一種可用于充電和驅(qū)動(dòng)的多功能逆變器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可用于充電和驅(qū)動(dòng)的多功能逆變器，涉及交流電與直流電互相轉(zhuǎn)化的電氣【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明所述的可用于充電和驅(qū)動(dòng)的多功能逆變器包括將直流電轉(zhuǎn)變成交流電的標(biāo)準(zhǔn)逆變器、公共直流母線、邏輯控制端口、電動(dòng)機(jī)端口、儲(chǔ)能端口、交流電源端口、直流電源端口、交流轉(zhuǎn)直流模塊、第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊、第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊和第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊。本發(fā)明高度集成，在一個(gè)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了將“交流電轉(zhuǎn)直流電”、“直流電轉(zhuǎn)直流電”和“直流電轉(zhuǎn)交流電”的所有功能。
【專利說明】 —種可用于充電和驅(qū)動(dòng)的多功能逆變器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及交流電與直流電互相轉(zhuǎn)化的電氣【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]在固定式安裝的工業(yè)設(shè)備，或者使用混合動(dòng)力和純電動(dòng)的移動(dòng)式設(shè)備(車輛、船舶、飛行器等)的領(lǐng)域中，均需要使用到各種形式的電能轉(zhuǎn)換:交流電轉(zhuǎn)直流電、直流電轉(zhuǎn)直流電和直流電轉(zhuǎn)交流電等。
[0003]一般使用整流器將來自于各種交流電源(公共交流電網(wǎng)、交流發(fā)電機(jī)等)的電能轉(zhuǎn)換成設(shè)備工作需要的直流電，實(shí)現(xiàn)交流電轉(zhuǎn)直流電的功能；直流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器用于將一種直流電轉(zhuǎn)換成另一種直流電或者進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，二者之間的電壓等級(jí)是不同；采用逆變器將各種直流電轉(zhuǎn)換成交流電供給后級(jí)設(shè)備(如電動(dòng)機(jī))使用。
[0004]工業(yè)機(jī)電設(shè)備都依賴于公共交流電網(wǎng)或交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電，當(dāng)接入交流電后，往往還需要將交流電變成直流電才能讓這些工業(yè)機(jī)電設(shè)備正常工作，故此時(shí)需要使用交流轉(zhuǎn)直流的轉(zhuǎn)換器將輸入的交流電轉(zhuǎn)換成設(shè)備所需的直流電。現(xiàn)有技術(shù)中，都是使用多個(gè)分立元件如二極管或者基于二極管形式的整流橋模塊來完成此整流功能。其利用二極管單向?qū)ǖ脑?，將交流電的正?fù)半周分別進(jìn)行整流并平移，轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)的且含有交流分量的直流電，再通過電容器進(jìn)行濾波整形，變成平穩(wěn)的直流電。當(dāng)原交流電源在經(jīng)過整流后產(chǎn)生的直流電壓和后級(jí)電路不匹配時(shí)，則需要先將交流電源電壓調(diào)整到合適的范圍內(nèi)，此時(shí)一般先采用變壓器先將該交流電源的電壓先升壓或降壓到一定范圍，然后再使用前述的整流電路將調(diào)整后的交流電轉(zhuǎn)換成直流電以供給后級(jí)電路使用。
[0005]交流電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)需要使用交流電源，當(dāng)使用直流電源進(jìn)行供電時(shí)就需要加裝直流轉(zhuǎn)交流的逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，這樣才能供交流電動(dòng)機(jī)使用?，F(xiàn)有方案中都是采用多相驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的逆變器來解決。由多個(gè)(一般是4，6，8，12個(gè)或更多)功率電子器件如半導(dǎo)體管、場效應(yīng)管(即MOSFET各顯神通)、絕緣柵雙極晶體管(即IGBT管)等組成逆變器的功率驅(qū)動(dòng)單元。該驅(qū)動(dòng)單元的電路連接方式是:先每兩個(gè)進(jìn)行串聯(lián)，各串聯(lián)分支稱之為驅(qū)動(dòng)橋臂，這些驅(qū)動(dòng)橋臂的上端是統(tǒng)一連接到稱之為直流母線的正極，下端是全部連接到直流母線的負(fù)極，而直流母線本身是連接到外部直流電源的。然后，基于脈沖寬度調(diào)制(PWM)原理，分別控制各個(gè)功率電子器件依次打開或關(guān)閉，將來自直流母線上的直流電變換成交流電經(jīng)各個(gè)驅(qū)動(dòng)橋臂中間節(jié)點(diǎn)輸出，一般是連接到交流電動(dòng)機(jī)。
[0006]幾乎所有移動(dòng)式設(shè)備(如各種基于混合動(dòng)力或純電動(dòng)的汽車、船舶等)都帶有儲(chǔ)能裝置，這些儲(chǔ)能裝置可以是由各種電池(如鋰電池)或電容器(如超級(jí)電容器)組成。這些儲(chǔ)能單元都僅能存儲(chǔ)直流形式的電能，且儲(chǔ)能單元的工作電壓等級(jí)是有限制范圍的，當(dāng)它與直流電源電壓范圍不匹配時(shí)，則需要使用獨(dú)立的直流轉(zhuǎn)直流的轉(zhuǎn)換器在電源和儲(chǔ)能單元之間進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。
[0007]在現(xiàn)有的技術(shù)中，都是使用獨(dú)立的交流轉(zhuǎn)直流的轉(zhuǎn)換器(即整流器)、直流轉(zhuǎn)直流的轉(zhuǎn)換器和直流轉(zhuǎn)交流的逆變器，組合來完成上述全部要求；或者是使用自帶整流功能的直流轉(zhuǎn)交流的逆變器，再加上獨(dú)立的直流轉(zhuǎn)直流的轉(zhuǎn)換器，組合完成上述全部要求。但這樣做有許多缺點(diǎn)及不便:
第一、獨(dú)立的直流轉(zhuǎn)直流的轉(zhuǎn)換器只能實(shí)現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換或僅能升壓轉(zhuǎn)換，即僅能單向工作；
第二、當(dāng)上述獨(dú)立的直流轉(zhuǎn)直流的轉(zhuǎn)換器給儲(chǔ)能單元充電時(shí)，就限制了整個(gè)系統(tǒng)的工作電壓范圍。比如，當(dāng)使用降壓型的直流轉(zhuǎn)直流的轉(zhuǎn)換器時(shí)，儲(chǔ)能單元的工作電壓是只能低于前者的；當(dāng)使用升壓型的直流轉(zhuǎn)直流的轉(zhuǎn)換器時(shí)，儲(chǔ)能單元的工作電壓只能是高于前者的；
第三、所有獨(dú)立的直流轉(zhuǎn)直流的轉(zhuǎn)換器，其本身的成本較高，而且和其他設(shè)備組合使用后還將帶來額外的電氣連接成本，另外還需要較大的安裝空間和帶來較大的安裝難度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是為了解決上述問題而提出一種可用于充電和驅(qū)動(dòng)的多功能逆變器；該種可用于充電和驅(qū)動(dòng)的多功能逆變器很好地集成了上述所有的功能，實(shí)現(xiàn)了將“交流電轉(zhuǎn)直流電”、“直流電轉(zhuǎn)直流電”和“直流電轉(zhuǎn)交流電”的功能。本發(fā)明特別適合大規(guī)模應(yīng)用于新能源行業(yè)，特別是混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車領(lǐng)域。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
本發(fā)明為一種可用于充電和驅(qū)動(dòng)的多功能逆變器，包括將直流電轉(zhuǎn)變成交流電的標(biāo)準(zhǔn)逆變器、公共直流母線、邏輯控制端口、電動(dòng)機(jī)端口、儲(chǔ)能端口、交流電源端口、直流電源端口、交流轉(zhuǎn)直流模塊、第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊、第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊和第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊；
所述標(biāo)準(zhǔn)逆變器包括控制端、直流輸入端和交流輸出端，其中交流輸出端具有三個(gè)交流輸出端:第一交流驅(qū)動(dòng)端、第二交流驅(qū)動(dòng)端和第三交流驅(qū)動(dòng)端；
所述公共直流母線包括正極線和負(fù)極線；
所述邏輯控制端口與標(biāo)準(zhǔn)逆變器的控制端相連，邏輯控制端口將低壓電源的電能、上層控制器發(fā)出的控制信號(hào)、電動(dòng)機(jī)編碼器發(fā)出的信號(hào)和溫度傳感器的信號(hào)傳給標(biāo)準(zhǔn)逆變器；
交流電源通過所述交流電源端口將交流電送到交流轉(zhuǎn)直流模塊，交流轉(zhuǎn)直流模塊的輸出端正極經(jīng)開關(guān)S6后與第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊的一端相連，第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊的另一端接入第三交流驅(qū)動(dòng)端；交流轉(zhuǎn)直流模塊的輸出端負(fù)極與負(fù)極線的一端相連，負(fù)極線的另一端接入直流輸入端的負(fù)極；
所述直流電源端口的輸出端正極與交流轉(zhuǎn)直流模塊的輸出端正極相接，直流電源端口的輸出端負(fù)極與交流轉(zhuǎn)直流模塊的輸出端負(fù)極相接，直流電源通過直流電源端口后得到的電壓將與交流轉(zhuǎn)直流模塊對(duì)交流電源進(jìn)行整流后得到的電壓進(jìn)行并聯(lián)；
所述儲(chǔ)能端口的一端的負(fù)極，與交流轉(zhuǎn)直流模塊(8 )的輸出端負(fù)極相連,儲(chǔ)能端口的同一端的正極經(jīng)一開關(guān)S4后與正極線的一端相連，正極線的另一端接入直流輸入端的正極，儲(chǔ)能端口的此端的正極還與開關(guān)S5的一端相連，開關(guān)S5的另一端連有兩條支路:一條支路為開關(guān)S5經(jīng)第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊與第一交流驅(qū)動(dòng)端相連，另一條支路為開關(guān)S5經(jīng)第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊與第二交流驅(qū)動(dòng)端相連；儲(chǔ)能端口的另一端用于連接可充電電池； 所述第一交流驅(qū)動(dòng)端經(jīng)開關(guān)SI后與電動(dòng)機(jī)端口相連，第二交流驅(qū)動(dòng)端經(jīng)開關(guān)S2后也與電動(dòng)機(jī)端口相連，第三交流驅(qū)動(dòng)端經(jīng)開關(guān)S3后也與電動(dòng)機(jī)端口相連；標(biāo)準(zhǔn)逆變器經(jīng)電動(dòng)機(jī)端口后與電動(dòng)機(jī)相連。
[0010]較優(yōu)地，所述交流轉(zhuǎn)直流模塊的輸出端正極與負(fù)極之間并聯(lián)有一濾波電容Cl ;所述儲(chǔ)能端口未與可充電電池相連的一端，此端的正極與負(fù)極之間并聯(lián)有一濾波電容C2。
[0011]較優(yōu)地，所述交流轉(zhuǎn)直流模塊的輸出端正極與開關(guān)S6之間還連有第一預(yù)充電模塊，所述第一預(yù)充電模塊由并聯(lián)的開關(guān)S7與電阻Rl組成；所述儲(chǔ)能端口未與可充電電池相連的一端，此端的正極與開關(guān)S4、開關(guān)S5之間還連有第二預(yù)充電模塊，所述第二預(yù)充電模塊由并聯(lián)的開關(guān)S8與電阻R2組成。
[0012]較優(yōu)地，所述第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊為電感LI，第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊為電感L2，第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊為電感L3。
