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CN108173430B - 基于磁阻电机绕组重构的车载交直流充电与驱动电路拓扑 - Google Patents

基于磁阻电机绕组重构的车载交直流充电与驱动电路拓扑 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磁阻电机绕组重构的车载交直流充电与驱动一体化电路拓扑，包括相互连接的电源模块，DC/DC升降压模块及磁阻电机重构模块。本发明通过重构磁阻电机，使电路可以工作在充电模式或充电模式，并可以有效地节约电动汽车的制造成本和内部空间，此外还通过减少开关管数量提高了电路的可靠性。在驱动方面，该电路拓扑可以获得高速平稳的启动转矩和更宽的转矩范围，并在汽车减速或者下坡时反馈电能，延长电池续航。在充电方面，该电路拓扑可以降低对外部充电桩种类的限制，在充电电压过高时降低电压，保障充电的安全，并可在交流充电模式下进行功率因数调节，提高充电效率。

Description

基于磁阻电机绕组重构的车载交直流充电与驱动电路拓扑
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种适用宽广、提速更快、续航更长且具有PFC校正功能的电动汽车充电驱动一体化装置。
背景技术
为了降低汽车尾气的排放和对环境的污染，在使用清洁能源和降低成本的条件下，电动汽车具有驱动能量转换效率高、电机再生制动能力强、噪声低和振动小等优点。但是传统电动汽车的驱动电路与充电电路是分离的，使得电动汽车的有效体积减小和制造成本上升。电机驱动电源不含前端DC/DC变换器，使得电机对电池供电的电压要求过于严苛，无法获得平滑和较宽的转矩提升。在充电方面，一辆汽车一般只适用于单种固定的充电桩，在日常生活中会引起很多的不便。
为了解决这些问题，本发明提出一种带前端DC/DC升降压模块，适用于交直流电源输入的车载充电与驱动一体化装置，实现充放电与电机驱动的一体化，简化了电路的拓扑结构，节省了车内空间，同时该拓扑结构具有能量回馈功能，增加了电池的续航能力。此外在进行交流充电时还带有PFC校正和降压功能，提高了充电的效率和安全性。
发明内容
本发明解决的技术问题是，提供一种适用于交直流电源输入进行车载充电和电机驱动一体化电路拓扑，此电路拓扑为一种能有效地节约电动汽车的制造成本和内部空间，并可以在驱动状态下给电机提供较大电压/电流实现快速平稳启动，在制动或者下坡时可以进行电能反馈，并可在充电状态下可以进行充电的保护和功率的调节。
本发明技术解决方案是，提供一种具有以下结构的基于磁阻电机绕组重构的车载充电与驱动一体化电路拓扑，该电路拓扑包括电源模块，DC/DC升降压模块及磁阻电机重构模块。
该一体化车载充电及驱动电路拓扑，包括锂电池(Vb)、第一电感(L1)、第一电容(C1)、第一开关管至第九开关管(Q1-Q9)、第一二极管至第八二极管(D1-D8)、单刀双掷开关(S)和磁阻电机绕组(L2、L3、L4、L5)。
所述的锂电池(Vb)、第一开关管(Q1)以及第一二极管(D1)构成电源模块。
所述的第一电感(L1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)以及第一电容(C1)构成升压电路模块。
所述的第一电感(L1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、以及磁阻电机绕组(L3)以及第六开关管(Q6)构成降压电路模块。
所述的第四开关管(Q4)、第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)、第七开关管(Q7)、第八开关管(Q8)、第九开关管(Q9)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第七二极管(D7)、单刀双掷开关(S)以及磁阻电机绕组(L2、L3、L4、L5)构成磁阻电机重构模块。
锂电池的正极(Vb)和第一开关管(Q1)的发射极与第一二极管(D1)的正极连接，所述第一开关管(Q1)的集电极、第一二极管(D1)的阴极与第一电感(L1)的一端连接，所述第一电感(L1)的一端和第二开关管(Q2)的集电极、第二二极管(D2)的阴极、第四二极管(D4)的阴极、第五二极管(D5)的阴极、第六二极管(D6)的阴极、单刀双掷开关(S)的一端(B)、第七二极管(D7)的阴极与第三开关管(Q3)的集电极连接，所述第三开关管(Q3)的发射极、第一电容(C1)的一端、第三二极管(D3)的阴极、第四开关管(Q4)的集电极、第六开关管(Q6)的集电极、磁阻电机绕组(L4)的一端和单刀双掷开关(S)的一端(A)连接，所述第五开关管(Q5)的集电极和第四二极管(D4)的阳