高的集成度、节省空间、电气元件可以分时复用、提高使用率的多功能集成电力电子系统。

本发明所要解决的另一个问题是现有技术中无法解决高压蓄电池组电压不稳定与驱动电机逆变器的输入端电压需要保持恒定的技术问题，从而可以保持驱动电机逆变器的输入端电压稳定一致的集成电力电子系统。

为解决上述技术问题，本发明提供一种电动汽车多功能集成电力电子系统，包括：

储能装置，存储有电能，向驱动电机进行供电；

双向变换器，与所述储能装置连接，将直流电进行升压或降压变换的双向能量变换 ；

驱动电机逆变器，与所述双向变换器和驱动电机连接，将所述双向变换器进行升压处理后的电能进行逆变，为所述驱动电机进行供电；

电网连接器，与所述双向变换器连接和电网连接，通过所述双向变换器为所述储能装置进行充电；

控制器，包括驱动模块和控制模块，所述控制模块内设置有电机驱动模式、刹车能量回馈模式和电网接入智能充电模式，所述驱动模块与所述双向变换器和驱动电机逆变器连接，所述控制模块根据不同的控制模式发送控制指令并通过驱动模块驱动所述双向变换器和所述驱动电机逆变器动作。

本发明所述的电动汽车多功能集成电力电子系统，所述双向变换器包括依次串联在所述储能装置的正负极之间的第一电容和两个电力电子开关；在所述两个电力电子开关的中心点和所述储能装置的正极之间串联有一个电感；在所述第一电容的正极和所述储能装置的负极之间还设置有两个串联的电容。

本发明所述的电动汽车多功能集成电力电子系统，所述电力电子开关为IGBT开关或MOSFET开关或三极管，每个所述电力电子开关反向并联设置一个二极管，所述二极管集成在所述电力电子开关内部或外置。

本发明所述的电动汽车多功能集成电力电子系统，所述驱动电机逆变器包括六个电力电子开关，每两个所述电力电子开关串联成一组桥臂，形成三组桥臂。

本发明所述的电动汽车多功能集成电力电子系统，所述三组桥臂并联后一端与所述第一电容的正极连接，另一端与所述储能装置的负极连接，所述每组桥臂的中心点与驱动电机的三相输入端连接。

本发明所述的电动汽车多功能集成电力电子系统，在所述串联的两个电容的中心点和所述驱动电机的中心点引出导线，该导线通过插头与电网连接器连接，用于接入电网为所述储能装置充电。

本发明所述的电动汽车多功能集成电力电子系统，所述控制模块包括微处理器、处理器芯片外围电路、通信芯片以及电源。

本发明所述的电动汽车多功能集成电力电子系统，所述驱动模块包括所述电力电子开关器件驱动电路和保护电路。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）本发明所述的电动汽车多功能集成电力电子系统，包括储能装置、双向变换器、驱动电机逆变器、电网连接器、控制器以及通信网络，同时具有驱动电机逆变、双向升降压变换和电网接入智能充电的功能，由于电动汽车驱动电机系统和储能装置的充电系统不会同时使用，因此该系统实现了这两个功能从硬件上结合到了一起，使得其电力电子开关器件和控制器能够分时复用，且集成设置，大大减少了整个系统的体积和制造成本，同时也提高了整个系统的稳定性。

（2）本发明所述的电动汽车多功能集成电力电子系统，通过双向变换器实现线路的电压稳定，减少了线路上的电压波动，提高了系统的稳定性。

（3）本发明所述的电动汽车多功能集成电力电子系统，采用了两个电容和储能装置的串并联升压结构，可以降低母线高压电容的容量，从而无需采用大容量的电容，降低了元件的成本。

（4）本发明所述的电动汽车多功能集成电力电子系统，采用一个电容和蓄电池串联的结构，部分电流通过电容和蓄电池供电直接供给母线，减少能量在双向变换器上的损耗，提高了系统的效率。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明所述的电动汽车多功能集成电力电子系统的结构框图；

图2为本发明所述的电动汽车多功能集成电力电子系统的电路结构示意图。

具体实施方式

实施例1

下面给出本发明所述的电动汽车多功能集成电力电子系统的一个具体的实施方式，其结构框图如图1所示，包括储能装置、双向变换器、驱动电机逆变器、电网连接器、控制器以及通信网络。所述储能装置中存储有用于驱动电机运行所需的电能，此处为高压的蓄电池组。双向变换器，也称为升降压变换器，可以进行直流到直流的升压或降压变换。所述双向变换器与所述储能装置连接，将直流电进行升压或降压变换。所述驱动电机逆变器与所述双向变换器和驱动电机连接，将所述双向变换器进行升压处理后的电能进行逆变，为所述驱动电机进行供电。所述电网连接器与所述双向变换器连接和电网连接，通过所述双向变换器为所述储能装置进行充电。所述控制器包括驱动模块和控制模块，所述控制模块内设置有电机驱动模式、刹车能量回馈模式和电网接入智能充电模式，所述驱动模块与所述双向变换器和驱动电机逆变器连接，所述控制模块根据不同的控制模式发送控制指令并驱动所述双向变换器和所述驱动电机逆变器动作。所述控制器、所述双向逆变器、驱动电机逆变器之间的数据通过信号线路进行传输。

