CN116997483A - 用于电动车的马达驱动集成式车载充电器及其控制方法 - Google Patents

用于电动车的马达驱动集成式车载充电器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本案提供一种可减少电动车的电力***中的元件数量的马达驱动集成式车载充电器。元件数量的减少可通过在充电模式下利用马达及马达驱动逆变器作为车载充电器的一部分来实现。通过控制继电器，***中的电连接关是可依据其工作状态而被重构。一方面来说，马达及马达驱动逆变器起到升压PFC及/或电流调节器的作用。

Description

用于电动车的马达驱动集成式车载充电器及其控制方法
技术领域
本案是关于一种利用马达驱动电路的元件减少电动车中的电力***的成本及体积的车载充电器。
背景技术
电动车是由电动马达驱动，而非由内燃机驱动。相比之下，电动马达不会排放温室气体，而内燃机则会，此将造成空气污染并引发全球暖化。随着环境保护日益重要，人们对于电动车的兴趣亦急剧增加。
图1A为电动车的电力***10的概念示意图。电力***10包含马达11、马达驱动器12、电池13、车载充电器14和AC输入15。电动马达11可连接于电动车的机械***。电动马达11将电力***10中的电能转换为机械能，以使电动车的车轮转动。马达驱动器12将电能自电池13传输至马达11。车载充电器14将电能自外部AC输入15传输至电池13。由此可看出电力***10需包含马达驱动器12和车载充电器14的元件。
图1B及图1C分别示出了在驱动模式及电池充电模式下电力***10中的电能流动方向。在驱动模式下，如图1B所示，电能自电池13传输至马达11，电池13被放电，车载充电器不运行。在电池充电模式下，如图1C所示，电能自AC输入15传输至电池13，电池13被充电，马达驱动器12不运行。可注意到在电力***10中，马达驱动器12和车载充电器14不同时运行，意即，在驱动模式下仅有马达驱动器12运行，而在电池充电模式下仅有车载充电器14运行。由于马达驱动器12和车载充电器14不同时运行，故可利用马达11及/或马达驱动器12作为车载充电器14的一部分，以减少电力***10中的元件数量。
图2A为具三相马达的电动车的传统电力***20的电路结构示意图。电力***20包含三相马达21、马达驱动逆变器22、电池23、车载充电器24和AC输入25。三相马达21和马达驱动逆变器22经由继电器R2连接于电池23的右侧。基于安全考量，继电器R1和R2是必要的，借此，在电力***20不运行时，电池23可与电力***20在物理上断开连接。
三相马达21具有嵌设于定子组件中的三个绕组。每一定子绕组在电性上可以一电感表示。马达驱动逆变器22包含相同的三个半桥桥臂，此三个半桥桥臂包含开关S1、S2、...、S6。每个半桥桥臂的开关节点连接于马达21的定子绕组的一端。定子绕组的另一端共同连接于单一节点(即中性点)。马达驱动逆变器22通过调整半桥桥臂的占空比来控制马达的相电流及转矩。车载充电器24为两级架构，分别为AC/DC PFC(power factor correcting，功率因数校正)级241和隔离式DC/DC转换级242。AC/DC PFC级241调节输入电流的波形形状，使得充电器实现高功率因数和输入电流的低总谐波失真。
由于升压转换器易于控制且其输入电流连续，故在AC/DC PFC级241中通常使用升压转换器。在此示例中，AC/DC PFC级241包含整流二极管D1、D2、D3和D4、升压电感LPFC、升压开关SB1及升压二极管D5。在链电容CO,PFC上的AC/DC PFC级241的输出电压为具有低频涟波的准直流，其中低频涟波是由单相***中典型的大功率涟波所造成的。当输入电压VAC为零时，输入功率为零，反之，当输入电压VAC最大时，功率也最大。因此，AC/DC PFC级241的功率流在线周期期间波动。由于交流电压中具有两个过零点，故AC/DC PFC级241的功率以电网频率的两倍波动。
DC/DC转换级242连接于AC/DC PFC级241后，并为电池23提供隔离阻障及固定的DC充电电流。就隔离式DC/DC转换器而言，由于LLC谐振转换器拓扑可以少量组件达到高效率，故如今LLC谐振转换器拓扑被广泛使用。图2A示出了隔离式半桥LLC谐振转换器，其包含主开关SINV1和SINV2、谐振电感LR、谐振电容CR1和CR2、变压器TR、整流二极管DR1和DR2及输出电容CIN2。可以看出，车载充电器的三种主要功能为功率因数校正、隔离和直流充电电流调节。
图2B和图2C分别示出了图2A中传统电力***的驱动模式和电池充电模式。图2B示出了驱动模式下的运行状态，其中继电器R2导通且继电器R1关断，使得电池23仅连接于马达21和马达驱动逆变器22，车载充电器24关闭且不运行。储存在电池23中的能量在利用电力***20驱动电动车的过程中逐渐消耗。图2C示出了电池充电模式下的运行状态，其中继电器R2关断且继电器R1导通，使得电池23仅连接于车载充电器24，马达驱动逆变器22关闭且马达21不运行。
参考文献：
[1]S.R.Meher,S.Banerjee,B.T.Vankayalapati,and R.K.Singh,“AReconfigurable On-Board Power Converter for Electric Vehicle With ReducedSwitch Count,”IEEE Trans.on Vehicular Technology,vol.69,no.4,Apr.2020.
[2]M.Tong,M.Chenc,W.Hua,and S.Ding,“A Single-Phase On-Board Two-StageIntegrated Battery Charger for EVs Based on a Five-Phase Hybrid-ExcitationFlux-Switching Machine,”IEEE Trans.on Vehicular Technology,vol.69,no.4,Apr.2020.
[3]Khan,Mehnaz Akhter,Iqbal Husain,and Yilmaz Sozer."Integratedelectric motor drive and power electronics for bidirectional power flowbetween the electric vehicle and DC or AC grid."IEEE Transactions on PowerElectronics28.12(2013):5774-5783.
[4]Subotic,Ivan,and Emil Levi."A review of single-phase on-boardintegrated battery charging topologies for electric vehicles."2015IEEEWorkshop on Electrical Machines Design,Control and Diagnosis(WEMDCD).IEEE,2015.
