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CN104426217A - 用于电动车辆的逆变器-充电器集成器件 - Google Patents

用于电动车辆的逆变器-充电器集成器件 Download PDF

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CN104426217A CN201410455794.0A CN201410455794A CN104426217A CN 104426217 A CN104426217 A CN 104426217A CN 201410455794 A CN201410455794 A CN 201410455794A CN 104426217 A CN104426217 A CN 104426217A
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Abstract

本发明提供了用于电动车辆的逆变器-充电器集成器件，其包括：电动机；电力输入单元，其被施加以AC电力；整流单元，其对施加的AC电力整流并输出经整流的电力；逆变器，其被设置在整流单元和蓄电池之间，其中，在第一工作条件下，逆变器用经整流单元整流的电力来对蓄电池进行充电，在第二工作条件下，逆变器用存储在蓄电池中的电力来驱动电动机；以及控制单元，其判定逆变器的工作状态并根据所判定的工作状态来使逆变器工作，其中逆变器包括：第一开关组，其包括第一和第二开关；第二开关组，其包括第三和第四开关；第三开关组，其包括第五和第六开关，整流单元直接连接至第一开关组，并且电动机的各相分别连接至第一至第三开关组。

Description

用于电动车辆的逆变器-充电器集成器件
技术领域
本公开涉及一种逆变器-充电器集成器件，其中，对电动车辆中的蓄电池提供充电电力的充电器集成在用于驱动电动机的逆变器中。
背景技术
一般地，电动车辆包括：高压蓄电池，其储有，例如，72V的高电压；三相电动机，其通过充入高压蓄电池的电力驱动并使电动车辆行驶；以及逆变器，其用于驱动三相电动机。根据高压蓄电池的容量，通过充入高压蓄电池的电力来驱动三相电动机具有一些限制。
当电动车辆中的高压蓄电池的剩余电量低于或等于特定的电平时，则无法驱动三相电动机。因此，电动车辆可以包括高压充电器以将电力充入高压蓄电池。该高压充电器大致归类为使用家用单相交流电(AC)电力的低速充电器和使用三相AC电力的高速充电器。
然而，根据编号为KR 20-2002-0007560的韩国专利申请描述的，逆变器、高压充电器和低压充电器之间都是互相分立的。
如上所述，由于设置在电动车辆中的逆变器、高压充电器和低压充电器处于互相分立的状态，则其限制在于：需要大量的用于对电动车辆进行设计的时间和劳动力。
发明内容
实施例提供了用于电动车辆的逆变器-充电器集成器件，其执行逆变器功能和充电器功能。
另外，实施例还提供了用于电动车辆的逆变器-充电器集成器件，其能够适用于星形连接的三相感应电动机和三角形感应电动机。
通过提出的实施例所完成的技术任务不限于上述提到的技术任务并且本领域技术人员能够从下文的说明书而清楚地理解其他没有提到的技术任务。
在一个实施例中，提供了一种用于电动车辆的逆变器-充电器集成器件，包括：电动机；电力输入单元，其被施加以AC电力；整流单元，其对施加的AC电力进行整流并输出经整流的电力；逆变器，其被设置在所述整流单元和蓄电池之间，其中，在第一工作条件下，所述逆变器通过使用经由所述整流单元整流的电力来供给用于向蓄电池充电的充电电力，在第二工作条件下，所述逆变器通过使用存储在所述蓄电池中的电力来供给用于驱动所述电动机的驱动电力；以及控制单元，其判定所述逆变器的工作状态并根据所判定的工作状态来使所述逆变器工作，其中所述逆变器包括：第一开关组，其包括第一和第二开关；第二开关组，其包括第三和第四开关；第三开关组，其包括第五和第六开关，所述整流单元直接连接至所述第一至第三开关组中的第一开关组，并且所述电动机的各相分别连接至所述第一至第三开关组。
