CN111864820A - 车载充电机电路、车载充电机及电动汽车 - Google Patents

车载充电机电路、车载充电机及电动汽车 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种车载充电机电路、车载充电机及电动汽车，该车载充电机电路包括：交流接口、交直流转换电路、后级升降压电路、动力电池；交流接口依次经交直流转换电路和后级升降压电路连接动力电池；当交流接口与电网连接，且电网向动力电池充电时，从电网输出的电流经过交直流转换电路输入后级升降压电路，经过后级升降压电路输入动力电池；当交流接口与电网或负载连接，且动力电池向电网或负载放电时，从动力电池输出的电流经过交直流转换电路输入电网或负载。本申请可以实现车载动力电池的双向充放电。

Description

车载充电机电路、车载充电机及电动汽车
技术领域
本申请涉及新能源汽车充电技术领域，尤其涉及一种用于新能源汽车的车载充电机。
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关注。其中，汽车消耗的能源所占的比例越来越高，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超标的主要原因。然而，汽车又是人们正常生活中不可或缺的一部分，因此汽车产业将会面临能源与环境方面的巨大的挑战。由于新能源汽车可以更加高效的使用能源，同时污染物排放远低于燃油汽车，尤其是纯电动汽车，完全可以实现零污染物排放，因此发展新能源汽车成为各国政府非常青睐的选择，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，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、地热等均可以转换为电能，因此，新能源汽车将会是未来一段时期中人类的较优选择。
作为新能源汽车的必备部件，车载电机是指固定安装在电能汽车上的充电机，具有为电动汽车的动力电池进行安全、自动充电的能力。车载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，执行相应的指令，完成充电过程。此外，由于体量巨大的新能源汽车市场保有量，把新能源汽车作为一种储能装置，对平抑峰谷用电将会有很大帮助，这就需要在传统的车载充电机单向充电功能上增加对电网放电的功能，实现车载动力电池的双向充放电。
发明内容
第一方面，本申请实施例提供一种车载充电机电路，用以实现车载动力电池的双向充放电，该电路包括：
交流接口、交直流转换电路、后级升降压电路、动力电池；交流接口依次经交直流转换电路和后级升降压电路连接动力电池；当交流接口与电网连接，且电网向动力电池充电时，从电网输出的电流经过交直流转换电路输入后级升降压电路，经过后级升降压电路输入动力电池；当交流接口与电网或负载连接，且动力电池向电网或负载放电时，从动力电池输出的电流经过交直流转换电路输入电网或负载。
第二方面，本申请实施例提供一种车载充电机，用以实现车载动力电池的双向充放电，该车载充电机包括如第一方面所述的车载充电机电路。
第三方面，本申请实施例提供一种电动汽车，用以实现车载动力电池的双向充放电，该电动汽车包括如第二方面所述的车载充电机。
本申请实施例中，在充电时，电网输入的电流通过交直流转换电路将交流电转换为直流电后输入动力电池，从而为动力电池充电；在放电时，复用交直流转换电路，将动力电池输出的直流电转换为交流电输入电网或负载，从而为电网或负载供电。这样一来，就实现了车载充电机电路的双向充放电过程，拓展了车载动力电池的储能功能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本申请实施例中一种车载充电机的原理示意图；
图2为本申请实施例中一种车载充电机电路的结构图；
图3为本申请实施例中一种车载充电机电路运行时电流的流向示意图；
图4为本申请实施例中另一种车载充电机电路运行时电流的流向示意图；
