一种带逆变功能的三端口充电机

本发明是申请号为“201710917389.X”，申请日为“2017.09.30”，名称为“一种带逆变功能的三端口充电机”的发明专利的分案申请。

技术领域

本发明涉及充电设备，尤其涉及一种带逆变功能的三端口充电机。

背景技术

随着节能减排以及控制大气污染要求的提高，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。电动汽车又分为纯电动汽车和混动汽车，其中车载充电机和大功率的DCDC是电动汽车中重要的组成部分。而现有技术中，车载充电机和DCDC模块是分散独立的，即便是集成，也属于物理层面的装配化集成，具有装配空间大，转换效率低、成本高的缺陷。

发明内容

本发明是要解决现有技术的上述缺陷，提出一种带逆变功能的三端口充电机。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是设计一种带逆变功能的三端口充电机，包括连接变压器原边绕组的原边转换电路、连接变压器第二绕组的副边第一转换电路、连接串联在一起的变压器第三绕组和变压器第四绕组的副边第二转换电路，以及对原边转换电路、副边第一转换电路和副边第二转换电路内开关进行控制的中央控制单元，其中原边转换电路连接外部电源，副边第一转换电路连接高压电池，副边第二转换电路连接低压负载。

所述中央控制单元设有充电模式、自供电模式和逆变模式，在充电模式时，控制原边转换电路内开关的通断频率、调节变压器原边绕组电压，控制副边第一转换电路内开关工作在整流方式、向所述高压电池充电，控制副边第二转换电路内开关工作在斩波方式、调节副边第二转换电路稳压输出、向所述低压负载供电；在自供电模式时，控制原边转换电路内开关关断，控制副边第一转换电路内开关通断的占空比、调节变压器第二绕组的电压，控制副边第二转换电路内开关工作在整流方式、向所述低压负载供电；在逆变模式时，控制副边第一转换电路内开关的通断频率、将高压电池的直流电逆变为交流电，控制原边转换电路内开关工作在整流方式、向所述外部电源反馈电，控制副边第二转换电路内开关工作在斩波方式、调节副边第二转换电路稳压输出、向所述低压负载供电。

所述原边转换电路包括第一至第四开关、第一电容、第一电感，第一和第三开关的通过源极和漏极依次串联后连接所述外部电源，第二和第四开关的通过源极和漏极依次串联后连接所述外部电源，第一电容、第一电感、变压器原边绕组串联在所述第一、第三开关的连接线与所述第二、第四开关的连接线之间；第一至第四开关的栅极分别与所述中央控制单元连接。

所述副边第一转换电路可以包括第五至第八开关、第四电容、第二电容，第五和第七开关的通过源极和漏极依次串联后连接第二电容两端，第六和第八开关的通过源极和漏极依次串联后连接第二电容两端，第二电容两端连接所述高压电池，第四电容、变压器第二绕组串接在所述第六、第八开关的连接线与所述第六、第八开关的连接线之间；第五至第八开关的栅极分别与所述中央控制单元连接。

所述副边第一转换电路还可以包括第五至第八开关、电流互感器、第二电容，第五和第七开关的通过源极和漏极依次串联后连接第二电容两端，第六和第八开关的通过源极和漏极依次串联后连接第二电容两端，第二电容两端连接所述高压电池，电流互感器、变压器第二绕组串接在所述第六、第八开关的连接线与所述第六、第八开关的连接线之间；第五至第八开关的栅极分别与所述中央控制单元连接。

在一个实施例中，所述副边第二转换电路包括第一和第二双向开关、续流二极管、第二电感、第三电容，所述第一双向开关的一端接所述变压器第三绕组的同名端、另一端接续流二极管的阳极和第三电容的一端，所述第二双向开关的一端接所述变压器第四绕组的异名端、另一端接续流二极管的阳极，变压器第三绕组的异名端连接变压器第四绕组的同名端、并连接续流二极管的阴极和第二电感的一端，第二电感的另一端连接第三电容的另一端，第三电容的两端连接所述低压负载，第一和第二双向开关受所述中央控制单元控制。

