CN113071346A - 一种动力电池的充电装置及车辆 - Google Patents

Abstract

本方案涉及一种动力电池的充电装置及车辆，可解决现有技术中在对动力电池进行升压充电或降压充电时需要额外增加升压或降压DC/DC装置导致电动汽车成本和体积增加的问题。该装置包括：控制模块，与其信号通信的第一开关模块、三相交流电机、三相逆变器、第二开关模块；控制模块根据获取到的外部的直流供电模块的电压和动力电池的电压进行比对，并根据比对结果控制第一开关模块、第二开关模块和三相逆变器，使直流供电模块对动力电池进行升压充电、降压充电或直接充电。

Description

一种动力电池的充电装置及车辆

技术领域

本申请涉及电动汽车充电技术领域，更具体涉及一种动力电池的充电装置及车辆。

背景技术

随着电动汽车的发展和快速普及，电动汽车动力电池的充电技术变得越来越重要。充电技术需要满足用户在各种使用场景的需求，以及电动汽车动力电池与充电设备之间的适应性和兼容性。

目前动力电池的充电方式按输入车端的电压类型分为直流充电和交流充电。直流充电一般分为直接充电、升压充电和降压充电三种模式。

直接充电就是直流充电设备的正负极通过继电器或类似开关装置直接和动力电池正负母线相连接，对电池进行直接充电，中间无升压或降压电路；通常用于直流充电设备的最大输出电压高于动力电池最高电压，同时直流充电设备的最小输出电压低于动力电池最低电压的情况。

升压充电就是在直流充电设备和动力电池之间的正负母线上串联一个升压DC/DC装置，将直流充电设备输出的电压升高后为动力电池充电；通常用于直流充电设备的最大输出电压低于动力电池最高电压的情况。

降压充电就是在直流充电设备和动力电池之间的正负母线上串联一个降压DC/DC装置，将直流充电设备输出的电压降低后为动力电池充电；通常用于直流充电设备的最小输出电压高于动力电池最高电压的情况。

与直接充电相比，升压充电和降压充电这两种模式需要额外增加DC/DC电压变换装置、相应的控制电路和辅助电路，会增加车辆成本同时占用车辆内部空间。

发明内容

本发明提供一种动力电池的充电装置及车辆，其目的在于解决现有技术中在对动力电池进行升压充电或降压充电时需要额外增加升压或降压DC/DC装置导致电动汽车成本和体积增加的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明实施例提供了一种动力电池的充电装置，包括：控制模块，与所述控制模块信号通信的第一开关模块、三相交流电机、三相逆变器、第二开关模块；

所述第一开关模块连接至外部的直流供电模块；所述第二开关模块连接至动力电池；所述三相逆变器连接在所述第一开关模块和所述第二开关模块之间；所述三相交流电机的Y型连接点分别连接所述第一开关模块和所述第二开关模块；所述三相交流电机的三相定子绕组连接至所述三相逆变器的三相桥臂；

所述控制模块根据获取到的外部的直流供电模块的电压和动力电池的电压进行比对，并根据比对结果控制所述第一开关模块、所述第二开关模块和所述三相逆变器，使所述直流供电模块对所述动力电池进行升压充电、降压充电或直接充电。

优选地，所述系统还包括：

连接所述第一开关模块的第一补偿模块；和/或

连接所述三相交流电机的Y型连接点的第二补偿模块；

所述第一补偿模块还用于与外部的直流供电模块连接；

所述三相交流电机的Y型连接点通过所述第二补偿模块间接地连接至所述第一开关模块和所述第二开关模块；

所述第二补偿模块与所述控制模块信号通信。

优选地，所述第一开关模块包括：与外部的直流供电模块的正极连接的第一开关和第二开关，以及与外部的直流供电模块的负极连接的第三开关；

所述第二开关模块包括：与动力电池的正极连接的第四开关和第五开关；

所述三相逆变器的第一端连接所述第一开关，所述三相逆变器的第二端连接所述第三开关，所述三相逆变器的第三端连接所述第四开关，所述三相逆变器的第四端连接动力电池的负极；

所述三相交流电机的Y型连接点连接至所述第二开关和所述第五开关。

优选地，所述第一开关模块包括：与外部的直流供电模块的正极连接的第一开关，以及与外部的直流供电模块的负极连接的第二开关和第三开关；

所述第二开关模块包括：与动力电池的正极连接的第四开关和第五开关；

所述三相逆变器的第一端连接所述第一开关，所述三相逆变器的第二端连接所述第三开关，所述三相逆变器的第三端连接所述第四开关，所述三相逆变器的第四端连接所述动力电池的负极；

所述三相交流电机的Y型连接点连接至所述第二开关和所述第五开关。

优选地，所述控制模块在比对出所述动力电池的需求电压＜所述直流供电模块的最小输出电压时，先执行：

控制所述第一开关、所述第三开关和所述第五开关闭合，控制所述第二开关和所述第四开关断开，控制所述三相逆变器的下桥臂功率开关单元中的开关管关断；

再执行：交替控制所述三相逆变器的上桥臂功率开关单元中的开关管导通或关断；

使所述直流供电模块对所述三相交流电机的三相定子绕组和所述动力电池的充电阶段以及所述三相交流电机的三相定子绕组对所述动力电池的续流阶段交替进行，以实现所述直流供电模块对所述动力电池进行降压充电。

优选地，所述控制模块在比对出所述直流供电模块的最小输出电压时≤所述动力电池的需求电压≤所述直流供电模块的最大输出电压时，执行：控制所述第一开关、所述第四开关和所述第三开关导通，所述第二开关和所述第五开关断开，控制所述三相逆变器的上桥臂功率开关单元的开关管和下桥臂功率开关单元的开关管均关断，使所述直流供电模块对所述动力电池进行直接充电。

优选地，所述控制模块在比对出所述动力电池的需求电压＞所述直流供电模块的最大输出电压时，先执行：

控制所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关闭合，控制所述第一开关和所述第五开关断开，控制所述三相逆变器的上桥臂功率开关单元中的开关管关断；

