新能源汽车的电力电子集成系统的制作方法
【专利摘要】本申请公开了一种新能源汽车的电力电子集成系统，包括一个三绕组的高频隔离变压器和四个双向变换级。第一绕组的两端连接第二双向变换级的交流端；第二双向变换级的直流端连接第一双向变换级的直流端；第一双向变换级的交流端同时作为车外交流接口和车内交流接口。第二绕组的两端连接第三双向变换级的交流端；第三双向变换级的直流端作为车内高压直流接口。第三绕组的两端连接第四双向变换级的交流端；第四双向变换级的直流端作为车内低压直流接口。本申请将车载高压电池充电器、低压辅助直流变换器、车载交流供电器进行电气部件的集成，从而节省了体积，降低了成本。
【专利说明】新能源汽车的电力电子集成系统
【技术领域】
[0001]本申请涉及一种新能源汽车的电力电子系统(Power Electronic System)。
【背景技术】
[0002]请参阅图1，这是一种现有的新能源汽车(纯电动汽车、混合动力汽车等)的电力电子系统，主要由车载高压电池充电器、低压辅助直流变换器、车载交流供电器级联而成。
[0003]所述车载高压电池充电器用于将车外交流电源(通常为220V或110V)变换为车内高压直流(例如 216V、240V、264V、288V、312V、336V、360V、384V、600V 等)，从而为新能源汽车的高压电池充电，并为车内高压系统供电。请参阅图2，这是传统的车载高压电池充电器的系统结构图。以高频隔离变压器为分界，左侧电气部件主要包括:车外交流接口、滤波器、AC/DC变换级、DC/AC变换级。右侧电气部件主要包括:AC/DC变换级、车内高压直流接口。左侧与右侧通过高频隔离变压器进行变压与电气隔离。
[0004]所述低压辅助直流变换器用于将车内高压直流(来自于车载高压电池充电器的输出、或者高压电池的输出)变换为车内低压直流(通常为24V或12V)，从而为低压电池充电，并为车内低压系统供电。请参阅图3，这是传统的低压辅助直流变换器的系统结构图。以高频隔离变压器为分界，左侧电气部件主要包括:车内高压直流接口、DC/AC变换级。右侧电气部件主要包括:AC/DC变换级、车内低压直流接口。左侧与右侧通过高频隔离变压器进行变压与电气隔离。
[0005]所述车载交流供电器用于将车内低压直流(来自于低压辅助直流变换器的输出、或者低压电池的输出)变换为车内交流(通常为220V或110V),从而为诸如手机、笔记本电脑、摄影摄像器材、电动工具等各种电器设备充电。请参阅图4，这是传统的车载交流供电器的系统结构图。以高频隔离变压器为分界，左侧电气部件主要包括:车内低压直流接口、DC/AC变换级。右侧电气部件主要包括:AC/DC变换级、DC/AC变换级、滤波器、车内交流接口。左侧与右侧通过高频隔离变压器进行变压与电气隔离。
[0006]上述新能源汽车的电力电子系统具有如下缺点:
[0007]其一，由三种独立产品(车载高压电池充电器、低压辅助直流变换器、车载交流供电器)简单级联而成，未考虑三种独立产品之间的相关性，很多电气部件重复设置而导致浪费。
[0008]其二，电力变换时，经历的交流转直流、直流转交流过多，降低了变换的效率。特别是当整车外接交流电源时，车内的交流供电需要经过很多次变换才能得到。
[0009]其三，车载交流供电器从低压系统取电，故功率较小。如果供电时间较长且低压辅助直流变换器没有及时为低压电池补充供电，容易引起低压电池亏电问题。
【发明内容】
[0010]本申请所要解决的技术问题是提供一种新能源汽车的电力电子集成系统，将车载高压电池充电器、低压辅助直流变换器、车载交流供电器三种原本独立的产品集成在一起，从而降低新能源汽车的成本。
[0011]为解决上述技术问题，本申请新能源汽车的电力电子集成系统包括一个三绕组的高频隔离变压器和四个双向变换级；所述三绕组的高频隔离变压器具有相互独立的第一绕组、第二绕组、第三绕组；所述三个绕组之间相互进行变压与电气隔离；每个双向变换级或者进行交流到直流的变换，或者进行直流到交流的变换；
