集成电机驱动和电池充放电的功率转换系统的制作方法

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种集成电机驱动和电池充放电的功率转换系统。

背景技术：

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

随着全球经济的飞速发展，日益增长的能源消耗和环境污染越来越引起世界各国的高度重视。其中，汽车消耗的能源占有比例越来越高。同时，汽车尾气带来的污染也是一个难以解决的问题，是当今许多城市pm2.5超标的主要来源。然而，由于汽车是人们正常生活工作中不可或缺的一部分，使得汽车产业面临能源消耗过大、电池转换效率较低、尾气排放超标破坏环境等问题。由于新能源汽车能够更加高效地使用能源，同时污染物排放远远低于燃油汽车，尤其是纯电动汽车，完全可以实现零排放，因此发展新能源汽车成为各国政府非常青睐的选择，各国政府纷纷出台各种鼓励政策大力推动新能源汽车的发展。由于电能作为二次能源，不受石油资源的限制，除了煤炭之外，核能、风能、水力、太阳能、潮汐、地热都可以用来转化为电能，因此新能源汽车将是人类未来一段时期内最优的选择。

作为新能源汽车的必备部件，车载充电机是指固定安装在电动汽车上的充电机，具有为电动汽车动力电池安全自动充电的能力。充电机根据电池管理系统(bms)提供的数据，能动态调节充电电流或电压参数，执行相应的指令，完成充电过程。

由于体量巨大的新能源汽车市场保有量，将新能源汽车作为一种储能装置，对平抑峰谷用电将会有很大的帮助，这就需要在传统的车载充电机单向充电功能上增加对电网放电的功能，实现动力电池的双向充放电。此外，为满足用户对新能源汽车多样化的需求，要求新能源车还能够为负载(例如，炊具、照明和其它用户的新能源车等)供电。

车载充电机作为一种电能变换器，把交流市电转换成一定电压范围的直流电，对动力电池(例如，锂电池或铅酸电池等)充电。随着用户对新能源汽车的巡航里程要求不断提高，为了满足用户不受限制的出行意愿，新能源汽车厂商不断地推出更高巡航里程的车型。通常，要提高新能源汽车的巡航里程，需要增加车载动力电池的容量。然而，更高的电池容量会带来了另外一个亟需解决的问题：充电速度。传统的车载充电机充电功率通常在6.6kw及以下，对高巡航里程的新能源汽车来说，一次充满动力电池至少需要10个小时以上，充电时间太长。

由此，开发一款更高功率、体积较小、能够兼容电网、可充电也可放电的车载充电机，对提高新能源汽车的充电速度和储能功能扩展具有很大的帮助。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种集成电机驱动和电池充放电的功率转换系统，用以解决现有技术中，新能源汽车上的车载充电机与电机驱动器相互独立设置，导致车载充电机体积较大、接线较多、空间利用率低且充电功能单一的技术问题，该方法包括：交流接口、直流接口、ac/dc变换器、电机驱动器、电机和电池；其中，电机驱动器和电机组成dc/dc变换器；dc/dc变换器的第一直流端与ac/dc变换器的直流端连接；dc/dc变换器的第二直流端与电池连接；直流接口与dc/dc变换器的第一直流端连接，用于外接直流电源或直流负载；交流接口与ac/dc变换器的交流端连接，用于外接交流电网或交流负载。

本发明实施例中，通过复用电机驱动器和电机，利用电机驱动器和电机组成dc/dc变换器，增加ac/dc变换器，实现电池的充放电；而当电机需要驱动时，由电池提供能量，由电机驱动器驱动电机运行。

当交流电网的交流电通过交流接口接入到ac/dc变换器的交流端后，ac/dc变换器将交流电网的交流电转换为直流电，再通过dc/dc变换器将ac/dc变换器直流端输出的直流电转换为满足电池电压的直流电，从而实现电池的交流充电；当直流电源的直流电通过直流接口接入到dc/dc变换器后，dc/dc变换器将直流电源的直流电转换为满足电池电压的直流电，从而实现电池的直流充电。

