CN111463878A

CN111463878A - 一种兼容型大功率双端输出车载充电机及其控制方法

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Publication number: CN111463878A
Application number: CN202010409356.6A
Authority: CN
Inventors: 刘钧; 冯颖盈; 姚顺; 徐金柱; 张远昭
Original assignee: Shenzhen Vmax Power Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Vmax Power Co Ltd; Shenzhen VMAX New Energy Co Ltd
Priority date: 2020-05-14
Filing date: 2020-05-14
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2040-05-14
Also published as: WO2021227230A1; CN111463878B

Abstract

本发明公开了一种兼容型大功率双端输出车载充电机及其控制方法，充电机包括原边转换模块、第一变压器T1、副边高压转换模块和副边低压转换模块、第二变压器T2和副边整流模块，第二变压器T2原边绕组W5与第一变压器T1原边绕组W1串联后接原边转换模块的输出端，第二变压器T2副边绕组W6接副边整流模块输入端，副边整流模块输出端与副边高压转换模块输出端并联，第二变压器T2原边或副边设置切换开关K；根据原边转换模块的母线电压控制切换开关K将第二变压器T2和副边整流模块投入运行或退出运行；本发明解决了大功率车载OBC后级DCDC多路并联均流的问题以及兼容单相和三相输入电压的问题；具有器件数量少、简单、容易实现等优点。

Description

一种兼容型大功率双端输出车载充电机及其控制方法

技术领域

本发明属于电源技术领域，具体涉及一种兼容型大功率双端输出车载充电机及其控制方法。

背景技术

随着社会的发展，环境污染和能源紧缺问题得到越来越多的关注，大力发展新能源汽车是解决上述两大问题的一个有效途径。随着新能源汽车技术的发展，续航里程越来越高，动力电池的容量的要求越来越高，对电池充电时间也要求越来越短，使得对车载充电机（简称：OBC）的功率急需提升。当前大功率的OBC都是采用多路并联的设计，如图1所示。在当前的设计中，由于元器件的参数都有容差，会出现不均流的问题，导致每一路的设计都要留比较的余量以及增加额外的硬件处理保证均流，造成过设计，使得成本过高。此外，当前OBC的设计组成如图2所示，由PFC和DCDC两级串联组成，大功率输出都是基于输入交流电压为三相的场景，而车载OBC往往都需要兼容单相和三相输入。在三相输入，PFC输出电压通常为800V,即DCDC的输入电压为800V；在单相输入，因为DCDC的变压器匝比是固定的，需要在单相输入时将PFC输入电压也升到800V，会增大PFC的损耗，导致效率低。

因此，如何设计一种在不增加额外的硬件成本下解决大功率的场景多路并联均流的问题，解决单相输入和三相输入不同母线电压DCDC变压器原副边匝比兼容的问题，是业界亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提出一种兼容型大功率双端输出车载充电机及其控制方法。

本发明采用的技术方案是设计一种兼容型大功率双端输出车载充电机，包括依次连接原边转换模块、第一变压器T1、副边高压转换模块、控制器、连接第一变压器T1副边绕组的副边低压转换模块，以及第二变压器T2和副边整流模块，其中所述第二变压器T2的原边绕组W5与第一变压器T1的原边绕组W1串联后连接原边转换模块的输出端，所述第二变压器T2的副边绕组W6连接所述副边整流模块的输入端，副边整流模块的输出端与副边高压转换模块的输出端并联，所述第二变压器T2的原边或副边设置切换开关K；控制器根据原边转换模块的母线电压控制切换开关K将第二变压器T2和副边整流模块投入运行或退出运行。

所述切换开关K可以并联在所述第二变压器T2原边绕组W5的两端。

所述切换开关K也可以并联在所述第二变压器T2副边绕组W6的两端。

所述充电机包括充电模式、逆变模式、DCDC模式；在充电模式中所述母线电压高于阈值M时，控制器控制开关K断开；在充电模式中所述母线电压不高于阈值M时，控制器控制开关K闭合；在逆变模式中，控制器控制开关K闭合；在DCDC模式中，控制器控制开关K闭合。

所述阈值M为600伏。

所述第一变压器T1原边绕组W1与第二副边绕组W2的比值和第二变压器T2原边绕组W5与副边绕组W6的比值相等；第一变压器T1原边绕组W1与二变压器T2原边绕组W5的匝数相等、线径相等；第一变压器T1第二副边绕组W2与二变压器T2副边绕组W6的匝数相等、线径相等。

所述副边高压转换模块中的功率开关采用有源器件，所述副边整流模块中的功率开关采用有无源器件。

所述副边整流模块采用桥式整流模块，包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D2、第四二极管D4。

所述原边转换模块采用全桥结构，包括第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、第三功率开关Q3、第四功率开关Q4；所述副边高压转换模块采用全桥结构，包括第五功率开关Q5、第六功率开关Q6、第七功率开关Q7、第八功率开关Q8；其中第五功率开关Q5和第七功率开关Q7为一对桥臂，第六功率开关Q6和第八功率开关Q8为一对桥臂，并且第五功率开关Q5和第六功率开关Q6为上桥臂，第七功率开关Q7和第八功率开关Q8为下桥臂。

