CN113511084A - 一种输出端可进行串并联切换的车载充电机 - Google Patents

一种输出端可进行串并联切换的车载充电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种输出端可进行串并联切换的车载充电机，包括相连接的原边转换模块、高频变压器、副边第一转换模块、副边第二转换模块，以及控制器，所述副边第一转换模块和副边第二转换模块的输出端之间设有切换开关组，所述切换开关组通过切换可设置三种输出模式：一个模块单独输出模式、两个模块串联输出模式、两个模块并联输出模式；采用本发明，车载充电机能满足大功率、宽电压及大电流的输出要求，可以根据客户和现场的需求，灵活调整输出模式，同时具有减少器件成本、增加兼容性的优点。

Description

一种输出端可进行串并联切换的车载充电机
技术领域
本发明涉及电动汽车充电技术领域，尤其涉及一种输出端可进行串并联切换的车载充电机。
背景技术
现今，新能源汽车在国内外市场上蓬勃的发展，作为其中的领头羊电动汽车的发展更是备受大众关注。车载充电机作为电动汽车中重要的模块之一，它承担着连接市电网络、车载高压电池包、车载低压小电池、以及车内用电设备的重任，并为这些设备提供能量流动及控制策略。随着电动汽车的发展，人们对车载充电机的要求也在不断提高，大功率，宽电压及大电流的输出要求已成为车载充电机的设计要点和难点。但是宽电压和大电流的设计要求会提高车载充电机内的半导体器件的应力要求，使得器件成本过高。此外，半导体器件上的电流及电压变化率也会提升，为整个车载充电机的电磁兼容设计带来更多的问题。
故此，如何设计一种兼容宽电压及大电流输出以及有效解决上述问题的车载充电机，是业内亟待解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提出一种输出端可进行串并联切换的车载充电机。
本发明采用的技术方案是设计一种输出端可进行串并联切换的车载充电机，包括相连接的原边转换模块、高频变压器、副边第一转换模块、副边第二转换模块，以及控制器，所述副边第一转换模块和副边第二转换模块的输出端之间设有切换开关组，所述切换开关组通过切换可设置三种输出模式：一个模块单独输出模式、两个模块串联输出模式、两个模块并联输出模式。
所述切换开关组包括第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3；所述副边第一转换模块的输出端包括第一正极输出端V0+和第一负极输出端V1-；所述副边第二转换模块的输出端包括第二正极输出端V2+和第二负极输出端V0-；所述第一开关K1串接在第一负极输出端V1-与第二正极输出端V2+之间，所述第二开关K2串接在第一正极输出端V0+与第二正极输出端V2+之间，所述第三开关K3第一负极输出端V1-与第二负极输出端V0-之间。
所述一个模块单独输出模式中，所述控制器控制第二开关K2或第三开关K3单独导通；所述两个模块串联输出模式中，所述控制器控制第一开关K1单独导通；所述两个模块并联输出模式中，所述控制器控制控制第二开关K2和第三开关K3同时导通。
所述高频变压器包括第一变压器T1和第二变压器T2，所述第一变压器T1原边绕组W1和第二变压器T2原边绕组W3串联后与所述原边转换模块连接，所述第一变压器T1副边绕组W2与所述副边第一转换模块连接，所述第二变压器T2副边绕组W4与所述副边第二转换模块连接。
所述第一变压器T1原边绕组W1和第二变压器T2原边绕组W3串联后，再与原边侧谐振电感L1和谐振电容C1串联，然后再与所述原边转换模块连接。
所述第一变压器T1副边绕组W2与副边第一隔直电容C2串联后连接所述副边第一转换模块；所述第二变压器T2副边绕组W4与副边第二隔直电容C3串联后连接所述副边第二转换模块。
所述原边转换模块、副边第一转换模块和副边第二转换模块皆采用全桥结构，所述副边第一转换模块连接和副边第二转换模块内的元件采用相同型号。
