CN110406406A - 车载充电机和电动车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了车载充电机和电动车辆，车载充电机包括PFC模块、DCDC模块和控制模块，PFC模块包括PFC单元和开关单元，其中，PFC单元用于对外界的输入信号进行功率因数校正，并输出功率因数校正后的电流信号，PFC单元包括第一相桥臂、第二相桥臂和第三相桥臂；开关单元，用于控制PFC单元的任一相桥臂的接通或关断；DCDC模块用于对功率因数校正之后的电流信号进行直流转换，获得直流电以对车辆的电池模块充电；控制模块用于根据电池模块的充电信号对开关单元进行控制，以使得外界以三相电对电池模块充电或者外界以单相电对所述电池模块充电。通过增加开关单元，可以实现三相充电和单相充电的切换，成本低。

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，以及采用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的容量越来越大。为了节省充放电时间，大容量的电池模块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，该电路拓扑结构可以适用于大功率场合，但该拓扑只能工作于三相模式，无法工作于单相模式。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，在相关技术中，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，当工作于三相模式时，L1/L2/L3对应的三相桥工作，N对应的桥臂关断，系统等效于图1所示的三相三线PFC；当工作于单相模式时，任选L1/L2/L3其中一相与N线构成回路，此时系统等效于单相无桥PFC拓扑。但是，如图2所示的电路拓扑结构，增加了一路连接N线的辅助桥臂，相对应地需要增加额外的驱动、采样和保护电路，加大了产品设计难度，同时使得产品整体成本提高。

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，该车载充电机可以实现三相充电和单相充电的切换，设计简单，成本低。

本发明的另一个目的在于提出一种采用上述车载充电机的电动车辆。

为了达到上述目的，本发明第一方面实施例的车载充电机包括：PFC模块，所述PFC模块包括PFC单元和开关单元，其中，所述PFC单元，用于对外界的输入信号进行功率因数校正，并输出功率因数校正后的电流信号，所述PFC单元包括第一相桥臂、第二相桥臂和第三相桥臂；所述开关单元，用于控制所述PFC单元的任一相桥臂的接通或关断；DCDC模块，所述DCDC模块用于对所述功率因数校正之后的电流信号进行直流转换，获得直流电以对车辆的电池模块充电；控制模块，所述控制模块用于根据所述电池模块的充电信号对所述开关单元进行控制，以使得外界以三相电对所述电池模块充电或者外界以单相电对所述电池模块充电。

根据本发明实施例的车载充电机，通过在PFC模块的任一相桥臂中增加开关单元，不仅可以实现三相充电和单相充电的切换，并且无需增加额外的驱动、采样或保护电路的设计，设计简单，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，包括上述方面实施例的车载充电机。

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，可以实现三相充电和单相充电的切换，并且，设计简单，成本低。

附图说明

图1是相关技术中的一种三相三线PFC双向车载充电机的电路拓扑示意图；

图2是相关技术中的一种三相四线PFC双向车载充电机的电路拓扑示意图；

图3是根据本发明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是针对图4的车载充电机进行单相充电时的电路拓扑示意图；

图6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7是针对图6的车载充电机进行三相充电时的等效电路拓扑示意图；

图8是针对图6的车载充电机进行单相充电时的等效电路拓扑示意图；

图9是根据本发明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。

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、DCDC模块20和控制模块30。其中，PFC模块10包括PFC单元11和开关单元12。

在本发明的实施例中，PFC单元10用于对外界的输入信号进行功率因数校正，并输出功率因数校正后的电流信号，在这里，外界可以是电网或其他供电设备，例如电网对电池模块充电。DCDC模块20用于对功率因数校正之后的电流信号进行直流转换，获得直流电以对车辆的电池模块充电。参照4所示，PFC单元11包括第一相桥臂111、第二相桥臂112和第三相桥臂113。开关单元12用于控制PFC单元11的任一相桥臂的接通或关断。

控制模块30用于根据电池模块的充电信号对开关单元12进行控制，以使得外界以三相电对电池模块充电或者外界以单相电对电池模块充电。

具体来说，在外界以三相电对所述电池模块充电时，控制模块30控制开关单元12断开以使任一相桥臂接通，此时PFC单元11的三相输入均有效，实现三相电对电池模块充电；或者，在外界以单相电对电池模块充电时，控制模块30控制开关单元闭合以使得该任一相桥臂关断，此时该任一相桥臂输入失效，并控制除了任一相桥臂外的两相桥臂中的一相桥臂的开关管关断，此时只有一相桥臂的功能时间，从而实现单相电充电。