[0013]較優(yōu)地，所述開關(guān)S1、開關(guān)S2和開關(guān)S3為聯(lián)動(dòng)開關(guān)，開關(guān)S1、開關(guān)S2和開關(guān)S3同時(shí)開啟或同時(shí)閉合；所述開關(guān)S5和開關(guān)S6也為聯(lián)動(dòng)開關(guān)，開關(guān)S5和開關(guān)S6同時(shí)開啟或同時(shí)閉合。
[0014]本發(fā)明的有益效果:
一、本發(fā)明可以將各種交流電源轉(zhuǎn)換成直流電，比如將單相或三相公共電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換成直流電；或者，將來自交流發(fā)電機(jī)輸出的交流電轉(zhuǎn)換成直流電；
二、本發(fā)明使用一臺(tái)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了將“交流電轉(zhuǎn)直流電”、“直流電轉(zhuǎn)直流電”和“直流電轉(zhuǎn)交流電”的功能，這就不再需要安裝獨(dú)立的直流轉(zhuǎn)直流的轉(zhuǎn)換器，因此，本發(fā)明的成本對(duì)比已知的采用其他技術(shù)的設(shè)備的成本將明顯減少。根據(jù)本發(fā)明能以極低的成本進(jìn)行能源管理系統(tǒng)的構(gòu)建；
三、在本發(fā)明中，可以同時(shí)構(gòu)建多個(gè)直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊——如本發(fā)明的第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊、第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊和第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊，且這些直流轉(zhuǎn)直流模塊之間都是可獨(dú)立操作的；這些可獨(dú)立操作的直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊配合標(biāo)準(zhǔn)逆變器，可實(shí)現(xiàn)直流電轉(zhuǎn)直流電的功能；
四、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)能量雙向轉(zhuǎn)換，一方面可將直流電源或儲(chǔ)能單元的電轉(zhuǎn)換成公共直流母線上的具有更高電壓的直流電；另一方面，通過標(biāo)準(zhǔn)逆變器與第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊、第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊、第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊的配合可以將公共直流母線的電壓轉(zhuǎn)換成不同的直流電；
五、本發(fā)明中的第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊、第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊和第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊這些直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊在電氣連接時(shí)，無需關(guān)心它們的直流電壓等級(jí)，只要稍低于公共直流母線的電壓即可。該電壓差值取決于通過標(biāo)準(zhǔn)逆變器和這些直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊的電流大小，只要公共直流母線高于其他直流電壓數(shù)伏即可。這極大地?cái)U(kuò)展了本發(fā)明的供電電壓范圍，這意味著可以使用更寬電壓范圍的可充電電壓等儲(chǔ)能單元，更易于根據(jù)應(yīng)用情況選擇合適的器件組成儲(chǔ)能單元，以達(dá)到更好的性價(jià)比。這些儲(chǔ)能單元包括可充電電池和基于電容器的裝置；
六、通過本發(fā)明的交流電轉(zhuǎn)直流電功能和直流電轉(zhuǎn)直流電功能，可以給可充電電池等儲(chǔ)能單元進(jìn)行充電；
七、第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊、第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊和第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊這些直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊配合標(biāo)準(zhǔn)逆變器還可構(gòu)成主動(dòng)式功率因數(shù)補(bǔ)償控制功能。其原理是將來自交流電源或直流電源的電壓升壓到更高的公共直流母線上，再由公共直流母線給后級(jí)供電，極大地提高了電源的有效利用率，減少了對(duì)電源的干擾；
八、本發(fā)明中的標(biāo)準(zhǔn)逆變器，可用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)或建立一個(gè)本地交流供電系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)上述功能，不需要更改硬件。因此，無需對(duì)本發(fā)明進(jìn)行硬件修改便可以在本發(fā)明上集成新系統(tǒng)功能的開發(fā)。對(duì)于使用電池和電容作為儲(chǔ)能單元的系統(tǒng)來說，這會(huì)是一種極大的創(chuàng)新；