极与磁阻电机绕组(L2)的一端连接，所述磁阻电机绕组(L2)的一端与第四开关管(Q4)的发射极连接，所述第七开关管(Q7)的集电极和第五二极管(D5)的阳极与磁阻电机绕组(L3)的一端连接，所述磁阻电机绕组(L3)的一端与第六开关管(Q6)的发射极连接，所述第八开关管(Q8)的集电极和第六二极管(D6)的阳极与磁阻电机绕组(L4)的一端连接，所述第九开关管(Q9)的集电极和第七二极管(D7)的阳极与磁阻电机绕组(L5)的一端连接，磁阻电机绕组(L5)的一端与单刀双掷开关(S)连接，第九开关管(Q9)的发射极、第八开关管(Q8)的发射极、第七开关管(Q7)的发射极、第五开关管(Q5)的发射极、第三二极管(D3)的阳极、第一电容(C1)的一端、第二二极管(D2)的阳极、第二开关管(Q2)的发射极与锂电池(Vb)的负极连接。
采用以上结构后，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)可以节约电动汽车的制造成本和内部空间。
(2)可在驱动状态下获得高速平稳的启动转矩和更宽的转矩范围。
(3)可在汽车减速或者下坡时反馈电能，延长电池续航。
(4)可在充电电压过高时降低电压，保障充电的安全。
(5)可在直流电源或单相交流电源下进行充电，降低了外部充电桩种类的限制。
(6)可在交流充电模式下进行功率因数调节，提高充电效率。
本发明基于磁阻电机绕组重构的车载交直流充电电路拓扑中，所述第一至九开关管(Q1-Q9)均采用PWM控制。其中，第一开关管Q1用于对锂电池的充电控制，当充电结束时，第一开关管Q1断开。第三开关管Q3在驱动的状态下一直导通，充电状态下一直关断。第四开关管Q4在驱动状态下始终导通，在充电状态下始终关断。第二开关管Q2用于对升压调节的控制，第六开关管Q6用于对降压调节的控制。第四开关管Q4与第六开关管Q6在充电模式下用于充电的控制，在驱动模式下一直导通。第五开关管Q5、第七开关管Q7、第八开关管Q8和第九开关管Q9用于对磁阻电机驱动的控制，脉冲依次相差60°，控制占空比D相等。与传统电动汽车电路拓扑不同的是，本发明采用前端DC/DC升降压模块对电压进行控制，可使调速更加平稳迅速。并进行了驱动与充电电路拓扑的融合，实现了电动汽车成本与体积的缩减。
附图说明
图1是车载交直流充电电路的原理框图。
图2是车载交直流充电电路拓扑的结构图。
图3是车载交直流充电电路的驱动升压电路图。
图4是车载直流充电电路的充电降压电路图。
图5是图2中的电路在驱动状态下第四开关管Q4和第六开关管Q6导通，第五开关管Q5、第七开关管Q7、第八开关管Q7和第九开关管Q9关断时的绕组回馈能量工作示意图。
图6是图2中的电路在第六开关管Q6导通，第四开关管Q4、第五开关管Q5、第七开关管Q7、第八开关管Q8和第九开关管Q9关断时的电池组直流充电工作示意图。
图7是图2中的电路在交流电压处于正半周期且第六开关管Q6和第九开关管Q9导通，第四开关管Q4、第五开关管Q5、第七开关管Q7和第八开关管Q8关断时的电池组单相交流充电工作示意图。
图8是图2中的电路在交流电压处于负半周期且第四开关管Q4和第九开关管Q9导通，第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8关断时的电池组单相交流充电工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明基于磁阻电机绕组重构的车载交直流充电电路做进一步说明。
图1所示，本发明基于磁阻电机绕组重构的车载交直流充电电路包括相互连接的电源模块1，DC/DC升降压模块2及磁阻电机重构模块3。
图2所示，此电路拓扑包括锂电池(Vb)、第一电感(L1)、第一电容(C1)、第一开关管至第九开关管(Q1-Q9)、第一二极管至第八二极管(D1-D8)、单刀双掷开关(S)和磁阻电机绕组(L2、L3、L4、L5)且如图所示连接。第一至九开关管(Q1-Q9)均采用PWM控制。其中，第一开关管Q1用于对锂电池的充电控制，当充电结束时，第一开关管Q1断开。第三开关管Q3在驱动的状态下一直导通，充电状态下一直关断。第四开关管Q4在驱动状态下始终导通，在充电状态下始终关断。第二开关管Q2用于对升压调节的控制，第六开关管Q6用于对降压调节的控制。第四开关管Q4与第六开关管Q6在充电模式下用于充电的控制，在驱动模式下一直导通。第五开关管Q5、第七开关管Q7、第八开关管Q8和第九开关管Q9用于对磁阻电机驱动的控制，脉冲依次相差60°，控制占空比D相等。单刀双掷开关(S)在驱动或者反馈状态下打向A，在直流充电状态下断开，在单相交流充电状态下打向B。
图3所示，当电动汽车处于驱动状态下时，若需要快速提升转矩，可通过对第三开关管Q3的控制，调节占空比的大小，升高电源电压，使磁阻电机平稳快速地达到预期转速。
