CN110445233A - 一种具有宽范围输出电压的车载充电装置 - Google Patents

一种具有宽范围输出电压的车载充电装置 Download PDF

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    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements

Abstract

本发明提供了一种具有宽范围输出电压的车载充电装置，装置包括主控单元、AC‑DC变换器与DC‑DC变换器；AC‑DC变换器，与交流电网及DC‑DC变换器连接，用于将交流电网输出的交流电转换为初级直流电，并将初级直流电输出至DC‑DC变换器；主控单元，与外部系统、AC‑DC变换器及DC‑DC变换器连接，采集交流电、初级直流电与目标直流电，并接收外部系统输出的控制信号，根据控制信号、交流电、初级直流电与目标直流电生成第一开关控制指令以控制DC‑DC变换器；外部系统包括：电池管理系统和/或整车控制系统；DC‑DC变换器，与AC‑DC变换器及电池连接，用于根据第一开关控制指令，将初级直流电转换为目标直流电，并将目标直流电输出至电池；其中，DC‑DC变换器包括桥臂模块，桥臂模块包括第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂。

Description

一种具有宽范围输出电压的车载充电装置
技术领域
本发明涉及车载充电领域，尤指一种具有宽范围输出电压的车载充电装置。
背景技术
随着全球经济的飞速发展，日益增长的能源消耗和环境污染越来越引起各国的高度重视。其中汽车消耗的能源占有的比例也越来越高。同时，汽车尾气带来的污染也是一个难以解决的问题，是当今许多城市PM2.5超标的主要来源。然而，汽车又是人们正常生活工作中不可或缺的一部分，因此汽车产业将会面临巨大的挑战----能源消耗过大，转换效率较低，尾气排放超标破坏环境的严峻形势。由于新能源汽车可以更加高效地使用能源，同时污染物排放远远低于燃油汽车，尤其是纯电动汽车，完全可以实现零排放，因此发展新能源汽车成为各国政府非常青睐的选项，纷纷出台各种鼓励政策大力推动新能源汽车的发展。此外，电能作为二次能源，它不受石油资源的限制，除了煤炭之外，核能、风能、水力、太阳能、潮汐、地热都可以用来转化为电能，因此新能源汽车将是人类未来一段时期内最优的选择。
作为新能源汽车的必备部件，车载充电机是指固定安装在电动汽车上的充电机，具有为电动汽车动力电池，安全、自动充满电的能力。充电机根据电池管理系统(BMS)提供的数据，能动态调节充电电流或电压参数，执行相应的动作，完成充电过程。
车载充电机作为一种电能变换器，把交流市电转换成一定电压范围的直流电，对车载电池(可以是锂电池或铅酸电池等)充电。由于不同车载电池具有不同的充放电电压范围，而市面上绝大多数车载充电机的直流输出电压范围比较窄，通常在150V～200V之间，这样同一台车载充电机就很难满足不同车载电池的充电需求。此外，这种车载充电机对于用户在特殊情况下由于过放电而造成的电池电压过低时也不能正常工作。若能适当拓展直流输出电压范围，而不降低充电机的性能，这将对扩展车载充电机的应用范围有一定的帮助。
因此，目前的车载充电机的输出电压范围小，使得车载充电机适用性差，用户使用不便。
发明内容
为了解决目前车载充电机的适用性差的问题，本发明实施例提供一种具有宽范围输出电压的车载充电装置，所述装置包括主控单元、AC-DC变换器与DC-DC变换器；
所述AC-DC变换器，与交流电网及所述DC-DC变换器连接，用于将所述交流电网输出的交流电转换为初级直流电，并将所述初级直流电输出至所述DC-DC变换器；
所述主控单元，与外部系统、所述AC-DC变换器及所述DC-DC变换器连接，采集所述交流电、所述初级直流电与目标直流电，并接收外部系统输出的控制信号，根据所述控制信号、所述交流电、所述初级直流电与所述目标直流电生成第一开关控制指令以控制所述DC-DC变换器；所述外部系统包括：电池管理系统和/或整车控制系统；
所述DC-DC变换器，与所述AC-DC变换器及电池连接，用于根据所述第一开关控制指令，将所述初级直流电转换为所述目标直流电，并将所述目标直流电输出至所述电池；
其中，所述DC-DC变换器包括桥臂模块，所述桥臂模块包括第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂。
本发明通过扩大车载充电装置的电压输出范围，在不降低车载充电装置性能的前提下，有效提高了车载充电装置的适用性、灵活性与工作效率，以满足不同的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明实施例一种具有宽范围输出电压的车载充电装置的结构示意图；
