基于H桥和高频变压器的电动汽车充电与驱动集成变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于H桥和高频变压器的电动汽车充电与驱动集成变换器结构，该集成结构在充电拓扑的基础上设置了十五个开关，通过这十五个开关的通断，实现了充电和驱动两种电路结构，充电变换器中的磁组合变压器通过并联原边绕组重构成了电机驱动变换器中的升压变压器，充电变换器和驱动变换器共用了3个H桥。与现有技术相比，本发明专利技术集成的电机驱动拓扑中升压网络不需要额外附加功率管，而是采用了充电拓扑中的一个H桥，另外，通过附加一个电容，再加上充电拓扑本身器件便可重构成升压网络。电机驱动系统具有容错和单级升压能力，其容错控制不变，即不需要改变控制软件，容错后电机仍能满额运行。

Integrated converter for charging and driving of electric vehicle based on H bridge and high frequency transformer

The invention discloses an electric vehicle H bridge and high frequency transformer charging and driving integrated converter based on the structure of the integrated structure, set up fifteen switch based on charging topology, through the fifteen switch, the two charging and driving circuit, charging magnetic transformer in combination through the parallel primary winding to form the motor drive transformer converter, charging converter and driving converter uses 3 H bridge. Compared with the existing technology, boost network topology without need of additional power tube driving the integrated motor, but by charging a H bridge topology in addition, by adding a capacitor, plus charging device can form the topology itself boost network. Motor drive system with fault tolerance and single-stage boost ability, the fault-tolerant control is constant, does not need to change the control software, the motor can still run full tolerance.

【技术实现步骤摘要】
基于H桥和高频变压器的电动汽车充电与驱动集成变换器
本专利技术涉及电动汽车充电与驱动电力电子变换器领域，尤其涉及一种基于H桥和高频变压器的电动汽车充电与驱动变换器集成。
技术介绍
由于车载充电机被安装在电动汽车上，所以，不仅增加了电动汽车的体积、重量，还增加了整个电动汽车的成本。为了解决这个问题，引入了集成化技术。目前，根据集成的充电机是否具有电气隔离，分为两类：有隔离变压器和无隔离变压器的充电机。无隔离变压器的集成拓扑方案主要包括两种：第一种，如图1所示，充电拓扑和电机驱动拓扑共用电力电子变换器实现集成，这种结构见美国专利US8441229(B2)，即整流器和三相交错的DC/DC变换器。这种结构需要增加额外的电感器，体积大，成本高，控制复杂，不具有电气隔离，适用于中小功率的电动汽车。第二种，集成拓扑如图2所示，利用电机的线圈绕组作为充电拓扑的升压电感，不具有电气隔离，可靠性较差。有隔离变压器的集成方案有两种：第一种，如图3所示，利用特殊电机结构构成静止变压器，是工频变压器，损耗较大；第二种，如图4所示，是本课题组提出的集成方案(专利授权号为CN104670040B)，充电拓扑利用磁组合高频变压器的电气隔离提高了系统安全性，集成的阻抗源驱动拓扑利用三原边绕组并联的磁组合高频变压器大大提高了升压能力，其中，阻抗源网络需额外附加可控功率管，实现能量双向流动。集成的驱动拓扑虽具有容错功能，但是电机处于降额运行。另外，该方案还存在无源器件较多、驱动电路自身功耗大的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于研究一种基于H桥和高频变压器的电动汽车充电与驱动集成变换器，该集成变换器通过附加较少的器件减少自身功耗，而且集成的驱动变换器处于容错运行时，电机仍能满额运行，于是避免了电机降额运行。