CN217545904U - 一种单三相兼容的ac/dc电路及充放电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种单三相兼容的AC/DC电路及充放电装置。AC/DC电路包括第一继电器、第二继电器、第三继电器、第四继电器、第一电阻、第一电感、第二电感、第三电感、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第一母线滤波电容和第二母线滤波电容；第四继电器包括第六组触点，第六组触点为常开触点或常闭触点，第六组触点的一端用于与三相交流电的中性线连接，另一端与第四桥臂的中间位置连接；第四桥臂包括串联的第七开关管和第八开关管；第一母线滤波电容和第二母线滤波电容串联组成的支路、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂之间均并联连接。这样可以降低AC/DC电路的成本。

Description

一种单三相兼容的AC/DC电路及充放电装置

技术领域

本实用新型涉及电动汽车充电技术领域，特别涉及一种单三相兼容的 AC/DC电路及充放电装置。

背景技术

随着新能源汽车在市场的逐步推广，电动汽车的技术也在不断发展。电动汽车采用高压电池包作为能量输出，主要包括：电机、电控、车载充电机、功率变换电路及电池管理系统。其中，车载充电机根据能量流动能否实现双向充放电，可以分为单向充电机与双向充电机。目前技术比较成熟的是单向充电机，它通常由桥式二极管、滤波器、DC-DC变换器组成，相比双向充电来说，它在成本、重量、体积、安全性方面都有优势，可以适应不同的电动汽车，但是不能实现将能量反馈给电网或者交流负载。为满足交流负载及V2G(Vehicle toGrid，车辆到电网)需求，双向车载充电机成为目前主要研究对象。

为了满足更快的充电时间需求同时兼容居家充电的方式，单三相(即单相和三相)充电功能兼容变的必不可少。对于车载双向充电机主要采用的拓扑可以分为单级式和两级式拓扑，还有一种利用电动汽车的电机绕组等已有的元件与充电机共用的集成式拓扑。如图1所示，目前研究比较多的是由双向AC-DC变换器与双向DC-DC变换器组成的两级式结构，其中，双向AC-DC变换器包括图1 中的AC侧电路和AC/DC或DC/AC电路(AC/DC或DC/AC电路是指电路具有双向功能，为了方便书写，以下将AC/DC或DC/AC电路简称为AC/DC电路)；AC/DC电路负责交流侧电流的波形整形，功率因数矫正以及调节直流母线的电压，普遍采用三相全桥结构再通过继电器切换以兼容单相工作模式；双向DC-DC变换器包括图1中的DCDC电路，DCDC电路为电池充电或反向工作放电，主要使用有谐振变换器或移相全桥拓扑。

如图1所示，AC/DC电路使用3桥臂拓扑再加继电器切换的方案，该方案在三相全桥的拓扑结构上，通过复用第三桥臂(开关管W1及W2所在的桥臂)及N 线(中性线)继电器切换方式，再辅以图腾柱及两相交错的工作方式以实现单相充电功能。该方式优点是开关管数量较少，但使用的继电器数量较多(5个)，增加了成本。对于单相充电模式，考虑减少对三相工作模式下的影响，第三桥臂需额外并联一个二极管(图1中未画)。对于逆变模式，复用的第三桥臂总电流较大，需要选用导通电阻更小的开关管，同时需要考虑对三相工作模式下开关损耗，该桥臂的开关管成本会大大提高。按目前主流的SiC MOSFET方案，该桥臂MOSFET成本是其它桥臂MOSFET成本的两倍以上。

实用新型内容

本实用新型提供了一种单三相兼容的AC/DC电路及充放电装置，以解决现有的单三相兼容的AC/DC电路的成本较高的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种单三相兼容的AC/DC电路，包括第一继电器、第二继电器、第三继电器、第四继电器、第一电阻、第一电感、第二电感、第三电感、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第一母线滤波电容和第二母线滤波电容；

所述第一继电器包括第一组触点，所述第一组触点为常开触点或常闭触点，所述第一组触点的一端用于与第一相交流电连接，另一端与所述第一电感的一端连接；所述第一电感的另一端与所述第一桥臂的中间位置连接；所述第一桥臂包括串联的第一开关管和第二开关管，所述第一桥臂的中间位置位于所述第一开关管和所述第二开关管之间；

