專利名稱：一種電動汽車能量源系統結構的制作方法
技術領域：
本發明涉 及電力電子功率變換技術領域，特別涉及一種電動汽車能量源系統結構。
背景技術：
在石油資源日益緊張和綠色環保不斷重視的雙重約束下，電動汽車取代傳統的燃油汽車已經是一個不可阻擋的趨勢。以蓄電池、燃料電池和超級電容作為電動汽車能量源，以交流電動機作為驅動部件的基本架構業已成熟。而能量源的有限直流電能如何安全、高效地轉換成電動汽車的驅動力，是電動汽車領域的研究熱點和難點。驅動電動汽車的電動機額定電壓為幾百伏，將低壓蓄電池串聯可以獲得較高的直流母線電壓，但同時客觀地存在以下幾個問題(1)蓄電池的串聯，容易引起某些串聯單元的過充和過放問題，需要額外配備復雜的充放電均衡設備；(2)任何一個串聯單元的異常，將導致整個能量源系統異常甚至癱瘓；(3)串聯蓄電池組相當于一個高壓直流電源，即使在電動汽車發生交通事故情況下仍可能處于高電壓狀態，這極易對已發生事故的乘客造成觸電的二次危害。因此，從電動汽車的經濟性、可靠性和安全性問題出發，利用電力電子變換技術來改進現有的電動汽車能量源系統，具有重要的經濟價值和社會價值。

發明內容
為了避免配備復雜的充放電均衡設備、系統異常和癱瘓，提高安全性，本發明提出了一種電動汽車能量源系統結構，詳見下文描述一種電動汽車能量源系統結構，包括電機控制器，所述電機控制器控制三相逆變器的輸出電壓、頻率和幅值，所述三相逆變器控制三相交流電動機，所述三相交流電動機驅動電動汽車車輪；所述電機控制器控制電動汽車控制單元，所述電動汽車控制單元通過蓄電池管理單元和能量雙向流動控制器控制η個36伏蓄電池的能量流動，每個所述36伏蓄電池連接復合雙向三電平直流變換器的低壓直流側；所述復合雙向三電平直流變換器的高壓側輸出425伏高壓直流母線電壓至所述三相逆變器；其中，所述復合雙向三電平直流變換器包括低壓直流側濾波電容、高壓直流側第一濾波電容、高壓直流側第二濾波電容、第一續流二極管、第二續流二極管、第三續流二極管、第四續流二極管、第五續流二極管、第六續流二極管、第七續流二極管、第八續流二極管、第一箝位二極管、第二箝位二極管、第三箝位二極管、第四箝位二極管、第一可控功率開關、第二可控功率開關、第三可控功率開關、第四可控功率開關、第五可控功率開關、第六可控功率開關、第七可控功率開關、第八可控功率開關、高壓直流側母線電壓、低壓直流側母線電壓和儲能電感，所述三電平雙向直流變換器由2個半橋構成，所述低壓直流側母線電壓的正極性端分別與所述儲能電感的一端和所述低壓直流側濾波電容的一端相連，所述低壓直流側母線電壓的負極性端分別與所述低壓直流側濾波電容的另一端和右半橋的中點相連；所述儲能電感的另一端連接左半橋的中點，所述左半橋的中點分別與所述第二續流二極管的陽極、所述第二可控功率開關的發射極、所述第三可控功率開關的集電極和所述第三續流二極管的陰極相連；所述第二續流二極管的陰極分別與所述第二可控功率開關的集電極、所述第一可控功率開關的發射極、所述第一續流二極管的陽極和所述第一箝位二極管的陰極相連；所述第一續流二極管的陰極分別與所述第一可控功率開關的集電極、所述第五可控功率開關的集電極、所述第五續流二極管的陰極、所述高壓直流側第一濾波電容的一端和所述高壓直流側母線電壓的正極性端相連；所述第三續流二極管的陽極分別與所述第三可控功率開關的發射極、所述第四可控功率開關的集電極、所述第四續流二極管的陰極和所述第二箝位二極管的陽極相連；所述第二箝位二極管的陰極分別與所述第一箝位二極管的陽極、所述第三箝位二極管的陽極、所述第四箝位二極管的陰極、所述高壓直流側第一濾波電容的另一端和所述高壓直流側第二濾波電容的一端相連；所述第四續流二極管的陽極分別與所述第四可控功率開關的發射極、所述第八可控功率開關的發射極、所述第八續流二極管的陽極、所述高壓直流側第二濾波電容的另一端和所述高壓直流側母線電壓的負極性端相連；所述第五續流二極管的陽極分別與所述第五可控功率開關的 