一種電動汽車採用分接抽頭的車載集成式充放電電路的製作方法
2023-06-12 07:14:16
本發明涉及一種電動汽車採用分接抽頭的車載集成式充放電電路，該電路用於為電動汽車的儲能設備充電，同時兼顧儲能設備為電機供電。
背景技術：
電動汽車內的充電器作為電動汽車電池快速靈活充電以及推動電動汽車技術進步及其市場推廣的關鍵部件之一，它的成本、體積、重量以及性能成為其開發的關鍵及制約因素。
根據充電電路與電機驅動電路的關係，當前車內充電機分為獨立式和集成式。獨立式充電裝置是完全獨立的充電裝置，由外部交流3相或單相供電輸入，充電器將其轉化為符合電池充電標準的直流，完成充電功能；集成式充電裝置是在已有驅動電機逆變器基礎上增加額外的接觸器和電力電子模塊(如開關器件，驅動電路，處理器及其外圍電路等)實現充電功能，部分地降低了成本、體積及重量，交流輸入條件與直流輸出規格與獨立式充電裝置類似。
有些車載集成式充放電電路採用外加電感線圈的方式，構成充放電電路，為了提高電路的集成度，可以採用電機定子繞組作為充電電路的電感，但是該繞組的電感值較大，不利於使用，需要考慮一些辦法減小該電感值，以適應於充電的需要。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種電動汽車採用分接抽頭的車載集成式充放電電路，利用定子繞組提高車載電路的集成度，同時解決繞組電感值對充電功率的適應性問題。
為了達到上述目的，本發明實施例提供一種電動汽車採用分接抽頭的車載集成式充放電電路，包括：①含分接抽頭的整流側電機定子繞組和與其連接的逆變電路；②含分接抽頭的直直變換側電機定子繞組和與其連接的逆變電路；③整流側電機逆變器與直直變換側電機逆變器之間的解耦電容；④充電接口，如三相交流充電接口，單相交流充電接口；⑤車內儲能設備，如：超級電容、蓄電池、飛輪儲能、空氣壓縮儲能等。
其中，所述整流側電機，是指充電時用於整流的三相橋連接的電機；所述直直變換側電機，是指充電時用於直直變換(DC/DC)的三相橋連接的電機；這兩個電機不局限於驅動電機，也可為空調壓縮機，或者滿足該電路條件的電動汽車上的其他電機。
其中，所述車載式充電功率自適應的充放電電路還包括：第一組接觸器，連接於所述整流側電機定子繞組，用於切斷或導通所述交流電源接口；第二組接觸器，連接於所述整流側電機定子繞組，用於切斷或導通所述驅動電機定子繞組的星形連接；第三組接觸器，連接於儲能設備正極，用於切斷或導通儲能設備與所述電機逆變器的連接，切換充電與放電狀態下的電路連接；第四組接觸器，連接於所述直直變換側電機繞組中性點，用於實現充電時的三路並聯Buck變換或者三路交錯Buck變換；第五組接觸器，連接於所述整流側電機定子繞組的分接抽頭，用於充電時調整整流側電路電感值；第六組接觸器，連接於所述直直變換側電機定子繞組的分接抽頭，用於充電時調整直直變換側電路電感值；所述解耦電容連接於所述整流側電機逆變器與所述直直變換側電機逆變器之間，用於穩壓。
其中，所述含分接抽頭的整流側電機定子繞組與所述第五組接觸器構成可變電感組合1，通過接觸器的開關控制，可以改變電感值，用於適應不同的充電功率。同理，所述含分接抽頭的直直變換側電機定子繞組與所述第六組接觸器構成可變電感組合2。
其中，所述可變電感組合1中的接觸器開關狀態，取決於使用者或者設計者的充電功率設定值；當需要大功率時，通過設置接觸器的開關狀態，使得所述可變電感組合1的總電感值減小；反之，則增大。所述可變電感組合2中的接觸器開關狀態，取決於使用者或者設計者的充電功率設定值；當需要大功率時，通過設置接觸器的開關狀態，使得所述可變電感組合2的總電感值減小；反之，則增大。
其中，所述電機定子繞組的抽頭，是一個適應於充電功率的固定分接抽頭，還可以是由電機定子繞組引出的多個抽頭。
