一种电动汽车车载充放电系统

1.本发明属于新能源电控技术领域，具体涉及一种电动汽车车载充放电系统。


背景技术：

2.随着新能源汽车的迅速发展，为实现碳达峰、碳中和目标贡献汽车力量，电动汽车和插电混动汽车将成为满足未来排放法规的主流车型，然而电动汽车“里程焦虑”的特点仍是亟待解决的一大痛点；究其根本是充电设施的建设规模远远小于加油站，并且电动汽车充电设备的成本和性能也是阻碍电动汽车发展的一大因素，故研究电动汽车车载充放电系统并实施应用迫在眉睫。现有电动汽车的充电系统和电驱动系统是两套完全独立的系统，各自工作在不同工况，导致大幅占用电动汽车的空间，且两套系统使用的电力电子器件高度相似，电动汽车内部充电系统和驱动系统元器件重复率高却又工作在不同工况导致功率器件利用率低；若将两套系统通过电力电子器件复用的思路以特殊结构变换集成为一套既能实现驱动又能实现充放电的系统，将大幅度节约车内可用体积，减少成本，有巨大前景的发展方向。
3.现有技术中，采用双电机驱动集成为车载充放电机的各个发明中，其在充放电时大都需要两个电机同时参与重构为充放电机，增加了电机及其控制电路中功率器件和开关管的损耗。为此，需要一种在满足既能实现驱动又能实现充放电需求的同时能实现功率器件合理分时复用的充电系统。