为实现上述目的，本专利技术一种基于H桥和高频变压器的电动汽车充电与驱动变换器集成结构，包括第一至第三整流器、第一至第三H桥高频逆变器、第一至第二电容、磁组合高频变压器、不控整流桥以及第一至第十五切换开关，第二电容两端分别接蓄电池的正极和负极；所述第一整流器第一输出端接第一切换开关的b端，第二输出端接第二切换开关的b端；所述第二整流器第一输出端接第三切换开关的b端，第二输出端接第四切换开关的b端；所述第三整流器第一输出端接第五切换开关的一端，第二输出端接第三H桥高频逆变器的第二输入端；所述第一切换开关的a端接第一H桥高频逆变器的第一输入端，第二切换开关的a端接第一H桥高频逆变器的第二输入端，第三切换开关的a端接第二H桥高频逆变器的第一输入端，第四切换开关的a端接第二H桥高频逆变器的第二输入端，第五切换开关的另一端接第三H桥高频逆变器的第一输入端；第一H桥高频逆变器的第一输出端接第六切换开关的b端，第一H桥高频逆变器的第二输出端接第七切换开关的b端，第二H桥高频逆变器的第一输出端接第八切换开关的b端，第二H桥高频逆变器的第二输出端接第九切换开关的b端，第三H桥高频逆变器的第一输出端接第十切换开关的b端，第三H桥高频逆变器的第二输出端接第十一切换开关的b端；第六切换开关的a端接高频变压器第一原边绕组的第一端，第七切换开关的a端接高频变压器第一原边绕组的第二端，第八切换开关的a端接高频变压器第二原边绕组的第一端，第九切换开关的a端接高频变压器第二原边绕组的第二端，第十切换开关的a端接高频变压器第三原边绕组的第一端，第十一切换开关的a端接高频变压器第三原边绕组的第二端；高频变压器副边绕组的第一端接第十三切换开关的第一路，高频变压器副边绕组的第二端接第十三切换开关的第二路；第十三切换开关的第一路的另一端接不控整流桥的第一输入端，第二路的另一端接不控整流桥的第二输入端；不控整流桥的第一输出端接第十二切换开关的b端，第二输出端接蓄电池负极；第十二切换开关的a端接蓄电池正极；第十二切换开关的c端接第三H桥高频逆变器的第二输入端；第十二切换开关的c端通过第一电容接高频变压器副边绕组的第一端；高频变压器副边绕组的第二端分别接第一切换开关、第三切换开关的c端；蓄电池负极分别接第二切换开关、第四切换开关的c端；第一H桥高频逆变器第一输出端通过第十四切换开关第一路接三相电机a相定子绕组出线端，第二输出端通过第十四切换开关第二路接三相电机b相定子绕组出线端；第二H桥高频逆变器第一输出端通过第十四切换开关第三路接三相电机c相定子绕组出线端；第二H桥高频逆变器第二输出端分别通过第十五切换开关接三相电机的三个定子绕组的出线端；当电动汽车充电与驱动集成拓扑处于充电模式时，所述第一至第四、第六至第十二切换开关的a端与b端相连，第五、第十三切换开关闭合；当电动汽车充电与驱动集成拓扑处于驱动模式时，即电机驱动系统正常运行时，所述第一至第四、第六至第十二切换开关的a端与c端相连，第五、第十三切换开关断开，第十四切换开关全部闭合，第十五切换开关全部断开；当驱动模式处于容错运行时，对应故障相的第十五切换开关闭合，第十四切换开关断开。当电动汽车处于驱动状态时，动力电池通过升压网络提高直流母线电压，然后经过两个H桥逆变器转换为三相交流电供给三相电机，驱动电机运转；其中升压网络包括一个H桥、第三电容和集成式的高频变压器；当电动汽车处于充电状态时，电网提供的三相交流电，经过三个不控整流桥、直流母线滤波电容(薄膜电容)、三个H桥高频逆变器、磁组合高频变压器以及输出的桥式整流电路和滤波电容转换为直流电供给动力电池进行充电。另外，充电拓扑本身具有功率因数校正功能。本专利技术巧妙之处在于，通过第一至十五开关的通断作用，其驱动拓扑几乎全部利用原充电拓扑器件，与现有技术相比，集成的驱动拓扑具有以下技术效果：1.电机驱动系统具有容错和单级升压能力，其容错控制不变，即不需要改变控制软件。2.只需要增加一个电容，再加上充电拓扑原有的器件便可重构成升压网络。3.驱动逆变器主电路中升压网络不需要额外附加功率管，而是采用了充电拓扑中的一个H桥，降低了硬件成本，也减少了充电电路自身的功率损耗。4.驱动系统容错运行时，电机仍能在额定情况下运行。附图说明图1是现有无隔离变压器的电动汽车充电与驱动集成方案一的电路原理图；图2是现有无隔离变压器的电动汽车充电与驱动集成方案二的电路原理图；图3是现有含隔离变压器的电动汽车充电与驱动集成方案一的电路原理图；图4是现有含隔离变压器的电动汽车充电与驱动集成方案二的电路原理图；图5是本专利技术提出的含隔离变压器的电动汽车充电与驱动集成拓扑结构；图6是本专利技术充电拓扑的原理图；图7是本专利技术电机驱动拓扑的原理图；图8是本专利技术充电拓扑A相输入电压电流仿真波形图；图9是本专利技术充电拓扑A相直流母线电压仿真波形图；图10是本专利技术充电拓扑负载输出电压仿真波形图；图11是本专利技术驱动拓扑直流母线电压仿真图；图12是本专利技术驱动拓扑直流母线电压展开图；图13是本专利技术驱动拓扑三相相电压仿真图；图14是本专利技术驱动拓扑三相定子电流、转子角频率、转矩仿真图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进一步的详细说明：如图5所示，一种基于H桥和高频变压器的电动汽车充电与驱动变换器集成结构，包括第一至第三整流器、第一至第三H桥高频逆变器、第一至第二电容、磁组合高频变