在所述充电模式时，所述第一和第四开关开关动作同步，第二和第三开关开关动作同步、并且与第一和第四开关交替导通截止，在第一和第四开关导通期间第二双向开关择时导通、第一双向开关截止，在第二和第三开关导通期间第一双向开关择时导通、第二双向开关截止。

在自供电模式时，所述第五和第八开关开关动作同步，第六和第七开关开关动作同步、并且与第五和第八开关交替导通截止，在第五和第八开关导通期间第二双向开关择时导通、第一双向开关截止，在第六和第七开关导通期间第一双向开关择时导通、第二双向开关截止。

在第二个实施例中，所述副边第二转换电路包括第九至第十一开关、续流二极管、第二电感、第三电容，所述第九开关一端接所述变压器第三绕组的同名端、另一端接续流二极管的阳极和第三电容的一端，所述第十开关的一端接所述变压器第四绕组的异名端、另一端接续流二极管的阳极，变压器第三绕组的异名端连接变压器第四绕组的同名端、并连接第十一开关的一端，第十一开关的的一端连接续流二极管的阴极和第二电感的一端，第二电感的另一端连接第三电容的另一端，第三电容的两端连接所述低压负载，第九至第十一开关受所述中央控制单元控制。

在第三个实施例中，所述副边第二转换电路包括第九至第十一开关、续流二极管、第二电感、第三电容，所述第九开关一端接所述变压器第三绕组的同名端、另一端接第十开关和第十一开关的一端，第十开关的另一端接所述变压器第四绕组的异名端，第十一开关的另一端接续流二极管的阳极和第三电容的一端，变压器第三绕组的异名端连接变压器第四绕组的同名端、并连接续流二极管的阴极和第二电感的一端，第二电感的另一端连接第三电容的另一端，第三电容的两端连接所述低压负载，第九至第十一开关受所述中央控制单元控制。

与现有技术相比，本发明将独立的充电机和大功率的DCDC模块集成，还兼有逆变功能，共用功率开关、控制电路和磁芯，可灵活的实现充电模式、自供电模式和逆变模式的控制和切换，电路设计简洁巧妙，体积小、重量轻、成本低,可广泛的使用在车载充电机中。

附图说明

图1为第一实施例电路图；

图2为充电模式中各开关的波形图；

图3为自供电模式中各开关的波形图；

图4为第二实施例电路图；

图5为第三实施例电路图；

图6为第四实施例电路图。

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。

本发明揭示了一种带逆变功能的三端口充电机，参看图1，其包括连接变压器原边绕组W1的原边转换电路、连接变压器第二绕组W2的副边第一转换电路、连接串联在一起的变压器第三绕组W3和变压器第四绕组W4的副边第二转换电路，以及对原边转换电路、副边第一转换电路和副边第二转换电路内开关进行控制的中央控制单元，其中原边转换电路连接外部电源、并可连接功率因数校正电路，处于高电压。副边第一转换电路连接高压电池，电路电压较高便于储存较多电能。副边第二转换电路连接低压负载，并可连接低压电池，负载额定电压不高，所以副边第二转换电路电压较低。

本发明可广泛的使用在车载充电器中，可将独立的车载充电机和大功率的DCDC模块集成起来，所述的外部电源可以是市电，所述的高压电池可以是蓄电池，所述的低压负载可以是车内各负载。

所述中央控制单元设有充电模式、自供电模式和逆变模式。

在充电模式时，中央控制单元控制原边转换电路内开关的通断频率、调节变压器原边绕组W1电压，控制副边第一转换电路内开关工作在整流方式、向所述高压电池充电，控制副边第二转换电路内开关工作在斩波方式、调节副边第二转换电路稳压输出、向所述低压负载供电；此模式中，外部电源向高压电池充电、向低压负载供电。在控制副边第二转换电路内开关工作在斩波方式时，副边第二转换电路内开关与原边转换电路内开关要保持一定时序要求，以保证副边第二转换电路内开关的电流正向流通，从而实现PWM控制稳定电压，实现副边第二转换电路向低压负载提供合适电压幅值的直流电。

