CN116505635B - 动力电池充电装置和车辆 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种动力电池充电装置和车辆，其中，动力电池充电装置包括：三相电机、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、整流单元、第一半桥单元和第二半桥单元，整流单元用于将交流市电转换为直流电，第二半桥单元用于将直流电转换为高频交变电，三相电机的U相绕组、三相电机的V相和W相两相绕组通过三相电机的定子铁芯及转子铁芯耦合，形成变压器，变压器用于电气隔离，第一二极管用于整流，第一半桥单元用于调节充电功率。本申请能够利用电机的绕组对动力电池进行充电，并且在充电过程中，使市电与整车高压系统之间电气隔离。
Description
技术领域
本申请涉及动力电池领域，具体而言，涉及一种动力电池充电装置和车辆。
背景技术
为了对动力电池进行充电，现有技术存在一种方案，该方案利用电机的绕组以及三相电机逆变器对动力电池进行充电，然而这种方案存在以下缺陷：市电和整车高压系统之间没有电气隔离，因此充电过程中存在一定的绝缘失效风险，进而可能导致整车零部件损坏，甚至带来人身伤害。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种动力电池充电装置和车辆，用以利用电机的绕组对动力电池进行充电，并且在充电过程中，使市电与整车高压系统之间电气隔离。
第一方面，本发明提供一种动力电池充电装置，所述装置包括三相电机、第一开关、第二开关、第三开关，第四开关、整流单元、第一半桥单元和第二半桥单元，电容；
所述三相电机的绕组组成Y型连接，所述第一开关串联于所述三相电机的U相绕组与所述三相电机的V相和W相两相绕组的中性点，所述三相电机的V相绕组与所述三相电机的W相绕组的中性点，通过所述第二开关、所述电容与所述整流单元的直流输出负端电性连接；
所述三相电机的U相绕组与动力电池电性连接；
所述第三开关和所述第四开关与所述第一半桥单元和所述第二半桥单元电性连接，所述第一半桥单元与所述三相电机的U相绕组电性连接，所述第二半桥单元与所述三相电机的V相绕组和所述三相电机的W相绕组电性连接，所述第二半桥单元与所述整流单元串联；
当所述第一开关、所述第三开关和所述第四开关闭合，且所述第二开关断开时，所述动力电池向所述三相电机供电；
当所述第一开关、所述第三开关和所述第四开关断开，且所述第二开关闭合时，交流市电依次通过所述整流单元、所述第二半桥单元、所述三相电机、所述第一半桥单元和所述第一二极管向所述动力电池充电，其中，所述整流单元用于将交流市电转换为直流电，所述第二半桥单元与所述电容配合，用于将直流电转换为高频交变电，所述三相电机的U相绕组、所述三相电机的V相和W相两相绕组通过所述三相电机的定子铁芯及转子铁芯耦合，形成变压器，所述变压器用于电气隔离，所述第一二极管用于整流，所述第一半桥单元用于调节充电功率。
与现有技术相比，本申请第一方面的装置能够通过第一开关、所述第三开关和所述第四开关的断开，以及第二开关的闭合，使三相电机的U相绕组与三相电机的V相和W相两相绕组通过三相电机的定子铁芯及转子铁芯耦合，进而形成变压器，从而基于变压器实现电气隔离，即市电与动力电池电气隔离，最终避免充电过程中整车高压绝缘失效时整车零部件损坏或造成人身伤害。
在可选的实施方式中，所述装置还包括第一二极管，其中，所述三相电机的U相绕组通过所述第一二极管与所述动力电池的正极电性连接。
在本可选的实施方式，由于三相电机的U相绕组通过所述第一二极管与所述动力电池的正极电性连接，因此在充电过程中，三相电机的U相绕组输出的电流可通过第一二极管进行半波整流，从而基于直流电对动力电池进行充电。
在可选的实施方式中，所述装置还包括第二二极管，其中，所述三相电机的U相绕组通过所述第二二极管与所述动力电池的负极电性连接。
在本可选的实施方式，由于三相电机的U相绕组通过所述第二二极管与所述动力电池的负极电性连接，因此在充电过程中，三相电机的U相绕组输出的电流可通过第二二极管进行半波整流，最终与第一二极管配合，实现全波整流。
在可选的实施方式中，所述装置还包括第一有源开关和第二有源开关，所述第一有源开关与所述动力电池电性连接，并与所述整流单元电性连接，所述第二有源开关与所述动力电池电性连接，并与所述整流单元电性连接；