图2为本发明实施例一种具有宽范围输出电压的车载充电装置的DC-DC变换器的结构示意图；
图3为本发明实施例第一种DC-DC变换器的具体结构示意图；
图4为本发明实施例第二种DC-DC变换器的具体结构示意图；
图5为本发明实施例第三种DC-DC变换器的具体结构示意图；
图6为本发明实施例第四种DC-DC变换器的具体结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供一种具有宽范围输出电压的车载充电装置。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示为本发明实施例一种具有宽范围输出电压的车载充电装置的结构示意图，图中所示装置包括主控单元10、AC-DC变换器20与DC-DC变换器30；
所述AC-DC变换器20，与交流电网40及所述DC-DC变换器连接，用于将所述交流电网输出的交流电转换为初级直流电，并将所述初级直流电输出至所述DC-DC变换器；
所述主控单元10，与外部系统60、所述AC-DC变换器20及所述DC-DC变换器30连接，采集所述交流电、所述初级直流电与目标直流电，并接收外部系统60输出的控制信号，根据所述控制信号、所述交流电、所述初级直流电与所述目标直流电生成第一开关控制指令P1以控制所述DC-DC变换器30；所述外部系统60包括：电池管理系统和/或整车控制系统；
所述DC-DC变换器30，与所述AC-DC变换器20及电池50连接，用于根据所述第一开关控制指令P1，将所述初级直流电转换为所述目标直流电，并将所述目标直流电输出至所述电池50；
其中，所述DC-DC变换器30包括桥臂模块，所述桥臂模块包括第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂。
在本实施例中，AC-DC变换器20接收交流电网40输出的交流电，并将该交流电转换为初级直流电，DC-DC变换器30将该初级直流电转换为目标直流电，输出至电池50，用于向电池50充电。
其中，主控单元采集交流电、初级直流电与目标直流电，具体可以为，采集交流电的电压V1与电流I1、初级直流电的电压V2与电流I2与及目标直流电的电压V3与电流I3。外部系统60，例如可以为电池管理系统和/或整车控制系统，向主控单元10发送控制信号，该控制信号可以包括电池的当前状态信息和充电需求信息，如电压，电流和温度等。主控单元10根据该控制信号、交流电的电压V1与电流I1，并以初级直流电的电压V2与电流I2及目标直流电的电压V3与电流I3为反馈量，生成第一开关控制指令P1，用以控制DC-DC变换器30。该第一开关控制指令P1可以为PWM开关控制信号。
DC-DC变换器30接收第一开关控制指令P1，并根据该第一开关控制指令P1将初级直流电转换为目标直流电。其中，DC-DC变换器30包括桥臂模块，该桥臂模块具有第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂。
作为本发明的一个实施例，所述装置还包括通信单元70，用于连接所述主控单元10与所述外部系统60。
在本实施例中，主控单元10通过通信单元70，与外部系统60进行数据通信。其中，外部系统60可将控制信号通过通信单元70发送至主控单元10，主控单元10可将外部系统所需的数据发送至外部系统60，例如向外部系统60发送交流电的电压V1与电流I1、初级直流电的电压V2与电流I2及目标直流电的电压V3与电流I3、故障信息或故障代码等。
作为本发明的一个实施例，所述主控单元10还用于根据所述控制信号、所述交流电、所述初级直流电与所述目标直流电生成第二开关控制指令P2。
在本实施例中，所述主控单元10还用于向所述AC-DC变换器20发送所述第二开关控制指令P2，所述AC-DC变换器20根据所述第二开关控制指令P2，将所述交流电网40输出的交流电转换为所述初级直流电。
其中，主控单元10根据采集到的交流电的电压V1与电流I1、初级直流电的电压V2与电流I2、目标直流电的电压V3与电流I3以及外部系统60发送的控制信号，生成第二开关控制指令P2，并将第二开关控制指令P2发送至AC-DC变换器20。AC-DC变换器20根据该第二开关控制指令P2，将交流电转换为初级直流电。
作为本发明的一个实施例，如图2所示为本发明实施例一种具有宽范围输出电压的车载充电装置的DC-DC变换器的结构示意图，图中所示的DC-DC变换器包括桥臂模块32、初级滤波电容31、谐振模块33、整流模块34与次级滤波电容35，所述初级滤波电容31与所述桥臂模块32并联连接，所述谐振模块33一端与所述桥臂模块32连接，另一端与所述整流模块34连接，所述次级滤波电容35与所述整流模块34并联连接。其中，初级滤波电容31可以选用例如电解电容、膜电容和瓷片电容等。
