CN110417268A - 车载充电机和电动车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载充电机和电动车辆，该车载充电机包括PFC模块、双向DCDC模块和控制模块，PFC模块包括PFC单元、整流单元和开关单元，整流单元用于对外部电源输入的交流电进行整流；PFC单元用于对输入的电信号进行功率因数校正，输出经功率因数校正后的电流信号；开关单元用于控制整流单元接通或短路；双向DCDC模块用于在充电时对经功率因数校正后的电流信号进行直流转换，或者，用于在放电时对电池模块的输出信号进行直流转换；控制模块用于，在充电时控制开关单元断开以使得整流单元接通，或者，在放电时控制开关单元闭合以使得所述整流单元短路。可以实现电路拓扑的切换，有利于降低成本，降低损耗，提高效率。

Description

车载充电机和电动车辆

技术领域

本发明属于车辆技术领域，尤其涉及一种车载充电机，以及具有该车载充电机的电动车辆。

背景技术

随着电动车辆的不断发展，电动车辆的电池模块容量越来越大。为了节省充放电时间，大容量的电池包需要更大功率的双向车载充电机(以下简称车载充电机)。目前行业上主流车载充电机功率等级为单相3.3KW/6.6KW。

车载充电机主功率拓扑一般包括PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)和双向DCDC两部分，PFC起到功率因素校正作用；双向DC/DC实现能量可控隔离传输。随着功率的增加，特别是6.6KW功率等级，因输入电流较大，导致电子器件电流应力较大。而且由于PFC因电路拓扑原理问题一般工作于硬开关模式，开关损耗大，进一步加剧了PFC开关管热效应。为了缓解开关管损耗，大功率车载充电机一般采用交错PFC电路拓扑，通过交错方式使电流应力均摊，降低单体开关管热损耗，典型的交错PFC电路如图1所示。图1虽然可以通过交错方式降低开关管电流应力，但最大的缺点是该拓扑只能工作于正向充电模式，对于需要双向充放电的车载充电机，该拓扑并不适用。

为了解决正反向充放电问题，在相关技术中，采用可工作于双向模式的无桥PFC，典型无桥PFC拓扑如图2所示。图2相比于图1，PFC续流二极管D更换成开关管Q，并且去除整流桥，使该电路可工作于正向充电或反向放电。但是，采用该无桥PFC拓扑结构，因为大功率车载充电机输入电流较大，且PFC工作于硬开关状态，PFC开关管承受很大电流应力及热损耗，为缓解该应力，需对开关管进行关联，如此将占用更大的体积，耗费更大的成本。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种车载充电机，该车载充电机可实现双向充放电，成本低。

本发明的另一个目的在于提出一种电动车辆，该电动车辆包括上述的车载充电机。

为了达到上述目的，本发明第一发明实施例的车载充电机，包括：PFC模块，所述PFC模块包括PFC单元、整流单元和开关单元，所述整流单元用于对所述外部电源的输入的交流电进行整流；所述PFC单元用于对输入的电信号进行功率因数校正，输出经功率因数校正后的电流信号；所述开关单元用于控制所述整流单元接入所述外部电源与所述PFC单元之间的状态；双向DCDC模块，所述双向DCDC模块用于在外部电源对车辆的电池模块充电时对所述经功率因数校正后的电流信号进行直流转换，或者，用于在所述电池模块对外部负载放电时对所述电池模块的输出信号进行直流转换；控制模块，所述控制模块用于，在外部电源对车辆的电池模块充电时控制所述开关单元断开以使得所述整流单元接通，或者，在所述电池模块对外部负载放电时控制所述开关单元闭合以使得所述整流单元短路。

