CN210617830U - 集成式电驱动装置与包括该装置的电动车辆 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种电动车辆的集成式电驱动装置，其包括：电机；第一转换单元，其配置为根据控制单元的控制运行在整流状态或逆变状态；第二转换单元，其可选地连接至所述第一转换单元的直流端，并且配置为根据控制单元的控制对来自所述第一转换单元的直流电执行升压或降压操作以对车辆的能量存储单元充电；以及控制单元，其配置为选择性地控制所述第一转换单元的运行状态以及车辆外部电源、第一转换单元、第二转换单元和能量存储单元，以实现所述电驱动装置的不同工作模式。本公开还涉及一种包括该电驱动装置的电动车辆。根据本公开的电驱动装置与车辆实现了功率电子器件的复用；并降低了车辆的制造成本。

Description

集成式电驱动装置与包括该装置的电动车辆

技术领域

本公开涉及电动车辆领域，更具体而言，本公开涉及一种集成式电驱动装置与包括该装置的电动车辆。

背景技术

迫于能源危机和环境污染的双重压力，电动车辆(和/或混合动力车辆)成为未来车辆的主要发展趋势。通常，电动车辆包括可充电的能量存储单元、利用该能量存储单元所提供的电力驱动车辆行驶的三相电机、以及用于借助能量存储单元驱动电机的逆变器。

当能量存储单元中的剩余电力(SOC)过低时，需要利用车辆中所配备的充电机来对能量存储单元充电，该充电机通常是借助外接单相交流电或三相交流电进行充电的交流充电机。

在现有的电动车辆中，充电过程和驱动过程中所用到的逆变器、充电机以及DC/DC转换器等都各自独立地安装在车辆上，并且使用场景单一，这不仅增加了电路的复杂性和车辆的制造成本，还造成了功率电子器件的浪费。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述问题，本公开提供了一种用于电动车辆的集成式电驱动装置，其将逆变器、电机和DC/DC转换器集成于一体，实现了功率电子器件的复用，可同时支持两相、三相交流充电；此外，该装置取消了单独的充电机、逆变器和直流转换器，减少了车辆的固定负载，降低了车辆的制造成本。

本公开提出了一种用于电动车辆的集成式电驱动装置，该电驱动装置包括：电机，其包括多个线圈电感，每个线圈电感的第一端借助第一开关连接至车辆外部电源，并且借助第二开关连接至中性点；第一转换单元，其交流端连接至所述每个线圈电感的第二端，并且配置为根据控制单元的控制运行在整流状态或逆变状态；第二转换单元，其可选地连接至所述第一转换单元的直流端，并且配置为根据控制单元的控制对来自所述第一转换单元的直流电执行升压或降压操作以对车辆的能量存储单元充电；以及控制单元，其配置为选择性地控制所述第一转换单元的运行状态以及车辆外部电源、第一转换单元、第二转换单元和能量存储单元，以实现所述电驱动装置的不同工作模式。

有利地，该电驱动装置还包括：第三开关，其连接在所述第一转换单元的直流端与所述第二转换单元的第一端之间；第四开关，其连接在所述第二转换单元的第二端与车辆的能量存储单元之间；第五开关，其连接在所述第一转换单元的直流端与所述第二转换单元的第二端之间；以及第六开关，其连接在所述第二转换单元的第一端与车辆的能量存储单元之间，其中，所述控制单元配置为选择性地控制所述第一转换单元的运行状态以及第一至第六开关的通断，以实现所述电驱动装置的不同工作模式。

有利地，所述控制单元配置为闭合第一、第三和第四开关，断开第二、第五和第六开关，并且使所述第一转换单元运行在整流状态，以使来自车辆外部电源的交流电经过升压操作后用于对车辆的能量存储单元充电。

有利地，所述控制单元配置为闭合第一、第五和第六开关，断开第二、第三和第四开关，并且使所述第一转换单元运行在整流状态，以使来自车辆外部电源的交流电经过降压操作后用于对车辆的能量存储单元充电。

有利地，所述控制单元配置为闭合第二、第五和第六开关，断开第一、第三和第四开关，并且使所述第一转换单元运行在整流状态，以使电机再生反馈能量经过降压操作后用于对车辆的能量存储单元充电。

有利地，所述控制单元配置为闭合第二、第五和第六开关，断开第一、第三和第四开关，并且使所述第一转换单元运行在逆变状态，以使来自车辆的能量存储单元经过升压操作后用于驱动车辆电机旋转。

