CN104868574A - 车载充电装置 - Google Patents
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Abstract
一种车载充电装置，属于充电供电技术领域。包括依次连接的滤波电路、整流电路、功率因数补偿电路、DC/DC变换电路和车载储能装置，DC/DC变换电路包括开关电路、与开关电路控制端连接的DC/DC控制电路和与开关电路输出端连接的第二反馈电路，第二反馈电路的输出端与DC/DC控制电路的输入端连接，开关电路包括开关K2、电感L2和电容C2，开关K2、电感L2串联后作为开关电路的输出端，电容C2的一端与该输出端连接、另一端接地。解决了现有车载充电装置普遍使用变压器导致电磁干扰大、能量损耗多的技术问题，本发明采用开关电路来输出充电电压能量损耗低、充电效率高。
Description
技术领域
本发明涉及充电供电技术领域，具体地说涉及一种车载充电装置。
背景技术
现有的车载充电系统一般采用滤波电路、AC/DC整流电路、功率因数补偿（PFC）电路、绝缘DC/DC转换电路以及集成控制电路的技术路线。其主要采取了整流技术和DC/DC充电技术。
如图1示出了现有车载充电系统的示意图，AC220V电压经过滤波电路，滤除外界电网高频脉冲对车载充电系统的干扰，再经过整流电路及功率因数补偿（PFC）电路输出比较平滑的一次电流电压，最后经过绝缘DC/DC转换电路输出充电所需的二次直流电压电流。
其中绝缘DC/DC转换电路又可称成为充电电路，其作用是将平滑的一次电流电压通过开关门电路控制以及变压电路转换成所需的充电电流电压。整个充电过程是由控制电路控制。一般的绝缘DC/DC变换电路工作原理是通过桥式开关电路闭合，再通过变压器进行能量转换、最后经过滤波才能对充电电池进行充电。
现有的车载充电系统一般都具有绝缘结构，对于绝缘DC/DC变换电路的能量转换来说，变压器是必备的元素。在通过变压器进行电磁耦合能量转换的过程中，电磁损耗（铁损）以及负载能量损耗（铜损）很大，使得变压器的输入功率永远大于输出功率。因此，电池充电时间比较长，能量损耗较大。为了使变压器二次线圈与一次线圈之间绝缘，使用绝缘胶带等手段也是必要的，为此变压器制造的过程比较复杂，成本也比较高。另外，由铁损和铜损带来的变压器升温以及电磁干扰、变压器二次电压的再处理等问题也给整个系统的电路设计带来了不少的麻烦。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于现有车载充电系统绝缘DC/DC变换电路使用变压器带来的质量大、电路设计复杂、能量损耗多、制造成本高等缺点，从而提出一种使用开关电路来代替变压器进行能量转换的车载充电装置。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种车载充电装置，包括依次连接的滤波电路、整流电路、功率因数补偿电路、DC/DC变换电路和车载储能装置，DC/DC变换电路包括开关电路、与开关电路控制端连接的DC/DC控制电路和与开关电路输出端连接的第二反馈电路，第二反馈电路的输出端与DC/DC控制电路的输入端连接，开关电路包括开关K2、电感L2和电容C2，所述开关K2、电感L2串联后作为开关电路的输出端，所述电容C2的一端与该输出端连接、另一端接地。
作为优化，开关电路还包括整流二极管D2，所述整流二极管D2阴极与开关K2和电感L2的连接处连接、阳极接地。
作为优化，DC/DC变换电路包括并联的两路开关电路。
作为优化，DC/DC变换电路包括并联的四路开关电路。
作为优化，还包括电流反馈电路，电流反馈电路包括分别与DC/DC变换电路输出端和DC/DC控制电路输入端连接的电流检测电路，电流检测电路将DC/DC变换电路输出端的电流信息反馈给DC/DC控制电路。
作为优化，还包括电容Cbus，所述功率因数补偿电路与所述DC/DC变换电路的连接线为功率母线，电容Cbus第一端与功率母线连接，所述电容Cbus第二端接地。