发明内容
本案提供可减少电动车的电力***中的元件数量的马达驱动集成式车载充电器。在电动车中，电力***包含马达、马达驱动器及车载充电器。在充电模式下，车载充电器执行三种主要功能：功率因数校正(power factor correcting，PFC)、隔离及电流调节。在传统***中，电力***的每一部分仅执行个别功能。因此，在充电模式下无法使用马达及马达驱动逆变器，而从另一角度来看，驱动模式下则无法使用车载充电器。本案的转换器拓扑可于充电模式下利用马达及马达驱动逆变器作为车载充电器的一部分，借此减少电力***中的元件数量。在本案实施例中，通过以继电器重构拓扑，马达及马达驱动逆变器可在充电模式下提供功率因数校正及电流调节的功能。因此，本案的马达驱动集成式车载充电器可减少车载充电器中的元件数量，从而提升电力***的成本效益。
根据本案一方面的构想，本案提供一种电动车的电力***，包含AC/DC转换器、马达驱动器、PFC电感、链电容、第一继电器及第二继电器。马达驱动器包含马达及逆变器。PFC电感电连接于AC/DC转换器与马达驱动器之间。链电容并联连接于马达驱动器。第一继电器连接于PFC电感与马达驱动器之间。电池经由第二继电器连接于链电容。
于一实施例中，马达包含多个相位，逆变器包含多个相位桥臂，每一相位的第一端连接于对应的相位桥臂。
于一实施例中，所有相位的第二端相连接于中性点。
于一实施例中，PFC电感经由第一继电器连接于其中一个相位桥臂。
于一实施例中，每一相位桥臂包含两个开关，PFC电感经由第一继电器连接于其中一个相位桥臂的两个开关之间的节点。
于一实施例中，在驱动模式下，第一继电器关断，第二继电器导通，电池释放电能至马达。
于一实施例中，在充电模式下，第一继电器及第二继电器皆导通，电池被AC电源充电。
于一实施例中，AC/DC转换器包含LLC串接谐振转换器，LLC串接谐振转换器分别在其输入端及输出端接收AC电源及产生直流电能。
于一实施例中，AD/DC转换器包含具有半桥逆变器及全桥整流器的隔离式AC/DC整流器、具有全桥逆变器及全桥整流器的隔离式AC/DC整流器、具有半桥逆变器及倍压整流器的隔离式AC/DC整流器或具有半桥逆变器及倍压整流器的隔离式AC/DC整流器。
根据本案另一方面的构想，本案提供一种电动车的电力***，包含AC/DC转换器、马达驱动器、PFC电感、链电容、第一继电器及第二继电器。马达驱动器包含马达及逆变器，其中马达包含多个相位，逆变器包含多个相位桥臂，每一相位连接于对应的相位桥臂。PFC电感电连接于AC/DC转换器与马达驱动器之间。链电容并联连接于马达驱动器。第一继电器架构于可切换地将多个相位桥臂中的第一相位桥臂连接于多个相位中的第一相位或PFC电感。第二继电器架构于可切换地将电池连接于逆变器的正端或第一相位。
于一实施例中，逆变器的每一相位桥臂包含两个开关，第一相位桥臂的两个开关之间具有一节点，第一继电器连接于PFC电感与第一相位桥臂的节点之间。
于一实施例中，逆变器的所有相位桥臂的一端相连接于一中性点。
于一实施例中，第一及第二继电器包含单刀双掷继电器。
于一实施例中，在驱动模式下，第一继电器将第一相位桥臂连接于马达的第一相位，第二继电器将电池连接于逆变器的正端，电池释放电能至马达。
于一实施例中，在充电模式下，第一继电器将第一相位桥臂连接于PFC电感，第二继电器将电池连接于马达的第一相位，电池被AC电源充电。
于一实施例中，AC/DC转换器包含LLC串接谐振转换器，LLC串接谐振转换器适于分别在其输入端及输出端接收AC电源及产生直流电能。
于一实施例中，AD/DC转换器包含具有半桥逆变器及全桥整流器的隔离式AC/DC整流器、具有全桥逆变器及全桥整流器的隔离式AC/DC整流器、具有半桥逆变器及倍压整流器的隔离式AC/DC整流器或具有半桥逆变器及倍压整流器的隔离式AC/DC整流器。
根据本案又一方面的构想，本案提供一种电动车的电力***，包含AC/DC转换器、马达驱动器、PFC电感、链电容、第一继电器、第二继电器及第三继电器。马达驱动器包含马达及逆变器，其中马达包含多个相位，逆变器包含多个相位桥臂，每一相位连接于对应的相位桥臂。PFC电感电连接于AC/DC转换器与马达驱动器之间。链电容并联连接于马达驱动器。第一继电器连接于多个相位桥臂中的第一相位桥臂与多个相位中的第一相位之间。第一相位桥臂与PFC电感通过第二继电器相互连接或断开连接，第一相位与缓冲电容通过第二继电器相互连接或断开连接。电池经由第三继电器连接于链电容。
于一实施例中，第二继电器包含双刀双掷开关。
于一实施例中，在驱动模式下，第一及第三继电器导通，第二继电器导通，电池释放电能至马达。
于一实施例中，在充电模式下，第二及第三继电器关断，第一继电器导通，电池被AC电源充电。
根据本案再一方面的构想，本案提供一种电动车的电力***，包含AC/DC转换器、第一继电器、马达、马达驱动逆变器、链电容及第二继电器。AC/DC转换器适于分别在其输入端及输出端接收AC电源及产生直流电能。第一继电器电连接于AC/DC转换器的输出端。马达经由第一继电器连接于AC/DC转换器。马达驱动逆变器连接于马达。链电容并联连接于马达驱动逆变器。链电容经由第二继电器连接于电池。
于一实施例中，在驱动模式下，第一继电器关断，第二继电器导通，电池释放电能至马达。
于一实施例中，在充电模式下，第一继电器及第二继电器皆导通，电池被AC电源充电。
于一实施例中，马达包含多个相位桥臂，所有相位桥臂的一端相连接于中性点，第一继电器连接于中性点。
于一实施例中，电力***还包含第三继电器，其中第三继电器电连接于第一继电器、马达及马达驱动逆变器。
