CN112737344A - 电池充电电路 - Google Patents

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CN112737344A CN202011596189.7A CN202011596189A CN112737344A CN 112737344 A CN112737344 A CN 112737344A CN 202011596189 A CN202011596189 A CN 202011596189A CN 112737344 A CN112737344 A CN 112737344A
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丛武龙
陈磊敏
唐志俊
李卓强
施向前
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Abstract

本发明提供了一种电池充电电路，包括原边电路、副边高压电路、副边低压电路及三端口变压电路，所述三端口变压电路具有原边输入端口及两个副边输出端口；所述原边电路的输出端与所述原边输入端口连接，所述副边高压电路及所述副边低压电路的输入端分别与一个所述副边输出端口对应连接。本发明利用三端口变压电路将车载充电机和功率变换电路的集成为一个主电路，主电路的重复部分少，能够减少电路中的芯片或其他的器件，从而降低了电路的成本，并且体积也较小。

Description

电池充电电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种电池充电电路。
背景技术
随着新能源汽车在市场的逐步推广，电动汽车的技术也在不断发展；电动汽车采用高压电池作为能量输出，较之于传统的燃油车，功率转换电路势必增多，主要包括：电机、电控(PEU)及车载充电机(OBC)、功率变换电路(DC-DC)及电池管理***(BMS)。为了减少装配空间及线束成本，集成化是重点发展方向，目前关于电路之间的集成方案还在不断革新中。
车载充电机与功率变换电路的集成是其中一种集成化趋势。典型的车载充电机如图1所示，包括功率因数校正电路(PFC)，母线电容、原边电路、变压器以及副边高压电路等，其中原边电路和副边高压电路一般由H桥和电感电容等无源器件组成。典型的功率变换电路如图2所示，包括原边电路、变压器以及副边低压电路等，其中原边电路和副边低压电路一般由整流桥和电感电容等无源器件组成。通常车载充电机和功率变换电路一般是两个独立的产品，如图3所示，现有技术中可以将两者集成为单一产品(OBC+DC-DC)，但本质上还是两个独立功能的产品整合在一起(简单的将两个产品封装在一起)，主电路部分通常并无直接联系。这种集成方案不仅主电路相互独立，而且控制芯片、采样电路、PCB等都存在重复设计，最终会导致集成的产品总体积偏大、占用较大空间；同时物料过多，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电池充电电路，能够实现车载充电机与功率变换电路的集成，并且体积小、成本低。
为了达到上述目的，本发明提供了一种电池充电电路，包括原边电路、副边高压电路、副边低压电路及三端口变压电路，所述三端口变压电路具有原边输入端口及两个副边输出端口；
所述原边电路的输出端与所述原边输入端口连接，所述副边高压电路及所述副边低压电路的输入端分别与一个所述副边输出端口对应连接。
可选的，所述电池充电电路包括第一模式和第二模式，所述电池充电电路工作所述第一模式中时，所述原边电路中的开关管工作在逆变状态，所述副边高压电路及所述副边低压电路的中的开关管工作在整流状态；所述电池充电电路工作所述第二模式中时，所述原边电路及所述副边低压电路中的开关管工作在整流状态，所述副边高压电路中的开关管工作在逆变状态。
可选的，所述电池充电电路还包括第一辅助变压电路，所述第一辅助变压电路的输入端和输出端分别连接所述副边高压电路的输出端及一副边高压电池。
可选的，所述第一辅助变压电路包括Buck电路、Boost电路或Buck-boost电路。
可选的，所述第一辅助变压电路中开关管工作在占空比状态。
可选的，所述第一辅助变压电路输出的电压介于200V-800V之间。
可选的，所述副边低压电路输出的电压介于9V-16V之间。