九、本發(fā)明用于充電給可充電電池等儲(chǔ)能單元充電時(shí)，可使用的供電電源非常廣泛，可使用家用單相交流電源、三相交流電源、電池、光伏系統(tǒng)等。使用交流電源時(shí)，無需使用升壓或降壓變壓器即可將交流電源轉(zhuǎn)換成儲(chǔ)能單元所需的電壓；對(duì)于儲(chǔ)能單元來說，允許其電壓可以高于或低于交流電源整流后的電壓，唯一的限制條件是稍微低于公共直流母線電壓即可。這樣，甚至可以使用低壓蓄電池作為充電的供電電源。這對(duì)于混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車來說，會(huì)有極大的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)高壓動(dòng)力電池電量不足時(shí)，可以使用車載12V或24V蓄電池作為緊急情況下的后備電源。例如，混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車一般是使用電液式或電氣式制動(dòng)系統(tǒng)，兩者都是要使用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵或氣泵提供制動(dòng)所需的動(dòng)力，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況并且高壓動(dòng)力電池電量不足時(shí)，采用傳統(tǒng)技術(shù)會(huì)因沒電而無法再進(jìn)行處理，則容易導(dǎo)致危險(xiǎn)情況發(fā)生，但采用本發(fā)明可以切換到低壓蓄電池給電動(dòng)機(jī)供電，從而實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。同樣地，也可以應(yīng)用本發(fā)明使用12V或24V蓄電池作為車輛轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的應(yīng)急后備電源，實(shí)現(xiàn)車輛在緊急情況下的轉(zhuǎn)向助力功能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為標(biāo)準(zhǔn)逆變器的原理框圖；
圖2為本發(fā)明的原理框圖；
圖3為交流轉(zhuǎn)直流模塊的一個(gè)較優(yōu)電路原理圖；
圖4為充電模式下本發(fā)明的等效電路圖；
圖5為驅(qū)動(dòng)模式下本發(fā)明的等效電路圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016]為了更好地說明本發(fā)明，現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例與附圖作進(jìn)一步說明。
[0017]如圖1所示，為本發(fā)明所涉及的標(biāo)準(zhǔn)逆變器I的原理框圖。標(biāo)準(zhǔn)逆變器I的主要功能是將直流高壓輸入接口接收到的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姾笸ㄟ^交流高壓輸出接口輸出。低壓電源及信號(hào)接口用于將低壓電源的電能、上層控制器發(fā)出的控制信號(hào)、電動(dòng)機(jī)編碼器發(fā)出的信號(hào)和溫度傳感器的信號(hào)傳給標(biāo)準(zhǔn)逆變器I的主控芯片。電動(dòng)機(jī)編碼器發(fā)出的信號(hào)和溫度傳感器的信號(hào)為當(dāng)本發(fā)明驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)的相關(guān)信號(hào)。低壓電源用于給本發(fā)明提供工作電壓。上層控制器發(fā)出的控制信號(hào)用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行相關(guān)的控制，如控制主控芯片發(fā)出的PWM信號(hào)，進(jìn)而可以控制交流高壓輸出接口輸出的交流電。
[0018]如圖2所示，本發(fā)明為一種可用于充電和驅(qū)動(dòng)的多功能逆變器，其包括將直流電轉(zhuǎn)變成交流電的標(biāo)準(zhǔn)逆變器1、公共直流母線2、邏輯控制端口 3、電動(dòng)機(jī)端口 4、儲(chǔ)能端口 5、交流電源端口 6、直流電源端口 7、交流轉(zhuǎn)直流模塊8、第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.1、第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.2和第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.3。
[0019]直流電轉(zhuǎn)變成交流電的標(biāo)準(zhǔn)逆變器I包含三相或更多相驅(qū)動(dòng)橋。這些三相或更多相驅(qū)動(dòng)橋，可以由多個(gè)分立的半導(dǎo)體功率器件或具有相同功能的模塊所構(gòu)成。
[0020]其中，邏輯控制端口 3用于將低壓電源的電能、上層控制器發(fā)出的控制信號(hào)、電動(dòng)機(jī)編碼器發(fā)出的信號(hào)和溫度傳感器的信號(hào)傳給標(biāo)準(zhǔn)逆變器1，電動(dòng)機(jī)編碼器發(fā)出的信號(hào)和溫度傳感器的信號(hào)為當(dāng)本發(fā)明驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)的相關(guān)信號(hào)。具體地，上層控制器可使用各種數(shù)字通訊方式比如RS232串口、”8、1?485、04隊(duì)？1'0'^118等，模擬信號(hào)如電壓或電流，數(shù)字脈沖，開關(guān)量如24V或繼電器無源觸點(diǎn)等，或者前述信號(hào)的組合，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行控制。當(dāng)本發(fā)明驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，還需要通過邏輯控制端口 3接受電動(dòng)機(jī)編碼器發(fā)出的信號(hào)和溫度傳感器的信號(hào)。
[0021]電動(dòng)機(jī)端口 4用于連接需要被驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。
[0022]儲(chǔ)能端口 5用于給可充電電池等儲(chǔ)能單元進(jìn)行充放電。
[0023]交流電源端口 6用于連接交流電源以進(jìn)行充電功能，直流電源端口 7用于連接直流電源以進(jìn)行充電功能。所使用的交流電源包括單相交流電源和三相交流電源。其中，單相交流電源包括單相公共電網(wǎng)和單相交流發(fā)電機(jī)；三相交流電源包括三相公共電網(wǎng)和三相交流發(fā)電機(jī)。直流電源包含使用電池、光伏發(fā)電系統(tǒng)，以及來自于前述交流電源經(jīng)整流后形成的直流電。
