本發(fā)明屬于電動汽車控制技術領域，具體涉及一種電動汽車驅(qū)動與充電集成功率變換器。

背景技術：

隨著全球性能源危機的不斷加深，以及大氣污染、全球變暖等問題日益加劇，電動汽車受到世界各國的關注，成為未來汽車技術發(fā)展的主攻方向。電動汽車的電力電子系統(tǒng)主要包括電機控制器、車載充電機以及低壓直流變換器，是實現(xiàn)電能變換和傳輸?shù)闹匾獑卧?，對電動汽車的動力性、?jīng)濟性、安全性具有重要的影響。然而，電動汽車嚴酷的使用環(huán)境加上高效率、高性能、高可靠性及低污染等要求對電力電子系統(tǒng)的開發(fā)與設計提出了極大的挑戰(zhàn)。電動汽車輕量化的結構要求也促使電力電子系統(tǒng)向高功率密度、高集成度、低成本方向發(fā)展。

目前，電動汽車的電力電子系統(tǒng)由分立的功率變換器組成，主要包括電機驅(qū)動系統(tǒng)和充電系統(tǒng)，結構如圖1所示。兩個系統(tǒng)是分散獨立的，由不同的供應商制造，限制了系統(tǒng)功率密度的提升，難以優(yōu)化整車空間布局和降低成本?？紤]到電機驅(qū)動系統(tǒng)和充電系統(tǒng)并不同時工作，可以將兩個系統(tǒng)集成，使得兩個系統(tǒng)共用一個功率變換器。當前常用的集成方式是將電機驅(qū)動系統(tǒng)的逆變器作為整流器運行，同時通過開關控制驅(qū)動模式和充電模式的切換，結構如圖2所示。這種集成方式需要增加額外的開關和濾波電感，導致系統(tǒng)體積大、成本高，并且不具備電氣隔離，充電安全性差。本發(fā)明解決這樣的問題。

技術實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種電動汽車驅(qū)動與充電集成功率變換器。本發(fā)明集成功率變換器使得驅(qū)動系統(tǒng)和充電系統(tǒng)共用一個功率變換器，能夠?qū)崿F(xiàn)高功率密度、高可靠性、單位功率因數(shù)、電氣隔離以及低成本。

為了實現(xiàn)上述目標，本發(fā)明采用如下的技術方案：

一種電動汽車驅(qū)動與充電集成功率變換器，包括：連接于動力電池的隔離型雙向直流變換電路，電機三相定子繞組，直流端連接于隔離型雙向直流變換電路且交流端連接于電機三相定子繞組的三相橋式電路，交流端連接于充電插頭的單相不控整流電路，連接于電機三相定子繞組的中性點n與單向不控整流電路的直流端正極之間的接觸器mk。

前述的一種電動汽車驅(qū)動與充電集成功率變換器，隔離型雙向直流變換電路組成有：直流端與動力電池連接的電流型半橋結構，直流端與三相橋式電路連接的電壓型半橋結構，原邊與電流型半橋結構的交流端連接、副邊與電壓型半橋結構的交流端連接的高頻變壓器tr。

前述的一種電動汽車驅(qū)動與充電集成功率變換器，電流型半橋結構由igbt管s1、igbt管s2、電容c1、電容c2和電感l(wèi)1組成，igbt管自帶反并聯(lián)二極管；igbt管s1的發(fā)射極和igbt管s2的集電極相連并且引出一個交流端，該交流端同時和電感l(wèi)1的一端相連，電感l(wèi)1的另一端引出直流端正極，電容c1的正極和igbt管s1的集電極相連，電容c1的負極和電容c2的正極相連并且引出另一個交流端，電容c2的負極和s2的發(fā)射極相連并且引出直流端負極。

前述的一種電動汽車驅(qū)動與充電集成功率變換器，電壓型半橋結構由igbt管s3、igbt管s4、電容c3和電容c4組成，所述igbt管自帶反并聯(lián)二極管；igbt管s3的發(fā)射極和igbt管s4的集電極相連并且引出一個交流端，電容c3的正極和igbt管s3的集電極相連并且引出直流端正極，電容c3的負極和電容c4的正極相連并且引出另一個交流端，電容c4的負極和s4的發(fā)射極相連并且引出直流端負極。

前述的一種電動汽車驅(qū)動與充電集成功率變換器，電機三相定子繞組為y型連接，abc三相和中性點n通過導線引出。

前述的一種電動汽車驅(qū)動與充電集成功率變換器，三相橋式電路由igbt管s5、igbt管s6、igbt管s7、igbt管s8、igbt管s9和igbt管s10組成；igbt管自帶反并聯(lián)二極管；igbt管s5、igbt管s7和igbt管s9的集電極相連并且引出直流端正極，igbt管s6、igbt管s8和igbt管s10的發(fā)射極相連并且引出直流端負極，igbt管s5的發(fā)射極和igbt管s6的集電極相連并且引出交流端a相，igbt管s7的發(fā)射極和igbt管s8的集電極相連并且引出交流端b相，igbt管s9的發(fā)射極和igbt管s10的集電極相連并且引出交流端c相，三相橋式電路的交流端abc三相分別和電機三相定子繞組的abc三相相連。

