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CN113183788B - 一种基于开绕组电机的v2g隔离型充电机集成方法 - Google Patents

一种基于开绕组电机的v2g隔离型充电机集成方法 Download PDF

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CN113183788B CN202110442877.6A CN202110442877A CN113183788B CN 113183788 B CN113183788 B CN 113183788B CN 202110442877 A CN202110442877 A CN 202110442877A CN 113183788 B CN113183788 B CN 113183788B
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Abstract

一种基于开绕组电机的V2G隔离型充电机集成方法，该集成方法利用开绕组电机作为充电机的滤波电感，设置了6个切换开关，通过6个切换开关的通断，实现了充电和驱动两种工作模态，由于所有的功率器件为全控型器件，可实现能量的双向流动。与现有技术相比，集成方法只需附加较少的切换开关，电机驱动系统将三相绕组每相一分为二，驱动模式下采用开绕组运行，充电模式下每相两个绕组并联充当滤波电感。隔离型充电机可实现V2G能量双向传递。

Description

一种基于开绕组电机的V2G隔离型充电机集成方法
技术领域
本发明涉及中大功率电动汽车充电与驱动集成系统领域，尤其涉及一种基于开绕组电机的V2G隔离型充电机集成。
背景技术
由于车载充电机被安装在电动汽车上，所以，不仅增加了电动汽车的体积、重量，还增加了整个电动汽车的成本。为了解决这个问题，引入了集成化技术。目前，根据集成的充电机是否具有电气隔离，分为两类：有隔离变压器和无隔离变压器的充电机。对于中大功率电动客车，考虑到电气安全性，充电装置必须具备电气隔离。
目前，有隔离变压器的集成方案有两种：第一种，如图1所示，利用特殊电机结构构成静止变压器，是工频变压器，在工频工作下，损耗较大；第二种，如图2所示，专利授权号为CN104670040B，充电拓扑利用磁组合高频变压器的电气隔离提高了系统安全性，集成的阻抗源驱动拓扑利用三原边绕组并联的磁组合高频变压器大大提高了升压能力，其中，阻抗源网络需额外附加可控功率管，实现能量双向流动。集成的驱动拓扑虽具有容错功能，但是电机处于降额运行。另外，该方案存在需要附加无源器件、切换开关较多、能量单向流动等问题。为了解决的上述缺陷，本发明提出了一种利用电机绕组作为充电滤波电感的能量双向流动的充电集成方法。集成的充电变换器可以实现电动汽车与电网能量的双向流动(V2G)，帮助电网移峰填谷稳定电网运行。随着电动汽车V2G技术的应用，不仅能有效地缓解目前能源危机和环境污染问题，还能减小电网负荷峰谷差，平衡电网的能量需求。
发明内容
本发明目的在于研究一种基于开绕组电机的V2G隔离型大功率充电机集成方法，该集成变换器通过附加较少的切换开关，实现充电模式和驱动模式切换自如。而且集成的变换器中均采用可控管，可以实现V2G能量双向流动。
为实现上述目的，一种基于开绕组电机的V2G隔离型充电机集成方法，其电路结构包括第一至第七H桥型变换器、第一至第三三相电机绕组、第一至第三薄膜滤波电容、磁组合高频变压器，第一电解滤波电容两端分别接蓄电池的正极和负极；其特征在于，还包括第一至第六切换开关；
所述电网A相输出接第一切换开关输入第一端；
所述电网B相输出接第一切换开关输入第二端；
所述电网C相输出接第一切换开关输入第三端；
