CN102848931A - 一种电动汽车能量源***结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车能量源***结构，涉及电力电子功率变换技术领域，包括：电机控制器，电机控制器控制三相逆变器的输出电压、频率和幅值，三相逆变器控制三相交流电动机，三相交流电动机驱动电动汽车车轮；电机控制器控制电动汽车控制单元，电动汽车控制单元通过蓄电池管理单元和能量双向流动控制器控制n个36伏蓄电池的能量流动，每个所述36伏蓄电池连接复合双向三电平直流变换器的低压直流侧；所述复合双向三电平直流变换器的高压侧输出425伏高压直流母线电压至所述三相逆变器。本发明避免了配备复杂的充放电均衡设备、***异常和瘫痪，提高了安全性。

Description

一种电动汽车能量源***结构
技术领域
本发明涉及电力电子功率变换技术领域，特别涉及一种电动汽车能量源***结构。
背景技术
在石油资源日益紧张和绿色环保不断重视的双重约束下，电动汽车取代传统的燃油汽车已经是一个不可阻挡的趋势。以蓄电池、燃料电池和超级电容作为电动汽车能量源，以交流电动机作为驱动部件的基本架构业已成熟。而能量源的有限直流电能如何安全、高效地转换成电动汽车的驱动力，是电动汽车领域的研究热点和难点。
驱动电动汽车的电动机额定电压为几百伏，将低压蓄电池串联可以获得较高的直流母线电压，但同时客观地存在以下几个问题：（1）蓄电池的串联，容易引起某些串联单元的过充和过放问题，需要额外配备复杂的充放电均衡设备；（2）任何一个串联单元的异常，将导致整个能量源***异常甚至瘫痪；（3）串联蓄电池组相当于一个高压直流电源，即使在电动汽车发生交通事故情况下仍可能处于高电压状态，这极易对已发生事故的乘客造成触电的二次危害。因此，从电动汽车的经济性、可靠性和安全性问题出发，利用电力电子变换技术来改进现有的电动汽车能量源***，具有重要的经济价值和社会价值。
发明内容
为了避免配备复杂的充放电均衡设备、***异常和瘫痪，提高安全性，本发明提出了一种电动汽车能量源***结构，详见下文描述：
一种电动汽车能量源***结构，包括：电机控制器，所述电机控制器控制三相逆变器的输出电压、频率和幅值，所述三相逆变器控制三相交流电动机，所述三相交流电动机驱动电动汽车车轮；所述电机控制器控制电动汽车控制单元，所述电动汽车控制单元通过蓄电池管理单元和能量双向流动控制器控制n个36伏蓄电池的能量流动，每个所述36伏蓄电池连接复合双向三电平直流变换器的低压直流侧；所述复合双向三电平直流变换器的高压侧输出425伏高压直流母线电压至所述三相逆变器；其中，
所述复合双向三电平直流变换器包括：低压直流侧滤波电容、高压直流侧第一滤波电容、高压直流侧第二滤波电容、第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管、第四续流二极管、第五续流二极管、第六续流二极管、第七续流二极管、第八续流二极管、第一箝位二极管、第二箝位二极管、第三箝位二极管、第四箝位二极管、第一可控功率开关、第二可控功率开关、第三可控功率开关、第四可控功率开关、第五可控功率开关、第六可控功率开关、第七可控功率开关、第八可控功率开关、高压直流侧母线电压、低压直流侧母线电压和储能电感，
