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CN103944198A - 电动汽车的充电、驱动系统及充电装置 - Google Patents

电动汽车的充电、驱动系统及充电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车的充电、驱动系统，包括：高压电池和双向变换器；其中，双向变换器一侧的两个端点分别与高压电池的正负极相连，另一侧的两个端点与内部逆变器的输入端连接，同时用于与外部充电装置的输出端连接；当双向变换器与外部充电装置的输出端连接时，双向变换器作为降压变换器使用；当高压电池为电动汽车的驱动供电时，双向变换器作为升压变换器使用。本发明还公开了一种充电装置，包括：隔离变压器和功率因素校正器；其中，隔离变压器的一端与电源相连，另一端与功率因素校正器的输入端相连；功率因素校正器的输出端为所述充电装置的输出端。本发明所公开的方案能够简化充电装置的结构，提高升压变换器的利用率。

Description

电动汽车的充电、驱动系统及充电装置
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，特别是一种电动汽车的充电、驱动系统及充电装置。
背景技术
世界上第一辆电动汽车诞生于1881年，比燃油汽车还要早5年，但是当时电动汽车的续驶里程太短，充电时间太长，同时内燃机技术趋于完善，一次加油能持续行驶400-500km，燃油价格便宜，因此电动汽车逐渐被燃油汽车淘汰了。
然而汽车的发展在给人类带来巨大利益的同时也在面对能源、环境与气候问题的挑战。汽车技术在促进科技进步的同时科技的进步也在极大地促进汽车技术的进步。现有的汽车技术已经使内燃机汽车在节能与排放方面取得了重大的进展，但是世界汽车的保有量在急剧地增加，燃油汽车每年消耗的能源和排放的污染物的数量也在逐年递增。面对日益严峻的能源、环境和气候问题，世界各国的政府、学术界和工业界都将目光投向了环保与节能的电动车，并且都在加大对电动汽车开发的投入力度，加速电动汽车的商品化步伐。
电动汽车包括有：混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车、氢发动机汽车以及燃气汽车、醇醚汽车等。
目前的电动汽车中，电机驱动主要采用逆变器单级驱动，以及升压变换器和逆变器级联的两级驱动。其中，逆变器单级驱动指的是电动汽车的高压电池直接与逆变器连接后向电动汽车的电动机供电。升压变换器和逆变器级联的两级驱动指的是电动汽车的高压电池通过两级级联的升压变换器和逆变器级联向电动汽车的电动机供电。此外，为电动汽车的高压电池充电的充电装置主要采用交流到直流（AC-DC）和直流到直流（DC-DC）的两级功率架构来实现。例如，充电装置通常包括隔离变压器、功率因素校正器（PFC）（AC-DC）和降压变换器（DC-DC）等。其中，隔离变压器的一端与电源相连，另一端与PFC的输入端相连；PFC的输出端与降压变换器的输入端相连，降压变换器的输出端用于与电动汽车的高压电池的正负极相连，实现对高压电池的充电。
此外，本领域内的技术人员还在寻找其它的电动汽车驱动及充电方式。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种电动汽车的充电、驱动系统，以及充电装置，用以简化充电装置的结构，提高升压变换器的利用率。
本发明提出的一种电动汽车的充电、驱动系统，包括：高压电池和双向变换器；其中，
所述双向变换器一侧的两个端点分别与所述高压电池的正负极相连，另一侧的两个端点与内部逆变器的输入端连接，同时用于与外部充电装置的输出端连接；
当所述双向变换器另一侧的两个端点与外部充电装置的输出端连接时，所述双向变换器作为降压变换器使用，使得所述充电装置为所述高压电池充电；
当所述高压电池为电动汽车的驱动供电时，所述双向变换器作为升压变换器使用，使得所述高压电池通过所述双向变换器和所述内部逆变器实现对电动汽车的驱动供电。
本发明的一个实施方式中，所述双向变换器包括：至少一条支路，当所述支路的数量大于或等于2时，各支路并联连接；其中，每一条支路包括：
两个串联的晶体管，其中一个晶体管的集电极作为所述双向变换器另一侧的两个端点中的正极端点，发射极连接另一个晶体管的集电极，同时通过一储能电感连接至所述高压电池的正极；另一个晶体管的发射极连接所述高压电池的负极，同时作为所述双向变换器另一侧的两个端点中的负极端点；以及
两个二极管，分别和一个晶体管并联，其中，每个二极管的阴极连接晶体管的集电极，阳极连接晶体管的发射极。