于一实施例中，马达包含多个相位，马达驱动逆变器包含多个相位桥臂，马达的其中一个相位经由第三继电器连接于对应的马达驱动逆变器的相位桥臂。在驱动模式下，第一继电器关断，第二及第三继电器导通，电池释放电能至马达。在充电模式下，第一及第二继电器导通，第三继电器关断，电池被AC电源充电。
通过以下的详细说明及图式，可更易于了解本案技术。
附图说明
图1A为电动车的传统电力***的示意图。
图1B及图1C分别示出图1A中的电力***在驱动模式及电池充电模式下的电能流动方向。
图2A为具三相马达的电动车的传统电力***的电路结构示意图。
图2B及图2C分别示出在驱动模式及电池充电模式下的图2A的电力***。
图3A为本案具马达驱动集成式车载充电器的电动车的电力***的架构示意图。
图3B及图3C分别示出图3A中的电力***在驱动模式及电池充电模式下的电能流动方向。
图4A示出本案第一实施例中具马达驱动集成式车载充电器的电动车的电力***。
图4B及图4C分别示出图4A所示的马达驱动集成式车载充电器的驱动模式及电池充电模式。
图5A示出本案第二实施例中具马达驱动集成式车载充电器的电动车的电力***。
图5B及图5C分别示出图5A所示的马达驱动集成式车载充电器的驱动模式及电池充电模式。
图6A示出本案第三实施例中具马达驱动集成式车载充电器的电动车的电力***。
图6B及图6C分别示出图6A所示的马达驱动集成式车载充电器的驱动模式及电池充电模式。
图6D为图6C的简洁版本。
图7A示出本案第四实施例中具马达驱动集成式车载充电器的电动车的电力***。
图7B及图7C分别示出图7A所示的马达驱动集成式车载充电器的驱动模式及电池充电模式。
图7D为图7C的简洁版本。
图7E为针对图7C及图7D中的转换器的控制架构示意图。
图8A、图8B、图8C及图8D示出具马达驱动集成式车载充电器的电动车的电力***中的隔离式AC/DC整流器的各种拓扑变化。
图9A示出本案第五实施例中具马达驱动集成式车载充电器的电动车的电力***。
图9B及图9C分别示出图9A所示的马达驱动集成式车载充电器的驱动模式及电池充电模式。
具体实施方式
体现本案特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非架构于限制本案。例如，若是本说明书以下的公开内容叙述了将一第一特征形成于一第二特征之上或上方，即表示其包含了所形成的上述第一特征与上述第二特征是直接接触的实施例，亦包含了可将附加的特征形成于上述第一特征与上述第二特征之间，而使上述第一特征与上述第二特征可能未直接接触的实施例。另外，本发明的说明中不同实施例可能使用重复的参阅符号及/或用字，这些重复符号或用字是为了简化与清晰的目的，并非用以限定各个实施例及/或所述外观结构之间的关系。再者，为了方便描述图式中一元件或特征元件与另一(多个)元件或(多个)特征元件的关系，可使用空间相关用语，例如“在…之下(beneath)”、“在…下面(below)”、“下部的(lower)”、“在…上方(above)”、“上部的(upper)”及类似的用语等，可以理解的是，除了图式所绘示的方位之外，空间相关用语涵盖使用或操作中的装置的不同方位。所述装置也可被另外定位(例如，旋转90度或者位于其他方位)，并对应地解读所使用的空间相关用语的描述。当一元件被称为“连接”或“耦接”至另一元件时，它可以为直接连接或耦接至另一元件，又或是在其中有一额外元件存在。尽管本公开的广义范围的数值范围及参数为近似值，但尽可能精确地在具体实例中陈述数值。虽然“第一”、“第二”、“第三”等等用语在权利要求中可用于描述各种元件是可以被理解的，但这些元件不应该被这些用语所限制，且在实施例中被相应地描述的这些元件是用以表达不同的参照编号，这些用语仅是用以区别一个元件与另一个元件，例如，第一元件可以被称为第二元件，且类似地，第二元件可以被称为第一元件，而不偏离实施例的范围。在此所使用的用语“及/或”包含一或多个相关列出的专案的任何或全部组合。此外，数值范围或参数固有地含有在各别测试量测中存在的误差。并且，如本文中出现用语“大约”或“实质上”一般意指在一给定值或范围的10％、5％、1％或0.5％内。另一选择为，用语“大约”或“实质上”意味所属领域的技术人员可接受的误差内。除在操作/工作的实例中以外，或除非明确规定，否则本文中所公开的所有数值范围、量、值及百分比(如本文中所公开的材料的数量、时间、温度、操作条件、用量的比例及其类似者)，应被理解为在所有实施例中由用语“大约”或“实质上”来修饰。相应地，除非相反地指示，否则本公开及随附权利要求中陈述的数值参数为可视需要变化的近似值。例如，每一数值参数应至少根据所述的有效数字的数字且借由应用普通舍入原则来解释。范围可在本文中表达为从一个端点到另一端点或在两个端点之间。本文中所公开的所有范围包含端点，除非另有规定。
图3A为本案一实施例的具马达驱动集成式车载充电器34的电动车的电力***30的架构示意图。为减少元件数量，马达驱动集成式车载充电器34同时提供马达驱动器和车载充电器的功能。由于马达驱动器及车载充电器不同时运行，故此集成式结构是可行的。在驱动模式下，电力***30作为马达驱动器运行，而在电池充电模式下，电力***30则作为车载充电器运行。
图3B及图3C分别示出图3A中的电力***30在驱动模式及电池充电模式下的电能流动方向。在驱动模式下，如图3B所示，电能自电池33被传输至马达31，此时，电池33被放电，AC输入35断开连接。在电池充电模式下，如图3C所示，电能自外部AC输入35传输至电池33，此时，电池33被充电。此功能是传统作法与本案的实施例的马达驱动集成式车载充电器作法之间的主要区别。在此实施例中，对于马达驱动集成式车载充电器而言，马达31和马达驱动集成式车载充电器34中的元件作为车载充电器的一部分运行，借此可减少车载充电器的元件数量.