反之，由电池输出的直流电通过dc/dc变换器转换为满足ac/dc变换器直流端电压的直流电，再通过ac/dc变换器将直流电转换为交流电，输出给交流负载或交流电网，从而实现电池的交流放电；由电池输出的直流电通过dc/dc变换器转换为满足外接直流负载电压的直流电，从而实现电池的直流放电。

由于本发明实施例电池充放电的dc/dc变换器是通过复用电机驱动器和电机实现的，通过本发明实施例能够大大降低充电机的体积、成本和重量，且本发明实施例提供的集成电机驱动和电池充放电的功率转换系统，能够实现交流充放电、直流充放电等多种充放电模式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例中提供的一种集成电机驱动和电池充放电的功率转换系统示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种ac/dc变换器复用电机驱动器两个桥臂的功率转换电路示意图；

图3为本发明实施例中提供的一种ac/dc变换器复用电机驱动器一个桥臂的功率转换电路示意图；

图4为本发明实施例中提供的一种ac/dc变换器没有复用电机驱动器的功率转换电路示意图；

图5为本发明实施例中提供的一种增加了直流充放电电路且ac/dc变换器复用电机驱动器两个桥臂的功率转换电路示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

由本申请背景技术部分公开的内容可知，现有的车载充电机为一个独立部件，由ac/dc变换器和dc/dc变换器组成，当车辆充电时，充电机将交流市电通过ac/dc变换器转换成非隔离的直流电，然后再通过dc/dc变换器转换成具有电隔离的直流电对电池充电。当车辆行驶时，电机驱动器将电池的直流电转换成交流电驱动电机转动。由于现有的车载充电机由单相电网供电，只能单向对电池充电，功率通常为几千瓦等。随着充电功率的提高，充电机的体积、重量和成本都会相应增加。

发明人经研究发现，由于充电机电路拓扑中均会包含ac/dc变换器和dc/dc变换器，且新能源汽车都包含有电机驱动器和电机，而电机驱动器的功率通常都比较大(通常都在50kw以上)，且新能源车在充电时是停止状态，电机驱动器处于停机状态，因此，可以考虑将电机驱动器和充电机进行集成，复用电机驱动器和电机作为充电机的一部分电路，以减少接线、降低充电机体积和成本。

由此，本发明实施例提出了一种集成电机驱动和电池充放电的功率转换系统，通过复用电机驱动器和电机，在实现大功率充放电的同时，还具有体积小、成本低和集成度高等特点。

图1为本发明实施例中提供的一种集成电机驱动和电池充放电的功率转换系统示意图，如图1所示，该功率转换系统包括：交流接口101、直流接口106、ac/dc变换器102、电机驱动器103、电机104和电池105；

其中，电机驱动器103和电机104组成dc/dc变换器；dc/dc变换器的第一直流端与ac/dc变换器102的直流端连接；dc/dc变换器的第二直流端与电池105连接；直流接口106与dc/dc变换器的第一直流端连接，用于外接直流电源或直流负载；交流接口101与ac/dc变换器102的交流端连接，用于外接交流电网或交流负载。

需要说明的是，交流接口101在电池充放电时连接交流电网或交流负载，且交流接口101连接的交流电网可以是单相交流电网也可以是三相交流电网；交流接口101连接的交流负载可以是单相负载也可以三相负载。ac/dc变换器102在电池充电时作整流器运行，用于将交流电转换为直流电；在电池放电时作逆变器运行，将直流电逆变为交流电馈入电网或给交流负载供电。电机驱动器103和电机104复用为dc/dc变换器，用于在电池充电时将通过直流接口106接入的外部直流电源的直流电的电压，或ac/dc变换器102直流端输出的直流电的电压转换为电池105所需的电压；在电池放电时将电池105输出的直流电的电压转换为外部直流负载所需的电压或ac/dc变换器102直流端直流电的电压。

可见，本发明实施例提供的功率转换系统中，由电机驱动器103和电机104组成的dc/dc变换器为双向变换器，既能够实现电池充电，也能够实现电池放电。作为一种可选的实施方式，本发明实施例提供的功率转换系统中，由电机驱动器103和电机104组成的dc/dc变换器具有如下两种工作模式：buck降压模式和boost升压模式；其中，buck降压模式用于向电池充电；boost升压模式用于电池放电。