实施例2：

在本实施例中，给出实施例1中各部分的具体电路结构，如图2所示。

所述双向变换器包括依次串联在所述储能装置即高压蓄电池的正负极之间的一个电容C1和两个电力电子开关Q1、Q2；在所述两个电力电子开关Q1、Q2的中心点和所述高压蓄电池的正极之间串联有一个电感L；在所述第一电容C1的正极和所述高压蓄电池的负极之间设置有两个串联的电容C2、C3。在此，所述电力电子开关Q1、Q2为IGBT开关，即绝缘栅双极型晶体管，在所述集电极和发射极之间反向并联设置一个二极管，见图2所示，所述二极管对所述IGBT开关具有保护作用，当反向电压较大时，防止反向击穿，同时所述二极管在充电时发挥作用。所述驱动电机逆变器包括六个电力电子开关Q3-Q8，每两个所述电力电子开关串联成一组桥臂，如Q3和Q4、Q5和Q6、Q7和Q8分别形成三组桥臂，并联后一端与所述第一电容C1的正极连接，另一端与所述高压蓄电池的负极连接，所述每组桥臂的中心点与驱动电机M的三相输入端连接。在所述串联的两个电容C2、C3的中心点和所述驱动电机M的中心点引出导线，通过插头与电网连接器J连接，用于接入电网为所述高压蓄电池充电。所述控制模块包括微处理器、处理器芯片外围电路、通信芯片以及电源，所述驱动模块包括所述电力电子开关器件驱动电路和保护电路。

由上述电路组成的多功能集成电力电子系统，同时具有升压、电机逆变驱动和电池智能充电的功能。该系统具有八个电力电子开关Q1-Q8、八个大功率二极管、一个电感L、三组电容C1，C2，C3、一个中心点引出的三相电机M、电动汽车动力电池组、以及由驱动模块和控制模块组成的控制器所构成。每一个功率二极管反向并联到每个电力电子开关管上， 并进行电气连接。每两个电力电子开关串联组成桥臂，并且四个桥臂的两端跟母线进行电气连接。四个桥臂中的三个桥臂的中心点跟电机的ABC端进行电气连接。两个电容C2、C3直接串联成一个电容桥臂，电容桥臂的两端跟母线进行电气连接。电容桥臂的中心点和三相电机的中心点引出导线，通过插头接入电网给电池充电。一个电容C1和动力电池组成一个桥臂，该桥臂的中心点和剩下电气电子开关桥臂的中心点通过电感L电气连接在一起，组成一个升降压模块。该系统中，三个桥臂组成电机驱动模式时三相电机逆变和充电模式时的整流升压的复合模块，另一个桥臂组成电池到母线的升压和电网智能充电的复合模块。

该多功能集成电力电子系统的控制器包括驱动模块和控制模块，所述控制模块由微处理器（或者数字处理器）、处理器芯片外围电路、通信芯片和电源电路等组成，控制模块通过接受不同的用户给定指令、电动汽车的运行参数（车速、转矩、运动方向等等）、系统的信号（如：母线电压，电机相电压、电机相电流、升压电感电流，温度等等）来控制这个复合系统的工作。其中由控制模块得到的开关器件的控制信号通过驱动板连接到各个开关器件并执行控制。

上述电动汽车多功能集成电力电子系统的工作时，系统的运行模式分为电机驱动模式、刹车能量回馈模式和电网接入智能充电模式。

（1）当系统运行在电机驱动模式时，首先，整车控制器（整车控制器是电动车的核心单元，主要协调各控制系统之间的协同工作）发出母线升压指令，然后多功能集成电力电子系统的控制器发出控制信号到升压桥臂的驱动板上，电力电子开关（Q1-Q8）进行开关动作，具体来说， Q1处于关闭状态，Q1的并联二极管根据电感状态进行导通，Q2根据母线电压的高低进行占空比的调节，Q2的并联二极管处于关闭状态。 Q2-Q8根据三相电机的正反转要求和转速要求进行传统三相电机PWM控制。母线（C1电容的正极到电池负极的连接线）电压会升高到400伏甚至更高左右；然后，整车控制器将会根据档位发出正（或负）转矩信号，多功能集成电力电子系统的控制器接收到整车控制器的指令后，把驱动的信号发到驱动板上控制电力电子开关（Q1-Q8），在此选择CAN总线的通信方式。