其中，在本发明的实施例中，参照4所示，第一相桥臂111的相线连接点通过第一相线连L1接外界的第一相供电输入端，第二相桥臂112的相线连接点通过第二相线L2连接外界例如电网AC-IN的第二相供电输入端。

开关单元12的第一端1连接外界的第三相供电输入端，开关单元12的第二端2通过第三相线L3连接第三相桥臂113的相线连接点，开关单元12的第三端连接外界的中线N。

双向DCDC模块20分别与PFC模块10的输出端和车辆的电池模块相连。

控制模块30分别与开关单元12的控制端、第一相桥臂111的开关管的控制端、第二相桥臂112的开关管的控制端和第三相桥臂113的开关管的控制端相连。

在外界以三相电对电池模块充电时，外界与车载充电机相连，控制模块30控制开关单元12的第二端与第一端接通以使第三相桥臂113接通，此时第三相桥臂113的相线连接点与外界的第三相供电输入端相连，相当于三相桥臂均处于与外界的三相供电输入端的连接状态，可以实现三相电充电控制。

或者，在外界以单相电对电池模块充电时，外界与车载充电机相连，控制模块30控制开关单元12的第二端与第三端接通以使得第三相桥臂113短路掉，此时，第三相桥臂113的回路切断，并控制第一相桥臂111或者第二相桥臂112的开关管关断，此时相当于第二相桥臂112或第一相桥臂111与外界的中线N构成回路，从而实现单相电充电。

需要说明的是，在本发明的实施例中，开关单元12可以设置在三相桥臂中任一相的连接线路中，第三相桥臂113是三相桥臂中的任意一相桥臂，图3中只是一种实施例，其中第三相桥臂113的位置不能够作为对本申请的限定。

根据本发明实施例的车载充电机100，通过增加开关单元12，不仅可以实现三相充电和单相充电的切换，并且无需增加额外的驱动、采样或保护电路的设计，设计简单，成本低。

下面参照附图对本发明实施例的各个模块的结构进一步说明。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，第一相桥臂111包括第一开关管Q1、和第二开关管Q2，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一相线连接点Z1，第一相线连接点Z1通过第一相线L1连接第一相供电输入端，第一开关管Q1的控制端与控制模块30相连，第二开关管Q2的控制端与控制模块30相连。第二相桥臂112包括第三开关管Q3和第四开关管Q4，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二相线连接点Z2，第二相线连接点Z2通过第二相线L2连接第二相供电输入端，第三开关管Q3的控制端与控制模块30相连，第四开关管Q4的控制端与控制模块30相连。第三相桥臂113包括第五开关管Q5和第六开关管Q6，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之间具有第三相线连接点Z3，第三相线连接点Z3通过第三相线L3连接开关单元12的第二端2，第五开关管Q5的控制端与控制模块30相连，第六开关管Q6的控制端与控制模块30相连。

第一开关管Q1的第二端、第三开关管Q3的第二端和第五开关管Q5的第二端连接在一起以形成第一输出端S1，第二开关管Q2的第二端、第四开关管Q4的第二端和第六开关管Q6的第二端连接在一起以形成第二输出端S2。

在本发明的实施例中，如图4所示，PFC单元11还包括第一电感l1、第二电感l2和第三电感l3，第一电感l1连接在第一相线连接点Z1与第一相供电输入端之间；第二电感l2连接在第二相线连接点Z2与第二相供电输入端之间；第三电感l3连接在第三相线连接点Z3与第三相供电输入端之间。通过电感可以实现对输入信号的滤波处理。

参照图4所示，本发明实施例的PFC单元11还包括第一电容C1，第一电容C1的一端与第一输出端S1相连，第一电容C1的另一端与第二输出端S2相连，第一电容C1可以对PFC单元11的输出进行滤波处理。

由以上元器件组成三相三线PFC单元，可以实现对输入的功率因数校正。

在本发明的一些实施例中，参照图4所示，双向DCDC模块20包括第七开关管Q7、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、第十二开关管Q12、第十三开关管Q13、第十四开关管Q14和变压单元T1。