進一步地，在實施例中，所述可變電感組合1和所述整流側電機逆變器電路構成升壓整流電路，實現電感線圈與功率自動匹配、PWM整流功能、電壓升壓功能以及輸入電流的主動功率校正功能。
進一步地，在實施例中，所述可變電感組合2與所述直直變換側電機逆變器電路構成三路Buck電路，實現基於三路並聯Buck電路的功率自適應直直變換。
進一步地，在實施例中，所述可變電感組合1連接於外部交流電源接口，其包括三個分別串聯在每相中的整流側電機定子繞組以及並聯於三相的電感線圈1，當所述交流電源接口接入三相交流時，三相交流電通過所述可變電感組合1以及所述整流側電機逆變器的開關器件進行PWM整流。
進一步地，在實施例中，所述可變電感組合1連接於外部交流電源接口，其包括三個分別串聯在每相中的整流側電機定子繞組以及並聯於三相的電感線圈1，當所述交流電源接口接入單相交流時，單相交流電通過所述可變電感組合1中對應的線圈以及所述整流側電機逆變器中對應的開關器件進行PWM整流。
進一步地，在實施例中，電動汽車處於行駛模式時(電動汽車行駛或驅動電機處於運轉或待運轉狀態)，所述第一、四、五、六組接觸器斷開，所述第二、三組接觸器閉合，此時所述電機均處於可被驅動狀態(滿足電動汽車行駛的同時空調正常運行)；電動汽車處於充電時，所述第二、三組接觸器斷開，所述第一、四組接觸器閉合，根據用戶的充電功率需求，設定所述第五組接觸器與所述第六組接觸器的開關狀態。
本發明實施例的電動汽車採用分接抽頭的車載集成式充放電電路，提出了一種採用分接抽頭的車載集成式充放電電路，即在當前車載集成式充電電路的基礎上，利用電機定子繞組作為電感，再加入定子繞組分接抽頭，通過接觸器的開關控制，改變電路中電感值，可以適應儲能設備的充電要求，同時提高了電動汽車內部電路的集成度，減小了成本，增大了內部可利用的空間，增加了使用者的舒適度。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一種實施例，對於本領域技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明實施例的電動汽車採用分接抽頭的車載集成式充放電電路示意圖。
圖2為本發明實施例的電動汽車採用分接抽頭的車載集成式充放電電路的三相交流充電等效電路。
圖3為本發明實施例的電動汽車採用分接抽頭的車載集成式充放電電路的單相交流充電等效電路。
圖4為本發明實施例的電動汽車採用分接抽頭的車載集成式充放電電路的放電等效電路。
圖5為電機定子繞組固定分接抽頭示意圖。
圖6為電機定子繞組多個分接抽頭示意圖。
附圖中所列部件列表如下所示：
01：單相電源接口； 02：三相電源接口；
11：第一組接觸器； 12：第二組接觸器；
13：第三組接觸器； 14：第四組接觸器；
15：第五組接觸器； 16：第六組接觸器；
21：整流側電機； 22：直直變換側電機；
31：耦合電容；
41：整流側電機逆變電路； 42：整流側電機逆變電路；
51：儲能設備；
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
本發明主要由共享電路，輔助器件，附加器件，以及接觸器等組成：
共享電路：(1)整流側電機逆變器，包括開關器件(IGBT或2OSFET或GTO或晶閘管等)及其組成的模塊，觸發電路，採樣電路，數字處理器及其外圍電路，所需不同電壓的電源轉換電路，等等；(2)直直變換側電機逆變器(與整流側電機逆變器相同)；(3)整流側電機定子繞組與直直變換側電機定子繞組。
輔助器件：(1)機械及散熱裝置，如起機械支撐作用的汽車框架，散熱冷卻裝置，起固定作用的螺絲；(2)兩個逆變器中間並聯的穩壓電容。
附加器件：(1)整流側電機定子繞組分接抽頭；(2)直直變換側電機定子繞組分接抽頭。