所述原边转换模块、副边第一转换模块和副边第二转换模块中的功率开关均采用有源器件。
所述原边转换模块包括第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、第三功率开关Q3、第四功率开关Q4，其中第一功率开关Q1和第三功率开关Q3构成一对上下桥臂，第二功率开关Q2和第四功率开关Q4构成另一对上下桥臂，第一功率开关Q1和第四功率开关Q4构成第一组功率开关，第二功率开关Q2和第三功率开关Q3构成第二组功率开关，两组功率开关通断动作相反；所述副边第一转换模块包括第五功率开关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构成一对上下桥臂，第六功率开关Q6和第八功率开关Q8构成另一对上下桥臂，第五功率开关Q5和第八功率开关Q8构成第三组功率开关，第六功率开关Q6和第七功率开关Q7构成第四组功率开关，两组功率开关通断动作相反；所述副边第二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、第十二功率开关Q12，其中第九功率开关Q9和第十一功率开关Q11构成一对上下桥臂，第十功率开关Q10和第十二功率开关Q12构成另一对上下桥臂，第九功率开关Q9和第十二功率开关Q12构成第五组功率开关，第十功率开关Q10和第十一功率开关Q11构成第六组功率开关，两组功率开关通断动作相反；所述控制器对第一组至第六组功率开关进行发波控制，其中第三组功率开关和第五组功率开关的发波时序相同，第四组功率开关和第六组功率开关的发波时序相同，第一组功率开关通断的波形与第三组功率开关通断的波形之间存在第一相角差Φ1；第一组功率开关通断的波形与第五组功率开关通断的波形之间存在第二相角差Φ2；所述第一组、第二组、第三组、第四组、第五组、和第六组功率开关导通的占空比皆为50%；所述第一相角差Φ1与第二相角差Φ2相等、或者所述第一相角差Φ1与第二相角差Φ2不相等。
所述控制器可对第一组至第六组功率开关的工作频率进行调整。
所述原边转换模块、副边第一转换模块和副边第二转换模块皆采用双向转换电路结构，电能可由原边转换模块传输给副边第一转换模块和副边第二转换模块、也可由副边第一转换模块和副边第二转换模块传输给原边转换模块。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
采用本发明，车载充电机能满足大功率、宽电压及大电流的输出要求，可以根据客户和现场的需求，灵活调整输出模式，同时具有减少器件成本、增加兼容性的优点。
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为本发明充电机的拓扑结构图；
图2为副边第一、第二转换模块串联工作方式原理图；
图3为副边第一、第二转换模块串联工作电压波形图；
图4为副边第一、第二转换模块并联工作方式原理图；
图5为副边第一、第二转换模块并联工作电流波形图；
图6为原边和副边第一、第二转换模块控制波形时序图；
图7为相角差Φ滞后的仿真波形图；
图8为相角差Φ超前的仿真波形图；
图9为副边第二转换模块单独输出原理图；
图10为副边第一转换模块单独输出原理图。
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。
本发明公开了一种输出端可进行串并联切换的车载充电机，包括相连接的原边转换模块、高频变压器、副边第一转换模块、副边第二转换模块，以及控制器，所述副边第一转换模块和副边第二转换模块的输出端之间设有切换开关组，所述切换开关组通过切换可设置三种输出模式：一个模块单独输出模式、两个模块串联输出模式、两个模块并联输出模式。