（2）当刹车能量回馈模式时，整车控制器发出指点给多功能集成电力电子系统的控制器发出一个负转矩指令，通过该控制器发出的驱动控制信号到驱动板实现电力电子器件的开关，具体来说， Q1处于PWM状态，Q1的并联二极管处于关闭状态，Q2处于关闭状态，Q2的并联二极管根据电感状态进行导通，根据母线电压的高低进行占空比的调节。 Q2-Q8根据三相电机的正反转要求和转速要求进行传统三相电机发电PWM控制。当回馈的能量在母线电容（C2和C3）储存，母线的电压会不断升高。多功能集成电力电子系统的控制器发出指令控制升降压桥臂（由电力电子开关Q1和Q2形成），让上半桥臂的电力电子开关（Q1）开合使升降压桥臂运行在降压模式给电池充电，这样回馈的能量通过这种方式转移到电池上。

（3）当电网接入智能充电模式时，电动汽车必须处于静止，把插头跟电网相连接。整车控制器根据用户的指令给多功能集成电力电子系统的控制器发出电网充电指令，首先，系统控制器发出控制信号到升压桥臂的驱动板上，母线电压会升高到400伏甚至更高左右；然后，合上跟电网相接连线的继电器，控制器发出控制信号给驱动板控制逆变桥臂，使逆变桥臂工作在升压变换器模式，同时控制输入的功率和实行功率因数控制，这样能量就从电网流向母线，通过母线的升降压桥臂就能控制充电电流。具体来说， Q1处于PWM状态，Q1的并联二极管处于关闭状态，Q2处于关闭状态，Q2的并联二极管根据电感状态进行导通，根据母线电压的高低进行占空比的调节。 Q3、Q5和Q7处于关闭状态，Q3、Q5和Q7并联二极管根据电机绕组电机绕组电感的电流进行导通，Q4、Q6和Q8处于PWM状态，PWM的占空比由充电的功率和电网的功率因数决定，Q4、Q6和Q8并联二极管处于关闭状态。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种电动汽车多功能集成电力电子系统，其特征在于，包括：

储能装置，存储有电能，向驱动电机进行供电；

双向变换器，与所述储能装置连接，将直流电进行升压或降压变换的双向能量变换 ；

驱动电机逆变器，与所述双向变换器和驱动电机连接，将所述双向变换器进行升压处理后的电能进行逆变，为所述驱动电机进行供电；

电网连接器，与所述双向变换器连接和电网连接，通过所述双向变换器为所述储能装置进行充电；

控制器，包括驱动模块和控制模块，所述控制模块内设置有电机驱动模式、刹车能量回馈模式和电网接入智能充电模式，所述驱动模块与所述双向变换器和驱动电机逆变器连接，所述控制模块根据不同的控制模式发送控制指令并通过驱动模块驱动所述双向变换器和所述驱动电机逆变器动作。

2.根据权利要求1所述的电动汽车多功能集成电力电子系统，其特征在于：所述双向变换器包括依次串联在所述储能装置的正负极之间的第一电容和两个电力电子开关；在所述两个电力电子开关的中心点和所述储能装置的正极之间串联有一个电感；在所述第一电容的正极和所述储能装置的负极之间还设置有两个串联的电容。

3.根据权利要求2所述的电动汽车多功能集成电力电子系统，其特征在于：所述电力电子开关为IGBT开关或MOSFET开关或三极管，每个所述电力电子开关反向并联设置一个二极管，所述二极管集成在所述电力电子开关内部或外置。

4.根据权利要求2或3中任一项所述的电动汽车多功能集成电力电子系统，其特征在于：所述驱动电机逆变器包括六个电力电子开关，每两个所述电力电子开关串联成一组桥臂，形成三组桥臂。

5.根据权利要求4所述的电动汽车多功能集成电力电子系统，其特征在于：所述三组桥臂并联后一端与所述第一电容的正极连接，另一端与所述储能装置的负极连接，所述每组桥臂的中心点与驱动电机的三相输入端连接。

6.根据权利要求2或3或4或5所述的电动汽车多功能集成电力电子系统，其特征在于：在所述串联的两个电容的中心点和所述驱动电机的中心点引出导线，该导线通过插头与电网连接器连接，用于接入电网为所述储能装置充电。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的电动汽车多功能集成电力电子系统，其特征在于：所述控制模块包括微处理器、处理器芯片外围电路、通信芯片以及电源。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的电动汽车多功能集成电力电子系统，其特征在于：所述驱动模块包括所述电力电子开关器件驱动电路和保护电路。

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