所述第一变压器T1包括第二副边绕组W2、第三副边绕组W3和第四副边绕组W4，所述第二副边绕组W2连接所述副边高压转换模块；所述副边低压转换模块包括第九功率开关Q9、第十功率开关Q10、第十一功率开关Q11；所述第九功率开关Q9的漏极连接第四副边绕组W4的同名端，所述第十功率开关Q10的漏极连接第三副边绕组W3的异名端，第四副边绕组W4的异名端与第三副边绕组W3同名端连接后串联第十一功率开关Q11和输出电感L0、之后连接副边低压转换模块的正极输出端，第九功率开关Q9和第十功率开关Q10的源极接地。

所述第一变压器T1的第二副边绕组W2通过隔直电容C2后连接所述副边高压转换模块；所述第二变压器T2的副边绕组W6直接连接所述副边整流模块。

所述第一变压器T1的原边绕组与第二变压器T2的原边绕组之间串接谐振电容C1。

所述第一变压器T1的原边绕组串接第一谐振电感Lr1。

所述第二变压器T2的原边绕组串接第二谐振电感Lr2。

所述第一变压器T1和第二变压器T2集成在同一个磁芯上。

本发明还设计了一种兼容型大功率双端输出车载充电机的控制方法，所述充电机采用上述的兼容型大功率双端输出车载充电机；驱动所述原边转换模块中功率开关的控制信号与驱动副边高压转换模块中功率开关的控制信号之间存在时序差Φ，所述控制器控制时序差Φ的超前或滞后；时序差Φ超前可增大充电机的增益，增大副边高压转换模块的输出功率；时序差Φ滞后可降低充电机的增益，减小副边高压转换模块的输出功率。

在充电模式和逆变模式中，所述副边高压转换模块中第五功率开关Q5和第八功率开关Q8导通对应第十功率开关Q10导通，第六功率开关Q6和第七功率开关Q7导通对应第九功率开关Q9导通，第十一功率开关Q11开关周期是第五功率开关Q5开关周期的2倍，第十一功率开关Q11的关断沿与第五功率开关Q5关断沿和第六功率开关Q6关断沿对齐；在DCDC模式中，第十一功率开关Q11保持常通状态。

所述控制器包括采集原边转换模块输入电压（Vin）的采集器、采集副边高压转换模块和副边整流模块共同的高压输出电压（VoHV）和高压输出电流（IoHV）的采集器；采集副边低压转换模块低压输出电压（VoLV）和低压输出电流（IoLV）的采集器；在充电模式中，所述控制器对低压输出电压（VoLV）和低压输出电流（IoLV）分别进行采样定标、并通过功率运算（Power Calculation）得到输出功率；用采样定标后的低压输出电压（VoLV）同低压输出电压基准值（VrefLV）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿，将所得补偿值与预先设定的电流环预设值（IsetLV）做取小运算、将取其小值作为电流环基准值（IrefLV），然后与采样定标后的低压输出电流（IoLV）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿运算得出占空比，再通过PWM运算（PWM Generator）驱动所述第十一功率开关Q11；用采样定标后的高压输出电流（IoHV）同高压输出电流基准值（IrefHV）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿，将所得补偿值与预先设定的电压环预设值（VsetHV）做取小运算、将取其小值作为电压环基准值（VrefHV），然后与采样定标后的高压输出电流（VoHV）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿，用所得环路补偿值与所述输出功率运算得出所述时序差Φ、再通过PWM运算（PWM Generator）驱动所述原边转换模块和副边转换模块中的功率开关。

所述控制器包括采集原边转换模块输入电压（Vin）的采集器、采集副边高压转换模块和副边整流模块共同的高压输出电压（VoHV）和高压输出电流（IoHV）的采集器；采集副边低压转换模块低压输出电压（VoLV）和低压输出电流（IoLV）的采集器；在逆变模式中，所述控制器对低压输出电压（VoLV）和低压输出电流（IoLV）分别进行采样定标、并通过功率运算（Power Calculation）得到输出功率；用采样定标后的低压输出电压（VoLV）同低压输出电压基准值（VrefLV）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿，将所得补偿值与预先设定的电流环预设值（IsetLV）做取小运算、将取其小值作为电流环基准值（IrefLV），然后与采样定标后的低压输出电流（IoLV）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿运算得出占空比，再通过PWM运算（PWM Generator）驱动所述第十一功率开关Q11；用采样定标后的输入电压（Vin）与电压基准值（VrefVo）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿，将所得补偿值与所述输出功率运算得出所述时序差Φ、再通过PWM运算（PWM Generator）驱动所述原边转换模块和副边高压转换模块中的功率开关。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明在不增加成本的情况下解决了大功率车载OBC后级DCDC多路并联均流的问题以及兼容单相和三相输入电压的问题；具有器件数量少、简单、容易实现等优点。