图5为本申请实施例中另一种车载充电机电路运行时电流的流向示意图；
图6为本申请实施例中另一种车载充电机电路运行时电流的流向示意图；
图7为本申请实施例中另一种车载充电机电路运行时电流的流向示意图；
图8为本申请实施例中另一种车载充电机电路运行时电流的流向示意图；
图9为本申请实施例中另一种车载充电机电路运行时电流的流向示意图；
图10为本申请实施例中另一种车载充电机电路运行时电流的流向示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本申请实施例做进一步详细说明。在此，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。
下面将对本申请实施例提供的车载充电机的原理进行简要介绍。
参照图1，车载充电机中包括交流接口101、AC-DC变换器102、DC-DC变换器103、动力电池104、主控单元105和外部输入输出级通讯接口106。其中，交流接口101依次与AC-DC变换器102、DC-DC变换器103和动力电池104电连接。交流接口101在充电或放电时连接电网，该电网可以是三相交流电网或单相交流电网。AC-DC变换器102在电网向动力电池104充电时，可以作整流器运行，将交流电整流成直流电；在动力电池104向电网放电时，可以作逆变器运行，将直流电逆变成交流电馈入电网。DC-DC变换器103，可以双向运行，起到升压或降压的作用。
主控单元105分别和交流接口101、AC-DC变换器102、DC-DC变换器103、动力电池104信号连接，交流接口101和动力电池104向主控单元105反馈各自的电流、电压情况，主控单元105根据该电流、电压情况以及接收的外部指令控制车载充电机运行。外部输入输出及通信接口106与主控单元105信号连接。
基于上述原理，本申请实施例提供了一种车载充电机电路，该车载充电机电路包括交流接口、交直流转换电路、后级升降压电路和动力电池，交流接口依次经交直流转换电路和后级升降压电路连接动力电池；当交流接口与电网连接，且电网向动力电池充电时，从电网输出的电流经过交直流转换电路输入后级升降压电路，经过后级升降压电路输入动力电池；当交流接口与电网或负载连接，且动力电池向电网或负载放电时，从动力电池输出的电流经过交直流转换电路输入电网或负载。
在本申请实施例中，交直流转换电路包括二极管整流桥和有源电力滤波(Activepower filter，APF)电路，当电网向动力电池充电，且动力电池的电压低于电网的电压时，从电网输出的电流经过二极管整流桥输入后级升降压电路降压，降压后得到的电流输入动力电池；当电网向动力电池充电，且动力电池的电压高于电网的电压时，从电网输出的电流经过APF电路输入后级升降压电路升压，升压后得到的电流输入动力电池。
上述过程中，利用第一开关实现二极管整流桥或APF电路接入车载充电机电路。
在本申请实施例中，当动力电池向电网放电时，从动力电池输出的电流经过APF电路输入电网。具体的，当动力电池向电网放电，且动力电池的电压低于电网的电压时，从动力电池输出的电流输入后级升降压电路升压，升压后得到的电流经过APF电路输入电网；当动力电池向电网或负载放电，且动力电池的电压高于电网或负载的电压时，从动力电池输出的电流经过APF电路输入电网或负载。
上述过程中，当动力电池的电压低于电网时，利用第二开关和第三开关实现后级升降压电路接入车载充电机电路。
需要说明的是，第二开关和第三开关可以为两个开关，也可以为单刀双掷开关。
下面将结合具体的电路元件来说明本申请提供的车载充电机电路。
参阅图2，车载充电机电路包括二极管整流桥201、第一电感202、第一逆变桥203、第一开关204、第二逆变桥205、第二电感206、由第二开关(图2中不动端2与动端3连接)和第三开关(图2中不动端2与动端1连接)组合而成的DC-DC功能旁路开关207和动力电池208。其中，二极管整流桥201用于将交流电整流成直流电；第一电感202和第一逆变桥203组成APF电路，可以实现APF、升压或逆变功能；第二逆变桥205和第二电感206组成后级升降压电路，用于实现升压或降压功能。第一开关204或DC-DC功能旁路开关207可以为继电器或功率晶体管等双向开关器件。