發射極、所述第三箝位二極管的陰極、所述第六可控功率開關的集電極和所述第六續流二極管的陰極相連；所述第四箝位二極管的陽極分別與所述第七可控功率開關的發射極、所述第八可控功率開關的集電極、所述第七續流二極管的陽極和所述第八續流二極管的陰極相連；所述第七續流二極管的陰極、所述第七可控功率開關的集電極、所述第六可控功率開關的發射極和所述第六續流二極管的陽極同時連接所述右半橋的中點。所述第一可控功率開關、所述第二可控功率開關、所述第三可控功率開關、所述第四可控功率開關、所述第五可控功率開關、所述第六可控功率開關、所述第七可控功率開關和所述第八可控功率開關具體為低耐壓的可控功率開關。本發明提供的技術方案的有益效果是本發明可以在電動汽車異常狀態下柔性封鎖復合雙向三電平直流變換器的工作，消除高壓直流母線在事故狀態下的危害性，而各個低壓蓄電池為安全電壓，“落后”電池的出力影響程度要遠遠小于蓄電池組串聯方式；本發明通過復合雙向三電平直流變換器，將蓄電池組間的電壓、電流解耦，單個蓄電池的輸出電壓、電流完全通過復合雙向三電平直流變換器的緩沖而消除相互間的制約關系，可以最大程度地利用有限的能量源；本發明避免了配備復雜的充放電均衡設備、系統異常和癱瘓，提高了安全性。


圖I是本發明提供的一種電動汽車能量源系統結構的示意圖；圖2是本發明提供的復合雙向三電平直流變換器的電路示意圖。附圖中，各標號所代表的部件列表如下Uhigh :高壓直流側母線電壓；Ulov :低壓直流側母線電壓；Cfl :低壓直流側濾波電容；Cf2 :高壓直流側第一濾波電容；Cf3 :高壓直流側第二濾波電容； S1 :第一可控功率開關；S2:第二可控功率開關；S3:第三可控功率開關；S4:第四可控功率開關；S5:第五可控功率開關；
S6:第六可控功率開關；S7:第七可控功率開關；S8:第八可控功率開關；Lf:儲能電感；Dcl :第一箝位二極管；Dci2 :第二箝位二極管；Dc3 :第三箝位二極管；Dc4:第四箝位二極管；D1 :第一續流二極管；D2 :第二續流二極管；D3:第三續流二極管；D4:第四續流二極管；D5 :第五續流二極管；D6 :第六續流二極管；D7:第七續流二極管；D8:第八續流二極管。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。為了避免配備復雜的充放電均衡設備、系統異常和癱瘓，提高安全性，本發明實施例提出了一種電動汽車能量源系統結構，參見圖I和圖2，詳見下文描述人體的安全電壓為36V直流電壓，同時為了能夠獲得與串聯蓄電池組相同的能量源功率，需要將多個36V蓄電池“并聯”。而蓄電池之間存在著差異性，蓄電池的直接并聯會給蓄電池帶來致命的影響；另外，低壓蓄電池與所要求的高壓直流母線電壓間存在著電壓等級匹配懸殊問題，并且電動汽車制動、下坡產生的能量需要回收。鑒于此，本發明實施例擬通過一種復合雙向三電平直流變換器，將一組獨立的低壓蓄電池分別通過該種變換器“并聯”到高壓直流母線側，進而構成電動汽車的低壓電源-高壓驅動的能量源系統，這對于解決當前電動汽車的經濟性、可靠性和安全性問題具有重要的意義。