本實用新型涉及一種插電式混合電動汽車綜合變換系統(tǒng)拓撲結構。

背景技術：

燃油供求矛盾日益突出，霧霾等環(huán)境污染問題已成為全國性的生態(tài)問題。在大力發(fā)展風力、太陽能等清潔能源發(fā)電的同時，加快發(fā)展電動汽車，可以有效降低負荷側汽油的消耗，有益于保障國家安全并顯著改善環(huán)境，已經(jīng)成為我國可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。另一方面，隨著智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的建設和發(fā)展，電動汽車(Electric Vehicle，EV)作為一種分布式儲能設備，將通過V2G(Vehicle to Grid)技術同電力系統(tǒng)完美融合，成為能源互聯(lián)網(wǎng)的核心之一，發(fā)揮其儲能、用能、調(diào)峰的多元作用，從而優(yōu)化系統(tǒng)運行，提高交通運輸系統(tǒng)以及整個經(jīng)濟社會的低碳化水平。

電動汽車功率變換系統(tǒng)包括：(1)電動機驅(qū)動DC/AC逆變器，將直流動力電轉換成電機控制的三相交流電；(2)雙向DC/DC變換器，實現(xiàn)動力電池與電機驅(qū)動逆變器的電平匹配；(3)車載AC/DC充電器，從電網(wǎng)向動力電池充電。除此之外，還包括動力電池管理系統(tǒng)(Battery Management Systems,BMS)。這種由不同功能模塊實現(xiàn)的電動汽車功率變換系統(tǒng)集成具有體積大、重量重、效率低等缺點。眾所周知，整車輕量化設計、整車一體化和系統(tǒng)一體化設計等一直是新一代電動汽車的重要課題。

另外，由于續(xù)航能力問題，純電動汽車(Battery Electric Vehicle，BEV)要取代燃油汽車還有很長的路要走，插電式混合動力電動汽車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV)作為一種中間過渡產(chǎn)品比純電動汽車更具現(xiàn)實性，具有更廣闊的市場前景。

在《電力自動化設備》2013年第10期143-149頁刊登的“電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)與蓄電池充電一體化混合拓撲研究綜述”一文(作者劉瑩等)，總結了國內(nèi)外學者提出的多種電動汽車一體化拓撲結構，但是這些一體化拓撲基本是基于兩電平逆變器，并且需要外加單獨的動力電池均衡控制系統(tǒng)。

在《IEEE Transactions on Power Electronics》2016年第1期507-517頁的“Design and Control of Modular Multilevel Converters for Battery Electric Vehicles”一文(作者Quraan M等)提出一種基于模塊化多電平變換器(Modular Multilevel Converters,MMC)的電動汽車一體化變換系統(tǒng)拓撲，如圖1所示。該拓撲使用同一個變換器驅(qū)動電機和充電，并且直接利用負載電流進行電池均衡管理，不需要增加額外硬件，即該拓撲可以實現(xiàn)EV電機驅(qū)動、電池充電與電池均衡管理等功能的系統(tǒng)集成。但是，該拓撲只有一個三相交流端口，因此只適合于具有單臺電機的純電動汽車或混合動力電動汽車，不能用于帶獨立發(fā)電機的混合動力電動汽車或多臺電動機的純電動汽車系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型為了解決上述問題，提出了一種插電式混合電動汽車綜合變換系統(tǒng)拓撲結構，本實用新型通過內(nèi)嵌電池均衡控制，能夠?qū)崿F(xiàn)集PHEV動力電池均衡控制、電動機和發(fā)電機驅(qū)動以及動力電池充電和入網(wǎng)控制等多功能為一身的高度一體化系統(tǒng)和控制。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術方案：

一種插電式混合電動汽車綜合變換系統(tǒng)拓撲結構，包括i*j個進行功率變換的橋臂的多維矩陣結構，其輸入端為i相，輸出端為j相，且所述輸入端對應連接混合動力電動汽車交流發(fā)電機的定子繞組，所述輸出端對應連接混合動力電動汽車的交流電動機定子繞組；

所述輸入端通過j個橋臂分別連接到所述j個輸出端，每個所述輸出端通過i個橋臂分別連接到所述i個輸入端。

所述橋臂包括串聯(lián)的橋臂電感和子模塊鏈。

所述橋臂電感可以為多個。

所述子模塊鏈由N個H橋子模塊SM串聯(lián)而成，其中N大于等于1。

所述H橋子模塊SM由四個帶反并聯(lián)二極管的功率開關、電容器C、電感Lb及動力電池構成，其中，第一與第二功率開關、第三與第四功率開關先分別串聯(lián)再與電容器C并聯(lián)，電感Lb與動力電池串聯(lián)后在與電容器C并聯(lián)。