再执行：交替控制所述三相逆变器的下桥臂功率开关单元的开关管导通或关断；

使所述直流供电模块对所述三相交流电机的三相定子绕组的储能阶段以及所述直流供电模块和所述三相交流电机的三相定子绕组串联后对所述动力电池的充电阶段交替进行，以实现所述直流供电模块对所述动力电池进行升压充电。

优选地，所述控制模块在比对出所述动力电池的需求电压＞所述直流供电模块的最大输出电压时，先执行：

控制所述第一开关、所述第二开关和所述第四开关闭合，控制所述第三开关和所述第五开关断开，控制所述三相逆变器的下桥臂功率开关单元中的开关管关断；

再执行：交替控制控制所述三相逆变器的上桥臂功率开关单元中的开关管中的开关管导通或关断；

使所述直流供电模块对所述三相交流电机的三相定子绕组的储能阶段以及所述直流供电模块和所述三相交流电机的三相定子绕组对所述动力电池的充电阶段交替进行，以实现所述直流供电模块对所述动力电池进行升压充电。

优选地，第二补偿模块包括串联设置的储能电路和加热电路，所述储能电路包括并联设置的电感和第六开关，所述加热电路包括并联设置的电阻和第七开关；

所述电感连接所述电阻和所述三相交流电机的Y型连接点，所述电阻连接所述第二开关和所述第五开关；

所述第六开关和所述第七开关与所述控制模块信号通信。

优选地，在所述控制模块在比对出所述动力电池的需求电压＞所述直流供电模块的最大输出电压时且所述控制模块控制所述三相逆变器的上桥臂功率开关单元中的开关管导通的过程中，

若所述三相逆变器检测到所述三相交流电机的三相定子绕组中的平均电流值低于预设值，则所述控制模块控制所述第六开关断开；

若所述三相逆变器检测到所述三相交流电机的三相定子绕组中的平均电流值高于预设值，则所述控制模块控制所述第六开关闭合。

优选地，若所述控制模块根据动力电池的实时温度确定动力电池的温度低于第一预设温度时，则所述控制模块控制所述第七开关断开；若所述控制模块根据动力电池的实时温度确定动力电池的温度高于第二预设温度时，则所述控制模块控制所述第七开关闭合。

本发明实施例还提供了一种车辆，包括上述的动力电池的充电装置。

本发明的有益效果为：

本申请技术方案通过将三相交流电机的Y型连接三相定子绕组的中性点引出作为输入或输出，再通过第一开关模块、第二开关模块将直流供电模块、三相交流电机、三相逆变器以及动力电池组成不同的充电回路，无论直流供电模块的输出电压比动力电池的电压高或低，都可以实现为动力电池充电。此外，利用电动汽车现有的三相交流电机和三相逆变器，不需要额外增加单独的DC/DC电压变换装置，减少了车辆成本和体积，增强了车辆的充电兼容性和适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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为本发明实施例一至四中的充电装置的结构框图；

图2为本发明实施例一中的充电装置的电路图；

图3为本发明实施例一中的充电装置进行升压充电阶段一的电路图；

图4为本发明实施例一中的充电装置进行升压充电阶段二的电路图；

图5为本发明实施例一中的充电装置进行降压充电阶段一的电路图；

图6为本发明实施例一中的充电装置进行降压充电阶段二的电路图；

图7为本发明实施例一中的充电装置进行直接充电的电路图；

图8为本发明实施例二中的充电装置的电路图；

图9为本发明实施例二中的充电装置进行升压充电阶段一的电路图；

图10为本发明实施例二中的充电装置进行升压充电阶段二的电路图；

图11为本发明实施例二中的充电装置进行降压充电阶段一的电路图；

图12为本发明实施例二中的充电装置进行降压充电阶段二的电路图；

图13为本发明实施例二中的充电装置进行直接充电的电路图；

图14为本发明实施例三中的充电装置的电路图；

图15为本发明实施例四中的充电装置的电路图；

图16为本发明实施例五中的充电装置的结构框图；

图17为本发明实施例五中的充电装置的电路图；

图18为本发明实施例六中的充电装置的结构框图；

图19为本发明实施例六中的充电装置的电路图；

图20为本发明各实施例中的充电装置进行充电模式选取并对动力电池进行充电的流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

参照图1、图2和图8，本申请实施例一和二中提供了一种动力电池的充电装置，该充电装置用于与外部的直流供电模块101连接，并通过进行升压处理或降压处理，实现直流供电模块101为动力电池106进行升压充电、降压充电和直接充电。

参照图1，在本发明实施例一和二中，该充电装置包括：第一开关模块102、三相交流电机103、三相逆变器104、第二开关模块105以及控制模块107。其中，外部的直流供电模块101、第一开关模块102、三相交流电机103、三相逆变器104、第二开关模块105和车辆的动力电池106形成电流回路，第一开关模块102分别与外部的直流供电模块101、三相交流电机103、三相逆变器104以及第二开关模块105相连接，第二开关模块105分别与第一开关模块102、三相交流电机103、三相逆变器104以及动力电池106相连接，三相逆变器104的三相桥臂的中点分别连接三相交流电机103的三相定子绕组。三相交流电机103的三相定子绕组为Y型连接，通过将三相定子绕组的中性点引出后输入或者输出电流。控制模块107分别与直流供电模块101、第一开关模块102、三相交流电机103、三相逆变器104、第二开关模块105以及动力电池106信号通信连接。控制模块107通过控制第一开关模块102、三相交流电机103、三相逆变器104、第二开关模块105，根据直流供电模块101和动力电池106之间的电压关系构成不同电流回路，将直流供电模块101输出的直流电直接，或者升压，或者降压为动力电池106充电。

其中，在本发明实施例一中及后续的各实施例中，外部的直流供电模块101提供的电源可以是直流充电设备提供的直流电；也可以是单相、三相交流充电设备经过整流后输出的直流电；也可以是燃料电池装置发出的直流电；也可以是增程器装置如发动机转动带动发电机发电，经发电机控制器整流后的直流电等电源形式。