压器、不控整流桥以及第一至第十五切换开关；第二电容两端分别接蓄电池的正极和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于H桥和高频变压器的电动汽车充电与驱动集成变换器结构，包括第一至第三整流器、第一至第三H桥高频逆变器、第一至第二电容、磁组合高频变压器和输出级不控整流桥，第二电容两端分别接蓄电池的正极和负极；其特征在于，还包括第一至第十五切换开关；所述第一整流器第一输出端接第一切换开关的b端，第二输出端接第二切换开关的b端；所述第二整流器第一输出端接第三切换开关的b端，第二输出端接第四切换开关的b端；所述第三整流器第一输出端接第五切换开关的一端，第二输出端接第三H桥高频逆变器的第二输入端；所述第一切换开关的a端接第一H桥高频逆变器的第一输入端，第二切换开关的a端接第一H桥高频逆变器的第二输入端，第三切换开关的a端接第二H桥高频逆变器的第一输入端，第四切换开关的a端接第二H桥高频逆变器的第二输入端，第五切换开关的另一端接第三H桥高频逆变器的第一输入端；第一H桥高频逆变器的第一输出端接第六切换开关的b端，第一H桥高频逆变器的第二输出端接第七切换开关的b端，第二H桥高频逆变器的第一输出端接第八切换开关的b端，第二H桥高频逆变器的第二输出端接第九切换开关的b端，第三H桥高频逆变器的第一输出端接第十切换开关的b端，第三H桥高频逆变器的第二输出端接第十一切换开关的b端；第六切换开关的a端接高频变压器第一原边绕组的第一端，第七切换开关的a端接高频变压器第一原边绕组的第二端，第八切换开关的a端接高频变压器第二原边绕组的第一端，第九切换开关的a端接高频变压器第二原边绕组的第二端，第十切换开关的a端接高频变压器第三原边绕组的第一端，第十一切换开关的a端接高频变压器第三原边绕组的第二端；高频变压器副边绕组的第一端接第十三切换开关的第一路，高频变压器副边绕组的第二端接第十三切换开关的第二路；第十三切换开关的第一路的另一端接不控整流桥的第一输入端，第二路的另一端接不控整流桥的第二输入端；不控整流桥的第一输出端接第十二切换开关的b端，第二输出端接蓄电池负极；第十二切换开关的a端接蓄电池正极；第十二切换开关的c端接第三H桥高频逆变器的第二输入端；第十二切换开关的c端通过第一电容接高频变压器副边绕组的第一端；高频变压器副边绕组的第二端分别接第一切换开关、第三切换开关的c端；蓄电池负极分别接第二切换开关、第四切换开关的c端；第一H桥高频逆变器第一输出端通过第十四切换开关第一路接三相电机a相定子绕组出线端，第二输出端通过第十四切换开关第二路接三相电机b相定子绕组出线端；第二H桥高频逆变器第一输出端通过第十四切换开关第三路接三相电机c相定子绕组出线端；第二H桥高频逆变器第二输出端分别通过第十五切换开关接三相电机的三个定子绕组的出线端；当电动汽车充电与驱动集成拓扑处于充电模式时，所述第一至第四、第六至第十二切换开关的a端与b端相连，第五、第十三切换开关闭合；当电动汽车充电与驱动集成拓扑处于驱动模式时，所述第一至第四、第六至第十二切换开关的a端与c端相连，第五、第十三切换开关断开，第十四切换开关全部闭合，第十五切换开关全部断开；当驱动模式处于容错运行时，对应故障相的第十五切换开关闭合，第十四切换开关断开。...

【技术特征摘要】
1.一种基于H桥和高频变压器的电动汽车充电与驱动集成变换器结构，包括第一至第三整流器、第一至第三H桥高频逆变器、第一至第二电容、磁组合高频变压器和输出级不控整流桥，第二电容两端分别接蓄电池的正极和负极；其特征在于，还包括第一至第十五切换开关；所述第一整流器第一输出端接第一切换开关的b端，第二输出端接第二切换开关的b端；所述第二整流器第一输出端接第三切换开关的b端，第二输出端接第四切换开关的b端；所述第三整流器第一输出端接第五切换开关的一端，第二输出端接第三H桥高频逆变器的第二输入端；所述第一切换开关的a端接第一H桥高频逆变器的第一输入端，第二切换开关的a端接第一H桥高频逆变器的第二输入端，第三切换开关的a端接第二H桥高频逆变器的第一输入端，第四切换开关的a端接第二H桥高频逆变器的第二输入端，第五切换开关的另一端接第三H桥高频逆变器的第一输入端；第一H桥高频逆变器的第一输出端接第六切换开关的b端，第一H桥高频逆变器的第二输出端接第七切换开关的b端，第二H桥高频逆变器的第一输出端接第八切换开关的b端，第二H桥高频逆变器的第二输出端接第九切换开关的b端，第三H桥高频逆变器的第一输出端接第十切换开关的b端，第三H桥高频逆变器的第二输出端接第十一切换开关的b端；第六切换开关的a端接高频变压器第一原边绕组的第一端，第七切换开关的a端接高频变压器第一原边绕组的第二端，第八切换开关的a端接高频变压器第二原边绕组的第一端，第九切换开关的a端接高频变压器第二原边绕组的第二端，第十切换开关的a端接高频变压器第三原边绕组的第一端，第十一切换开关的a端接高频变压器第三原边绕组的第二端；高频变压器副边绕组的第一端接第十三切换开关的第一路，高...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春杰，李洪美，夏正龙，闫俊荣，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32