如图1所示，交流市电通过ac/dc变换器102转换成直流电，然后再通过由电机驱动器和电机组成的dc/dc变换器转换成电压可调的直流电对电池105充电；反之，由电机驱动器和电机组成的dc/dc变换器将电池105的直流电转换为前级ac/dc变换器102需要的直流电，然后通过ac/dc变换器102逆变成交流电馈入电网或给其它交流负载供电。外部直流电源例如，充电桩通过由电机驱动器和电机组成的dc/dc变换器转换为电压可调的直流电对电池105充电；反之，由电机驱动器和电机组成的dc/dc变换器将电池105的直流电转换为直流负载所需电压的直流电，从而实现电池的直流放电。

可选地，当外部直流电源本身可调节电压的情况下，可以旁路掉由电机驱动器和电机组成的dc/dc变换器，由外部直流电源直接对电池充电。因而，作为一种可选的实施方式，本发明实施例提供的功率转换系统还可以包括：旁路开关，用于旁路电机驱动器和电机组成的dc/dc变换器。

需要说明的是，本发明实施例提供的功率转换系统可以具有但不限于如下任意一种或多种工作模式：直流充电模式、直流放电模式、电机驱动模式、电机制动馈能模式、单相交流充电模式、单相交流放电模式、三相交流充电模式、三相交流放电模式；

其中，直流充电模式为直流电源向电池充电的模式；直流放电模式为电池向直流负载供电的模式；电机驱动模式为电池向电机驱动器供电的模式；电机制动馈能模式为电机制动向电池回馈电能的模式；单相交流充电模式为单相交流电网向电池充电的模式；单相交流放电模式为电池向单相交流电网回馈电能的模式；三相交流充电模式为三相交流电网向电池充电的模式；三相交流放电模式为电池向三相交流电网回馈电能的模式。

由上可知，本发明实施例通过复用电机驱动器和电机，利用电机驱动器和电机组成dc/dc变换器，结合增加的ac/dc变换器，来实现电池的充放电；当电机需要驱动时，由电池提供能量，由电机驱动器驱动电机运行。由于本发明实施例中实现电池充放电的dc/dc变换器是通过复用的电机驱动器和电机实现的，能够大大降低充电机的体积、成本和重量，且本发明实施例提供的集成电机驱动和电池充放电的功率转换系统，能够实现交流充放电、直流充放电等多种充放电模式。

需要注意的是，本发明实施例提供的集成电机驱动和电池充放电的功率转换系统，在设计具体的功率转换电路时，交流接口可以包括：交流开关和交流滤波电容；交流开关用于接入单相或三相交流电网；交流滤波电容与交流开关连接，用于电网电压滤波；直流接口包括：直流电开关和直流滤波电容，直流电开关电路用于接入直流电源；直流滤波电容与直流电开关连接，用于平滑电压或抑制尖峰电压；电池包括：高压电池组和电池侧滤波电容，其中，高压电池组用于存储直流电；电池侧滤波电容用于平滑电压。而ac/dc变换器、电机驱动器和电机的设计方式包括但不限于如下三种：

第一种方式，电机驱动器包括：由六个开关管组成的三相逆变桥，三相逆变桥包括：第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；电机包括：第一绕组、第二绕组和第三绕组；ac/dc变换器包括：第一电感、第二电感、第三电感、由两个开关管组成的第四桥臂；第一电感与第四桥臂连接；第二电感、第一绕组经第一转换开关与第一桥臂连接；第三电感、第二绕组经第二转换开关与第二桥臂连接；第三绕组与第三桥臂连接。

第二种方式，电机驱动器包括：由六个开关管组成的三相逆变桥，三相逆变桥包括：第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；电机包括：第一绕组、第二绕组和第三绕组；ac/dc变换器包括：第一电感、第二电感、第三电感、由四个开关管组成的第四桥臂和第五桥臂；第一电感与第四桥臂连接；第二电感与第五桥臂连接；第一绕组与第一桥臂连接；第三电感、第二绕组经第二转换开关与第二桥臂连接；第三绕组与第三桥臂连接。