其中，第一开关模块102可根据控制模块107发出的控制信号使外部的直流供电模块101接入电路，进一步使直流供电模块101、第一开关模块102、三相交流电机103、三相逆变器104构成电流回路。

其中，在本发明实施例一、二中及后续的各实施例中，三相交流电机103可以是永磁同步电机或异步电机，其包括三相定子绕组。三相交流电机103的三相定子绕组为Y型连接，即三相定子绕组的一端相连形成中性点。同时，该三相交流电机103为三相四线制，将三相定子绕组的中性点引出后可输入或者输出电流。

其中，在本发明实施例一、二中及后续的各实施例中，三相逆变器104包括六个功率开关单元，功率开关可以是晶体管、IGBT、MOS管等器件类型，两个功率开关单元构成一相桥臂，总共构成三相桥臂。三相桥臂中的上桥臂功率开关单元的上端引出后与直流母线正极连接。三相桥臂中的下桥臂功率开关单元的下端引出后与直流母线负极连接。每相桥臂中两个功率开关单元的连接点连接三相交流电机103中的一相定子绕组。

其中，在本发明实施例一和实施例二及后续的各实施例中，第二开关模块105可根据控制模块107发出的控制信号使动力电池106接入电路，使三相交流电机103、三相逆变器104、第二开关模块105、动力电池106构成电流回路。

其中，在本发明实施例一和实施例二及后续的各实施例中，动力电池106可以是锂离子电池、镍氢电池、铅酸电池、钠硫电池、超级电容等所有类型可充电储能装置。

其中，在本发明各实施例中，控制模块107可以采集外部的直流供电模块101的电压、电流、温度，三相交流电机103的相电压、相电流、定子温度、转子温度，三相逆变器104的电压、电流、温度以及动力电池106的电压、电流、温度。控制模块107可以包括整车控制器、电机控制器的控制电路和电池管理电路，三者可通过CAN、LIN或其他通信方式连接。控制模块107中的不同模块根据所获取的信息控制第一开关模块102的导通和关断、三相逆变器104中功率开关的导通和关断以及第二开关模块105的导通和关断，以使直流供电模块101、第一开关模块102、三相交流电机103、三相逆变器104、第二开关模块105、动力电池106构成不同的电流回路。

参照图2，在本发明实施例一中，该充电装置实现直接充电、升压充电和降压充电的原理为：将三相交流电机103的三相定子绕组的中性点（Y型连接点）引出作为输入或输出；通过第一开关模块102、第二开关模块105将直流供电模块101的输出直接连接到动力电池106，实现直接充电；通过第一开关模块102、第二开关模块105将直流供电模块101连接到三相交流电机103的三相定子绕组的中性点，同时将三相逆变器104的连接到动力电池106，通过三相交流电机103的三相定子绕组与三相逆变器104的三相桥臂构成的Boost升压DC/DC电路，将直流供电模块101输出的电压升高后为动力电池106充电，实现升压充电；通过第一开关模块102、第二开关模块105将直流供电模块101连接到三相逆变器104，同时将三相交流电机103的三相定子绕组的中性点连接到动力电池106，通过三相交流电机103的三相定子绕组与三相逆变器104的三相桥臂构成的Buck降压DC/DC电路，将直流供电模块101输出的电压降低后为动力电池106充电，实现降压充电。

下面通过具体的电路原理图对本发明实施例一中的充电原理进行说明，图2为本发明实施例一中的电路图，为方便说明充电电路，图中忽略了控制模块107等其它电器设备，只考虑了外部的直流供电模块101、第一开关模块102、三相交流电机103的三相定子绕组、三相逆变器104、第二开关模块105和动力电池106。

参照图2至图7，直流供电模块101的输出由正极和负极构成；第一开关模块102具体由第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3构成。第一开关K1的第一端与第二开关K2的第一端连接后，构成第一开关模块102的第一端；第一开关K1的第二端构成第一开关模块102的第三端；第二开关K2的第二端构成第一开关模块102的第四端；第三开关K3的第一端构成第一开关模块102的第二端；第三开关K3的第二端构成第一开关模块102的第五端。三相交流电机103的三相定子绕组为Y型连接，其中性点N引出后作为输入或者输出。三相逆变器104包括第一功率开关单元、第二功率开关单元、第三功率开关单元、第四功率开关单元、第五功率开关以及第六功率开关。第一功率开关单元由第一开关管VT1和第一二极管VD1并联构成，第二功率开关单元由第二开关管VT2和第二二极管VD2并联构成，第三功率开关单元由第三开关管VT3和第三二极管VD3并联构成，第四功率开关单元由第四开关管VT4和第四二极管VD4并联构成，第五功率开关由第五开关管VT5和第五二极管VD5并联构成，第六功率开关由第六开关管VT6和第六二极管VD6并联构成。每个功率开关单元的控制端连接控制模块107。第一功率开关单元和第四功率开关单元构成A相桥臂，第三功率开关单元和第六功率开关单元构成B相桥臂，第五功率开关单元和第二功率开关单元构成C相桥臂。第一功率开关单元、第三功率开关单元以及第五功率开关单元的上端连接后引出构成三相逆变器104的第一端和第三端；第二功率开关单元、第四功率开关单元以及第六功率开关单元的下端连接后引出构成三相逆变器104的第二端和第四端。三相交流电机103的第一相定子绕组连接第一功率开关单元的下端和第四功率开关单元的上端，三相交流电机103的第二相定子绕组连接第三功率开关单元的下端和第六功率开关单元的上端，三相交流电机103的第三相定子绕组连接第五功率开关单元的下端和第二功率开关单元的上端。第二开关模块105具体由第四开关K4、第五开关K5构成。第四开关K4的第一端构成第二开关模块105的第一端；第五开关K5的第一端构成第二开关模块105的第二端；第四开关K4的第二端与第五开关K5的第二端连接后，构成第二开关模块105的第三端。动力电池106的输入由正极和负极构成。