本公开还提出了一种包括上述电驱动装置的电动车辆。

附图说明

图1示出了根据本公开的用于电动车辆的集成式电驱动装置的示意性框图；以及

图2示出了图1中所示的集成式电驱动装置的电路图。

具体实施方式

下面将参照附图并通过实施例来描述根据本公开的集成式电驱动装置。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属技术领域的技术人员更全面地了解本公开。但是，对于所属技术领域内的技术人员明显的是，本公开的实现可不具有这些具体细节中的一些。相反，可以考虑用下面的特征和要素的任意组合来实施本公开，而无论它们是否涉及不同的实施例。因此，下面的各个方面、特征、实施例和优点仅作说明之用而不应被看作是权利要求的要素或限定，除非在权利要求中明确提出。

图1示出了根据本公开的用于车辆的集成式电驱动装置的示意性框图，图2示出了图1中所示的集成式电驱动装置的电路图。如图1和2中所示，该装置包括控制单元11、电机12、牵引功率变换单元13以及双向升降压变换单元14。下面将详细阐述各个模块的功能及其之间的连接关系。

电机12借助电机输出构件带动车轮旋转，其被配置为永磁体/AC感应电机，并且包括由多个电感线圈构成的电感单元121。如图2中所示，电感单元121由三相绕组(电感L1、L2、L3)构成，在驱动模式下，电感L1、L2、L3被配置成感应线圈，用作对外部输入交流电进行励磁，电感L1、L2、L3的一端连接至牵引功率变换单元13，另一端连接至中性点，以借助来自车辆的能量存储单元的电力驱动车辆电机旋转；在充电模式下，电感L1、L2、L3被配置成滤波电感，用作对外部输入交流电进行滤波，其中，电感L1、L2、L3分别借助开关S4、S5、S6打开中性点，并且借助另外的开关S1、S2、S3连接至外部电网，以借助外部电网对车辆能量存储单元进行充电。在充电模式下的一特殊示例中，例如在发生再生能量反馈的情况下，此时电机12充当发电机的作用，并利用所产生的再生反馈能量对能量存储单元充电。

牵引功率变换单元13为包括多个半导体开关管Q1-Q6的双向DC/AC转换器，其可配置为根据控制单元11的控制运行在整流状态或逆变状态。牵引功率变换单元13的交流端连接至电机12的电感L1、L2、L3，直流端经由开关2PS1或3PS3连接至双向升降压变换单元14，其配置为在控制单元11的控制下将来自电机(发生再生反馈的情况下)或外接电网的交流电转换为对能量存储单元进行充电的直流电(即“充电模式”，此时牵引功率变换单元13充当整流器的作用)，或者将来自能量存储单元的直流电转换为驱动电机的交流电(即“驱动模式”，此时牵引功率变换单元13充当逆变器的作用)。

双向升降压变换单元14为DC/DC转换器，其由两个半导体开关管Q13、Q14和扼流电感L5构成，并且包括第一端和第二端。双向升降压变换单元14的第一端经由开关2PS1连接至牵引功率变换单元13的直流端并且经由开关3PS4连接至车辆的能量存储单元，第二端经由开关3PS3连接至牵引功率变换单元13的直流端并且经由开关2PS2连接至车辆的能量存储单元。

控制单元11可配置为选择性地控制开关2PS1、2PS2、3PS3、3PS4的通断，以使双向升降压变换单元14对来自牵引功率变换单元13或车辆的能量存储单元的直流电压执行升压或降压操作。例如，当开关2PS1、2PS2闭合且开关3PS3、3PS4断开时，升降压变换单元14对来自牵引功率变换单元13的直流电执行升压操作，或者对来自车辆的能量存储单元的直流电执行降压操作；当开关2PS1、2PS2断开且开关3PS3、3PS4闭合时，升降压变换单元14对来自牵引功率变换单元13的直流电执行降压操作，或者对来自车辆的能量存储单元的直流电执行升压操作。

控制单元11可配置为选择性地控制开关S1-S6、2PS1、2PS2、3PS3、3PS4的通断以及牵引功率变换单元13的运行状态，以实现根据本公开的集成式电驱动装置的不同工作模式。

在本文中，将集成式电驱动装置的工作模式大体分为“充电模式”和“驱动模式”两种。本文所称的“驱动模式”指的是在车辆行驶过程中，借助车辆的能量存储单元驱动车辆电机运转。本文所称的“充电模式”涉及如下两种情况：

-在车辆静止状态下(例如停放在车库中)，借助外部电源对车辆的能量存储单元充电，具体包括借助三相电压或两相电压对能量存储单元充电；和

-当在车辆行驶过程中发生反馈能量的情况下，将再生反馈能量用于对车辆的能量存储单元充电，即，借助再生能量对能量存储单元充电。在本文中，反馈能量(也称为再生制动或反馈制动)指的是在车辆制动或惯性滑行时借助电机将负载上的机械能转化成电能并存储于能量存储单元中，在此情况下车辆电机充当发电机的作用。