本发明的一个实施方式中，所述双向变换器进一步包括：连接在所述双向变换器另一侧两个端点之间的滤波电容。
本发明的一个实施方式中，所述双向变换器进一步包括：连接在所述高压电池的正极和所述双向变换器另一侧的两个端点中的正极端点的缓冲电路；所述缓冲电路用于在所述高压电池为电动汽车的驱动供电时，进行正向缓冲；在外部充电装置对所述高压电池进行充电时，进行逆向阻断。
本发明的一个实施方式中，所述缓冲电路包括：
串联连接的第一继电器开关和第二继电器开关，以及并联在第二继电器开关上的限流电阻；
其中，第一继电器开关的一端与高压电池的正极相连，另一端与第二继电器开关的一端相连，第二继电器开关的另一端与所述双向变换器另一侧的两个端点中的正极端点相连。
本发明的一个实施方式中，该系统进一步包括：连接在所述高压电池的正极和所述双向变换器之间的开关。
本发明提出的充电装置，包括：隔离变压器和功率因素校正器；其中，
隔离变压器的一端与电源相连，另一端与功率因素校正器的输入端相连；
功率因素校正器的输出端为所述充电装置的输出端。
从上述方案中可以看出，由于本发明实施例中将充电装置中的一部分架构，即降压变换器（DC-DC）的功能，集成到电动汽车内部，从而可以简化充电装置的结构，降低充电装置的成本。并且对于内部已存在升压变换器的电动汽车来说，通过将充电装置的降压变换器与该升压变换器共用，得到一双向变换器，即供电时（本文中称为正向）作为升压变换器使用，充电时（本文中称为逆向）作为降压变换器使用，从而提高了原升压变换器的利用率。另外，对于内部不存在升压变换器的电动汽车来说，由于不同车型可能需要不同的电池额定电压，而不同的电池额定电压需要采用不同的逆变器进行适配，而通过在电动汽车的内部设置一双向变换器，可以使得高压电池电压经升压变换器调整后得到任意稳定的电压，故可根据逆变器的需求设定升压变换器的输出电压，从而可将逆变器标准化，降低整个行业的开发成本；并且可最大限度的优化逆变器及电机的设计，减小逆变器和电机的尺寸，提高驱动效率和功率密度，降低整个控制器的成本。此外，目前电动汽车多采用金属锂电池，其输出的伏安特性比较稳定。而根据目前的发展趋势，金属锂电池很有可能会被燃料电池所取代，而燃料电池的输出电压受输出电流的影响较大，使得输出电压会有较大的跌落，而将升压变换器设置于电动汽车内部时则可解决这个问题，因此通过采用本申请的技术还是使得电动汽车容易与将来的技术相兼容。
另外，本申请中，通过在双向变换器非高压电池连接端的两个端点间添加一滤波电容，可以平滑作为升降压变换器的双向变换器的输出电压。
此外，通过在所述高压电池的正极和所述双向变换器非高压电池连接端的两个端点中的正极端点之间设置缓冲电路，可以实现正向开机缓冲和逆向阻断。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：
图1为本发明实施例中电动汽车的充电、驱动系统的结构示意图及本发明实施例中充电装置的结构示意图。其中，上半部分为充电装置的结构示意图，下半部分为电动汽车的充电、驱动系统的结构示意图。
其中，附图标记如下：
1-充电装置  2-电动汽车的充电、驱动系统
HV-高压电池  CV-双向变换器TC-隔离变压器  PFC-功率因素校正器
Q11-第一晶体管  Q12-第二晶体管  D11-第一二极管  D12-第二二极管  L1-第一储能电感  QN1-第三晶体管  QN2-第四晶体管  DN1-第三二极管  DN2-第四二极管  LN-第N储能电感  O1-正极端点  O2-负极端点
C-滤波电容  K1-第一继电器开关  K2-第二继电器开关  R-限流电阻
S-开关
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。
图1为本发明实施例中电动汽车的充电、驱动系统的结构示意图及本发明实施例中充电装置的结构示意图。其中，上半部分为充电装置1的结构示意图，下半部分为电动汽车的充电、驱动系统2的结构示意图。如图1中的下半部分所示，本发明实施例中的电动汽车的充电、驱动系统2可包括：高压电池HV和双向变换器CV。其中，
双向变换器CV一侧的两个端点分别与高压电池HV的正负极相连，另一侧的两个端点O1和O2与电动汽车的内部逆变器的输入端连接，同时用于与外部充电装置1的输出端连接。
当双向变换器CV另一侧的两个端点O1和O2与外部充电装置1的输出端连接时，双向变换器CV作为降压变换器，使得充电装置1为高压电池HV充电。
当高压电池HV为电动汽车的驱动供电时，双向变换器CV作为升压变换器，使得高压电池HV通过双向变换器CV和内部逆变器实现对电动汽车的驱动供电。
