CN112297894A - 一种宽范围输出的集成车载充电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽范围输出的集成车载充电机，包括依次连接的交流电源开关、充电驱动集成模块、电机，其中所述交流电源开关连接交流电网，在充电或向交流电网逆向馈电时接通；所述充电驱动集成模块连接车内动力电池，可将交流电变换为直流电向动力电池充电、也可将动力电池中的直流电逆变为交流电向电机或交流电网供电；本发明在原有的电机驱动功率电路基础上，增加较少的零件，实现充电功能、电机驱动功能和逆变功能，实现宽范围的电压输出，匹配不同电池电压，不同的电机驱动功率，不同的交流充电功率，减小工频漏电流，同时兼顾平衡EMC性能。

Description

一种宽范围输出的集成车载充电机
技术领域
本发明涉及充电电路，尤其涉及一种宽范围输出的集成车载充电机。
背景技术
随着电动汽车的发展，车载高压零部件的发展进入集成化、小型化、低成本化的发展方向。高压零部件集成到一起可以带来减少整车高压线束、减小整车布置空间、降低整车系统成本的众多好处。现有技术的处理方式是将部分高压零部件布置在一个壳体中，共用接插件、水道、控制电路等，已经可以带来显著的高压零部件集成后的收益。更进一步的集成化、小型化、低成本化，需要在功率拓扑电路设计上做出更多的针对性设计。
图1 是当前电动汽车上的典型高压零部件架构。高压动力电池经过PDU分配连接之后，连接到各个高压零部件。电机驱动器配合驱动电机一起，将动力电池的化学能量转换为机械能，提供整车行驶的动力。车载充电机，将AC充电口接入的AC电网的能量转换为匹配动力电池需求的电压/电流，给动力电池充电。
图2是当前电机驱动模块（INVERTER）的典型应用框图。动力电池的高压直流电压/电流，通过INVERTER转换为交流电压/电流提供给驱动电机，进而驱动整车行驶。
图3是当前电机驱动模块（INVERTER）的典型拓扑电路图。301为动力电池，302为直流母线电容，303为三相六开关全桥，304为驱动电机。INVERTER内部的核心器件为直流母线电容及三相六开关全桥。需要根据电池电压等级以及驱动电机功率等级确定六开关器件合适的电压/电流参数。
因此，设计一种宽范围输出的集成车载充电机，既能够实现车载充电的功能，也能够实现车载电机驱动的功能；既能最大限度的共用功率器件，又能自由的匹配不同的电池电压等级、功率等级；不对外部的应用匹配造成额外的电压等级、功率等级约束要求，很好的实现了充电功能与电驱功能的系统电路方案集成；以便广泛的应用在不同电压等级、不同驱动功率、不同充电功率的整车需求中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，本发明提出宽范围输出的集成车载充电机。
本发明采用的技术方案是设计一种宽范围输出的集成车载充电机，包括依次连接的交流电源开关、充电驱动集成模块、电机，其中所述交流电源开关连接交流电网，在充电或向交流电网逆向馈电时接通；所述充电驱动集成模块连接车内动力电池，可将交流电变换为直流电向动力电池充电、也可将动力电池中的直流电逆变为交流电向电机或交流电网供电。
所述交流电源开关与充电驱动集成模块之间设有滤波模块。所述滤波模块与充电驱动集成模块之间设有功率因数校正模块；所述充电驱动集成模块包括6个功率开关组成的三个桥臂，功率因数校正模块输出的正极母线连接充电驱动集成模块第一桥臂的中点，功率因数校正模块输出的负极母线连接充电驱动集成模块的负极母线和动力电池的负极，充电驱动集成模块的正极母线连接动力电池的正极，充电驱动集成模块三个桥臂的中点连接所述电机。所述功率因数校正模块与充电驱动集成模块之间设有高频电感。所述滤波模块与充电驱动集成模块之间设有滤波电路切换模块。