前述的一種電動汽車驅(qū)動與充電集成功率變換器，單相不控整流電路由電力二極管dp1、電力二極管dp2、電力二極管dp3和電力二極管dp4組成；電力二極管dp1的陽極和電力二極管dp2的陰極相連并且引出一個交流端，電力二極管dp1的陰極和電力二極管dp3的陰極相連并且引出直流端正極，電力二極管dp3的陽極和電力二極管dp4的陰極相連并且引出另一個交流端，電力二極管dp2的陽極和電力二極管dp4的陽極相連并且引出直流端負極，該直流端負極同時和三相橋式電路的直流端負極相連。

本發(fā)明的有益之處在于：

本發(fā)明提供一種電動汽車驅(qū)動與充電集成功率變換器，實現(xiàn)了電機驅(qū)動系統(tǒng)和充電系統(tǒng)共用一個功率變換器，系統(tǒng)高度集成，具有高功率密度、高可靠性、單位功率因數(shù)、電氣隔離以及低成本的特點。

連接于動力電池的隔離型雙向直流電路，由于電感的作用，其直流端表現(xiàn)為電流源特性，電流紋波小，動力電池的充放電效果好。

當集成功率變換器處于驅(qū)動模式時，電機驅(qū)動系統(tǒng)為直流變換電路和三相橋式電路組成的兩級變換結構，直流變換電路能夠匹配電池電壓和三相橋式電路的直流側電壓，實現(xiàn)對電池放電和電機調(diào)速的優(yōu)化控制。

在集成功率變換器處于充電模式時，電機三相定子繞組和三相橋式電路構成三個并聯(lián)的boost電路，并且可以交錯并聯(lián)運行，從而減小由于使用大電感而占用的大量空間。boost電路作為功率因數(shù)校正電路運行，實現(xiàn)電網(wǎng)側的單位功率因數(shù)運行。充電系統(tǒng)的后級電路為隔離型雙向直流變換電路，實現(xiàn)網(wǎng)側與動力電池的電氣隔離，充電安全性好。

附圖說明

圖1是電動汽車驅(qū)動與充電相互獨立的結構示意圖；

圖2是常用電動汽車驅(qū)動與充電集成的結構示意圖；

圖3是本發(fā)明的一種實施例的結構示意圖；

圖4是本發(fā)明的一種實施例的電路原理圖；

圖5是本發(fā)明處于驅(qū)動模式時的電路原理圖；

圖6是本發(fā)明處于充電模式時的電路原理圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作具體的介紹。

如圖4所示，一種電動汽車驅(qū)動與充電集成功率變換器，包括：連接于動力電池的隔離型雙向直流變換電路，電機三相定子繞組，直流端連接于所述隔離型雙向直流變換電路且交流端連接于所述電機三相定子繞組的三相橋式電路，交流端連接于充電插頭的單相不控整流電路，連接于所述電機三相定子繞組的中性點n與所述單向不控整流電路的直流端正極之間的接觸器mk。作為一種實施例，三相定子繞組為永磁同步電機三相定子繞組。當集成功率變換器處于驅(qū)動模式時，斷開接觸器mk，如圖5所示，將單相不控整流電路從功率回路中切除，提高系統(tǒng)的安全性。當集成功率變換器處于充電模式時，閉合接觸器mk，如圖6所示，形成完整的充電電路。

隔離型雙向直流變換電路組成有：直流端與動力電池連接的電流型半橋結構，直流端與三相橋式電路連接的電壓型半橋結構，原邊與電流型半橋結構的交流端連接、副邊與電壓型半橋結構的交流端連接的高頻變壓器tr。

電流型半橋結構由igbt管s1、igbt管s2、電容c1、電容c2和電感l(wèi)1組成；igbt管自帶反并聯(lián)二極管；igbt管s1的發(fā)射極和igbt管s2的集電極相連并且引出一個交流端，該交流端同時和電感l(wèi)1的一端相連，電感l(wèi)1的另一端引出直流端正極，電容c1的正極和igbt管s1的集電極相連，電容c1的負極和電容c2的正極相連并且引出另一個交流端，電容c2的負極和s2的發(fā)射極相連并且引出直流端負極。

