一種插電式混合電動汽車綜合變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種插電式混合電動汽車綜合變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及方法，包括i*j個(gè)進(jìn)行功率變換的橋臂的多維矩陣結(jié)構(gòu)，其輸入端為i相，輸出端為j相，且所述輸入端對應(yīng)連接混合動力電動汽車交流發(fā)電機(jī)的定子繞組，所述輸出端對應(yīng)連接混合動力電動汽車的交流電動機(jī)定子繞組；輸入端通過j個(gè)橋臂分別連接到所述j個(gè)輸出端，每個(gè)所述輸出端通過i個(gè)橋臂分別連接到所述i個(gè)輸入端。該拓?fù)洳捎眉壜?lián)式模塊化多電平矩陣式結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)集PHEV動力電池均衡控制、電動機(jī)和發(fā)電機(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jī)的純電動汽車，還可用于多端口儲能系統(tǒng)。
【專利說明】
一種插電式混合電動汽車綜合變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種插電式混合電動汽車綜合變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]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(fēng)力、太陽能等清潔能源發(fā)電的同時(shí)，加快發(fā)展電動汽車，可以有效降低負(fù)荷側(cè)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(shè)和發(fā)展，電動汽車(Electric Vehicle，EV)作為一種分布式儲能設(shè)備，將通過V2G(Vehicle to Grid)技術(shù)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(yùn)行，提高交通運(yùn)輸系統(tǒng)以及整個(gè)經(jīng)濟(jì)社會的低碳化水平。
[0003]電動汽車功率變換系統(tǒng)包括:(I)電動機(jī)驅(qū)動DC/AC逆變器，將直流動力電轉(zhuǎn)換成電機(jī)控制的三相交流電；(2)雙向DC/DC變換器，實(shí)現(xiàn)動力電池與電機(jī)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(shí)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(diǎn)。眾所周知，整車輕量化設(shè)計(jì)、整車一體化和系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)等一直是新一代電動汽車的重要課題。
[0004]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-1n Hybrid ElectricVehicle, PHEV)作為一種中間過渡產(chǎn)品比純電動汽車更具現(xiàn)實(shí)性，具有更廣闊的市場前景。
[0005]在《電力自動化設(shè)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?fù)溲芯烤C述”一文(作者劉瑩等)，總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)者提出的多種電動汽車一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是這些一體化拓?fù)浠臼腔趦呻娖侥孀兤?，并且需要外加單?dú)的動力電池均衡控制系統(tǒng)。
[0006]在《IEEETransact1ns on Power Electronics》2016年第I期507-517頁的“Design and Control of Modular Multi level Converters for Battery ElectricVehicles” 一文(作者Quraan M等)提出一種基于模塊化多電平變換器(ModularMultilevel Converters，MMC)的電動汽車一體化變換系統(tǒng)拓?fù)?，如圖1所示。該拓?fù)涫褂猛粋€(gè)變換器驅(qū)動電機(jī)和充電，并且直接利用負(fù)載電流進(jìn)行電池均衡管理，不需要增加額外硬件，即該拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)EV電機(jī)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?fù)渲挥幸粋€(gè)三相交流端口，因此只適合于具有單臺電機(jī)的純電動汽車或混合動力電動汽車，不能用于帶獨(dú)立發(fā)電機(jī)的混合動力電動汽車或多臺電動機(jī)的純電動汽車系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種插電式混合電動汽車綜合變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及方法，本發(fā)明通過內(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(jī)和發(fā)電機(jī)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。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0009]—種插電式混合電動汽車綜合變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括i*j個(gè)進(jìn)行功率變換的橋臂的多維矩陣結(jié)構(gòu)，其輸入端為i相，輸出端為j相，且所述輸入端對應(yīng)連接混合動力電動汽車交流發(fā)電機(jī)的定子繞組，所述輸出端對應(yīng)連接混合動力電動汽車的交流電動機(jī)定子繞組；