接觸器：接觸器主要用於電動汽車充電與行駛狀態的電路切換。
圖1為本發明實施例的電動汽車車載式充電功率自適應的充放電電路示意圖。如圖1所示，本實施例的電動汽車車內充放電電路包括：①介於所述整流側電機逆變器(41)與直直變換側電機逆變器(42)之間的電容C1(31)，用於穩壓；②第一組接觸器(11)，連接於所述交流電源接口(01/02)和所述整流側電機(21)定子繞組，用於切斷或導通所述交流電源接口；③第二組接觸器(12)，連接於所述整流側電機(21)定子繞組，用於切斷或導通所述整流側電機(21)定子繞組的星形連接；④第三組接觸器(13)，連接於儲能設備(51)正極，用於切斷或導通儲能設備(51)與所述直直變換側電機逆變器(42)的連接，切換充電與放電狀態下的電路連接；⑤第四組接觸器(14)，連接於所述直直變換側電機定子繞組(22)中性點，用於切換充電與放電狀態，實現充電時的三路並聯Buck變換或者三路交錯Buck變換；⑥第五組接觸器(15)，連接於所述整流側電機定子繞組(21)的分接抽頭，用於充電時調整整流側電路電感值；⑦第六組接觸器(16)，連接於所述直直變換側電機定子繞組(22)的分接抽頭，用於充電時調整直直變換側電路電感值。
在本實施例中，電動汽車已有的器件：①整流側電機逆變器(41)，連接於整流側電機定子繞組(21)，用於所述儲能設備(51)的能量傳遞給所述整流側電機，或者用於所述交流電源接口(01/02)的電壓轉換為直流電壓，起到整流、功率因數校正等功能；②直直變換側電機逆變電路(42)，連接於所述直直變換側電機定子繞組(22)，用於所述儲能設備(51)的能量傳遞給所述整流側電機(22)，或者用於控制對所述儲能設備充電時的電流、電壓，把穩壓電容(31)側的能量傳遞給儲能設備；③整流側電機定子繞組(21)，連接於所述整流側電機逆變器(41)，用於為所述電機(21)產生電磁轉矩驅動電動汽車行駛，或者用於整流時升壓；④直直變換側電機定子繞組(22)，連接於所述直直變換側電機逆變器(42)，用於為所述直直變換側電機產生電磁轉矩驅動電動汽車行駛，或者用於充電時減小電流紋波。
其中，所述整流側電機，是指充電時用於整流的三相橋所連接的電機；所述直直變換側電機，是指充電時用於直直變換(DC/DC)的三相橋所連接的電機；這兩個電機不局限於驅動電機，也可為空調壓縮機，或者滿足該電路條件的電動汽車上的其他電機。
其中，所述含分接抽頭的整流側電機定子繞組與所述第五組接觸器構成可變電感組合1，通過接觸器的開關控制，可以改變電感值，用於適應不同的充電功率。同理，所述含分接抽頭的直直變換側電機定子繞組與所述第六組接觸器構成可變電感組合2。
其中，所述可變電感組合1中的接觸器開關狀態，取決於使用者或者設計者的充電功率設定值；當需要大功率時，通過設置接觸器的開關狀態，使得所述可變電感組合1的總電感值減小；反之，則增大。所述可變電感組合2中的接觸器開關狀態，取決於使用者或者設計者的充電功率設定值；當需要大功率時，通過設置接觸器的開關狀態，使得所述可變電感組合2的總電感值減小；反之，則增大。
其中，所述電機定子繞組的抽頭，是一個適應於充電功率的固定分接抽頭(圖5)，還可以是由電機定子繞組引出的多個抽頭(圖6)。
在本實施例中，所述可變電感組合1通過所述電源接口，連接於外部交流電源。當所述交流電源接口接入三相交流電時，三相交流電通過所述可變電感組合1及所述整流側電機逆變器(41)的電路進行PWM整流；當所述交流電源接口接入單相交流電時，單相交流電通過所述可變電感組合1中對應的線圈及所述整流側電機逆變器(41)對應的兩個橋臂電路進行PWM整流。