電壓型半橋結構由igbt管s3、igbt管s4、電容c3和電容c4組成；所述igbt管自帶反并聯(lián)二極管；igbt管s3的發(fā)射極和igbt管s4的集電極相連并且引出一個交流端，電容c3的正極和igbt管s3的集電極相連并且引出直流端正極，電容c3的負極和電容c4的正極相連并且引出另一個交流端，電容c4的負極和s4的發(fā)射極相連并且引出直流端負極。

隔離型雙向直流變換電路的控制方法為：igbt管s1和igbt管s2互補導通，并且各自導通半個開關周期；igbt管s3和igbt管s4具有相同的導通過程。根據(jù)igbt管s1、igbt管s2、igbt管s3和igbt管s4的導通規(guī)律，可以得到高頻變壓器tr原副邊的電壓為50%占空比的交流方波電壓，通過控制兩個方波電壓之間的移相角，即igbt管s1和igbt管s3的開通信號之間的移相角，就可以控制傳輸功率的方向和大小。當要求功率從電流型半橋結構流向電壓型半橋結構時，控制igbt管s1的開通信號超前igbt管s3的開通信號，并且傳輸功率的大小與超前移相角成正比；當要求功率從電壓型半橋結構流向電流型半橋結構時，控制igbt管s1的開通信號滯后igbt管s3的開通信號，并且傳輸功率的大小與滯后移相角成正比。

電機三相定子繞組為y型連接，abc三相和中性點n通過導線引出。

三相橋式電路由igbt管s5、igbt管s6、igbt管s7、igbt管s8、igbt管s9和igbt管s10組成；所述igbt管自帶反并聯(lián)二極管；igbt管s5、igbt管s7和igbt管s9的集電極相連并且引出直流端正極，igbt管s6、igbt管s8和igbt管s10的發(fā)射極相連并且引出直流端負極，igbt管s5的發(fā)射極和igbt管s6的集電極相連并且引出交流端a相，igbt管s7的發(fā)射極和igbt管s8的集電極相連并且引出交流端b相，igbt管s9的發(fā)射極和igbt管s10的集電極相連并且引出交流端c相，三相橋式電路的交流端abc三相分別和電機三相定子繞組的abc三相相連。

三相橋式電路的控制方法為：同一橋臂的上下管互補導通，上管（igbt管s5、igbt管s7和igbt管s9）的導通時間與開關周期的比值定義為導通占空比。當三相橋式電路作為逆變電路運行時，三相導通占空比根據(jù)空間矢量脈寬調(diào)制得到；當三相橋式電路作為boost運行時，導通占空比根據(jù)脈寬調(diào)制得到，并且三相導通占空比相等，igbt管s5、igbt管s7和igbt管s9的開通信號之間相互移相120^°。

單相不控整流電路由電力二極管dp1、電力二極管dp2、電力二極管dp3和電力二極管dp4組成；電力二極管dp1的陽極和電力二極管dp2的陰極相連并且引出一個交流端，電力二極管dp1的陰極和電力二極管dp3的陰極相連并且引出直流端正極，電力二極管dp3的陽極和電力二極管dp4的陰極相連并且引出另一個交流端，電力二極管dp2的陽極和電力二極管dp4的陽極相連并且引出直流端負極，該直流端負極同時和三相橋式電路的直流端負極相連。

本發(fā)明集成功率變換器的運行過程包括：

當集成功率變換器處于驅(qū)動模式時，接觸器mk斷開，將單相不控整流電路從功率回路中切除，電路原理圖如圖5所示。隔離型雙向直流變換電路和三相橋式電路組成兩級變換結構的電機驅(qū)動系統(tǒng)，直流變換電路控制動力電池放電，三相橋式電路作為逆變電路運行，驅(qū)動電機工作。直流變換電路能夠匹配動力電池電壓和三相橋式電路的直流側電壓，實現(xiàn)對電池放電和電機調(diào)速的優(yōu)化控制。

當集成功率變換器處于充電模式時，接觸器mk閉合，電路原理圖如圖6所示。單相不控整流電路、電機三相定子繞組、三相橋式電路和隔離型雙向直流變換電路組成充電系統(tǒng)。電機三相定子繞組和三相橋式電路構成三個并聯(lián)的boost電路，并且可以交錯并聯(lián)運行，減小直流側的電流紋波。單相不控整流電路和boost電路完成交流到直流的變換過程，其中boost電路作為功率因數(shù)校正電路運行，實現(xiàn)電網(wǎng)側的單位功率因數(shù)運行。boost電路利用了電機三相定子繞組，減小由于使用大電感而占用的大量空間。充電系統(tǒng)的后級電路為隔離型雙向直流變換電路，控制動力電池充電，同時實現(xiàn)網(wǎng)側與動力電池的電氣隔離，充電安全性好。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，所述實施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。