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是现有技术中多路DCDC并联运行的原理框图；

图2是充电机原理框图；

图3是本发明串联一个谐振电感的电路图；

图4是本发明串联两个谐振电感的电路图；

图5是本发明第一和第二变压器合并的电路图；

图6是原边转换模块控制波形图；

图7是副边高压转换模块控制波形图；

图8是原边转换模块和副边高压转换模块控制波时序差对照图；

图9是副边高压转换模块控制波形与桥臂中点电压波形对照图；

图10是副边第一和第二转换模块各自输出电流和总输出电流波形对照图；

图11是原边转换模块输出电流、原边转换模块桥臂中点电压、副边第一和第二换模块桥臂中点电压波形对照图；

图12是原边转换模块和副边高压转换模块控制波时序差波形示意图；

图13是接单相电网时第二转换模块桥臂中点电压V_EF、第一转换模块桥臂中点电压V_CD、原边转换模块输出电压V_AB、原边转换模块输出电流Ip、充电机输出电流IoHV的波形对照图；

图14是充电模式时控制器控制原理框图；

图15是逆变模式和DCDC模式时控制器控制原理框图;

图16是充电模式中副边高、低压转换模块控制波形对照图；

图17是DCDC模式中低压转换模块控制波形对照图；

图18是充电模式能力流动方向示意图；

图19是逆变模式能力流动方向示意图；

图20是DCDC模式能力流动方向示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开了一种兼容型大功率双端输出车载充电机，包括依次连接原边转换模块、第一变压器T1、副边高压转换模块、控制器、连接第一变压器T1副边绕组的副边低压转换模块，以及第二变压器T2和副边整流模块，其中所述第二变压器T2的原边绕组W5与第一变压器T1的原边绕组W1串联后连接原边转换模块的输出端，所述第二变压器T2的副边绕组W6连接所述副边整流模块的输入端，副边整流模块的输出端与副边高压转换模块的输出端并联，所述第二变压器T2的原边或副边设置切换开关K；控制器根据原边转换模块的母线电压控制切换开关K将第二变压器T2和副边整流模块投入运行或退出运行。

参看图2示出的充电机原理框图，在较佳实施例中充电机的前端依次连接交流输入端、EMI滤波器、PFC电路构成，为DCDC电路提供直流电源。交流输入端连接外部不同输入电网，可以是三相电网，也可以是单相电网。本申请中副边高压转换模块连接高压动力电池，副边低压转换模块连接低压电池和整车用电设备。

在较佳实施例中（参看图3），所述切换开关K可以并联在所述第二变压器T2原边绕组W5的两端。在另一些实施例中，所述切换开关K并联在所述第二变压器T2副边绕组W6的两端（未给出电路图）。

所述充电机包括充电模式、逆变模式、DCDC模式；其中充电模式（参看图18）是指从能量从交流电网传输给高压动力电池和低压侧电池和整车用电设备，逆变模式（参看图19）是指能量取自高压动力电池，逆变出交流电给到用电器同时给到低压侧电池和用电设备，DCDC模式（参看图20）是指能量取自高压动力电池给到整车低压侧低压电池和整车用电器。在充电模式中所述母线电压高于阈值M时，控制器控制开关K断开；在充电模式中所述母线电压不高于阈值M时，控制器控制开关K闭合；在逆变模式中，控制器控制开关K闭合；在DCDC模式中，控制器控制开关K闭合。所述开关K采用双向开关或继电器中的一种。

在较佳实施例中所述阈值M为600伏。本发明应用在充电机中时，母线电压高于阈值M，代表充电机连接三相电网。母线电压不高于阈值M，代表充电机连接单相电网。

在较佳实施例中，所述第一变压器T1原边绕组W1与第二副边绕组W2的比值和第二变压器T2原边绕组W5与副边绕组W6的比值相等；第一变压器T1原边绕组W1与二变压器T2原边绕组W5的匝数相等、线径相等；第一变压器T1第二副边绕组W2与二变压器T2副边绕组W6的匝数相等、线径相等。

在较佳实施例中，所述副边整流模块采用桥式整流模块，包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D2、第四二极管D4。

参看图3示出的较佳实施例，所述原边转换模块采用全桥结构，包括第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、第三功率开关Q3、第四功率开关Q4；所述副边高压转换模块采用全桥结构，包括第五功率开关Q5、第六功率开关Q6、第七功率开关Q7、第八功率开关Q8；其中第五功率开关Q5和第七功率开关Q7为一对桥臂，第六功率开关Q6和第八功率开关Q8为一对桥臂，并且第五功率开关Q5和第六功率开关Q6为上桥臂，第七功率开关Q7和第八功率开关Q8为下桥臂。副边高压转换模块控制信号和输入电压如图9所示。所述第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、第三功率开关Q3、第四功率开关Q4、第五功率开关Q5、第六功率开关Q6、第七功率开关Q7、第八功率开关Q8采用MOSFET、SiC MOSFET、IGBT并联二极管、GAN HEMT中的一种。