可选的，所述电池充电电路还包括第二辅助变压电路，所述第二辅助变压电路输入端和输出端分别连接所述副边输出端口及所述副边低压电路的输入端。
可选的，所述第二辅助变压电路包括低压变压器。
可选的，所述三端口变压电路包括三端口变压器。
可选的，所述原边电路包括直流母线电容、第一H桥、第一电感及第一电容；
所述直流母线电容与所述第一H桥并联，所述第一H桥的一个桥臂的中点连接所述第一电感的一端，所述第一电感的另一端连接至所述原边输入端口的一端，所述第一H桥的另一个桥臂的中点连接所述第一电容的一端，所述第一电容的另一端连接至所述原边输入端口的另一端。
可选的，所述副边高压电路包括第二H桥、第二电感及第二电容；
所述第二电感的一端连接对应的所述副边输出端口的一端，所述第二电感的另一端连接至所述第二H桥的一个桥臂的中点，所述第二电容的一端连接对应的所述副边输出端口的另一端，所述第二电容的另一端连接至所述第二H桥的另一个桥臂的中点。
可选的，所述副边低压电路包括半桥整流电路或全桥整流电路。
在本发明提供的电池充电电路中，包括原边电路、副边高压电路、副边低压电路及三端口变压电路，所述三端口变压电路具有原边输入端口及两个副边输出端口；所述原边电路的输出端与所述原边输入端口连接，所述副边高压电路及所述副边低压电路的输入端分别与一个所述副边输出端口对应连接。本发明利用三端口变压电路将车载充电机和功率变换电路的集成为一个主电路，主电路的重复部分少，能够减少电路中的芯片或其他的器件，从而降低了电路的成本，并且体积也较小。
附图说明
图1为一种典型的车载充电机的示意图；
图2为一种典型的功率变换电路的示意图；
图3为一种将车载充电机与功率变换电路集成后的示意图；
图4为本发明实施例提供的电池充电电路的电路图；
图5a为本发明实施例提供的Buck电路的电路图；
图5b为本发明实施例提供的boost电路的电路图；
其中，附图标记为：
100-原边电路；200-三端口变压电路；300-副边高压电路；400-第一辅助变压电路；500-第二辅助变压电路；600-副边低压电路。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
图4为本实施例提供的电池充电电路的电路图。如图4所示，所述电池充电电路包括原边电路100、副边高压电路300、副边低压电路600及三端口变压电路200，所述三端口变压电路200具有原边输入端口及两个副边输出端口；所述原边电路100的输出端与所述原边输入端口连接，所述副边高压电路300及所述副边低压电路600的输入端分别与一个所述副边输出端口对应连接。具体的，本实施例中，所述三端口变压电路200为三端口变压器T1，所述三端口变压器T1是指在一个变压器磁芯上分别绕制三个独立的绕组，三个绕组中的一个位于原边侧(图4中的三端口变压器T1左侧的绕组)，作为所述原边输入端口，其余两个绕阻位于副边高压侧和副边低压侧(图4中的三端口变压器T1右侧的绕组)，均作为所述副边输出端口。本实施例中，两个所述副边输出端口分别为副边高压输出端口及副边低压输出端口，通过设定三个独立的绕组的绕组匝比可以使得所述副边高压输出端口输出的电压比所述副边低压输出端口输出的电压大。
应理解，本实施例中的三端口变压电路200不限于是三端口变压器T1，也可以是其他电路元件组合而成的具有三个端口、能够满足变压需求的电路。
本发明通过控制所述原边电路100、副边高压电路300及副边低压电路600的工作模式可以实现车载充电机和功率变换电路的所有功能。具体地，所述电池充电电路的工作模式分为两种，第一模式为电能从原边侧传输到副边高压侧以及副边低压侧；第二模式为电能从副边高压侧传输到原边侧以及副边低压侧。
进一步，所述原边电路100包括直流母线电容C1、第一H桥、第一电感L1及第一电容C2，所述直流母线电容C1与所述第一H桥并联，所述第一H桥的左桥臂的中点连接所述第一电感L1的一端，所述第一电感L1的另一端连接至所述原边输入端口的一端，所述第一H桥的右桥臂的中点连接所述第一电容C2的一端，所述第一电容C2的另一端连接至所述原边输入端口的另一端。