技术实现要素：

4.有鉴于此，为解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种电动汽车车载充放电系统，可应用于双电机驱动或更多电机驱动的电动汽车，将车载充电器与电驱动系统通过一些辅助电路集成在一起，实现了功率器件的分时复用，可以有效减轻汽车重量，节省汽车内部空间，降低成本；且该结构还可实现双向充电，可以有效地进行车网互动，对电网端可进行削峰填谷，频率调节，对用户端可通过低价充电、高价放电赚取差价。
5.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种电动汽车车载充放电系统，包括第一控制电路、第二控制电路、辅助电路、蓄电池和复用控制单元；所述复用控制单元控制该车载充放电系统实现工作模式转换，所述工作模式包括驱动和制动回收模式、单相充电/并网模式、三相充电/并网模式；车载充放电系统处于驱动和制动回收模式下，第一控制电路、第二控制电路独立工作于驱动或制动回收模式；车载充放电系统处于单相充电/并网模式下，第一控制电路通过辅助电路重构为汽车车载充放电机；车载充放电系统处于三相充电/并网模式下，第一控制电路、第二控制电路通过辅助电路重构为汽车车载充放电机；所述辅助电路包括n：1变压器以及开关管t13、t14，第一控制电路包括电机m1及开关管t1、t2、t3、t4、t5、t6，第二控制电路包括电机m2、开关管t7、t8、t9、t10、t11、t12、t13、
t14，所述复用控制单元包括开关s1、s2、s3-s15；电机m1通过机械开关调控定子绕组的开断。
6.优选的，单相充电/并网模式下，通过机械开关使电机m1的定子绕组开路，开路后电机m1内部定子线圈作为3个滤波电感，其中定子线圈l1、l2用于单相电网与整流/逆变器之间的缓冲电感，定子绕组l3用于整流/逆变器与电池之间的dc/dc变换器的电感，开关管t1-t4构成的整流器，开关管t5、t6与定子绕组l3组成的dc/dc变换器。
7.优选的，三相充电/并网模式下，通过机械开关使电机m1的定子绕组开路，开路后电机m1内部定子线圈作为3个滤波电感，定子线圈l1、l2、l3一端连接三相电网，另一端连接开关管t1-t6构成的三相整流/逆变器，用于三相电网与三相整流/逆变器之间的缓冲电感，从而将三相交流电转化为直流电；n：1变压器与开关管t7-t14重构而成dc/dc变换器。
8.优选的，当电动汽车处于行驶状态时，电机m1、m2处于驱动或制动回收模式，此时电机m1的绕组闭合，电机m1处于正常工作状态，第二控制电路在电动汽车驱动模式时连接电机m2进行驱动控制；当电动汽车处于充电或并网状态时，机械开关控制电机m1使定子绕组开路，此时电机m1不工作，电机m1绕组仅作为滤波电感用于单相或三相充电或并网，开关管t1、t2、t3、t4、t5、t6用于电动汽车的充电/并网电路；在单相充电并网模式时，第二控制电路不工作；在三相充电/并网模式时，第二控制电路通过增加辅助电路用于三相充电/并网系统的dc/dc变换模块。
9.优选的，复用控制单元切换系统工作模式按以下步骤：a、驱动和制动回收模式：电机m1绕组闭合，开关s5、s6、s7、s8、s14、s15闭合，s9、s10、s11、s12、s13断开，开关管t13、t14被屏蔽；b、单相充电/并网模式：电机m1绕组断开，开关s1、s2，s4闭合，s3、s5、s6、s7、s8、s9、s10、s11、s12、s13、s14、s15断开；在充电时，电网交流电通过定子绕组l1、l2流经由开关管t1-t4构成的整流器，从而将交流电转化为直流电，再经t5、t6与定子绕组l3组成的dc/dc变换器将电能传递给电动汽车蓄电池，并网时能量流动与充电时相反；c、三相充电/并网模式：电机m1绕组断开，开关s1、s2、s3、s5、s6、s9、s10、s11、s12、s13、s14闭合，s4、s7、s8、s15断开；在充电时，三相电网交流电通过定子绕组l1、l2、l3流经由t1-t6构成的三相整流器，从而将三相交流电转化为直流电，再经由n：1变压器与开关管t7-t14重构而成的dc/dc变换器将高压直流电进行电压调节后输送给蓄电池进行充电；并网时能量流动与充电时相反。
10.本发明的有益效果是：本发明提出的一种电动汽车车载充电系统将双电机电动汽车电驱动系统与汽车充电系统通过辅助电路集成在一起构成分时复用一体化系统，并且实现了能量的双向流动，可进行汽车和电网间的互动，对电网端可进行削峰填谷，频率调节，满足电动汽车对系统重量，空间和成本限制的要求；在单相充电时只需一个电机参与重构充放电机，在三相充电时才用到第二个电
机，实现了功率器件的合理分时复用；两套系统共用同一套变换器，实现了功率器件的分时复用，节约了电动汽车有限的空间体积、减轻了汽车重量，更显著降低了整车成本，该一体化系统在充电模式时可实现单相或三相充电/并网，在驱动模式时可以单独控制两个电机转动。
附图说明
11.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。