参阅图2，交流接口，包括三相连接端，三相连接端与二极管整流桥和APF电路中的电感耦接；二极管整流桥，包括三组并联的二极管，每组二极管与交流接口三相连接端中的一相连接；APF电路，包括三个第一电感和设置有三个桥臂的第一逆变桥，其中，每个第一电感的一端连接交流接口三相连接端中的一相，另一端连接第一逆变桥的一个桥臂；后级升降压电路，通过第一开关与APF电路连接，通过导线与二极管整流桥连接，包括三个第二电感和设置有三个桥臂的第二逆变桥，每个第二电感的一端与第二逆变桥的一个桥臂连接，另一端通过第二开关与动力电池连接；动力电池，通过第三开关与APF电路连接。
当第一开关闭合时，APF电路接入车载充电机电路，二极管整流桥被旁路；当第二开关闭合且第三开关断开时，后级升降压电路接入车载充电机电路。
此外，第三开关与第二开关不同时闭合，也就是说，当第三开关闭合时，第二开关断开，当第二开关闭合时，第三开关断开；当第三开关闭合时，后级升降压电路被旁路。
在本申请实施例中，第二开关由单刀双掷开关的不动端与其中一个动端的组合；第三开关为单刀双掷开关的不动端与另一个动端的组合。
在本申请实施例中，车载充电机电路还包括：第一滤波电容，设置于APF电路和第一开关之间；第二滤波电容，设置于第一开关与后级升降压电路之间；第三滤波电容，设置于第二开关、第三开关和动力电池之间。
交流接口包括如下两种工作状态：单相输入/输出状态、三相输入/输出状态。也就是说，本申请实施例中，车载充电机可以用于单相交流电网或三相交流电网，电网适应能力强。
在本申请实施例中，可以将电机绕组作为后级升降压电路中的第二电感；将车载电机驱动逆变桥作为后级升降压电路中的第二逆变桥。由于后级升降压电路共享车载电驱的逆变器和电机绕组，从而可以降低充电机的体积、成本和重量，并且使得车载充电机的功率密度更高。
动力电池的充放电状态、第一开关和DC-DC功能旁路开关的不同状态、交流接口的不同工作状态，以及动力电池和电网的电压不同均会导致车载充电机电路中接入的元件及其实现的功能不同。以下针对交流接口连接电网时，车载充电机电路的不同工作模式进行介绍。
需要说明的是，在下述描述中，以S1表示第一开关，S2表示DC-DC功能旁路开关，C1表示第一电容，C2表示第二电容，C3表示第三电容，D1～D6表示二极管整流器中包括的二极管，L1～L3表示第一电感中包括的电感，Q1和Q2、Q3和Q4、Q5和Q6分别组成一个桥臂，Q1～Q6组成第一逆变桥，Q7和Q8、Q9和Q10、Q11和Q12分别组成一个桥臂，Q7～Q12组成第二逆变桥，L4～L6表示第一电感中包括的电感。图3至图10中粗黑箭头用于表示电流的流向。
1、具有APF功能的三相交流输入充电模式
参阅图3，当交流接口连接三相交流电网向动力电池充电，S1断开，S2接通2、3，动力电池电压小于电网的电压时，动力电池的电压小于二极管整流输出电压，三相交流电通过D1～D6组成的二极管整流桥变成脉动的直流电，经过滤波电容C2进一步平滑滤波后输入到第二逆变桥和电感组成的三相降压电路，之后通过S2和滤波电容C3滤波后输入动力电池。
该工作模式下，L1～L3及Q1～Q6组成APF电路，APF电路工作在主动功率因素补偿模式，以较小的功率等级就可以对电网进行功率因素补偿。S1断开，整个车载充电机以三相最大输出功率对电池进行充电。另外，由Q7～Q12及L4～L6组成的后级降压电路，可以工作在三相交错控制模式，使充电电流纹波进一步降低。
2、具有升压(Boost)功能的三相交流输入充电模式
参阅图4，当交流接口连接三相交流电网向动力电池充电，动力电池的电压大于电网的电压时，通过二极管整流桥整流，无法达到升压的目的，因此，在此种工况下，闭合S1，利用APF电路的升压功能，通过后级升降压电路，对动力电池充电。此外，如果经过APF电路升压后的电压与动力电池电压相匹配，还可以旁路后级升降压电路，利用APF电路输出的电压，直接为动力电池充电。三相交流电通过L1～L3和Q1～Q6组成的脉冲宽度调制(PulseWidth Modulation，PWM)整流电路升压变成脉动的直流电，经过滤波电容C1和C2进一步平滑滤波后输入到第二逆变桥和第二电感组成的三相降压电路，之后通过S2和滤波电容C3滤波后输入动力电池。
