本發(fā)明涉及一種用于EV(ElectricVehicle，電動(dòng)汽車)和PHEV(Plug-inHybridElectricVehicle，充電式混合電動(dòng)汽車)的車載型充電裝置，尤其涉及一種可集成驅(qū)動(dòng)和充電功能的集成驅(qū)動(dòng)/充電裝置。

背景技術(shù)：
EV(ElectricVehicle，電動(dòng)汽車)和PHEV(Plug-inHybridElectricVehicle，充電式混合電動(dòng)汽車)的發(fā)展越來越受到人們的關(guān)注，相比較于傳統(tǒng)的汽車來說，EV和PHEV使用電能作為驅(qū)動(dòng)的源泉，不再依賴于化石能源，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)零排放(低排放)，有利于環(huán)境，是未來的發(fā)展方向。在EV和PHEV中，電池是一個(gè)非常重要的部件，而電池的性能和壽命不僅僅取決于電池所使用的原材料，也取決于充電的方式。目前主要有兩種形式的電動(dòng)汽車充電器，一種為on-board(車載)類型，通常功率較小，無隔離，滿足常規(guī)充電(6到8小時(shí))需求；而另一種則為off-board(非車載)類型，功率較大，一般有隔離，滿足快速充電(10到15分鐘)需求。典型EV的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，只有一套電池/電機(jī)系統(tǒng)，電池作為汽車的動(dòng)力源，通過變換器來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。EV的核心控制部分具有2個(gè)控制單元、電池控制單元以及變換器控制單元。典型的PHEV具有2套動(dòng)力裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，一套為傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，另一套為電池/電機(jī)系統(tǒng)，與普通的HEV(HybridElectricVehicle，混合電動(dòng)汽車)不同的是，PHEV的電池可以通過外部電源充電。除了電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的控制系統(tǒng)，還有一個(gè)系統(tǒng)控制器，完成包括充電以及能量管理的任務(wù)。在EV和PHEV中，都有電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器這個(gè)部件來確保電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電機(jī)的機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)汽車行駛。而由于電池的存在，一般都需要充電器對(duì)電池進(jìn)行能量的補(bǔ)充，如前所述，On-board類型充電器功率小，一般隨時(shí)攜帶在車內(nèi)，因此要求其體積小，成本低，使用簡單方便。為了達(dá)成此目標(biāo)，很多學(xué)者討論了將充電器與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器集成在一起的可能性，從而使用一套硬件平臺(tái)，在不同時(shí)段滿足驅(qū)動(dòng)和充電的雙重功能。WallyE.Rippel等人在公開號(hào)為US4920475A、題為“IntegratedTractionInverterandBatteryChargerApparatus”的美國專利中公開了一種使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的3相2電平全橋變換器與外置的電感及整流橋構(gòu)成Boost充電器的概念，在對(duì)電池充電的同時(shí)保持輸入側(cè)高功率因數(shù)。AlanG.Cocconi等人在公開號(hào)為US5341075A、題為“CombinedMotorDriveandBatteryRechargeSystem”的美國專利中進(jìn)一步使用電機(jī)的繞組作為電感，再與3相2電平全橋變換器器形成Boost電路，通過使用2個(gè)開關(guān)來切斷/連接變換器和電機(jī)的繞組，從而在驅(qū)動(dòng)和充電的功能之間切換。WallyE.Rippel等人在公開號(hào)為US5099186A、題為“IntegratedMotorDriveandRechargeSystem.”的美國專利中提出使用2套變換器和2臺(tái)電機(jī)(或者一臺(tái)電機(jī)2套繞組)來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器與充電器之間的集成。其思想為電機(jī)的三相繞組同時(shí)作為輸入電感，這樣可以保證三相繞組內(nèi)的電流方向一致，防止出現(xiàn)不期望的轉(zhuǎn)矩，這種思想可以用于2輪驅(qū)動(dòng)的EV或PHEV中。S.J.Lee等人在“AnIntegralBatteryChargerfor4WheelDriveElectricVehicle.”(IEEETrans.Ind.Electron.,Vol.57,No.2,641–648,2010.6.)中提出使用4套變換器以及4臺(tái)電機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器/充電器集成系統(tǒng)，通過一個(gè)切換開關(guān)可以完成驅(qū)動(dòng)和充電功能之間的轉(zhuǎn)換，適用于4輪驅(qū)動(dòng)的EV和PHEV中。另外，也有一些方案采用了特殊的電機(jī)結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步有效利用電機(jī)繞組的電感，從而實(shí)現(xiàn)單相或者3相的充電器與驅(qū)動(dòng)器的集成，使用split繞組電機(jī)的系統(tǒng)，其思想是使用定子繞組的中心抽頭作為輸入，3相定子繞組變?yōu)?