[0024]交流轉(zhuǎn)直流模塊8用于將交流電轉(zhuǎn)換成直流電；第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.1、第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.2和第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.3這些直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊配合標(biāo)準(zhǔn)逆變器1，用于將直流電進(jìn)行升壓或降壓轉(zhuǎn)換成直流。第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.1、第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.2和第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.3這些直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊配合標(biāo)準(zhǔn)逆變器1，實(shí)現(xiàn)直流轉(zhuǎn)直流的轉(zhuǎn)換器的功能，根據(jù)實(shí)現(xiàn)情況，可以再減少或增加若干直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊，本發(fā)明以3個(gè)直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊為例，即第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.1、第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.2和第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.3。
[0025]標(biāo)準(zhǔn)逆變器I包括控制端1.1、直流輸入端1.2和交流輸出端1.3，其中交流輸出端1.3具有三個(gè)交流輸出端:第一交流驅(qū)動(dòng)端1.3a、第二交流驅(qū)動(dòng)端1.3b和第三交流驅(qū)動(dòng)端 1.3c。
[0026]公共直流母線2包括正極線2.1和負(fù)極線2.2。標(biāo)準(zhǔn)逆變器I和第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.1、第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.2和第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.3這3個(gè)直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊，將電能匯總到公共直流母線2。
[0027]邏輯控制端口 3與標(biāo)準(zhǔn)逆變器I的控制端1.1相連，邏輯控制端口 3將低壓電源的電能、上層控制器發(fā)出的控制信號(hào)、電動(dòng)機(jī)編碼器發(fā)出的信號(hào)和溫度傳感器的信號(hào)傳給標(biāo)準(zhǔn)逆變器I。
[0028]交流電源通過交流電源端口 6將交流電送到交流轉(zhuǎn)直流模塊8，交流轉(zhuǎn)直流模塊8的輸出端正極經(jīng)開關(guān)S6后與第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.3的一端相連，第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.3的另一端接入第三交流驅(qū)動(dòng)端1.3c ;交流轉(zhuǎn)直流模塊8的輸出端負(fù)極與負(fù)極線
2.2的一端相連，負(fù)極線2.2的另一端接入直流輸入端1.2的負(fù)極。
[0029]直流電源端口 7的輸出端正極與交流轉(zhuǎn)直流模塊8的輸出端正極相接，直流電源端口 7的輸出端負(fù)極與交流轉(zhuǎn)直流模塊8的輸出端負(fù)極相接，直流電源通過直流電源端口7后得到的電壓將與交流轉(zhuǎn)直流模塊8對(duì)交流電源進(jìn)行整流后得到的電壓進(jìn)行疊加。
[0030]交流電源和直流電源的電壓上限是稍低于公共直流母線2上的電壓，下限幾乎無限制，甚至可以使用12V或24V電源，無需使用升壓變壓器。
[0031 ] 儲(chǔ)能端口 5的一端的負(fù)極，其與負(fù)極線2.2連有交流轉(zhuǎn)直流模塊8的一端相連，儲(chǔ)能端口 5的同一端的正極經(jīng)一開關(guān)S4后與正極線2.1的一端相連，正極線2.1的另一端接入直流輸入端1.2的正極,儲(chǔ)能端口 5的此端的正極還與開關(guān)S5的一端相連,開關(guān)S5的另一端連有兩條支路:一條支路為開關(guān)S5經(jīng)第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.1與第一交流驅(qū)動(dòng)端1.3a相連，另一條支路為開關(guān)S5經(jīng)第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.2與第二交流驅(qū)動(dòng)端1.3b相連；儲(chǔ)能端口 5的另一端用于連接可充電電池。其中，交流轉(zhuǎn)直流模塊8可由多個(gè)分立的二極管、晶體管、可控硅、晶閘管組合或使用單個(gè)具有相同整流功能的元件模塊來構(gòu)成。交流轉(zhuǎn)直流模塊8 —個(gè)具體電氣元件連接，典型如圖3所示的一個(gè)由分立的二極管構(gòu)成的橋式整流電路。另外，由于儲(chǔ)能端口 5連接的可充電電池等儲(chǔ)能單元可進(jìn)行充電和放電，為了提高通過電流的能力，第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.1、第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.2如前所述般進(jìn)行連接。
[0032]另外，第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.1、第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.2和第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.3的一個(gè)較優(yōu)實(shí)現(xiàn)方案就是，第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.1為電感LI，第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.2為電感L2，第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.3為電感L3。第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.1、第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.2和第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.3這些直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊配合標(biāo)準(zhǔn)逆變器I，可實(shí)現(xiàn)將直流電轉(zhuǎn)換成直流電的功能。這些直轉(zhuǎn)直流輔助模塊可任意組合從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大電流的功能。