[0012]所述第一绕组的两端连接第二双向变换级的交流端；第二双向变换级的直流端连接第一双向变换级的直流端；第一双向变换级的交流端同时作为车外交流接口和车内交流接口 ；
[0013]所述第二绕组的两端连接第三双向变换级的交流端；第三双向变换级的直流端作为车内高压直流接口；
[0014]所述第三绕组的两端连接第四双向变换级的交流端；第四双向变换级的直流端作为车内低压直流接口。
[0015]进一步地，所述新能源汽车的电力电子集成系统还包括一个双向滤波器；所述第一双向变换级的交流端连接双向滤波器的一端，双向滤波器的另一端同时作为车外交流接口和车内交流接口。
[0016]进一步地，所述双向变换级包括直流端和交流端；直流端连接着直流电容的两端，第一 MOS晶体管和第二 MOS晶体管串联后并联在直流电容的两端，第三MOS晶体管和第四MOS晶体管串联后也并联在直流电容的两端；第一 MOS晶体管和第二 MOS晶体管之间、第三MOS晶体管和第四MOS晶体管之间分别引出作为交流端；
[0017]或者，MOS晶体管替换为IGBT器件。
[0018]进一步地，所述双向滤波器的一端通过第一电容接高压地，另一端通过第二电容接高压地，两端之间连接着电感。
[0019]本申请将原有的三种独立产品(车载高压电池充电器、低压辅助直流变换器、车载交流供电器)进行电气部件的集成，从而节省了体积，降低了成本。在此基础上还可进行机械部件的集成，从而进一步降低成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是现有的新能源汽车的电力电子系统的结构示意图；
[0021]图2是现有的车载高压电池充电器的系统结构示意图；
[0022]图3是现有的低压辅助直流变换器的系统结构示意图；
[0023]图4是现有的车载交流供电器的系统结构示意图；
[0024]图5a、图5b分别是本申请的新能源汽车的电力电子集成系统的两个实施例的结构示意图；
[0025]图6是本申请中双向变换级的一种电路示意图；
[0026]图7是本申请中双向滤波器的一种电路示意图；
[0027]图8是本申请所述电力电子集成系统在外接交流电源时的输出示意图；
[0028]图9是本申请所述电力电子集成系统在无外接交流电源、且仅由车内高压电池供电时的输出示意图；
[0029]图10是本申请所述电力电子集成系统在无外接交流电源、且仅由车内低压电池供电时的输出示意图；
[0030]图11是本申请所述电力电子集成系统在无外接交流电源、且由车内高压电池和低压电池同时供电时的输出不意图。
[0031]图中附图标记说明:
[0032]10为三绕组的高频隔离变压器；11为第一绕组；12为第二绕组；13为第三绕组；21?24均为双向变换级；30为双向滤波器。
【具体实施方式】
[0033]请参阅图5a，这是本申请新能源汽车的电力电子集成系统的实施例一。其包括一个三绕组的高频隔离变压器10和四个双向变换级21?24。所述三绕组的高频隔离变压器10具有三个独立的绕组，分别是第一绕组11、第二绕组12、第三绕组13。三个独立绕组通过同一个高频隔离变压器10相互进行变压与电气隔离。每个双向变换级21?24均具有交流端和直流端，或者进行交流到直流的变换，或者进行直流到交流的变换。
[0034]其中，第一绕组11的两端连接第二双向变换级22的交流端。第二双向变换级22的直流端连接第一双向变换级21的直流端。第一双向变换级21的交流端同时作为车外交流接口和车内交流接口。
[0035]其中，第二绕组12的两端连接第三双向变换级23的交流端。第三双向变换级23的直流端作为车内高压直流接口。
[0036]其中，第三绕组13的两端连接第四双向变换级24的交流端。第四双向变换级24的直流端作为车内低压直流接口。