可见，本发明实施例中由于在电动汽车的内部设置了双向变换器CV，该双向变换器CV可与外部充电装置1相连，并作为降压变换器使用，因此现有技术中的充电装置中的降压变换器可省略，为此本发明实施中的充电装置1可如图1中的上半部分所示，包括：隔离变压器TC和功率因素校正器PFC。其中，隔离变压器TC的一端与电源相连，另一端与功率因素校正器PFC的输入端相连。功率因素校正器PFC的输出端为充电装置1的输出端。该充电装置1可以是类似于加油站的充电点中的充电装置。
具体实现时，双向变换器CV可有多种具体实现形式。图1中仅示出了其中一种较佳的实施方式。
如图1中的下半部分所示，该双向变换器CV可包括N相并联的支路，即至少一条如图1中所示由晶体管、二极管和电感组成的支路，其中N大于或等于1。其中，当N等于1时，该N相并联的支路即为单相支路；当N等于2时，该N相并联的支路即为双相并联的支路；当N等于3时，该N相并联的支路即为三相并联的支路；当N等于4时，该N相并联的支路即为四相并联的支路，依此类推。
如图1中所示，第一条支路包括：串联连接的第一晶体管Q11和第二晶体管Q12，分别与第一晶体管Q11和第二晶体管Q12并联的第一二极管D11和第二二极管D12，以及第一储能电感L1。
其中，第一晶体管Q11的集电极作为双向变换器CV另一侧的两个端点中的正极端点O1，发射极连接第二晶体管Q12的集电极，同时通过第一储能电感L1连接至高压电池HV的正极；第二晶体管Q12的发射极连接高压电池HV的负极，同时作为双向变换器CV另一侧的两个端点中的负极端点O2。
第一二极管D11的阴极连接第一晶体管Q11的集电极，阳极连接第一晶体管Q11的发射极，第二二极管D12的阴极连接第二晶体管Q12的集电极，阳极连接第二晶体管Q12的发射极。
相应地，第N条支路包括：串联连接的第三晶体管QN1和第四晶体管QN2，分别与第三晶体管QN1和第四晶体管QN2并联的第三二极管DN1和第四二极管DN2，以及第N储能电感LN。
其中，第三晶体管QN1的集电极作为双向变换器CV另一侧的两个端点中的正极端点O1，发射极连接第四晶体管QN2的集电极，同时通过第N储能电感LN连接至高压电池HV的正极；第四二极管DN2的发射极连接高压电池HV的负极，同时作为双向变换器CV另一侧的两个端点中的负极端点O2。
第三二极管DN1的阴极连接第三晶体管QN1的集电极，阳极连接第三晶体管QN1的发射极，第四二极管DN2的阴极连接第四二极管DN2的集电极，阳极连接第四二极管DN2的发射极。
进一步地，为了平滑作为升降压变换器的双向变换器的供电输出电压，本发明实施例中进一步在双向变换器非高压电池连接端的两个端点间设置一滤波电容C。
进一步地，为了实现供电时（本文中称为正向）的开机缓冲，充电时（本文中称为逆向）时的电流阻断，本发明实施例中进一步在高压电池HV的正极和双向变换器CV非高压电池连接端的两个端点中的正极端点O1之间设置一缓冲电路，同时在高压电池HV的正极和双向变换器CV之间设置一开关S。具体实现时，缓冲电路可有多种具体实现形式，图1中示出了其中一种。
如图1所示，该缓冲电路包括：串联连接的第一继电器开关K1和第二继电器开关K2，以及并联在第二继电器开关K2上的限流电阻R。
其中，第一继电器开关K1的一端与高压电池HV的正极相连，另一端与第二继电器开关K2的一端相连，第二继电器开关K2的另一端与双向变换器CV另一侧的两个端点中的正极端点O1相连。
当双向变换器正向工作时（即高压电池HV需要为电动汽车的驱动供电时），该缓冲电路及开关S的工作原理可以为：由于启动时双向变换器CV输出端滤波电容C的电压为零，因此启动过程可如下所示：
当高压电池HV的电压低于双向变换器CV的设定输出电压时，开关S断开，第一继电器开关K1闭合，此时第二继电器开关K2仍然断开，电路流经限流电阻R，即高压电池HV通过第一继电器开关K1和限流电阻R向当滤波电容C充电，当滤波电容C两端的电压达到高压电池HV的电压后，第一继电器开关K1断开，开关S闭合，实现了正向缓冲，之后高压电池HV通过作为升压变换器CV的双向变换器为电动汽车供电。
进一步地，当高压电池HV的电压高于双向变换器CV的设定输出电压时，还可执行如下操作：开关S断开，第一继电器开关K1闭合，此时第二继电器开关K2仍然断开，电路流经限流电阻R，即高压电池HV通过第一继电器开关K1和限流电阻R向当滤波电容C充电，当滤波电容C两端的电压达到高压电池HV的电压后，第二继电器开关K2闭合，旁路掉双向变换器CV，并由高压电池HV直接为电动汽车供电。当电池电压HV降到双向变换器CV的设定输出电压时，断开第一继电器开关K1和第二继电器开关K2，然后闭合开关S，高压电池HV通过作为升压变换器CV的双向变换器为电动汽车供电。