参看图3示出的较佳实施例，所述第一变压器T1包括第二副边绕组W2、第三副边绕组W3和第四副边绕组W4，所述第二副边绕组W2连接所述副边高压转换模块；所述副边低压转换模块包括第九功率开关Q9、第十功率开关Q10、第十一功率开关Q11；所述第九功率开关Q9的漏极连接第四副边绕组W4的同名端，所述第十功率开关Q10的漏极连接第三副边绕组W3的异名端，第四副边绕组W4的异名端与第三副边绕组W3同名端连接后串联第十一功率开关Q11和输出电感L0、之后连接副边低压转换模块的正极输出端，第九功率开关Q9和第十功率开关Q10的源极接地。

在较佳实施例中，所述第一变压器T1的第二副边绕组W2通过隔直电容C2后连接所述副边高压转换模块；所述第二变压器T2的副边绕组W6直接连接所述副边整流模块。如图3、4、5所示。

在较佳实施例中，所述第一变压器T1的原边绕组与第二变压器T2的原边绕组之间串接谐振电容C1。如图3、4、5所示。

参看图3示出的实施例，所述第一变压器T1的原边绕组串接第一谐振电感Lr1。即整个原边侧只串联一个振电感。

参看图4示出的实施例，所述第二变压器T2的原边绕组串接第二谐振电感Lr2。即整个原边侧串联两个振电感。

参看图5示出的实施例，所述第一变压器T1和第二变压器T2集成在同一个磁芯上。即第一变压器T1和第二变压器T2可以分开设置，也可以合并设置。

需要指出，谐振电感设置在不同的实施例中有不同的设置方法，可以一个谐振电感，也可以是两个分立的谐振电感，还可以是集成在同一个磁芯。谐振电感可以是独立元件，也可以是变压器的漏感。

下面结合图3以本发明使用在充电机中为例，对本发明作说明。

充电模式连接三相电网：

三相输入时，母线电压为800V，即图3中的Vin=800V，开关K断开，原边转换模块中Q1和Q3组成原边第一桥臂，桥臂中点A；Q2和Q4组成原边第二桥臂，桥臂中点B；谐振电感Lr1、变压器T1绕组W1、谐振电容C1、变压器T2绕组W5，谐振电容Lr2串联接在一起，一端接在原边第一桥臂中点A，另一端接在原边第二桥臂中点B，组成变压器T1和T2原边串联的结构。副边高压转换模块中Q5和Q7组成副边第一桥臂，桥臂中点C;Q6和Q8组成副边第二桥臂，桥臂中点D; 变压器T1绕组W2与隔直电容C2串联，一端接在副边第一桥臂中点C，另一端接在副边第二桥臂中点D，并联输出电容C4，组成副边高压转换模块输出HV1；副边整流模块中D1和D3组成副边第三桥臂，桥臂中点E；D2和D4组成副边第四桥臂，桥臂中点F；变压器T2绕组W6一端接在副边第三桥臂中点E，另一端接在副边第四桥臂中点F，并联输出电容C5组成副边整流模块输出HV2，HV1输出正端和HV2输出正端接在一起，HV1输出负端和HV2输出负端接在一起，HV1和HV2并联组成高压HV输出。按照上述连接，变压器T1绕组W2和变压器T2绕组W6组成并联连接。其中变压器T1绕组W1：W2变压器T2绕组W5：W6的匝比以及匝数，绕线线径都是相同的。

副边低压转换模块输出：变压器T1绕组W3、W4串联组成中间抽头的形式，第十功率开关Q10、D5、Lo、C3组成buck电路，输出LV电压；通过控制Q11占空比稳定LV输出电压。

控制方式：图3的拓扑结构中，控制器通过驱动原边转换模块中功率开关Q1—Q4、以及副边高压转换模块中功率开关Q5—Q8实现对HV电压和电流的控制，具体的，原边转换模块：Q1和Q4驱动一致，都是50%占空比；Q2和Q3驱动一致，都是50%占空比，Q1、Q4和Q2、Q3驱动完全相反，如图6所示；副边高压转换模块：Q5和Q8驱动一致，都是50%占空比；Q6和Q7驱动一致，都是50%占空比，Q5、Q8和Q6、Q7驱动完全相反，如图7所示；上述所说的50%占空比在具体实施的为防止一对桥臂的上下两个开关管同时导通出现短路，都需要减去一个死区时间，在这所说的50%占空比是统称包含有死区时间。

副边低压转换模块（LV）输出控制，集成变压器T1的电压由副边高压转换模块输出钳位，变压器电压翻转由Q5/Q8、Q6/Q7的驱动决定，如图9所示。副边低压转换模块同步整流Q9和Q10的导通由副边高压转换模块输出的功率开关决定。即Q5/Q8导通对应同步整流Q10导通，Q6/Q7导通对应Q9导通。在变压器电压翻转时，伴随能量的波动，所以LV输出的功率开关Q11的驱动必须在Q5/Q8或者Q6/Q7导通时完成一个开关周期,即Q11开关周期是Q5/Q6/Q7/Q8的2倍，如图16所示，Q11的关断沿和高压第一路的开关Q5-Q8关断沿对齐。通过控制Q11的占空比稳定LV输出的电压和电流。采用该控制方式，通过控制高压转换模块输出的驱动实现了均流，降低了控制的复杂性，同时解决了磁集成中HV和LV功率自动分配的问题。