[0037]请参阅图5b，这是本申请新能源汽车的电力电子集成系统的实施例二。实施例二在实施例一的基础上仅增加了一个双向滤波器30。第一双向变换级21的交流端连接双向滤波器30的一端。双向滤波器30的另一端同时作为车外交流接口和车内交流接口。双向滤波器30既用来防止车外交流接口的外部电网的高次谐波进入第一双向变换级21，又用来防止第一双向变换级21的高频开关谐波进入车外交流接口的外部电网以及影响车内交流接口的用电设备。
[0038]以上两个实施例中，所述双向变换级21?24是电力(Power)变换级，其具体的硬件拓扑可依据需求灵活选择。请参阅图6，这是双向变换级的一种实现方式。直流端连接着直流电容Cdc的两端，第一 MOS晶体管Ml和第二 MOS晶体管M2串联后并联在直流电容Cdc的两端，第三MOS晶体管M3和第四MOS晶体管M4串联后也并联在直流电容Cdc的两端。第一 MOS晶体管Ml和第二 MOS晶体管M2之间、第三MOS晶体管M3和第四MOS晶体管M4之间分别引出作为交流端。需说明的是，所述MOS晶体管还可采用IGBT等其它电力电子开关管替代。
[0039]在实施例二中，所述双向滤波器30的一种实现方式如图7所示。其一端通过第一电容Cl接高压地，另一端通过第二电容C2接高压地，两端之间连接着电感L。新能源汽车具有车内高压系统和车内低压系统，车内高压系统具有高压地，车内低压系统具有低压地。高压地和低压地不能共地，通常低压地连接车身外壳，而高压地是浮地。
[0040]本申请新能源汽车的电力电子集成系统进行了大量电气部件的复用设计:
[0041]其一，由图2?图4可知，现有的车载高压电池充电器、低压辅助直流变换器、车载交流供电器均包含一个双绕组的高频隔离变压器。由于工作频率可以设计得非常接近，因此可以考虑复用。本申请就采用了一个三绕组的高频隔离变压器取代了三个双绕组的高频隔离变压器。
[0042]其二，由图2、图3可知，现有的车载高压电池充电器的右侧电气部件与低压辅助直流变换器的右侧电气部件很相似。由图2、图4可知，现有的车载高压电池充电器的左侧电气部件与车载交流供电器的右侧电气部件很相似。由图3、图4可知，现有的低压辅助直流变换器的右侧电气部件与车载交流供电器的左侧电气部件很相似。本申请将这些相似的电气部件全部进行了复用设计，节省了体积，降低了成本。
[0043]本申请新能源汽车的电力电子集成系统的工作方法分为外接交流电源、无外接交流电源两种情况。在外接交流电源时，所述电力电子集成系统的车外交流接口连接所述交流电源并以此作为能源，可以在车内高压直流接口、车内低压直流接口、车内交流接口这三个接口的任何一个或多个输出。在无外接交流电源时，所述电力电子集成系统可以将车内的高压电池和/或低压电池作为能源，在车内高压直流接口、车内低压直流接口、车内交流接口、车外交流接口这四个接口的任何一个或多个输出。
[0044]请参阅图8，这是新能源汽车在充电站、车库等场合通过外接交流电源充电时，电力电子集成系统的工作方法，具体包括:
[0045]——如仅需在车内高压直流接口输出，则采用方案一。方案一是控制第一绕组11与第二绕组12同时工作，将车外交流接口所取得的外接交流电源能量通过双向滤波器30滤除掉高次谐波(双向滤波器30也可省略)、第一双向变换级21进行交流转直流、第二双向变换级22进行直流转交流、第二绕组12对第一绕组11的电磁感应、第三双向变换级23进行交流转直流，最终在车内高压直流接口输出。所输出的车内高压直流用于对车内的高压电池进行充电，并满足车内高压系统的用电需求。
[0046]——如仅需在车内低压直流接口输出，则采用方案二。方案二是控制第一绕组11与第三绕组13同时工作，将车外交流接口所取得的外接交流电源的能量通过双向滤波器30滤除掉高次谐波(双向滤波器30也可省略)、第一双向变换级21进行交流转直流、第二双向变换级22进行直流转交流、第三绕组13对第一绕组11的电磁感应、第四双向变换级24进行交流转直流，最终在车内低压直流接口输出。所输出的低压直流用于对车内的低压电池进行充电，并满足车内低压系统的用电需求。