图4A示出本案第一实施例中具马达驱动集成式车载充电器的电动车的电力***40。如图4A所示，电力***40包含马达41、马达驱动逆变器42、电池43、隔离式AC/DC转换器44及外部AC电源输入45。于一实施例中，马达41包含三个马达绕组(即三相马达)，且所有马达绕组相连接于中性点。
隔离式AC/DC转换器44包含整流二极管D1、D2、D3和D4、输入电容CIN1及LLC转换器。LLC转换器包含两个开关SINV1和SINV2、谐振电感LR、谐振电容CR1和CR2、变压器TR、整流二极管DR1和DR2及小电容CIN2。电容CIN2经由继电器R1连接于马达41的中性点。马达驱动逆变器42可包含开关S1、S1、S2、S3、S4、S5和S6。马达41的马达绕组中与中性点相对的每一端皆连接于马达驱动逆变器42的开关S1、S1、S2、S3、S4、S5和S6的其中两个。马达驱动逆变器42并联连接于链电容CO，电池43经由继电器R2连接于链电容CO的两端。相较于图2A中的传统***，图4A所示实施例中的隔离式AC/DC转换器44可不包含如图2A所示的传统***中的升压电感LPFC、升压开关SB1、二极管D5和电容CO,PFC，借此可降低***成本。
图4B及图4C分别示出图4A所示的马达驱动集成式车载充电器的驱动模式及电池充电模式。在驱动模式下，如图4B所示，继电器R1关断且继电器R2导通，电池43可以仅连接于马达41和马达驱动逆变器42，且隔离式AC/DC转换器44关闭。可以注意到，图4B中电力***40中的电连接关是实质上和图2B中相同。在电池充电模式下，如图4C所示，继电器R1和R2皆导通，使得电能自AC电源输入45传输至电池43。可以注意到，马达41和马达驱动逆变器42皆作为充电***的一部分。与之相反，在图2B的电力***20中，马达41和马达驱动逆变器42在电池充电模式下不运行。
于此实施例中，在电池充电模式下，隔离AC/DC转换器44中的LLC转换器被用作AC/DC整流器，并为AC电源输入45提供隔离及缩放。LLC转换器的开关频率可在谐振频率的一半至五倍之间变化，其中谐振频率由谐振腔元件(包含LR、CR1和CR2)所决定。可以看出，开关频率远高于AC输入线频率(例如60Hz)。因此，谐振电容CIN2上的电压为AC输入电压VAC经缩放后的绝对值。马达驱动逆变器42和马达41的三个绕组可被视作三个相互独立且并联连接的升压转换器，并作为复合升压功率因数校正电路运行。借此，图4C中的电路可以较少的元件数量提供隔离及功率因数校正的功能。然于此实施例中，受PFC电路的输出电压涟波影响，图4C的电力***40中的充电电流可能具有较大涟波。因此，于一些实施例中，图4C的电力***40可被应用于可接受电池电流涟波的***中。
图4C所示的马达驱动集成式车载充电器的一优点在于控制简单。由于输入电容CIN1相对较小，故其两端的电压为整流后的输入电压VAC。输入电容CIN1确立了LLC谐振转换器两端的电压。LLC谐振转换器以50％的占空比及固定的开关频率运行，且因变压器TR中次级绕组的匝数小于初级绕组的匝数，故LLC谐振转换器将输入电容CIN1两端的电压调降至较低值。LLC谐振转换器的开关频率是基于电池电压、电池电流和输入电压VAC决定，以向输入电容CIN2提供适当大小的交流电压。与输入电容CIN1类似，输入电容CIN2的值也相对较小。因此，电容CIN2两端的电压同样为整流及调降后的输入电压VAC。由于在AC/DC转换器44中并无显著的能量存储，故两个电容电压皆依循输入电压VAC的波形形状。相较于使用大电容值将直流链维持在准固定值的***(例如图2A的电力***20)，此电力***40可被视为具有软直流链。
三相马达驱动逆变器的相位桥臂受到控制，以使流经每一马达绕组电流相等。流经马达绕组的电流的参考值依循输入电容CIN2上的电压波形形状。如上所述，输入电容CIN2上的电压为经整流后的正弦波。因此，若输入电容CIN2上的电压为零，则不会从中汲取电流。AC/DC转换器44的输出侧的电压和电流波形为具有相同频率且相对齐的经整流后的正弦波。由于AC/DC转换器44中并无显著的能量存储，故输入功率等于输出功率，使得AC/DC转换器44的输入电流亦为经整流后的正弦波。因此，从电网汲取的输入电流与输入电压VAC具有相同的波形形状和角度，故此转换器产生了功率因数校正的特性。各相位绕组的电流参考值的大小取决于电池充电演算法。当电池耗尽电力时，电流参考值的大小为转换器的电力处理能力所能支持的最大值。而随着电池电量逐渐接近最大值，电流参考值的大小将逐渐降低至零。
此外，由于流经所有绕组的电流皆相同，故即便绕组承载随时间变化的电流，图4C所示实施例的电路架构也不会产生脉动转矩。因外部马达的中性连接，此做法是可行的。当流经三个绕组的电流皆相等时，马达可仅承载零序电流，而此零序电流不会产生导致马达振动的稳态或低频转矩。***中可能产生的转矩分量仅为由绕组涟波电流引起的小开关频率涟波转矩，其中涟波电流与马达电感及开关频率成反比。
图5A示出本案第二实施例中具马达驱动集成式车载充电器的电动车的电力***50。图5A中的电力***50与图4A中的电力***40基本上相同，其差别在于电力***50还包含外加PFC电感56，且电力***50利用外加PFC电感56自输入电容C-IN2汲取电流，而非利用相互并联连接的三个马达绕组。此外，三相马达51的连接方式与图4A中的马达41不同，三相马达51被视作马达驱动逆变器52的一部份，其中马达驱动逆变器52包含三相马达51、开关S1、S2、S3、S4、S5和S6及链电容CO。在此架构中，马达驱动逆变器52的第一相位桥臂包含开关S1和S2，仅由第一相位桥臂通过外加PFC电感LPFC来调节电流。于此实施例中，PFC电感LPFC包含升压电感。由于相位桥臂仍连接于三相马达51，故其他两个相位桥臂以相同的占空比运行，以将流经马达绕组的电流维持在零。相较于图4A所示作法，图5A所示作法的好处在于无需使用马达中性端。于一些实施例中，可能需设置额外电感。