[0033]第一交流驅(qū)動(dòng)端1.3a經(jīng)開關(guān)SI后與電動(dòng)機(jī)端口 4相連，第二交流驅(qū)動(dòng)端1.3b經(jīng)開關(guān)S2后也與電動(dòng)機(jī)端口 4相連，第三交流驅(qū)動(dòng)端1.3c經(jīng)開關(guān)S3后也與電動(dòng)機(jī)端口 4相連；標(biāo)準(zhǔn)逆變器I經(jīng)電動(dòng)機(jī)端口 4后與電動(dòng)機(jī)相連。
[0034]為了將脈動(dòng)直流電中的交流成份濾掉，交流轉(zhuǎn)直流模塊8的輸出端正極與負(fù)極之間并聯(lián)有一濾波電容Cl ;儲(chǔ)能端口 5未與可充電電池相連的一端，此端的正極與負(fù)極之間并聯(lián)有一濾波電容C2。
[0035]為了防止瞬間電流沖擊，交流轉(zhuǎn)直流模塊8的輸出端正極與開關(guān)S6之間還連有第一預(yù)充電模塊，此第一預(yù)充電模塊由并聯(lián)的開關(guān)S7與電阻Rl組成；儲(chǔ)能端口 5未與可充電電池相連的一端，此端的正極與開關(guān)S4、開關(guān)S5之間還連有第二預(yù)充電模塊，此第二預(yù)充電模塊由并聯(lián)的開關(guān)S8與電阻R2組成。
[0036]另外，為使本發(fā)明在使用過程中的操作更為簡單方便，開關(guān)S1、開關(guān)S2和開關(guān)S3為聯(lián)動(dòng)開關(guān)，開關(guān)S1、開關(guān)S2和開關(guān)S3同時(shí)開啟或同時(shí)閉合；開關(guān)S5和開關(guān)S6也為聯(lián)動(dòng)開關(guān)，開關(guān)S5和開關(guān)S6同時(shí)開啟或同時(shí)閉合。
[0037]開關(guān)S1、開關(guān)S2、開關(guān)S3、開關(guān)S4、開關(guān)S5、開關(guān)S6、開關(guān)S7和開關(guān)S8，可由接觸器、繼電器、可控硅、晶閘管等具備開關(guān)特性的器件所構(gòu)成。
[0038]綜上所述，本發(fā)明在標(biāo)準(zhǔn)逆變器I的基礎(chǔ)上，通過增加數(shù)個(gè)電氣元件如開關(guān)、電感器、電容器、電阻器、二極管或整流橋等，構(gòu)成了本發(fā)明所述的可用于充電和驅(qū)動(dòng)的多功能逆變器。
[0039]來自于交流電源端口 6的交流電源經(jīng)過交流轉(zhuǎn)直流模塊8轉(zhuǎn)換成供電單元的第一直流電。來自于直流電源端口 7的直流電源，可以接入交流轉(zhuǎn)直流模塊8的輸出端，共同形成供電單元的直流電Udci。
[0040]如前所述，為了減小上電時(shí)的沖擊電流，設(shè)計(jì)了分別由開關(guān)S7和電阻器Rl組成的第一預(yù)充電單元，以及由開關(guān)S8和電阻器R2組成的第二預(yù)充電單元，第一預(yù)充電單元作用于供電單元的直流電UDa，第二預(yù)充電單元作用于儲(chǔ)能單元的直流電Udc2。
[0041]以第一預(yù)充電單元為例，剛上電時(shí)，開關(guān)S7是斷開的，來自于U1的沖擊電流通過電阻器Rl傳輸?shù)胶蠹?jí)電路，該電流大小被電阻器Rl進(jìn)行了限制，使得沖擊電流不會(huì)對(duì)其他電路造成影響。當(dāng)后級(jí)電路逐漸穩(wěn)定后，通過閉合開關(guān)S7，短路掉電阻器R1，使得所有電流均通過開關(guān)而不再流經(jīng)電阻器R1，避免電阻器Rl因長時(shí)間通電而過熱損壞，同時(shí)也避免了不必要的能量損耗。同理，第二預(yù)充電單元也是具備同樣的工作原理。
[0042]直流電Udci和Udc2先分別經(jīng)過預(yù)充電單元后，然后分別經(jīng)過濾波電容Cl和C2濾除交流分量，再供給后級(jí)電路工作。
[0043]第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.1、第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.2和第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.3配合標(biāo)準(zhǔn)逆變器I實(shí)現(xiàn)將直流電轉(zhuǎn)換成直流電的工作原理是，通過邏輯控制端口 3控制標(biāo)準(zhǔn)逆變器I內(nèi)部的功率電子器件如場效應(yīng)管或絕緣柵極晶體管等來進(jìn)行開通或關(guān)斷，電感器L1、L2和L3會(huì)儲(chǔ)能并產(chǎn)生電壓，該電壓將分別疊加來自供電單元或儲(chǔ)能單元的電壓Udci和UDC2，并連接到公共直流母線2上的電壓UDC3。換句話說，可以將較低的供電單元或儲(chǔ)能單元的直流電U1和Udc2轉(zhuǎn)換成較高的公共直流母線2上電壓Udc3 ;換個(gè)角度說，也可以將來自公共直流母線2上的電壓U1轉(zhuǎn)換成不同電壓的直流電Udci和Udc2。
[0044]本發(fā)明在初始階段時(shí)，公共直流母線2和可充電電池等儲(chǔ)能單元是沒有電能的，即電壓Udc2和Udc3為零。此時(shí)，可讓本發(fā)明開啟充電模式，給公共直流母線2和可充電電池進(jìn)行充電。通過斷開開關(guān)S1、S2、S3和S4來切斷本發(fā)明與電動(dòng)機(jī)的連接；再閉合開關(guān)S5和S6，來使可充電電池與本發(fā)明接通，來使交流電源和/或直流電源與本發(fā)明接通。當(dāng)接通外部交流電源或直流電源后，會(huì)先通過第一預(yù)充電單元一由開關(guān)S7與電阻Rl組成一給公共直流母線2充電，當(dāng)Udc3緩慢上升至接近Udci后，再閉合開關(guān)S7完成預(yù)充電過程；接著，第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.3配合標(biāo)準(zhǔn)逆變器I繼續(xù)給公共直流母線2充電，引起Udc3繼續(xù)上升，直至到達(dá)所預(yù)設(shè)的電壓；然后，閉合開關(guān)S8旁路掉第二預(yù)充電單元，接著，第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.1、第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.2配合標(biāo)準(zhǔn)逆變器I給可充電電池充電。