所述滤波电路切换模块包括Y电容组、第一开关K1、第二开关K2、X电容组；所述充电驱动集成模块通过正极母线和负极母线连接车内动力电池，所述Y电容组包括串接在所述正极母线和负极母线之间的第一Y电容Cy1和第二Y电容Cy2，第一Y电容Cy1和第二Y电容Cy2的中点连接第一开关K1和第二开关K2的一端，第一开关K1的另一端接地；所述X电容组连接滤波模块输出的火线，X电容组中点连接所述第二开关K2的另一端。
一个设计方案中，所述交流电网为三相交流电网，所述X电容组包括第一X电容Cx1、第二X电容Cx2和第三X电容Cx3，第一X电容Cx1、第二X电容Cx2和第三X电容Cx3的一端分别连接滤波模块输出的三条火线，第一X电容Cx1、第二X电容Cx2和第三X电容Cx3的另一端连接X电容组中点。
另一个设计方案中，所述交流电网为单相交流电网，所述X电容组包括第一X电容Cx1和第二X电容Cx2，第一X电容Cx1和第二X电容Cx2的一端分别连接滤波模块输出的一条火线和一条零线，第一X电容Cx1和第二X电容Cx2的另一端连接X电容组中点。
所述功率因数校正模块采用图腾柱PFC模块、桥式PFC模块、三相桥式PFC模块中的一种。
一个设计方案中，所述高频电感串接在功率因数校正模块输出的正极母线中。
另一个设计方案中，所述充电驱动集成模块具有三个桥臂，所述高频电感包括三个电感901，此三个电感的一端连接功率因数校正模块输出的正极母线、另一端分别连接充电驱动集成模块三个桥臂的中点。所述三个电感与具有三对触点的充电模式切换开关902串联。
另外一个设计方案中，所述高频电感包括两个电感，分别串接在功率因数校正模块输出的正极母线和负极母线中。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、合理的共用电机驱动模块实现功率转换电路，可以实现宽范围的电压输出；同时电路模块化设计，可以很方便的匹配不同电池电压，不同的电机驱动功率，不同的交流充电功率。
2、在原有的电机驱动功率电路基础上，增加较少的电路就可以实现交流充电功能；可以低成本的实现交流充电，特别是大功率交流充电。
3、在驱动模式与充电模式切换中，在动力电池至驱动电机的大电流回路上无需切换继电器或接触器，降低成本及加强电驱功能的可靠性。
4、可以方便的实现单相与三相充电自适应切换，提升产品的市场适应性。同时根据实际的需要自动调节半导体开关器件的工作状态，实现尽可能高效的充电能量转换。
5、通过增加简单的滤波电路切换装置，可以有效的减小共用电机驱动模块导致的充电模式下工频漏电流，同时兼顾平衡EMC性能。
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是现有电动汽车高压零部件架构图；
图2 是现有电动汽车中电机驱动模块的应用框图；
图3是现有电动汽车中电机驱动模块的电路图；
图4是本发明电机驱动模块与充电模块集成后的应用框图；
图5是充电驱动集成模块输出带升压电路和开关的电路图；
图6是本发明较佳实施例原理框图；
图7是本发明较佳实施例电路图；
图8是一种双高频电感的变形实施例；
图9是一种三个高频电感与充电模式切换开关串联的实施例；
图10是一种单相输入充电的实施例；
图11是另外一种单相输入充电的实施例；
图12是功率因数校正模块采用三相BUCK型PFC电路的实施例。
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。
本发明的目的：通过合理的设计高压功率转换电路及相应的控制方法，既能够实现车载充电的功能，也能够实现车载电机驱动的功能。同时，合理的功率电路集成方案，既能最大限度的共用功率器件，又能自由的匹配不同的电池电压等级、功率等级。不对外部的应用匹配造成额外的电压等级、功率等级约束要求，很好的实现了充电功能与电驱功能的系统电路方案集成。以便广泛的应用在不同电压等级、不同驱动功率、不同充电功率的整车需求中。