具体而言，所述第一H桥上具有4个开关管，分别为第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，每个开关管上均反向串联一二极管，或者，每个开关管内部具有一反向的二极管；其中，所述第一开关管Q1和第三开关管Q3分别位于所述第一H桥的左桥臂的上下桥臂上，所述第二开关管Q2和第四开关管Q4分别位于所述第一H桥的右桥臂上下桥臂上。所述第一开关管Q1的源极连接所述第三开关管Q3的漏极，所述第一开关管Q1的漏极连接所述第三开关管Q3的漏极，所述第二开关管Q2的源极连接所述第四开关管Q4的漏极，所述第三开关管Q3的源极连接所述第四开关管Q4的源极。所述第一电感L1的一端连接所述第一开关管Q1的源极(第三开关管Q3的漏极)，所述第一电感L1的另一端连接所述三端口变压器T1原边侧的绕组的一端，所述第一电容C2的一端连接所述第二开关管Q2的源极(第四开关管Q4的漏极)，所述第一电容C2的另一端连接所述三端口变压器T1原边侧的绕组的另一端。
应理解，本发明中的原边电路100中的第一H桥还可以替换为半桥整流电路等其他形式的整流电路。
进一步，所述副边高压电路300包括第二H桥、第二电感L2及第二电容C3，所述第二电感L2的一端连接所述副边高压输出端口的一端，所述第二电感L2的另一端连接至所述第二H桥的一个桥臂的中点，所述第二电容C3的一端连接所述副边高压输出端口的另一端，所述第二电容C3的另一端连接至所述第二H桥的另一个桥臂的中点。
具体而言，所述第二H桥上具有4个开关管，分别为第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8，每个开关管上均反向串联一二极管，或者，每个开关管内部具有一反向的二极管；其中，所述第五开关管Q5和第七开关管Q7分别位于所述第二H桥的左桥臂的上下桥臂上，所述第六开关管Q6和第八开关管Q8分别位于所述第二H桥的右桥臂上下桥臂上。所述第五开关管Q5的源极连接所述第七开关管Q7的漏极，所述第五开关管Q5的漏极连接所述第七开关管Q7的漏极，所述第六开关管Q6的源极连接所述第八开关管Q8的漏极，所述第七开关管Q7的源极连接所述第八开关管Q8的源极。所述第二电感L2的一端连接所述三端口变压器T1副边高压侧的绕组的一端，所述第二电感L2的另一端连接所述第五开关管Q5的源极(第七开关管Q7的漏极)，所述第一电容C2的一端连接所述三端口变压器T1副边高压侧的绕组的另一端，所述第一电容C2的另一端连接所述第六开关管Q6的源极(第八开关管Q8的漏极)。
进一步，本实施例中，所述副边高压电路300的输出端还并联一滤波电容C4，用于对所述副边高压电路300的输出端输出的电压进行滤波。
如图4所示，所述电池充电电路还包括第一辅助变压电路400，所述第一辅助变压电路400的输入端和输出端分别连接所述副边高压电路300的输出端及一副边高压电池。本实施例中，所述第一辅助变压电路400为Buck-boost电路，所述Buck-boost电路包括第九开关管Q9、第十开关管Q10、第三电感L3及第三电容C5，所述第九开关管Q9的源极连接所述第十开关管Q10的漏极，所述第九开关管Q9的漏极连接所述滤波电容C4的一端，所述滤波电容C4的另一端连接所述第三电感L3及所述第三电容C5的一端，所述第三电感L3及所述第三电容C5的另一端分别连接所述第九开关管Q9的源极(第十开关管Q10的漏极)及所述第十开关管Q10的源极。所述第一辅助变压电路400可以将所述副边高压电路300输出的电压进一步升高或者降低，以实现更宽的电压范围输出。所述第一辅助变压电路400输出的电压介于200V-800V之间，可以兼容400V及800V的副边高压电池。
本实施例中的副边高压侧通过所述第一辅助变压电路400实现调压，可以保证其它部分电路工作在最优效率点，可以弥补由于第一辅助变压电路400带来的效率损失。并且由于原边侧存在二倍工频功率波动，图3中的车载充电机及功率变换电路的集成产品需要较大容值的母线电容来抑制功率波动，母线电容的容值一般需要在几百uF，所以需要采用电解电容，但是电解电容会占用较大的空间，且寿命有限。本实施例中的所述第一辅助变压电路400具有优秀的电压及功率调节能力，可以吸收原边侧的二倍工频功率波动，进而减小母线电容上的二倍工频纹波，与图3相比，本实施例中的母线电容C1只需要几十uF的电容值即可，从而大大减小了母线电容占用的空间，同时母线电容可以采用薄膜电容，寿命长，可靠性高。
如图5a及5b所示，应理解，所述第一辅助变压电路400不限于是Buck-boost电路，还可以是如图5a所示的Buck电路，或者是如图5b所示的boost电路，本发明不作限制。
