CN209666872U - 车载充电机及车辆 - Google Patents

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Abstract

本申请提出了一种车载充电机及车辆，车载充电机包括PFC模块和DC/DC模块，PFC模块的输出端连接DC/DC模块的输入端，PFC模块包括：电感模块，电感模块包括四个电感，用于存储能量和释放能量；逆变模块，逆变模块包括并联连接的四相桥臂，每相桥臂的中点分别连接电感模块中的一个电感，用于向DC/DC模块输出电压；开关模块，开关模块连接在交流电源和电感模块之间，用于使PFC模块在单相充电模式和三相充电模式之间切换。本申请采用开关模块进行切换实现单相充电和模式三相充电模式，仅增加一个开关，并不需要辅助桥臂及额外的驱动、采样和保护电路，在增加很少成本的情况下实现单相/三相充电功能。

Description

车载充电机及车辆
技术领域
本申请涉及车辆充电技术领域，尤其涉及一种车载充电机及车辆。
背景技术
随着电动汽车的不断发展，电动汽车电池包容量越来越大，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，随着大功率车载充电机的进一步需求，三相10/20/40KW的车载充电机有着越来越大的市场。
车载充电机主功率拓扑一般分为PFC和双向DC/DC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，车载充电机一般采用三相电输入，相对应的需要采用三相PFC，典型三相三线PFC+ 双向DC/DC电路拓扑如图1所示。
图1中的三相三线PFC拓扑硬件电路及控制算法相对简单，适用于大功率场合。但该拓扑只能工作于三相充电模式，无法工作于单相充电模式。车载充电机工作场合相对复杂，特别是普通住宅或小区难以匹配三相电，这些场合只能使用单相电充电，因此，图1拓扑具有局限性。
为了解决单相、三相兼容问题，可以采用三相四线PFC，如图2所示。图 2在图1基础上增加了一路辅助桥臂连接到交流电网N线上，当工作于三相充电模式时，L1/L2/L3对应的三相桥工作，N对应的桥臂关断，***等效于图1 三相三线PFC；当工作于单相充电模式时，任选L1/L2/L3其中一相与N线构成回路，此时***等效于单相无桥PFC拓扑，如图3所示。
针对图1中的技术方案，该拓扑结构主要问题为不兼容单/三相充电。
针对图2中的技术方案，虽然可以实现单/三相充电，但单相充电时功率一般较小，相当于***工作于轻载模式，此时谐波、效率等指标较低，难以达到与满负荷相同的指标。
发明内容
本申请的目的在于提供一种车载充电机及车辆，以解决现有技术中存在兼容单相和三相充电的车载充电机进行单向充电时功率较小难以达到满负荷指标的问题。
本申请是这样实现的，本申请第一方面提供一种车载充电机，所述车载充电机包括PFC模块和DC/DC模块，所述PFC模块的输出端连接所述DC/DC 模块的输入端，所述PFC模块包括：
电感模块，所述电感模块包括四个电感，用于存储能量和释放能量；
逆变模块，所述逆变模块包括并联连接的四相桥臂，每相桥臂的中点分别连接所述电感模块中的一个电感，用于向所述DC/DC模块输出电压；
开关模块，所述开关模块连接在交流电源和所述电感模块之间，用于使所述PFC模块在单相充电模式和三相充电模式之间切换。
本申请第二方面提供一种车辆，所述车辆包括第一方面提供的所述车载充电机。
本申请提出了一种车载充电机及车辆，车载充电机包括PFC模块和DC/DC 模块，PFC模块的输出端连接DC/DC模块的输入端，PFC模块包括：电感模块，所述电感模块包括四个电感，用于存储能量和释放能量；逆变模块，逆变模块包括并联连接的四相桥臂，每相桥臂的中点分别连接所述电感模块中的一个电感，用于向DC/DC模块输出电压；开关模块，开关模块连接在交流电源和所述电感模块之间，用于使PFC模块在单相充电模式和三相充电模式之间切换。本申请采用开关模块进行切换实现单相充电和三相充电，与现有技术中的三相三线PFC电路相比，可工作于单相三桥臂交错或三相充电模式；与三相四线PFC电路相比，该电路仅增加一个开关，并不需要辅助桥臂及额外的驱动、采样和保护电路，在增加很少成本的情况下实现单相/三相充电功能，并且单相三桥臂交错PFC电路比普通PFC电路有更低的谐波电流和更好的EMC特性，同时可以达到满负荷时的指标值。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例，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是现有技术中三相三线PFC型车载充电机的电路图；