以及，所述整流单元为双向交直流变换单元。
在本可选的实施方式中，可将第一二极管和第二二极管替换为第一有源开关和第二有源开关，从而基于交流电对动力电池进行充电。同时，双向交直流变换单元与第一有源开关和第二有源开关电性连接，这样一来，动力电池能够向双向交直流变换单元输出直流电，进而双向交直流变换单元将直流电转换为交流电，最终利用动力电池向外部设备提供交流电。
在可选的实施方式中，所述第一半桥单元包括第一功率开关和第二功率开关，所述第一功率开关与所述第二功率开关串联。
本可选的实施方式通过第一功率开关和第二功率开关能够调节三相电机的U相绕组的输出，进而调节充电功率。
在可选的实施方式中，所述第二半桥单元包括第三功率开关、第四功率开关、第五功率开关和第六功率开关，其中，所述第三功率开关与所述第四功率开关串联，所述第五功率开关与所述第六功率开关串联。
本可选的实施方式，通过第三功率开关、第四功率开关、第五功率开关和第六功率开关可将整流单元的输出电流转换为高频交流电。
在可选的实施方式中，所述装置还包括交流充电接口，其中，所述交流充电接口与所述整流单元电性连接。
本可选的实施方式通过交流充电接口，可将交流市电接入整流单元。
在可选的实施方式中，所述整流单元为有源整流单元、无源整流单元中的一种。
在可选的实施方式中，所述装置还包括直流母线电容，所述直流母线电容与所述动力电池电性连接，并与所述第一半桥单元并联。
本可选的实施方式通过直流母线电容，可吸收半桥电路高频开关造成的脉冲电流。
第二方面，本发明提供一种车辆，所述车辆包括如前述实施方式任一项所述的动力电池充电装置。
由于本申请第二方面的车辆具有本申请第一方面的装置，因此其具有本申请第一方面的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1是本申请实施例公开的一种动力电池充电装置的电路结构示意图；
图2是图1的等效电路示意图；
图3是本申请实施例公开的一种只有半波整流功能的动力电池充电装置电路结构示意；
图4是本申请实施例公开的另一种动力电池充电装置的电路结构示意图。
图标：第一开关K1、第二开关K2，第三开关Kp、第四开关Kn、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Q6、动力电池U1、电容Cr。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
实施例一
请参阅图1，图1是本申请实施例公开的一种动力电池充电装置的电路结构示意图。如图1所示，本申请实施例的动力电池充电装置包括三相电机、第一开关、第二开关、第三开关，第四开关、整流单元、第一半桥单元和第二半桥单元、电容，其中，在图1中，第一开关用K1表示，第二开关用K2表示，第三开关用Kp表示，第四开关用Kn表示，电容用Cr表示，整流环节为整流单元。
进一步地，如图1所述，三相电机的绕组组成Y型连接，第一开关串联于三相电机的U相绕组与三相电机的V相和W相两相绕组的中性点，三相电机的V相绕组与三相电机的W相绕组的中性点，通过第二开关、电容与整流单元的直流输出负端电性连接。
进一步地，如图1所述，三相电机的U相绕组与动力电池U1电性连接，第三开关和第四开关将三相电机逆变器分为第一半桥单元和第二半桥单元，其中，第三开关和第四开关与第一半桥单元和第二半桥单元电性连接，第一半桥单元与三相电机的U相绕组电性连接，第二半桥单元与三相电机的V相绕组和三相电机的W相绕组电性连接，第二半桥单元与整流单元串联。
在本申请实施例中，当第一开关、第三开关和第四开关闭合，且第二开关断开时，动力电池向三相电机供电，即驱动三相电机转动；当第一开关、第三开关和第四开关断开，且第二开关闭合时，交流市电依次通过整流单元、第二半桥单元、三相电机、第一半桥单元和第一二极管向动力电池充电，其中，整流单元用于将交流市电转换为直流电，第二半桥单元与电容配合，用于将直流电转换为高频交变电，三相电机的U相绕组、三相电机的V相和W相两相绕组通过三相电机的定子铁芯及转子铁芯耦合，形成变压器，变压器用于电气隔离，第一二极管用于整流，第一半桥单元用于调节充电功率。
与现有技术相比，本申请实施例的装置能够通过第一开关、第三开关和第四开关的断开，以及第二开关的闭合，使三相电机的U相绕组与三相电机的V相和W相两相绕组通过三相电机的定子铁芯及转子铁芯耦合，进而形成变压器，从而基于变压器实现电气隔离，即市电与动力电池电气隔离，最终避免充电过程中整车高压绝缘失效时整车零部件损坏和造成人身伤害。