12.图1是本发明电动汽车车载充电系统系统框图；图2是本发明系统工作于驱动和制动回收模式时结构和能量流动示意图；图3是本发明系统工作于单相充电/并网模式时的结构和能量流动示意图；图4是本发明系统工作于三相充电/并网模式时的结构和能量流动示意图。
具体实施方式
13.下面给出具体实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整、详细地说明。本实施例是以本发明技术方案为前提的最佳实施例，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
14.本发明所述的一种电动汽车车载充电系统参照图1所示，适用于双电机驱动或更多电机驱动的电动汽车。该系统主要分为四个部分：第一个部分是第一控制电路，包括电机m1及其作为电机m1控制电路的开关管t1、t2、t3、t4、t5、t6；第二个部分是第二控制电路，包括电机m2及其作为电机m2控制电路的开关管t7、t8、t9、t10、t11、t12；第三个部分是由n:1变压器以及t13、t14两个开关管组成的辅助电路；第四个部分是电动汽车蓄电池及复用控制单元。
15.通过以上四个部分将电动汽车车载充放电机与电驱动系统集成在一起，实现了功率器件的分时复用，可以有效减轻汽车重量，节省汽车内部空间，降低成本。
16.所述复用控制单元控制该车载充放电系统实现工作模式转换，所述工作模式包括驱动和制动回收模式、单相充电/并网模式、三相充电/并网模式。车载充放电系统处于驱动和制动回收模式下，第一控制电路、第二控制电路独立工作于驱动或制动回收模式；车载充放电系统处于单相充电/并网模式下，第一控制电路通过辅助电路重构为汽车车载充放电机；车载充放电系统处于三相充电/并网模式下，第一控制电路、第二控制电路通过辅助电路重构为汽车车载充放电机。
17.优选的，复用控制单元包括开关s1-s15，控制着上述不同模式的切换，电机m1通过机械开关调控定子绕组的开断：当电动汽车处于行驶状态时，电机处于驱动或制动回收模式，此时电机m1的绕组闭合，电机处于正常工作状态；
当电动汽车处于充电或并网状态时，机械开关控制电机m1使定子绕组开路，此时电机m1不工作，电机m1绕组仅作为滤波电感用于单相或三相充电/并网，电机m1的控制电路用于电动汽车的充电/并网电路；电机m2的控制电路在电动汽车驱动模式时连接电机进行驱动控制，在三相充电/并网模式时，电机m2的控制电路通过增加辅助电路用于三相充电/并网系统的dc/dc变换模块，在单相充电并网模式时，电机m2及其控制电路不工作。通过以上功率器件的分时复用以及添加辅助电路实现电动汽车充电与驱动系统的一体化集成，从而可以有效减轻汽车重量，节省汽车内部空间，降低成本。
18.优选的，利用复用控制单元切换以下几种汽车工作模式：1、驱动和制动回收模式。电机m1绕组闭合，开关s5、s6、s7、s8、s14、s15闭合，s9、s10、s11、s12、s13断开，系统等效结构和能量流动示意图如图2所示。此时开关管t13、t14被屏蔽；当系统处于驱动动模式时，能量由高压电池通过两个电机各自相对应的三相逆变驱动器分别驱动两负载电机运行，此时汽车为行驶状态。当系统处于制动能量回收模式时，电动汽车制动时的能量通过电机经三相逆变器给汽车动力电池充电，此时通过制动回收来减少因刹车带来的能量损失。
19.2、单相充电/并网模式。电机m1绕组断开，开关s1、s2，s4闭合，s3、s5、s6、s7、s8、s9、s10、s11、s12、s13、s14、s15断开，系统等效结构和能量流动示意图如图3所示。系统处于此模式时，电机m2及其控制电路不需要参与到充电/并网环节，只需电机m1及其控制电路参与重构为单相充电/并网电路。此时通过机械开关使电机m1的定子绕组开路，开路后电机m1内部定子线圈可作为3个滤波电感，其中定子线圈l1、l2用于单相电网与整流/逆变器之间的缓冲电感，定子绕组l3用于整流/逆变器与电池之间的dc/dc变换器的电感。在充电时，电网交流电通过定子绕组l1、l2流经由开关管t1-t4构成的整流器，从而将交流电转化为直流电，再经t5、t6与定子绕组l3组成的dc/dc变换器将电能传递给电动汽车蓄电池。并网时能量流动与充电时相反。
20.3、三相充电/并网模式。电机m1绕组断开，开关s1、s2、s3、s5、s6、s9、s10、s11、s12、s13、s14闭合，s4、s7、s8、s15断开，系统等效结构和能量流动示意图如图4所示。系统处于此模式时，电机m1及其控制电路与电机m2及其控制电路与辅助电路同时参与重构为三相充电/并网电路。此时通过机械开关使电机m1的定子绕组开路，开路后电机m1内部定子绕组可作为3个滤波电感，定子线圈l1、l2、l3一端连接三相电网，另一端连接t1-t6构成的三相整流/逆变器。此时n：1变压器通过开关s10-s13接入电路，与开关管t7-t14重构为dc/dc变换器。在充电时，三相电网交流电通过定子绕组l1、l2、l3流经由t1-t6构成的三相整流器，从而将三相交流电转化为直流电，再经由n：1变压器与开关管t7-t14重构而成的dc/dc变换器将高压直流电进行电压调节后输送给蓄电池进行充电。并网时能量流动与充电时相反。