作为优化，功率因数补偿电路包括电感L1、整流二极管D1、开关K1、电阻Rs以及输入波形检测电路、PFC控制电路和第一反馈电路，电感L1的一端和输入波形检测电路输入端分别与整流电路输出端连接，电感L1的另一端、整流二极管D1和功率母线依次连接，输入波形检测电路输出端与PFC控制电路连接，第一反馈电路输入端与所述功率母线连接，第一反馈电路输出端与PFC控制电路连接，PFC控制电路的输出端与开关K1控制端连接，开关K1两端分别与电感L1和整流二极管D1的连接处、电阻Rs一端连接，开关K1和电阻Rs的连接处与PFC控制电路输入端连接，电阻Rs另一端接地。
作为优化，车载充电装置还包括辅助电源电路，辅助电源电路分别与功率母线、PFC控制电路和DC/DC控制电路连接。
作为优化，所述开关K1、开关K2和开关K3为IGBT开关或MOSFET开关组。
作为优化，车载充电装置外部包裹高压绝缘材料，且车载充电装置与车体的距离为3mm-10mm。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
1、一种车载充电装置，包括依次连接的滤波电路、整流电路、功率因数补偿电路、DC/DC变换电路和车载储能装置，DC/DC变换电路包括开关电路、与开关电路控制端连接的DC/DC控制电路和与开关电路输出端连接的第二反馈电路，第二反馈电路的输出端与DC/DC控制电路的输入端连接，开关电路包括开关K2、电感L2和电容C2，所述开关K2、电感L2串联后作为开关电路的输出端，电容C2的一端与该输出端连接、另一端接地。滤波电路可消除交流输入电网中交流电压Vin和交流电流Iin所带来的冲击电流和高频谐波，并且可以减少功率因数补偿电路和DC/DC变换电路中产生的电磁干扰，然后交流电压Vin和交流电流Iin被导入到整流电路中，经整流后输出整流电压Vr。将整流电压Vr再输入到功率因数补偿电路中，对输出功率进行补偿，以提高输出功率，输出一次电压Vbus。DC/DC变换电路两端分别与功率因数补偿电路和车载储能装置连接，其主要作用为把电压Vbus变换成充电电压VHb。而包括第二反馈电路的电压闭环反馈电路，将开关电路的输出端电压即车载充电系统的输出电压反馈给DC/DC控制电路，通过控制开关电路的导通和断开来精确控制车载充电装置输出电压。最主要的是，在本车载充电装置的功率母线上没有采用变压器来输出充电电压，而是使用不需要绝缘的DC/DC变换电路中的开关电路来输出充电电压VHb，不是通过电磁耦合来进行能量转换的，电磁损耗以及负载能量损耗小；本充电装置工作在高压状态下，充电效率高、时间短。
2.本发明所述的车载充电装置，开关电路还包括整流二极管D2，整流二极管D2阴极与开关K2和电感L2的连接处连接、阳极接地，滤除开关电路中的反向电压，减少开关电路产生的电磁干扰对充电装置输出电压的影响。
3.本发明所述的车载充电装置，DC/DC变换电路为多项变换电路，例如可以是并联的两路开关电路组成的半桥式变换电路：包括两组开关K2、K3，两组电感L2、L3，两组整流二极管D2、D3，两组电容C2、C3，以及DC/DC控制电路、第二反馈电路。其中，第二反馈电路对输出电压VHb进行采样，把反馈电压Vf2输出到DC/DC控制电路。在DC/DC控制电路的控制下，开关K2、K3交互导通，保证输出充电电压VHb的稳定。这种设计既提高了开关动作效率，又减少了开关的损耗。DC/DC变换电路由并联的四路开关电路组成的全桥式变换电路原理同上所述。
4.本发明所述的车载充电装置，还包括电流反馈电路，电流反馈电路包括分别与DC/DC变换电路输出端和DC/DC控制电路输入端连接的电流检测电路。电流检测电路将DC/DC变换电路输出端的电流信息反馈给DC/DC控制电路，形成了电流闭环采样电路，进一步提高了DC/DC变换电路输出电压电流的稳定性。
5.本发明所述的车载充电装置，还包括电容Cbus，功率因数补偿电路与DC/DC变换电路的连接线为功率母线，电容Cbus第一端与功率母线连接，电容Cbus第二端接地。其主要作用是储存电能以及保持输出电压稳定。
6.本发明所述的车载充电装置， 功率因数补偿电路由电感L1、整流管D1、开关K1、电阻Rs以及输入波形检测电路、功率因数补偿控制电路、第一反馈电路等部分组成。开关K1导通时，电感L1处于充电状态，I1的电流值增加。I1通过电感L1、开关K1到达电流采样电路Rs，并生成采样电压Vs。开关K1关断时，电感L1放电，I1的电流值减小，电流I1通过整流管D1到达电容Cbus。输入波形检测电路与整流电路的正端子相连接，其作用是对整流电压Vr进行降压采样，从而生成采样电压Vra。Vra的波形与输入电压Vin的波形一致。第一反馈电路通过对Vbus电压进行采样，得到采样电压Vs，产生反馈信号电压Vf1。功率因数补偿控制电路通过对输入电压Vra和Vf1进行处理来判断输出电压Vbus的电压值是否保持稳定。此外，保证I1的波形与整流后的电压Vin的波形接近，提高输出功率。
