一种车载充电机及其预充电方法

技术领域

本申请涉及新能源汽车技术领域，特别涉及一种车载充电机及其预充电方法。

背景技术

随着节能减排以及控制大气污染的需求，新能源汽车逐渐在市场商用，而电动汽车更是新能源汽车的主力军。在电动汽车的车载充电机中，其PFC(Power FactorCorrection，功率因数校正)电路的输出端会存在较大的电容，因此，在其输入端的交流电接通瞬间，整个回路之间会出现很大的电流，容易对保险、继电器及整车零件造成损伤。

为防止这种电流冲击，一般需要对该电容进行预充电，限制电源接通瞬间的充电电流，以保护元器件不会因大电流而损坏。现有技术中常见的做法是增加预充电回路，如图1所示，先通过预充电阻R1逐渐给电容C1充电，再闭合继电器K1对电容C1继续进行充电。

但是，上述方案需要增加预充电阻R1，既增加体积，又增加了成本。而且，在异常情况下，该方案只能切断继电器，而交流电还可以通过预充电阻R1进入充电机，进而无法快速切断供电电源，也即不能实现断电保护功能。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种车载充电机及其预充电方法，以在没有预充电阻的情况下实现对于电容的预充电，且具备断电保护功能。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请第一方面提供了一种车载充电机的预充电方法，包括：

控制所述车载充电机中的母线侧变换电路和高压侧变换电路启动；

控制所述高压侧变换电路和所述母线侧变换电路反向运行，向所述车载充电机中直流母线正负极之间的母线电容进行预充电；

判断所述母线电容上的电压是否达到预设电压；

若所述母线电容上的电压达到所述预设电压，则控制所述母线侧变换电路和所述高压侧变换电路停止运行。

可选的，控制所述高压侧变换电路和所述母线侧变换电路反向运行，向所述车载充电机中直流母线正负极之间的母线电容进行预充电，包括：

以所述预设电压为给定值，通过控制所述母线侧变换电路和所述高压侧变换电路之间的外移相角，控制所述高压侧变换电路和所述母线侧变换电路反向运行，对所述母线电容上的电压进行闭环控制。

可选的，所述预设电压为所述车载充电机的交流接口所接交流电的峰值电压。

可选的，控制所述车载充电机中的母线侧变换电路和高压侧变换电路启动，包括：

对所述母线侧变换电路和所述高压侧变换电路中开关管的控制信号，控制其占空比和开关频率分别在第一预设时长内达到对应的预设值。

可选的，控制其占空比和开关频率分别在第一预设时长内达到对应的预设值，包括：

在所述第一预设时长内，控制其占空比从最小占空比上升至预设占空比，并控制其开关频率从初始频率下降至预设频率。

可选的，在判断所述母线电容上的电压是否达到预设电压之后，还包括：

若所述母线电容上的电压未达到所述预设电压，则返回控制所述高压侧变换电路和所述母线侧变换电路反向运行，向所述车载充电机中直流母线正负极之间的母线电容进行预充电的步骤。

可选的，在判断所述母线电容上的电压是否达到预设电压之后，还包括：

若所述母线电容上的电压未达到所述预设电压，且所述母线侧变换电路和所述高压侧变换电路完成启动后的时长已超过第二预设时长，则上报故障信号，并结束开机操作。

可选的，在控制所述车载充电机中的母线侧变换电路和高压侧变换电路启动之前，还包括：

接收开机信号。

可选的，判断所述母线电容上的电压是否达到预设电压，包括：

判断所述母线电容上的电压与所述预设电压之间的差值是否小于预设调整电压；

若所述差值小于所述预设调整电压，则判定所述母线电容上的电压达到所述预设电压。

本申请第二方面提供一种车载充电机，包括：控制器、输入开关、功率因数校正PFC电路、母线电容、变压器、母线侧变换电路和高压侧变换电路；其中，

所述PFC电路的交流侧通过所述输入开关，连接所述车载充电机的交流接口；

所述PFC电路的直流侧，通过直流母线，连接所述母线侧变换电路的直流侧；

所述母线电容连接于所述直流母线的正负极之间；

所述母线侧变换电路的交流侧，通过所述变压器，连接所述高压侧变换电路的交流侧；

所述高压侧变换电路的直流侧，连接所述车载充电机的高压直流接口；

所述输入开关、所述PFC电路、所述母线侧变换电路及所述高压侧变换电路，受控于所述控制器；所述控制器用于执行如上述第一方面任一种所述的车载充电机的预充电方法。

可选的，还包括：低压侧变换电路；

所述变压器的原边绕组，连接所述母线侧变换电路的交流侧；

所述变压器的一个副边绕组，连接所述高压侧变换电路的交流侧；

所述变压器的另一个副边绕组，连接所述低压侧变换电路的交流侧；

所述低压侧变换电路直流侧，连接所述车载充电机的低压直流接口；

所述低压侧变换电路受控于所述控制器。

可选的，所述母线侧变换电路为：全桥电路或者半桥电路；

所述高压侧变换电路为：全桥电路或者半桥电路。

可选的，所述低压侧变换电路为：全桥电路，或者，级联连接的全波整流电路与降压电路。

可选的，所述母线侧变换电路的交流侧，与所述变压器的原边绕组之间，串联连接有隔直电容；所述高压侧变换电路的交流侧，与所述变压器的对应副边绕组之间，串联连接有谐振腔；