其中，AC-DC变换器输出的初级直流电经过初级滤波电容31进行平滑滤波，经过滤波后输入到桥臂模块32，桥臂模块32包括第一桥臂321、第二桥臂322与第三桥臂323。在装置工作过程中，桥臂模块32投入三个桥臂中的任意两个，投入的两个桥臂形成H桥。
在本实施例中，如图3所示本发明实施例第一种DC-DC变换器的具体结构示意图，所述谐振模块33还包括第一支路331、第二支路332、第三支路333与变压器T1，所述谐振模块33通过所述变压器T1与所述整流模块34连接。
其中，第一支路、第二支路与第三支路由导线、电容及电感中至少一个组成。如图3所示的谐振模块33，第一支路331为导线，第二支路332由电容C3和电感L3串联组成，第三支路333由电容C2和电感L2串联组成。其中，电容可以选用薄膜电容或瓷片电容等，电感可以与变压器T1做磁集成，变压器T1，可以是抽头变压器，也可以是双绕组变压器等，作用是进行电能隔离传输。
在本实施例中，如图3所示，桥臂模块32中的所述第一桥臂321、第二桥臂322与第三桥臂323分别由上下两个开关管串联组成，且所述第一桥臂321的上开关管Q1、第二桥臂322的上开关管Q3与第三桥臂323的上开关管Q5与所述初级直流电的正极连接，所述第一桥臂321的下开关管Q2、第二桥臂322的下开关管Q4与第三桥臂323的下开关管Q6与所述初级直流电的负极连接；
所述谐振模块33的第一支路331一端连接于所述第一桥臂321的上下两个开关管之间，另一端与所述变压器T1连接；所述谐振模块33的第二支路332一端连接于所述第二桥臂322的上下两个开关管之间，另一端与所述变压器T1连接；所述谐振模块33的第三支路333一端连接于所述第三桥臂323的上下两个开关管之间，另一端与所述变压器T1连接。
在图3中，在装置工作时，若投入第一桥臂321与第二桥臂322，那么与其连接的第一支路331与第二支路332也投入，因此，谐振模块33中参与工作的器件为电容C3和电感L3。初级直流电经过初级滤波电容31进行滤波后，通过桥臂模块32与谐振模块33，再经整流模块34与次级滤波电容35后，转换为目标直流电。其中，通过主控单元10发出的第一开关控制指令，调节桥臂模块32中开关管的开关时序、占空比和开关频率，由此变压器T1可感应出不同的高频电压，经整流模块34与次级滤波电容35后，对电池进行充电。其中，桥臂模块32中的开关管可以选用如MOSFET、IGBT、GaN或SiC等器件，整流模块34中的D1-D4可以选用不同类型的的二极管，如快恢复二极管，SiC二极管等，也可以选用全控型开关器件如MOSFET等，还可以部分选用二极管，部分选用全控型开关器件。
其中，在图3中，还可以投入第一桥臂321与第三桥臂323，在这种工作情况下，参与工作的谐振模块支路为第一支路331与第三支路333，参与工作的器件为C2与L2，同理可以得知在第二桥臂322与第三桥臂323投入时的工作情况。由此可知，在桥臂模块32投入不同桥臂时，会影响谐振模块33中的器件投入情况，由此增大DC-DC变换器输出的目标直流电的电压范围。
如图4所示为本发明实施例第二种DC-DC变换器的具体结构示意图，图中所示除谐振模块33之外的其他模块与图3一致，图4中的谐振模块33，第一支路331由电容C2组成，第二支路332由电感L3组成，第三支路333由电感L2组成。
如图5所示为本发明实施例第三种DC-DC变换器的具体结构示意图，图中所示除谐振模块33之外的其他模块与图3一致，图5中的谐振模块33，第一支路331由电容C2与电感L3组成，第二支路332与第三支路333为导线。
通过图3、图4与图5所示的不同谐振模块33的构成，配合桥臂模块32中桥臂不同的投入情况，可以组成多种器件工作的情况，由此实现根据实际需求，灵活的、大范围的调整DC-DC变换器的输出电压范围。此外，可以将整流模块34中的D1-D4部分或全部换为全控型器件，如MOSFET，这样控制的灵活性将更大，如双向电能传输、双全桥变换器(DAB)等。
如图6所示为本发明实施例第四种DC-DC变换器的具体结构示意图，图6中所示第一桥臂321与第二桥臂322分别由上下两个开关管串联组成，第三桥臂323为双控开关S1；
所述谐振模块33的第一支路331一端连接于所述第一桥臂321的上下两个开关管之间，另一端与所述变压器T1连接；
所述双控开关S1的单端连接于所述第二桥臂322的上下两个开关管之间，双控开关S1的双端分别与所述谐振模块33的第二支路332一端与第三支路333一端连接，所述谐振模块33的第二支路332的另一端与第三支路333的另一端分别与所述变压器T1连接。