本实施例一中，各模块的具体连接关系为：第一开关模块102的第一端连接外部的直流供电模块101的正极，第一开关模块102的第二端连接直流供电模块101的负极，第一开关模块102的第三端连接三相逆变器104的第一端，第一开关模块102的第四端连接三相交流电机103的三相定子绕组的中性点，第一开关模块102的第五端连接三相逆变器104的第二端；第二开关模块105的第一端连接三相逆变器104的第三端，第二开关模块105的第二端连接三相交流电机103的三相定子绕组的中性点，第二开关模块105的第三端连接动力电池106的正极；三相逆变器104的第四端连接动力电池106的负极。

如图7所示，本实施例一中，利用该充电装置实现对动力电池直接充电的实现方式为：第一开关模块102的第一开关K1闭合，将直流供电模块101的输出正极连接到三相逆变器104的第一端；第一开关模块102的第二开关K2断开；第一开关模块102的第三开关K3闭合，将直流供电模块101的输出负极连接到三相逆变器104的第二端；第二开关模块105的第四开关K4闭合，将三相逆变器104的第三端连接到动力电池106输入正极；第二开关模块105的第五开关K5断开。因三相逆变器104的第一端和第三端、第二端和第四端在其内部直接连接，故直流供电模块101的输出正极可通过第一开关模块102的第一开关K1、三相逆变器104和第二开关模块105的第四开关K4直接连接到动力电池106的输入正极，直流供电模块101的输出负极可通过第一开关模块102的第三开关K3和三相逆变器104直接连接到动力电池106的输入正极，从而实现直接充电。实际的充电电流按图7中箭头所标注方向流动。

如图4和5所示，实施例一中，利用该充电装置实现对动力电池升压充电的实现方式为：控制模块107先控制第一开关模块102的第一开关K1断开；第一开关模块102的第二开关K2闭合将直流供电模块101的输出正极连接到三相交流电机103的三相定子绕组中性点；第一开关模块102的第三开关K3闭合，将直流供电模块101的输出负极连接到三相逆变器104的第二端；第二开关模块105的第四开关K4闭合，将三相逆变器104的第三端连接到动力电池106输入正极；第二开关模块105的第五开关K5断开。因三相逆变器104的第二端和第四端在其内部直接连接，故直流供电模块101的输出负极可通过第一开关模块102的第三开关K3和三相逆变器104直接连接到动力电池106的输入正极。然后，控制模块107控制三相逆变器104的第二功率开关单元的第二开关管VT2、三相逆变器104的第四功率开关单元的第四开关管VT4和三相逆变器104的第六功率开关单元的第六开关管VT6开通，此时三相交流电机103的第一相定子绕组、三相逆变器104的第四功率开关单元的第四开关管VT4和三相逆变器104的第一功率开关单元的第一二极管VD1构成一路Boost升压DC/DC电路，三相交流电机103的第二相定子绕组、三相逆变器104的第六功率开关单元的第六开关管VT6和三相逆变器104的第三功率开关单元的第三二极管VD3构成一路Boost升压DC/DC电路，三相交流电机103的第三相定子绕组、三相逆变器104的第二功率开关单元的第二开关管VT2和三相逆变器104的第五功率开关单元的第五二极管VD5构成一路Boost升压DC/DC电路。三路Boost升压DC/DC电路并联，可按需求使任意一路工作、任意两路工作、三路全部工作或三路交错工作。最后，控制模块107控制三相逆变器104的第四功率开关单元的第四开关管VT4、三相逆变器104的第六功率开关单元的第六开关管VT6和三相逆变器104的第二功率开关单元的第二开关管VT2关断，此后，三相逆变器104的第一功率开关单元的第一二极管VD1和三相交流电机103的第一相定子绕组构成一路升压续流电路，三相逆变器104的第三功率开关单元的第三二极管VD3和三相交流电机103的第二相定子绕组构成一路升压续流电路，三相逆变器104的第五功率开关单元的第五二极管VD5和三相交流电机103的第三相定子绕组构成一路升压续流电路，三路升压续流电路并联。

具体来，在本实施例一中，实现对动力电池106进行升压充电的工作时段分为两个阶段。在第一阶段，VT4、VT6和VT2开通，如图4所示，电流从直流供电模块101的正极输出，分别经过K2，三相交流电机103的三相定子绕组和VT4、VT6、VT2后，回到直流供电模块101的负极。因三相交流电机103的三相定子绕组具有电感特性，故电流通过时能在电感中储能。在第二阶段，VT4、VT6和VT2关断，如图5所示，电流从直流供电模块101的正极输出，分别经过K2、三相交流电机103的三相定子绕组和VD1、VD3、VD5后，流入动力电池106的正极，再从动力电池106的负极流出，再经由三相逆变器104的第四端、第二端和K3，流回直流供电模块101的负极。因三相交流电机103的三相定子绕组具有电感特性，其中的电流不会突变，此时电感会感应出反向电压，与直流供电模块101串联后，使得动力电池106正负极的充电电压升高，从而实现升压充电。在任意一路工作、任意两路工作或三路交错工作时，可以同样的原理实现升压充电。