图5B及图5C分别示出图5A所示的马达驱动集成式车载充电器的驱动模式及电池充电模式。在驱动模式下，如图5B所示，继电器R1关断且继电器R2导通，使得电池可仅连接于马达41和马达驱动逆变器42，且隔离式AC/DC转换器44关闭。可以注意到，图5B中电力***50中的电连接关是实质上和图2B中相同。在电池充电模式下，如图5C所示，继电器R1和R2皆导通，使得电能自AC电源输入传输至电池。
在驱动模式下，如图5B所示，电力***50作为马达驱动器运行(和图3B及图4B所示相同)。在电池充电模式下，图5C所示的马达驱动集成式车载充电器可提供简便的控制。由于输入电容CIN1相对较小，故其两端的电压为整流后的输入电压VAC。输入电容CIN1确立了LLC谐振转换器两端的电压。LLC谐振转换器以50％的占空比及固定的开关频率运行，且因变压器TR中次级绕组的匝数小于初级绕组的匝数，故LLC谐振转换器将输入电容CIN1两端的电压调降至较低值。LLC谐振转换器的开关频率是基于电池电压、电池电流和输入电压VAC决定，以向输入电容CIN2提供适当大小的交流电压。与输入电容CIN1类似，输入电容CIN2的值也相对较小。因此，输入电容CIN2两端的电压同样为整流及调降后的输入电压VAC。由于在AC/DC转换器中并无显著的能量存储，故两个电容电压皆依循输入电压VAC的波形形状。相较于使用大电容值将直流链维持在准固定值的***(例如图2A的电力***20)，此电力***50可被视为具有软直流链。
马达驱动逆变器的第一相位桥臂被控制而使自升压电感L-PFC汲取的电流依循输入电容CIN2上的电压波形形状。因此，若输入电容CIN2上的电压为零，则不会从中汲取电流。AC/DC转换器的输出侧的电压和电流波形为具有相同频率且相对齐的经整流后的正弦波。由于AC/DC转换器中并无显著的能量存储，故输入功率等于输出功率，使得AC/DC转换器的输入电流亦为经整流后的正弦波。因此，从电网汲取的输入电流与输入电压VAC具有相同的波形形状和角度，故此转换器产生了功率因数校正的特性。
再者，第一马达绕组仍维持连接于马达驱动逆变器的第一相位桥臂。为了维持流经马达绕组的电流为零，可使马达驱动逆变器的第二及第三相位桥臂以和第一相位桥臂相同的占空比运行，抑或是关断第二及第三相位桥臂中的开关。由于流经马达绕组的电流为零，故图5C所示的电路架构不会产生转矩。
图6A示出本案第三实施例中具马达驱动集成式车载充电器的电动车的电力***60。于此实施例中，电力***60使用单刀双掷继电器R1将马达驱动逆变器的第一相位桥臂(包含开关S1和S2)的AC端(点A)连接于马达61的第一马达绕组或外加PFC升压电感LPFC。第二个单刀双掷继电器R2用于将电池63的正极端连接于马达驱动逆变器的直流链的正极端(点B)或马达61的第一马达绕组。
图6B及图6C分别示出图6A所示的马达驱动集成式车载充电器的驱动模式及电池充电模式。在驱动模式下，如图6B所示，继电器R1将马达驱动逆变器的第一相位桥臂的AC端(点A)连接于第一马达绕组，继电器R2将电池63的正极端连接于马达驱动逆变器的直流链的正极端(点B)，隔离式AC/DC整流器64被关闭。此时的电路配置在电性及功能上等效于图3B、图4B及图5B所示的电路配置。
在电池充电模式下，如图6C所示，继电器R1将马达驱动逆变器的第一相位桥臂(包含开关S1和S2)的AC端(点A)连接于外加PFC升压电感LPFC，继电器R2将电池63的正极端连接于马达61的第一马达绕组。为清楚示出此时的电路配置，是将此电路配置于图6D中重绘。此电路配置与图4C及图5C所示电路配置的主要区别在于，图6C及图6D所示电路配置在直流链中吸收源自输入电压VAC(电压源)的脉动输入功率。
LLC转换器的开关频率是基于电池电压、电池电流和输入电压VAC决定，以向输入电容CIN2提供适当大小的交流电压。如图6C及图6D所示，马达驱动逆变器的第一相位桥臂作为升压PFC运行。于此电路配置中，马达驱动逆变器的第一相位桥臂包含开关S1和S2，仅利用第一相位桥臂负责调节流经外加升压电感LPFC的电流。升压电感LPFC的电流参考值依循输入电容CIN2上的电压波形形状。如上所述，输入电容CIN2上的电压为经整流后的正弦波。因此，若电容CIN2两端的电压为零，则自电容汲取的电流为零。AC/DC转换器的输出侧的电压和电流波形为具有相同频率且相对齐的经整流后的正弦波。由于AC/DC转换器中并无显著的能量存储，故隔离式AC/DC转换器的输入功率等于其输出功率，使得AC/DC转换器的输入电流亦为经整流后的正弦波。因此，从电网汲取的输入电流与输入电压VAC具有相同的波形形状和角度，故此转换器产生了功率因数校正的特性。
此外，马达驱动逆变器的第二及第三相位桥臂连接于马达61的第二及第三马达绕组，而第一马达绕组连接于电池63的正极端。三个马达绕组仍连接于其中性点。借此，马达驱动逆变器的第二及第三相位桥臂和马达61形成交错降压转换器。由于电感性元件皆连接于输出侧，故降压转换器具有连续的输出电流，因而易于将电池充电电流调节至具有最小涟波的一固定电流值。借此，图6C及图6D所示电路配置可在输入侧提供PFC功能，并在输出侧提供直流电流调节功能。波动的输入功率和固定的输出功率之间的差异是来自直流链电容CO。
在图6C及图6D所示电路配置中，对连接于马达驱动逆变器的第二及第三相位桥臂的马达绕组而言，所流经的电流具有相同的大小和极性，而流经剩余马达绕组的电流具有两倍的大小和相反的极性。即便如此，由于流经马达绕组的直流电流具有极小且高频的涟波，故所使用的马达绕组亦不产生低频脉动转矩。涟波电流与马达电感和开关频率成反比。
图7A示出本案第四实施例中具马达驱动集成式车载充电器的电动车的电力***70。于此实施例中，马达驱动逆变器的第一相位桥臂(包含开关S1和S2)的AC端(点A)与马达71的第一马达绕组通过单刀单掷继电器R1相互连接或断开连接。再者，第一相位桥臂的AC端(点A)与外加PFC升压电感LPFC通过双刀双掷继电器R2相互连接或断开连接。第一马达绕组与缓冲电容CB通过双刀双掷继电器R2相互连接或断开连接。