所述橋臂電感為獨立電感。

所述橋臂電感由所述交流發(fā)電機定子繞組取代，其中所述交流發(fā)電機的每相定子繞組等分為j個繞組，取代連接該相的橋臂電感。

所述橋臂電感由所述交流電動機定子繞組取代，其中所述交流電動機的每相定子繞組等分為i個繞組，取代連接該相的橋臂電感。

基于上述綜合變換系統(tǒng)拓撲結構的插電連接方法，具體為插電時外接電源的一端連接所述混合電動汽車交流發(fā)電機i相定子繞組的中性點，外接電源的另一端連接所述混合電動汽車交流電動機j相定子繞組的中性點。

所述外接電源為單相交流電或直流電。

本實用新型的工作原理：采用級聯(lián)式模塊化多電平矩陣式結構，能實現(xiàn)集PHEV動力電池均衡控制、電動機和發(fā)電機驅(qū)動以及動力電池充電和V2G控制等多功能為一身的高度一體化系統(tǒng)和控制。該拓撲結構不僅可用于插電式混合動力電動汽車(PHEV)，而且也可用于具有兩臺驅(qū)動電機的純電動汽車，還可用于多端口儲能系統(tǒng)。

本實用新型的有益效果為：

1)本實用新型拓撲能夠獨立實現(xiàn)子模塊動力電池充放電及均衡控制，同時可實現(xiàn)PHEV的4種驅(qū)動模式，即純電、純油、混合及發(fā)電機充電模式，并可實現(xiàn)插電充放電模式。

2)不需要改變拓撲，可連接外部電源(交流或直流)對PHEV動力電池進行充電或?qū)崿F(xiàn)V2G控制，并同時實現(xiàn)動力電池均衡控制。雖然充電/放電電流流過發(fā)電機/電動機線圈，但并不產(chǎn)生轉矩，不需要對發(fā)電機/電動機進行堵轉。

3)具有較好的故障電池冗余處理能力，當某個子模塊動力電池出現(xiàn)故障時，該子模塊可退出運行，不影響其它子模塊動力電池的正常運行。

4)用發(fā)電機/電動機繞組取代橋臂電感，可減小系統(tǒng)體積、重量和成本。

5)本實用新型的拓撲結構不僅可用于插電式混合動力電動汽車(PHEV)，而且也可用于具有兩臺驅(qū)動電機的純電動汽車，還可用于多端口儲能系統(tǒng)。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有的基于MMC的電動汽車變換系統(tǒng)拓撲結構

圖2是本實用新型的插電式混合動力電動汽車變換系統(tǒng)一種拓撲結構。

圖3是橋臂子模塊鏈結構圖。

圖3a是H橋子模塊結構圖。

圖4是本實用新型的插電式混合動力電動汽車變換系統(tǒng)另一種拓撲結構。

圖5是本實用新型的插電式混合動力電動汽車變換系統(tǒng)另一種拓撲結構。

圖6是本實用新型的插電式混合動力電動汽車變換系統(tǒng)另一種拓撲結構。

圖7是本實用新型的插電式混合動力電動汽車變換系統(tǒng)外接電源連接方式圖。

其中，1、橋臂子模塊串聯(lián)結構，2、H橋子模塊SM，3、發(fā)電機，4、電動機，5、外接電源。N1、發(fā)電機定子繞組中性點，N2、電動機定子繞組中性點。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。

如圖1所示?，F(xiàn)有的拓撲結構使用同一個變換器驅(qū)動電機和充電，并且直接利用負載電流進行電池均衡管理，不需要增加額外硬件，即該拓撲可以實現(xiàn)EV電機驅(qū)動、電池充電與電池均衡管理等功能的系統(tǒng)集成。但是，該拓撲只有一個三相交流端口，因此只適合于具有單臺電機的純電動汽車或混合動力電動汽車，不能用于帶獨立發(fā)電機的混合動力電動汽車或多臺電動機的純電動汽車系統(tǒng)。

本實用新型提供一種內(nèi)嵌電池均衡控制的插電式混合動力電動汽車(PHEV)綜合變換系統(tǒng)拓撲結構，以實現(xiàn)集PHEV動力電池均衡控制、電動機和發(fā)電機驅(qū)動以及動力電池充電和V2G控制等多功能為一身的高度一體化系統(tǒng)和控制。