7.本发明所述的车载充电装置，车载充电装置还包括辅助电源电路，辅助电源电路分别与功率母线、PFC控制电路和DC/DC控制电路连接。功率母线电压Vbus为稳定的电压，经辅助电源电路降压后输出稳定低电压给PFC控制电路和DC/DC控制电路供电。
8.本发明所述的车载充电装置为高压工作系统，工作高于安全电压，所以在车载充电装置外部包裹高压绝缘材料，且车载充电装置与车体的距离保持为3mm-10mm。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1 是现有车载充电装置的结构框图；
图2 是本发明车载充电装置的整体结构框图；
图3 是本发明车载充电装置的一个实施例的整体结构示意图；
图4 是本发明车载充电装置中的电流电压波形图；
图5 是本发明车载充电装置实施例2的整体结构示意图。
图中附图标记表示为：1-滤波电路，2-整流电路，3- 功率因数补偿电路，31-功率补偿控制回路，311-输入波形检测电路，312-PFC控制电路，313-第一反馈电路，4- DC/DC变换电路， 411-DC/DC控制电路，412第二反馈电路，413-电流检测电路，5-车载储能装置，6-车载充电装置，7-辅助电源电路。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好的理解本发明技术方案，下面结合附图和实施例对本发明所提供的技术方案作进一步地详细描述。
实施例1：
本实施例中提供一种车载充电装置，如图2和图3所示，包括依次连接的电磁干扰(EMI)滤波电路1、整流电路2、功率因数补偿电路3、DC/DC变换电路4和车载储能装置5， DC/DC变换电路4包括开关电路、与开关电路控制端连接的DC/DC控制电路411和与开关电路输出端连接的第二反馈电路412，第二反馈电路412的输出端与DC/DC控制电路411的输入端连接，开关电路包括开关K2、电感L2和电容C2，开关K2、电感L2串联后作为开关电路的输出端，电容C2的一端与该输出端连接、另一端接地。
本实施例中功率因数补偿电路3与DC/DC变换电路4的连接线为功率母线B1。
电磁干扰（EMI）滤波电路1可消除交流输入电网中交流电压Vin和交流电流Iin所带来的冲击电流和高频谐波，并且可以减少功率因数补偿电路3和DC/DC变换电路4中产生的电磁干扰，然后交流电压Vin和交流电流Iin被导入到整流电路2中，经整流后输出整流电压Vr。将整流电压Vr再输入到功率因数补偿电路3中，对输出功率进行补偿，以提高输出功率，输出一次电压Vbus。DC/DC变换电路4两端分别与功率因数补偿电路3和车载储能装置5连接，其主要作用为把电压Vbus变换成充电电压VHb。
本发明的主要特点在于：在本车载充电装置的功率母线B1上，并没有通过使用变压器来输出充电电压，而是使用DC/DC变换电路4中的开关电路来输出充电电压VHb，从而对车载储能装置5进行充电。上述开关电路包括开关和滤波输出电路，即开关K2、电感L2和电容C2所组成的LC滤波电路。针对于不同的具体设计要求，本车载充电装置中功率因数补偿电路3可采用升压、降压或升降压型电路。
本实施例中，包括第二反馈电路412的电压闭环反馈电路，将开关电路的输出端电压即车载充电系统的输出电压反馈给DC/DC控制电路411，通过控制开关电路的导通和断开来精确控制车载充电装置输出电压。
在车载充电装置处于工作状态时，交流电网输入电压Vin的电压值为220V-380V，功率母线电压Vbus的电压值可在350V-450V之间，充电电压VHB的范围可在200V—450V之间。由此可见，整个车载充电装置6以及车载储能装置5在高电压环境中工作，因此，本车载充电装置在工作过程中，功率损失较小，充电时间较短，充电效率较高。
在本实施例车载充电装置中，为了减少开关电路产生的电磁干扰对充电装置输出电压的影响，开关电路还包括整流二极管D2，所述整流二极管D2阴极与开关K2和电感L2的连接处连接、阳极接地，能滤除开关电路中存在的反向电压干扰。