個(gè)電感，從而構(gòu)成2個(gè)3相充電器(或者是1個(gè)單相充電器)；使用繞線型轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成了一個(gè)隔離的變壓器，從而實(shí)現(xiàn)了隔離式充電器系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于三電平變換器的集成驅(qū)動(dòng)/充電裝置，將充電器與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器集成在一起，可在不同時(shí)段滿足驅(qū)動(dòng)和充電的雙重功能，又能提高系統(tǒng)效率，降低共模電壓。本發(fā)明提供一種集成驅(qū)動(dòng)/充電裝置，包括：電池，適于在充電模式下被充電、在工作模式下供電；三電平變換器，其直流側(cè)連接到所述電池的正負(fù)極，其交流側(cè)具有三個(gè)端口，所述三電平變換器適于提供直流交流的相互轉(zhuǎn)換；三相電機(jī)，具有三個(gè)繞組；開關(guān)，具有至少三個(gè)接線端，適于在閉合時(shí)使得所述至少三個(gè)接線端之間電連接，且在打開時(shí)使得所述至少三個(gè)接線端之間彼此電隔離；其中所述三個(gè)繞組的一端分別連接到所述開關(guān)的至少三個(gè)接線端中的三個(gè)接線端，其中兩個(gè)繞組連接到所述開關(guān)的該端還分別適于連接到外部電源的火線和零線，所述三個(gè)繞組的另一端分別連接到所述三電平變換器的交流側(cè)的三個(gè)端口。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，還包括位于電源與開關(guān)之間的電磁濾波器。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，其中當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，控制電磁濾波器，使電磁濾波器將電源與開關(guān)斷開，當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，控制電磁濾波器，使電磁濾波器將電源與開關(guān)連接。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，其中所述開關(guān)為單相接觸器。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，其中所述開關(guān)閉合時(shí)，所述集成驅(qū)動(dòng)/充電裝置處于工作模式。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，其中所述開關(guān)打開時(shí)，所述集成驅(qū)動(dòng)/充電裝置處于充電模式。本發(fā)明還提供一種電氣控制系統(tǒng)，包括：1)系統(tǒng)控制器；2)上述集成驅(qū)動(dòng)/充電裝置；3)三電平變換器控制器；其中系統(tǒng)控制器向三電平變換器控制器發(fā)出電池充電和放電的命令，三電平變換器控制器根據(jù)收到的系統(tǒng)控制器的命令控制集成驅(qū)動(dòng)/充電裝置中的三電平變換器和單相接觸器，實(shí)現(xiàn)電池在工作/充電模式之間的切換。根據(jù)本發(fā)明提供系統(tǒng)，其中所述三相電機(jī)上具有速度/位置傳感器，所述速度/位置傳感器向三電平變換器控制器發(fā)送三相電機(jī)的速度和位置信息，其中當(dāng)速度/位置傳感器發(fā)送的信息顯示電機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中時(shí)，則三電平變換器控制器不執(zhí)行從工作模式向充電模式的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明還提供一種電動(dòng)汽車，具有上述的集成驅(qū)動(dòng)/充電裝置。本發(fā)明還提供一種充電式混合電動(dòng)汽車，具有上述的集成驅(qū)動(dòng)/充電裝置。本發(fā)明提供的基于三電平變換器的集成驅(qū)動(dòng)/充電裝置，能夠?qū)⒊潆娖髋c電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器集成在一起，充電時(shí)不會(huì)形成旋轉(zhuǎn)磁場造成不期望的轉(zhuǎn)矩，很容易實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，同時(shí)還具有能量可以雙向流動(dòng)的特點(diǎn)，除了通過電網(wǎng)向電池充電外，還可以實(shí)現(xiàn)電池能量回饋電網(wǎng)，即V2G(VehicletoGrid)的功能。附圖說明以下參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說明，其中：圖1為EV的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為PHEV的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的裝置的電路圖；圖4為實(shí)施例1中的單相接觸器的電路圖；圖5為充電模式下根據(jù)本發(fā)明的裝置的電路圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式本發(fā)明提供一種集成驅(qū)動(dòng)/充電裝置，其電路圖如圖3所示，包括：電池，適于在充電模式下被充電、在工作模式下驅(qū)動(dòng)電機(jī)；三電平變換器1，適于提供直流交流的相互轉(zhuǎn)換，其直流側(cè)連接到電池的正負(fù)極，其中三電平變換器的正極連接到電池的正極，三電平變換器的負(fù)極連接到電池的負(fù)極，三電平變換器1的交流側(cè)具有三個(gè)端口；三相電機(jī)2，具有三相繞組L1、L2和L3；開關(guān)S；電磁濾波器(EMIfilter)，位于電源與開關(guān)S之間；其中三相繞組L1、L2和L3的一端分別連接到開關(guān)S，開關(guān)S的具體電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，三相繞組L1、L2和L3連接到開關(guān)S的這一端為中性點(diǎn)，另外繞組L1、L3的中性點(diǎn)這一端還分別通過電磁濾波器連接到外部電源3的火線、零線。