图2是现有技术中三相四线PFC型车载充电机的电路图；
图3是本申请实施例一提供的一种车载充电机的电路图；
图4是图3提供的一种车载充电机的三相充电模式的等效电路图；
图5是图3提供的一种车载充电机的单相充电模式的等效电路图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
为了说明本申请的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
本申请实施例一提供一种车载充电机，如图1所示，车载充电机包括PFC 模块10和DC/DC模块20，PFC模块10的输出端连接DC/DC模块20的输入端，PFC模块10包括：
电感模块102，电感模块102包括四个电感，用于存储能量和释放能量；
逆变模块103，逆变模块103包括并联连接的四相桥臂，每相桥臂的中点分别连接电感模块102中的一个电感，用于向DC/DC模块20输出电压；
开关模块101，开关模块101连接在交流电源和电感模块102之间，用于使PFC模块10在单相充电模式和三相充电模式之间切换。
其中，PFC(Power Factor Correction功率因数校正)模块用于实现功率因数校正，单相充电模式是指逆变模块103中的三相桥臂共用一个输入端接收交流电源输出的交流电，三相充电模式是指逆变模块103中的三相桥臂通过三个输入端接收交流电源输出的交流电，通过控制开关模块101可以实现交流电源通过电感模块102向三相桥臂的一个公共输入端输入交流电或者向通过电感模块102向三相桥臂的三个输入端分别输入交流电，实现了PFC模块10在单相充电模式和三相充电模式之间切换。
本实施例与现有技术相比，采用开关模块进行切换实现单相充电和三相充电，与图1中现有技术中的三相三线PFC电路相比，该电路可工作于单相三桥臂交错或三相充电模式；与图2现有技术中的三相四线PFC电路相比，该电路仅增加一个开关，并不需要辅助桥臂及额外的驱动、采样和保护电路，在增加很少成本的情况下实现单相三桥臂交错/三相充电功能，并且单相三桥臂交错 PFC电路比普通PFC电路有更低的谐波电流和更好的EMC特性。
作为一种实施方式，开关模块101包括第一公共端e、第二公共端f、第一选通端a、第二选通端b、第三选通端c以及第四选通端d；
电感模块103的第一端连接交流电源30的第一端，电感模块102的第二端连接第一公共端e，电感模块102的第三端连接第二公共端f，第一选通端a和第二选通端b连接交流电源30的第一端，第三选通端c和第四选通端d分别连接交流电源30的第二端和第三端，电感模块102的第四端连接交流电源30的第四端。
车载充电机还包括控制模块，控制模块连接开关模块101的控制端；
控制模块在车载充电机的输出功率大于等于预设功率值时，控制开关模块的第一公共端e与第二公共端f分别与所述第三选通端c联通和第四选通端d 联通，以使PFC模块10工作在三相充电模式；
控制模块在车载充电机的输出功率小于预设功率值时，控制开关模块101 的第一公共端e与第二公共端f分别与第一选通端a联通和第二选通端b联通，以使PFC模块10工作在单相充电模式。
电感模块102包括第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3以及第四电感 L4，第一电感L1的第一端、第二电感L2的第一端、第三电感L3的第一端以及第四电感L4的第一端分别为电感模块102的第一端、第二端、第三端以及第四端；