[0010]所述輸入端通過j個(gè)橋臂分別連接到所述j個(gè)輸出端，每個(gè)所述輸出端通過i個(gè)橋臂分別連接到所述i個(gè)輸入端。
[0011]所述橋臂包括串聯(lián)的橋臂電感和子模塊鏈。
[0012]所述橋臂電感可以為多個(gè)。
[0013]所述子模塊鏈由N個(gè)H橋子模塊SM串聯(lián)而成，其中N大于等于I。
[0014]所述H橋子模塊SM由四個(gè)帶反并聯(lián)二極管的功率開關(guān)、電容器C、電感Lb及動力電池構(gòu)成，其中，第一與第二功率開關(guān)、第三與第四功率開關(guān)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)。
[0015]所述橋臂電感為獨(dú)立電感。
[0016]所述橋臂電感由所述交流發(fā)電機(jī)定子繞組取代，其中所述交流發(fā)電機(jī)的每相定子繞組等分為j個(gè)繞組，取代連接該相的橋臂電感。
[0017]所述橋臂電感由所述交流電動機(jī)定子繞組取代，其中所述交流電動機(jī)的每相定子繞組等分為i個(gè)繞組，取代連接該相的橋臂電感。
[0018]基于上述綜合變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的插電連接方法，具體為插電時(shí)外接電源的一端連接所述混合電動汽車交流發(fā)電機(jī)i相定子繞組的中性點(diǎn)，外接電源的另一端連接所述混合電動汽車交流電動機(jī)j相定子繞組的中性點(diǎn)。
[0019]所述外接電源為單相交流電或直流電。
[0020]本發(fā)明的工作原理:采用級聯(lián)式模塊化多電平矩陣式結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)集PHEV動力電池均衡控制、電動機(jī)和發(fā)電機(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jī)的純電動汽車，還可用于多端口儲能系統(tǒng)。
[0021]本發(fā)明的有益效果為:
[0022]I)本發(fā)明拓?fù)淠軌颡?dú)立實(shí)現(xiàn)子模塊動力電池充放電及均衡控制，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)PHEV的4種驅(qū)動模式，即純電、純油、混合及發(fā)電機(jī)充電模式，并可實(shí)現(xiàn)插電充放電模式。
[0023]2)不需要改變拓?fù)洌蛇B接外部電源(交流或直流)對PHEV動力電池進(jìn)行充電或?qū)崿F(xiàn)V2G控制，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)動力電池均衡控制。雖然充電/放電電流流過發(fā)電機(jī)/電動機(jī)線圈，但并不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，不需要對發(fā)電機(jī)/電動機(jī)進(jìn)行堵轉(zhuǎn)。
[0024]3)具有較好的故障電池冗余處理能力，當(dāng)某個(gè)子模塊動力電池出現(xiàn)故障時(shí)，該子模塊可退出運(yùn)行，不影響其它子模塊動力電池的正常運(yùn)行。
[0025]4)用發(fā)電機(jī)/電動機(jī)繞組取代橋臂電感，可減小系統(tǒng)體積、重量和成本。
[0026]5)本發(fā)明的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jī)的純電動汽車，還可用于多端口儲能系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0027 ]圖1是現(xiàn)有的基于MMC的電動汽車變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
[0028]圖2是本發(fā)明的插電式混合動力電動汽車變換系統(tǒng)一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0029]圖3是橋臂子模塊鏈結(jié)構(gòu)圖。
[0030]圖3a是H橋子模塊結(jié)構(gòu)圖。
[0031]圖4是本發(fā)明的插電式混合動力電動汽車變換系統(tǒng)另一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0032]圖5是本發(fā)明的插電式混合動力電動汽車變換系統(tǒng)另一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0033]圖6是本發(fā)明的插電式混合動力電動汽車變換系統(tǒng)另一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0034]圖7是本發(fā)明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。