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一节点D1，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二节点D2，第七开关管Q7的第二端与第九开关管Q9的第二端连接在一起之后与第一输出端S1相连，第八开关管Q8的第二端与第十开关管Q10的第二端连接在一起之后与第二输出端S2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三节点D3，第十三开关管Q13的第一端与第十四开关管Q14的第一端相连，第十三开关管Q13的第一端与第十四开关管Q14的第一端之间具有第四节点D4，第十一开关管Q11的第二端与第十三开关管Q13的第二端连接之后与电池模块的一端相连，第十二开关管Q12的第二端与第十四开关管Q14的第二端连接之后与电池模块的另一端相连；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一节点D1相连，初级线圈的第二端与第二节点D2相连，次级线圈的第一端与第三节点D3相连，次级线圈的第二端与第四节点D4相连。

如图4所示，双向DCDC模块20还包括第二电容C2，第二电容C2的一端与电池模块的一端相连，第二电容C2的另一端与电池模块的另一端相连，可以对车载充电机100的输出Vout进行滤波，更加稳定。

以上元器件组成双向DCDC模块20，可以实现功率转换。

在本发明的实施例中，如图4所示，开关单元12包括单刀双掷继电器，单刀双掷继电器包括第一静触点即第一端1、第二静触点即第三端3、第一动触点即第二端2以及控制线圈即控制端，第一静触点与第三相供电输入端相连；第二静触点与外界的中线N相连；第一动触点通过第三相线连L3接第三相桥臂的相线连接点；控制线圈与控制模块20相连，控制模块30可以控制控制线圈的通电或失电。

在三相充电时，控制模块30控制控制线圈处于失电状态，以使得第一动触点与第一静触点连接，即第三相桥臂113的第三相线连接点Z3与第三相供电输入端连接，此时三相桥臂均工作，电路等效于图1所示的三相三线PFC的模式，可以实现三相充电。

在单相充电时，控制模块30控制控制线圈处于通电状态，以使得第一动触点与第二静触点连接，并控制第一相桥臂111和第二相桥臂112中的一相桥臂的开关管关断，此时三相桥臂中只有一相桥臂与中线N组成回路，电路等效于单相无桥PFC模式，如图5所示，从而实现单相充电。

下面以20KW三相PFC为例，20KW三相PFC接入交流电网，输出直流电以为电池模块供电。其中，因输入三相20KW，则每相电流I＝20000/(380*1.732)＝30.4A，在本实施例中，开关单元12选用35A继电器，三相PFC电感感量为180uH，三相桥臂的开关管选用1200V/60A碳化硅MOS管，具体连接如图6所示，通过继电器的通电或失电，可以实现三相或单相充电控制。

当需要三相充电时，控制继电器的开关处于如图6所示状态，即L3回路接通，此时电路等效于三相三线PFC，如图7所示，三相桥臂均处于充电状态，实现三相充电控制；当需要单相充电时，控制继电器的开关与N线闭合，同时第一相桥臂111或者第二相桥臂112相对应的开关管关断，此时相当于第三相桥臂113倍切断，并且第一相桥臂111或第二相桥臂112的开关管处于失效状态，三相桥臂中只有一相桥臂与N线形成回路，电路等效于单相无桥PFC，如图8所示，从而实现单相充电。

概括来说，本发明实施例的车载充电机100，通过在三相桥臂中的任一相桥臂的线路上增加一个开关单元12，根据三相或单相充电需求，通过对开关单元12的控制可以实现三相充电和单相充电的电路切换，相较于图1的三相三线PFC电路，可以工作于单相或三相模式；相较于图2所示的三相四线PFC电路，无需增加额外的驱动、采样或保护电路，设计简单，成本低。

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另一方面实施例的电动车辆。

图9是根据本发明实施例的电动车辆的框图，如图9所示，本发明实施例的电动车辆1000包括上述方面实施例的车载充电机100，车载充电机100的电路结构和充电模式切换以及充电控制过程，参上上述方面实施例的描述。

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，可以实现三相充电和单相充电的切换，并且，设计简单，成本低。

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 (12)