所述电网中点N接第一切换开关输入第四端；
所述第一切换开关输出第一端接三相电机第一相定子绕组入线端a0，绕组出线端a1接第四切换开关的a端，绕组出线端a2接第四切换开关的c端；
所述第一切换开关输出第二端接三相电机第二相定子绕组入线端b0，绕组出线端b1接第五切换开关的a端，绕组出线端b2接第五切换开关的c端；
所述第一切换开关输出第三端接三相电机第三相定子绕组入线端c0，绕组出线端c1接第六切换开关的a端，绕组出线端c2接第四切换开关的c端；
所述第一切换开关输出第四端接第六切换开关的b端；
所述第一H桥型变换器第一输入端接第二切换开关的c端，第二输入端接第二切换开关的b端；
所述第二H桥型变换器第一输入端接第三切换开关的c端，第二输入端接第三切换开关的b端；
所述第三H桥型变换器第一输入端接第四切换开关的c端，第二输出端接第四切换开关的b端；
第二切换开关的b端接第五切换开关的一端，第三切换开关的b端接第五切换开关的二端，第三切换开关的b端接第六切换开关的一端，第四切换开关的b端接第六切换开关的二端；
第一到三H桥型变换器第一输出端分别与第四到六H桥变换器第一输入端连接；
第一到三H桥型变换器第二输出端分别与第四到六H桥变换器第二输入端连接；
第一到三H桥型变换器第一输出端分别与第一到第三薄膜电容正极连接，第一到三H桥型变换器第二输出端分别与第一到第三薄膜电容负极连接；
第四H桥型变换器的第一输出端接高频变压器第一原边绕组的第一端，第四H桥变换器的第二输出端接高频变压器第一原边绕组的第二端；
第五H桥变换器的第一输出端接高频变压器第二原边绕组的第一端，第五H桥变换器的第二输出端接高频变压器第二原边绕组的第二端；
第六H桥变换器的第一输出端接高频变压器第三原边绕组的第一端，第六H桥变换器的第二输出端接高频变压器第三原边绕组的第二端；
高频变压器副边绕组的第一端接可控整流桥的第一输入端，高频变压器副边绕组的第二端接可控整流桥的第二输入端；
第七H桥变换器的第一输出端接蓄电池正极，第二输出端接蓄电池负极；
第七H桥变换器的第一输出端接滤波电容正极，第二输出端接滤波电容负极；
当电动汽车处于充电模式时，所述第二至第四切换开关的a端与c端相连，第一切换开关闭合，第五切换开关和第六切换开关闭合；
当电动汽车处于驱动模式时，所述第二至第四切换开关的a端与b端相连，第一切换开关断开，第五切换开关和第六切换开关断开。
当电动汽车处于驱动状态时，动力电池通过隔离型DC-DC变换器整流变压，然后经三个H桥变换器逆变驱动三相开绕组电机运转；其中隔离型DC-DC变换器包括四个H桥变换器，集成式的高频变压器和薄膜电容；
当电动汽车处于充电状态时，电网提供的三相交流电，经过三个起整流作用的可控H桥变换器、直流母线滤波电容(薄膜电容)、三个起逆变作用的H桥变换器、磁组合高频变压器以及输出的H桥变换器和滤波电容转换为直流电供给动力电池进行充电。另外，充电拓扑本身具有功率因数校正功能。
本发明巧妙之处在于，通过第一至第六开关的通断作用，其驱动拓扑全部复用了原充电拓扑器件，与现有技术相比，集成方法具有以下技术效果：
1.由于隔离型开绕组驱动拓扑全部复用了原充电变换器，所以不需要附加额外的电力电子器件。
2.电机驱动系统和充电系统均具有能量双向流动。
2.控制系统中检测器件也可复用，降低了硬件成本。
3.充电系统具备电气隔离，适合大功率快充。
4.利用磁通平衡法，将开绕组电机抽头绕组并联作为充电系统的滤波电感，同时实现充电时电机静止。
附图说明
图1是现有含隔离变压器的电动汽车充电与驱动集成方案一的电路原理图；
图2是现有含隔离变压器的电动汽车充电与驱动集成方案二的电路原理图；
图3是本发明提出的基于开绕组电机的V2G隔离型充电机集成方法；
图4是本发明充电拓扑的原理图；