所述三电平双向直流变换器由2个半桥构成，所述低压直流侧母线电压的正极性端分别与所述储能电感的一端和所述低压直流侧滤波电容的一端相连，所述低压直流侧母线电压的负极性端分别与所述低压直流侧滤波电容的另一端和右半桥的中点相连；所述储能电感的另一端连接左半桥的中点，所述左半桥的中点分别与所述第二续流二极管的阳极、所述第二可控功率开关的发射极、所述第三可控功率开关的集电极和所述第三续流二极管的阴极相连；所述第二续流二极管的阴极分别与所述第二可控功率开关的集电极、所述第一可控功率开关的发射极、所述第一续流二极管的阳极和所述第一箝位二极管的阴极相连；所述第一续流二极管的阴极分别与所述第一可控功率开关的集电极、所述第五可控功率开关的集电极、所述第五续流二极管的阴极、所述高压直流侧第一滤波电容的一端和所述高压直流侧母线电压的正极性端相连；所述第三续流二极管的阳极分别与所述第三可控功率开关的发射极、所述第四可控功率开关的集电极、所述第四续流二极管的阴极和所述第二箝位二极管的阳极相连；所述第二箝位二极管的阴极分别与所述第一箝位二极管的阳极、所述第三箝位二极管的阳极、所述第四箝位二极管的阴极、所述高压直流侧第一滤波电容的另一端和所述高压直流侧第二滤波电容的一端相连；所述第四续流二极管的阳极分别与所述第四可控功率开关的发射极、所述第八可控功率开关的发射极、所述第八续流二极管的阳极、所述高压直流侧第二滤波电容的另一端和所述高压直流侧母线电压的负极性端相连；所述第五续流二极管的阳极分别与所述第五可控功率开关的发射极、所述第三箝位二极管的阴极、所述第六可控功率开关的集电极和所述第六续流二极管的阴极相连；所述第四箝位二极管的阳极分别与所述第七可控功率开关的发射极、所述第八可控功率开关的集电极、所述第七续流二极管的阳极和所述第八续流二极管的阴极相连；所述第七续流二极管的阴极、所述第七可控功率开关的集电极、所述第六可控功率开关的发射极和所述第六续流二极管的阳极同时连接所述右半桥的中点。
所述第一可控功率开关、所述第二可控功率开关、所述第三可控功率开关、所述第四可控功率开关、所述第五可控功率开关、所述第六可控功率开关、所述第七可控功率开关和所述第八可控功率开关具体为：低耐压的可控功率开关。
本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明可以在电动汽车异常状态下柔性封锁复合双向三电平直流变换器的工作，消除高压直流母线在事故状态下的危害性，而各个低压蓄电池为安全电压，“落后”电池的出力影响程度要远远小于蓄电池组串联方式；本发明通过复合双向三电平直流变换器，将蓄电池组间的电压、电流解耦，单个蓄电池的输出电压、电流完全通过复合双向三电平直流变换器的缓冲而消除相互间的制约关系，可以最大程度地利用有限的能量源；本发明避免了配备复杂的充放电均衡设备、***异常和瘫痪，提高了安全性。
附图说明
图1是本发明提供的一种电动汽车能量源***结构的示意图；
图2是本发明提供的复合双向三电平直流变换器的电路示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
Uhigh：高压直流侧母线电压；       Ulow：低压直流侧母线电压；
Cf1：低压直流侧滤波电容；         Cf2：高压直流侧第一滤波电容；
Cf3：高压直流侧第二滤波电容；     S1：第一可控功率开关；
S2：第二可控功率开关；            S3：第三可控功率开关；
S4：第四可控功率开关；            S5：第五可控功率开关；
S6：第六可控功率开关；            S7：第七可控功率开关；
S8：第八可控功率开关；            Lf：储能电感；
Dc1：第一箝位二极管；             Dc2：第二箝位二极管；
Dc3：第三箝位二极管；             Dc4：第四箝位二极管；
D1：第一续流二极管；              D2：第二续流二极管；
D3：第三续流二极管；         D4：第四续流二极管；
D5：第五续流二极管；         D6：第六续流二极管；
D7：第七续流二极管；         D8：第八续流二极管。