针对本申请实施例的动力电池充电装置，当其动力电池充电装置需要对动力电池充电时，图1所示的动力电池充电装置其等效为图2所示的电路，其中，图2是图1的等效电路示意图。具体地，在图2中，三相电机的U相绕组与电机定子铁芯、转子铁芯配合，等效为电感，即第一电感，用Lu表示，三相电机的V相和W相两相绕组电动与电机定子铁芯、转子铁芯配合，等效为电感，即第二电感，用Lvw表示，最终第一电感与第二电感形成变压器，从而可利用变压器实现电气隔离。
在一可选的实施方式中，第一半桥单元包括第一功率开关和第二功率开关，第一功率开关与第二功率开关串联，而第二半桥单元包括第三功率开关、第四功率开关、第五功率开关和第六功率开关，其中，第三功率开关与第四功率开关串联，第五功率开关与第六功率开关串联。进一步地，在图1中，第一功率开关用Q1表示，第二功率开关用Q2表示，第三功率开关、第四功率开关、第五功率开关和第六功率开分别用Q3、Q4、Q5、Q6表示。
进一步地，本申请实施例的装置还包括第一二极管，其中，三相电机的U相绕组通过第一二极管与动力电池的正极电性连接。
在本可选的实施方式，由于三相电机的U相绕组通过第一二极管与动力电池的正极电性连接，因此在充电过程中，三相电机的U相绕组输出的电流可通过第一二极管进行半波整流，从而基于直流电对动力电池进行充电。需要说明的是，本申请实施例的装置只包括第一二极管时，其如图3所示，其中，图3是本申请实施例公开的一种只有半波整流功能的动力电池充电装置电路结构示意图。如图3所示，动力电池充电装置电路仅包括一个二极管Dr。
在可选的实施方式中，本申请实施例的装置还包括第二二极管，其中，三相电机的U相绕组通过第二二极管与动力电池的负极电性连接。
在本可选的实施方式，由于三相电机的U相绕组通过第二二极管与动力电池的负极电性连接，因此在充电过程中，三相电机的U相绕组输出的电流可通过第二二极管进行半波整流，最终与第一二极管配合，实现全波整流。
具体地，请参阅图2，在图2中，Q35和Q46是Q3、Q4和Q5、Q6并联等效的半桥电路，此时Q35、Q46构成的半桥、电容Cr、电机等效变压器，构成了一个LLC谐振电路的原边，而Lu、二极管Dr1和Dr2则构成了LLC副边整流电路，该电路运行时，由PWM波控制三相逆变桥6个功率开关动作，其中Q35、Q46半桥产生高频交变电压作用于Lvw两端，从而在Lu两端产生感应的交变电压，相应地，半桥Q1、Q2动作，通过控制Q1和Q2导通的占空比，配合Dr1和Dr2，实现整流和充电功率调节。
由此可知，本可选的实施方式通过第一功率开关和第二功率开关能够调节三相电机的U相绕组的输出，进而调节充电功率。通过第三功率开关、第四功率开关、第五功率开关和第六功率开关和电容Cr可将整流单元的输出电流转换为高频交流电。
在可选的实施方式中，本申请的装置还包括第一有源开关和第二有源开关，第一有源开关与动力电池电性连接，并与整流单元电性连接，第二有源开关与动力电池电性连接，并与整流单元电性连接，相应地，整流单元为双向交直流变换单元。具体地，请参阅图4，图4是本申请实施例公开的另一种动力电池充电装置的电路结构示意图。如图4所示，第一二极管和第二二极管被替换为第一有源开关和第二有源开关，第一有源开关和第二有源开关分别用Qr1和Qr2表示，进而可将第一二极管和第二二极管替换为第一有源开关和第二有源开关，从而基于交流电对动力电池进行充电。同时，双向交直流变换单元与第一有源开关和第二有源开关电性连接，这样一来，动力电池能够向双向交直流变换单元输出直流电，进而双向交直流变换单元（双向AC/DC）将直流电转换为交流电，最终利用动力电池向外部设备提供交流电。
在可选的实施方式中，装置还包括交流充电接口，其中，交流充电接口与整流单元电性连接。本可选的实施方式通过交流充电接口，可将交流市电接入整流单元。
在可选的实施方式中，本申请实施例的装置还包括直流母线电容，直流母线电容与动力电池电性连接，并与第一半桥单元并联。本可选的实施方式通过直流母线电容，可吸收半桥电路高频开关造成的脉冲电流。
此外，本申请实施例还公开一种车辆，该车辆包括如前述实施方式任一项的动力电池充电装置。