当双向变换器逆向工作时（即外部充电装置1对高压电池HV进行充电时），第一继电器开关K1和第二继电器开关K2均断开，开关S闭合，实现了逆向电流阻断。
本实施例中，可通过电动汽车内部的控制单元实现上述对第一继电器开关K1、第二继电器开关K2和开关S的控制。
此外，汽车在停用时，断开第一继电器开关K1、第二继电器开关K2和开关S。
可见，由于本发明实施例中将充电装置中的一部分架构，即降压变换器（DC-DC）的功能，集成到电动汽车内部，从而可以简化充电装置的结构，降低充电装置的成本。并且对于内部已存在升压变换器的电动汽车来说，通过将充电装置的降压变换器与该升压变换器共用，得到一双向变换器，即供电时作为升压变换器使用，充电时作为降压变换器使用，从而提高了原升压变换器的利用率。另外，对于内部不存在升压变换器的电动汽车来说，由于不同车型可能需要不同的电池额定电压，而不同的电池额定电压需要采用不同的逆变器进行适配，而通过在电动汽车的内部设置一双向变换器，可以使得高压电池电压经升压变换器调整后得到任意稳定的电压，故可根据逆变器的需求设定升压变换器的输出电压，从而可将逆变器标准化，降低整个行业的开发成本；并且可最大限度的优化逆变器及电机的设计，减小逆变器和电机的尺寸，提高驱动效率和功率密度，降低整个控制器的成本。此外，目前电动汽车多采用金属锂电池，其输出的伏安特性比较稳定。而根据目前的发展趋势，金属锂电池很有可能会被燃料电池所取代，而燃料电池的输出电压受输出电流的影响较大，使得输出电压会有较大的跌落，而将升压变换器设置于电动汽车内部时则可解决这个问题，因此通过采用本申请的技术还是使得电动汽车容易与将来的技术相兼容。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电动汽车的充电、驱动系统，包括：高压电池和双向变换器；其中，
所述双向变换器一侧的两个端点分别与所述高压电池的正负极相连，另一侧的两个端点与内部逆变器的输入端连接，同时用于与外部充电装置的输出端连接；
当所述双向变换器另一侧的两个端点与外部充电装置的输出端连接时，所述双向变换器作为降压变换器使用，使得所述充电装置为所述高压电池充电；
当所述高压电池为电动汽车的驱动供电时，所述双向变换器作为升压变换器使用，使得所述高压电池通过所述双向变换器和所述内部逆变器实现对电动汽车的驱动供电。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述双向变换器包括：至少一条支路，当所述支路的数量大于或等于2时，各支路并联连接；其中，每一条支路包括：
两个串联的晶体管，其中一个晶体管的集电极作为所述双向变换器另一侧的两个端点中的正极端点，发射极连接另一个晶体管的集电极，同时通过一储能电感连接至所述高压电池的正极；另一个晶体管的发射极连接所述高压电池的负极，同时作为所述双向变换器另一侧的两个端点中的负极端点；以及
两个二极管，分别和一个晶体管并联，其中，每个二极管的阴极连接晶体管的集电极，阳极连接晶体管的发射极。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述双向变换器进一步包括：连接在所述双向变换器另一侧两个端点之间的滤波电容。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述双向变换器进一步包括：连接在所述高压电池的正极和所述双向变换器另一侧的两个端点中的正极端点的缓冲电路；所述缓冲电路用于在所述高压电池为电动汽车的驱动供电时，进行正向缓冲；在外部充电装置对所述高压电池进行充电时，进行逆向阻断。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述缓冲电路包括：
串联连接的第一继电器开关和第二继电器开关，以及并联在第二继电器开关上的限流电阻；
其中，第一继电器开关的一端与高压电池的正极相连，另一端与第二继电器开关的一端相连，第二继电器开关的另一端与所述双向变换器另一侧的两个端点中的正极端点相连。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，该系统进一步包括：连接在所述高压电池的正极和所述双向变换器之间的开关。
7.一种充电装置，包括：隔离变压器和功率因素校正器；其中，
隔离变压器的一端与电源相连，另一端与功率因素校正器的输入端相连；功率因素校正器的输出端为所述充电装置的输出端。
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