一種電動汽車能量源系統結構，包括電機控制器，電機控制器控制三相逆變器的輸出電壓、頻率和幅值，三相逆變器控制三相交流電動機，三相交流電動機驅動電動汽車車輪；電機控制器控制電動汽車控制單元，電動汽車控制單元通過蓄電池管理單元和能量雙向流動控制器控制η個36伏蓄電池的能量流動；每個36伏蓄電池連接復合雙向三電平直流變換器的低壓直流側；復合雙向三電平直流變換器的高壓側輸出425伏高壓直流母線電壓至三相逆變器。其中，復合雙向三電平直流變換器，包括低壓直流側濾波電容Cfl、高壓直流側第一濾波電容Cf2、高壓直流側第二濾波電容Cf3、第一續流二極管D1、第二續流二極管D2、第三續流二極管D3、第四續流二極管D4、第五續流二極管D5、第六續流二極管D6、第七續流二極管D7、第八續流二極管D8、第一箝位二極管Dcl、第二箝位二極管De2、第三箝位二極管De3、第四箝位二極管De4、第一可控功率開關S1、第二可控功率開關S2、第三可控功率開關S3、第四可控功率開關S4、第五可控功率開關S5、第六可控功率開關S6、第七可控功率開關S7、第八可控功率開關S8、高壓直流側母線電壓Uhigh、低壓直流側母線電壓U1ot和儲能電感Lf，復合雙向三電平直流變換器由2個半橋構成，低壓直流側母線電壓Ulov的正極性端分別與儲能電感Lf的一端和低壓直流側濾波電容Cfl的一端相連，低壓直流側母線電壓Ulow的負極性端分別與低壓直流側濾波電容Cfl的另一端和右半橋的中點b相連；儲能電感Lf的另一端連接左半橋的中點a，左半橋的中點a分別與第二續流二極管D2的陽極、第二可控功率開關S2的發射極、第三可控功率開關S3的集電極和第三續流二極管D3的陰極相連；第二續流二極管D2的陰極分別與第二可控功率開關S2的集電極、第一可控功率開關S1的發射極、第一續流二極管D1的陽極和第一箝位二極管Dca的陰極相連；第一續流二極管01的陰極分別與第一可控功率開關S1的集電極、第五可控功率開關S5的集電極、第五續流二極管D5的陰極、高壓直流側第一濾波電容Cf2的一端和高壓直流側母線電壓Uhigh的正極性端相連；第三續流二極管D3的陽極分別與第三可控功率開關S3的發射極、第四可控功率開關S4的集電極、第四續流二極管D4的陰極和第二箝位二極管De2的陽極相連；第二箝位二極管Dc2的陰極分別與第一箝位二極管Dcl的陽極、第三箝位二極管De3的陽極、第四箝位二極管Dc4的陰極、高壓直流側第一濾波電容Cf2的另一端和高壓直流側第二濾波電容Cf3的一端相連；第四續流二極管D4的陽極分別與第四可控功率開關S4的發射極、八可控功率開關S8的發射極、第八續流二極管D8的陽極、高壓直流側第二濾波電容Cf3的另一端和高壓直流側母線電壓Uhigh的負極性端相連；第五續流二極管D5的陽極分別與第五可控功率開關S5的發射極、第三箝位二極管De3的陰極、第六可控功率開關S6的集電極和第六續流二極管D6的陰極相連；第四箝位二極管De4的陽極分別與第七可控功率開關S7的發射極、第八可控功率開
關S8的集電極、第七續流二極管D7的陽極和第八續流二極管D8的陰極相連；第七續流二極管D7的陰極、第七可控功率開關S7的集電極、第六可控功率開關S6的發射極和第六續流二極管D6的陽極同時連接右半橋的中點b。進一步地，為了降低可控功率開關的損耗，本發明實施例優選低耐壓的可控功率開關。本發明實施例中的每個半橋由四個能量可雙向流動的可控功率開關(反并聯續流二極管)串聯構成，每個半橋的中點為輸入或輸出端，每個功率器件的電壓應力為高壓直流側電壓的一半。本發明實施例基于復合雙向三電平直流變換器，將大功率低壓(36V安全電壓)蓄電池并聯到高壓(425V)直流母線端。因此，高低壓之間的電壓增益M = 425/36=11. 8，復合雙向三電平直流變換器可以實現非極端占空比的高電壓增益運行，電壓增益越高，功率開關的占空比越接近O. 5，從而低壓蓄電池和雙向三電平直流變換器構成能量單元，如圖I所