请继续参阅图4，本实施例中，所述副边低压电路600为半桥整流电路，所述半桥整流电路的输入端和输出端分别连接第二辅助变压电路500及副边低压电池。所述半桥整流电路包括第十一开关管Q11、第十二开关管Q12及第四电容C6，所述第二辅助变压电路500为一低压变压器T2。所述低压变压器T2的左边的绕组连接所述三端口变压器T1副边低压侧的绕组，所述低压变压器T2的右边的绕组的两端分别连接所述第十一开关管Q11的源极和所述第十二开关管Q12的源极，所述第十一开关管Q11的漏极连接所述第十二开关管Q12的漏极，所述第四电容C6的一端连接所述第十一开关管Q11的漏极(第十二开关管Q12的漏极)，所述第四电容C6的另一端连接所述低压变压器T2右边的绕组的中点，其中，所述第四电容C6的两端也与所述副边低压电池连接。所述低压变压器T2可以将所述三端口变压器T1副边低压侧的绕组输出的电压进一步降低，使得所述副边低压电路600输出的电压可以介于9V-16V之间，满足副边低压电池的供电需求。并且，相较于图3中需要在车载充电机及功率变换电路中的变压器上做高压隔离来说，本实施例中只需要在三端口变压器T1的绕组上做高压隔离，低压变压器T2的绕组上无需做高压隔离且可以采用PCB绕组的形式优化设计，进一步减小了电路的体积。
应理解，本发明中的副边低压电路600不限于是半桥整流电路，还可以是全桥整流电路等。
进一步，当控制所述原边电路100中的所有开关管(第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4)均工作在逆变状态、控制所述副边高压电路300及所述副边低压电路600的中的所有开关管(第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第十一开关管Q11和第十二开关管Q12)工作在整流状态时，所述电池充电电路进入所述第一模式，电能从原边侧传输到副边高压侧以及副边低压侧。所述第一辅助变压电路400和所述第二辅助变压电路500分别将所述三端口变压器T1副边高压侧和副边低压侧的电压进一步降低。所述第二辅助变压电路500输出的电压接近于副边低压电池的电池电压，从而为所述副边低压电池充电。控制所述第一辅助变压电路400中开关管(第九开关管Q9和第十开关管Q10)工作在占空比状态，使得所述第一辅助变压电路400输出的电压接近于副边高压电池的电池电压，从而为所述副边高压电池充电。
当控制所述原边电路100中的所有开关管(第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4)及所述副边低压电路600的中的所有开关管(第十一开关管Q11和第十二开关管Q12)均工作在整流状态、控制所述副边高压电路300中的所有开关管(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)工作在逆变状态时，所述电池充电电路进入所述第二模式，电能从副边高压侧传输到原边侧以及副边电池侧。所述第二辅助变压电路500将三端口变压器T1副边低压侧的电压进一步降低，使得所述第二辅助变压电路500输出的电压接近于副边低压电池的电池电压，从而为所述副边低压电池充电；控制所述第一辅助变压电路400中开关管(第九开关管Q9和第十开关管Q10)工作在占空比状态，使所述滤波电容C4的电压维持在一合理范围内，使得副边高压侧的电能传递给原边侧。
可以理解的是，在图3中的车载充电机及功率变换电路的集成产品中，车载充电机及功率变换电路中的变压器的绕组匝比固定，难以优化。而本申请采用第一辅助变压电路400和第二辅助变压电路500的方式可以进一步优化三端口变压器T1的绕组匝比及匝数，进而减小三端口变压器T1的体积和损耗，利于热设计。例如，可以将原边侧和副边高压侧的绕组匝比设置为1:1，可以大幅减小副边高压侧的绕组的损耗，进而可以设计出更高功率等级的电池充电电路。
基于此，如图4所示，本实施例还提供了一种新能源交通工具，包括直流母线、副边高压电池、副边低压电池及所述电池充电电路，所述直流母线与所述电池充电电路的原边电路100的输入端连接，所述副边高压电池及所述副边低压电池分别与所述副边高压电路300的输出端及所述副边低压电路600的输出端连接。当然，当所述副边高压电路300的输出端连接所述第一辅助变压电路400之后，所述副边高压电池实际上可以与所述第一辅助变压电路400的输出端连接，从而使得所述新能源交通工具可以兼容400V或800V的副边高压电池。