开关模块101使PFC模块10处于单相充电模式时，交流电源的第一端与第一电感L1的第一端、第二电感L2的第一端以及第三电感L3的第一端共接，交流电源的第四端连接第四电感L4；
开关模块101使PFC模块10处于三相充电模式时，交流电源的第一端、第二端、第三端以及第四端分别与第一电感L1的第一端、第二电感L2的第一端、第三电感L3的第一端以及第四电感L4连接。
其中，通过控制开关模块101实现交流电源与第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3共接进而与三相桥臂共接形成单相充电模式，或者第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3分别连接进而与三相桥臂分别连接形成三相充电模式。
其中，开关模块101为双刀双掷开关，当双刀双掷开关的第一公共端和第二公共端联通第一选通端以及第二选通端时，PFC模块10进入单相充电模式，当双刀双掷开关的第一公共端和第二公共端联通第三选通端以及第四选通端时，PFC模块10进入三相充电模式。
对于逆变模块103，逆变模块103包括第一相桥臂、第二相桥臂、第三相桥臂以及第四相桥臂，第一相桥臂的中点连接第一电感L1的第二端，第二相桥臂的中点连接第二电感L2的第二端，第三相桥臂的中点连接第三电感L3的第二端，第四相桥臂的中点连接第四电感L4的第二端，第一相桥臂的第一端、第二相桥臂的第一端、第三相桥臂的第一端以及第四相桥臂的第一端共接并构成逆变模块103的第一输出端，第一相桥臂的第二端、第二相桥臂的第二端、第三相桥臂的第二端以及第四相桥臂的第二端共接并构成逆变模块103的第二输出端。
进一步的，第一相桥臂包括第一开关管Q1和第二开关管Q2，第二相桥臂包括第三开关管Q3和第四开关管Q4，第三相桥臂包括第五开关管Q5和第六开关管Q6，第四相桥臂包括第七开关管Q7和第八开关管Q8，第一开关管Q1 的第一端、第三开关管Q3的第一端、第五开关管Q5的第一端以及第七开关管 Q7的第一端共接为逆变模块103的第一输出端，第二开关管Q2的第二端、第四开关管Q4的第二端、第六开关管Q6的第二端以及第八开关管Q8的第二端共接为逆变模块103的第二输出端，第一开关管Q1的第二端与第二开关管Q2 的第一端共接为第一相桥臂的中点，第三开关管Q3的第二端与第四开关管Q4 的第一端共接为第二相桥臂的中点，第五开关管Q5的第二端与第六开关管Q6 的第一端共接为第三相桥臂的中点，第七开关管Q7的第二端与第八开关管Q8 的第一端共接为第四相桥臂的中点。
对于DC/DC模块20，DC/DC模块20包括变压器201，第五相桥臂、第六相桥臂、第七相桥臂以及第八相桥臂，第五相桥臂的中点和第六相桥臂的中点分别连接变压器201初级侧的第一端和第二端，第七相桥臂的中点和第八相桥臂的中点分别连接变压器201次级侧的第一端和第二端，第五相桥臂的第一端和第六相桥臂的第一端共接并构成DC/DC模块20的第一输入端，第五相桥臂的第二端和第六相桥臂的第二端共接并构成DC/DC模块20的第二输入端，第七相桥臂的第一端和第八相桥臂的第一端共接并构成DC/DC模块20的第一输出端，第七相桥臂的第二端和第八相桥臂的第二端共接并构成DC/DC模块20 的第二输出端。
进一步的，第五相桥臂包括第九开关管Q9和第十开关管Q10，第六相桥臂包括第十一开关管Q11和第十二开关管Q12，第九开关管Q9的第一端和第十一开关管Q11的第一端共接为DC/DC模块20的第一输入端，第十开关管 Q10的第二端和第十二开关管Q12的第二端共接为DC/DC模块20的第二输入端，第九开关管Q9的第二端和第十开关管Q10的第一端共接为五相桥臂的中点，第十一开关管Q11的第二端和第十二开关管Q12的第一端共接为六相桥臂的中点。
第七相桥臂包括第十三开关管Q13和第十四开关管Q14，第八相桥臂包括第十五开关管Q15和第十六开关管Q16，第十三开关管Q13的第一端和第十五开关管Q15的第一端共接为DC/DC模块20的第一输出端，第十四开关管Q14 的第二端和第十六开关管Q16的第二端共接为DC/DC模块20的第二输出端，第十三开关管Q13的第二端和第十四开关管Q14的第一端共接为第七相桥臂的中点，第十五开关管Q15的第二端和第十六开关管Q16的第一端共接为第八相桥臂的中点。