如图6和7所示，实施例一中，利用该充电装置实现对动力电池降压充电的实现方式为：控制模块107先控制第一开关模块102的第一开关K1闭合，将直流供电模块101的输出正极连接到三相逆变器104的第一端；第一开关模块102的第二开关K2断开；第一开关模块102的第三开关K3闭合，将直流供电模块101的输出负极连接到三相逆变器104的第二端；第二开关模块105的第四开关K4断开；第二开关模块105的第五开关K5闭合，将三相交流电机103的三相定子绕组中性点连接到动力电池106输入正极。然后，控制模块107控制三相逆变器104的第一功率开关单元的第一开关管VT1、三相逆变器104的第三功率开关单元的第三开关管VT3和三相逆变器104的第五功率开关单元的第五开关管VT5开通，此时三相交流电机103的第一相定子绕组、三相逆变器104的第一功率开关单元的第一开关管VT1和三相逆变器104的第四功率开关单元的第四二极管VD4构成一路Buck降压DC/DC电路，三相交流电机103的第二相定子绕组、三相逆变器104的第三功率开关单元的第三开关管VT3和三相逆变器104的第六功率开关单元的第六二极管VD6构成一路Buck降压DC/DC电路，三相交流电机103的第三相定子绕组、三相逆变器104的第五功率开关单元的第五开关管VT5和三相逆变器104的第二功率开关单元的第二二极管VD2构成一路Buck降压DC/DC电路。三路Buck降压DC/DC电路并联，可按需求使任意一路工作、任意两路工作、三路全部工作或三路交错工作。最后，控制模块107控制三相逆变器104的第一功率开关单元的第一开关管VT1、三相逆变器104的第三功率开关单元的第三开关管VT3和三相逆变器104的第五功率开关单元的第五开关管VT5关断，此后，三相逆变器104的第四功率开关单元的第四二极管VD4和三相交流电机103的第一相定子绕组构成一路降压续流电路，三相逆变器104的第六功率开关单元的第六二极管VD6和三相交流电机103的第二相定子绕组构成一路降压续流电路，三相逆变器104的第二功率开关单元的第二二极管VD2和三相交流电机103的第三相定子绕组构成一路降压续流电路，三路降压续流电路并联。

本实施例一中，实现对动力电池106进行降压充电的工作时段分为两个阶段。在第一阶段，VT1、VT3和VT5开通，如图6所示，电流从直流供电模块101的正极输出，分别经过K1，VT1、VT3、VT5和三相交流电机103的三相定子绕组后，流入动力电池106的正极，再从动力电池106的负极流出，再经由三相逆变器104的第四端、第二端和K3，流回直流供电模块101的负极，为动力电池充电。在第二阶段，VT1、VT3和VT5关断，如图7所示，因三相电机103的三相定子绕组具有电感特性，其中的电流不会突变，此时电流从三相电机103的三相定子绕组的中性点流出，经过K5流入动力电池106的正极，再从动力电池106的负极流出，再经过VD4、VD6、VD2流回三相电机103的三相定子绕组。此时三相电机103的三相定子绕组因其电感中储能减少，相应的两端电压下降，使得动力电池106正负极的充电电压降低，从而实现降压充电。在任意一路工作、任意两路工作或三路交错工作时，可以同样的原理实现降压充电。

参照图8至图13，在本发明实施例二中提供了另外一种充电装置，同图2中的该充电装置相比，该充电装置与上述实施例一种的唯一不同之处在于，该第一开关模块102中的第二开关K2连接在直流供电模块101的负极。其它各元件的连接关系均与上述实施例一中的连接方式相同，此处不再赘述。

如图9和10所示，实施例二中，利用该充电装置实现对动力电池升压充电的实现方式为：控制模块107先控制第一开关模块102的第一开关K1和第二开关K2闭合；第一开关模块102的第一开关K1闭合后将直流供电模块101的输出正极连接到三相逆变器104的第一端；再连接至三相交流电机103的三相定子绕组中性点；第一开关模块102的第二开关K2闭合后，将直流供电模块101的输出负极连接到三相交流电机103的三相定子绕组中性点；第一开关模块102中的第三开关K3、第二开关模块105的第四开关K4和第五开关K5断开。因三相逆变器104的第二端和第四端在其内部直接连接，故直流供电模块101的输出负极可通过第一开关模块102的第三开关K3和三相逆变器104直接连接到动力电池106的输入正极。然后，控制模块107控制三相逆变器104的第一功率开关单元的第一开关管VT1、三相逆变器104的第三功率开关单元的第三开关管VT3和三相逆变器104的第五功率开关单元的第五开关管VT5关断，此时三相交流电机103的第一相定子绕组、三相逆变器104的第一功率开关单元的第一开关管VT1构成一路Boost升压DC/DC电路，三相交流电机103的第二相定子绕组、三相逆变器104的第三功率开关单元的第三开关管VT3构成一路Boost升压DC/DC电路，三相交流电机103的第三相定子绕组、三相逆变器104的第五功率开关单元的第五开关管VT5构成一路Boost升压DC/DC电路。三路Boost升压DC/DC电路并联，可按需求使任意一路工作、任意两路工作、三路全部工作或三路交错工作。最后，控制模块107控制三相逆变器104的第四功率开关单元的第四开关管VT4、三相逆变器104的第六功率开关单元的第六开关管VT6和三相逆变器104的第二功率开关单元的第二开关管VT2关断，此后，三相逆变器104的第四功率开关单元的第四二极管VD4和三相交流电机103的第一相定子绕组构成一路升压续流电路，三相逆变器104的第六功率开关单元的第三二极管VD6和三相交流电机103的第二相定子绕组构成一路升压续流电路，三相逆变器104的第二功率开关单元的第二二极管VD2和三相交流电机103的第三相定子绕组构成一路升压续流电路，三路升压续流电路并联。

具体来，在本实施例一中，实现对动力电池106进行升压充电的工作时段分为两个阶段。在第一阶段，VT1、VT3和VT5开通，如图9所示，电流从直流供电模块101的正极输出，分别经过K1， VT1、VT3、VT5和三相交流电机103的三相定子绕组后，回到直流供电模块101的负极。因三相交流电机103的三相定子绕组具有电感特性，故电流通过时能在电感中储能。在第二阶段，VT1、VT3和VT5关断，如图10所示，电流三相交流电机103的电感流出，再通过K2流至直流供电模块101中，然后，电流经过从直流供电模块101的正极输出，分别经过K1、K4流入动力电池106的正极，再从动力电池106的负极流出，再经由三相逆变器104的第四端、第四功率开关VT4的第四二极管VD4、第六功率开关VT6第六二极管VD6和第二功率开关VT2的第二二极管VD2和K3，流回三相交流电机103。因三相交流电机103的三相定子绕组具有电感特性，其中的电流不会突变，此时电感会感应出反向电压，与直流供电模块101串联后，使得动力电池106正负极的充电电压升高，从而实现升压充电。在任意一路工作、任意两路工作或三路交错工作时，可以同样的原理实现升压充电。