在使用中，当输出侧电压值（Uo）需求较高时，可将副边第一和第二转换模块串联使用，图2示出了副边第一、第二转换模块串联工作方式原理图，这样输出电压可以提高，并且副边第一转换模块与副边第二模块中功率元件所受电压应力较副边单模块工作时降低一半；当输出侧电流值需求比较高时，可将副边第一和第二转换模块并联使用，图4示出了副边第一、第二转换模块并联工作方式原理图；这样输出电流可以提高；当输出侧电流值和电压值需求不高时，可令副边第一或第二转换模块单独使用，图9示出了副边第二转换模块单独输出原理图，图10示出了副边第一转换模块单独输出原理图，这样可以节能、副边第一或第二转换可以轮流使用，还可延长使用寿命。
参看图1示出的较佳实施例，所述切换开关组包括第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3；所述副边第一转换模块的输出端包括第一正极输出端V0+和第一负极输出端V1-；所述副边第二转换模块的输出端包括第二正极输出端V2+和第二负极输出端V0-；所述第一开关K1串接在第一负极输出端V1-与第二正极输出端V2+之间，所述第二开关K2串接在第一正极输出端V0+与第二正极输出端V2+之间，所述第三开关K3第一负极输出端V1-与第二负极输出端V0-之间。
在较佳实施例中，所述一个模块单独输出模式中，所述控制器控制第二开关K2或第三开关K3单独导通（如第二开关K2导通，第一开关K1和第三开关K3截止；又如第三开关K3导通，第一开关K1和第二开关K2截止），副边第一转换模块或副边第二模块单独为负载提供能量；所述两个模块串联输出模式中，所述控制器控制第一开关K1单独导通，第二开关K2和第三开关K3截止，副边第一转换模块和副边第二模块串联后为负载提供能量；所述两个模块并联输出模式中，所述控制器控制控制第二开关K2和第三开关K3同时导通，第一开关K1截止，副边第一转换模块和副边第二模块并联后为负载提供能量。
在较佳实施例中，所述高频变压器包括第一变压器T1和第二变压器T2，所述第一变压器T1原边绕组W1和第二变压器T2原边绕组W3串联后与所述原边转换模块连接，所述第一变压器T1副边绕组W2与所述副边第一转换模块连接，所述第二变压器T2副边绕组W4与所述副边第二转换模块连接。
所述第一变压器T1原边绕组W1与副边绕组W2的比值和第二变压器T2原边绕组W3与副边绕组W4的比值相等；第一变压器T1原边绕组W1和第二变压器T2原边绕组W3的匝数、线径相等；第一变压器T1副边绕组W2和第二变压器T2副边绕组W4的匝数、线径相等。所述变压器T1与T2变压器可集成在同一个磁芯上。
参看图1示出的较佳实施例，所述第一变压器T1原边绕组W1和第二变压器T2原边绕组W3串联后，再与原边侧谐振电感L1和谐振电容C1串联，然后再与所述原边转换模块连接。所述原边转换模块中的谐振电感L1和谐振电容C1组成串联谐振腔。
参看图1示出的较佳实施例，所述第一变压器T1副边绕组W2与副边第一隔直电容C2串联后连接所述副边第一转换模块；所述第二变压器T2副边绕组W4与副边第二隔直电容C3串联后连接所述副边第二转换模块。
在较佳实施例中，所述原边转换模块、副边第一转换模块和副边第二转换模块皆采用全桥结构，所述副边第一转换模块连接和副边第二转换模块内的元件采用相同型号。这样副边第一、第二转换模块的各项参数相同，便于将副边第一、第二转换模块进行串联并联运行。
所述原边转换模块、副边第一转换模块和副边第二转换模块中的功率开关均采用有源器件。采用有源器件,以减少模块的导通损耗。
参看图1示出的较佳实施例，所述原边转换模块包括第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、第三功率开关Q3、第四功率开关Q4，其中第一功率开关Q1和第三功率开关Q3构成一对上下桥臂，第二功率开关Q2和第四功率开关Q4构成另一对上下桥臂，第一功率开关Q1和第四功率开关Q4构成第一组功率开关，第二功率开关Q2和第三功率开关Q3构成第二组功率开关，两组功率开关通断动作相反；所述副边第一转换模块包括第五功率开关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构成一对上下桥臂，第六功率开关Q6和第八功