下面通过具体的例子对本申请进行具体说明：
车载充电机中的PFC模块接交流电网，当需要三相充电时，控制开关模块的第一公共端与第三选通端联通，第二公共端与第四选通端联通，此时电路等效于三相四线PFC，如图4所示，PFC模块输出直流电至DC/DC模块，DC/DC 模块进行直流变换后对动力电池进行充电，以输出功率为20KW为例，因输入三相20KW，每相电流I＝20000/(380*1.732)＝30.4A，开关模块选用35A继电器，三相PFC电感感量为180uH，三相桥选用1200V/60A碳化硅MOS管。
当需要单相充电时，控制开关模块的第一公共端与第一选通端联通，第二公共端与第二选通端联通，此时电路等效于单相三桥臂交错PFC，如图5所示， PFC模块输出直流电至DC/DC模块，DC/DC模块进行直流变换后对动力电池进行充电。
本发明实施例二提供一种车辆，所述车辆包括实施例一所述的车载充电机。
所述车辆还包括动力电池，所述车载充电机连接所述动力电池。
本申请提出了一种车载充电机及车辆，车载充电机包括PFC模块和DC/DC 模块，PFC模块的输出端连接DC/DC模块的输入端，PFC模块包括：电感模块，所述电感模块包括四个电感，用于存储能量和释放能量；逆变模块，逆变模块包括并联连接的四相桥臂，每相桥臂的中点分别连接所述电感模块中的一个电感，用于向DC/DC模块输出电压；开关模块，开关模块连接在交流电源和所述电感模块之间，用于使PFC模块在单相充电模式和三相充电模式之间切换。本申请采用开关模块进行切换实现单相充电和三相充电，与现有技术中的三相三线PFC电路相比，可工作于单相三桥臂交错或三相充电模式；与三相四线 PFC电路相比，该电路仅增加一个开关，并不需要辅助桥臂及额外的驱动、采样和保护电路，在增加很少成本的情况下实现单相/三相充电功能，并且单相三桥臂交错PFC电路比普通PFC电路有更低的谐波电流和更好的EMC特性，同时可以达到满负荷时的指标值。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种车载充电机，其特征在于，所述车载充电机包括PFC模块和DC/DC模块，所述PFC模块的输出端连接所述DC/DC模块的输入端，所述PFC模块包括：
电感模块，所述电感模块包括四个电感，用于存储能量和释放能量；
逆变模块，所述逆变模块包括并联连接的四相桥臂，每相桥臂的中点分别连接所述电感模块中的一个电感，用于向所述DC/DC模块输出电压；
开关模块，所述开关模块连接在交流电源和所述电感模块之间，用于使所述PFC模块在单相充电模式和三相充电模式之间切换。
2.如权利要求1所述的车载充电机，其特征在于，所述开关模块包括第一公共端、第二公共端、第一选通端、第二选通端、第三选通端以及第四选通端；
所述电感模块的第一端连接所述交流电源的第一端，所述电感模块的第二端连接所述第一公共端，所述电感模块的第三端连接所述第二公共端，所述第一选通端和所述第二选通端连接所述交流电源的第一端，所述第三选通端和所述第四选通端分别连接所述交流电源的第二端和第三端，所述电感模块的第四端连接所述交流电源的第四端。
3.如权利要求2所述的车载充电机，其特征在于，所述车载充电机还包括控制模块，所述控制模块连接所述开关模块的控制端；
所述控制模块在所述车载充电机的输出功率大于等于预设功率值时，控制所述开关模块的第一公共端与第二公共端分别与所述第三选通端联通和第四选通端联通，以使所述PFC模块工作在三相充电模式；
所述控制模块在所述车载充电机的输出功率小于预设功率值时，控制所述开关模块的第一公共端与第二公共端分别与所述第一选通端联通和第二选通端联通，以使所述PFC模块工作在单相充电模式。
4.如权利要求3所述的车载充电机，其特征在于，所述电感模块包括第一电感、第二电感、第三电感以及第四电感，所述第一电感的第一端、所述第二电感的第一端、第三电感的第一端以及第四电感的第一端分别为所述电感模块的第一端、第二端、第三端以及第四端；