/Jn ο為了滿足電動汽車所需功率的要求，將多個能量單元(Γη)并聯到高壓直流母線端。電動汽車控制單元通過蓄電池管理單元監控36伏蓄電池的工作狀態，得到能量管理信號，進而通過能量雙向流動控制器，控制復合雙向三電平直流變換器的能量流動方向，構成“低壓電源-高壓驅動的能量源系統結構”如圖I所示，既能為驅動車輪的三相交流電動機提供可靠的直流母線電壓，又能回收電動汽車回饋的能量。當電動汽車發生交通事故時，通過電動汽車控制單元發出封鎖信號，使復合雙向三電平直流變換器和三相逆變器停止工作，以毫秒級的速度將各36伏蓄電池與高壓直流母線脫離，進而消除直流母線的高電壓狀態。其中，基于復合雙向三電平直流變換器的高電壓增益、非極端占空比運行特性，將各個36V安全電壓等級的蓄電池作為復合變換器的低壓端，高壓端并聯到425V高壓直流母線側。低壓蓄電池通過變換器的大比例升壓，將能量集中到直流母線以供三相交流電動機驅動車輪；能量回饋時高壓直流母線側能量通過變換器大比例降壓，分別給各低壓蓄電池充電。在電動汽車異常情況下，電動汽車控制單元柔性封鎖復合變換器和逆變器運行而快速消除高壓直流母線電壓。
綜上所述，本發明實施例提供了一種電動汽車能量源系統結構，本發明實施例可以在電動汽車異常狀態下柔性封鎖復合雙向三電平直流變換器的工作，消除高壓直流母線在事故狀態下的危害性，而各個低壓蓄電池為安全電壓，“落后”電池的出力影響程度要遠遠小于蓄電池組串聯方式；本發明實施例通過復合雙向三電平直流變換器，將蓄電池組間的電壓、電流解耦，單個蓄電池的輸出電壓、電流完全通過復合雙向三電平直流變換器的緩沖而消除相互間的制約關系，可以最大程度地利用有限的能量源；本發明避免了配備復雜的充放電均衡設備、系統異常和癱瘓，提高了安全性。 本領域技術人員可以理解附圖只是一個優選實施例的示意圖，上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種電動汽車能量源系統結構，包括電機控制器，所述電機控制器控制三相逆變器的輸出電壓、頻率和幅值，所述三相逆變器控制三相交流電動機，所述三相交流電動機驅動電動汽車車輪；所述電機控制器控制電動汽車控制單元，所述電動汽車控制單元通過蓄電池管理單元和能量雙向流動控制器控制n個36伏蓄電池的能量流動，其特征在于， 每個所述36伏蓄電池連接復合雙向三電平直流變換器的低壓直流側；所述復合雙向三電平直流變換器的高壓側輸出425伏高壓直流母線電壓至所述三相逆變器；其中， 所述復合雙向三電平直流變換器包括低壓直流側濾波電容(Cfl)、高壓直流側第一濾波電容(Cf2)、高壓直流側第二濾波電容(Cf3)、第一續流二極管(D1)、第二續流二極管(D2)、第三續流二極管(D3)、第四續流二極管(D4)、第五續流二極管(D5)、第六續流二極管(D6)、第七續流二極管(D7)、第八續流二極管(D8)、第一箝位二極管(Dca)、第二箝位二極管(DJ、第三箝位二極管(DJ、第四箝位二極管(DJ、第一可控功率開關(S1X第二可控功率開關(S2)、第三可控功率開關(S3)、第四可控功率開關(S4)、第五可控功率開關(S5)、第六可控功 率開關(S6)、第七可控功率開關(S7)、第八可控功率開關(S8)、高壓直流側母線電壓(Uhigh)、低壓直流側母線電壓(Ulw)和儲能電感(Lf)， 