专利名称：电动汽车用充电和电机驱动混合装置及电动汽车的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动汽车技术领域，特别涉及一种电动汽车用充电和电机驱动混合装置及电动汽车。
背景技术：
随着人类工业的发展，对环境的污染越来越严重，其中作为工业标志的汽车所排放的尾气已成为公认的一种污染，而要想改变这种现状清洁能源汽车的开发和利用将是整个汽车工业未来的发展方向。在清洁能源汽车中的电动汽车(Electric Vehicle)被认为是一种理想的交通工具，由于这种只以车载电源为动力的汽车通过电机驱动车轮转动，无需内燃机，所以不会像需要汽油的汽车那样排出有害的尾气，电动汽车将会更加环保、安全、 舒适并且方便。然而现有的很多电动汽车中都设置有独立的充电器(包括电池)和电机驱动器，以及对应充电器和驱动器的配套设备(如散热器Heatsink)，比如插入式电动汽车 (Plug-in electric vehicle)，这样不仅增加了电动汽车的尺寸、体积，而且也增加了整个电动汽车的成本，不利于电动汽车的普及与应用。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种电动汽车用充电和电机驱动混合装置及配装该装置的电动汽车，该装置集合了充电器和电机驱动器的功能，使得电动汽车不再需要独立的充电器和电机驱动器，减小了电动汽车的尺寸、体积，同时也节约了电动汽车的成本。为实现上述目的，本发明实施例提供一种电动汽车用充电和电机驱动混合装置， 所述装置包括数字控制器，电机，基础充电电路，以及连接所述电机绕组和所述基础充电电路中变压器次级绕组输出端的继电器，其中所述数字控制器，用于检测所述基础充电电路输入端是否与市电连接，若检测出所述基础充电电路输入端与市电相连，则控制所述继电器从第二开关切换至第一开关来导通所述基础充电电路的充电支路，通过变压器次级绕组输出端给所述基础充电电路中的电池充电，若检测出所述基础充电电路输入端断开与市电的连接，则控制所述继电器从第一开关切换至第二开关来导通所述基础充电电路的电机驱动支路，通过所述电池给所述电机供电；所述电机用于通过所述电池供电驱动所述电动汽车车轮旋转。为了降低开关损耗，提高充电效率，所述基础充电电路可以是包括两个全桥电路的相移全桥充电电路，第一全桥电路作为逆变器与整流器电桥输出端相连，第二全桥电路通过高频变压器与所述第一全桥电路连接，所述变压器次级绕组输出端分别与所述继电器中第一开关和所述电机第一绕组一端连接，所述电机第一绕组另一端与所述第二开关相连，所述电机第二绕组并接在连接所述第二全桥电路的半桥电路上。所述基础充电电路还包括并联在一起的第三开关和电感，所述数字控制器，还用于在控制所述继电器从第二开关切换至第一开关时，控制所述第三开关断开，在控制所述继电器从第一开关切换至第二开关时，控制所述第三开关闭合。比如所述基础充电电路包括两个全桥电路，第一全桥电路作为逆变器与整流器电桥输出端相连，第二全桥电路通过高频变压器与所述第一全桥电路连接，所述变压器次级绕组输出端分别与所述继电器中第一开关和所述电机一端连接，所述电机另一端与所述第二开关相连，所述并联在一起的第三开关和电感设置在所述第二全桥电路与充电电池之间。为了有效控制全桥电路，所述第一全桥电路和第二全桥电路的门级与所述数字控制器的指令输出端相连。为了有效利用车在行驶时产生的机械能，当电动汽车处于下坡或减速状态时，所述电机将机械能转变为电能并反馈至所述电池存储。为了保证充电的安全，防止电动汽车在充电时启动，在所述基础充电电路输入端与市电相连时，所述数字控制器锁住所述电动汽车。而在所述基础充电电路输入端与市电断开连接时，所述数字控制器给所述电动汽车解锁。本发明实施例还提供一种电动汽车，所述电动汽车包括上述电动汽车用充电和电机驱动混合装置，比如插入式纯电动汽车、插入式混合动力电动汽车。本发明实施例的优点在于将充电器和电机驱动器的功能集合在一个装置中，通过对继电器中开关的控制来切换不同功能，大大减小了电动汽车的尺寸、体积，同时也节约了电动汽车的成本。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明实施例的电动汽车用充电和电机驱动混合装置结构框图。图2为本发明实施例的一种电动汽车用充电和电机驱动混合装置电路原理图。