并联均流原理：两个变压器T1原副边匝比W1：W2和T2原副边匝比W5：W6相等，且变压器原边是串联的，输入电压Vin的电压加在谐振腔、变压器T1原边W1和变压器T2原边W5上，流过两个变压器原边绕组的电流是一样的,即使谐振参数Lr，谐振电容Cr参数出现偏差，流过两个变压器的电流都是一样的。两个变压器原副边匝比，匝数都是一样的，且两路输出是短接在一起的，两路的输出电压一样，则变压器T1和T2耦合到副边的电流也是一样的，即副边高压转换模块输出电流Io1和副边整流模块输出电流Io2是相等的，通过控制原边和副边高压转换模块输出的驱动控制总的输出电流，而副边整流模块输出电流自动和副边高压转换模块输出电流相等。由于变压器T1和T2的原副边绕组匝数一样，副边高压转换模块输出和副边整流模块输出的电流自动均衡，不需要额外作均流处理。此外，副边整流模块是二极管整流，二极管导通由原边电流过零决定，不存在副边高压转换模块是有源器件由于驱动的轻微差异导致的变压器偏磁的问题，在本控制方式上副边整流模块可以省略隔直电容，即C2电容在副边整流模块是不需要的。

充电模式连接单相电网：

单相输入时，母线电压降低一半，即Vin=400V，开关K闭合。原边转换模块中，变压器T2原边绕组W5短路，输入电压加在谐振腔和变压器T1原边绕组W1上，谐振腔参数以及谐振点一样，单相和三相输入的谐振点都是如下公式1所示；

—公式1

由于输入电压降低了一半，同时原边转换模块的变压器也减少一半（短路T2原边绕组W5），谐振点不变，在单相输入时，单个变压器T1增益还是一样的，则相比三相输入，单相的功率减少一半，同时原边电流也是一样的，变压器T1的匝比以及绕线线径的设计都是一样的，不会造成因为单相和三相兼容造成过设计。

逆变模式（逆变模式不分三相或单相电网）：

在图3的拓扑图中，开关K闭合，即变压器T2绕组W5短路。HV为能量的输入端，输出侧为Vin，与充电模式相反。原边侧为能量输出侧，副边HV为能量输入侧。

控制方式：控制器通过驱动原边转换模块功率开关Q1—Q4，以及副边高压转换模块功率开关Q5—Q8实现对能量输出的控制。具体地，原边转换模块Q1和Q4驱动一致，都是50%占空比；Q2和Q3驱动一致，都是50%占空比，Q1、Q4和Q2、Q3驱动完全相反，如图6所示。副边高压转换模块中Q5和Q8驱动一致，都是50%占空比；Q6和Q7驱动一致，都是50%占空比，Q5、Q8和Q6、Q7驱动完全相反，如图7所示。上述所说的50%占空比在具体实施的为防止一对桥臂的上下两个开关管同时导通出现短路，都需要减去一个死区时间，在这所说的50%占空比是统称包含有死区时间。

逆变模式中LV侧的控制和充电模式一样都是通过控制开关管Q11的占空比实现稳定LV的电压和电流。Q11的关断沿和开关管Q5-Q8关断沿对齐，如图16所示。

在逆变模式可以通过控制器断开Q11实现LV不输出，能量只从高压电池HV侧到原边侧。

模式：在图3拓扑图中，当工作在DCDC模式，能量从高压HV侧流向LV侧，如图20所示，继电器K闭合，开关管Q11保持常通状态，Q5-Q8工作在PWM模式，驱动如图17所示，控制器通过调整开关管Q5-Q8的占空比实现稳定LV电压。

具体实施举例：

运用本发明的硬件框架和控制方式；工作在三相时，Vin=800V,高压输出300V，HV输出功率21KW，即：高压HV输出总电流70A，低压LV输出功率为0，对比副边高压转换模块输出和副边整流模块输出的均流性。

表1：仿真参数

仿真结果如表2所示，副边第一和第二转换模块各自输出电流和总输出电流波形对照如图10所示。从表2中可以看出，副边高压转换模块输出和副边整流模块输出的电流几乎无偏差，证明本控制方式的可行性。图11示出了原边转换模块输出电流、原边转换模块桥臂中点电压、副边第一和第二换模块（即副边高压转换模块和副边整流模块）桥臂中点电压波形对照图。

表2：仿真结果

图13是接单相电网时，Vin=400V，继电器K闭合将变压器T2原边绕组W5短路状态下第二转换模块桥臂中点电压V_EF、第一转换模块桥臂中点电压V_CD、原边转换模块输出电压V_AB、原边转换模块输出电流Ip、充电机输出电流IoHV的波形对照图。从图中可以看到：（1）在单相输入时高压输出总电流相比三相输入时降低一半，即：输出功率降低一半；（2）副边整流模块输出桥臂中点E、F电压V_EF为0，说明所有的输出功率来自副边高压转换模块输出；（3）单相和三相输入时原边电流Ip有效值是一样的。