图4是电机驱动器与充电集成产品的典型应用框图。驱动与充电集成产品，既能够将电池的能量转换后提供给驱动电机，也能够将交流电网的能量转换后提供给电池充电。
本发明公开了一种宽范围输出的集成车载充电机，参看图6，集成车载充电机包括依次连接的交流电源开关、充电驱动集成模块、电机，其中所述交流电源开关连接交流电网，在充电或向交流电网逆向馈电时接通；所述充电驱动集成模块连接车内动力电池，可将交流电变换为直流电向动力电池充电、也可将动力电池中的直流电逆变为交流电向电机或交流电网供电。
在较佳实施例中，所述充电驱动集成模块采用三桥臂六开关的可双向传输电能的转换模块。
在较佳实施例中，所述交流电源开关与充电驱动集成模块之间设有滤波模块。
在较佳实施例中，所述滤波模块与充电驱动集成模块之间设有功率因数校正模块。所述充电驱动集成模块包括6个功率开关组成的三个桥臂，功率因数校正模块输出的正极母线连接充电驱动集成模块第一桥臂的中点，功率因数校正模块输出的负极母线连接充电驱动集成模块的负极母线和动力电池的负极，充电驱动集成模块的正极母线连接动力电池的正极，充电驱动集成模块三个桥臂的中点连接所述电机。
在较佳实施例中，所述功率因数校正模块与充电驱动集成模块之间设有高频电感。
在较佳实施例中，所述滤波模块与充电驱动集成模块之间设有滤波电路切换模块。
参看图7示出的较佳实施例电路图，所述滤波电路切换模块包括Y电容组、第一开关K1、第二开关K2、X电容组；所述充电驱动集成模块通过正极母线和负极母线连接车内动力电池，所述Y电容组包括串接在所述正极母线和负极母线之间的第一Y电容Cy1和第二Y电容Cy2，第一Y电容Cy1和第二Y电容Cy2的中点连接第一开关K1和第二开关K2的一端，第一开关K1的另一端接地；所述X电容组连接滤波模块输出的火线，X电容组中点连接所述第二开关K2的另一端。
本发明可以运用于三相交流电网，参看图7、8、9、12，所述X电容组包括第一X电容Cx1、第二X电容Cx2和第三X电容Cx3，第一X电容Cx1、第二X电容Cx2和第三X电容Cx3的一端分别连接滤波模块输出的三条火线，第一X电容Cx1、第二X电容Cx2和第三X电容Cx3的另一端连接X电容组中点。
本发明还可以用于单相交流电网，参看图10、11，所述X电容组包括第一X电容Cx1和第二X电容Cx2，第一X电容Cx1和第二X电容Cx2的一端分别连接滤波模块输出的一条火线和一条零线，第一X电容Cx1和第二X电容Cx2的另一端连接X电容组中点。
所述功率因数校正模块采用图腾柱PFC模块、桥式PFC模块、三相桥式PFC模块中的一种。
在一些实施例中，所述高频电感包括一个电感，参看图7、10、11、12，其串接在功率因数校正模块输出的正极母线中。
在另一些实施例中，所述充电驱动集成模块具有三个桥臂，所述高频电感包括三个电感901，参看图9，此三个电感的一端连接功率因数校正模块输出的正极母线、另一端分别连接充电驱动集成模块三个桥臂的中点。
在另外一些实施例中，所述三个电感与具有三对触点的充电模式切换开关902串联。
还有一些实施例，参看图8，所述高频电感包括两个电感，分别串接在功率因数校正模块输出的正极母线和负极母线中。
以下结合附图对本发明各种实施例做详细说明。