所述开关模块使所述PFC模块处于单相充电模式时，所述交流电源的第一端与所述第一电感的第一端、所述第二电感的第一端以及所述第三电感的第一端共接，所述交流电源的第四端连接第四电感的第一端；
所述开关模块使所述PFC模块处于三相充电模式时，所述交流电源的第一端、第二端、第三端以及第四端分别与所述第一电感的第一端、所述第二电感的第一端、所述第三电感的第一端以及所述第四电感的第一端连接。
5.如权利要求4所述的车载充电机，其特征在于，所述逆变模块包括第一相桥臂、第二相桥臂、第三相桥臂以及第四相桥臂，所述第一相桥臂的中点连接所述第一电感的第二端，所述第二相桥臂的中点连接所述第二电感的第二端，所述第三相桥臂的中点连接所述第三电感的第二端，所述第四相桥臂的中点连接所述第四电感的第二端，所述第一相桥臂的第一端、所述第二相桥臂的第一端、所述第三相桥臂的第一端以及所述第四相桥臂的第一端共接并构成所述逆变模块的第一输出端，所述第一相桥臂的第二端、所述第二相桥臂的第二端、所述第三相桥臂的第二端以及所述第四相桥臂的第二端共接并构成所述逆变模块的第二输出端。
6.如权利要求5所述的车载充电机，其特征在于，所述第一相桥臂包括第一开关管和第二开关管，所述第二相桥臂包括第三开关管和第四开关管，所述第三相桥臂包括第五开关管和第六开关管，所述第四相桥臂包括第七开关管和第八开关管，所述第一开关管的第一端、所述第三开关管的第一端、所述第五开关管的第一端以及第七开关管的第一端共接为所述逆变模块的第一输出端，所述第二开关管的第二端、所述第四开关管的第二端、所述第六开关管的第二端以及第八开关管的第二端共接为所述逆变模块的第二输出端，所述第一开关管的第二端与所述第二开关管的第一端共接为所述第一相桥臂的中点，所述第三开关管的第二端与所述第四开关管的第一端共接为所述第二相桥臂的中点，所述第五开关管的第二端与所述第六开关管的第一端共接为所述第三相桥臂的中点，所述第七开关管的第二端与所述第八开关管的第一端共接为所述第四相桥臂的中点。
7.如权利要求1所述的车载充电机，其特征在于，所述DC/DC模块包括变压器，第五相桥臂、第六相桥臂、第七相桥臂以及第八相桥臂，所述第五相桥臂的中点和所述第六相桥臂的中点分别连接所述变压器初级侧的第一端和第二端，所述第七相桥臂的中点和所述第八相桥臂的中点分别连接所述变压器次级侧的第一端和第二端，所述第五相桥臂的第一端和所述第六相桥臂的第一端共接并构成所述DC/DC模块的第一输入端，所述第五相桥臂的第二端和所述第六相桥臂的第二端共接并构成所述DC/DC模块的第二输入端，所述第七相桥臂的第一端和所述第八相桥臂的第一端共接并构成所述DC/DC模块的第一输出端，所述第七相桥臂的第二端和所述第八相桥臂的第二端共接并构成所述DC/DC模块的第二输出端。
8.如权利要求7所述的车载充电机，其特征在于，所述第五相桥臂包括第九开关管和第十开关管，所述第六相桥臂包括第十一开关管和第十二开关管，所述第九开关管的第一端和所述第十一开关管的第一端共接为所述DC/DC模块的第一输入端，所述第十开关管的第二端和所述第十二开关管的第二端共接为所述DC/DC模块的第二输入端，所述第九开关管的第二端和所述第十开关管的第一端共接为所述五相桥臂的中点，所述第十一开关管的第二端和所述第十二开关管的第一端共接为所述六相桥臂的中点。
9.如权利要求7所述的车载充电机，其特征在于，所述第七相桥臂包括第十三开关管和第十四开关管，所述第八相桥臂包括第十五开关管和第十六开关管，所述第十三开关管的第一端和所述第十五开关管的第一端共接为所述DC/DC模块的第一输出端，所述第十四开关管的第二端和所述第十六开关管的第二端共接为所述DC/DC模块的第二输出端，所述第十三开关管的第二端和所述第十四开关管的第一端共接为所述第七相桥臂的中点，所述第十五开关管的第二端和所述第十六开关管的第一端共接为第八相桥臂的中点。
10.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括权利要求1至9中任意一项所述的车载充电机。
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