或者，所述母线侧变换电路的交流侧，与所述变压器的原边绕组之间，串联连接有谐振腔；所述高压侧变换电路的交流侧，与所述变压器的对应副边绕组之间，串联连接有隔直电容。

本申请提供的车载充电机的预充电方法，首先控制车载充电机中的母线侧变换电路和高压侧变换电路启动；然后，控制高压侧变换电路和母线侧变换电路反向运行，向车载充电机中直流母线正负极之间的母线电容进行预充电；直至母线电容上的电压达到预设电压，再控制母线侧变换电路和高压侧变换电路停止运行；进而实现对于母线电容的预充电功能，使车载充电机中无需设置现有技术中的预充电阻，避免了体积和成本的增加；而且，省略了预充电阻之后，可以在异常情况下通过切断继电器来实现断电保护功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的车载充电机的部分结构示意图；

图2为本申请实施例提供的车载充电机的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的车载充电机的另一结构示意图；

图4为本申请实施例提供的车载充电机的预充电方法的流程图；

图5为本申请实施例提供的车载充电机中磁集成三端口电路的一种电路图；

图6为本申请实施例提供的车载充电机中磁集成三端口电路的另一种电路图；

图7为图6所示结构的相应反向预充电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本申请提供一种车载充电机的预充电方法，以在没有预充电阻的情况下实现对于电容的预充电，且具备断电保护功能。

参见图2，该车载充电机中包括：控制器(图中未展示)、输入开关K、PFC电路101、母线电容C、变压器Tr、母线侧变换电路201和高压侧变换电路202；其中，PFC电路101的交流侧通过输入开关K，连接车载充电机的交流接口(如图中所示的L和N)；该PFC电路101的直流侧，通过直流母线，连接母线侧变换电路201的直流侧；直流母线的正负极之间连接有母线电容C；该母线侧变换电路201的交流侧，通过变压器Tr，连接高压侧变换电路202的交流侧；该高压侧变换电路202的直流侧，连接车载充电机的高压直流接口(如图中所示的HV)；实际应用中，该车载充电机也可以如图3中所示，即还包括一个低压侧变换电路203，其交流侧连接变压器Tr的对应副边绕组，其直流侧连接车载充电机的低压直流接口(如图中所示的LV)。该输入开关K、PFC电路101、母线侧变换电路201、高压侧变换电路202及低压侧变换电路203，均受控于控制器。该控制器可以执行如下所述的预充电方法。

参见图4，该车载充电机的预充电方法，包括：

S101、控制车载充电机中的母线侧变换电路和高压侧变换电路启动。

实际应用中，可以是在控制器接收到开机信号后执行该步骤，且该步骤具体可以是调整图2或图3中所示母线侧变换电路201和高压侧变换电路202的控制信号，使其占空比和开关频率均达到正常运行时的状态。对于图3所示的车载充电机，此时，其低压侧变换电路203处于封波状态即可。

S102、控制高压侧变换电路和母线侧变换电路反向运行，向车载充电机中直流母线正负极之间的母线电容进行预充电。

一般情况下，图2或图3中所示母线侧变换电路201和高压侧变换电路202均正向运行，进而将PFC电路101从交流接口(如图中所示的L和N)接收的电能，从直流母线传输到高压直流接口HV，为高压直流接口HV所接的高压动力电池充电。

图2或图3中所示母线侧变换电路201和高压侧变换电路202均反向运行时，可以将高压直流侧HV从高压动力电池获取的电能传输到直流母线，为母线电容C充电。

S103、判断母线电容上的电压是否达到预设电压。

实际应用中，该预设电压具体可以是指该车载充电机的交流接口所接交流电的峰值电压；若该交流接口所接交流电的电压记为Vac，则该预设电压具体是Vac*1.414。图2或图3中所示该母线电容C上的电压，也即直流母线电压VBUS。

判断母线电容上的电压是否达到预设电压的步骤，具体可以包括：判断母线电容上的电压与预设电压之间的差值是否小于预设调整电压；若该差值小于预设调整电压，则判定母线电容上的电压达到预设电压。比如，具体可以判断|VBUS－Vac*1.414|