该工作模式下，D1～D6二极管整流电路被旁路，APF以较小的功率等级工作于桥式PWM整流电路模式，并且其可以同时进行无桥功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)。同时S1闭合，整个车载充电机系统以三相较大输出功率(取决于APF功率等级)对电池进行充电。另外，由Q7～Q12及L4～L6组成的后级降压电路，可以工作在三相交错控制模式，使充电电流纹波进一步降低。
3、具有APF功能的单相交流输入充电模式
参阅图5，当交流接口连接单相交流电网向动力电池充电，S1断开，S2接通2、3，动力电池电压小于电网电压时，动力电池电压小于二极管整流桥输出的电压，单相交流电通过D1～D4组成的二极管整流桥变成脉动的直流电，经过滤波电容C2进一步平滑滤波后输入到第二逆变桥和电感组成的三相降压电路，之后通过S2和滤波电容C3滤波后输入动力电池。
该工作模式下，L1～L2及Q1～Q4组成APF电路，APF电路工作在主动功率因素补偿模式，以较小的功率等级就可以对电网进行功率因素补偿。S1断开，整个充电机系统以单相最大输出功率(约为三相输出功率的三分之一)对电池进行充电。另外，由Q7～Q12及L4～L6组成的后级降压电路，可以工作在三相交错控制模式，使充电电流纹波进一步降低。
4、具有Boost功能的单相交流输入充电模式
参阅图6，当交流接口连接单相交流电网向动力电池充电，动力电池的电压大于电网的电压时，如若通过二极管整流桥整流，无法达到升压的目的，因此，在此种工况下，闭合S1，利用APF电路的升压功能，通过后级升降压电路，对动力电池充电。此外，如果经过APF电路升压后的电压与动力电池电压相匹配，还可以旁路后级升降压电路，利用APF电路输出的电压，直接为动力电池充电。单相交流电通过L1～L2和Q1～Q4组成的PWM整流电路升压变成脉动的直流电，经过滤波电容C1和C2进一步平滑滤波后输入到第二逆变桥和电感组成的三相降压电路，之后通过S2和滤波电容C3滤波后输入动力电池。
该工作模式下，D1～D6二极管整流电路被旁路，APF以较小的功率等级工作于无桥PFC。S1闭合，整个充电机系统以单相较大输出功率(取决于APF功率等级)对电池进行充电。另外，由Q7～Q12及L4～L6组成的后级降压电路，可以工作在三相交错控制模式，使充电电流纹波进一步降低。
5、具有Boost功能的三相交流并网放电模式
参阅图7，当交流接口连接三相交流电网，由动力电池向三相交流电网充电，S1闭合，S2接通2、3，动力电池的电压小于三相交流电网峰值电压时，动力电池存储的直流电通过C3以及由L4～L6及Q7～Q12组成的后级升降压电路升压后转变成较高的直流电压，然后经过滤波电容C1和C2进一步平滑滤波后输入到前级Q1～Q6组成并网逆变桥和L1～L3电感组成的并网滤波电路，从而输出三相交流电馈入电网。
需要说明的是，后级升降压电路可以工作在三相交错控制模式，使直流母线上电压电流纹波更低。
该工作模式下，由动力电池向三相交流单电网放电，当动力电池的电压较低，小于三相交流电网的峰值电压时，由第二逆变桥和第二电感组成的后级DC-DC电路工作在Boost模式，S1闭合，S2接通2、3，整个双向车载充电机系统以三相较大输出功率对电网进行放电。其中，该输出功率取决于APF的功率等级。
6、无Boost功能的三相交流并网放电模式
参阅图8，当交流接口连接三相交流电网，由动力电池向三相交流电网放电，S1闭合，S2接通2、1，动力电池的电压大于三相交流电网峰值电压时，动力电池存储的直流电经过滤波电容C1、C2和C3进一步平滑滤波后直接输入到前级Q1～Q6组成并网逆变桥和L1～L3电感组成的并网滤波电路，从而输出三相交流电馈入电网。