图7B及图7C分别示出图7A所示的马达驱动集成式车载充电器的驱动模式及电池充电模式。在驱动模式下，如图7B所示，继电器R1及R3皆导通，而继电器R-2关断。马达驱动逆变器的第一相位桥臂的AC端(点A)连接于马达71的第一马达绕组，隔离式AC/DC转换器被关闭。此时的电路配置在电性及功能上等效于图3B、图4B、图5B及图6B所示的电路配置。
在电池充电模式下，如图7C所示，继电器R1关断，而继电器R2和R3导通。继电器R2将马达驱动逆变器的第一相位桥臂的AC端(点A)连接于外加PFC升压电感LPFC，且继电器R2还将马达71的第一马达绕组连接于缓冲电容CB。为清楚示出此时的电路配置，是将此电路配置于图7D中重绘。此电路配置与图4C、图5C及图6C所示电路配置的主要区别在于，图7C及图7D所示电路配置利用缓冲电容CB吸收源自输入电压VAC(电压源)的脉动输入功率。
LLC转换器的开关频率是基于电池电压、电池电流和输入电压VAC决定，以向输入电容CIN2提供适当大小的交流电压。如图7C及图7D所示，马达驱动逆变器的第一相位桥臂作为升压PFC运行。于此电路配置中，马达驱动逆变器的第一相位桥臂包含开关S1和S2，借由第一相位桥臂负责调节流经外加升压电感LPFC的电流。升压电感LPFC的电流参考值依循输入电容CIN2上的电压波形形状。如上所述，输入电容CIN2上的电压为经整流后的正弦波。因此，若电容CIN2两端的电压为零，则自电容汲取的电流为零。AC/DC转换器的输出侧的电压和电流波形为具有相同频率且相对齐的经整流后的正弦波。由于AC/DC转换器中并无显著的能量存储，故隔离式AC/DC转换器的输入功率等于其输出功率，使得AC/DC转换器的输入电流亦为经整流后的正弦波。因此，从电网汲取的输入电流与输入电压VAC具有相同的波形形状和角度，故此转换器产生了功率因数校正的特性。
此外，马达驱动逆变器的第二及第三相位桥臂连接于马达71的第二及第三马达绕组，而第一马达绕组连接于缓冲电容CB。三个马达绕组仍连接于其中性点。借此，马达驱动逆变器的第二及第三相位桥臂和马达71形成交错降压转换器。由于电感性元件皆连接于输出侧，故降压转换器具有连续的输出电流。此降压转换器与缓冲电容CB形成主动功率滤波器(active power filter，APF)。
在定义上来说，主动功率滤波器仅能提供交流电能。因此，主动功率滤波器可提供和PFC电路提供的交流电能具有相同大小及相反极性的交流电，其中PFC电路同时提供直流电和交流电。借此，PFC电路所提供的交流电可在电池侧被抵消，从而减少或消除电池电流涟波。当升压PFC所提供的能量过多时，能量可自链电容C-O汲取并储存于缓冲电容CB中。另一方面，当升压PFC所提供的能量不足时，能量可自缓冲电容CB汲取并传输至链电容C-O。借此，图7C及图7D所示电路配置可同时提供输入侧的PFC功能及低电池电流涟波。
须注意的是，图7C及图7D所示电路配置并无断开直流链路与电池73之间的连接，故电容和开关无须乘载例如图6C及图6D中略为升高的电压准位。再者，在图6C及图6D所示电路配置中，流经相位A及B的绕组的电流具有相同的大小和极性，而流经相位C的绕组的电流具有两倍的大小和相反极性。即便如此，由于流经马达绕组的直流电流具有极小且高频的涟波，故所使用的马达绕组亦不产生低频脉动转矩。涟波电流与马达电感和开关频率成反比。
图7E为针对图7C及图7D中的转换器的控制架构示意图。如图7E所示，对于图7C及图7D中的电路的控制是基于两电流回路和一电压回路。第一电流回路调节流经升压电感L-PFC的电流，使其依循输入电容CIN2上的电压的波形形状，从而使电路具有PFC功能。第二电流回路调节APF的电流，以有效消除PFC电路所产生的交流涟波。电压回路将APF的电容电压平衡于标称点，以使APF电路提供或吸收必要的电能。电压回路被设计为具有较低的交越频率(例如10Hz)，使得电压回路不会与具有较高频率的APF电流回路相互影响。
图8A、图8B、图8C及图8D示出具马达驱动集成式车载充电器的电动车的电力***中的隔离式AC/DC整流器的各种拓扑变化。在本案中，为简洁起见，仅示出串接谐振转换器拓扑。然须注意的是，任何谐振拓扑皆可被用作隔离式AC/DC整流级，而相应的马达及马达驱动逆变器可为图4至图7中的任一种态样。
在图8A所示的马达驱动集成式车载充电器中，隔离式AC/DC整流器包含半桥逆变器和全桥整流器。在图8B所示的马达驱动集成式车载充电器中，隔离式AC/DC整流器包含全桥逆变器和全桥整流器。在图8C所示的马达驱动集成式车载充电器中，隔离式AC/DC整流器包含半桥逆变器和倍压整流器。在图8D所示的马达驱动集成式车载充电器中，隔离式AC/DC整流器包含全桥逆变器和倍压整流器。
图9A示出本案第一实施例中具马达驱动集成式车载充电器的电动车的电力***。如图9A所示，电力***包含马达、马达驱动逆变器、电池、隔离式AC/DC转换器及外部AC电源输入。于一实施例中，马达为包含三个马达绕组的三相马达，且所有马达绕组相连接于中性点。
隔离式AC/DC转换器包含整流二极管D1、D2、D3和D4、输入电容CIN1及LLC转换器。LLC转换器包含两个开关SINV1和SINV2、谐振电感LR、谐振电容CR1和CR2、变压器TR、整流二极管DR1和DR2及输出电容CIN2。输出电容CIN2经由继电器R1连接于马达的第一马达绕组。第一马达绕组经由继电器R2连接于马达驱动逆变器的第一相位桥臂。马达驱动逆变器可包含开关S1、S2、S3、S4、S5和S6。马达的马达绕组中与中性点相对的每一端皆连接于马达驱动逆变器的开关S1、S2、S3、S4、S5和S6的其中两个。马达驱动逆变器并联连接于链电容CO，电池经由继电器R2连接于链电容CO的两端。相较于图2A中的传统***，图9A所示实施例中的隔离式AC/DC转换器不包含升压电感LPFC、升压开关SB1、二极管D5和电容CO,PFC，借此可降低***成本。