若母线电容上的电压达到预设电压，则执行步骤S104。

S104、控制母线侧变换电路和高压侧变换电路停止运行。

该步骤具体可以是对图2或图3中所示母线侧变换电路201和高压侧变换电路202中的各开关管进行封波处理；进而，结束反向预充模式。

本实施例提供的该车载充电机的预充电方法，通过上述原理，复用现有车载充电机器件，实现对于母线电容的预充电功能，使该车载充电机中无需设置现有技术中的预充电阻，避免了体积和成本的增加。

另外，QC/T 895-2011-6.4.3.7要求车载充电机应具备断电保护功能，即在异常情况下快速切断供电电源的功能。具体测试方法是：在稳定运行过程中，通过控制接触器将车载充电机输出端短路，检查车载充电机是否快速切断输入端接收的交流电。显然，图1所示的现有技术方案，只能切断继电器K1，而交流电还可以通过预充电阻R1进入车载充电机，因此无法实现该断电保护功能。而本实施例提供的该预充电方法，通过复用现有车载充电机器件实现对于母线电容的预充电功能，可以省略图1中所示的预充电阻R1，进而可以在异常情况下通过切断图2或图3中所示的输入开关K(也即上述继电器)来实现断电保护功能。

在上一实施例的基础之上，本实施例对该车载充电机的预充电方法中的各给出了一些具体示例，比如：

其S101具体可以包括：对母线侧变换电路和高压侧变换电路中开关管的控制信号，控制其占空比和开关频率分别在第一预设时长内达到对应的预设值。而控制其占空比和开关频率分别在第一预设时长内达到对应的预设值，具体可以包括：在第一预设时长内，控制其占空比从最小占空比上升至预设占空比，并控制其开关频率从初始频率下降至预设频率。

图5和图6以母线侧变换电路201和高压侧变换电路202均是全桥电路为例进行展示，母线侧变换电路201中包括开关管Q1至Q4，高压侧变换电路202中包括开关管Q5至Q8；正常运行时，开关管Q1与Q4同相位，开关管Q2与Q3同相位，开关管Q5与Q8同相位，开关管Q6与Q7同相位；并且，同一桥臂内的两开关管控制信号互补，即：开关管Q1与Q2的控制信号互补，开关管Q3与Q4的控制信号互补，开关管Q5与Q6的控制信号互补，开关管Q7与Q8的控制信号互补。

因此，在该车载充电机的控制器接收到开机信号后，需要将开关管Q1至Q8的控制信号调整至正常运行时的情况，使母线侧变换电路201和高压侧变换电路202完成启动。

实际应用中，该最小占空比可以是1％；该预设占空比也即最大占空比，可以是50％，但为了使互补动作的开关管保留一定的死区，可以设置该预设占空比为一个小于50％的值，比如45％，但并不仅限于此，视其具体应用环境而定即可。该第一预设时长具体可以是100ms，该初始频率可以是150kHz，该预设频率可以是90kHz，也都不仅限于此，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

具体的，控制器在接收到开机信号后，100ms以内控制开关管Q1至Q8从最小占空比如1％增加到预设占空比如45％，开关频率从150kHz减小到90kHz；对于开关管Q9至Q12保持封波状态即可。

另外，该预充电方法中的S102，具体可以包括：以该预设电压为给定值，通过控制母线侧变换电路和高压侧变换电路之间的外移相角，控制高压侧变换电路和所述母线侧变换电路反向运行，对母线电容上的电压进行闭环控制。

以图5或图6所示结构为例进行说明，开关管Q1(或Q4)与Q5(或Q8)之间的相移，或者，开关管Q2(或Q3)与Q6(或Q7)之间的相移，称为外移相角。

母线电容C上的电压，也即直流母线电压VBUS，其给定值设置为该预设电压，比如，设置VBUS0＝Vac*1.414；然后，控制上述外移相角，闭环预充母线电容C，直至|VBUS－Vac*1.414|

再者，该预充电方法，如图2中所示，在S103之后，还可以包括：若母线电容上的电压未达到预设电压，则返回S102。

实际应用中，若多次执行S102之后，母线电容上的电压仍未达到预设电压，则并不能无限次执行S102；因此，在S103之后，该预充电方法还可以进一步包括：若母线电容上的电压未达到预设电压，且母线侧变换电路和高压侧变换电路完成启动后的时长已超过第二预设时长，则上报故障信号，并结束开机操作。

该第二预设时长具体可以是200ms，但并不仅限于此，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

本申请另一实施例还提供了一种车载充电机，参见图2，包括：控制器(图中未展示)、输入开关K、PFC电路101、母线电容C、变压器Tr、母线侧变换电路201和高压侧变换电路202；其中：