率开关Q8构成另一对上下桥臂，第五功率开关Q5和第八功率开关Q8构成第三组功率开关，第六功率开关Q6和第七功率开关Q7构成第四组功率开关，两组功率开关通断动作相反；所述副边第二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、第十二功率开关Q12，其中第九功率开关Q9和第十一功率开关Q11构成一对上下桥臂，第十功率开关Q10和第十二功率开关Q12构成另一对上下桥臂，第九功率开关Q9和第十二功率开关Q12构成第五组功率开关，第十功率开关Q10和第十一功率开关Q11构成第六组功率开关，两组功率开关通断动作相反；所述控制器对第一组至第六组功率开关进行发波控制，其中第三组功率开关和第五组功率开关的发波时序相同，第四组功率开关和第六组功率开关的发波时序相同，第一组功率开关通断的波形与第三组功率开关通断的波形之间存在第一相角差Φ1；第一组功率开关通断的波形与第五组功率开关通断的波形之间存在第二相角差Φ2；所述第一组、第二组、第三组、第四组、第五组、和第六组功率开关导通的占空比皆为50%；所述第一相角差Φ1与第二相角差Φ2相等、或者所述第一相角差Φ1与第二相角差Φ2不相等。控制波形如图6所示。
两个模块串联输出模式为负载提供能量时，功率开关管Q5到Q12的电压应力需求相较于副边单一转换模块输出时减小一半，但是所需功率开关管的数量翻倍。而副边第一转换模块和副边第二转换模块以并联的形式为负载提供能量时，功率开关管Q5到Q12的电流应力需求相较于副边单一转换模块输出时减小一半，但是所需功率开关管的数量翻倍；即副边第一转换模块与副边第二模块中功率元件所受电流应力较副边单模块工作时降低一半。
控制方式：参看图6示出的原边和副边第一、第二转换模块控制波形时序图，控制器通过控制原边转换模块中功率开关Q1到Q4、副边第一转换模块中功率开关Q5到Q8和副边第二转换模块中功率开关Q9到Q12实现对副边的电压或是电流控制。控制器对原边转换电路中的第一组（Q1和Q4）和第二组（Q2和Q3）功率开关发波控制，同时对副边第一转换电路中的第三组（Q5和Q8）和第四组（Q6和Q7）功率开关以及副边第二转换电路中的第五组（Q9和Q12）和第六组（Q10和Q11）功率开关发波控制，其中副边第一转换电路中的第三组功率开关和副边第二转换电路中的第五组功率开关的控制发波相同，并且使第一组功率开关通断的波形与第三组功率开关通断的波形之间存在第一相角差Φ1；第一组功率开关通断的波形与第五组功率开关通断的波形之间存在第二相角差Φ2；所述第一组、第二组、第三组、第四组、第五组、和第六组功率开关导通的占空比皆为50%；所述第一相角差Φ1与第二相角差Φ2相等、或者所述第一相角差Φ1与第二相角差Φ2不相等。控制波形如图6所示。所谓开关导通的占空比为50%实际上包含死区时间，死区时间是脉冲调制输出时，为了使上下桥臂不会因为开关速度问题发生同时导通而设置的一个保护时段。死区时间越小，输出波形越好，但是会降低可靠性，一般为us级。因本发明不调节死区时间，为描述方便，故此将开关导通的占空比笼统称为50%，实际上导通时间略小于50%。
在整个变换器的参数确定后，取一副边转换模块进行电路分析，其中Uin为原边输入电压，Uo为副边输出电压，RL输出端等效阻抗，fs为电路开关频率，N为变压器匝数比W2:W1。然后分析此电路的传输功率，为了便于分析，可将副边参量等效到原边(带“’”的参数)，并将参量标幺化，基准值分别为：
Figure 788586DEST_PATH_IMAGE002
公式中UB为原边等效电压，ZB为原边等效阻抗，fB为谐振频率。通过公式（1）可得电压转换率M,以及电路的品质因素：
Figure 112251DEST_PATH_IMAGE004
公式中Q为品质因数，此时谐振电路电抗可写作：
Figure 797048DEST_PATH_IMAGE006
公式中X为电抗，F为归一化频率，Fs为工作频率，可得出UAB（UAB为图1中原边桥臂中点基波电压）以及UXY(参看图1)折算到原边的基波电压分别为：