表3：单相和三相输入电流对比

本发明还公开了一种兼容型大功率双端输出车载充电机的控制方法，所述充电机采用上述的兼容型大功率双端输出车载充电机；驱动所述原边转换模块中功率开关的控制信号与驱动副边高压转换模块中功率开关的控制信号之间存在时序差Φ，如图8和图12所示。即原边转换模块中Q1、Q4和副边高压转换模块中Q5、Q8之间存在时序差Φ，原边转换模块中Q2、Q3和边第一转换模块中Q6、Q7之间存在时序差Φ。在DCDC模式中，控制根据根据采样到的低压输出电压（VoLV）和低压输出电流（IoLV）与参考Ref运算控制副边高压转换模块中Q5-Q8工作在PWM模式（调占空比的模式）。充电模式和逆变模式时调原边转换模块与副边高压转换模块之间的时序差Φ，并且充电模式时Φ是超前，逆变模式时Φ是滞后。所述控制器控制时序差Φ的超前或滞后；时序差Φ超前可增大充电机的增益，增大副边高压转换模块的输出功率；时序差Φ滞后可降低充电机的增益，减小副边高压转换模块的输出功率。以原边转换模块驱动为参考，时序差Φ有左移和右移，具体如下：副边高压转换模块驱动超前原边转换模块驱动为右移，副边高压转换模块驱动滞后原边转换模块驱动为左移。时序差Φ超前可增大充电机的增益，增大副边高压转换模块的输出功率；时序差Φ滞后可降低充电机的增益，减小副边高压转换模块的输出功率。

在充电模式和逆变模式中，所述副边高压转换模块中第五功率开关Q5和第八功率开关Q8导通对应第十功率开关Q10导通，第六功率开关Q6和第七功率开关Q7导通对应第九功率开关Q9导通，第十一功率开关Q11开关周期是第五功率开关Q5开关周期的2倍，第十一功率开关Q11的关断沿与第五功率开关Q5关断沿和第六功率开关Q6关断沿对齐。

在DCDC模式中，第十一功率开关Q11保持常通状态。参看图14或图15，驱动Q5至Q8的PWM Generator模块和驱动Q11的PWM Generator模块之间有连接，该连接起到让Q11的关断沿与Q5和Q6关断沿对齐的同步作用。充电模式时Q9和Q10用作同步整流功能，当做二极管用，Q9和Q10导通和Q5-Q8对应的。通过控制Q11占空比稳定LV输出电压。

参看图14示出的充电模式时控制器控制原理框图。所述控制器包括采集原边转换模块输入电压（Vin）的采集器、采集副边高压转换模块和副边整流模块共同的高压输出电压（VoHV）和高压输出电流（IoHV）的采集器；采集副边低压转换模块低压输出电压（VoLV）和低压输出电流（IoLV）的采集器；在充电模式中，所述控制器对低压输出电压（VoLV）和低压输出电流（IoLV）分别进行采样定标、并通过功率运算（Power Calculation）得到输出功率；用采样定标后的低压输出电压（VoLV）同低压输出电压基准值（VrefLV）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿，将所得补偿值与预先设定的电流环预设值（IsetLV）做取小运算、将取其小值作为电流环基准值（IrefLV），然后与采样定标后的低压输出电流（IoLV）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿运算得出占空比，再通过PWM运算（PWM Generator）驱动所述第十一功率开关Q11；用采样定标后的高压输出电流（IoHV）同高压输出电流基准值（IrefHV）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿，将所得补偿值与预先设定的电压环预设值（VsetHV）做取小运算、将取其小值作为电压环基准值（VrefHV），然后与采样定标后的高压输出电流（VoHV）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿，用所得环路补偿值与所述输出功率运算得出所述时序差Φ、再通过PWM运算（PWM Generator）驱动所述原边转换模块和副边转换模块中的功率开关。

当控制器采样到的副边高压转换模块电流IoHV比实际设定的IrefHV小或者采样到的副边高压转换模块侧电压VoHV比设定的电压环基准值（VrefHV）小，控制器往右移动增大时序差Φ增大增益。反之，当控制器采样到的副边高压转换模块侧电流IoHV比设定的电流基准值refHV大或者采样到的副边高压转换模块侧电压VoHV比设定的电压环基准值VrefHV大，控制器往左移动增大时序差Φ降低增益。

参看图15示出的逆变模式时控制器控制原理框图。所述控制器包括采集原边转换模块输入电压（Vin）的采集器、采集副边高压转换模块和副边整流模块共同的高压输出电压（VoHV）和高压输出电流（IoHV）的采集器；采集副边低压转换模块低压输出电压（VoLV）和低压输出电流（IoLV）的采集器；在逆变模式中，所述控制器对低压输出电压（VoLV）和低压输出电流（IoLV）分别进行采样定标、并通过功率运算（Power Calculation）得到输出功率；用采样定标后的低压输出电压（VoLV）同低压输出电压基准值（VrefLV）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿，将所得补偿值与预先设定的电流环预设值（IsetLV）做取小运算、将取其小值作为电流环基准值（IrefLV），然后与采样定标后的低压输出电流（IoLV）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿运算得出占空比，再通过PWM运算（PWM Generator）驱动所述第十一功率开关Q11；用采样定标后的输入电压（Vin）与电压基准值（VrefVo）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿，将所得补偿值与所述输出功率运算得出所述时序差Φ、再通过PWM运算（PWM Generator）驱动所述原边转换模块和副边高压转换模块中的功率开关。