根据本发明实施例的车载充电机，通过设置开关单元，在充电和放电时切换PFC拓扑结构，不仅可以实现双向充放电控制，也可以提高PFC效率，成本低。

为了达到上述目的，本发明第二方面实施例的电动车辆，包括所述的车载充电机。

根据本发明实施例的电动车辆，通过采用上述方面实施例的车载充电机，可以根据充放电需求实现电路拓扑结构的切换，更加利于降低开关管能耗，提高效率，降低成本。

附图说明

图1是相关技术中一种典型的有桥交错PFC电路拓扑示意图；

图2是相关技术中一种典型的无桥交错PFC电路拓扑示意图；

图3是根据本发明一个实施例的车载充电机的框图；

图4是根据本发明的一个实施例的车载充电机的电路拓扑示意图；

图5是根据本发明一个实施例的针对图4的车载充电机的充电时的等效电路拓扑示意图；

图6是根据本发明一个实施例的针对图4的车载充电机的放电时的等效电路拓扑示意图；

图7是根据本发明的一个实施例的车载充电机的电路拓扑示意图；

图8是根据本发明一个实施例的针对图7的车载充电机的充电时的等效电路拓扑示意图；

图9是根据本发明一个实施例的针对图7的车载充电机的放电时的等效电路拓扑示意图；

图10是根据本发明一个实施例的电动车辆的框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

考虑到，双向车载充电机虽然可以工作于双向充放电模式，但是通过分析，实际上95％以上时间车载充电机工作于正向充电模式；余下5％的时间处于放电状态，放电负载绝大部分情况下为普通家用电器，所需功率很小。即车载充电机正向充电模式为主要需求，需要大功率；反向放电为辅助需求，且功率需求较小。

基于上述考虑，本发明实施例提出一种新颖的车载充电机拓扑结构，可以实现无桥式的交错式PFC充电模式和有桥式PFC双向充电模式的切换。

下面参照附图描述根据本发明实施例的车载充电机。

图3是根据本发明实施例的车载充电机的框图，如图3所示，本发明实施例的车载充电机100包括PFC模块10、双向DCDC模块20和控制模块30，其中，PFC模块10包括PFC单元11、整流单元12和开关单元13。

在本发明的实施例中，整流单元12用于对外部电源输入的交流电进行整流；PFC单元11用于对输入信号进行功率因数校正，并输出经功率因数校正后的电流信号；开关单元13用于控制整流单元12的接通或短路，即可以实现PFC模块10在有桥PFC和无桥PFC拓扑之间的切换，其中，在整流单元12接入时，PFC单元11对输入的经整流后的直流电进行功率因数校正，反之，直接连接外部电源，对外部电源输入电信号进行功率因数校正。

双向DCDC模块20用于在外部电源对车辆的电池模块充电时对经功率因数校正后的电流信号进行直流转换，或者，用于在电池模块对外部负载放电时对电池模块的输出信号进行直流转换，可以实现双向能量传输。

在本发明的一些实施例中，整流单元12的输入端与外部电源例如电网相连，整流单元12的输出端与PFC单元相连，开关单元13与整流单元12并联连接，即开关单元13分别与外部电源和PFC单元相连，双向DCDC模块20分别与PFC模块10和车辆的电池模块相连。

控制模块30与开关单元13的控制端相连，用于在外部电源对车辆的电池模块充电时控制开关单元13断开以使得整流单元12接通，或者，在电池模块对外部负载放电时控制开关单元13闭合以使得整流单元短路。

具体地，开关单元13可以处于断开状态和闭合状态，在开关单元13处于断开状态时，外部电源可以通过整流单元12、PFC单元以及双向DCDC模块20，将外部输入电能转换为电池模块所需电能，实现对电池模块的充电，相当于采用图1所示包括整流单元12的交错PFC实现充电。在开关单元13处于闭合状态时，外部电源直接与PFC单元11相连，相当于切掉整流单元12，采用如图2所示的无桥交错PFC实现充放电。

根据本发明实施例的车载充电机100，通过设置开关单元13，根据充放电命令控制开关单元13的开关状态，在电池模块充电和放电时实现PFC拓扑结构的切换，不仅可以实现双向充放电也可以提高PFC效率。

在本发明的一些实施例中，控制模块30在对开关单元13进行控制时具体用于，在检测到对电池模块进行充电的命令时，控制开关单元处于断开状态，即PFC模块10的电路拓扑等效于有桥交错PFC电路。正向充电工作于有桥交错PFC模式，开关管电流应力减半，可以选择更小规格或更少数量的开关管，节省产品体积及成本。

在本发明的另一些实施例中，控制模块30在对开关单元13进行控制时具体用于，在检测到对电池模块进行放电的命令时，控制开关单元13处于闭合状态，相当于切掉滤波单元12，即PFC模块10的电路拓扑等效于无桥交错PFC电路。反向放电工作于无桥PFC模式，因放电大部分时间工作于轻载模式，更小规格或更小数量的开关管有利于降低驱动及开关损耗，进一步提高产品效率。