可以理解的是，本发明中的新能源交通工具不限于是新能源汽车，还可以是利用新能源提供至少动力的轮船或飞机等，本发明不作限制。
综上，在本发明实施例提供的电池充电电路中，包括原边电路、副边高压电路、副边低压电路及三端口变压电路，所述三端口变压电路具有原边输入端口及两个副边输出端口；所述原边电路的输出端与所述原边输入端口连接，所述副边高压电路及所述副边低压电路的输入端分别与一个所述副边输出端口对应连接。本发明利用三端口变压电路将车载充电机和功率变换电路的集成为一个主电路，主电路的重复部分少，能够减少电路中的芯片或其他的器件，从而降低了电路的成本，并且体积也较小。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种电池充电电路，其特征在于，包括原边电路、副边高压电路、副边低压电路及三端口变压电路，所述三端口变压电路具有原边输入端口及两个副边输出端口；
所述原边电路的输出端与所述原边输入端口连接，所述副边高压电路及所述副边低压电路的输入端分别与一个所述副边输出端口对应连接。
2.如权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于，所述电池充电电路包括第一模式和第二模式，所述电池充电电路工作所述第一模式中时，所述原边电路中的开关管工作在逆变状态，所述副边高压电路及所述副边低压电路的中的开关管工作在整流状态；所述电池充电电路工作所述第二模式中时，所述原边电路及所述副边低压电路中的开关管工作在整流状态，所述副边高压电路中的开关管工作在逆变状态。
3.如权利要求1或2所述的电池充电电路，其特征在于，所述电池充电电路还包括第一辅助变压电路，所述第一辅助变压电路的输入端和输出端分别连接所述副边高压电路的输出端及一副边高压电池。
4.如权利要求3所述的电池充电电路，其特征在于，所述第一辅助变压电路包括Buck电路、Boost电路或Buck-boost电路。
5.如权利要求4所述的电池充电电路，其特征在于，所述第一辅助变压电路中开关管工作在占空比状态。
6.如权利要求3所述的电池充电电路，其特征在于，所述第一辅助变压电路输出的电压介于200V-800V之间。
7.如权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于，所述副边低压电路输出的电压介于9V-16V之间。
8.如权利要求1或2所述的电池充电电路，其特征在于，所述电池充电电路还包括第二辅助变压电路，所述第二辅助变压电路输入端和输出端分别连接所述副边输出端口及所述副边低压电路的输入端。
9.如权利要求8所述的电池充电电路，其特征在于，所述第二辅助变压电路包括低压变压器。
10.如权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于，所述三端口变压电路包括三端口变压器。
11.如权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于，所述原边电路包括直流母线电容、第一H桥、第一电感及第一电容；
所述直流母线电容与所述第一H桥并联，所述第一H桥的一个桥臂的中点连接所述第一电感的一端，所述第一电感的另一端连接至所述原边输入端口的一端，所述第一H桥的另一个桥臂的中点连接所述第一电容的一端，所述第一电容的另一端连接至所述原边输入端口的另一端。
12.如权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于，所述副边高压电路包括第二H桥、第二电感及第二电容；
所述第二电感的一端连接对应的所述副边输出端口的一端，所述第二电感的另一端连接至所述第二H桥的一个桥臂的中点，所述第二电容的一端连接对应的所述副边输出端口的另一端，所述第二电容的另一端连接至所述第二H桥的另一个桥臂的中点。
13.如权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于，所述副边低压电路包括半桥整流电路或全桥整流电路。
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