所述第二继电器包括第二组触点和第三组触点，所述第二组触点和所述第三组触点的状态相反；所述第二组触点的一端与所述第一电阻的一端串联，所述第二组触点和所述第一电阻组成的支路与所述第一组触点并联；所述第三组触点的一端与所述第二组触点的另一端连接，所述第三组触点的另一端用于与第二相交流电连接；所述第二电感的一端所述第三组触点的另一端连接，所述第二电感的另一端与所述第二桥臂的之间位置连接；所述第二桥臂包括串联的第三开关管和第四开关管，所述第二桥臂的中间位置位于所述第三开关管和所述第四开关管之间；

所述第三继电器包括第四组触点和第五组触点，所述第四组触点和所述第五组触点的状态相反；所述第四组触点的一端与所述第一电感的一端连接，所述第四组触点的另一端与所述第三电感的一端连接；所述第五组触点的一端用于与第三相交流电连接，另一端与所述第四组触点的另一端连接；所述第三电感的另一端与所述第三桥臂的中间位置连接；所述第三桥臂包括串联的第五开关管和第六开关管，所述第三桥臂的中间位置位于所述第五开关管和所述第六开关管之间；

所述第四继电器包括第六组触点，所述第六组触点为常开触点或常闭触点，所述第六组触点的一端用于与三相交流电的中性线连接，另一端与所述第四桥臂的中间位置连接；所述第四桥臂包括串联的第七开关管和第八开关管，所述第四桥臂的中间位置位于所述第七开关管和所述第八开关管之间；

每个开关管分别并联一个二极管，二极管的正极与开关管的发射极或源极连接，二极管的负极与开关管的集电极或漏极连接；

所述第一母线滤波电容和所述第二母线滤波电容串联组成的支路、所述第一桥臂、所述第二桥臂、所述第三桥臂、所述第四桥臂之间均并联连接。

可选的，所述AC/DC电路为双向电路。

可选的，所述第一桥臂、所述第二桥臂和所述第三桥臂的组成部件均相同。

可选的，每个开关管与其对应的二极管通过集成的方式集成为一体结构。

可选的，所述开关管为IGBT或MOSFET。

可选的，所述第一电阻为正温度系数热敏电阻。

可选的，所述第一电感、所述第二电感和所述第三电感均为功率电感。

本实用新型还提供了一种充放电装置，包括顺次串联的交流电模块、上述任一项所述的一种单三相兼容的AC/DC电路、直流电模块，所述交流电模块用于向所述AC/DC电路提供三相交流电，所述直流电模块用于向所述AC/DC电路提供直流电，所述AC/DC电路用于对所述三相交流电和所述直流电进行转换。

综上所述，本实用新型提供的一种单三相兼容的AC/DC电路及充放电装置，相比于传统的三桥臂方案，本方案具有以下优点：

1、通过增加慢管桥臂(即第四桥臂)，代替共用W相桥臂(即第三桥臂) 加二极管方案。W相桥臂可以与其它桥臂一致，无需增加二极管。慢管桥臂可选用电压应力更低，成本更低的IGBT代替，或者使用普通MOSFET加快恢复二极管，这样可以降低成本。另外，继电器可以减少一个，进一步降低了成本。

2、通过使用三相交错的工作模式替代原先的两相交错工作方式，电感在单三相模式都得到充分利用，可以使单相充电的功率做到更高。三相电感工作对称，该拓扑方案更有利于进行电感的磁集成，使得整体体积及成本进一步减小。

3、使用四个继电器外加一组电阻实现单三充电模式预充，这样第二继电器 RL2和第三继电器RL3的电流相对传统方案更小，可选用更小电流能力的继电器替代，进而降低成本。

附图说明

图1是现有技术中车载充电机的电路图。

图2是本实用新型一实施例提供的一种单三相兼容的AC/DC电路的电路图。

图3是本实用新型另一实施例提供的一种单三相兼容的AC/DC电路的电路图。

图4a是本实用新型一实施例提供的一种单三相兼容的AC/DC电路处于单相正电压预充电模式时的电路图。

图4b是本实用新型一实施例提供的一种单三相兼容的AC/DC电路处于单相负电压预充电模式时的电路图。

图4c是本实用新型一实施例提供的一种单三相兼容的AC/DC电路处于单相电压充电模式时的电路图。

图5a是本实用新型一实施例提供的一种单三相兼容的AC/DC电路处于三相电压预充电模式时的电路图。

图5b是本实用新型一实施例提供的一种单三相兼容的AC/DC电路处于三相电压充电模式时的电路图。

[附图标记说明如下]：

第一相交流电-AC_L1、第二相交流电-AC_L2、第三相交流电-AC_L3、第一继电器-RL1、第二继电器-RL2、第三继电器-RL3、第四继电器-RL4、第一电感-L1、第二电感-L2、第三电感-L3、第一母线滤波电容-Cdc1、第二母线滤波电容-Cdc2、第一开关管-U1、第二开关管-U2、第三开关管-V1、第四开关管-V2、第五开关管-W1、第六开关管-W2、第七开关管-N1、第八开关管-N2。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本实用新型提出的一种单三相兼容的AC/DC电路及充放电装置作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。第一、第二、第三等限定词是为了方便引用而增加的，有的实施例中为了简化书写，没有增加这些限定词。