图3为本发明实施例的另一种电动汽车用充电和电机驱动混合装置电路原理图。图4为本发明实施例的第三种电动汽车用充电和电机驱动混合装置电路原理图。图5为本发明实施例的电动汽车的结构框图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明实施例为一种电动汽车用充电和电机驱动混合装置，如图1所示，图1为本发明实施例的电动汽车用充电和电机驱动混合装置结构框图，从图1中可以看出该装置包括数字控制器1、电机2、基础充电电路3，以及连接电机2绕组和基础充电电路3中变压器次级绕组输出端的继电器4，其中继电器4至少要有两个可互相切换的开关，如单刀双掷开关。该继电器4设置在基础充电电路3中，通过第一开关和第二开关导通基础充电电路3中的充电支路和电机驱动支路，当第一开关闭合时，第二开关断开，这样充电支路可以导通； 当第二开关闭合时，第一开关断开，这样电机驱动支路可以导通；而继电器第一、第二开关的切换是通过数字控制器1来实现的，数字控制器1用于检测所述基础充电电路输入端是否与市电(如220V交流电)连接，比如数字控制器1通过与插头相连即可获知基础充电电路输入端是否与市电相连，若检测出所述基础充电电路输入端与市电相连，说明此时汽车需要充电，数字控制器1则控制所述继电器4从第二开关切换至第一开关来导通所述基础充电电路的充电支路给所述基础充电电路中的电池充电；充电完毕后若检测出所述基础充电电路输入端断开与市电的相连，说明此时汽车充电完毕，随时可以启动进入行驶状态，数字控制器1则控制所述继电器从第一开关切换至第二开关来导通所述基础充电电路的电机驱动支路，通过所述电池给所述电机供电，这样用于驱动汽车车轮旋转的电机2即可获得相应的电能工作。为了使本领域技术人员更加清楚的理解本发明实施例，下面以具体电路为例详细说明本发明实施例所述的电动汽车用充电和电机驱动混合装置。如图2所示，图2为本发明实施例的一种电动汽车用充电和电机驱动混合装置电路原理图。从图2中可以看出整个电动汽车用充电和电机驱动混合装置是以移相全桥充电电路为基础设计的，整个装置包括移相全桥充电电路21、他励直流电机(s^arately excited DC motor) 22、数字控制器23和一个具有单刀双掷开关的继电器M，其中移相全桥充电电路21的电压输入端为整流器电桥 211，该整流器电桥211可以与市电相连，用于将交流电转换为直流电，整流器电桥211输出端与逆变器212连接，该逆变器212主要由4个场效应管增强型N-MOS (N-Mental-Oxide-S emiconductor，N型-金属-氧化物-半导体)组成，每个场效应管增强型N-MOS对应一个二极管和谐振电容(C1-C4)，这样形成一种软开关的拓扑结构，可以降低开关损耗并更好的将整流器电桥211输出的直流电转变为谐振参数较稳定的交流电，提高充电效率。该逆变器212通过高频变压器213连接全桥电路214，而该全桥电路214通过半桥电路215与充电电池相连，其中全桥电路214和半桥电路215都主要由场效应管增强型N-MOS组成，比如全桥电路214包括4个场效应管增强型N-M0S，每个场效应管增强型N-MOS对应一个二极管。 类似地半桥电路215包括2个场效应管增强型N-M0S，每个场效应管增强型N-MOS也对应一个二极管。而高频变压器213次级线圈(也就是副线圈)输出端分别与继电器M中单刀双掷开关的第一开关Ml以及他励直流电机22的励磁绕组一端相连，他励直流电机22的励磁绕组的另一端与继电器M中单刀双掷开关的第二开关242连接，他励直流电机22的电枢绕组连接半桥电路215，这样充电电池和他励直流电机22将共享主要由全桥电路214 和半桥电路215组成的脉冲宽调制(pulse width modulation，简称PWM)电路(共享的电容C6不仅是电机22的输入电容，也是电池的输出电容)，通过控制继电器M在第一开关 241和第二开关242之间切换来实现充电或电机驱动功能，比如当第一开关闭合，第二开关断开时，以M8、M6场效应管增强型N-MOS所在的充电支路将导通，从而实现给电池充电；当第二开关闭合，第一开关断开时，以M5、M7、M9、M10场效应管增强型N-MOS所在的电机驱动支路将导通，此时励磁绕组上会产生励磁电流在电机气隙产生磁场，电枢绕组相应产生电枢电流并与气隙中的磁场相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量的转换，电机旋转。