如图11和12所示，实施例二中，利用该充电装置实现对动力电池降压充电的实现方式为：控制模块107先控制第一开关模块102的第一开关K1闭合，将直流供电模块101的输出正极连接到三相逆变器104的第一端；第一开关模块102的第二开关K2断开；第一开关模块102的第三开关K3闭合，将直流供电模块101的输出负极连接到三相逆变器104的第二端；第二开关模块105的第四开关K4断开；第二开关模块105的第五开关K5闭合，将三相交流电机103的三相定子绕组中性点连接到动力电池106输入正极。然后，控制模块107控制三相逆变器104的第一功率开关单元的第一开关管VT1、三相逆变器104的第三功率开关单元的第三开关管VT3和三相逆变器104的第五功率开关单元的第五开关管VT5开通，此时三相交流电机103的第一相定子绕组、三相逆变器104的第一功率开关单元的第一开关管VT1和三相逆变器104的第四功率开关单元的第四二极管VD4构成一路Buck降压DC/DC电路，三相交流电机103的第二相定子绕组、三相逆变器104的第三功率开关单元的第三开关管VT3和三相逆变器104的第六功率开关单元的第六二极管VD6构成一路Buck降压DC/DC电路，三相交流电机103的第三相定子绕组、三相逆变器104的第五功率开关单元的第五开关管VT5和三相逆变器104的第二功率开关单元的第二二极管VD2构成一路Buck降压DC/DC电路。三路Buck降压DC/DC电路并联，可按需求使任意一路工作、任意两路工作、三路全部工作或三路交错工作。最后，控制模块107控制三相逆变器104的第一功率开关单元的第一开关管VT1、三相逆变器104的第三功率开关单元的第三开关管VT3和三相逆变器104的第五功率开关单元的第五开关管VT5关断，此后，三相逆变器104的第四功率开关单元的第四二极管VD4和三相交流电机103的第一相定子绕组构成一路降压续流电路，三相逆变器104的第六功率开关单元的第六二极管VD6和三相交流电机103的第二相定子绕组构成一路降压续流电路，三相逆变器104的第二功率开关单元的第二二极管VD2和三相交流电机103的第三相定子绕组构成一路降压续流电路，三路降压续流电路并联。

本实施例一中，实现对动力电池106进行降压充电的工作时段分为两个阶段。在第一阶段，VT1、VT3和VT5开通，如图11所示，电流从直流供电模块101的正极输出，分别经过K1，VT1、VT3、VT5和三相交流电机103的三相定子绕组后，流入动力电池106的正极，再从动力电池106的负极流出，再经由三相逆变器104的第四端、第二端和K3，流回直流供电模块101的负极，为动力电池充电。在第二阶段，VT1、VT3和VT5关断，如图12所示，因三相电机103的三相定子绕组具有电感特性，其中的电流不会突变，此时电流从三相电机103的三相定子绕组的中性点流出，经过K5流入动力电池106的正极，再从动力电池106的负极流出，再经过VD4、VD6、VD2流回三相电机103的三相定子绕组。此时三相电机103的三相定子绕组因其电感中储能减少，相应的两端电压下降，使得动力电池106正负极的充电电压降低，从而实现降压充电。在任意一路工作、任意两路工作或三路交错工作时，可以同样的原理实现降压充电。

如图13所示，本实施例二中，利用该充电装置实现对动力电池直接充电的实现方式为：第一开关模块102的第一开关K1闭合，将直流供电模块101的输出正极连接到三相逆变器104的第一端；第一开关模块102的第二开关K2断开；第一开关模块102的第三开关K3闭合，将直流供电模块101的输出负极连接到三相逆变器104的第二端；第二开关模块105的第四开关K4闭合，将三相逆变器104的第三端连接到动力电池106输入正极；第二开关模块105的第五开关K5断开。因三相逆变器104的第一端和第三端、第二端和第四端在其内部直接连接，故直流供电模块101的输出正极可通过第一开关模块102的第一开关K1、三相逆变器104和第二开关模块105的第四开关K4直接连接到动力电池106的输入正极，直流供电模块101的输出负极可通过第一开关模块102的第三开关K3和三相逆变器104直接连接到动力电池106的输入正极，从而实现直接充电。实际的充电电流按图13中箭头所标注方向流动。

如图14，本发明实施例三为实施例一的变形方案，在该实施例三中，将实施例一种的第二开关模块105中的第五开关K5接入到动力电池106的负极，同时，第二开关模块105还包括在动力电池106的负极和三相逆变器104之间增设的第八开关K8。该第八开关K8和第五开关K5并联设置。本发明实施例三中，同样也能实现对动力电池106的直流充电、升压充电和降压充电。

在实施例三中，基于实施例一中相同的条件判断选择合适的充电方式。在选择充电方式后，在不同阶段中，在实施例一的基础上，通过对第二开关模块105中的三个开关的导通或断开，控制三相逆变器104和动力电池106之间形成如实施例一中各类充电方式中的各阶段相同的回路即可。

同理，参照图15，本实施例四中在为实施例二的变形方案，在该实施例四中，将实施例二中的第二开关模块105中的第五开关K5接入到动力电池106的负极，同时，第二开关模块105还包括在动力电池106的负极和三相逆变器104之间增设的第八开关K8。该第八开关K8和第五开关K5并联设置。本发明实施例四中，同样也能实现对动力电池106的直流充电、升压充电和降压充电。

在实施例四中，基于实施例二中相同的条件判断选择合适的充电方式。在选择充电方式后，在不同阶段中，在实施例二的基础上，通过对第二开关模块105中的三个开关的导通或断开，控制三相逆变器104和动力电池106之间形成如实施例二中各类充电方式中的各阶段相同的回路即可。

如图16和图17，本发明实施例五在实施例一的基础上，在直流供电模块101和第一开关模块108之间增加了一个电容C。该电容C作为第一补偿模块108，可起到滤波和储能的作用。

同理，本发明实施例五中还可以在实施例二至四的基础上，在直流供电模块101和第一开关模块108之间增加了一个电容C。该电容C作为第一补偿模块108，可起到滤波和储能的作用。