[0047]——如仅需在车内交流接口输出，则采用方案三。方案三是直接从车外交流接口引电输出至车内交流接口。所输出的车内交流用于在车内为手机、笔记本电脑等充电。常见的车外交流接口为220V或110V，则车内交流接口输出相同电压的交流电。比较图1和图8可以发现，本申请从车外交流接口到车内交流接口不用再经过任何电能变换，从而极大地提高了变换效率，且车内交流供电的输出功率不受限制。在车内交流接口进行充电的电器设备原本就被设计成从市电充电，因此其充电器已具有电气隔离，本申请因此直接从车外交流接口处引电至车内交流接口，而没有必要再做电气隔离。
[0048]——如需在车内高压直流接口、车内低压直流接口、车内交流接口的任意多个同时输出，那么将所述方案一、方案二、方案三进行按需叠加即可。
[0049]优选地，当在车内高压直流接口、车内低压直流接口同时输出时，所输出的低压直流为高压电池辅助装置(例如高压电池冷却风扇，电池管理系统低压电源等)等供电，从而保障所输出的高压直流为高压电池充电过程的安全和效率。
[0050]请参阅图9，这是新能源汽车没有外接交流电源、且仅以车内的高压电池作为能源时，电力电子集成系统的工作方法，具体包括:
[0051]——如仅需在车内高压直流接口输出，则采用方案四。方案四是直接从高压电池向车内高压直流接口输出。
[0052]——如仅需在车内低压直流接口输出(例如是车辆行驶，车辆路口等待等工况)，则采用方案五。方案五是控制第二绕组12与第三绕组13同时工作，将高压电池能量通过第三双向变换级23进行直流转交流、第三绕组13对第二绕组12的电磁感应、第四双向变换级24进行交流转直流，最终在车内低压直流接口输出。
[0053]——如仅需在车外交流接口和车内交流接口输出，则采用方案六。方案六是控制第一绕组11与第二绕组12同时工作，将高压电池能量通过第三双向变换级23进行直流转交流、第一绕组11对第二绕组12的电磁感应、第二双向变换级22进行交流转直流、第一双向变换级21进行直流转交流、双向滤波器30滤除第一双向变换级21的高频开关产生的高次谐波(双向滤波器30也可省略)，最终在车外交流接口和车内交流接口输出。此时，车外交流接口输出一般用于以新能源汽车作为移动电源给其它新能源汽车充电、和/或给外部交流用电设备供电等场合。
[0054]——如需在车内高压直流接口、车内低压直流接口、车外交流接口、车内交流接口的任意多个同时输出，那么将所述方案四、方案五、方案六进行按需叠加即可。
[0055]请参阅图10，这是新能源汽车没有外接交流电源、且仅以车内的低压电池作为能源时，电力电子集成系统的工作方法，具体包括:
[0056]——如仅需在车内低压直流接口输出，则采用方案七。方案七是直接从低压电池向车内低压直流接口输出。
[0057]——如仅需在车内高直流接口输出(例如是混合动力汽车在寒冷冬季启动发动机的启动助力方案)，则采用方案八。方案八是控制第二绕组12与第三绕组13同时工作，将低压电池能量通过第四双向变换级24进行直流转交流、第二绕组12对第三绕组13的电磁感应、第三双向变换级23进行交流转直流，最终在车内高压直流接口输出。所输出的车内高压直流产生额外的电压补偿，例如可以帮助电驱动系统启动发动机。
[0058]——如仅需在车外交流接口和车内交流接口输出，则采用方案九。方案九是控制第一绕组11与第三绕组13同时工作，将低压电池能量通过第四双向变换级24进行直流转交流、第一绕组11对第三绕组13的电磁感应、第二双向变换级22进行交流转直流、第一双向变换级21进行直流转交流、双向滤波器30滤除第一双向变换级21的高频开关产生的高次谐波(双向滤波器30也可省略)，最终在车外交流接口和车内交流接口输出。此时，车外交流接口输出一般用于以新能源汽车作为移动电源给其它新能源汽车泵电以启动发动机、和/或给外部交流用电设备供电等场合。