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单元和开关单元，其中，

所述PFC单元，用于对外界的输入信号进行功率因数校正，并输出功率因数校正后的电流信号，所述PFC单元包括第一相桥臂、第二相桥臂和第三相桥臂；

所述开关单元，用于控制所述PFC单元的任一相桥臂的接通或关断；

DCDC模块，所述DCDC模块用于对所述功率因数校正之后的电流信号进行直流转换，获得直流电以对车辆的电池模块充电；

控制模块，所述控制模块用于根据所述电池模块的充电信号对所述开关单元进行控制，以使得外界以三相电对所述电池模块充电或者外界以单相电对所述电池模块充电。

2.如权利要求1所述的车载充电机，其特征在于，所述控制模块在根据所述电池模块的充电信号对所述开关单元进行控制时具体用于，

在外界以三相电对所述电池模块充电时，控制所述开关单元断开以使所述任一相桥臂接通；

或者，在外界以单相电对所述电池模块充电时，控制所述开关单元闭合以使得所述任一相桥臂关断，并控制除了所述任一相桥臂外的两相桥臂中的一相桥臂的开关管关断。

3.如权利要求1或2所述的车载充电机，其特征在于，

所述第一相桥臂的相线连接点通过第一相线连接外界的第一相供电输入端，所述第二相桥臂的相线连接点通过第二相线连接所述外界的第二相供电输入端；

所述开关单元的第一端连接所述外界的第三相供电输入端，所述开关单元的第二端通过第三相线连接所述第三相桥臂的相线连接点，所述开关单元的第三端连接所述外界的中线。

4.如权利要求3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一相线连接点，所述第一相线连接点通过所述第一相线连接所述第一相供电输入端，所述第一开关管的控制端与所述控制模块相连，所述第二开关管的控制端与所述控制模块相连；

所述第二相桥臂包括第三开关管和第四开关管，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二相线连接点，所述第二相线连接点通过所述第二相线连接所述第二相供电输入端，所述第三开关管的控制端与所述控制模块相连，所述第四开关管的控制端与所述控制模块相连；

所述第三相桥臂包括第五开关管和第六开关管，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之间具有第三相线连接点，所述第三相线连接点通过第三相线连接所述开关单元的第二端，所述第五开关管的控制端与所述控制模块相连，所述第六开关管的控制端与所述控制模块相连；

所述第一开关管的第二端、所述第三开关管的第二端和所述第五开关管的第二端连接在一起以形成第一输出端，所述第二开关管的第二端、所述第四开关管的第二端和所述第六开关管的第二端连接在一起以形成第二输出端。

5.如权利要求4所述的车载充电机，其特征在于，所述PFC单元还包括：

第一电感，所述第一电感连接在所述第一相线连接点与所述第一相供电输入端之间；

第二电感，所述第二电感连接在所述第二相线连接点与所述第二相供电输入端之间；

第三电感，所述第三电感连接在所述第三相线连接点与所述第三相供电输入端之间。

6.如权利要求5所述的车载充电机，其特征在于，所述PFC单元还包括：

第一电容，所述第一电容的一端与所述第一输出端相连，所述第一电容的另一端与所述第二输出端相连。

7.如权利要求4所述的车载充电机，其特征在于，所述开关单元包括单刀双掷继电器，所述单刀双掷继电器包括：

第一静触点，所述第一静触点与所述第三相供电输入端相连；

第二静触点，所述第二静触点与所述外界的中线相连；

第一动触点，所述第一动触点通过所述第三相线连接所述第三相桥臂的相线连接点；

控制线圈，所述控制线圈与所述控制模块相连。

8.如权利要求7所述的车载充电机，其特征在于，在三相充电时，所述控制模块控制所述控制线圈处于失电状态，以使得所述第一动触点与所述第一静触点连接。

9.如权利要求7所述的车载充电机，其特征在于，在单相充电时，所述控制模块控制所述控制线圈处于通电状态，以使得所述第一动触点与所述第二静触点连接。

10.如权利要求4所述的车载充电机，其特征在于，所述双向DCDC模块包括：

第七开关管、第八开关管、第九开关管和第十开关管，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一节点，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二节点，所述第七开关管的第二端与所述第九开关管的第二端连接在一起之后与所述第一输出端相连，所述第八开关管的第二端与所述第十开关管的第二端连接在一起之后与所述第二输出端相连；

第十一开关管、第十二开关管、第十三开关管和第十四开关管，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三节点，所述第十三开关管的第一端与所述第十四开关管的第一端相连，所述第十三开关管的第一端与所述第十四开关管的第一端之间具有第四节点，所述第十一开关管的第二端与所述第十三开关管的第二端连接之后与电池模块的一端相连，所述第十二开关管的第二端与所述第十四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一节点相连，所述初级线圈的第二端与所述第二节点相连，所述次级线圈的第一端与所述第三节点相连，所述次级线圈的第二端与所述第四节点相连。

11.如权利要求10所述的车载充电机，其特征在于，所述双向DCDC模块还包括：

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。

12.一种电动车辆，其特征在于，包括如权利要求1-11任一项所述的车载充电机。