参考图2和图3所示，本实施例提供了一种单三相兼容的AC/DC电路，包括第一继电器RL1、第二继电器RL2、第三继电器RL3、第四继电器RL4、第一电阻(图2中画的是PCT电阻)、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一桥臂(第一开关管U1和第二开关管U2所在的桥臂)、第二桥臂(第三开关管V1和第四开关管V2所在的桥臂)、第三桥臂(第五开关管W1和第六开关管W2所在的桥臂)、第四桥臂(第七开关管N1和第八开关管N2所在的桥臂)、第一母线滤波电容Cdc1和第二母线滤波电容Cdc2；

所述第一继电器RL1包括第一组触点，所述第一组触点为常开触点或常闭触点，所述第一组触点的一端用于与第一相交流电AC_L1连接，另一端与所述第一电感L1的一端连接；所述第一电感L1的另一端与所述第一桥臂的中间位置连接；所述第一桥臂包括串联的第一开关管U1和第二开关管U2，所述第一桥臂的中间位置位于所述第一开关管U1和所述第二开关管U2之间；其中，本实施例中的一端和另一端在图2中的位置关系为左端和右端、或者是上端和下端；各桥臂上的开关管的栅极分别连接控制信号，图中未画；

所述第二继电器RL2包括第二组触点和第三组触点，所述第二组触点和所述第三组触点的状态相反；所述第二组触点的一端与所述第一电阻的一端串联，所述第二组触点和所述第一电阻组成的支路与所述第一组触点并联；所述第三组触点的一端与所述第二组触点的另一端连接，所述第三组触点的另一端用于与第二相交流电AC_L2连接；所述第二电感L2的一端所述第三组触点的另一端连接，所述第二电感L2的另一端与所述第二桥臂的之间位置连接；所述第二桥臂包括串联的第三开关管V1和第四开关管V2，所述第二桥臂的中间位置位于所述第三开关管V1和所述第四开关管V2之间；其中，所述第二继电器RL2 和所述第一电阻的位置可以调换，具体如图2和图3所示；其中，图2中第二继电器RL2的第二组触点可以是引脚1和引脚2，即PIN1和PIN2，第二继电器RL2的第三组触点可以是PIN1和PIN3；

所述第三继电器RL3包括第四组触点和第五组触点，所述第四组触点和所述第五组触点的状态相反；所述第四组触点的一端与所述第一电感L1的一端连接，所述第四组触点的另一端与所述第三电感L3的一端连接；所述第五组触点的一端用于与第三相交流电AC_L3连接，另一端与所述第四组触点的另一端连接；所述第三电感L3的另一端与所述第三桥臂的中间位置连接；所述第三桥臂包括串联的第五开关管W1和第六开关管W2，所述第三桥臂的中间位置位于所述第五开关管W1和所述第六开关管W2之间；

所述第四继电器RL4包括第六组触点，所述第六组触点为常开触点或常闭触点，所述第六组触点的一端用于与三相交流电的中性线连接，另一端与所述第四桥臂的中间位置连接；所述第四桥臂包括串联的第七开关管N1和第八开关管N2，所述第四桥臂的中间位置位于所述第七开关管N1和所述第八开关管N2 之间；其中，第四桥臂中电流的频率为市电，电流频率通常为50HZ，而其它三个桥臂中的电流频率可以自行设计，可以达到几千赫兹以上，所以，第四桥臂也可以称为慢管桥臂；

每个开关管分别并联一个二极管，二极管的正极与开关管的发射极或源极连接，二极管的负极与开关管的集电极或漏极连接；

所述第一母线滤波电容Cdc1和所述第二母线滤波电容Cdc2串联组成的支路、所述第一桥臂、所述第二桥臂、所述第三桥臂、所述第四桥臂之间均并联连接。

本实施例提供的一种单三相兼容的AC/DC电路，相比于传统的三桥臂方案，本方案具有以下优点：

1、通过增加慢管桥臂(即第四桥臂)，代替共用W相桥臂(即第三桥臂) 加二极管方案。W相桥臂可以与其它桥臂一致，无需增加二极管。慢管桥臂可选用电压应力更低，成本更低的IGBT代替，或者使用普通MOSFET加快恢复二极管，这样可以降低成本。另外，继电器可以减少一个，进一步降低了成本。