這樣，來自于外界交流電源和/或直流電源簡單處理后得到直流電UDa，然后第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.3與標(biāo)準(zhǔn)逆變器I配合將直流電UDa轉(zhuǎn)換成更高的公共直流母線2上的電壓UDra，然后第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.1、第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.2配合標(biāo)準(zhǔn)逆變器I將公共直流母線2上的電壓Udc3轉(zhuǎn)換成儲(chǔ)能端口 5上的電壓Udc2,儲(chǔ)能端口 5上的電壓Udc2對(duì)可充電電池進(jìn)行充電。當(dāng)可充電電池充滿電后，關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)逆變器I與第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.1、第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.2、第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊9.3的配合，結(jié)束充電過程。
[0045]如圖4所示，為充電模式下本發(fā)明的等效電路圖。通過邏輯控制端口 3接收相關(guān)信號(hào)輸入到標(biāo)準(zhǔn)逆變器I的控制端1.1，使半導(dǎo)體管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、和Q6的基極接收相關(guān)的PWM信號(hào)，通過PWM信號(hào)來控制半導(dǎo)體管Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、和Q6的開關(guān)或閉合，從而實(shí)現(xiàn)直流電轉(zhuǎn)直流電等功能。
[0046]當(dāng)本發(fā)明用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，需要先切換至驅(qū)動(dòng)模式。通過斷開開關(guān)S5、S6和S7，切斷交流電源和直流電源對(duì)本發(fā)明的供電。再閉合開關(guān)S4，將可充電電池經(jīng)儲(chǔ)能端口 5輸入的直流電Udc2經(jīng)第二預(yù)充電單元一由開關(guān)S8和電阻R2組成一連接至公共直流母線2的電壓Ulot5待U1逐漸接近于電壓Udc2后，再閉合開關(guān)S8旁路掉第二預(yù)充電單元。接著，閉合開關(guān)S1、S2和S3，將電動(dòng)機(jī)的三相繞組連接到標(biāo)準(zhǔn)逆變器I的三個(gè)交流輸出端--第一交流驅(qū)動(dòng)端1.3a、第二交流驅(qū)動(dòng)端1.3b和第三交流驅(qū)動(dòng)端1.3c。然后就可以啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)逆變器I的直流電轉(zhuǎn)交流電功能，將公共直流母線2上的電壓Udc3轉(zhuǎn)換成交流電供給電動(dòng)機(jī)，讓電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0047]圖5為驅(qū)動(dòng)模式下本發(fā)明的等效電路圖。通過邏輯控制端口 3接收相關(guān)信號(hào)輸入到標(biāo)準(zhǔn)逆變器I的控制端1.1，使得標(biāo)準(zhǔn)逆變器I在內(nèi)部產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)，通過PWM信號(hào)來控制半導(dǎo)體管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、和Q6的開關(guān)或閉合，從而實(shí)現(xiàn)直流電轉(zhuǎn)交流電等功倉泛。
[0048]由上可知，本發(fā)明分別實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和給可充電電池等儲(chǔ)能單元充電的功能。本發(fā)明在設(shè)計(jì)的過程中，是在標(biāo)準(zhǔn)逆變器I的基礎(chǔ)上，通過增加數(shù)個(gè)電氣元件如開關(guān)、電感器、電容器、電阻器、二極管或整流橋等，從而構(gòu)成了本發(fā)明，使本發(fā)明在同一臺(tái)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)了交流電轉(zhuǎn)直流電、直流電轉(zhuǎn)直流電和直流電轉(zhuǎn)交流電的功能，其中，直流電轉(zhuǎn)直流電，是將一種直流電轉(zhuǎn)換成另一種直流電，在本發(fā)明中，只要兩者電壓是不相同的，有極小的電壓差值即可。
[0049]本發(fā)明所述的可用于充電和驅(qū)動(dòng)的多功能逆變器，其可提供功率因數(shù)補(bǔ)償控制功能，可作為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可作為充電機(jī)為電池充電，可作為能量型或功率型的儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向能量轉(zhuǎn)換裝置，可作為基于超級(jí)電容器的儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向能量轉(zhuǎn)換裝置，可作為基于其他電容器的儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向能量轉(zhuǎn)換裝置。本發(fā)明可由下述電源進(jìn)行供電:由內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)、整流器組合所構(gòu)成的電源，由汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、整流器組合所構(gòu)成的電源，燃料電池作為電源，光伏系統(tǒng)作為電源，車載12V或24V蓄電池作為電源。