這里選擇L1、L3連接到外部電源3僅是為了方便說明，連接到外部電源3的正負(fù)極的繞組可以是三相繞組中的任意兩個(gè)繞組。三相繞組L1、L2和L3的與中性點(diǎn)一端相反的另一端分別連接到三電平變換器的交流側(cè)的三個(gè)端口，其中開關(guān)S為如圖4所示的單相接觸器，當(dāng)開關(guān)S閉合(即單相接觸器吸合，T1與T2電連接，T3與T4電連接)時(shí)，三相繞組L2與三相繞組L1、L3短接在一起構(gòu)成中性點(diǎn)，同時(shí)控制電磁濾波器，使電磁濾波器將三相繞組L1、L3的中性點(diǎn)一端與外部電源斷開，此時(shí)電池通過三電平變換器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。而當(dāng)開關(guān)S打開(即單相接觸器斷開，T1與T2斷開，T3與T4斷開)時(shí)，三相繞組L1、L2和L3相互之間各自分別斷開，同時(shí)控制電磁濾波器使三相繞組L1、L3的中性點(diǎn)一端與外部電源3連接，從而使外部電源3被接入電路。此時(shí)，繞組L1、L3與三電平變換器的A相、C相橋臂構(gòu)成單相三電平整流電路，其等效電路圖如圖5所示，即處于充電模式，電源通過該單相三電平整流電路對(duì)電池進(jìn)行充電。充電時(shí)，L1和L3的繞組中的電流大小相等，方向相反，不會(huì)形成旋轉(zhuǎn)磁場造成不期望的轉(zhuǎn)矩，因此也不需要增加額外的轉(zhuǎn)子鎖定裝置。另外，圖5中的3電平整流電路很容易實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，同時(shí)還具有能量可以雙向流動(dòng)的特點(diǎn)，除了通過電網(wǎng)向電池充電外，還可以實(shí)現(xiàn)電池能量回饋電網(wǎng)，即V2G(VehicletoGrid)的功能。綜上，本發(fā)明提供了一種將EV和PHEV中的驅(qū)動(dòng)和充電功能集成在一起的裝置，其中3電平變換器本身具有高效率，器件電壓應(yīng)力低等特點(diǎn)，當(dāng)3電平變換器作為EV和PHEV的驅(qū)動(dòng)部分時(shí)，可以提供諧波含量更少的電流到電機(jī)，降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，減小電機(jī)發(fā)熱及噪音，通過適當(dāng)?shù)腜WM方法可以有效降低共模電壓，減小電機(jī)的軸承電流，延長電機(jī)壽命；而當(dāng)3電平變換器作為EV和PHEV的充電部分時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)能量在車輛和電網(wǎng)間的雙向流動(dòng)，有效降低網(wǎng)側(cè)電流的諧波，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)行。上述實(shí)施例中，電磁濾波器除了起到電磁屏蔽的作用外，還起到了切斷/接入外部電源的作用，從而防止開關(guān)S閉合時(shí)外部電源發(fā)生短路，在根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例中，也可以用其他的可切斷/接入外部電源的開關(guān)裝置代替電磁濾波器。也可以省略電磁濾波器，在這種情況下，需要保證先斷開外部電源后再閉合開關(guān)S以防止外部電源短路。根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，其中圖3中僅示例性地示出三電平變換器中的一種，本發(fā)明也可以采用其他類型的三電平變換器。根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，其中所述三相電機(jī)可以為異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)，或其他類型的三相電機(jī)等。根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，其中開關(guān)S也可以為其他類型的開關(guān)，并不局限于單相接觸器，只要是能夠使繞組L2在短接與分離于繞組L1、L3這兩種狀態(tài)之間切換即可。本發(fā)明還提供一種用于EV或PHEV的電氣控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括：1)系統(tǒng)控制器；2)前述的集成驅(qū)動(dòng)/充電裝置，包括電池、三電平變換器、電機(jī)、電磁濾波器和單相接觸器，其中電機(jī)上具有速度/位置傳感器；3)三電平變換器控制器；其中系統(tǒng)控制器負(fù)責(zé)系統(tǒng)層面的邏輯控制，用于人機(jī)界面的交互及決定內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作情況，同時(shí)向三電平變換器控制器發(fā)出電池充電和放電的命令。速度/位置傳感器向三電平變換器控制器發(fā)送電機(jī)的速度和位置信息。三電平變換器控制器根據(jù)收到的系統(tǒng)控制器的命令以及電機(jī)的速度和位置信息，選擇執(zhí)行充電算法或驅(qū)動(dòng)算法，以控制集成驅(qū)動(dòng)/充電裝置中的三電平變換器和單相接觸器，通過閉合/斷開單相接觸器，實(shí)現(xiàn)電池在驅(qū)動(dòng)/充電模式之間的切換。其中當(dāng)速度/位置傳感器發(fā)送的信息顯示電機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中時(shí)，則三電平變換器控制器不執(zhí)行從工作模式向充電模式的轉(zhuǎn)換。最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。