2、通过使用三相交错的工作模式替代原先的两相交错工作方式，电感在单三相模式都得到充分利用，可以使单相充电的功率做到更高。三相电感工作对称，该拓扑方案更有利于进行电感的磁集成，使得整体体积及成本进一步减小。

3、使用四个继电器外加一组电阻实现单三充电模式预充，这样第二继电器 RL2和第三继电器RL3的电流相对传统方案更小，可选用更小电流能力的继电器替代，进而降低成本。

可选的，所述AC/DC电路为双向电路。这样所述AC/DC电路中的电流具有双向性，从而使所述AC/DC电路既能实现充电功能，又能实现放电功能。

可选的，所述第一桥臂、所述第二桥臂和所述第三桥臂的组成部件均相同。这样可以简化设计和制造所述AC/DC电路，降低成本。

可选的，每个开关管与其对应的二极管通过集成的方式集成为一体结构。这样可以方便电路接线。

可选的，所述开关管为IGBT或MOSFET。相比于其它三个桥臂，慢管桥臂只在单相模式下工作，电压应力更低，可选用更低电压应力开关管，成本更低，可选用成本更低的集成二极管的IGBT或者使用普通MOSFET加快恢复二极管组成慢管桥臂。

可选的，所述第一电阻为正温度系数热敏电阻。正温度系数热敏电阻即PTC 电阻，PTC电阻温度升高时，电阻随之升高，这样可以防止电路短路而烧毁。

可选的，如图2所示，所述第一电感L1、所述第二电感L2和所述第三电感L3均为功率电感。功率电感的体积比常规电感的体积小，使用功率电感可以是单相功率因数、电压电流纹波、EMC(Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性)性能更优。同时，三相电感工作对称，该拓扑方案更有利于进行功率电感的磁集成，使得整体体积及成本进一步减小。

以下结合附图对本实实用新型提供的一种单三相兼容的AC/DC电路的单相充放电和三相充放电的原理进行进一步说明。各图中黑色部分表示该部分处于通电状态，灰色部分表示该部分处于断电状态。

如图4a和图4b所示，为所述AC/DC电路处于单相预充电模式时的电路回路。通过闭合继电器RL4的触点，使AC电网与PTC电阻、继电器RL2～RL4、开关管U1～2的体二极管、开关管W1～2的体二极管、开关管N1～2的体二极管及功率电感L1、L3形成预充回路。

如图4c所示，预充完成后,继电器RL1的触点闭合，继电器RL2的PIN1 和PIN3闭合，继电器RL3的PIN1和PIN2闭合，进入到单相充电模式。单相充电模式下，开关管N1～N2默认不开通，UVW三相桥臂按120゜交错导通，上下管互补导通，对AC电网能量进行功率因数校正，并整流成直流为后级DCDC 电路输入能量。

对于单相工作模式中的放电状态，四桥臂上下管互补导通，其中，慢管桥臂上的开关管N1在AC电压负向时导通，开关管N2在AC电压正向时导通。 UVW三相桥臂同样按120゜交错导通，将DCDC电路反向传输过来的能量传递到AC侧电网或交流负载。

如图5a所示，为所述AC/DC电路处于三相预充电模式时的电路回路。AC 电网通过PTC电阻与继电器RL2～3、三桥臂开关管的体二极管及功率电感L1～3 形成预充回路。

如图5b所示，预充完成后，继电器RL1闭合，继电器RL2的PIN1和PIN2 断开，继电器RL3的PIN1和PIN3闭合，进入到三相充电模式。三相充电模式下，开关管N1～N2默认不开通，对AC电网能量进行功率因数校正，并整流成直流为后级DCDC电路输入能量。

对于三相工作模式中的放电状态，继电器状态与充电模式一致，开关管 N1～N2默认不开通，将DCDC电路反向传输过来的能量传递到AC侧电网或交流负载。

基于与上述一种单三相兼容的AC/DC电路相同的技术构思，本实施例还提供了一种充放电装置，包括顺次串联的交流电模块、上述任一项所述的一种单三相兼容的AC/DC电路、直流电模块，所述交流电模块用于向所述AC/DC电路提供三相交流电，所述直流电模块用于向所述AC/DC电路提供直流电，所述 AC/DC电路用于对所述三相交流电和所述直流电进行转换。