图5是本发明电机驱动拓扑的原理图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步的详细说明：
如图1-5所示，一种基于开绕组电机的V2G隔离型充电机集成方法，其电路结构包括第一至第七H桥型变换器、第一至第三三相电机绕组、第一至第三薄膜滤波电容、磁组合高频变压器，第一电解滤波电容两端分别接蓄电池的正极和负极；其特征在于，还包括第一至第六切换开关；
所述电网A相输出接第一切换开关输入第一端；
所述电网B相输出接第一切换开关输入第二端；
所述电网C相输出接第一切换开关输入第三端；
所述电网中点N接第一切换开关输入第四端；
所述第一切换开关输出第一端接三相电机第一相定子绕组入线端a0，绕组出线端a1接第四切换开关的a端，绕组出线端a2接第四切换开关的c端；
所述第一切换开关输出第二端接三相电机第二相定子绕组入线端b0，绕组出线端b1接第五切换开关的a端，绕组出线端b2接第五切换开关的c端；
所述第一切换开关输出第三端接三相电机第三相定子绕组入线端c0，绕组出线端c1接第六切换开关的a端，绕组出线端c2接第四切换开关的c端；
所述第一切换开关输出第四端接第六切换开关的b端；
所述第一H桥型变换器第一输入端接第二切换开关的c端，第二输入端接第二切换开关的b端；
所述第二H桥型变换器第一输入端接第三切换开关的c端，第二输入端接第三切换开关的b端；
所述第三H桥型变换器第一输入端接第四切换开关的c端，第二输出端接第四切换开关的b端；
第二切换开关的b端接第五切换开关的一端，第三切换开关的b端接第五切换开关的二端，第三切换开关的b端接第六切换开关的一端，第四切换开关的b端接第六切换开关的二端；
第一到三H桥型变换器第一输出端分别与第四到六H桥变换器第一输入端连接；
第一到三H桥型变换器第二输出端分别与第四到六H桥变换器第二输入端连接；
第一到三H桥型变换器第一输出端分别与第一到第三薄膜电容正极连接，第一到三H桥型变换器第二输出端分别与第一到第三薄膜电容负极连接；
第四H桥型变换器的第一输出端接高频变压器第一原边绕组的第一端，第四H桥变换器的第二输出端接高频变压器第一原边绕组的第二端；
第五H桥变换器的第一输出端接高频变压器第二原边绕组的第一端，第五H桥变换器的第二输出端接高频变压器第二原边绕组的第二端；
第六H桥变换器的第一输出端接高频变压器第三原边绕组的第一端，第六H桥变换器的第二输出端接高频变压器第三原边绕组的第二端；
高频变压器副边绕组的第一端接可控整流桥的第一输入端，高频变压器副边绕组的第二端接可控整流桥的第二输入端；
第七H桥变换器的第一输出端接蓄电池正极，第二输出端接蓄电池负极；
第七H桥变换器的第一输出端接滤波电容正极，第二输出端接滤波电容负极；
当电动汽车处于充电模式时，所述第二至第四切换开关的a端与c端相连，第一切换开关闭合，第五切换开关和第六切换开关闭合。第一至第三、第七个H桥变换器处于整流状态，第四至第六H桥变换器处于逆变状态。然后，数字处理器发出PWM波驱动信号供给H桥逆变器和整流器的功率管。
当电动汽车处于驱动模式正常运行时，所述第二至第四切换开关的a端与b端相连，第一切换开关断开，第五切换开关和第六切换开关断开。第一至第三、第七个H桥变换器处于逆变状态，第四至第六H桥变换器处于整流状态。然后，数字处理器发出PWM波驱动信号供给H桥逆变器和整流器的功率管。
当电动汽车向电网馈能时，所述第二至第四切换开关的a端与c端相连，第一切换开关闭合，第五切换开关和第六切换开关闭合。第一至第三、第七个H桥变换器处于逆变状态，第四至第六H桥变换器处于整流状态。然后，数字处理器发出PWM波驱动信号供给H桥逆变器和整流器的功率管。
所述交流电机为开绕组电机，且每相绕组中间有抽头。