一種插電式混合動力電動汽車(PHEV)綜合變換系統(tǒng)拓撲結構，為i x j矩陣結構，其中i和j都大于等于3，有i個輸入相和j個輸出相，以及i x j個橋臂。其中，所述i個輸入相分別接PHEV交流發(fā)電機i相定子繞組，所述j個輸出相分別接PHEV交流電動機j相定子繞組；每個所述輸入相通過j個橋臂分別連接到所述j個輸出相，每個所述輸出相通過i個橋臂分別連接到所述i個輸入相；每個所述橋臂均由至少一個橋臂電感L0與一個子模塊鏈串聯(lián)而成，所述子模塊鏈由N個H橋子模塊SM串聯(lián)而成，其中N大于等于1。所述H橋子模塊SM由四個帶反并聯(lián)二極管的功率開關、電容器C、電感Lb及動力電池構成，其中，第一與第二功率開關、第三與第四功率開關先分別串聯(lián)再與電容器C并聯(lián)，電感Lb與動力電池串聯(lián)后在與電容器C并聯(lián)。

所述橋臂電感L0為獨立電感。

所屬橋臂電感L0由所述交流發(fā)電機/電動機定子繞組取代，其中所述交流發(fā)電機(電動機)的每相定子繞組等分為j(i)個繞組，分別取代連接該相的橋臂電感。

一種PHEV綜合變換系統(tǒng)插電充電/放電連接方案，插電時外接電源的一端連接所述PHEV交流發(fā)電機i相定子繞組的中性點，外接電源的另一端連接所述PHEV交流電動機j相定子繞組的中性點。所述外接電源為單相交流電或直流電。

實施例1：

圖2給出了本實用新型的插電式混合動力電動汽車(PHEV)綜合變換系統(tǒng)一種拓撲結構，圖中，變換系統(tǒng)為i x j矩陣結構，其中i＝j＝3，有三個輸入相和三個輸出相，以及九個橋臂。其中，所述三個輸入相分別接PHEV交流發(fā)電機三相定子繞組A、B和C，所述三個輸出相分別接PHEV交流電動機三相定子繞組U、V和W；每個所述輸入相通過三個橋臂分別連接到所述三個輸出相，每個所述輸出相通過三個橋臂分別連接到所述三個輸入相；每個橋臂由至少一個電感L0與一個子模塊鏈1串聯(lián)而成，所述子模塊鏈1由N個H橋子模塊SM串聯(lián)而成，其中N大于等于1。

圖3為子模塊鏈結構圖，由N個H橋子模塊SM串聯(lián)而成，其中N大于等于1。圖3a給出了H橋功率單元SM的拓撲結構圖，由四個帶反并聯(lián)二極管的功率開關(Q1、Q2、Q3和Q4)、電容器C、電感Lb及動力電池Bt構成，其中，第一功率開關Q1與第二功率開關Q2、第三功率開關Q3與第四功率開關Q4先分別串聯(lián)再與電容器C并聯(lián)，電感Lb與動力電池Bt串聯(lián)后在與電容器C并聯(lián)，電感Lb用于濾除流入動力電池Bt的高頻電流。

實施例2：

圖4給出了本實用新型的插電式混合動力電動汽車(PHEV)綜合變換系統(tǒng)另一種拓撲結構，圖中，所述PHEV發(fā)電機3的每相繞組等分成三個繞組，分別取代與該相連接的三個橋臂的橋臂電感L0。該拓撲利用所述發(fā)電機3繞組線圈的漏感代替橋臂電感L0的功能，使所述變換系統(tǒng)省略了九個橋臂電感L0。

實施例3：

圖5給出了本實用新型的插電式混合動力電動汽車(PHEV)綜合變換系統(tǒng)另一種拓撲結構，圖中，所述PHEV電動機4的每相繞組等分成三個繞組，分別取代與該相連接的三個橋臂的橋臂電感L0。該拓撲利用所述電動機4繞組線圈的漏感代替橋臂電感L0的功能，使所述變換系統(tǒng)省略了九個橋臂電感L0。

實施例4：

圖6給出了本實用新型的插電式混合動力電動汽車(PHEV)綜合變換系統(tǒng)另一種拓撲結構，圖中，所述PHEV發(fā)電機3和電動機4的每相繞組分別等分成三個繞組，分別取代與該相連接的三個橋臂的橋臂電感L0。該拓撲利用所述發(fā)電機3和電動機4繞組線圈的漏感代替橋臂電感L0的功能，使所述變換系統(tǒng)省略了九個橋臂電感L0。

實施例5：

圖7給出了本實用新型的插電式混合動力電動汽車(PHEV)綜合變換系統(tǒng)外接電源充電/放電連接方案，外接電源5的一端連接所述PHEV交流發(fā)電機3三相定子繞組的中性點N1，外接電源5的另一端連接所述PHEV交流電動機4三相定子繞組的中性點N2。所述外接電源5為單相交流電或直流電。

上述雖然結合附圖對本實用新型的具體實施方式進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內(nèi)。