如图18和图19，本发明实施例六在前述实施例一的基础上，在三相交流电机的Y型连接点和第一开关模块和第二开关模块之间增设了一个第二补偿模块109。其中，该第二补偿模块109包括串联设置的储能电路和加热电路，所述储能电路包括并联设置的电感L和第六开关K6，所述加热电路包括并联设置的电阻R和第七开关K7；所述电感L连接所述电阻R和所述三相交流电机103的Y型连接点，所述电阻R连接所述第二开关K2和所述第五开关K5；所述第六开关K6和所述第七开关K7与所述控制模块107信号通信。

同理地，在本发明实施例六中，还可以在实施例二至五的基础上增设上述相同的第二补偿模块109。

对于该实施例六中的第六开关K6的通断控制。满足如下控制条件：在所述控制模块107在比对出所述动力电池106的需求电压＞所述直流供电模块101的最大输出电压时且所述控制模块107控制所述三相逆变器104的上桥臂功率开关单元中的开关管导通的过程中，

若所述三相逆变器105检测到所述三相交流电机103的三相定子绕组中的平均电流值低于预设值，则所述控制模块107控制所述第六开关K6断开；通过断开第六开关K6将起到补偿作用的电感L接入充电回路，使其与三相交流电机104的三相定子绕组串联，以增大升压充电过程中的电感。在本实施例六中，直流升压充电时，电路输入电压恒定，输出电压随着电池包被充电电压提升，工作占空比会不断增大，电感L只在对动力电池升压充电时按需接入，原因在于：三相交流电机103的三相定子绕组绕组上的电流纹波会增大。同时由于动力电池106的特性，在动力电池106的SOC比较高过后，其充电功率会降低，从而使升压电路的输入平均电流减小，电路容易进入断续模式，为了避免电路进入断续模式，通过在Y型连接点的后端增设电感来增大电路整体感量，使得电路工作的电流纹波减小。

若所述三相逆变器105检测到所述三相交流电机103的三相定子绕组中的平均电流值高于预设值，则所述控制模块107控制所述第六开关K6闭合。

而对于实施例六中的第七开关K7来说，其接入电路的具体条件为：

若所述控制模块107根据动力电池106的实时温度确定动力电池106的温度低于第一预设温度时，则所述控制模块107控制所述第七开关K7断开；若所述控制模块107根据动力电池106的实时温度确定动力电池106的温度高于第二预设温度时，则所述控制模块107控制所述第七开关K7闭合。

此外，针对本发明实施例一至六的方案中，本领域技术人员应当了解，三相逆变器104中还配至有相应的电容作为补偿模块，本发明各实施例中未对其布置作出调整。

如图20，本申请实施例一至六的充电装置的充电方法包括：

步骤S101：控制模块107获取直流供电模块的最大输出电压和最小输出电压信息。

步骤S102：控制模块107获取动力电池的需求电压信息。

步骤S103：控制模块107判断动力电池电压是否小于直流供电模块最小输出电压，若满足条件，则跳转到步骤S104；若不满足条件，则跳转到步骤S106。

步骤S104：控制模块107通过控制第一开关模块102、三相逆变器104和第二开关模块105构成Buck降压DC/DC电路，进入降压充电模式对动力电池进行充电。

步骤S105：控制模块107判断动力电池是否充满电，若充满，则跳转到步骤S112；若未充满，则跳转到步骤S103。

步骤S106：控制模块107判断动力电池电压是否大于等于直流供电模块最小输出电压且小于等于直流供电模块最大输出电压，若满足条件，则跳转到步骤S107；若不满足条件，则跳转到步骤S109。

步骤S107：控制模块107通过控制第一开关模块102和第二开关模块进入直接充电模式对动力电池进行充电。

步骤S108：控制模块107判断动力电池是否充满电，若充满，则跳转到步骤S112；若未充满，则跳转到步骤S106。

步骤S109：控制模块107判断动力电池电压是否大于直流供电模块最大输出电压，若满足条件，则跳转到步骤S109；若不满足条件，则继续执行步骤S109。

步骤S109：控制模块107通过控制第一开关模块102、三相逆变器104和第二开关模块105构成Boost升压DC/DC电路，进入升压充电模式对动力电池进行充电。

步骤S111：控制模块107判断动力电池是否充满电，若充满，则跳转到步骤S112；若未充满，则跳转到步骤S109。

步骤S112：动力电池充满电后，充电完成。

本申请实施例还提供了一种包含上述的动力电池的充电装置的车辆，该车辆既可应用于纯电动也可应用于插电混动等车型。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种动力电池的充电装置，其特征在于，包括：控制模块（107），与所述控制模块（107）信号通信的第一开关模块（102）、三相交流电机（103）、三相逆变器（104）、第二开关模块（105）；

所述第一开关模块（102）连接至外部的直流供电模块（101）；所述第二开关模块（105）连接至动力电池（106）；所述三相逆变器（104）连接在所述第一开关模块（102）和所述第二开关模块（105）之间；所述三相交流电机（103）的Y型连接点分别连接所述第一开关模块（102）和所述第二开关模块（105）；所述三相交流电机（103）的三相定子绕组连接至所述三相逆变器（104）的三相桥臂；

所述控制模块（107）根据获取到的外部的直流供电模块（101）的电压和动力电池（106）的电压进行比对，并根据比对结果控制所述第一开关模块（102）、所述第二开关模块（105）和所述三相逆变器（104），使所述直流供电模块（101）对所述动力电池（106）进行升压充电、降压充电或直接充电。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述系统还包括：

连接所述第一开关模块（102）的第一补偿模块（108）；和/或连接所述三相交流电机（103）的Y型连接点的第二补偿模块（109）； 所述第一补偿模块（108）还用于与外部的直流供电模块（101）连接；