而要实现对第一开关241和第二开关242的控制切换本实施例是通过数字控制器23来实现的。该数字控制器23具有电流感应输入端，该输入端与一个检测装置相连(图2 中未示出)，而该检测装置分别与他励直流电机22中的励磁绕组和电枢绕组相连来感应励磁电流和电枢电流，将感应到的电流再转变为相应的电信号输入至数字控制器23中。数字控制器23输出端分两部分，一部分分别与移相全桥充电电路21中场效应管增强型N-MOS 的门极相连，用于控制这些场效应管增强型N-MOS的通断，另一部分与继电器M相连，用于控制第一开关241和第二开关M2的切换。当移相全桥充电电路21中整流器电桥211与市电相连时，数字控制器23会检测出此时电动汽车在静止中充电，所以要导通充电支路， 向继电器M发送第一控制信号以使继电器将从第二开关242切换至第一开关241 (数字控制器23同时还要控制相应的场效应管增强型N-MOS通断)，这样即可实现为电池充电，同时数字控制器23也会将电动车锁住，使电动车无法在充电状态下启动。而当移相全桥充电电路21中整流器电桥211与市电断开时，数字控制器23会检测出此时电动汽车已断开与市电的连接，电动汽车随时可能要启动，此时数字控制器23也解除电动车的锁定状态，并导通电机驱动支路，向继电器M发送第二控制信号以使继电器将从第一开关241切换至第二开关242 (数字控制器23同时还要控制相应的场效应管增强型N-MOS通断)，这样即可实现电池给所述电机供电。本实施例中当电动汽车在减速或下坡时，电机并不需要电池供电，所以电机可将机械能转变为电能通过全桥电路214和半桥电路215反馈至电池和电容C6储存，这样再生制动(regenerative braking)也容易实现。本实施例将电动汽车充电器和电机驱动器的功能通过全桥和半桥电路集成在一个装置中，并通过对继电器中开关的控制来切换不同功能，大大减小了电动汽车的尺寸、体积以及一些大功率的元件，同时也节约了电动汽车的成本。比如相比现有独立的充电器和电机驱动器设置，本装置只需一个散热器即可，而现有装置还需一个大型散热器才能保证装置的运行。根据图2所示的实施例，本领域技术人员还可以对本混合装置进行简单的改变来达到相同的目的。比如如图3所示，图3为本发明实施例的另一种电动汽车用充电和电机驱动混合装置电路原理图。图3所示的混合装置电路与图2所示的混合装置电路主要区别在于图3中的电机为4象限他励直流电机32，该4象限他励直流电机32的电枢绕组分别与变压器次级绕组输出端和继电器中的第二开关相连，即4象限他励直流电机32的电枢绕组通过变压器和继电器与全桥电路连接，而4象限他励直流电机32的励磁绕组与半桥电路连接，这样当移相全桥充电电路中整流器电桥与市电相连时，数字控制器33会根据市电信号检测出此时电动汽车在静止中充电，所以要导通充电支路，向继电器34发送第一控制信号以使继电器将从第二开关342切换至第一开关341 (数字控制器同时还要控制相应的场效应管增强型N-MOS通断)，这样即可实现为电池充电，同时数字控制器43也会将电动车锁住，使电动车无法在充电状态下启动。而当移相全桥充电电路中整流器电桥与市电断开时，数字控制器33会根据检测出此时电动汽车已断开与市电的连接，电动汽车随时可能要启动，此时数字控制器43也解除电动车的锁定状态，并导通电机驱动支路，向继电器发送第二控制信号以使继电器将从第一开关切换至第二开关(数字控制器同时还要控制相应的场效应管增强型N-MOS通断)，这样即可实现电池给所述电机供电，只不过电机32的旋转方向与电机22不同。需要说明的是，上述电路中的N-MOS需要根据电池功率和电机功率来确定，由于这种确定方式为本领域技术人员所公知的技术，所以本实施例对此不做赘述。而为了便于本领域技术人员理解本实施例所述的方案，其中N-MOS只是本实施例所用的一种半导体开关元件，本领域技术人员完全可以根据掌握的普通技术知识来选取其他功率适当的半导体开关元件(如IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管，或 MOSFET, Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，全氧半场效晶体管)来实现本发明实施例，所以不能将场效应管增强型N-MOS作为对本发明保护范围的一种限制。