综上所述，本实用新型提供的一种单三相兼容的AC/DC电路及充放电装置，相比于传统的三桥臂方案，本方案具有以下优点：

1、通过增加慢管桥臂(即第四桥臂)，代替共用W相桥臂(即第三桥臂) 加二极管方案。W相桥臂可以与其它桥臂一致，无需增加二极管。慢管桥臂可选用电压应力更低，成本更低的IGBT代替，或者使用普通MOSFET加快恢复二极管，这样可以降低成本。另外，继电器可以减少一个，进一步降低了成本。

2、通过使用三相交错的工作模式替代原先的两相交错工作方式，电感在单三相模式都得到充分利用，可以使单相充电的功率做到更高。三相电感工作对称，该拓扑方案更有利于进行电感的磁集成，使得整体体积及成本进一步减小。

3、使用四个继电器外加一组电阻实现单三充电模式预充，这样第二继电器 RL2和第三继电器RL3的电流相对传统方案更小，可选用更小电流能力的继电器替代，进而降低成本。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种单三相兼容的AC/DC电路，其特征在于，包括第一继电器、第二继电器、第三继电器、第四继电器、第一电阻、第一电感、第二电感、第三电感、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第一母线滤波电容和第二母线滤波电容；

所述第一继电器包括第一组触点，所述第一组触点为常开触点或常闭触点，所述第一组触点的一端用于与第一相交流电连接，另一端与所述第一电感的一端连接；所述第一电感的另一端与所述第一桥臂的中间位置连接；所述第一桥臂包括串联的第一开关管和第二开关管，所述第一桥臂的中间位置位于所述第一开关管和所述第二开关管之间；

所述第二继电器包括第二组触点和第三组触点，所述第二组触点和所述第三组触点的状态相反；所述第二组触点的一端与所述第一电阻的一端串联，所述第二组触点和所述第一电阻组成的支路与所述第一组触点并联；所述第三组触点的一端与所述第二组触点的另一端连接，所述第三组触点的另一端用于与第二相交流电连接；所述第二电感的一端所述第三组触点的另一端连接，所述第二电感的另一端与所述第二桥臂的之间位置连接；所述第二桥臂包括串联的第三开关管和第四开关管，所述第二桥臂的中间位置位于所述第三开关管和所述第四开关管之间；

所述第三继电器包括第四组触点和第五组触点，所述第四组触点和所述第五组触点的状态相反；所述第四组触点的一端与所述第一电感的一端连接，所述第四组触点的另一端与所述第三电感的一端连接；所述第五组触点的一端用于与第三相交流电连接，另一端与所述第四组触点的另一端连接；所述第三电感的另一端与所述第三桥臂的中间位置连接；所述第三桥臂包括串联的第五开关管和第六开关管，所述第三桥臂的中间位置位于所述第五开关管和所述第六开关管之间；

所述第四继电器包括第六组触点，所述第六组触点为常开触点或常闭触点，所述第六组触点的一端用于与三相交流电的中性线连接，另一端与所述第四桥臂的中间位置连接；所述第四桥臂包括串联的第七开关管和第八开关管，所述第四桥臂的中间位置位于所述第七开关管和所述第八开关管之间；

每个开关管分别并联一个二极管，二极管的正极与开关管的发射极或源极连接，二极管的负极与开关管的集电极或漏极连接；

所述第一母线滤波电容和所述第二母线滤波电容串联组成的支路、所述第一桥臂、所述第二桥臂、所述第三桥臂、所述第四桥臂之间均并联连接。

2.如权利要求1所述的一种单三相兼容的AC/DC电路，其特征在于，所述AC/DC电路为双向电路。

3.如权利要求1所述的一种单三相兼容的AC/DC电路，其特征在于，所述第一桥臂、所述第二桥臂和所述第三桥臂的组成部件均相同。

4.如权利要求1所述的一种单三相兼容的AC/DC电路，其特征在于，每个开关管与其对应的二极管通过集成的方式集成为一体结构。

5.如权利要求1所述的一种单三相兼容的AC/DC电路，其特征在于，所述开关管为IGBT或MOSFET。

6.如权利要求1所述的一种单三相兼容的AC/DC电路，其特征在于，所述第一电阻为正温度系数热敏电阻。

7.如权利要求1所述的一种单三相兼容的AC/DC电路，其特征在于，所述第一电感、所述第二电感和所述第三电感均为功率电感。

8.一种充放电装置，其特征在于，包括顺次串联的交流电模块、权利要求1-7任一项所述的一种单三相兼容的AC/DC电路、直流电模块，所述交流电模块用于向所述AC/DC电路提供三相交流电，所述直流电模块用于向所述AC/DC电路提供直流电，所述AC/DC电路用于对所述三相交流电和所述直流电进行转换。

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