原边转换模块和副边高压转换模块驱动之间存在时序差Φ，即原边转换模块Q1、Q4和副边高压转换模块Q5、Q8之间存在时序差Φ，原边转换模块Q2、Q3和副边高压转换模块Q6、Q7之间存在时序差Φ，如图8和图12所示。以原边转换模块驱动为参考，时序差Φ有左移和右移，具体如下：副边高压转换模块驱动超前原边转换模块驱动为右移，副边高压转换模块驱动滞后原边转换模块驱动为左移。逆变模式Φ右移可以降低增益（即减小原边转换模块输出功率），Φ左移可以增大增益（即增大原边转换模块输出功率）。

在控制Φ的同时，也控制原边转换模块和副边高压转换模块功率开关开关周期fs。其意义在于，由于原边转换模块中存在电感Lr1、Lr2和电容C1，两者组成一个可以随开关周期变化而等效电抗发生变化的网络，其数学表达式为：

—公式2

其中Z（fs）便是随着fs变化，Lr1、Lr2和C1等效电抗的变化。实际应用中，为了提高效率，避免无功能量过多，会通过控制fs，从而改变Z（fs），进而得出最优匹配特性。

以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本申请精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本申请的权利要求范围之中。

Claims

1.一种兼容型大功率双端输出车载充电机，包括依次连接原边转换模块、第一变压器T1、副边高压转换模块，以及控制器，其特征在于：还包括连接第一变压器T1副边绕组的副边低压转换模块，以及第二变压器T2和副边整流模块，其中所述第二变压器T2的原边绕组W5与第一变压器T1的原边绕组W1串联后连接原边转换模块的输出端，所述第二变压器T2的副边绕组W6连接所述副边整流模块的输入端，副边整流模块的输出端与副边高压转换模块的输出端并联，所述第二变压器T2的原边或副边设置切换开关K；控制器根据原边转换模块的母线电压控制切换开关K将第二变压器T2和副边整流模块投入运行或退出运行。

2.如权利要求1所述的兼容型大功率双端输出车载充电机，其特征在于：所述切换开关K并联在所述第二变压器T2原边绕组W5的两端。

3.如权利要求1所述的兼容型大功率双端输出车载充电机，其特征在于：所述切换开关K并联在所述第二变压器T2副边绕组W6的两端。

4.如权利要求2或3所述的兼容型大功率双端输出车载充电机，其特征在于：所述充电机包括充电模式、逆变模式、DCDC模式；

在充电模式中所述母线电压高于阈值M时，控制器控制开关K断开；

在充电模式中所述母线电压不高于阈值M时，控制器控制开关K闭合；

在逆变模式中，控制器控制开关K闭合；

在DCDC模式中，控制器控制开关K闭合。

5.如权利要求4所述的适用于不同输入电网的充电机，其特征在于：所述阈值M为600伏。

6.如权利要求4所述的兼容型大功率双端输出车载充电机，其特征在于：所述第一变压器T1原边绕组W1与第二副边绕组W2的比值和第二变压器T2原边绕组W5与副边绕组W6的比值相等；第一变压器T1原边绕组W1与二变压器T2原边绕组W5的匝数相等、线径相等；第一变压器T1第二副边绕组W2与二变压器T2副边绕组W6的匝数相等、线径相等。

7.如权利要求1所述的兼容型大功率双端输出车载充电机，其特征在于：所述副边高压转换模块中的功率开关采用有源器件，所述副边整流模块中的功率开关采用有无源器件。

8.如权利要求7所述的兼容型大功率双端输出车载充电机，其特征在于：所述副边整流模块采用桥式整流模块，包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D2、第四二极管D4。

9.如权利要求7所述的兼容型大功率双端输出车载充电机，其特征在于：所述原边转换模块采用全桥结构，包括第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、第三功率开关Q3、第四功率开关Q4；所述副边高压转换模块采用全桥结构，包括第五功率开关Q5、第六功率开关Q6、第七功率开关Q7、第八功率开关Q8；其中第五功率开关Q5和第七功率开关Q7为一对桥臂，第六功率开关Q6和第八功率开关Q8为一对桥臂，并且第五功率开关Q5和第六功率开关Q6为上桥臂，第七功率开关Q7和第八功率开关Q8为下桥臂。

10.如权利要求9所述的兼容型大功率双端输出车载充电机，其特征在于：所述第一变压器T1包括第二副边绕组W2、第三副边绕组W3和第四副边绕组W4，所述第二副边绕组W2连接所述副边高压转换模块；所述副边低压转换模块包括第九功率开关Q9、第十功率开关Q10、第十一功率开关Q11；所述第九功率开关Q9的漏极连接第四副边绕组W4的同名端，所述第十功率开关Q10的漏极连接第三副边绕组W3的异名端，第四副边绕组W4的异名端与第三副边绕组W3同名端连接后串联第十一功率开关Q11和输出电感L0、之后连接副边低压转换模块的正极输出端，第九功率开关Q9和第十功率开关Q10的源极接地。