由于本申请实施例的车辆具有本申请实施例的动力电池充电装置，因此，其具有本申请实施例一的所有优点。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
再者，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
需要说明的是，功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（Read-OnlyMemory，ROM）随机存取存储器（RandomAccessMemory，RAM）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种动力电池充电装置，其特征在于，所述装置包括三相电机、第一开关、第二开关、第三开关，第四开关、整流单元、第一半桥单元和第二半桥单元、电容、第一二极管；
所述三相电机的绕组组成Y型连接，所述第一开关串联于所述三相电机的U相绕组与所述三相电机的V相和W相两相绕组的中性点，所述三相电机的V相绕组与所述三相电机的W相绕组的中性点，通过所述第二开关、所述电容与所述整流单元的直流输出负端电性连接；
所述三相电机的U相绕组与动力电池电性连接；
所述第三开关和所述第四开关与所述第一半桥单元和所述第二半桥单元电性连接，所述第一半桥单元与所述三相电机的U相绕组电性连接，所述第二半桥单元与所述三相电机的V相绕组和所述三相电机的W相绕组电性连接，所述第二半桥单元与所述整流单元串联；
当所述第一开关、所述第三开关和所述第四开关闭合，且所述第二开关断开时，所述动力电池向所述三相电机供电；
当所述第一开关、所述第三开关和所述第四开关断开，且所述第二开关闭合时，交流市电依次通过所述整流单元、所述第二半桥单元、所述三相电机、所述第一半桥单元和所述第一二极管向所述动力电池充电，其中，所述整流单元用于将交流市电转换为直流电，所述第二半桥单元与所述电容配合，用于将直流电转换为高频交变电，所述三相电机的U相绕组、所述三相电机的V相和W相两相绕组通过所述三相电机的定子铁芯及转子铁芯耦合，形成变压器，所述变压器用于电气隔离，所述第一二极管用于整流，所述第一半桥单元用于调节充电功率。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三相电机的U相绕组通过所述第一二极管与所述动力电池的正极电性连接。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第二二极管，其中，所述三相电机的U相绕组通过所述第二二极管与所述动力电池的负极电性连接。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第一有源开关和第二有源开关，所述第一有源开关与所述动力电池电性连接，并与所述整流单元电性连接，所述第二有源开关与所述动力电池电性连接，并与所述整流单元电性连接；
以及，所述整流单元为双向交直流变换单元。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一半桥单元包括第一功率开关和第二功率开关，所述第一功率开关与所述第二功率开关串联。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二半桥单元包括第三功率开关、第四功率开关、第五功率开关和第六功率开关，其中，所述第三功率开关与所述第四功率开关串联，所述第五功率开关与所述第六功率开关串联。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括交流充电接口，其中，所述交流充电接口与所述整流单元电性连接。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述整流单元为有源整流单元、无源整流单元中的一种。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括直流母线电容，所述直流母线电容与所述动力电池电性连接，并与所述第一半桥单元并联。
10.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括如权利要求1-9任一项所述的动力电池充电装置。
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