作为本实施例中的所述DC/DC变换电路4的其他可以变换的实施方式，该DC/DC变换电路4可设置为多项变换电路，例如可以是并联的两路开关电路组成的半桥式变换电路：包括两组开关K2、K3，两组电感L2、L3，两组整流二极管D2、D3，两组电容C2、C3，以及DC/DC控制电路411、第二反馈电路412。其中，第二反馈电路412对输出电压VHb进行采样，把反馈电压Vf2输出到DC/DC控制电路411。在DC/DC控制电路411的控制下，开关K2、K3交互导通，保证输出充电电压VHb的稳定。这种设计既提高了开关动作效率，又减少了开关的损耗。
在其他的实施方式中，DC/DC变换电路4也可以是由并联的四路开关电路组成的全桥式变换电路。
本发明实施例车载充电装置中，还设置了电容Cbus，电容Cbus第一端与所述功率母线B1连接，所述电容Cbus第二端接地。其主要作用为储存电能以及保持输出电压的稳定。
为了提高本实施例车载充电装置的输出功率，如图3和图5所示，还设置了功率因数补偿电路3对输出功率进行补偿。功率因数补偿电路3包括电感L1、整流二极管D1、开关K1、电阻Rs以及输入波形检测电路311、PFC控制电路312和第一反馈电路313，电感L1的一端和所述输入波形检测电路311输入端分别与整流电路2输出端连接，电感L1的另一端、整流二极管D1和功率母线B1依次连接，输入波形检测电路311输出端与PFC控制电路312连接，第一反馈电路313输入端与功率母线B1连接，第一反馈电路313输出端与PFC控制电路312连接，PFC控制电路312的输出端与开关K1控制端连接，开关K1两端分别与电感L1和所述整流二极管D1的连接处、电阻Rs一端连接，开关K1和电阻Rs的连接处与PFC控制电路312输入端连接，所述电阻Rs另一端接地。
上述功率因数补偿电路3由电感L1、整流管D1、开关K1、电阻Rs以及输入波形检测电路311、PFC控制电路312、第一反馈电路313等部分组成，开关K1的a端与电感L1和整流二极管D1的连接处连接，开关K1的b端分别与电阻Rs一端、PFC控制电路312连接。开关K1导通时，电感L1处于充电状态，I1的电流值增加。I1通过电感L1、开关K1到达电流采样电路Rs，并生成采样电压Vs。开关K1关断时，电感L1放电，I1的电流值减小，电流I1通过整流管D1到达电容Cbus。输入波形检测电路311与整流电路2的正端子相连接，其作用是对整流电压Vr进行降压采样，从而生成采样电压Vra。Vra的波形与输入电压Vin的波形一致。第一反馈电路通过对Vbus电压进行采样，得到采样电压Vs，产生反馈信号电压Vf1。PFC控制电路312通过对输入电压Vra和Vf1进行处理来判断输出电压Vbus的电压值（例如： 450V）是否保持稳定。此外，保证I1的波形与整流后的电压Vin的波形接近。
如图4所示，随着功率因数补偿电路3中开关K1的导通和断开，电流I1电流值形成锯齿状的形状。电流I1的波形和整流电压Vr相似，即电流I1波形的包络线E1的波形与电压Vr的波形相似。交流电网输入电流Iin经过滤波电路1消除了冲击电流和高频谐波，极大地减少了对功率因数补偿电路3和DC/DC变换电路4中的开关电路产生的电磁干扰影响。交流电网输入电流Iin的包络线波形和交流输入电压Vin的波形相似，也就是说，输入电流Iin和电压Vin的相位接近，相位差较小（例如：1—10度），从而达到了很好的功率补偿效果。
本车载充电装置中的功率因数补偿电路3，即功率因数补偿电路可采用连续电流模式（CCM）升压型电路、非连续电流模式（DCM）升压电路以及升降压型功率补偿电路。
本实施例车载充电装置中，还设置了辅助电源电路7，辅助电源电路7分别与功率母线B1、PFC控制电路312和DC/DC控制电路411连接。辅助电源电路7不是直接从交流电网输入电压Vin取电，而是从功率母线电压Vbus取电，因为电压Vbus为较为稳定的电压，通过辅助电源电路7降压后可以输出比较稳定的低电压Va，给PFC控制电路312和DC/DC控制电路411供电。
本实施例中，上述的开关K1、开关K2和开关K3为IGBT开关或MOSFET开关组。
本车载充电装置为高压工作系统，工作电压高于一般安全电压（36V），因此，设计时需要进行绝缘设计，例如，在车载充电装置外部包裹高压绝缘材料，且与车体保持一定的安全距离，例如设计距离为3mm-10mm。