图9B及图9C分别示出图9A所示的马达驱动集成式车载充电器的驱动模式及电池充电模式。在驱动模式下，如图9B所示，继电器R1关断且继电器R2和R3导通，使得电池仅连接于马达和马达驱动逆变器，且隔离式AC/DC转换器关闭。可以注意到，图9B中电力***中的电连接关是实质上和图2B中相同。在电池充电模式下，如图9C所示，继电器R1和R2皆导通，继电器R3关断，使得电能自AC电源输入传输至电池。可以注意到，马达和马达驱动逆变器皆为充电***的一部分。与之相反，在图2B的电力***中，马达和马达驱动逆变器在电池充电模式下不运行。
于此实施例中，在电池充电模式下，隔离AC/DC转换器中的LLC转换器被用作AC/DC整流器，并为AC电源输入提供隔离及缩放。LLC转换器的开关频率可在谐振频率的一半至五倍之间变化，其中谐振频率由谐振腔元件(包含LR、CR1和CR2)所决定。可以看出，开关频率远高于AC输入线频率(例如60Hz)。因此，谐振电容CIN2上的电压为AC输入电压VAC经缩放后的绝对值。马达驱动逆变器和马达的三个绕组可被视作两个相互并联连接的独立升压转换器，并作为复合升压功率因数校正电路运行，其中第一马达绕组分别串联连接于第二马达绕组和第三马达绕组。由于继电器R3关断，故第一相位桥臂不运行。借此，图9C中的电路可以较少的元件数量提供隔离及功率因数校正的功能。然于此实施例中，受PFC电路的输出电压涟波影响，图9C的电力***中的充电电流可能具有较大涟波。因此，图9C的电力***可应用于接受电池电流涟波的***中。相较于图4A至图4C所示的电力***，此实施例还使用了继电器R3，其中继电器R3无需直接连接马达绕组的中性点。
图9C所示的马达驱动集成式车载充电器的一优点在于控制简单。由于输入电容CIN1相对较小，故其两端的电压为整流后的输入电压VAC。输入电容CIN1确立了LLC谐振转换器两端的电压。谐振转换器以50％的占空比及固定的开关频率运行，且因变压器TR中次级绕组的匝数小于初级绕组的匝数，故谐振转换器将输入电容CIN1两端的电压调降至较低值。LLC转换器的开关频率是基于电池电压、电池电流和输入电压VAC决定，以向输入电容CIN2提供适当大小的交流电压。与输入电容CIN1类似，输入电容CIN2的值也相对较小。因此，电容CIN2两端的电压同样为整流及调降后的输入电压VAC。由于在AC/DC转换器中并无显著的能量存储，故两个电容电压皆依循输入电压VAC的波形形状。相较于使用大电容值将直流链维持在准固定值的***(例如图2A的电力***20)，此电力***可被看作具有软直流链。
马达驱动逆变器的第二及第三相位桥臂受到控制，以使流经第二及第三马达绕组的电流相等，其中流经第二及第三马达绕组的电流的和等于流经第一马达绕组的电流。流经马达绕组的电流的参考值依循输入电容CIN2上的电压波形形状。如上所述，输入电容CIN2上的电压为经整流后的正弦波。因此，若输入电容CIN2上的电压为零，则不会从中汲取电流。AC/DC转换器的输出侧的电压和电流波形为具有相同频率且相对齐的经整流后的正弦波。由于AC/DC转换器中并无显著的能量存储，故输入功率等于输出功率，使得AC/DC转换器的输入电流亦为经整流后的正弦波。因此，从电网汲取的输入电流与输入电压VAC具有相同的波形形状和角度，故此转换器产生了功率因数校正的特性。各相位绕组的电流参考值的大小取决于电池充电演算法。当电池耗尽电力时，电流参考值的大小为转换器的电力处理能力所能支持的最大值。而随着电池电量逐渐接近最大值，电流参考值的大小将逐渐降低至零。
为便于说明及定义本案技术内容，使用了例如“实质上”、“大约”、“略为”、“相对”等等用语来表示固有程度的不确定性，此不确定性可能由量化的比较、数值、感测等等因素造成。该些用语一般意指与一给定值或范围的偏差在10％、5％、1％或0.5％内，且该偏差并不会影响对应技术特征的基本功能。除非有另行特别说明，否则本案中所陈述的数值参数为可视为特定数值或其误差范围内的数值。
须注意，上述仅是为说明本案而提出的较佳实施例，本案不限于所述的实施例，本案的范围由如附权利要求决定。且本案得由熟习此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附权利要求所欲保护者。
附图标记列表
10：电力***
11：马达
12：马达驱动器
13：电池
14：车载充电器
15：AC输入
20：电力***
21：三相马达
22：马达驱动逆变器
23：电池
24：车载充电器
25：AC输入
R1、R2：继电器
S1、S2、S3、S4、S5、S6：开关
241：AC/DC PFC级
242：DC/DC转换级
D1、D2、D3、D4：整流二极管
LPFC：升压电感
SB1：升压开关
D5：升压二极管
CO,PFC：电容
VAC：输入电压
SINV1、SINV2：开关
LR：谐振电感
CR1、CR2：谐振电容
TR：变压器
DR1、DR2：整流二极管
CIN2：电容
30：电力***
31：马达
33：电池
34：马达驱动集成式车载充电器
35：AC输入
40：电力***
41：马达
42：马达驱动逆变器
43：电池
44：AC/DC转换器
45：AC电源输入
CIN1：输入电容
CO：链电容
50：电力***
51：马达
52：马达驱动逆变器
56：PFC电感
60：电力***
61：马达
63：电池
64：AC/DC转换器
70：电力***
71：马达
73：电池
74：AC/DC转换器
CB：缓冲电容
R3：继电器
DR3、DR4：二极管
CD1、CD2：电容
SINV3、SINV4：开关

Claims (29)

1.一种电动车的电力***，包含：
一AC/DC转换器；
一马达驱动器，包含一马达及一逆变器；
一功率因数校正(power factor correcting，PFC)电感，电连接于该AC/DC转换器与该马达驱动器之间；
一链电容，并联连接于该马达驱动器；