21.综上所述，本发明的一种电动汽车车载充放电系统，将双电机电动汽车电驱动系统与汽车充电系统通过辅助电路集成在一起构成分时复用一体化系统，并且实现了能量的双向流动，可进行汽车和电网间的互动；两套系统共用同一套变换器，节约了电动汽车有限的空间体积、减轻了汽车重量，更显著降低了整车成本。
22.以上显示和描述了本发明的主要特征、基本原理以及本发明的优点。本行业技术
人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种电动汽车车载充放电系统，包括第一控制电路、第二控制电路、辅助电路、蓄电池和复用控制单元，其特征在于：所述复用控制单元控制该车载充放电系统实现工作模式转换，所述工作模式包括驱动和制动回收模式、单相充电/并网模式、三相充电/并网模式；车载充放电系统处于驱动和制动回收模式下，第一控制电路、第二控制电路独立工作于驱动或制动回收模式；车载充放电系统处于单相充电/并网模式下，第一控制电路通过辅助电路重构为汽车车载充放电机；车载充放电系统处于三相充电/并网模式下，第一控制电路、第二控制电路通过辅助电路重构为汽车车载充放电机；所述辅助电路包括n：1变压器以及开关管t13、t14，第一控制电路包括电机m1及开关管t1、t2、t3、t4、t5、t6，第二控制电路包括电机m2、开关管t7、t8、t9、t10、t11、t12、t13、t14，所述复用控制单元包括开关s1、s2、s3-s15；电机m1通过机械开关调控定子绕组的开断。2.根据权利要求1所述的一种电动汽车车载充放电系统，其特征在于：单相充电/并网模式下，通过机械开关使电机m1的定子绕组开路，开路后电机m1内部定子线圈作为3个滤波电感，其中定子线圈l1、l2用于单相电网与整流/逆变器之间的缓冲电感，定子绕组l3用于整流/逆变器与电池之间的dc/dc变换器的电感，开关管t1-t4构成的整流器，开关管t5、t6与定子绕组l3组成的dc/dc变换器。3.根据权利要求1所述的一种电动汽车车载充放电系统，其特征在于：三相充电/并网模式下，通过机械开关使电机m1的定子绕组开路，开路后电机m1内部定子线圈作为3个滤波电感，定子线圈l1、l2、l3一端连接三相电网，另一端连接开关管t1-t6构成的三相整流/逆变器，用于三相电网与三相整流/逆变器之间的缓冲电感，从而将三相交流电转化为直流电；n：1变压器与开关管t7-t14重构而成dc/dc变换器。4.根据权利要求1所述的一种电动汽车车载充放电系统，其特征在于：当电动汽车处于行驶状态时，电机m1、m2处于驱动或制动回收模式，此时电机m1的绕组闭合，电机m1处于正常工作状态，第二控制电路在电动汽车驱动模式时连接电机m2进行驱动控制；当电动汽车处于充电或并网状态时，机械开关控制电机m1使定子绕组开路，此时电机m1不工作，电机m1绕组仅作为滤波电感用于单相或三相充电或并网，开关管t1、t2、t3、t4、t5、t6用于电动汽车的充电/并网电路；在单相充电并网模式时，第二控制电路不工作；在三相充电/并网模式时，第二控制电路通过增加辅助电路用于三相充电/并网系统的dc/dc变换模块。5.根据权利要求1-4任一项所述的一种电动汽车车载充放电系统，其特征在于：复用控制单元切换系统工作模式按以下步骤：a、驱动和制动回收模式：电机m1绕组闭合，开关s5、s6、s7、s8、s14、s15闭合，s9、s10、s11、s12、s13断开，开关管t13、t14被屏蔽；b、单相充电/并网模式：电机m1绕组断开，开关s1、s2，s4闭合，s3、s5、s6、s7、s8、s9、s10、s11、s12、s13、s14、s15断开；在充电时，电网交流电通过定子绕组l1、l2流经由开关管t1-t4构成的整流器，从而将交流电转化为直流电，再经t5、t6与定子绕组l3组成的dc/dc变换器将电能传递给电动汽车
蓄电池；并网时能量流动与充电时相反；c、三相充电/并网模式：电机m1绕组断开，开关s1、s2、s3、s5、s6、s9、s10、s11、s12、s13、s14闭合，s4、s7、s8、s15断开；在充电时，三相电网交流电通过定子绕组l1、l2、l3流经由t1-t6构成的三相整流器，从而将三相交流电转化为直流电，再经由n：1变压器与开关管t7-t14重构而成的dc/dc变换器将高压直流电进行电压调节后输送给蓄电池进行充电；并网时能量流动与充电时相反。

技术总结
本发明提供一种电动汽车车载充放电系统，包括第一控制电路、第二控制电路、辅助电路、蓄电池和复用控制单元；通过机械开关控制电机M1的定子绕组，复用控制单元控制该车载充放电系统实现工作模式转换，工作模式包括驱动和制动回收模式、单相充电/并网模式、三相充电/并网模式。本发明将双电机电动汽车电驱动系统与汽车充电系统通过辅助电路集成在一起构成分时复用一体化系统，实现了功率器件的分时复用，节约了电动汽车有限的空间体积、减轻了汽车重量，更显著降低了整车成本，该一体化系统在充电模式时可实现单相或三相充电/并网，在驱动模式时可以单独控制两个电机转动。模式时可以单独控制两个电机转动。模式时可以单独控制两个电机转动。


技术研发人员：高春艳 付德乐 梁坤峰 刘洪波 洪连杰 郭辉 任岘乐
受保护的技术使用者：河南科技大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/10/6