本发明实施例还提供一种电动汽车用充电和电机驱动混合装置，如图4所示，图4 为本发明实施例的第三种电动汽车用充电和电机驱动混合装置电路原理图。其基本电路与上述实施相似(本实施例中与上述实施例相同的电路关系在此不再赘述)，但本实施例中的装置并没有设置半桥电路。具体而言，本实施例中仍然使用与上述实施相同的全桥电路， 但不同于上述实施例中的他励直流电机，此处使用的是脉宽调制直流电机(pulse width modulation DC motor) 42，而变压器为相移零电压开关半桥变压器(phase-shifted (PS) zero voltage switching Η-bridge transformer) 413，该变压器 413 次级线圈(也就是副线圈)输出端分别与继电器44中单刀双掷开关的第一开关441以及脉宽调制直流电机42 的一端相连，脉宽调制直流电机42的另一端与继电器44中单刀双掷开关的第二开关442 连接。虽然在对应全桥电路的负载中本实施例并没有设置半桥电路，但在电池与全桥电路之间设置有并联在一起的第三开关47和电感L2，而该第三开关47的闭合断开是受本实施例中的数字控制器43控制。因此本实施例中的数字控制器43不仅要控制第一、第二开关的切换，同时还要根据切换的状况控制第三开关47闭合或断开。数字控制器43仍然是根据感应道的电机42绕组对应的电流来控制上述开关和场效应管增强型N-MOS的通断，当本实施例中的移相全桥充电电路41中整流器电桥411与市电相连时，数字控制器43会根据市电信号检测出此时电动汽车在静止中充电，所以要导通充电支路，向继电器44发送第一控制信号以使继电器将从第二开关442切换至第一开关 441 (数字控制器43同时还要控制场效应管增强型N-MOS M5-M8断开)，同时还发送第二控制信号至第三开关47，以使第三开关47断开，这样即可实现为电池充电。而当移相全桥充电电路41与市电断开时，数字控制器43会根据市电信号的变化检测出此时电动汽车已断开与市电的连接，电动汽车随时可能要启动，所以要导通电机驱动支路，向继电器44发送第三控制信号以使继电器将从第一开关441切换至第二开关442(数字控制器43同时还要控制相应的场效应管增强型N-MOS闭合)，同时还发送第四控制信号至第三开关47，以使第三开关47闭合，短路电感L2，此时变压器也为断路状态，电机42两端的电压不会作用于电池上，这样即可实现电池给所述电机供电。本实施例中当电动汽车在减速或下坡时，电机同样不需要电池供电，所以电机可将机械能转变为电能通过全桥电路反馈至电池储存，这样再生制动也容易实现。本实施例通过全桥电路即可将电动汽车充电器和电机驱动器的功能集成在一起，并通过对继电器中开关以及第三开关的控制来切换不同功能，这样本实施例所述的电动汽车用充电和电机驱动混合装置和上述实施例所述的装置一样都可以具有充电和电机驱动的功能，大大减小了电动汽车的尺寸、体积以及一些大功率的元件，同时也节约了电动汽车的成本。比如相比现有独立的充电器和电机驱动器设置，本装置只需一个散热器即可，而现有装置还需一个大型散热器才能保证装置的运行。本发明实施例还提供一种电动汽车，如图5所示，该电动汽车包括上述任意一项实施例中所述的电动汽车用充电和电机驱动混合装置51和车轮52，其中电动汽车用充电和电机驱动混合装置51主要包括数字控制器，电机，基础充电电路，以及连接所述电机绕组和所述基础充电电路中变压器次级绕组输出端的继电器，其中所述数字控制器，用于检测所述基础充电电路输入端是否与市电连接，若检测出所述基础充电电路输入端与市电相连，则控制所述继电器从第二开关切换至第一开关来导通所述基础充电电路的充电支路，通过变压器次级绕组输出端给所述基础充电电路中的电池充电，若检测出所述基础充电电路输入端断开与市电的连接，则控制所述继电器从第一开关切换至第二开关来导通所述基础充电电路的电机驱动支路，通过所述电池给所述电机供电；所述电机，用于通过所述电池供电驱动所述电动汽车车轮52旋转。本发明实施例所述的电动汽车类型可以是插入式纯电动汽车、插入式混合动力电动汽车等。由此可知本发明实施例的有益效果在于，本发明实施例提供的电动汽车用充电和电机驱动混合技术将充电器和电机驱动器的功能集合在一个装置中，通过对继电器中开关的控制来切换不同功能，大大减小了电动汽车的尺寸、体积，同时也节约了电动汽车的成本。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述实施例仅为本发明的具体实施方式