一第一继电器，连接于该PFC电感与该马达驱动器之间；以及
一第二继电器，其中一电池经由该第二继电器连接于该链电容。
2.如权利要求1所述的电力***，其中该马达包含多个相位，该逆变器包含多个相位桥臂，每一该相位的第一端连接于对应的该相位桥臂。
3.如权利要求2所述的电力***，其中该多个相位的第二端相连接于一中性点。
4.如权利要求2所述的电力***，其中该PFC电感经由该第一继电器连接于其中一个该相位桥臂。
5.如权利要求2所述的电力***，其中每一该相位桥臂包含两个开关，该PFC电感经由该第一继电器连接于其中一个该相位桥臂的该两个开关之间的一节点。
6.如权利要求1所述的电力***，其中在驱动模式下，该第一继电器关断，该第二继电器导通，该电池适于释放电能至该马达。
7.如权利要求1所述的电力***，其中在充电模式下，该第一继电器及该第二继电器皆导通，该电池被一AC电源充电。
8.如权利要求1所述的电力***，其中该AC/DC转换器包含一LLC串接谐振转换器，该LLC串接谐振转换器适于分别在其输入端及输出端接收AC电源及产生直流电能。
9.如权利要求1所述的电力***，其中该AD/DC转换器包含具有半桥逆变器及全桥整流器的一隔离式AC/DC整流器、具有全桥逆变器及全桥整流器的一隔离式AC/DC整流器、具有半桥逆变器及倍压整流器的一隔离式AC/DC整流器或具有半桥逆变器及倍压整流器的一隔离式AC/DC整流器。
10.一种电动车的电力***，包含：
一AC/DC转换器；
一马达驱动器，包含一马达及一逆变器，其中该马达包含多个相位，该逆变器包含多个相位桥臂，每一该相位连接于对应的该相位桥臂；
一PFC电感，电连接于该AC/DC转换器与该马达驱动器之间；
一链电容，并联连接于该马达驱动器；
一第一继电器，架构于可切换地将该多个相位桥臂中的第一相位桥臂连接于该多个相位中的第一相位或该PFC电感；以及
一第二继电器，架构于可切换地将一电池连接于该逆变器的正端或该第一相位。
11.如权利要求10所述的电力***，其中每一该相位桥臂包含两个开关，该第一相位桥臂的该两个开关之间具有一节点，该第一继电器连接于该PFC电感与该节点之间。
12.如权利要求11所述的电力***，其中该多个桥臂的一端相连接于一中性点。
13.如权利要求10所述的电力***，其中该第一及第二继电器包含单刀双掷继电器。
14.如权利要求10所述的电力***，其中在驱动模式下，该第一继电器将该第一相位桥臂连接于该马达的该第一相位，该第二继电器将该电池连接于该逆变器的该正端，该电池释放电能至该马达。
15.如权利要求10所述的电力***，其中在充电模式下，该第一继电器将该第一相位桥臂连接于该PFC电感，该第二继电器将该电池连接于该马达的该第一相位，该电池被一AC电源充电。
16.如权利要求10所述的电力***，其中该AC/DC转换器包含一LLC串接谐振转换器，该LLC串接谐振转换器适于分别在其输入端及输出端接收AC电源及产生直流电能。
17.如权利要求10所述的电力***，其中该AD/DC转换器包含具有半桥逆变器及全桥整流器的一隔离式AC/DC整流器、具有全桥逆变器及全桥整流器的一隔离式AC/DC整流器、具有半桥逆变器及倍压整流器的一隔离式AC/DC整流器或具有半桥逆变器及倍压整流器的一隔离式AC/DC整流器。
18.一种电动车的电力***，包含：
一AC/DC转换器；
一马达驱动器，包含一马达及一逆变器，其中该马达包含多个相位，该逆变器包含多个相位桥臂，每一该相位连接于对应的该相位桥臂；
一PFC电感，电连接于该AC/DC转换器与该马达驱动器之间；
一链电容，并联连接于该马达驱动器；
一第一继电器，连接于该多个相位桥臂中的第一相位桥臂与该多个相位中的第一相位之间；
一第二继电器，其中该第一相位桥臂与该PFC电感通过该第二继电器相互连接或断开连接，该第一相位与一缓冲电容通过该第二继电器相互连接或断开连接；以及
一第三继电器，其中一电池经由该第三继电器连接于该链电容。
19.如权利要求18所述的电力***，其中该第二继电器包含双刀双掷开关。
20.如权利要求18所述的电力***，其中在驱动模式下，该第一及第三继电器导通，该第二继电器导通，该电池释放电能至该马达。
21.如权利要求18所述的电力***，其中在充电模式下，该第二及第三继电器关断，该第一继电器导通，该电池被一AC电源充电。
22.一种电动车的电力***，包含：
一AC/DC转换器，分别在其输入端及输出端接收AC电源及产生直流电能；
一第一继电器，电连接于该AC/DC转换器的该输出端；
一马达，经由该第一继电器连接于该AC/DC转换器；
一马达驱动逆变器，连接于该马达；
一链电容，并联连接于该马达驱动逆变器；以及
一第二继电器，其中该链电容经由该第二继电器连接于一电池。
23.如权利要求22所述的电力***，其中在驱动模式下，该第一继电器关断，该第二继电器导通，该电池释放电能至该马达。
24.如权利要求22所述的电力***，其中在充电模式下，该第一继电器及该第二继电器皆导通，该电池被该AC电源充电。
25.如权利要求22所述的电力***，其中该马达包含多个相位桥臂，该多个相位桥臂的一端相连接于一中性点，该第一继电器连接于该中性点。
26.如权利要求22所述的电力***，还包含一第三继电器，其中该第三继电器电连接于该第一继电器、该马达及该马达驱动逆变器。
27.如权利要求26所述的电力***，其中该马达包含多个相位，该马达驱动逆变器包含多个相位桥臂，该马达的其中一个该相位经由该第三继电器连接于对应的该马达驱动逆变器的该相位桥臂。
28.如权利要求27所述的电力***，其中在驱动模式下，该第一继电器关断，该第二及第三继电器导通，该电池释放电能至该马达。
29.如权利要求27所述的电力***，其中在充电模式下，该第一及第二继电器导通，该第三继电器关断，该电池被该AC电源充电。
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