所述三相交流电机（103）的Y型连接点通过所述第二补偿模块（109）间接地连接至所述第一开关模块（102）和所述第二开关模块（105）；

所述第二补偿模块（109）与所述控制模块（107）信号通信。

3.根据权利要求或2所述的装置，其特征在于，

所述第一开关模块（102）包括：与外部的直流供电模块（101）的正极连接的第一开关（K1）和第二开关（K2），以及与外部的直流供电模块（101）的负极连接的第三开关（K3）；

所述第二开关模块（105）包括：与动力电池（106）的正极连接的第四开关（K4）和第五开关（K5）；

所述三相逆变器（104）的第一端连接所述第一开关（K1），所述三相逆变器（104）的第二端连接所述第三开关（K3），所述三相逆变器（104）的第三端连接所述第四开关（K4），所述三相逆变器（104）的第四端连接动力电池（106）的负极；

所述三相交流电机（103）的Y型连接点连接至所述第二开关（K2）和所述第五开关（K5）109。

4.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，

所述第一开关模块（102）包括：与外部的直流供电模块（101）的正极连接的第一开关（K1），以及与外部的直流供电模块（101）的负极连接的第二开关（K2）和第三开关（K3）；

所述第二开关模块（105）包括：与动力电池（106）的正极连接的第四开关（K4）和第五开关（K5）；

所述三相逆变器（104）的第一端连接所述第一开关（K1），所述三相逆变器（104）的第二端连接所述第三开关（K3），所述三相逆变器（104）的第三端连接所述第四开关（K4），所述三相逆变器（104）的第四端连接所述动力电池（106）的负极；

所述三相交流电机（103）的Y型连接点连接至所述第二开关（K2）和所述第五开关（K5）。

5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述控制模块（107）在比对出所述动力电池（106）的需求电压＜所述直流供电模块（101）的最小输出电压时，先执行：

控制所述第一开关（K1）、所述第三开关（K3）和所述第五开关（K5）闭合，控制所述第二开关（K2）和所述第四开关（K4）断开，控制所述三相逆变器（104）的下桥臂功率开关单元中的开关管关断；

再执行：交替控制所述三相逆变器（104）的上桥臂功率开关单元中的开关管导通或关断；

使所述直流供电模块（101）对所述三相交流电机（103）的三相定子绕组和所述动力电池（106）的充电阶段以及所述三相交流电机（103）的三相定子绕组对所述动力电池（106）的续流阶段交替进行，以实现所述直流供电模块（101）对所述动力电池（106）进行降压充电。

6.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述控制模块（107）在比对出所述直流供电模块（101）的最小输出电压时≤所述动力电池（106）的需求电压≤所述直流供电模块（101）的最大输出电压时，执行：控制所述第一开关（K1）、所述第四开关（K4）和所述第三开关（K3）导通，所述第二开关（K2）和所述第五开关（K5）断开，控制所述三相逆变器（104）的上桥臂功率开关单元的开关管和下桥臂功率开关单元的开关管均关断，使所述直流供电模块（101）对所述动力电池（106）进行直接充电。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，

所述控制模块（107）在比对出所述动力电池（106）的需求电压＞所述直流供电模块（101）的最大输出电压时，先执行：

控制所述第二开关（K2）、所述第三开关（K3）和所述第四开关（K4）闭合，控制所述第一开关（K1）和所述第五开关（K5）断开，控制所述三相逆变器（104）的上桥臂功率开关单元中的开关管关断；

再执行：交替控制所述三相逆变器（104）的下桥臂功率开关单元的开关管导通或关断；

使所述直流供电模块（101）对所述三相交流电机（103）的三相定子绕组的储能阶段以及所述直流供电模块（101）和所述三相交流电机（103）的三相定子绕组串联后对所述动力电池（106）的充电阶段交替进行，以实现所述直流供电模块（101）对所述动力电池（106）进行升压充电。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，

所述控制模块（107）在比对出所述动力电池（106）的需求电压＞所述直流供电模块（101）的最大输出电压时，先执行：

控制所述第一开关（K1）、所述第二开关（K2）和所述第四开关（K4）闭合，控制所述第三开关（K3）和所述第五开关（K5）断开，控制所述三相逆变器（104）的下桥臂功率开关单元中的开关管关断；

再执行：交替控制控制所述三相逆变器（104）的上桥臂功率开关单元中的开关管中的开关管导通或关断；

使所述直流供电模块（101）对所述三相交流电机（103）的三相定子绕组的储能阶段以及所述直流供电模块（101）和所述三相交流电机（103）的三相定子绕组串联后对所述动力电池（106）的充电阶段交替进行，以实现所述直流供电模块（101）对所述动力电池（106）进行升压充电。

9.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，第二补偿模块（109）包括串联设置的储能电路和加热电路，所述储能电路包括并联设置的电感（L）和第六开关（K6），所述加热电路包括并联设置的电阻（R）和第七开关（K7）；

所述电感（L）连接所述电阻（R）和所述三相交流电机（103）的Y型连接点，所述电阻（R）连接所述第二开关（K2）和所述第五开关（K5）；

所述第六开关（K6）和所述第七开关（K7）与所述控制模块（107）信号通信。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，在所述控制模块（107）在比对出所述动力电池（106）的需求电压＞所述直流供电模块（101）的最大输出电压时且所述控制模块（107）控制所述三相逆变器（104）的上桥臂功率开关单元中的开关管导通的过程中，

若所述三相逆变器（105）检测到所述三相交流电机（103）的三相定子绕组中的平均电流值低于预设值，则所述控制模块（107）控制所述第六开关（K6）断开；

若所述三相逆变器（105）检测到所述三相交流电机（103）的三相定子绕组中的平均电流值高于预设值，则所述控制模块（107）控制所述第六开关（K6）闭合。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，若所述控制模块（107）根据动力电池（106）的实时温度确定动力电池（106）的温度低于第一预设温度时，则所述控制模块（107）控制所述第七开关（K7）断开；若所述控制模块（107）根据动力电池（106）的实时温度确定动力电池（106）的温度高于第二预设温度时，则所述控制模块（107）控制所述第七开关（K7）闭合。

12.一种车辆，包括权利要求1至11任一项所述的动力电池的充电装置。

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