图5是充电驱动集成模块输出带升压电路和开关的电路图，501为动力电池，502为电机，503为交流电网输入，504为交流电源开关和滤波模块，505为PFC电感，506为三相六开关全桥及直流母线电容，507为一级BUCK转换器，508为直流切换继电器，509为电机开关（需要驱动电机时，控制器控制该开关导通）。本方案实现了506中三相六开关全桥及直流母线电容的共用。506与505、504、503一起可以实现BOOST型PFC功能，将输出电压升高到交流电网的峰值电压以上，同时实现AC输入电流的功率因数校正功能。506中三相六开关器件及直流母线电容器件的电压选型直接与交流电网的峰值电压相关。配合507的BUCK降压电路及直流切换继电器508，可以实现较宽范围的输出电压覆盖。同时，充电模式工作时电机开关509断开，避免驱动电机形成旋转磁场导致电机出力矩。驱动模式工作时，通过闭合直流切换继电器508和电机开关509，配合充电驱动集成模块（506）一起构成图3中的典型电机驱动器电路。一般来说充电功率小于驱动电机的功率，驱动电机的功率/电流需求，直接关系到充电驱动集成模块（506）中的三相六开关器件及直流母线电容的电流参数选型。动力电池的电压范围，也将直接影响到三相六开关器件及直流母线电容的电压参数选型。
图6是本发明较佳实施例原理框图，宽范围输出的集成车载充电机由交流电源开关、滤波模块、功率因数校正模块、高频电感、充电驱动集成模块、以及控制模块构成。由于整车的工作特性，充电模式与电驱模式是完全分开的，不会同时工作，充电驱动集成模块在充电模式及电驱模式下可以直接共用。且一般电机驱动功率远大于充电功率，充电驱动集成模块的设计选择由电机驱动功率、电流及动力电池电压决定。此集成方案中，在整车必须的充电驱动集成模块基础上增加交流电源开关、滤波模块功率因数校正模块以及高频电感，即可以实现交流充电功能。增加的这部分功率电路器件的设计选择，可根据充电功率、交流输入电流范围、交流输入电压范围灵活选择，与动力电池电压的匹配将由充电驱动集成模块完成。同时，为了应对共用充电驱动集成模块所导致的接入电网充电时的较大工频漏电流，加入滤波电路切换模块。控制模块承担着功率电路、切换电路的控制，以及内部采样、监控、内外部信息交互等功能。
图7是本发明较佳实施例电路图。701为动力电池，702为电机，703为电网输入，均为相关联的外围设备/零件。704为交流电源开关和滤波模块，实现交流输入切换与EMC滤波功能。705为功率因数校正模块，其实是三相BUCK型PFC电路，实现功率因数校正功能。706为高频电感，对705模块的输出电流进行平滑，用作储能及高频滤波功能。707为充电驱动集成模块，其实是三相六开关全桥及直流母线电容电路。在充电模式下707配合706模块一起工作，将能量传递至701进行充电。在电驱模式下707能够将701的能量逆变给702产生整车行驶所需的动力。708为滤波电路切换模块，由Y电容组、第一开关K1、第二开关K2、X电容组组成。Y电容组包括第一Y电容Cy1和第二Y电容Cy2，X电容组包括第一X电容Cx1、第二X电容Cx2和第三X电容Cx3，充电模式下，断开Y电容中点与机壳的连接（断开第一开关K1），将Y电容中点连接至X电容组的中点（合上第一开关K2）。电驱模式下，断开Y电容中点与X电容组中点的连接（断开第一开关K2），将Y电容中点连接至机壳（合上第一开关K1）。两种模式下进行切换，以兼顾平衡EMC性能及抑制交流充电工作时的工频漏电流。709为交流输入电流采样电路，通过此电流采样以实现交流输入电流的功率因数校正功能。710为三相桥臂电流采样电路，通过此电流采样以实现电机的扭矩控制功能。711为输出电流采样电路，通过此电流采样以实现充电输出电流的恒流控制功能。712为控制模块，对上述各内部电路进行采样信号处理、驱动时序控制、内部监控、外部交互等。通过对交流电压与电流的采样、输出直流母线电压与电流的采样及内部驱动时序控制，实现交流充电时功率因数校正及恒定输出电压或电流的功能。通过对三相桥臂电流及电机位置信号的采样，实现电机驱动与扭矩控制的功能。