本车载充电装置的输入电压一般为交流商业电压220V-380V。
实施例2：
本发明实施例的车载充电装置，在上述实施例1的基础上，增加了电流反馈电路，如图5所示，还包括电流反馈电路，电流反馈电路包括分别与DC/DC变换电路4输出端和DC/DC控制电路411输入端连接的电流检测电路413。电流检测电路413对DC/DC变换电路4输出的电流，即对电感L2或电感L3的输出电流进行采样，将采样信号输入到DC/DC控制电路411。这样，在DC/DC变换电路4中既包含了电压采样闭环电路：第二反馈电路412，又包含了电流闭环采样电路：电流检测电路413，这种结构可保证DC/DC变换电路4可以输出稳定的电流和电压对车载储能装置5进行充电。另外，电流检测电路413可设定电流安全阈值，DC/DC变换电路4的电流输出值超过安全阈值时，DC/DC控制电路411可控制开关K1、K2断开，保护电路及车载储能装置5的安全。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种车载充电装置，包括依次连接的滤波电路（1）、整流电路（2）、功率因数补偿电路（3）、DC/DC变换电路（4）和车载储能装置（5），其特征在于，所述DC/DC变换电路（4）包括开关电路、与所述开关电路控制端连接的DC/DC控制电路（411）和与所述开关电路输出端连接的第二反馈电路（412），所述第二反馈电路（412）的输出端与所述DC/DC控制电路（411）的输入端连接，所述开关电路包括开关K2、电感L2和电容C2，所述开关K2、电感L2串联后作为开关电路的输出端，所述电容C2的一端与该输出端连接、另一端接地。
2.如权利要求1所述的车载充电装置，其特征在于，所述开关电路还包括整流二极管D2，所述整流二极管D2阴极与开关K2和电感L2的连接处连接、阳极接地。
3.如权利要求1或2所述的车载充电装置，其特征在于，所述DC/DC变换电路（4）包括并联的两路开关电路。
4.如权利要求1或2所述的车载充电装置，其特征在于，所述DC/DC变换电路（4）包括并联的四路开关电路。
5.如权利要求1或2所述的车载充电装置，其特征在于，还包括电流反馈电路，所述电流反馈电路包括分别与DC/DC变换电路（4）输出端和DC/DC控制电路（411）输入端连接的电流检测电路（413），电流检测电路（413）将DC/DC变换电路（4）输出端的电流信息反馈给DC/DC控制电路（411）。
6.如权利要求5所述的车载充电装置，其特征在于，还包括电容Cbus，所述功率因数补偿电路（3）与所述DC/DC变换电路（4）的连接线为功率母线（B1），所述电容Cbus第一端与所述功率母线（B1）连接，所述电容Cbus第二端接地。
7.如权利要求5所述的车载充电装置，其特征在于，所述功率因数补偿电路（3）包括电感L1、整流二极管D1、开关K1、电阻Rs以及输入波形检测电路（311）、PFC控制电路（312）和第一反馈电路（313），所述电感L1的一端和所述输入波形检测电路（311）输入端分别与所述整流电路（2）输出端连接，所述电感L1的另一端、所述整流二极管D1和所述功率母线（B1）依次连接，所述输入波形检测电路（311）输出端与PFC控制电路（312）连接，所述第一反馈电路（313）输入端与所述功率母线（B1）连接，所述第一反馈电路（313）输出端与PFC控制电路（312）连接，所述PFC控制电路（312）的输出端与所述开关K1控制端连接，所述开关K1两端分别与所述电感L1和所述整流二极管D1的连接处、所述电阻Rs一端连接，所述开关K1和所述电阻Rs的连接处与所述PFC控制电路（312）输入端连接，所述电阻Rs另一端接地。
8.如权利要求5所述的车载充电装置，其特征在于，所述车载充电装置还包括辅助电源电路（7），所述辅助电源电路（7）分别与所述功率母线（B1）、所述PFC控制电路（312）和所述DC/DC控制电路（411）连接。
9.如权利要求1或7所述的车载充电装置，其特征在于，所述开关K1和开关K2为IGBT开关或MOSFET开关组。
10.如权利要求8所述的车载充电装置，其特征在于，所述车载充电装置外部包裹高压绝缘材料，且所述车载充电装置与车体的距离为3mm-10mm。
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