當充電時，若電源接口接入三相交流，所述整流側電機逆變器(41)三相逆變橋均參與工作，實現PWM整流的功能，同時實現電網側輸入電流的主動功率因數校正的功能以及逆變橋輸出電壓的升壓功能。PWM的基本思想是，將正弦低頻調製信號在一個開關周期內的平均值用一段等幅值的脈寬來表示，按照正弦信號和三角波信號比較的方法對拓撲中的整流側電機逆變器(41)的六個開關器件進行PWM控制，同時由於可變電感組合1的儲能及濾波作用，就可以實現將交流電整流成直流電的功能，直流輸出側電壓較之交流輸入側線電壓體現升壓能力，同時實現三相輸入各相電流與電壓基本達到同頻率同相位的功率因數校正功能。
若電源接口接入單相交流，所述整流側電機逆變器(41)三相逆變橋中的兩相參與工作，與其相連接的可變電感組合1中對應兩路參與工作。此時為單相H橋完成PWM整流及升壓功能，同時也可以實現輸入電流的功率因數校正的功能。
充電時，所述直直變換側電機逆變器(42)的六個開關器件及六個反並聯二極體中，只用到了上橋臂的三個開關器件，下橋臂的三個反並聯二極體，而上橋臂的三個反並聯二極體及下橋臂的三個開關器件處於非導通狀態。其中一個上橋臂的開關器件及相應的下橋臂的反並聯二極體形成一路單管Buck電路，進而由上橋臂的三個開關器件及下橋臂的相應的三個反並聯二極體組成三路單管Buck電路，該三路Buck電路或者實現三個開關器件同時開通同時關斷模式的並聯Buck變換，或者實現交錯並聯Buck變換。其中每一路的Buck電路即為常見的單管Buck降壓電路。
上述實施例的電動汽車車載充電器的工作模式如下：
1、電動汽車處於行駛模式時(電動汽車行駛或驅動電機處於運轉或待運轉狀態)，接觸器11、14、15、16斷開，接觸器12、13閉合，此時所述電機均處於可被驅動狀態(滿足電動汽車行駛的同時空調正常運行),等效電路見圖4。
2、電動汽車處於充電模式時：
A、當所述交流充電接口接入三相交流電時，接觸器12、13斷開，接觸器11、14閉合。根據用戶的充電功率需求，設定接觸器15、16的狀態，等效電路見圖2。三相交流電02接入如圖2中所示，三相交流電通過所述可變電感組合1及所述整流側電機逆變電路41的開關器件進行PWM整流，可以實現輸入側電流功率因數及諧波的要求以及直流側電壓的提升，通過所述中間電容31之後，再通過所述直直變換側電機逆變電路42的開關器件及可變電感組合2，實現三路並聯Buck功能，或者實現三路交錯Buck功能，達到降壓、穩流的目的，以滿足給電池充電的電壓電流要求。
B、當所述交流充電接口接入單相交流電時，接觸器12、13斷開，接觸器11、14閉合。根據用戶設置的充電功率需求，設定接觸器15、16的狀態，等效電路見圖3。單相交流電01接入如圖3中所示，單相交流電通過所述可變電感組合1的其中兩個繞組及所述整流側電機逆變電路41的、與繞組對應的橋臂進行PWM整流，可以實現輸入側電流功率因數及諧波的要求以及直流側電壓的提升，通過所述中間電容31之後，再通過所述直直變換側電機逆變電路42的開關器件及所述可變電感組合2，實現三路並聯Buck功能，或者實現三路交錯Buck功能，達到降壓、穩流的目的，以滿足給電池充電的電壓電流要求。
本發明實施例為實現電動汽車採用分接抽頭的車載集成式充放電電路，提出了一種含分接抽頭的拓撲結構，利用電動汽車中現有的部分(主要是電力電子電路中的開關器件、無源元件、電子電路，如所述電機(21、22)的定子繞組，以及所述電機逆變器(41、42)的功率開關管及其驅動電路及其他電路等，另外還有冷卻系統/裝置、機械部件等等)，再添加兩電機分接抽頭以及相應的接觸器，組成兩組可變電感組合，使電機定子繞組可以為電動汽車充電使用，提高了電動汽車內部電路的集成度，減小了成本，增大了內部可利用的空間，增加了使用者的舒適度。
本發明中應用了具體實施例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。