所述整流单元包括：整流器，其包括多个二极管，以及功率因数校正器，其包括晶体管以及电感器，其中所述功率因数校正器校正经由所述整流器整流的电力的功率因数。
所述电感器的一端连接至所述晶体管的发射极，并且所述电感器的另一端连接至所述第一开关组中的所述第一开关和所述第二开关的连接点。
所述逆变器被配置为：在所述第一工作条件下，只有与所述整流单元相连接的所述第一开关组工作，并且在所述第二工作条件下，所述第一至第三开关组的所有开关都工作。
在所述第一工作条件下，所述控制单元在第一周期内开启所述晶体管和所述第二开关，并且在第二周期内关闭所述晶体管和所述第二开关，并且在所述第一工作条件下所述第一开关维持关闭状态并作为二极管来工作。
所述电动机包含星形连接的电动机和三角形连接的电动机中的任意一种。
根据一个实施例，由于逆变器和充电式是被集成在同一器件中，这可能极大地减小用于设计电动车辆的劳动力和时间的浪费。
另外，根据另一实施例，提供一种应用于除了星形连接的感应电动机之外的三角形连接的感应电动机的逆变器-充电器集成器件。
将在附图和以下的说明书中陈述一个或多个实施例的细节。来自说明书、附图和权利要求的其他特征将是显而易见的。
附图说明
图1是根据实施例的用于电动车辆逆变器-充电器集成器件的框图；
图2是图1中的用于电动车辆的逆变器-充电器集成器件的详细电路图；
图3和图4是根据实施例的用于电动车辆的逆变器-充电器集成器件等效电路图；
图5和图6是用于分步骤解释根据实施例的用于电动车辆的逆变器-充电器集成器件工作的方法的流程图。
具体实施方式
在下文中仅示出本发明的原理。因此，尽管在说明书中没有清楚地示出或描述，但是本领域技术人员能够作出实施本发明原理且包括在本发明的概念和范围内的各种器件。另外，在说明书中列举的所有的条件性术语和实施例，在原则上，仅旨在用于理解本发明的概念的目的，并因此应当理解本发明不会被实施例和特别列举的陈述所限制。
另外，应理解的是所有列举特定实施例的详细说明，以及本发明的原理、视图和实施例都旨在包括其结构上的和功能上的等同方案。另外，应当理解等同方案不仅包括目前已知的等同方案还包括未来可开发的等同方案，也就是，不考虑其结构的情况下可以包括用于执行相同功能而制造的所有元件。
在权利要求中，在详细描述的说明书中被表示为执行功能的组件其旨在包括，例如，执行功能的电路设备的组合以及执行功能的所有方法，包括固件/微代码的各种类型的软件，与适合于运行所述软件的部件合并来执行功能。由于由权利要求限定的本发明与所提供的各种列举的方法以由权利要求所要求的形式相合并，应理解的是任何能够提供本发明功能的方法都等同于从说明书理解的内容。
通过以下与附图有关的详细描述可以清楚地理解上述目的、特征、以及优点并因此本领域技术人员可以很容易地实践本发明的技术精神。另外，在对本发明的描述中，将取消涉及本发明的已知技术的详细描述，以避免不必要地使本发明的主题模糊不清。
在下文的说明书中，由于用于组件的后缀“模块”和“单元”仅为了更容易地完成本公开，因此其为可交换的。
下面将参照图示详细描述本发明的示例性实施例。
图1是根据实施例的用于电动车辆的逆变器-充电器集成器件的框图。
参照图1，用于电动车辆的逆变器-充电器集成器件包括AC电力输入单元110，整流单元120，逆变器130，蓄电池140，电动机150，以及控制单元160。
AC电力输入单元110接收从外部供给的商用AC电力。
该商用AC电力可以是单相AC电力，并可以是，例如，220V的家用单相AC电力。
整流单元120对经由AC电力输入单元110输入的商用AC电力进行整流并输出。