而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种电动汽车用充电和电机驱动混合装置，其特征在于，所述装置包括数字控制器，电机，基础充电电路，以及连接所述电机绕组和所述基础充电电路中变压器次级绕组输出端的继电器，其中所述数字控制器，用于检测所述基础充电电路输入端是否与市电连接，若检测出所述基础充电电路输入端与市电相连，则控制所述继电器从第二开关切换至第一开关来导通所述基础充电电路的充电支路，通过变压器次级绕组输出端给所述基础充电电路中的电池充电，若检测出所述基础充电电路输入端断开与市电的连接，则控制所述继电器从第一开关切换至第二开关来导通所述基础充电电路的电机驱动支路，通过所述电池给所述电机供电；所述电机，用于通过所述电池供电驱动所述电动汽车车轮旋转。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基础充电电路包括两个全桥电路，第一全桥电路作为逆变器与整流器电桥输出端相连，第二全桥电路通过高频变压器与所述第一全桥电路连接，所述变压器次级绕组输出端分别与所述继电器中第一开关和所述电机第一绕组一端连接，所述电机第一绕组另一端与所述第二开关相连，所述电机第二绕组并接在连接所述第二全桥电路的半桥电路上。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基础充电电路还包括并联在一起的第三开关和电感，所述数字控制器，还用于在控制所述继电器从第二开关切换至第一开关时，控制所述第三开关断开，在控制所述继电器从第一开关切换至第二开关时，控制所述第三开关闭合。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述基础充电电路包括两个全桥电路，第一全桥电路作为逆变器与整流器电桥输出端相连，第二全桥电路通过高频变压器与所述第一全桥电路连接，所述变压器次级绕组输出端分别与所述继电器中第一开关和所述电机一端连接，所述电机另一端与所述第二开关相连，所述并联在一起的第三开关和电感设置在所述第二全桥电路与充电电池之间。
5.根据权利要求2或4所述的装置，所述第一全桥电路和第二全桥电路的门级与所述数字控制器的指令输出端相连。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的装置，当电动汽车处于下坡或减速状态时，所述电机将机械能转变为电能并反馈至所述电池存储。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的装置，在所述基础充电电路输入端与市电相连时，所述数字控制器锁住所述电动汽车。
8.根据权利要求7所述的装置，在所述基础充电电路输入端与市电断开连接时，所述数字控制器给所述电动汽车解锁。
9.一种电动汽车，其特征在于，所述电动汽车包括如权利要求1-8任意一项所述的装置。
10.根据权利要求9所述的电动汽车，其特征在于，所述的电动汽车包括插入式纯电动汽车、插入式混合动力电动汽车。
全文摘要
本发明实施例为一种电动汽车用充电和电机驱动混合装置及电动汽车，属于电动汽车技术领域，其中所述装置包括数字控制器，电机，基础充电电路，以及继电器，数字控制器用于检测所述基础充电电路输入端是否与市电连接，若检测出所述基础充电电路输入端与市电相连，则控制所述继电器从第二开关切换至第一开关来给所述基础充电电路中的电池充电，若检测出所述基础充电电路输入端断开与市电的连接，则控制所述继电器从第一开关切换至第二开关来通过所述电池给所述电机供电。该装置集合了充电器和电机驱动器的功能，使得电动汽车不再需要独立的充电器和电机驱动器，减小了电动汽车的尺寸、体积。
文档编号B60W10/26GK102371997SQ20101026135
公开日2012年3月14日 申请日期2010年8月19日 优先权日2010年8月19日
发明者王道洪, 郑家伟 申请人:汽车零部件研究及发展中心有限公司