下面对本发明实施例的车载充电机100的各个模块的拓扑结构进一步说明。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，本发明实施例的整流单元12包括四个二极管，例如包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，第一二极管的一端与第二二极管的一端相连，第一二极管的一端与第二二极管的一端之间具有第一节点D1，第一节点D1与外部电源的一端相连，第三二极管的一端与第四二极管的一端相连，第三二极管的一端与第四二极管的一端之间具有第二节点D2，第二节点D2与外部电源的另一端相连，第一二极管的另一端与第三二极管的另一端连接在一起以形成第一输出端A1，第二二极管的另一端与第四二极管的另一端连接在一起以形成第二输出端B2。

在一些实施例中，本发明实施例的开关单元13可以采用单刀双掷开关模式，例如图4所示，开关单元13包括第一继电器K1和第二继电器K2。

第一继电器K1的第一静触点1与外部电源的一端相连，第一继电器K1的第二静触点2与第二输出端B2相连，第一继电器K1的动触点3与PFC单元11相连，第一继电器K1的控制端例如控制线圈与控制模块30相连；第二继电器K2的第一静触点1与外部电源的另一端相连，第二继电器K2的第二静触点2与第二输出端B2相连，第二继电器K2的动触点3与PFC单元11相连，第二继电器K2的控制端例如控制线圈与控制模块30相连。

在本发明的实施例中，如图4所示，PFC单元11包括第一电感L1和第二电感L2、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4和第一电容C1。

其中，第一电感L1的一端与第一继电器K1的动触点3相连，第二电感L2的一端与第二继电器K2的动触点3相连；第一开关管Q1的第一端与第二开关管Q2的第一端相连，第一开关管Q1的第一端与第二开关管Q2的第一端之间具有第三节点D3，第三节点D3与第一电感L1的另一端相连，第三开关管Q3的第一端与第四开关管Q4的第一端相连，第三开关管Q3的第一端与第四开关管Q4的第一端之间具有第四节点D4，第四节点D4与第二电感L2的另一端相连，第一开关管Q1的第二端与第三开关管Q3的第二端连接在一起之后以形成第五节点D5，第二开关管Q2的第二端与第四开关管Q4的第二端连接在一起后与滤波单元12的第一输出端A1相连；第一电容C1的一端与第五节点D5相连，第一电容C1的另一端与滤波单元12的第一输出端A1相连。

在实施例中，如图4所示，本发明实施例的双向DCDC模块20包括第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8，第九开关管Q9、第十开关管Q10、第十一开关管Q11和第十二开关管Q12，变压单元T1和第二电容C2。

其中，第五开关管Q5的第一端与第六开关管Q6的第一端相连，第五开关管Q5的第一端与第六开关管Q6的第一端之间具有第六节点D6，第七开关管Q7的第一端与第八开关管Q8的第一端相连，第七开关管Q7的第一端与第八开关管Q8的第一端之间具有第七节点D7，第五开关管Q5的第二端与第七开关管Q7的第二端连接在一起之后连接于第五节点D5，第六开关管Q6的第二端与第八开关管Q8的第二端连接在一起之后与滤波单元12的第一输出端A1相连。

第九开关管Q9的第一端与第十开关管Q10的第一端相连，第九开关管Q9的第一端与第十开关管Q10的第一端之间具有第八节点D8，第十一开关管Q11的第一端与第十二开关管Q12的第一端相连，第十一开关管Q11的第一端与第十二开关管Q12的第一端之间具有第九节点D9，第九开关管Q9的第二端与第十一开关管Q11的第二端连接之后与电池模块的一端相连，第十开关管Q10的第二端与第十二开关管Q12的第二端连接之后与电池模块的另一端相连，在充电式，双向DCDC模块20将输入转换为直流，输出例如Vout为电池模块充电。

变压单元T1包括初级线圈和次级线圈，初级线圈的第一端与第六节点D6相连，初级线圈的第二端与第七节点D7相连，次级线圈的第一端与第八节点D8相连，次级线圈的第二端与第九节点D9相连，变压单元T1例如变压器可以实现能量可控隔离传输。

第二电容C2的一端与电池模块的一端相连，第二电容的另一端与电池模块的另一端相连，第二电容C2可以实现对输出电流的滤波，保证输出稳定。

以上面实施例图4中的拓扑结构为例，在充放电控制时，控制模块30根据充放电命令对开关单元13控制，在外部电源对车辆的电池模块充电时，控制第一继电器K1的动触点3与第一继电器K1的第二静触点2相连，控制第二继电器K2的动触点3与第二继电器K2的第二静触点2相连，此时等效电路拓扑结构如图5所示，第一继电器K1和第二继电器K2的动触点处于图4中常闭状态，电路拓扑等效于有桥交错PFC电路，基于有桥交错PFC电路的优点，在充电控制时，开关管的电流应力减半，因而本申请的PFC模块10可以选择更小规格或更少数量的开关管，减小车载充电机100的体积以及降低成本。