该工作模式下，由动力电池向三相交流电网放电，当动力电池电压较高，大于三相交流电网的峰值电压时，由第二逆变桥和第二电感组成的后级DC-DC电路被旁路停止工作，S1闭合，S2接通2、1点，整个双向车载充电机系统以三相较大输出功率对电网进行放电。其中，该输出功率取决于APF的功率等级。
7、具有Boost功能的单相交流并网放电模式
参阅图9，当交流接口连接单相交流电网，由动力电池向单相交流电网放电，S1闭合，S2接通2、3，动力电池的电压小于单相交流电网峰值电压时，动力电池存储的直流电通过C3以及由L4～L6及Q7～Q12组成的后级升降压电路升压后转变成较高的直流电压，然后经过滤波电容C1和C2进一步平滑滤波后输入到前级Q1～Q4组成并网逆变桥和L1～L2电感组成的并网滤波电路，从而输出单相交流电馈入电网。
需要说明的是，后级升降压电路可以工作在三相交错控制模式，使直流母线上电压电流纹波更低。
该工作模式下，由动力电池向单相交流电网放电，当动力电池电压较低，小于单相交流电网的峰值电压时，由第二逆变桥和第二电感组成的后级DC-DC电路工作在Boost模式，S1闭合，S2接通2、3，整个双向车载充电机系统以单相较大输出功率对电网进行放电。其中，该输出功率取决于APF的功率等级。
8、无Boost功能的单相交流并网放电模式
参阅图10，当交流接口连接单相交流电网，由动力电池向单相交流电网放电，S1闭合，S2接通2、1，动力电池的电压大于单相交流电网峰值电压时，动力电池存储的直流电经过滤波电容C1、C2和C3进一步平滑滤波后直接输入到前级Q1～Q4组成并网逆变桥和L1～L2电感组成的并网滤波电路，从而输出单相交流电馈入电网。
该种工作模式下，由动力电池向单相交流电网放电，当动力电池的电压较高，大于单相交流电网的峰值电压时，由第二逆变桥和第二电感组成的后级DC-DC电路被旁路停止工作，S1闭合，S2接通2、1，整个双向车载充电机系统以单相较大输出功率对电网进行放电。其中，该输出功率取决于APF的功率等级。
需要说明的是，本申请实施例还可以采用不同的开关切换和控制方法组合，并不局限于上述八种工作模式，还可以根据负载情况和设计需求做出更多变换。
此外，当交流接口连接负载时，车载充电机电路可以工作在如图8所示的无Boost功能的三相交流并网放电模式，以及如图10所示的无Boost功能的单相交流并网放电模式。
从上述车载充电机电路的工作模式中可以看出，本申请中在前级AC-DC电路中增加了APF电路，可以消除直流母线上的电解电容，从而提高了充电机的使用寿命。并且，APF电路所实现的功率因素补偿功能，保证了车载充电机系统以较低功率等级的APF电路实现了较大的输出功率，提高了车载充电机的充电效率。
本申请实施例中，在充电时，电网输入的电流通过交直流转换电路将交流电转换为直流电后输入动力电池，从而为动力电池充电；在放电时，复用交直流转换电路，将动力电池输出的直流电转换为交流电输入电网或负载，从而为电网或负载供电。这样一来，就实现了车载充电机电路的双向充放电过程，拓展了车载动力电池的储能功能。
本申请实施例中还提供一种车载充电机，该车载充电机包括上述车载充电机电路。
本申请实施例还提供一种电动汽车，该电动汽车包括上述的车载充电机。
以上所述的具体实施例，对本申请的目的、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，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种车载充电机电路，其特征在于，所述电路包括：
交流接口、交直流转换电路、后级升降压电路、动力电池；交流接口依次经交直流转换电路和后级升降压电路连接动力电池；
当交流接口与电网连接，且电网向动力电池充电时，从电网输出的电流经过交直流转换电路输入后级升降压电路，经过后级升降压电路输入动力电池；
当交流接口与电网或负载连接，且动力电池向电网或负载放电时，从动力电池输出的电流经过交直流转换电路输入电网或负载。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述交直流转换电路包括二极管整流桥和有源电力滤波APF电路，