Claims (6)

1.一种基于开绕组电机的V2G隔离型充电机集成方法，其电路结构包括第一至第七H桥型变换器、第一至第三三相电机绕组、第一至第三薄膜滤波电容、磁组合高频变压器，第一电解滤波电容两端分别接蓄电池的正极和负极；其特征在于，还包括第一至第六切换开关；
电网A相输出接第一切换开关输入第一端；
电网B相输出接第一切换开关输入第二端；
电网C相输出接第一切换开关输入第三端；
电网中点N接第一切换开关输入第四端；
所述第一切换开关输出第一端接三相电机第一相定子绕组入线端a0，绕组出线端a1接第四切换开关的a端，绕组出线端a2接第四切换开关的c端；
所述第一切换开关输出第二端接三相电机第二相定子绕组入线端b0，绕组出线端b1接第五切换开关的a端，绕组出线端b2接第五切换开关的c端；
所述第一切换开关输出第三端接三相电机第三相定子绕组入线端c0，绕组出线端c1接第六切换开关的a端，绕组出线端c2接第四切换开关的c端；
所述第一切换开关输出第四端接第六切换开关的b端；
第一H桥型变换器第一输入端接第二切换开关的c端，第二输入端接第二切换开关的b端；
第二H桥型变换器第一输入端接第三切换开关的c端，第二输入端接第三切换开关的b端；
第三H桥型变换器第一输入端接第四切换开关的c端，第二输出端接第四切换开关的b端；
第二切换开关的b端接第五切换开关的一端，第三切换开关的b端接第五切换开关的二端，第三切换开关的b端接第六切换开关的一端，第四切换开关的b端接第六切换开关的二端；
第一到三H桥型变换器第一输出端分别与第四到六H桥变换器第一输入端连接；
第一到三H桥型变换器第二输出端分别与第四到六H桥变换器第二输入端连接；
第一到三H桥型变换器第一输出端分别与第一到第三薄膜电容正极连接，第一到三H桥型变换器第二输出端分别与第一到第三薄膜电容负极连接；
第四H桥型变换器的第一输出端接高频变压器第一原边绕组的第一端，第四H桥变换器的第二输出端接高频变压器第一原边绕组的第二端；
第五H桥变换器的第一输出端接高频变压器第二原边绕组的第一端，第五H桥变换器的第二输出端接高频变压器第二原边绕组的第二端；
第六H桥变换器的第一输出端接高频变压器第三原边绕组的第一端，第六H桥变换器的第二输出端接高频变压器第三原边绕组的第二端；
高频变压器副边绕组的第一端接可控整流桥的第一输入端，高频变压器副边绕组的第二端接可控整流桥的第二输入端；
第七H桥变换器的第一输出端接蓄电池正极，第二输出端接蓄电池负极；
第七H桥变换器的第一输出端接滤波电容正极，第二输出端接滤波电容负极；
当电动汽车处于充电模式时，所述第二至第四切换开关的a端与c端相连，第一切换开关闭合，第五切换开关和第六切换开关闭合；
当电动汽车处于驱动模式时，所述第二至第四切换开关的a端与b端相连，第一切换开关断开，第五切换开关和第六切换开关断开。
2.根据权利要求1所述的基于开绕组电机的V2G隔离型充电机集成方法，其特征在于，交流电机为开绕组电机，且每相绕组中间有抽头。
3.根据权利要求1所述的基于开绕组电机的V2G隔离型充电机集成方法，其特征在于，所述第一至七H桥变换器为全控型功率器件。
4.根据权利要求1所述的基于开绕组电机的V2G隔离型充电机集成方法，其特征在于，所述电机绕组作为充电拓扑的滤波电感。
5.根据权利要求1所述的基于开绕组电机的V2G隔离型充电机集成方法，其特征在于，充电拓扑中第一至第三滤波电容为薄膜电容。
6.根据权利要求1所述的基于开绕组电机的V2G隔离型充电机集成方法，其特征在于，所述变压器采用高频变压器。
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