在本实施例中，桥臂模块32中的第三桥臂323采用双控开关S1，通过改变双控开关S1的导通情况，可以选择谐振模块33中的第二支路332与第三支路333的投入状态。当双控开关S1选择导通第二支路332，那么谐振模块33中为第一支路331与第二支路332投入工作；当双控开关S1选择导通第三支路333，那么谐振模块33中为第一支路331与第三支路333投入工作。
其中，参考图3-图5中谐振模块33支路中器件的不同构成，结合图6中第三桥臂323的双控开关，也可以实现灵活、大范围的调整DC-DC变换器输出电压的范围。
通过本发明的装置，可以根据实际需求，实现车载充电装置不同工作情况的调整，由此扩大车载充电装置的电压输出范围，在不降低车载充电装置的前提下，有效提高了车载充电装置的适用性、灵活性与工作效率，以满足不同的应用。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有宽范围输出电压的车载充电装置，其特征在于，所述装置包括主控单元、AC-DC变换器与DC-DC变换器；
所述AC-DC变换器，与交流电网及所述DC-DC变换器连接，用于将所述交流电网输出的交流电转换为初级直流电，并将所述初级直流电输出至所述DC-DC变换器；
所述主控单元，与外部系统、所述AC-DC变换器及所述DC-DC变换器连接，采集所述交流电、所述初级直流电与目标直流电，并接收外部系统输出的控制信号，根据所述控制信号、所述交流电、所述初级直流电与所述目标直流电生成第一开关控制指令以控制所述DC-DC变换器；所述外部系统包括：电池管理系统和/或整车控制系统；
所述DC-DC变换器，与所述AC-DC变换器及电池连接，用于根据所述第一开关控制指令，将所述初级直流电转换为所述目标直流电，并将所述目标直流电输出至所述电池；
其中，所述DC-DC变换器包括桥臂模块，所述桥臂模块包括第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括通信单元，用于连接所述主控单元与所述外部系统。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主控单元还用于根据所述控制信号、所述交流电、所述初级直流电与所述目标直流电生成第二开关控制指令。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述主控单元还用于向所述AC-DC变换器发送所述第二开关控制指令，所述AC-DC变换器根据所述第二开关控制指令，将所述交流电网输出的交流电转换为所述初级直流电。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述DC-DC变换器还包括初级滤波电容、谐振模块、整流模块与次级滤波电容，所述初级滤波电容与所述桥臂模块并联连接，所述谐振模块一端与所述桥臂模块连接，另一端与所述整流模块连接，所述次级滤波电容与所述整流模块并联连接。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述谐振模块还包括第一支路、第二支路、第三支路与变压器，所述谐振模块通过所述变压器与所述整流模块连接。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一支路、第二支路与第三支路由导线、电容及电感中至少一个组成。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述桥臂模块中的所述第一桥臂、第二桥臂与第三桥臂分别由上下两个开关管串联组成，且所述第一桥臂的上开关管、第二桥臂的上开关管与第三桥臂的上开关管与所述初级直流电的正极连接，所述第一桥臂的下开关管、第二桥臂的下开关管与第三桥臂的下开关管与所述初级直流电的负极连接；
所述谐振模块的第一支路一端连接于所述第一桥臂的上下两个开关管之间，另一端与所述变压器连接；所述谐振模块的第二支路一端连接于所述第二桥臂的上下两个开关管之间，另一端与所述变压器连接；所述谐振模块的第三支路一端连接于所述第三桥臂的上下两个开关管之间，另一端与所述变压器连接。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述桥臂模块中的所述第一桥臂与第二桥臂分别由上下两个开关管串联组成，第三桥臂为双控开关；
所述谐振模块的第一支路一端连接于所述第一桥臂的上下两个开关管之间，另一端与所述变压器连接；
所述双控开关的单端连接于所述第二桥臂的上下两个开关管之间，双控开关的双端分别与所述谐振模块的第二支路一端与第三支路一端连接，所述谐振模块的第二支路的另一端与第三支路的另一端分别与所述变压器连接。
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