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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
为了避免配备复杂的充放电均衡设备、***异常和瘫痪，提高安全性，本发明实施例提出了一种电动汽车能量源***结构，参见图1和图2，详见下文描述：
人体的安全电压为36V直流电压，同时为了能够获得与串联蓄电池组相同的能量源功率，需要将多个36V蓄电池“并联”。而蓄电池之间存在着差异性，蓄电池的直接并联会给蓄电池带来致命的影响；另外，低压蓄电池与所要求的高压直流母线电压间存在着电压等级匹配悬殊问题，并且电动汽车制动、下坡产生的能量需要回收。鉴于此，本发明实施例拟通过一种复合双向三电平直流变换器，将一组独立的低压蓄电池分别通过该种变换器“并联”到高压直流母线侧，进而构成电动汽车的低压电源-高压驱动的能量源***，这对于解决当前电动汽车的经济性、可靠性和安全性问题具有重要的意义。
一种电动汽车能量源***结构，包括：电机控制器，电机控制器控制三相逆变器的输出电压、频率和幅值，三相逆变器控制三相交流电动机，三相交流电动机驱动电动汽车车轮；电机控制器控制电动汽车控制单元，电动汽车控制单元通过蓄电池管理单元和能量双向流动控制器控制n个36伏蓄电池的能量流动；
每个36伏蓄电池连接复合双向三电平直流变换器的低压直流侧；复合双向三电平直流变换器的高压侧输出425伏高压直流母线电压至三相逆变器。
其中，复合双向三电平直流变换器，包括：低压直流侧滤波电容Cf1、高压直流侧第一滤波电容Cf2、高压直流侧第二滤波电容Cf3、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、第三续流二极管D3、第四续流二极管D4、第五续流二极管D5、第六续流二极管D6、第七续流二极管D7、第八续流二极管D8、第一箝位二极管Dc1、第二箝位二极管Dc2、第三箝位二极管Dc3、第四箝位二极管Dc4、第一可控功率开关S1、第二可控功率开关S2、第三可控功率开关S3、第四可控功率开关S4、第五可控功率开关S5、第六可控功率开关S6、第七可控功率开关S7、第八可控功率开关S8、高压直流侧母线电压Uhigh、低压直流侧母线电压Ulow和储能电感Lf，
复合双向三电平直流变换器由2个半桥构成，低压直流侧母线电压Ulow的正极性端分别与储能电感Lf的一端和低压直流侧滤波电容Cf1的一端相连，低压直流侧母线电压Ulow的负极性端分别与低压直流侧滤波电容Cf1的另一端和右半桥的中点b相连；储能电感Lf的另一端连接左半桥的中点a，左半桥的中点a分别与第二续流二极管D2的阳极、第二可控功率开关S2的发射极、第三可控功率开关S3的集电极和第三续流二极管D3的阴极相连；第二续流二极管D2的阴极分别与第二可控功率开关S2的集电极、第一可控功率开关S1的发射极、第一续流二极管D1的阳极和第一箝位二极管Dc1的阴极相连；第一续流二极管D1的阴极分别与第一可控功率开关S1的集电极、第五可控功率开关S5的集电极、第五续流二极管D5的阴极、高压直流侧第一滤波电容Cf2的一端和高压直流侧母线电压Uhigh的正极性端相连；第三续流二极管D3的阳极分别与第三可控功率开关S3的发射极、第四可控功率开关S4的集电极、第四续流二极管D4的阴极和第二箝位二极管Dc2的阳极相连；第二箝位二极管Dc2的阴极分别与第一箝位二极管Dc1的阳极、第三箝位二极管Dc3的阳极、第四箝位二极管Dc4的阴极、高压直流侧第一滤波电容Cf2的另一端和高压直流侧第二滤波电容Cf3的一端相连；第四续流二极管D4的阳极分别与第四可控功率开关S4的发射极、八可控功率开关S8的发射极、第八续流二极管D8的阳极、高压直流侧第二滤波电容Cf3的另一端和高压直流侧母线电压Uhigh的负极性端相连；第五续流二极管D5的阳极分别与第五可控功率开关S5的发射极、第三箝位二极管Dc3的阴极、第六可控功率开关S6的集电极和第六续流二极管D6的阴极相连；第四箝位二极管Dc4的阳极分别与第七可控功率开关S7的发射极、第八可控功率开关S8的集电极、第七续流二极管D7的阳极和第八续流二极管D8的阴极相连；第七续流二极管D7的阴极、第七可控功率开关S7的集电极、第六可控功率开关S6的发射极和第六续流二极管D6的阳极同时连接右半桥的中点b。