PFC电路101的交流侧通过输入开关K，连接车载充电机的交流接口(如图中所示的L和N)，该交流接口用于实现交流电的接入，或者实现与交流负载之间的连接。

该PFC电路101的直流侧，通过直流母线，连接母线侧变换电路201的直流侧；该母线电容C连接于直流母线的正负极之间。

该母线侧变换电路201的交流侧，通过变压器Tr，连接高压侧变换电路202的交流侧；该高压侧变换电路202的直流侧，连接车载充电机的高压直流接口HV。

另外，该车载充电机中还可以包括图3中所示的低压侧变换电路203；具体的，该变压器Tr的原边绕组，连接母线侧变换电路201的交流侧；该变压器Tr的一个副边绕组，连接高压侧变换电路202的交流侧；该变压器Tr的另一个副边绕组，连接低压侧变换电路203的交流侧；该低压侧变换电路203直流侧，连接车载充电机的低压直流接口LV。变压器Tr、母线侧变换电路201、高压侧变换电路202和低压侧变换电路203，构成磁集成三端口电路。

具体的，该母线侧变换电路201可以是全桥电路(如图5或图6中所示)或者半桥电路(未进行图示)；该高压侧变换电路202也可以是(如图5或图6中所示)或者半桥电路(未进行图示)。该低压侧变换电路203可以是：全桥电路(未进行图示)，或者，级联连接的全波整流电路与降压电路(如图6中所示)；均可以根据实际应用环境而定，此处不做限定。

可选的，如图5中所示，该母线侧变换电路201的交流侧，与变压器Tr的原边绕组之间，串联连接有隔直电容Cb；高压侧变换电路202的交流侧，与变压器Tr的对应副边绕组之间，串联连接有谐振腔，包括谐振电感Lr和谐振电容Cr。或者，如图6中所示，该母线侧变换电路201的交流侧，与变压器Tr的原边绕组之间，串联连接有谐振腔(包括谐振电感Lr和谐振电容Cr)；高压侧变换电路202的交流侧，与变压器Tr的对应副边绕组之间，串联连接有隔直电容Cb。

图5和图6均是以图3所示三端口磁集成结构为基础进行的具体展示，以图5所示结构为例进行说明：母线侧变换电路201的交流侧，也即其两桥臂中点，串联连接变压器Tr的原边绕组与隔直电容Cb；励磁电感Lm1集成在三绕组的变压器Tr中，且该变压器Tr的原边绕组、高压侧副边绕组、低压侧副边绕组的匝比为n1：n2:n3:n3；高压侧变换电路202的交流侧，也即其两桥臂中点，串联连接谐振电容Cr、变压器Tr的高压侧副边绕组、谐振电感Lr；低压侧变换电路203中，全波整流电路内的开关管Q9和Q10，采用共源极接法，两者的漏极分别接至变压器Tr带中心抽头的低压侧副边绕组上下两端，中心抽头后接降压电路。

其中，隔直电容Cb起到防止变压器Tr电压正负不对称导致的磁偏饱和作用，其容值一般较大，因此两端电压很小且变化不大，在分析时可默认为短路。而且，该隔直电容Cb，与谐振电容Cr谐振电感Lr组成的谐振腔，可以互换位置，如图6中所示。

该输入开关K、PFC电路101、母线侧变换电路201、高压侧变换电路202及低压侧变换电路203，受控于控制器。

实际应用中，该车载充电机，可以实现从交流接口(如图2或图3中所示的L和N)到高压直流接口HV和/或低压直流接口LV的充电功率传输，也可以实现从高压直流侧HV到交流接口和/或低压直流接口LV的放电功率传输，还可以实现从低压直流接口LV到高压直流接口HV的功率传输，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

而且，该控制器用于执行如上述任一实施例所述的车载充电机的预充电方法，此时，相应的反向预充电路图如图7所示(以图6所示结构为例进行展示)，利用母线侧变换电路201和高压侧变换电路202组成DAB(Dual Active Bridge，双有源桥)升降压电路，以高压动力电池的电能为母线电容C充电。

该预充电方法，分为开环缓启动阶段和闭环预充阶段，开环缓启动阶段使母线侧变换电路201和高压侧变换电路202的控制信号达到预设占空比，闭环预充阶段通过控制母线侧变换电路201和高压侧变换电路202的外移相角，控制控制能量从高压直流接口HV流向直流母线，将母线电容C充电到预设电压附近，比如交流接口所接交流电压Vac的峰值电压附近，完成预充。

本实施例借助于车载充电机本身的电路反向运行实现预充电功能，将预充电功能集成在车载充电机中，可以省略图1中的预充电阻R1，减小体积、降低成本，同时让车载充电机具备断电保护功能。

本说明书中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述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模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。