[0035]其中，1、橋臂子模塊串聯(lián)結(jié)構(gòu)，2、H橋子模塊SM，3、發(fā)電機(jī)，4、電動機(jī)，5、外接電源。N1、發(fā)電機(jī)定子繞組中性點(diǎn)，N2、電動機(jī)定子繞組中性點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
:
[0036]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0037]如圖1所示?，F(xiàn)有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用同一個(gè)變換器驅(qū)動電機(jī)和充電，并且直接利用負(fù)載電流進(jìn)行電池均衡管理，不需要增加額外硬件，即該拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)EV電機(jī)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?fù)渲挥幸粋€(gè)三相交流端口，因此只適合于具有單臺電機(jī)的純電動汽車或混合動力電動汽車，不能用于帶獨(dú)立發(fā)電機(jī)的混合動力電動汽車或多臺電動機(jī)的純電動汽車系統(tǒng)。
[0038]本發(fā)明提供一種內(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)集PHEV動力電池均衡控制、電動機(jī)和發(fā)電機(jī)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。
[0039]—種插電式混合動力電動汽車(PHEV)綜合變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為i X j矩陣結(jié)構(gòu)，其中i和j都大于等于3，有i個(gè)輸入相和j個(gè)輸出相，以及i X j個(gè)橋臂。其中，所述i個(gè)輸入相分別接PHEV交流發(fā)電機(jī)i相定子繞組，所述j個(gè)輸出相分別接PHEV交流電動機(jī)j相定子繞組；每個(gè)所述輸入相通過j個(gè)橋臂分別連接到所述j個(gè)輸出相，每個(gè)所述輸出相通過i個(gè)橋臂分別連接到所述i個(gè)輸入相;每個(gè)所述橋臂均由至少一個(gè)橋臂電感LO與一個(gè)子模塊鏈串聯(lián)而成，所述子模塊鏈由N個(gè)H橋子模塊SM串聯(lián)而成，其中N大于等于I。所述H橋子模塊SM由四個(gè)帶反并聯(lián)二極管的功率開關(guān)、電容器C、電感Lb及動力電池構(gòu)成，其中，第一與第二功率開關(guān)、第三與第四功率開關(guān)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)。
[0040]所述橋臂電感LO為獨(dú)立電感。
[0041]所屬橋臂電感LO由所述交流發(fā)電機(jī)/電動機(jī)定子繞組取代，其中所述交流發(fā)電機(jī)(電動機(jī))的每相定子繞組等分為j(i)個(gè)繞組，分別取代連接該相的橋臂電感。
[0042 ] 一種PHEV綜合變換系統(tǒng)插電充電/放電連接方案，插電時(shí)外接電源的一端連接所述PHEV交流發(fā)電機(jī)i相定子繞組的中性點(diǎn)，外接電源的另一端連接所述PHEV交流電動機(jī)j相定子繞組的中性點(diǎn)。所述外接電源為單相交流電或直流電。
[0043] 實(shí)施例1:
[0044]圖2給出了本發(fā)明的插電式混合動力電動汽車(PHEV)綜合變換系統(tǒng)一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖中，變換系統(tǒng)為i X j矩陣結(jié)構(gòu)，其中i = j = 3，有三個(gè)輸入相和三個(gè)輸出相，以及九個(gè)橋臂。其中，所述三個(gè)輸入相分別接PHEV交流發(fā)電機(jī)三相定子繞組A、B和C，所述三個(gè)輸出相分別接PHEV交流電動機(jī)三相定子繞組U、V和W;每個(gè)所述輸入相通過三個(gè)橋臂分別連接到所述三個(gè)輸出相，每個(gè)所述輸出相通過三個(gè)橋臂分別連接到所述三個(gè)輸入相;每個(gè)橋臂由至少一個(gè)電感LO與一個(gè)子模塊鏈I串聯(lián)而成，所述子模塊鏈I由N個(gè)H橋子模塊SM串聯(lián)而成，其中N大于等于I。
[0045]圖3為子模塊鏈結(jié)構(gòu)圖，由N個(gè)H橋子模塊SM串聯(lián)而成，其中N大于等于I。圖3a給出了H橋功率單元SM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，由四個(gè)帶反并聯(lián)二極管的功率開關(guān)(Q1、Q2、Q3和Q4)、電容器C、電感Lb及動力電池Bt構(gòu)成，其中，第一功率開關(guān)Ql與第二功率開關(guān)Q2、第三功率開關(guān)Q3與第四功率開關(guān)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。
[0046]實(shí)施例2:
[0047]圖4給出了本發(fā)明的插電式混合動力電動汽車(PHEV)綜合變換系統(tǒng)另一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖中，所述PHEV發(fā)電機(jī)3的每相繞組等分成三個(gè)繞組，分別取代與該相連接的三個(gè)橋臂的橋臂電感L0。該拓?fù)淅盟霭l(fā)電機(jī)3繞組線圈的漏感代替橋臂電感LO的功能，使所述變換系統(tǒng)省略了九個(gè)橋臂電感L0。