Figure 802044DEST_PATH_IMAGE008
公式中
Figure 196510DEST_PATH_IMAGE010
为第一副边中点电压UXY折射到原边基波电压，
Figure 346868DEST_PATH_IMAGE012
为角频率。可得转换器工作时谐振电流为：
Figure 161372DEST_PATH_IMAGE014
此充电机输出侧的平均功率可根据下式：
Figure 422589DEST_PATH_IMAGE016
由上式可以看出，其传输的功率大小仅与相角差Φ有关，并且当相角差Φ为正（滞后）时，功率正向传输（参看图7），当相角差Φ为负（超前）时，功率反向传输（参看图8）。
在较佳实例中，两个变压器T1原副边匝比W1:W2与T2原副边匝比W3:W4相等，并且变压器T1和T2原边时串联的，因此流过两个变压器原边绕组的电流是一样的，即使谐振电感L1,谐振电容C1参数出现偏差，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，则变压器T1和T2耦合到副边的电流也是一样的，所以当副边串联运行时，两模块的输出电流一样，当副边的两个模块等效阻抗相差不大时，副边第一转换模块的输出电压Uo1和副边第二转换模块的输出电压Uo2是相等的，且为输出总电压Uo的一半(参看图3)。当副边并联运行时，两模块的输出电压一样，副边第一转换模块的输出电流Io1和副边第二转换模块的输出电流Io2是相等的,且为输出总电流Io的一半(参看图5)。在实际应用中，相移角Φ也可以拆分成两个，即：副边第一转换电路与原边转换电路的第一相角差Φ1、副边第二转换电路与原边转换电路的第二相角差Φ2；在并联模式中，可以根据两路的实际电流，使得副边第一转换电路与原边转换电路的第一相角差Φ1、副边第二转换电路与原边转换电路的第二相角差Φ2与Φ可以不是完全相等以达到均流的目的；在串联模式中，可以根据两路的实际电压，使得副边第一转换电路与原边转换电路的第一相角差Φ1、副边第二转换电路与原边转换电路的第二相角差Φ2与Φ可以不是完全相等以达到均压的目的。控制波形如图6所示。
在较佳实施例中，所述控制器可对第一组至第六组功率开关的工作频率进行调整。
在较佳实施例中，所述原边转换模块、副边第一转换模块和副边第二转换模块皆采用双向转换电路结构，电能可由原边转换模块传输给副边第一转换模块和副边第二转换模块、也可由副边第一转换模块和副边第二转换模块传输给原边转换模块。
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 (11)

1.一种输出端可进行串并联切换的车载充电机，包括相连接的原边转换模块、高频变压器、副边第一转换模块、副边第二转换模块，以及控制器，其特征在于：所述副边第一转换模块和副边第二转换模块的输出端之间设有切换开关组，所述切换开关组通过切换可设置三种输出模式：一个模块单独输出模式、两个模块串联输出模式、两个模块并联输出模式。
2.如权利要求1所述的输出端可进行串并联切换的车载充电机，其特征在于：所述切换开关组包括第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3；所述副边第一转换模块的输出端包括第一正极输出端V0+和第一负极输出端V1-；所述副边第二转换模块的输出端包括第二正极输出端V2+和第二负极输出端V0-；所述第一开关K1串接在第一负极输出端V1-与第二正极输出端V2+之间，所述第二开关K2串接在第一正极输出端V0+与第二正极输出端V2+之间，所述第三开关K3第一负极输出端V1-与第二负极输出端V0-之间。
3.如权利要求2所述的输出端可进行串并联切换的车载充电机，其特征在于：所述一个模块单独输出模式中，所述控制器控制第二开关K2或第三开关K3单独导通；所述两个模块串联输出模式中，所述控制器控制第一开关K1单独导通；所述两个模块并联输出模式中，所述控制器控制控制第二开关K2和第三开关K3同时导通。