进一步地，为了降低可控功率开关的损耗，本发明实施例优选低耐压的可控功率开关。本发明实施例中的每个半桥由四个能量可双向流动的可控功率开关(反并联续流二极管)串联构成，每个半桥的中点为输入或输出端，每个功率器件的电压应力为高压直流侧电压的一半。
本发明实施例基于复合双向三电平直流变换器，将大功率低压(36V安全电压)蓄电池并联到高压(425V)直流母线端。因此，高低压之间的电压增益M＝425/36=11.8，复合双向三电平直流变换器可以实现非极端占空比的高电压增益运行，电压增益越高，功率开关的占空比越接近0.5，从而低压蓄电池和双向三电平直流变换器构成能量单元，如图1所示。
为了满足电动汽车所需功率的要求，将多个能量单元(1~n)并联到高压直流母线端。电动汽车控制单元通过蓄电池管理单元监控36伏蓄电池的工作状态，得到能量管理信号，进而通过能量双向流动控制器，控制复合双向三电平直流变换器的能量流动方向，构成“低压电源-高压驱动的能量源***结构”如图1所示，既能为驱动车轮的三相交流电动机提供可靠的直流母线电压，又能回收电动汽车回馈的能量。当电动汽车发生交通事故时，通过电动汽车控制单元发出封锁信号，使复合双向三电平直流变换器和三相逆变器停止工作，以毫秒级的速度将各36伏蓄电池与高压直流母线脱离，进而消除直流母线的高电压状态。
其中，基于复合双向三电平直流变换器的高电压增益、非极端占空比运行特性，将各个36V安全电压等级的蓄电池作为复合变换器的低压端，高压端并联到425V高压直流母线侧。低压蓄电池通过变换器的大比例升压，将能量集中到直流母线以供三相交流电动机驱动车轮；能量回馈时高压直流母线侧能量通过变换器大比例降压，分别给各低压蓄电池充电。在电动汽车异常情况下，电动汽车控制单元柔性封锁复合变换器和逆变器运行而快速消除高压直流母线电压。
综上所述，本发明实施例提供了一种电动汽车能量源***结构，本发明实施例可以在电动汽车异常状态下柔性封锁复合双向三电平直流变换器的工作，消除高压直流母线在事故状态下的危害性，而各个低压蓄电池为安全电压，“落后”电池的出力影响程度要远远小于蓄电池组串联方式；本发明实施例通过复合双向三电平直流变换器，将蓄电池组间的电压、电流解耦，单个蓄电池的输出电压、电流完全通过复合双向三电平直流变换器的缓冲而消除相互间的制约关系，可以最大程度地利用有限的能量源；本发明避免了配备复杂的充放电均衡设备、***异常和瘫痪，提高了安全性。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (2)

1.一种电动汽车能量源***结构，包括：电机控制器，所述电机控制器控制三相逆变器的输出电压、频率和幅值，所述三相逆变器控制三相交流电动机，所述三相交流电动机驱动电动汽车车轮；所述电机控制器控制电动汽车控制单元，所述电动汽车控制单元通过蓄电池管理单元和能量双向流动控制器控制n个36伏蓄电池的能量流动，其特征在于，
每个所述36伏蓄电池连接复合双向三电平直流变换器的低压直流侧；所述复合双向三电平直流变换器的高压侧输出425伏高压直流母线电压至所述三相逆变器；其中，