图4所示，当电动汽车处于直流充电状态下时，若充电电压过高，可通过对第六开关管Q6的控制，调节占空比的大小，降低充电电压，使锂电池实现安全的充电。而当电动汽车处于直流充电状态下时，则可通过对第四和第六开关管的控制实现对电压的调节。
图5～图8是图2所示的本发明基于磁阻电机绕组重构的车载交直流充电电路处于驱动和充电模式下的工作过程图。
其中，图5是在汽车减速或停车的情况下，第四开关管Q4和第六开关管Q6导通，第五开关管Q5、第七开关管Q7、第八开关管Q8和第九开关管Q9关断时的绕组回馈能量工作示意图，此时，第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7和第八二极管D8导通，单刀双掷开关S打向A，磁阻电机绕组L2、L3、L4、L5释放能量，电池组处于充电状态。
图6是电动汽车在连接直流电源的情况下，第六开关管导通Q6，第四开关管Q4、第五开关管Q5、第七开关管Q7、第八开关管Q8和第九开关管Q9关断时的电池组直流充电工作示意图。此时，第四二极管D4导通，直流电源给电池组充电。
图7是电动汽车在连接单向交流电源且交流电压处于正半周期的情况下，第六开关管Q6和第九开关管导通Q9，第四开关管Q4、第五开关管Q5、第七开关管Q7和第八开关管Q8关断时的电池组单相交流充电工作示意图。此时，第四二极管D4和第五二极管D5导通，单刀双掷开关S打向B，交流电源给电池组充电，其中磁阻电机绕组L5起到PFC校正的作用。
图8是电动汽车在连接单向交流电源且交流电压处于负半周期的情况下，第四开关管Q4和第九开关管Q9导通，第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8关断时的电池组单相交流充电工作示意图。此时，第四二极管D4和第六二极管D6导通，单刀双掷开关S打向B，交流电源给电池组充电，其中磁阻电机绕组L5起到PFC校正的作用。
以上所述的实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于磁阻电机绕组重构的车载交直流充电电路拓扑，包括相互连接的电源模块，DC/DC升降压模块及磁阻电机重构模块，电源模块包括锂电池Vb、第一开关管Q1和第一二极管D1，DC/DC升降压模块包括第一电感L1、第二开关管Q2、第二二极管D2、第一电容C1、第三开关管Q3，磁阻电机重构模块包括第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、单刀双掷开关S和磁阻电机绕组L2、L3、L4、L5，其特征在于：在不额外增加充电硬件设备的条件下，将驱动电机和逆变器的电路进行重构，变换成电池充电电路；此电路拓扑具有电机驱动、能量回馈和PFC校正功能；
其中，所述锂电池Vb的正极和第一开关管Q1的发射极与第一二极管D1的正极连接，所述第一开关管Q1的集电极、第一二极管D1的阴极与第一电感L1的一端连接，所述第一电感L1的另一端和第二开关管Q2的集电极、第二二极管D2的阴极、第四二极管D4的阴极、第五二极管D5的阴极、第六二极管D6的阴极、单刀双掷开关S的一端B、第七二极管D7的阴极与第三开关管Q3的集电极连接，所述第三开关管Q3的发射极、第一电容C1的一端、第三二极管D3的阴极、第四开关管Q4的集电极、第六开关管Q6的集电极、磁阻电机绕组L4的一端和单刀双掷开关S的一端A连接，所述第五开关管Q5的集电极和第四二极管D4的阳极与磁阻电机绕组L2的一端连接，所述磁阻电机绕组L2的另一端与第四开关管Q4的发射极连接，所述第七开关管Q7的集电极和第五二极管D5的阳极与磁阻电机绕组L3的一端连接，所述磁阻电机绕组L3的另一端与第六开关管Q6的发射极连接，所述第八开关管Q8的集电极和第六二极管D6的阳极与磁阻电机绕组L4的一端连接，所述第九开关管Q9的集电极和第七二极管D7的阳极与磁阻电机绕组L5的一端连接，磁阻电机绕组L5的另一端与单刀双掷开关S连接，第九开关管Q9的发射极、第八开关管Q8的发射极、第七开关管Q7的发射极、第五开关管Q5的发射极、第三二极管D3的阳极、第一电容C1的另一端、第二二极管D2的阳极、第二开关管Q2的发射极与锂电池Vb的负极连接；
所述第一开关管至第九开关管Q1-Q9均采用PWM控制，所述第一开关管Q1用于对锂电池的充电的安全控制，所述第二开关管Q2用于对升压调节的控制，所述第六开关管Q6用于对降压调节的控制，所述第四开关管Q4与第六开关管Q6在充电模式下用于充电的控制，在驱动模式下一直导通，所述第三开关管Q3在驱动状态下始终导通，在充电状态下始终关断，所述第五开关管Q5、第七开关管Q7、第八开关管Q8和第九开关管Q9的脉冲依次相差60°，控制占空比D相等。
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