4.如权利要求3所述的输出端可进行串并联切换的车载充电机，其特征在于：所述高频变压器包括第一变压器T1和第二变压器T2，所述第一变压器T1原边绕组W1和第二变压器T2原边绕组W3串联后与所述原边转换模块连接，所述第一变压器T1副边绕组W2与所述副边第一转换模块连接，所述第二变压器T2副边绕组W4与所述副边第二转换模块连接。
5.如权利要求4所述的输出端可进行串并联切换的车载充电机，其特征在于：所述第一变压器T1原边绕组W1和第二变压器T2原边绕组W3串联后，再与原边侧谐振电感L1和谐振电容C1串联，然后再与所述原边转换模块连接。
6.如权利要求4所述的输出端可进行串并联切换的车载充电机，其特征在于：所述第一变压器T1副边绕组W2与副边第一隔直电容C2串联后连接所述副边第一转换模块；所述第二变压器T2副边绕组W4与副边第二隔直电容C3串联后连接所述副边第二转换模块。
7.如权利要求1所述的输出端可进行串并联切换的车载充电机，其特征在于：所述原边转换模块、副边第一转换模块和副边第二转换模块皆采用全桥结构，所述副边第一转换模块连接和副边第二转换模块内的元件采用相同型号。
8.如权利要求7所述的输出端可进行串并联切换的车载充电机，其特征在于：所述原边转换模块、副边第一转换模块和副边第二转换模块中的功率开关均采用有源器件。
9.如权利要求8所述的输出端可进行串并联切换的车载充电机，其特征在于：
所述原边转换模块包括第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、第三功率开关Q3、第四功率开关Q4，其中第一功率开关Q1和第三功率开关Q3构成一对上下桥臂，第二功率开关Q2和第四功率开关Q4构成另一对上下桥臂，第一功率开关Q1和第四功率开关Q4构成第一组功率开关，第二功率开关Q2和第三功率开关Q3构成第二组功率开关，两组功率开关通断动作相反；
所述副边第一转换模块包括第五功率开关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构成一对上下桥臂，第六功率开关Q6和第八功率开关Q8构成另一对上下桥臂，第五功率开关Q5和第八功率开关Q8构成第三组功率开关，第六功率开关Q6和第七功率开关Q7构成第四组功率开关，两组功率开关通断动作相反；
所述副边第二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、第十二功率开关Q12，其中第九功率开关Q9和第十一功率开关Q11构成一对上下桥臂，第十功率开关Q10和第十二功率开关Q12构成另一对上下桥臂，第九功率开关Q9和第十二功率开关Q12构成第五组功率开关，第十功率开关Q10和第十一功率开关Q11构成第六组功率开关，两组功率开关通断动作相反；
所述控制器对第一组至第六组功率开关进行发波控制，其中第三组功率开关和第五组功率开关的发波时序相同，第四组功率开关和第六组功率开关的发波时序相同，第一组功率开关通断的波形与第三组功率开关通断的波形之间存在第一相角差Φ1；第一组功率开关通断的波形与第五组功率开关通断的波形之间存在第二相角差Φ2；所述第一组、第二组、第三组、第四组、第五组、和第六组功率开关导通的占空比皆为50%；所述第一相角差Φ1与第二相角差Φ2相等、或者所述第一相角差Φ1与第二相角差Φ2不相等。
10.如权利要求9所述的输出端可进行串并联切换的车载充电机，其特征在于：所述控制器可对第一组至第六组功率开关的工作频率进行调整。
11.如权利要求1至10任一项所述的输出端可进行串并联切换的车载充电机，其特征在于：所述原边转换模块、副边第一转换模块和副边第二转换模块皆采用双向转换电路结构，电能可由原边转换模块传输给副边第一转换模块和副边第二转换模块、也可由副边第一转换模块和副边第二转换模块传输给原边转换模块。
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