[0059]——如需在车内高压直流接口、车内低压直流接口、车外交流接口、车内交流接口的任意多个同时输出，那么将所述方案七、方案八、方案九进行按需叠加即可。
[0060]请参阅图11，这是新能源汽车没有外接交流电源、且同时以车内的高压电池和低压电池作为能源时，电力电子集成系统的工作方法，具体包括:
[0061]——如仅需在车内低压直流接口输出，则采用方案七和/或方案五。
[0062]——如仅需在车内高压直流接口输出，则采用方案四和/或方案八。
[0063]——如仅需在车外交流接口和车内交流接口输出，则采用方案六和/或方案九。
[0064]——如需在车内高压直流接口、车内低压直流接口、车外交流接口、车内交流接口的任意多个同时输出，那么将上述各方案进行按需叠加即可。
[0065]通常在车辆外接交流电源时，采用外接交流电源供电。否则，在车辆行驶时，由于车内低压系统需要不断补电，故建议仅采用高压电池供电；在车辆不行驶时，可采用低压电池供电、或同时采用高压电池和低压电池供电。
[0066]由于车外交流接口与车内交流接口是相互连接的，或者同时输出，或者同时不输出。优选地可在车外交流接口、车内交流接口设置安全开关，用于不使用该接口时关闭输出以避免高电压输出对人体伤害。
[0067]综合图8?图11可知，本申请所述的电力电子集成系统可以完全实现原有三种独立产品(车载高压电池充电器、低压辅助直流变换器、车载交流供电器)的功能且控制更加灵活。由于复用与合并了这三种原本独立产品的电气部件，再加上三种产品集成后可以复用诸如机械冷却、机械外壳、高压接插件、高压线束、低压信号接口等机械部件，故成本得到进一步的降低，具有较好的应用价值。
[0068]以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种新能源汽车的电力电子集成系统，其特征是，包括一个三绕组的高频隔离变压器和四个双向变换级；所述三绕组的高频隔离变压器具有相互独立的第一绕组、第二绕组、第三绕组；所述三个绕组之间相互进行变压与电气隔离；每个双向变换级或者进行交流到直流的变换，或者进行直流到交流的变换； 所述第一绕组的两端连接第二双向变换级的交流端；第二双向变换级的直流端连接第一双向变换级的直流端；第一双向变换级的交流端同时作为车外交流接口和车内交流接Π ； 所述第二绕组的两端连接第三双向变换级的交流端；第三双向变换级的直流端作为车内高压直流接口； 所述第三绕组的两端连接第四双向变换级的交流端；第四双向变换级的直流端作为车内低压直流接口。
2.根据权利要求1所述的新能源汽车的电力电子集成系统，其特征是，还包括一个双向滤波器；所述第一双向变换级的交流端连接双向滤波器的一端，双向滤波器的另一端同时作为车外交流接口和车内交流接口。
3.根据权利要求1所述的新能源汽车的电力电子集成系统，其特征是，所述双向变换级包括直流端和交流端；直流端连接着直流电容的两端，第一MOS晶体管和第二MOS晶体管串联后并联在直流电容的两端，第三MOS晶体管和第四MOS晶体管串联后也并联在直流电容的两端；第一 MOS晶体管和第二 MOS晶体管之间、第三MOS晶体管和第四MOS晶体管之间分别引出作为交流端； 或者，MOS晶体管替换为IGBT器件。
4.根据权利要求2所述的新能源汽车的电力电子集成系统，其特征是，所述双向滤波器的一端通过第一电容接高压地,另一端通过第二电容接高压地,两端之间连接着电感。
【文档编号】B60R16/033GK204046459SQ201420352630
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】吴璐璐 申请人:联合汽车电子有限公司