控制模块30在电池模块对外部负载放电时，控制第一继电器K1的动触点3与第一继电器K1的第一静触点1相连，控制第二继电器K2的动触点3与第二继电器K2的第一静触点1相连，等效电路拓扑结构如图6所示，第一继电器K1和第二继电器K2的动触点处于图4中断开状态，即触点切断滤波单元12，直接与外部电源例如电网相连，电路拓扑等效于无桥交错PFC电路，即反向放电时车载充电机100工作于无桥PFC模式，因放电大部分时间工作于轻载模式，因而本申请可以选择更小规格或更少数量的开关管有利于降低驱动及开关损耗，进一步调高整机效率。

下面以6.6KW的车载充电机的充放电控制为例进行说明。

有前面实施例的说明，基于本发明实施例的车载充电机100的充放电控制，可以选择更小规格或更少数量的开关管，在本实施例中，6.6KW车载充电机的单相输入为6.6KW，则每相电流I＝6600/(220)＝30A，第一继电器K1和第二继电器K2均选用35A继电器，选择电感感量为180uH的第一电感L1和第二电感L2，PFC单元11选用650V/30A碳化硅MOS管。其中，经过第一继电器K1和第二继电器K2切换后，电路变为交错模式，每相电流为相电流一半，即15A，MOS管电流一般需要2倍降额，所以选择30A MOS管，PFC输出电压一般为400V，电压应力需进行1.5倍降额，所以选择600V MOS管，行业一般650V MOS管脚常用，因此选择650V/30AMOS管。车载充电机100的电路拓扑图如图7所示。

在正向充电控制时，第一继电器K1和第二继电器K2的控制线圈断电，触点处于如图7所示的常闭状态，此时电路拓扑等效于有桥交错PFC电路，如图8所示，正向充电工作于有桥交错PFC模式，可以缓解开关管损耗。

在反向放电时，第一继电器K1和第二继电器K2的控制线圈通电，触点处于如图7的断开状态，即触点切断整流单元12，直接与外部电源例如电网相连，此时电路拓扑等效于无桥交错PFC电路，如图9所示，由于车载充电机100较少时间处于放电状态并且放电控制时功率需求较小，因而，无需对开关管进行并联，并且基于更小规格的开关管，有利于降低驱动和开关损耗，提高效率。

概括来说，本发明实施例的车载充电机100，通过增加开关单元12，实现充放电时电路拓扑的切换，在正向充电时，车载充电机100工作于有桥交错PFC拓扑，在反向防线时车载充电机100工作于无桥PFC拓扑，可以选择更小规格或更小数量的开关管，减小体积以及降低成本，有利于降低开关损耗，提高整机效率。

基于上述方面实施例的车载充电机，下面参照附图描述根据本发明第二方面实施例的电动车辆。

图10是根据本发明实施例的电动车辆的框图，如图10所示，本发明实施例的电动车辆1000包括上面实施例的车载充电机100，车载充电机100可以实现对车辆的电池模块的充放电控制，具体实现过程参见上面实施例说明，在此不再赘述。

根据本发明实施例的电动车辆1000，通过采用上述方面实施例的车载充电机100，可以根据充放电需求实现电路拓扑结构的切换，更加利于降低开关管能耗，提高效率，降低成本。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种车载充电机，其特征在于，包括：

PFC模块，所述PFC模块包括PFC单元、整流单元和开关单元，其中，

所述整流单元用于对所述外部电源输入的交流电进行整流；

所述PFC单元用于对输入的电信号进行功率因数校正，输出经功率因数校正后的电流信号；

所述开关单元用于控制所述整流单元接通或短路；

双向DCDC模块，所述双向DCDC模块用于在外部电源对车辆的电池模块充电时对所述经功率因数校正后的电流信号进行直流转换，或者，用于在所述电池模块对外部负载放电时对所述电池模块的输出信号进行直流转换；

控制模块，所述控制模块用于，在外部电源对车辆的电池模块充电时控制所述开关单元断开以使得所述整流单元接通，或者，在所述电池模块对外部负载放电时控制所述开关单元闭合以使得所述整流单元短路。