在三相交流输入充电模式下，705与706一起实现交流输入电流的功率因数校正。配合707一起工作，在实现功率因数校正的同时，输出电压既可以高于交流电网峰值电压，也可以低于交流电网峰值电压，可以实现宽范围的充电电压输出。707可以根据实际交流输入电压的情况及实际需求的输出电压进行开关变换升压工作或直通工作，直通工作时可降低内部损耗提升充电能量转换的效率。707开关工作时，需要与705的开关进行频率及相位同步，以减小输出波动。
在单相交流输入充电模式下，704中的切换电路可仅将单相的零、火线切入连接至705中的两个桥臂，实现兼容单相交流输入充电工作。在单相交流输入时，706与707模块一起实现交流输入电流的功率因数校正。配合705一起工作，在实现功率因数校正的同时，输出电压既可以高于交流电网峰值电压，也可以低于交流电网峰值电压，可以实现宽范围的充电电压输出。705可以根据实际交流输入电压的情况及实际需求的输出电压进行开关变换降压工作或直通工作，直通工作时可降低内部损耗提升充电能量转换的效率。705开关工作时，需要与707的开关进行频率及相位同步，以减小输出波动。同时，单相交流输入时输出功率较小，对应至706电感上的工作电流平均值相对较小，距离706电感设计允许的最大工作电流点余量相对较大。可以降低开关频率，在保证不超出706电感设计最大电流点的情况下，增大706电感在单相工作时的电流波动范围。降低开关频率，将减小开关器件的损耗，提升充电时能量转换的效率。
在电驱模式下，705中的开关器件均为无驱动信号的关闭状态，707中的三相桥臂中的半开关器件可以按照普通电机驱动器所需的开关时序进行工作，驱动整车行驶。无需在电驱回路放置额外的大电流继电器切换工作模式，降低系统成本及增强产品可靠性。
图中所示的开关，可以使用接触器、继电器、半导体器件等实现。图中所示的二极管也可用MOSFET或IGBT并联二极管来代替。所示电路中的IGBT，也可用MOSFET来代替。所示电路中的电流采样单元，可以使用电流互感变压器、霍尔电流互感器、采样电阻等电路实现。
图8是一种双高频电感的变形实施例。801所示为高频电感，与706相比为对称放置，可以优化电路与结构布置以达到更好的EMC性能。采样与控制模块与图7中基本一致未在图示中体现，其他所示部分与图7相关说明一致。
图9是一种三个高频电感与充电模式切换开关串联的实施例。901所示为高频电感。902为充电模式切换开关。903为电机驱动模块的三相六开关全桥及直流母线电容电路。与706相比，901将高频电感包括三个，串连902后分别接入903中的三个桥臂中点。在充电模式下，902中的开关闭合，903中的三个桥臂都可以工作以提供更大的充电功率。同时控制903中的三个桥臂同步状态，可以避免电机产生旋转磁场，避免驱动电机出力矩。在驱动模式下902中的开关断开，避免901中电感的连接影响电机驱动性能。采样与控制模块与图7中基本一致未在图示中体现，其他所示部分与图7相关说明一致。
图10是一种单相输入充电的实施例。1001为交流电源开关和滤波模块，1002为单相BUCK型PFC电路，103为续流二极管，1004为高频电感。1001与704相比简化为单相输入。1002与705相比，简化为两个桥臂，同时减少功率半导体开关器件。1003可根据需要使用或删除。1004的实施与706相同，也可以变形为801或901加902的实施。采样与控制模块与图7中基本一致未在图示中体现，其他所示部分与图7相关说明一致。
图11是另外一种单相输入充电的实施例。1101与1102相比，调整了功率半导体开关器件的位置。采样与控制模块与图7中基本一致未在图示中体现，其他所示部分与图7相关说明一致。
图12是功率因数校正模块采用三相BUCK型PFC电路的实施例。1201为三相BUCK型PFC电路。1202为增加的整流桥臂。1201与1202配合，可以直接兼容三相输入与单相输入，无需做额外的输入切换。1203为高频电感。1203的实施与706相同，也可以变形为801或901加902的实施。采样与控制模块与图7中基本一致未在图示中体现，其他所示部分与图7相关说明一致。