第三种方式，电机驱动器包括：由六个开关管组成的三相逆变桥，三相逆变桥包括：第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；电机包括：第一绕组、第二绕组和第三绕组；ac/dc变换器包括：第一电感、第二电感、第三电感、由六个开关管组成的第四桥臂、第五桥臂和第六桥臂；第一电感与第四桥臂连接；第二电感与第五桥臂连接；第三电感与第六桥臂连接；第一绕组与第一桥臂连接；第二绕组经第二转换开关与第二桥臂连接；第三绕组与第三桥臂连接。

图2为本发明实施例中提供的一种ac/dc变换器复用电机驱动器两个桥臂的功率转换电路示意图；图3为本发明实施例中提供的一种ac/dc变换器复用电机驱动器一个桥臂的功率转换电路示意图；图4为本发明实施例中提供的一种ac/dc变换器没有复用电机驱动器的功率转换电路示意图；图5为本发明实施例中提供的一种增加了直流充放电电路且ac/dc变换器复用电机驱动器两个桥臂的功率转换电路示意图。

需要说明的是，图2、图3和图4所示的功率转换电路中，图标201所示为交流开关矩阵，用于控制和配置单相和三相交流电源；图标202所示为交流侧滤波电容，用于电网电压滤波；图标203所示为电感，与图标204所示的整流桥或逆变桥(由功率半导体器件组成)、图标205所示的切换开关(用于切换电机驱动模式和电池充放电模式)、图标207所示的的部分器件组成ac/dc变换器；图标205所示的切换开关可以由继电器、接触器或功率半导体器件组成，当开关s4接通3-2端，开关s5接通3-2端时，配置为交流充放电模式；而当开关s4接通1-2端，s5接通1-2端，配置为电机驱动模式；图标206所示直流母线滤波电容，用于平滑电压或抑制尖峰电压；图标207所示电机驱动器的三相逆变桥，由功率半导体器件组成；图标208所示为车载牵引电机；当开关s6接通3-2端时，可旁路掉由图标207所示的部分器件和图标208所示电机绕组组成的dc/dc变换器，当开关s6接通1-2端时，接入dc/dc变换器；图标210所示为电池侧滤波电容，用于平滑电压；图标211所示为高压电池组，用于存储直流电。其中，l1～l6、q1～q4及q7～q12等器件的顺序可以根据图2、图3和图4所示的原理自由组合，不局限于图2、图3和图4所示的任意一种。

可选地，开关s4、开关s5和开关s6可以任何具有开关功能的器件组合而成。

图5所示的功率转换电路中，图标301所示的开关s3a为直流充放电电路的切换开关，可由继电器，接触器或功率半导体器件等开关组成，且开关s3a置于正负线上均可。

下面以图2和图5为例来对本发明实施例提供的功率转换系统的各种工作模式进行详细说明。

①电机驱动模式：开关s1a和开关s2a断开，开关s4接通1-2端，开关s5接通1-2端，开关s6接通3-2端。此时开关管q7、开关管q8、开关管q9、开关管q10、开关管q11、开关管q12组成三相逆变桥，连接电机绕组l4、绕组l5、绕组l6，由电池提供能量，电机驱动器驱动电机运行。

②电机制动馈能模式：开关s1a、开关s2a断开，开关s4接通1-2端，开关s5接通1-2端，开关s6接通3-2端。电机作发电机运行，电机绕组l4、绕组l5、绕组l6上产生的电能经开关管q7、开关管q8、开关管q9、开关管q10、开关管q11、开关管q12组成的三相逆变桥整流成直流电回馈到电池中。

③单相交流充放电模式：开关s1a接通，开关s2a或开关s2a中相应的开关接通，开关s4接通3-2端(取决于配置哪两路作为pwm整流桥)，开关s5任意配置，开关s6可根据整电网电压峰值和电池电压选择接通3-2端或1-2端。

作为一种可选的实施方式，当电池电压较高时(电池电压大于交流电网电压峰值一定值时)，开关s6可以选择接通3-2端，此时，能够旁路掉由逆变器和电机组成的dc/dc变换器，只由电感l1、电感l2、开关管q1、开关管q2、开关管q7、开关管q8组成的单级pwm整流对电池进行充电，使整个系统以更高的效率运行；当电池电压较低时(电池电压小于交流电网电压峰值一定值时)，开关s6选择接通1-2端，此时，接入由逆变器和电机组成的dc/dc变换器(图2中开关管q11、开关管q12、绕组l6、绕组l5组成buck降压电路)，系统以两级电路运行，以适当的电压向电池充电。