2.如权利要求1所述的车载充电机，其特征在于，

所述整流单元的输入端与与外部电源相连，所述整流单元的输出端与所述PFC单元相连，所述开关单元与所述整流单元并联连接。

3.如权利要求2所述的车载充电机，其特征在于，所述整流单元包括：

第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，所述第一二极管的一端与所述第二二极管的一端相连，所述第一二极管的一端与所述第二二极管的一端之间具有第一节点，所述第一节点与所述外部电源的一端相连，所述第三二极管的一端与所述第四二极管的一端相连，所述第三二极管的一端与所述第四二极管的一端之间具有第二节点，所述第二节点与所述外部电源的另一端相连，所述第一二极管的另一端与所述第三二极管的另一端连接在一起以形成第一输出端，所述第二二极管的另一端与所述第四二极管的另一端连接在一起以形成第二输出端。

4.如权利要求3所述的车载充电机，其特征在于，所述开关单元包括：

第一继电器，所述第一继电器的第一静触点与所述外部电源的一端相连，所述第一继电器的第二静触点与所述第二输出端相连，所述第一继电器的动触点与所述PFC单元相连，所述第一继电器的控制端与所述控制模块相连；

第二继电器，所述第二继电器的第一静触点与所述外部电源的另一端相连，所述第二继电器的第二静触点与所述第二输出端相连，所述第二继电器的动触点与所述PFC单元相连，所述第二继电器的控制端与所述控制模块相连。

5.如权利要求4所述的车载充电机，其特征在于，所述控制模块在对所述开关单元控制时具体用于，在外部电源对车辆的电池模块充电时，控制所述第一继电器的动触点与所述第一继电器的第二静触点相连，控制所述第二继电器的动触点与所述第二继电器的第二静触点相连。

6.如权利要求4所述的车载充电机，其特征在于，所述控制模块在对所述开关单元控制时具体用于，在所述电池模块对外部负载放电时，控制所述第一继电器的动触点与所述第一继电器的第一静触点相连，控制所述第二继电器的动触点与所述第二继电器的第一静触点相连。

7.如权利要求4所述的车载充电机，其特征在于，所述PFC单元包括：

第一电感和第二电感，所述第一电感的一端与所述第一继电器的动触点相连，所述第二电感的一端与所述第二继电器的动触点相连；

第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述第一开关管的第一端与所述第二开关管的第一端相连，所述第一开关管的第一端与所述第二开关管的第一端之间具有第三节点，所述第三节点与所述第一电感的另一端相连，所述第三开关管的第一端与所述第四开关管的第一端相连，所述第三开关管的第一端与所述第四开关管的第一端之间具有第四节点，所述第四节点与所述第二电感的另一端相连，所述第一开关管的第二端与所述第三开关管的第二端连接在一起之后以形成第五节点，所述第二开关管的第二端与所述第四开关管的第二端连接在一起后与所述滤波单元的第一输出端相连；

第一电容，所述第一电容的一端与所述第五节点相连，所述第一电容的另一端与所述滤波单元的第一输出端相连。

8.如权利要求7所述的车载充电机，其特征在于，所述双向DCDC模块包括：

第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管，所述第五开关管的第一端与所述第六开关管的第一端相连，所述第五开关管的第一端与所述第六开关管的第一端之间具有第六节点，所述第七开关管的第一端与所述第八开关管的第一端相连，所述第七开关管的第一端与所述第八开关管的第一端之间具有第七节点，所述第五开关管的第二端与所述第七开关管的第二端连接在一起之后连接于所述第五节点，所述第六开关管的第二端与所述第八开关管的第二端连接在一起之后与所述滤波单元的第一输出端相连；

第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第十二开关管，所述第九开关管的第一端与所述第十开关管的第一端相连，所述第九开关管的第一端与所述第十开关管的第一端之间具有第八节点，所述第十一开关管的第一端与所述第十二开关管的第一端相连，所述第十一开关管的第一端与所述第十二开关管的第一端之间具有第九节点，所述第九开关管的第二端与所述第十一开关管的第二端连接之后与电池模块的一端相连，所述第十开关管的第二端与所述第十二开关管的第二端连接之后与所述电池模块的另一端相连；

变压单元，所述变压单元包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈的第一端与所述第六节点相连，所述初级线圈的第二端与所述第七节点相连，所述次级线圈的第一端与所述第八节点相连，所述次级线圈的第二端与所述第九节点相连；

第二电容，所述第二电容的一端与所述电池模块的一端相连，所述第二电容的另一端与所述电池模块的另一端相连。

9.一种电动车辆，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的车载充电机。