所述复合双向三电平直流变换器包括：低压直流侧滤波电容（Cf1）、高压直流侧第一滤波电容(Cf2)、高压直流侧第二滤波电容(Cf3)、第一续流二极管(D1)、第二续流二极管(D2)、第三续流二极管(D3)、第四续流二极管(D4)、第五续流二极管(D5)、第六续流二极管(D6)、第七续流二极管(D7)、第八续流二极管(D8)、第一箝位二极管(Dc1)、第二箝位二极管(Dc2)、第三箝位二极管(Dc3)、第四箝位二极管(Dc4)、第一可控功率开关（S1）、第二可控功率开关（S2）、第三可控功率开关（S3）、第四可控功率开关（S4）、第五可控功率开关（S5）、第六可控功率开关（S6）、第七可控功率开关（S7）、第八可控功率开关（S8）、高压直流侧母线电压（Uhigh）、低压直流侧母线电压（Ulow）和储能电感（Lf），
所述三电平双向直流变换器由2个半桥构成，所述低压直流侧母线电压（Ulow）的正极性端分别与所述储能电感（Lf）的一端和所述低压直流侧滤波电容（Cf1）的一端相连，所述低压直流侧母线电压（Ulow）的负极性端分别与所述低压直流侧滤波电容（Cf1）的另一端和右半桥的中点（b）相连；所述储能电感（Lf）的另一端连接左半桥的中点（a），所述左半桥的中点（a）分别与所述第二续流二极管（D2）的阳极、所述第二可控功率开关（S2）的发射极、所述第三可控功率开关（S3）的集电极和所述第三续流二极管（D3）的阴极相连；所述第二续流二极管（D2）的阴极分别与所述第二可控功率开关（S2）的集电极、所述第一可控功率开关（S1）的发射极、所述第一续流二极管（D1）的阳极和所述第一箝位二极管（Dc1）的阴极相连；所述第一续流二极管（D1）的阴极分别与所述第一可控功率开关（S1）的集电极、所述第五可控功率开关（S5）的集电极、所述第五续流二极管（D5）的阴极、所述高压直流侧第一滤波电容（Cf2）的一端和所述高压直流侧母线电压（Uhigh）的正极性端相连；所述第三续流二极管（D3）的阳极分别与所述第三可控功率开关（S3）的发射极、所述第四可控功率开关（S4）的集电极、所述第四续流二极管（D4）的阴极和所述第二箝位二极管（Dc2）的阳极相连；所述第二箝位二极管（Dc2）的阴极分别与所述第一箝位二极管（Dc1）的阳极、所述第三箝位二极管（Dc3）的阳极、所述第四箝位二极管（Dc4）的阴极、所述高压直流侧第一滤波电容（Cf2）的另一端和所述高压直流侧第二滤波电容（Cf3）的一端相连；所述第四续流二极管（D4）的阳极分别与所述第四可控功率开关（S4）的发射极、所述第八可控功率开关（S8）的发射极、所述第八续流二极管（D8）的阳极、所述高压直流侧第二滤波电容（Cf3）的另一端和所述高压直流侧母线电压（Uhigh）的负极性端相连；所述第五续流二极管（D5）的阳极分别与所述第五可控功率开关（S5）的发射极、所述第三箝位二极管（Dc3）的阴极、所述第六可控功率开关（S6）的集电极和所述第六续流二极管（D6）的阴极相连；所述第四箝位二极管（Dc4）的阳极分别与所述第七可控功率开关（S7）的发射极、所述第八可控功率开关（S8）的集电极、所述第七续流二极管（D7）的阳极和所述第八续流二极管（D8）的阴极相连；所述第七续流二极管（D7）的阴极、所述第七可控功率开关（S7）的集电极、所述第六可控功率开关（S6）的发射极和所述第六续流二极管（D6）的阳极同时连接所述右半桥的中点（b）。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车能量源***结构，其特征在于，所述第一可控功率开关（S1）、所述第二可控功率开关（S2）、所述第三可控功率开关（S3）、所述第四可控功率开关（S4）、所述第五可控功率开关（S5）、所述第六可控功率开关（S6）、所述第七可控功率开关（S7）和所述第八可控功率开关（S8）具体为：低耐压的可控功率开关。
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