在本公开中，半导体开关管Q1-Q6和Q13-Q14可实施为场效应晶体管(例如MOSFET和JFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。优选地，在每个半导体开关管上可并联一续流二极管(图2中未示出)，以防止开关管被反向电压击穿。此外，在升降压变换单元14的两端可分别并联连接一滤波电容C1和C2，用于滤除升降压变换单元14的输入信号或输出信号中的谐波。

在本文中，车辆外部电源(即“离车电源”)为220V市电或380V三相交流电。作为第一示例，假定车辆电机和能量存储单元均工作在400v电压平台，则根据本公开的用于车辆的集成式电驱动装置在该平台下的示例性工作模式可描述如下。

借助三相电压对能量存储单元充电

该工作模式指的是借助外部三相电网对车辆的能量存储单元进行充电。在该模式下，开关S1-S3闭合，S4-S6断开，从而使得外部电网的交流电经电机电感L1、L2、L3滤波后被传输至牵引功率变换单元13，此时牵引功率变换单元13由Q1-Q6开关管组成。牵引功率变换单元13工作在整流模式，以将外部电网的交流电转换为直流电。

进一步地，2PS1和2PS2断开，3PS3和3PS4闭合，从牵引功率变换单元13输出的直流电被输入至双向升降压变换单元14的第二端，双向升降压变换单元14对从牵引功率变换单元输出的直流电执行降压操作，经降压操作后的直流电经由双向升降压变换单元14的第一端输入至车辆的能量存储单元以对其充电。

借助两相电压对能量存储单元充电

该工作模式指的是借助外部两相电压对车辆的能量存储单元进行充电。在该模式下，开关S1-S2闭合，S3-S6断开，从而使得外部电网的交流电经电机电感L1、L2滤波后被传输至牵引功率变换单元13，此时牵引功率变换单元13由Q1-Q4开关管组成，Q5-Q6不工作。牵引功率变换单元13工作在整流模式，以将外部电网的交流电转换为直流电。

进一步地，2PS1和2PS2闭合，3PS3和3PS4断开，从牵引功率变换单元13输出的直流电被输入至双向升降压变换单元14的第一端，双向升降压变换单元14对从牵引功率变换单元输出的直流电执行升压操作，经升压操作后的直流电经由双向升降压变换单元14的第二端被输入至车辆的能量存储单元以对其充电。

作为第二示例，假定车辆电机工作在800V电压平台，能量存储单元工作在400v电压平台，则根据本公开的用于车辆的集成式电驱动装置在该平台下的示例性工作模式可描述如下。

借助再生反馈能量对能量存储单元充电

在该工作模式下，开关S1-S3断开，S4-S6闭合，车辆电机充当发电机的作用。电机在再生能量反馈下所产生的交流电被传输至牵引功率变换单元13，此时牵引功率变换单元13由Q1-Q6开关管组成，工作在整流模式，以将电机提供的交流电转换为直流电。

进一步地，开关2PS1和2PS2断开，3PS3和3PS4闭合，从牵引功率变换单元13输出的直流电被输入至双向升降压变换单元14的第二端，双向升降压变换单元14对从牵引功率变换单元13输出的直流电执行降压操作，经降压操作后的直流电经由双向升降压变换单元14的第一端输入至车辆的能量存储单元以对其充电。

借助车辆的能量存储单元驱动电机

在此工作模式下，开关2PS1和2PS2断开，3PS3和3PS4闭合，来自车辆的能量存储单元的直流电被输入至双向升降压变换单元14的第一端，双向升降压变换单元14对来自能量存储单元的直流电执行升压操作，经升压操作后的直流电经由双向升降压变换单元14的第二端输入至牵引功率变换单元13，此时，牵引功率变换单元13由Q1-Q6开关管组成，工作在逆变模式，以将来自双向升降压变换单元14的直流电转换为交流电。进一步地，开关S1-S3断开，S4-S6闭合，电感L1-L3被配置为绕组线圈，以借助经牵引功率变换单元13转换后的交流电驱动电机旋转。

作为第三示例，假定车辆电机和能量存储单元均工作在800v电压平台，则与第一和第二示例不同的是，在借助外部三相交流电对车辆能量存储单元充电的工作模式下，开关2PS1和2PS2闭合，3PS3和3PS4断开从而借助双向升降压变换单元14对来自牵引功率变换单元13的直流电执行升压操作，并将升压后的直流电传输至能量存储单元以对其充电。此外，在借助电机再生能量对能量存储单元充电的工作模式下，开关2PS1和2PS2闭合，3PS3和3PS4断开，从而借助双向升降压变换单元14对来自牵引功率变换单元13的直流电执行升压操作，经升压后的直流电经由双向升降压变换单元14的第一端输入至车辆的能量存储单元以对其充电。