当电网向动力电池充电，且动力电池的电压低于电网的电压时，从电网输出的电流经过二极管整流桥输入后级升降压电路降压，降压后得到的电流输入动力电池；
当电网向动力电池充电，且动力电池的电压高于电网的电压时，从电网输出的电流经过APF电路输入后级升降压电路升压，升压后得到的电流输入动力电池。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，利用第一开关实现二极管整流桥或APF电路接入车载充电机电路。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，
当动力电池向电网或负载放电时，从动力电池输出的电流经过APF电路输入电网。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，
当动力电池向电网放电，且动力电池的电压低于电网的电压时，从动力电池输出的电流输入后级升降压电路升压，升压后得到的电流经过APF电路输入电网；
当动力电池向电网或负载放电，且动力电池的电压高于电网或负载的电压时，从动力电池输出的电流经过APF电路输入电网或负载。
6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，当动力电池的电压低于电网时，利用第二开关和第三开关实现后级升降压电路接入车载充电机电路。
7.根据权利要求1～6任一项所述的电路，其特征在于，
交流接口，包括三相连接端，三相连接端与二极管整流桥和APF电路中的电感耦接；
二极管整流桥，包括三组并联的二极管，每组二极管与交流接口三相连接端中的一相连接；
APF电路，包括三个第一电感和设置有三个桥臂的第一逆变桥，其中，每个第一电感的一端连接交流接口三相连接端中的一相，另一端连接第一逆变桥的一个桥臂；
后级升降压电路，通过第一开关与APF电路连接，通过导线与二极管整流桥连接，包括三个第二电感和设置有三个桥臂的第二逆变桥，每个第二电感的一端与第二逆变桥的一个桥臂连接，另一端通过第二开关与动力电池连接；
动力电池，通过第三开关与APF电路连接。
8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，
当第一开关闭合时，APF电路接入车载充电机电路，二极管整流桥被旁路；
当第二开关闭合且第三开关断开时，后级升降压电路接入车载充电机电路。
9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，第三开关与第二开关不同时闭合；当第三开关闭合时，后级升降压电路被旁路。
10.根据权利要求9所述的电路，其特征在于，所述第二开关由单刀双掷开关的不动端与其中一个动端的组合；所述第三开关为单刀双掷开关的不动端与另一个动端的组合。
11.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述车载充电机电路还包括：
第一滤波电容，设置于APF电路和第一开关之间；
第二滤波电容，设置于第一开关和后级升降压电路之间；
第三滤波电容，设置于第二开关、第三开关和动力电池之间。
12.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述交流接口包括如下两种工作状态：单相输入/输出状态、三相输入/输出状态。
13.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，将电机绕组作为后级升降压电路中的第二电感；将车载电机驱动逆变桥作为后级升降压电路中的第二逆变桥。
14.一种车载充电机，其特征在于，所述车载充电机包括如权利要求1～13任一项所述车载充电机电路。
15.一种电动汽车，其特征在于，所述电动汽车包括如权利要求14所述的车载充电机。
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