[0048]實(shí)施例3:
[0049]圖5給出了本發(fā)明的插電式混合動力電動汽車(PHEV)綜合變換系統(tǒng)另一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖中，所述PHEV電動機(jī)4的每相繞組等分成三個(gè)繞組，分別取代與該相連接的三個(gè)橋臂的橋臂電感L0。該拓?fù)淅盟鲭妱訖C(jī)4繞組線圈的漏感代替橋臂電感LO的功能，使所述變換系統(tǒng)省略了九個(gè)橋臂電感L0。
[0050]實(shí)施例4:
[0051]圖6給出了本發(fā)明的插電式混合動力電動汽車(PHEV)綜合變換系統(tǒng)另一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖中，所述PHEV發(fā)電機(jī)3和電動機(jī)4的每相繞組分別等分成三個(gè)繞組，分別取代與該相連接的三個(gè)橋臂的橋臂電感L0。該拓?fù)淅盟霭l(fā)電機(jī)3和電動機(jī)4繞組線圈的漏感代替橋臂電感LO的功能，使所述變換系統(tǒng)省略了九個(gè)橋臂電感LO。
[0052]實(shí)施例5:
[0053]圖7給出了本發(fā)明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(jī)3三相定子繞組的中性點(diǎn)NI，外接電源5的另一端連接所述PHEV交流電動機(jī)4三相定子繞組的中性點(diǎn)N2。所述外接電源5為單相交流電或直流電。
[0054]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)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發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種插電式混合電動汽車綜合變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征是:包括i*j個(gè)進(jìn)行功率變換的橋臂的多維矩陣結(jié)構(gòu)，其輸入端為i相，輸出端為j相，且所述輸入端對應(yīng)連接混合動力電動汽車交流發(fā)電機(jī)的定子繞組，所述輸出端對應(yīng)連接混合動力電動汽車的交流電動機(jī)定子繞組； 所述輸入端通過j個(gè)橋臂分別連接到所述j個(gè)輸出端，每個(gè)所述輸出端通過i個(gè)橋臂分別連接到所述i個(gè)輸入端。2.如權(quán)利要求1所述的一種插電式混合電動汽車綜合變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征是:所述橋臂包括串聯(lián)的橋臂電感和子模塊鏈。3.如權(quán)利要求1所述的一種插電式混合電動汽車綜合變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征是:所述子模塊鏈由N個(gè)H橋子模塊SM串聯(lián)而成，其中N大于等于I。4.如權(quán)利要求1所述的一種插電式混合電動汽車綜合變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征是:所述H橋子模塊SM由四個(gè)帶反并聯(lián)二極管的功率開關(guān)、電容器C、電感Lb及動力電池構(gòu)成，其中，第一與第二功率開關(guān)、第三與第四功率開關(guān)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)。5.如權(quán)利要求1所述的一種插電式混合電動汽車綜合變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征是:所述橋臂電感為獨(dú)立電感。6.如權(quán)利要求1所述的一種插電式混合電動汽車綜合變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征是:所述橋臂電感由所述交流發(fā)電機(jī)定子繞組取代，其中所述交流發(fā)電機(jī)的每相定子繞組等分為j個(gè)繞組，取代連接該相的橋臂電感。7.如權(quán)利要求1所述的一種插電式混合電動汽車綜合變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征是:所述橋臂電感由所述交流電動機(jī)定子繞組取代，其中所述交流電動機(jī)的每相定子繞組等分為i個(gè)繞組，取代連接該相的橋臂電感。8.基于如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的綜合變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的插電連接方法，其特征是:具體為插電時(shí)外接電源的一端連接所述混合電動汽車交流發(fā)電機(jī)i相定子繞組的中性點(diǎn)，外接電源的另一端連接所述混合電動汽車交流電動機(jī)j相定子繞組的中性點(diǎn)。9.如權(quán)利要求8所述的插電連接方法，其特征是:所述外接電源為單相交流電或直流電。
【文檔編號】B60W10/08GK105946849SQ201610487148
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月27日
【發(fā)明人】王廣柱, 孫曉偉, 歐朱建, 張?zhí)m華, 王暄
【申請人】山東大學(xué)