本领域技术人员可以理解的是，根据本公开的电驱动装置并不限于上述列举的工作模式，而是包括能够采用本公开的连接方式或电路结构实现的所有可能工作模式。例如，下述变型均落入本公开的保护范围之内：

本公开重点描述了控制单元11通过对各个开关S1-S6、2PS1、2PS2、3PS3和3PS4的通断状态的控制，实现了集成式电驱动装置的不同工作模式。但本领域普通技术人员可以理解的是，构成本公开的集成式电驱动装置的各个模块(牵引功率变换单元13和双向升降压变换单元14)，特别是构成这些模块的半导体开关管，也可以是受控的。例如，控制单元11通过在各开关管Q1-Q6的使能控制端输入不同的控制信号，以控制各个开关管的通断状态，从而使牵引功率变换单元13工作在整流模式或逆变模式。

在本公开中，术语“连接”指的是“电连接”。此外，“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元以外，本申请的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元的情形。再者，诸如“第一”、“第二”、“第三”等等之类的用语并不表示元器件或数值在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各元器件或数值之用。

虽然本公开已以较佳实施例披露如上，但本公开并非限于此。在不脱离本公开的精神和范围内所作的各种更动与修改，均应纳入本公开的保护范围内，因此本公开的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种用于电动车辆的集成式电驱动装置，其特征在于，该电驱动装置包括：

电机(12)，其包括多个线圈电感，每个线圈电感(L1,L2,L3)的第一端借助第一开关(S1,S2,S3)连接至车辆外部电源，并且借助第二开关(S4,S5,S6)连接至中性点；

第一转换单元(13)，其交流端连接至所述每个线圈电感的第二端，并且配置为根据控制单元的控制运行在整流状态或逆变状态；

第二转换单元(14)，其可选地连接至所述第一转换单元(13)的直流端，并且配置为根据控制单元的控制对来自所述第一转换单元(13)的直流电执行升压或降压操作以对车辆的能量存储单元充电；以及

控制单元(11)，其配置为选择性地控制所述第一转换单元(13)的运行状态以及车辆外部电源、第一转换单元、第二转换单元和能量存储单元，以实现所述电驱动装置的不同工作模式。

2.根据权利要求1所述的电驱动装置，其特征在于，该电驱动装置还包括：

第三开关(2PS1)，其连接在所述第一转换单元(13)的直流端与所述第二转换单元(14)的第一端之间；

第四开关(2PS2)，其连接在所述第二转换单元(14)的第二端与车辆的能量存储单元之间；

第五开关(3PS3)，其连接在所述第一转换单元(13)的直流端与所述第二转换单元(14)的第二端之间；以及

第六开关(3PS4)，其连接在所述第二转换单元(14)的第一端与车辆的能量存储单元之间，

其中，所述控制单元(11)配置为选择性地控制所述第一转换单元(13)的运行状态以及第一至第六开关的通断，以实现所述电驱动装置的不同工作模式。

3.根据权利要求2所述的电驱动装置，其特征在于，

所述控制单元(11)配置为闭合第一、第三和第四开关，断开第二、第五和第六开关，并且使所述第一转换单元(13)运行在整流状态，以使来自车辆外部电源的交流电经过升压操作后用于对车辆的能量存储单元充电。

4.根据权利要求2所述的电驱动装置，其特征在于，

所述控制单元(11)配置为闭合第一、第五和第六开关，断开第二、第三和第四开关，并且使所述第一转换单元(13)运行在整流状态，以使来自车辆外部电源的交流电经过降压操作后用于对车辆的能量存储单元充电。

5.根据权利要求2所述的电驱动装置，其特征在于，

所述控制单元(11)配置为闭合第二、第五和第六开关，断开第一、第三和第四开关，并且使所述第一转换单元(13)运行在整流状态，以使电机再生反馈能量经过降压操作后用于对车辆的能量存储单元充电。

6.根据权利要求2所述的电驱动装置，其特征在于，

所述控制单元(11)配置为闭合第二、第五和第六开关，断开第一、第三和第四开关，并且使所述第一转换单元(13)运行在逆变状态，以使来自车辆的能量存储单元经过升压操作后用于驱动车辆电机旋转。

7.一种电动车辆，其特征在于，该电动车辆包括根据权利要求1至6中任一项所述的电驱动装置。

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