在自供电模式时，中央控制单元控制原边转换电路内开关关断，控制副边第一转换电路内开关通断的占空比、调节变压器第二绕组W2的电压，控制副边第二转换电路内开关工作在整流方式、向所述低压负载供电。此时原边转换电路不参与工作，由高压电池向低压负载供电。自供电模式也称DC-DC模式。现有技术中充电电路和DC-DC电路是相对独立的电路，在本申请中，将两者集成合一，减小了体积，降低了成本。

在逆变模式时，中央控制单元控制副边第一转换电路内开关的通断频率、将高压电池的直流电逆变为交流电，控制原边转换电路内开关工作在整流方式、向所述外部电源反馈电，控制副边第二转换电路内开关工作在斩波方式、调节副边第二转换电路稳压输出、向所述低压负载供电。在一些特殊场所，特别是野外，当别的车辆、或用电器需要由本车供应电力时，本车蓄电池可通过逆变模式向外供应电力，同也向本车各负载供电。

参看图1、4、5、6示出的实施例，所述原边转换电路包括第一至第四开关Q1-Q4、第一电容C1、第一电感L1，第一和第三开关Q1、Q3的通过源极和漏极依次串联后连接所述外部电源，第二和第四开关Q2、Q4的通过源极和漏极依次串联后连接所述外部电源，第一电容、第一电感、变压器原边绕组W1串联在所述第一、第三开关Q1、Q3的连接线与所述第二、第四开关的连接线之间；第一至第四开关的栅极分别与所述中央控制单元连接。外部电源经功率因数校正电路处理后，经过原边转换电路传递给变压器T1，再将电能传递至副边第一和第二转换电路，调节第一至第四开关Q1-Q4的频率，可相应的调节副边第一和第二转换电路的输出电压。图中第一电感可以是分立元件、也可以集成在变压器T1中、还可以是T1的漏感。在充电模式时，原边转换电路中的开关、第一电容、第一电感、压器原边绕组构成一个谐振工作拓扑，可以有效低降低损耗，提高向变压器副边传输电能的效率。在逆变模式时，第一至第四开关Q1-Q4受控为整流模式。

参看图1示出的第一实施例，所述副边第一转换电路包括第五至第八开关Q5-Q8、第四电容C4、第二电容C2，第五和第七开关Q5、Q7的通过源极和漏极依次串联后连接第二电容两端，第六和第八开关Q6、Q8的通过源极和漏极依次串联后连接第二电容两端，第二电容两端连接所述高压电池，第二电容在此起到滤波电容的作用。第四电容、变压器第二绕组W2串接在所述第六、第八开关的连接线与所述第六、第八开关的连接线之间(第四电容在此起到谐振电容的作用)；第五至第八开关的栅极分别与所述中央控制单元连接。在充电模式时，第五至第八开关Q5-Q8受控为整流模式。在逆变模式时，第五至第八开关Q5-Q8受控为逆变模式。副边第一转换电路构成的拓扑结构，开关承受的电压仅为转换电路1倍的输出电压，器件成本降低很多。

参看图4示出的第二实施例，所述副边第一转换电路包括第五至第八开关Q5-Q8、电流互感器CT1、第二电容C2，第五和第七开关Q5、Q7的通过源极和漏极依次串联后连接第二电容两端，第六和第八开关Q6、Q8的通过源极和漏极依次串联后连接第二电容两端，第二电容两端连接所述高压电池，电流互感器、变压器第二绕组W2串接在所述第六、第八开关的连接线与所述第六、第八开关的连接线之间；第五至第八开关的栅极分别与所述中央控制单元连接。与第一实施例相比，本例用电流互感器CT1替换了第四电容C4，可以防止磁偏饱和问题。