也就是，整流单元包括多个二极管，对商用AC电压进行整流并输出经整流的电压。
另外，整流单元120校正经整流的电力的功率因数并输出得到的电压。
逆变器130被设置于整流器120和高压蓄电池140之间。
在第一工作条件下，逆变器130使用经由整流单元120输出的电力来供给向高压蓄电池140充电的充电电力。
另一方面，在第二工作条件下，逆变器130将充入高压蓄电池140的充电电力切换为供给用于驱动电动机150的电压。
逆变器130包括第一至第六开关器件S1至S6，并根据第一至第六开关器件的开关操作来执行适应于第一和第二工作条件的电力变换操作。
高压蓄电池可以是燃料电池，其通过氢H2和氧O2的化学反应来发电，生成直流(DC)电并将生成的电能积累在蓄电池组中，以及另外被经由蓄电池端子供给的直流电压来充电。
电动机150连接至逆变器130并因此被经由逆变器130供给的三相AC电力而驱动。在工作模式下，电动机150用于驱动电动车辆以及接收经由逆变器130供给的三相AC电力。
控制单元160控制用于电动车辆的逆变器-充电器集成器件的全部操作。
特别地，控制单元160判定逆变器130的工作模式并且根据判定的工作模式控制逆变器130的工作。
逆变器130的工作模式包括驱动模式，其用于驱动电动机，以及充电模式，其用于向高压蓄电池(还包括低压蓄电池)充电。
满足以下条件时，逆变器130的工作模式被设置成充电模式：
(1)通过独立充电开关请求对蓄电池充电，
(2)经由AC电力输入单元110输入AC电力，以及
(3)通过控制器局域网(CAN)通信模块接收到充电请求的信息。
也就是，当满足以上条件时，控制单元160允许逆变器130作为充电器来工作，其通过逆变器130切换经由整流单元120整流的电力，并生成用于向高压蓄电池140充电的充电电压。
另外，控制单元160检查变速器的状态并根据经过检查而识别的变速器的状态判定是否使逆变器130工作或停止。
例如，当逆变器130的工作模式被设定为充电模式且变速器是在空档状态，则控制单元160使逆变器130工作并向高压蓄电池140充电。
另外，当逆变器130的工作模式被设定为充电模式并且变速器处在行驶、倒车和停车状态中的任一状态而不是空挡状态时，则控制单元160使逆变器130停止并同时输出要求将变速器状态改为用于向高压蓄电池140充电的空档状态的警告信息。
满足以下条件时，逆变器130的工作模式被设置成驱动模式：
(1)没有通过独立充电开关请求向蓄电池充电，
(2)没有经由AC电力输入单元110输入AC电力，以及
(3)没有通过控制器局域网(CAN)通信模块接收到充电请求的信息。
另外，在当逆变器130的工作模式被设定为驱动模式的情况下，当变速器的状态处在行驶、倒车和停车状态中的任一状态，则控制单元160驱动逆变器130向电动机150供给驱动电力，以及当变速器处于空档状态时，控制单元160使逆变器130停止。
下面将参照附图更详细地描述用于电动车辆的逆变器-充电器集成器件。
图2是图1中的用于电动车辆的逆变器-充电器集成器件的详细电路图。
参照图2，整流单元120包括第一二极管D1，第二二极管D2，第三二极管D3，第四二极管D4，第五二极管D5，晶体管Q1，以及电感器LB。
在此情况下，第一电感器Lf和第一电容器Cf被设置于AC电力输入单元110和整流单元120之间。
第一电感器Lf和第一电容器Cf是滤波器单元且其将外部浪涌电压和来自经由AC电力输入单元110输入的AC电力的电磁干扰(EMI)移除。
整流单元120通过第一至第四二极管D1至D4对经由AC电力输入单元110输入的AC电力进行整流，并通过第五二极管D5，晶体管Q1，以及电感器LB对经整流的电压的功率因数进行校正。
实际上，整流单元120的第一至第四二极管D1至D4是整流器，而晶体管Q1、电感器LB和第五二极管是用于校正功率因数的功率因素校正器。