需要注意的是，任何时候，无论电网峰值电压高低，均可以控制由逆变器和电机组成的dc/dc变换器工作于buck降压模式，对电池进行充电。反之，可以实现单相交流放电，馈入电网或对交流负载供电。

④三相交流充放电模式：开关s1a断开，开关s2a接通，开关s4接通3-2端，开关s5接通3-2端，开关s6可根据整电网电压峰值和电池电压选择接通3-2端或1-2端。

作为一种可选的实施方式，当电池电压较高时(电池电压大于交流电网电压峰值一定值时)，开关s6可以选择接通3-2端，此时，能够旁路掉由逆变器和电机组成的dc/dc变换器，只由电感l1、电感l2、电感l3和开关管q1、开关管q2、开关管q7、开关管q8、开关管q9、开关管q10组成的单级三相pwm整流对电池进行充电，使整个系统以更高的效率运行；当电池电压较低时(电池电压小于交流电网电压峰值一定值时)，开关s6选择接通1-2端，此时，接入由逆变器和电机组成的dc/dc变换器(图2中开关管q11、开关管q12、绕组l6、绕组l5组成buck降压电路，其中，绕组l5也可以由绕组l4代替)，系统以两级电路运行，以适当的电压向电池充电。

需要注意的是，任何时候，无论电网峰值电压高低，均可以控制由逆变器和电机组成的dc/dc变换器工作于buck降压模式，对电池进行充电。反之，可以实现三相交流放电，馈入电网或对交流负载供电。

⑤直流充放电模式：如图5所示，开关s1a，开关s2a断开，开关s3a接通，开关s4和开关s5任意配置，开关s6可根据外部输入直流电压和电池电压选择接通3-2端或1-2端。

作为一种可选的实施方式，当电池电压在直流电源供电电压范围内时，开关s6选择接通3-2端，此时，能够旁路掉由逆变器和电机组成的dc/dc变换器，直接对电池进行充电，使整个系统以更高的效率运行；当电池电压低于直流电源供电电压范围内时，开关s6选择接通1-2端，此时，接入由逆变器和电机组成的dc/dc变换器(图2中开关管q11、开关管q12、绕组l6、绕组l5组成buck降压电路)，以适当的电压向电池充电。反之，可以实现直流放电，对直流负载包括新能源汽车供电。

需要注意的是，图3所示的功率转换电路中，前级ac/dc变换器只复用电机驱动电路的一个桥臂(即由开关管q9和开关管q10组成的桥臂)，通过切换开关s5即可进行不同工作模式的切换。图3所示的功率转换电路可以工作在前述所有工作模式，并且可以增加如图5所示的直流充放电电路。图4所示的功率转换电路中，前级ac/dc变换器没有复用电机驱动电路，无需通过切换开关s5进行不同工作模式的切换。图4所示的功率转换电路也可以工作在前述所有工作模式，并且可以增加如图5所示的直流充放电电路。

本发明实施例提供的集成电机驱动和电池充放电的功率转换系统，在设计具体的功率转换电路的时候，可以通过不同的开关切换和控制方法进行任意组合来实现但不局限于上述各种工作模式，实际应用时可根据负载情况和设计需求做出更多变换。

综上所述，本发明实施例通过复用电机驱动器和电机，作为充电机的dc/dc变换器，结合增加的ac/dc电路，以及一些接触器或继电器等开关、功率半导体器件、功率电感等，提供了一种更少器件、更小体积、重量及成本，且具有多种充放电功能的功率转换系统，可以实现但不限于如下技术效果：①将充电机与电驱系统集成，能够降低充电机的体积、成本和重量，功率密度更高；②提供多种工作模式，包括但不限于单相交流充放电、三相交流充放电、直流充放电、电机驱动等工作模式；③能够兼容单相交流电网和三相交流电网对电池进行充电，电网适应能力更强；具体地，通过控制输入侧交流开关，从而可以改变交流的连接方式，可以方便实现单相电网和三相电网的兼容使用，通用性更强。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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