所述三電平雙向直流變換器由2個半橋構成，所述低壓直流側母線電壓(U1ot)的正極性端分別與所述儲能電感(Lf)的一端和所述低壓直流側濾波電容(Cfl)的一端相連，所述低壓直流側母線電壓(Ulw)的負極性端分別與所述低壓直流側濾波電容(Cfl)的另一端和右半橋的中點(b)相連；所述儲能電感(Lf)的另一端連接左半橋的中點(a)，所述左半橋的中點(a)分別與所述第二續流二極管(D2)的陽極、所述第二可控功率開關(S2)的發射極、所述第三可控功率開關(S3)的集電極和所述第三續流二極管(D3)的陰極相連；所述第二續流二極管(D2)的陰極分別與所述第二可控功率開關(S2)的集電極、所述第一可控功率開關(S1)的發射極、所述第一續流二極管(D1)的陽極和所述第一箝位二極管(Dca)的陰極相連；所述第一續流二極管(D1)的陰極分別與所述第一可控功率開關(S1)的集電極、所述第五可控功率開關(S5)的集電極、所述第五續流二極管(D5)的陰極、所述高壓直流側第一濾波電容(Cf2)的一端和所述高壓直流側母線電壓(Uhigh)的正極性端相連；所述第三續流二極管(D3)的陽極分別與所述第三可控功率開關(S3)的發射極、所述第四可控功率開關(S4)的集電極、所述第四續流二極管(D4)的陰極和所述第二箝位二極管(De2)的陽極相連；所述第二箝位二極管(De2)的陰極分別與所述第一箝位二極管(Dca)的陽極、所述第三箝位二極管(De3)的陽極、所述第四箝位二極管(De4)的陰極、所述高壓直流側第一濾波電容(Cf2)的另一端和所述高壓直流側第二濾波電容(Cf3)的一端相連；所述第四續流二極管(D4)的陽極分別與所述第四可控功率開關(S4)的發射極、所述第八可控功率開關(S8)的發射極、所述第八續流二極管(D8)的陽極、所述高壓直流側第二濾波電容(Cf3)的另一端和所述高壓直流側母線電壓(Uhigh)的負極性端相連；所述第五續流二極管(D5)的陽極分別與所述第五可控功率開關(S5)的發射極、所述第三箝位二極管(De3)的陰極、所述第六可控功率開關(S6)的集電極和所述第六續流二極管(D6)的陰極相連；所述第四箝位二極管(De4)的陽極分別與所述第七可控功率開關(S7)的發射極、所述第八可控功率開關(S8)的集電極、所述第七續流二極管(D7)的陽極和所述第八續流二極管(D8)的陰極相連；所述第七續流二極管(D7)的陰極、所述第七可控功率開關(S7)的集電極、所述第六可控功率開關(S6)的發射極和所述第六續流二極管(D6)的陽極同時連接所述右半橋的中點(b)。
2.根據權利要求I所述的ー種電動汽車能量源系統結構，其特征在于，所述第一可控功率開關(S1X所述第二可控功率開關(S2)、所述第三可控功率開關(S3)、所述第四可控功率開關(S4)、所述第五可控功率開關(S5)、所述第六可控功率開關(S6)、所述第七可控功率開關(S7)和所述第八可控功率開關(S8)具體為低耐壓的可控功率開關。
全文摘要
本發明公開了一種電動汽車能量源系統結構，涉及電力電子功率變換技術領域，包括電機控制器，電機控制器控制三相逆變器的輸出電壓、頻率和幅值，三相逆變器控制三相交流電動機，三相交流電動機驅動電動汽車車輪；電機控制器控制電動汽車控制單元，電動汽車控制單元通過蓄電池管理單元和能量雙向流動控制器控制n個36伏蓄電池的能量流動，每個所述36伏蓄電池連接復合雙向三電平直流變換器的低壓直流側；所述復合雙向三電平直流變換器的高壓側輸出425伏高壓直流母線電壓至所述三相逆變器。本發明避免了配備復雜的充放電均衡設備、系統異常和癱瘓，提高了安全性。
文檔編號B60L15/00GK102848931SQ20121034505
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月14日 優先權日2012年9月14日
發明者張云, 邵虹君 申請人:天津大學