下面将详细描述整流单元120的晶体管Q1的开关操作。
逆变器130包括第一开关S1，第二开关S2，第三开关S3，第四开关S4，第五开关S5，以及第六开关S6。
在此情况下，第一开关S1的一端与第四开关S4的一端串联，并且相应地，其组成第一开关组。
另外，第二开关S2的一端与第五开关S5的一端串联，并且相应地，其组成第二开关组。在此情况下，第二开关组的开关与第一开关组的开关相并联。
另外，第三开关S3的一端与第六开关S6的一端串联，并且相应地，其组成第三开关组。在此情况下，第三开关组的开关与第二开关组的开关相并联。
在此情况下，整流单元120的正电极连接至第一至第三开关组中的一个开关组。通过图2图示了整流单元120的正电极连接至第一开关组，但这仅是一示例并且整流单元120的正电极也可以连接至第二或第三开关组。
整流单元120的正电极连接至第一开关S1的一个触点并且连接至第四开关S4的一个触点。
另外，第四开关S4的另一端连接至整流单元120的负电极。
第一开关S1的另一端，第二开关S2的另一端，以及第三开关S3的另一端相互连接。
另外，第四开关S4的另一端，第五开关S5的另一端，以及第六开关S6的另一端相互连接。
第一开关S1与第四开关S4的连接点，第二开关S2与第五开关S5的连接点，和第三开关S3与第六开关S6的连接点连接到电动机150。
另外，在充电模式下逆变器130基于连接至整流单元120的第一开关组来接收经整流的电力，并通过第一开关组的第一开关S1和第四开关S4的开关操作向高压蓄电池140供给充电电力。
另外，在驱动模式下逆变器130通过第一开关组、第二开关组和第三开关组来接收充入高压蓄电池140的电力，并且根据第一至第三开关组的开关操作来向电动机150供给驱动电力。
控制单元160控制整流单元120的晶体管Q1以及逆变器130的第一至第六开关的开关操作。
也就是，逆变器130包括第一至第三开关组，第一至第三开关组包括第一至第六开关。另外，逆变器130在充电模式下，其只切换第一至第三开关组中的任意一个开关组的开关，而在驱动模式下，其切换第一至第三开关组中的所有开关。
图3和图4是根据实施例的用于电动车辆的逆变器-充电器集成器件的等效电路图。
图3示出了用于电动车辆的逆变器-充电器集成器件工作的第一周期，图4示出了用于电动车辆的逆变器-充电器集成器件工作的第二周期。
参照图3和图4，在第一周期，控制单元160将整流单元120的晶体管Q1与逆变器130的第四开关开启。
在此情况下，逆变器130的第一开关S1在充电模式中总是位置OFF(关闭)状态。也就是，在充电模式中，第一开关S1总是维持OFF状态并因此作为二极管来工作(使用其内部的体二极管)。
如上所述，当晶体管Q1和第四开关S4处于ON(开启)状态，电流从图3的箭头方向流入并因此通过对商用AC电力进行整流而获得的电力经由晶体管Q1和第四开关S4而被存储在电感器LB内。
在第二周期，控制单元160将晶体管Q1和第四开关S4关闭。
如果晶体管Q1和第四开关S4被关闭，则存储在电感器LB中的电力经由体二极管和续流二极管DF和逆变器130的第一开关S1向高压电池140传输。
如上所述，通过将整流单元120直接连接至逆变器130，而不是利用星形连接的电动机的中性点，实施例配置了用于除星形连接的电动机之外的三角形连接的电动机的逆变器-充电器集成器件。
图5和图6是用于分步骤解释根据实施例的用于电动车辆的逆变器-充电器集成器件的工作方法的流程图。
参照图5，在步骤S101中，控制单元160首先判断逆变器130的工作模式。
也就是，控制单元160基于多种条件来判定是否使逆变器130作为用于向高压蓄电池140充电的充电器来使用，或是否使逆变器130作为用于驱动电动机150的逆变器来使用。
而后，在步骤S102中，控制单元160判定工作模式是否为充电模式。