11.如权利要求1所述的兼容型大功率双端输出车载充电机，其特征在于：所述第一变压器T1的第二副边绕组W2通过隔直电容C2后连接所述副边高压转换模块；所述第二变压器T2的副边绕组W6直接连接所述副边整流模块。

12.如权利要求1所述的兼容型大功率双端输出车载充电机，其特征在于：所述第一变压器T1的原边绕组与第二变压器T2的原边绕组之间串接谐振电容C1。

13.如权利要求1所述的兼容型大功率双端输出车载充电机，其特征在于：所述第一变压器T1的原边绕组串接第一谐振电感Lr1。

14.如权利要求11所述的兼容型大功率双端输出车载充电机，其特征在于：所述第二变压器T2的原边绕组串接第二谐振电感Lr2。

15.如权利要求1所述的兼容型大功率双端输出车载充电机，其特征在于：所述第一变压器T1和第二变压器T2集成在同一个磁芯上。

16.一种兼容型大功率双端输出车载充电机的控制方法，其特征在于：所述充电机采用权利要求1至15任一项所述的兼容型大功率双端输出车载充电机；驱动所述原边转换模块中功率开关的控制信号与驱动副边高压转换模块中功率开关的控制信号之间存在时序差Φ，所述控制器控制时序差Φ的超前或滞后；时序差Φ超前可增大充电机的增益，增大副边高压转换模块的输出功率；时序差Φ滞后可降低充电机的增益，减小副边高压转换模块的输出功率。

17.如权利要求16所述的兼容型大功率双端输出车载充电机，其特征在于：在充电模式和逆变模式中，所述副边高压转换模块中第五功率开关Q5和第八功率开关Q8导通对应第十功率开关Q10导通，第六功率开关Q6和第七功率开关Q7导通对应第九功率开关Q9导通，第十一功率开关Q11开关周期是第五功率开关Q5开关周期的2倍，第十一功率开关Q11的关断沿与第五功率开关Q5关断沿和第六功率开关Q6关断沿对齐；在DCDC模式中，第十一功率开关Q11保持常通状态。

18.如权利要求17所述的兼容型大功率双端输出车载充电机，其特征在于：所述控制器包括采集原边转换模块输入电压（Vin）的采集器、采集副边高压转换模块和副边整流模块共同的高压输出电压（VoHV）和高压输出电流（IoHV）的采集器；采集副边低压转换模块低压输出电压（VoLV）和低压输出电流（IoLV）的采集器；

在充电模式中，所述控制器对低压输出电压（VoLV）和低压输出电流（IoLV）分别进行采样定标、并通过功率运算（Power Calculation）得到输出功率；用采样定标后的低压输出电压（VoLV）同低压输出电压基准值（VrefLV）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿，将所得补偿值与预先设定的电流环预设值（IsetLV）做取小运算、将取其小值作为电流环基准值（IrefLV），然后与采样定标后的低压输出电流（IoLV）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿运算得出占空比，再通过PWM运算（PWM Generator）驱动所述第十一功率开关Q11；用采样定标后的高压输出电流（IoHV）同高压输出电流基准值（IrefHV）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿，将所得补偿值与预先设定的电压环预设值（VsetHV）做取小运算、将取其小值作为电压环基准值（VrefHV），然后与采样定标后的高压输出电流（VoHV）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿，用所得环路补偿值与所述输出功率运算得出所述时序差Φ、再通过PWM运算（PWM Generator）驱动所述原边转换模块和副边转换模块中的功率开关。

19.如权利要求17所述的兼容型大功率双端输出车载充电机，其特征在于：所述控制器包括采集原边转换模块输入电压（Vin）的采集器、采集副边高压转换模块和副边整流模块共同的高压输出电压（VoHV）和高压输出电流（IoHV）的采集器；采集副边低压转换模块低压输出电压（VoLV）和低压输出电流（IoLV）的采集器；

在逆变模式中，所述控制器对低压输出电压（VoLV）和低压输出电流（IoLV）分别进行采样定标、并通过功率运算（Power Calculation）得到输出功率；用采样定标后的低压输出电压（VoLV）同低压输出电压基准值（VrefLV）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿，将所得补偿值与预先设定的电流环预设值（IsetLV）做取小运算、将取其小值作为电流环基准值（IrefLV），然后与采样定标后的低压输出电流（IoLV）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿运算得出占空比，再通过PWM运算（PWM Generator）驱动所述第十一功率开关Q11；用采样定标后的输入电压（Vin）与电压基准值（VrefVo）进行差值运算，对两者的差值进行环路补偿，将所得补偿值与所述输出功率运算得出所述时序差Φ、再通过PWM运算（PWMGenerator）驱动所述原边转换模块和副边高压转换模块中的功率开关。