参看图1示出的第一实施例，所述副边第二转换电路包括第一和第二双向开关K1、K2、续流二极管D1、第二电感L2、第三电容C3，所述第一双向开关的一端接所述变压器第三绕组W3的同名端、另一端接续流二极管D1的阳极和第三电容的一端，所述第二双向开关的一端接所述变压器第四绕组W4的异名端、另一端接续流二极管D1的阳极，变压器第三绕组的异名端连接变压器第四绕组的同名端、并连接续流二极管的阴极和第二电感的一端，第二电感的另一端连接第三电容的另一端，第三电容的两端连接所述低压负载，第一和第二双向开关受所述中央控制单元控制。在充电模式时，第一和第二双向开关受控工作在斩波方式向所述低压负载供电。在自供电模式时，第一和第二双向开关受控工作在整流方式向所述低压负载供电。在逆变模式时，第一和第二双向开关受控工作在斩波方式向所述低压负载供电。需要指出，在本例中K1、K2是双向开关，在低压负载中含有电池的情况下，中央控制单元可以控制K1、K2进行逆变，将负载中电池的直流电逆变成交流，并通过变压器T1和原边转换电路反馈给外部。需要指出，续流二极管D1可为MOSFET等有源控制器件；K1、K2可以用如下器件构成：1、Source极在一起的Mosfet；2、GAN型器件；3、SIC型器件；4、IGBT型器件等有源控制器件。

参看图2示出的充电模式中各开关的波形图，所述第一和第四开关Q1、Q4开关动作同步，第二和第三开关Q2、Q3开关动作同步、并且与第一和第四开关交替导通截止，在第一和第四开关导通期间第二双向开关择时导通、第一双向开关截止(第二双向开关的导通时间可以与第一和第四开关导通时间一样长，也可以比第一和第四开关导通时间短，导通时间由中央控制单元进行控制)，在第二和第三开关导通期间第一双向开关择时导通、第二双向开关截止(第一双向开关的导通时间可以与第二和第三开关导通时间一样长，也可以比第二和第三开关导通时间短，导通时间由中央控制单元进行控制)。

参看图3示出的自供电模式中各开关的波形图，所述第五和第八开关Q5、Q8开关动作同步，第六和第七开关Q6、Q7开关动作同步、并且与第五和第八开关交替导通截止，在第五和第八开关导通期间第二双向开关择时导通、第一双向开关截止，在第六和第七开关导通期间第一双向开关择时导通、第二双向开关截止。

参看图5示出的第三实施例，所述副边第二转换电路包括第九至第十一开关Q9-Q11、续流二极管D1、第二电感L2、第三电容C3，所述第九开关Q9一端接所述变压器第三绕组W3的同名端、另一端接续流二极管D1的阳极和第三电容的一端，所述第十开关Q10的一端接所述变压器第四绕组W4的异名端、另一端接续流二极管D1的阳极，变压器第三绕组的异名端连接变压器第四绕组的同名端、并连接第十一开关Q11的一端，第十一开关的的一端连接续流二极管的阴极和第二电感的一端，第二电感的另一端连接第三电容的另一端，第三电容的两端连接所述低压负载，第九至第十一开关受所述中央控制单元控制。其中Q9和Q10可以作为同步整流管，而Q11控制副边第二转换电压。当作为充电模式使用时，Q11的工作时序同Q1-Q4保持一致，但占空比受中央控制单元进行控制；当作为自供电模式或逆变模式使用时，Q11的工作时序同Q5-Q8保持一致，但占空比受中央控制单元进行控制；

参看图6示出的第四实施例，所述副边第二转换电路包括第九至第十一开关Q9-Q11、续流二极管D1、第二电感L2、第三电容C3，所述第九开关Q9一端接所述变压器第三绕组W3的同名端、另一端接第十开关Q10和第十一开关Q11的一端，第十开关的另一端接所述变压器第四绕组W4的异名端，第十一开关的另一端接续流二极管D1的阳极和第三电容的一端，变压器第三绕组的异名端连接变压器第四绕组的同名端、并连接续流二极管的阴极和第二电感的一端，第二电感的另一端连接第三电容的另一端，第三电容的两端连接所述低压负载，第九至第十一开关受所述中央控制单元控制。其中Q9和Q10可以作为同步整流管，而Q11控制副边第二转换电压。当作为充电模式使用时，Q11的工作时序同Q1-Q4保持一致，但占空比受中央控制单元进行控制；当作为自供电模式或逆变模式使用时，Q11的工作时序同Q5-Q8保持一致，但占空比受中央控制单元进行控制；

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。