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 (13)

1.一种宽范围输出的集成车载充电机，其特征在于：包括依次连接的交流电源开关、充电驱动集成模块、电机，其中
所述交流电源开关连接交流电网，在充电或向交流电网逆向馈电时接通；
所述充电驱动集成模块连接车内动力电池，可将交流电变换为直流电向动力电池充电、也可将动力电池中的直流电逆变为交流电向电机或交流电网供电。
2.如权利要求1所述的宽范围输出的集成车载充电机，其特征在于：所述交流电源开关与充电驱动集成模块之间设有滤波模块。
3.如权利要求2所述的宽范围输出的集成车载充电机，其特征在于：所述滤波模块与充电驱动集成模块之间设有功率因数校正模块；所述充电驱动集成模块包括6个功率开关组成的三个桥臂，功率因数校正模块输出的正极母线连接充电驱动集成模块第一桥臂的中点，功率因数校正模块输出的负极母线连接充电驱动集成模块的负极母线和动力电池的负极，充电驱动集成模块的正极母线连接动力电池的正极，充电驱动集成模块三个桥臂的中点连接所述电机。
4.如权利要求3所述的宽范围输出的集成车载充电机，其特征在于：所述功率因数校正模块与充电驱动集成模块之间设有高频电感。
5.如权利要求2至4任一项所述的宽范围输出的集成车载充电机，其特征在于：所述滤波模块与充电驱动集成模块之间设有滤波电路切换模块。
6.如权利要求5所述的宽范围输出的集成车载充电机，其特征在于：所述滤波电路切换模块包括Y电容组、第一开关K1、第二开关K2、X电容组；
所述充电驱动集成模块通过正极母线和负极母线连接车内动力电池，所述Y电容组包括串接在所述正极母线和负极母线之间的第一Y电容Cy1和第二Y电容Cy2，第一Y电容Cy1和第二Y电容Cy2的中点连接第一开关K1和第二开关K2的一端，第一开关K1的另一端接地；
所述X电容组连接滤波模块输出的火线，X电容组中点连接所述第二开关K2的另一端。
7.如权利要求6所述的宽范围输出的集成车载充电机，其特征在于：所述交流电网为三相交流电网，所述X电容组包括第一X电容Cx1、第二X电容Cx2和第三X电容Cx3，第一X电容Cx1、第二X电容Cx2和第三X电容Cx3的一端分别连接滤波模块输出的三条火线，第一X电容Cx1、第二X电容Cx2和第三X电容Cx3的另一端连接X电容组中点。
8.如权利要求6所述的宽范围输出的集成车载充电机，其特征在于：所述交流电网为单相交流电网，所述X电容组包括第一X电容Cx1和第二X电容Cx2，第一X电容Cx1和第二X电容Cx2的一端分别连接滤波模块输出的一条火线和一条零线，第一X电容Cx1和第二X电容Cx2的另一端连接X电容组中点。
9.如权利要求3所述的宽范围输出的集成车载充电机，其特征在于：所述功率因数校正模块采用图腾柱PFC模块、桥式PFC模块、三相桥式PFC模块中的一种。
10.如权利要求4所述的宽范围输出的集成车载充电机，其特征在于：所述高频电感串接在功率因数校正模块输出的正极母线中。
11.如权利要求10所述的宽范围输出的集成车载充电机，其特征在于：所述充电驱动集成模块具有三个桥臂，所述高频电感包括三个电感（901），此三个电感的一端连接功率因数校正模块输出的正极母线、另一端分别连接充电驱动集成模块三个桥臂的中点。
12.如权利要求11所述的宽范围输出的集成车载充电机，其特征在于：所述三个电感与具有三对触点的充电模式切换开关（902）串联。
13.如权利要求4所述的宽范围输出的集成车载充电机，其特征在于：所述高频电感包括两个电感，分别串接在功率因数校正模块输出的正极母线和负极母线中。
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