在步骤S103中，当步骤S102中的判定结果是工作模式被判定为充电模式，则控制单元160使逆变器130作为用于向蓄电池充电的充电器来工作。
在此情况下，在多个开关(连接至整流单元)当中，只有第一开关组的第一开关S1和第四开关S4工作。
另外，在步骤S104中，当步骤S102中的判定结果是工作模式被判定为驱动模式，则控制单元160使逆变器130作为用于驱动电动机150的逆变器来使用。
另外，参照图6，在步骤S201中，当充电模式中的第一周期到达，则在步骤S202中，控制单元160将晶体管Q1和第四开关S4开启并将第一开关S1关闭。
通过操作晶体管Q1、第一开关S1和第四开关S4，将经整流的电力存储在整流单元120的电感器中。
另外，在步骤S203中，控制单元160判定第二周期是否到达。
当S203的判定结果是第二周期到达，则在步骤S204中，晶体管Q1、第一开关S1和第四开关S4全部被关闭。
通过对晶体管Q1、第一开关S1和第四开关S4的关闭操作，使存储在电感器LB中的电力向高压蓄电池140传输。
根据一个实施例，由于逆变器和充电式是被集成在同一器件中，这可极大地减小用于设计电动车辆的劳动力和时间的浪费。
另外，根据另一实施例，提供一种适用于除了星形连接的感应电动机之外的三角形连接的感应电动机的逆变器-充电器集成器件。
虽然已经参照其中的多个说明性实施例描述了一些实施例，但应理解的是，本领域技术人员想出可以设想出落于本公开的原理的精神和范围之内的许多其他的修改例和实施例。更具体地，在本公开、图示和所附的权利要求的范围内，在主题组合布置的组成部件和/或布置中可以由各种变型例和修改例。除了组成部件和/或布置中的变型例和修改例以外，对于本领域的技术人员来说，替代使用也将是显而易见的。

Claims (6)

1.一种用于电动车辆的逆变器-充电器集成器件，包括：
电动机；
电力输入单元，其被施加以AC电力；
整流单元，其对施加的AC电力进行整流并输出经整流的电力；
逆变器，其被设置在所述整流单元和蓄电池之间，其中，在第一工作条件下，所述逆变器通过使用经由所述整流单元整流的电力来供给用于向蓄电池充电的充电电力，在第二工作条件下，所述逆变器通过使用存储在所述蓄电池中的电力来供给用于驱动所述电动机的驱动电力；以及
控制单元，其判定所述逆变器的工作状态并根据所判定的工作状态来使所述逆变器工作，
其中所述逆变器包括：第一开关组，其包括第一和第二开关；第二开关组，其包括第三和第四开关；第三开关组，其包括第五和第六开关，
所述整流单元直接连接至所述第一至第三开关组中的第一开关组，并且
所述电动机的各相分别连接至所述第一至第三开关组。
2.根据权利要求1的所述逆变器-充电器集成器件，其中，所述整流单元包括：
整流器，其包括多个二极管，以及
功率因数校正器，其包括晶体管以及电感器，其中所述功率因数校正器校正经由所述整流器整流的电力的功率因数。
3.根据权利要求2所述的逆变器-充电器集成器件，其中，所述电感器的一端连接至所述晶体管的发射极，并且
所述电感器的另一端连接至所述第一开关组中的所述第一开关和所述第二开关的连接点。
4.根据权利要求1所述的逆变器-充电器集成器件，其中，所述逆变器被配置为：
在所述第一工作条件下，只有与所述整流单元相连接的所述第一开关组工作，并且
在所述第二工作条件下，所述第一至第三开关组的所有开关都工作。
5.根据权利要求2所述的逆变器-充电器集成器件，其中，在所述第一工作条件下，所述控制单元在第一周期内开启所述晶体管和所述第二开关，并且在第二周期内关闭所述晶体管和所述第二开关，并且
在所述第一工作条件下所述第一开关维持关闭状态并作为二极管来工作。
6.根据权利要求1所述的逆变器-充电器集成器件，其中，所述电动机包含星形连接的电动机和三角形连接的电动机中的任意一种。
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