[0050]本發(fā)明用途十分廣泛，可用于混合動(dòng)力和純電動(dòng)系統(tǒng)，可用于轎車、卡車、物流運(yùn)輸車或公交車，可用于多用途工具車如市政道路清掃車和割草車等，可用于水上交通工具，可用于工程機(jī)械如挖掘機(jī)、推土機(jī)和混泥土攪拌機(jī)等，可用于制冷設(shè)備。
【權(quán)利要求】
1.一種可用于充電和驅(qū)動(dòng)的多功能逆變器，包括將直流電轉(zhuǎn)變成交流電的標(biāo)準(zhǔn)逆變器(1)，其特征在于還包括:公共直流母線(2)、邏輯控制端口(3)、電動(dòng)機(jī)端口(4)、儲(chǔ)能端口(5 )、交流電源端口( 6 )、直流電源端口( 7 )、交流轉(zhuǎn)直流模塊(8 )、第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊(9.1)、第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊(9.2)和第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊(9.3)； 所述標(biāo)準(zhǔn)逆變器(I)包括控制端(1.1)、直流輸入端(1.2)和交流輸出端(1.3)，其中交流輸出端(1.3)具有三個(gè)交流輸出端:第一交流驅(qū)動(dòng)端(1.3a)、第二交流驅(qū)動(dòng)端(1.3b)和第三交流驅(qū)動(dòng)端(1.3c); 所述公共直流母線(2)包括正極線(2.1)和負(fù)極線(2.2); 所述邏輯控制端口( 3)與標(biāo)準(zhǔn)逆變器(I)的控制端(1.1)相連，邏輯控制端口( 2)將低壓電源的電能、上層控制器發(fā)出的控制信號(hào)、電動(dòng)機(jī)編碼器發(fā)出的信號(hào)和溫度傳感器的信號(hào)傳給標(biāo)準(zhǔn)逆變器(I); 交流電源通過所述交流電源端口(6)將交流電送到交流轉(zhuǎn)直流模塊(8)，交流轉(zhuǎn)直流模塊(8)的輸出端正極經(jīng)開關(guān)S6后與第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊(9.3)的一端相連，第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊(9.3)的另一端接入第三交流驅(qū)動(dòng)端(1.3c);交流轉(zhuǎn)直流模塊(8)的輸出端負(fù)極與負(fù)極線(2.2)的一端相連，負(fù)極線(2.2)的另一端接入直流輸入端(1.2)的負(fù)極； 所述直流電源端口(7)的輸出端正極與交流轉(zhuǎn)直流模塊(8)的輸出端正極相接，直流電源端口(7)的輸出端負(fù)極與交流轉(zhuǎn)直流模塊(8)的輸出端負(fù)極相接，直流電源通過直流電源端口(7)后得到的電壓將與交流轉(zhuǎn)直流模塊(8)對(duì)交流電源進(jìn)行整流后得到的電壓進(jìn)行并聯(lián)； 所述儲(chǔ)能端口( 5 )的一端的負(fù)極,與交流轉(zhuǎn)直流模塊(8 )的輸出端負(fù)極相連,儲(chǔ)能端口(5)的同一端的正極經(jīng)一開關(guān)S4后與正極線(2.1)的一端相連，正極線(2.1)的另一端接入直流輸入端(1.2)的正極,儲(chǔ)能端口(5)的此端的正極還與開關(guān)S5的一端相連,開關(guān)S5的另一端連有兩條支路:一條支路為開關(guān)S5經(jīng)第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊(9.1)與第一交流驅(qū)動(dòng)端(1.3a)相連，另一條支路為開關(guān)S5經(jīng)第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊(9.2)與第二交流驅(qū)動(dòng)端(1.3b)相連；儲(chǔ)能端口(5)的另一端用于連接可充電電池； 所述第一交流驅(qū)動(dòng)端(1.3a)經(jīng)開關(guān)SI后與電動(dòng)機(jī)端口(4)相連，第二交流驅(qū)動(dòng)端(1.3b)經(jīng)開關(guān)S2后也與電動(dòng)機(jī)端口(4)相連，第三交流驅(qū)動(dòng)端(1.3c)經(jīng)開關(guān)S3后也與電動(dòng)機(jī)端口(4)相連；標(biāo)準(zhǔn)逆變器(I)經(jīng)電動(dòng)機(jī)端口(4)后與電動(dòng)機(jī)相連。
2.如權(quán)利要求1所述的可用于充電和驅(qū)動(dòng)的多功能逆變器，其特征在于:所述交流轉(zhuǎn)直流模塊(8)的輸出端正極與負(fù)極之間并聯(lián)有一濾波電容Cl ;所述儲(chǔ)能端口(5)未與可充電電池相連的一端，此端的正極與負(fù)極之間并聯(lián)有一濾波電容C2。
3.如權(quán)利要求1所述的可用于充電和驅(qū)動(dòng)的多功能逆變器，其特征在于:所述交流轉(zhuǎn)直流模塊(8)的輸出端正極與開關(guān)S6之間還連有第一預(yù)充電模塊,所述第一預(yù)充電模塊由并聯(lián)的開關(guān)S7與電阻Rl組成；所述儲(chǔ)能端口(5)未與可充電電池相連的一端，此端的正極與開關(guān)S4、開關(guān)S5之間還連有第二預(yù)充電模塊，所述第二預(yù)充電模塊由并聯(lián)的開關(guān)S8與電阻R2組成。
4.如權(quán)利要求1所述的可用于充電和驅(qū)動(dòng)的多功能逆變器，其特征在于:所述第一直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊(9.1)為電感LI，第二直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊(9.2)為電感L2，第三直流轉(zhuǎn)直流輔助模塊(9.3)為電感L3。
5.如權(quán)利要求1所述的可用于充電和驅(qū)動(dòng)的多功能逆變器，其特征在于:所述開關(guān)S1、開關(guān)S2和開關(guān)S3為聯(lián)動(dòng)開關(guān)，開關(guān)S1、開關(guān)S2和開關(guān)S3同時(shí)開啟或同時(shí)閉合；所述開關(guān)S5和開關(guān)S6也為聯(lián)動(dòng)開關(guān),開關(guān)S5和開關(guān)S6同時(shí)開啟或同時(shí)閉合。
【文檔編號(hào)】H02P27/08GK104320042SQ201410574666
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】劉儀 申請(qǐng)人:深圳市歐德思控制技術(shù)有限公司