一种集成DC/DC转换器的车载充电机主电路及其控制环路的制作方法

本实用新型涉及一种车载充电机，更具体的涉及一种集成DC/DC转换器的车载充电机主电路及其控制环路。

背景技术：

近年来，随着电动汽车行业的蓬勃发展，车载电子设备呈小型化、集成化、高功率密度化的趋势。特别是车载OBC(On Board Charge)充电机和车载DC/DC，作为整个电动汽车的电能转换核心部件，迫切需求小型化、高度集成化。

图1为目前常用的车载OBC和车载DC/DC实现物理集成的方案，该方案虽然节省了部分结构件和端口配线，但仍需要大量的电气元件，成本高、体积大，集成化程度较低。如图 1所示，市电输入通过EMC滤波电路、单相整流电路、PFC功率校正电路、OBC输入侧开关电路进入OBC主变压器，再通过OBC输出侧整流电路、OBC输出滤波电路将能量传递给动力电池组，动力电池组将能量通过DC/DC输入侧EMC滤波电路、DC/DC输入侧开关电路传递给DC/DC主变压器，并通过DC/DC主变压器将能量通过DC/DC输出侧整流电路、DC/DC 输出侧滤波电路传输给蓄电池及负载。现有的电气集成方案只能实现电池充电的单一功能，并不能满足现实的多样化需求。

技术实现要素：

本提出一种新型的集成DC/DC转换器的车载充电机主电路及其控制环路，将DC/DC转换器与车载OBC做电气集成，实现了整机体积大幅度减小、成本明显降低、功率密度显著提高、可靠性进一步提升。

同时，本实用新型能实现交流输入侧电网与直流侧动力电池组之间的能量双向传递，具备双向车载OBC功能。

本实用新型的充电机主电路，如图2所示，市电通过该集成DC/DC转换器的车载充电机主电路与动力电池组进行能量双向传递，其中该集成DC/DC转换器的车载充电机主电路包括 OBC/DCDC主变压器以及DC/DC输出侧整流电路，OBC/DCDC主变压器将能量传递给 DC/DC输出侧整流电路，DC/DC输出侧整流电路将能量传递给汽车蓄电池及负载，该集成 DC/DC转换器的车载充电机主电路包括电动汽车充电状态、动力电池组给蓄电池供电状态以及汽车动力电池组能量回馈电网的三种工作状态。其中OBC/DCDC主变压器包括原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组，原边绕组为市电输入侧，第一副边绕组输出连接汽车动力电池组，第二副边绕组输出连接车载蓄电池；DC/DC输出侧整流电路包括共源极结构的晶体管Q9、Q10和Q11、Q12，晶体管Q9、Q10、Q11和Q12构成全波整流，与第二副边绕组串联，与输出车载蓄电池侧电解电容Cout并联，提供车载蓄电池输出电压Vbat_Pb；晶体管Q1、 Q2、Q3、Q4构成CLLC输入侧开关与母线大电解电容C_bus并联，原边绕组与电磁继电器 RLY1、输入侧谐振电感Lr1，输入侧谐振电容Cr1串联，跨接到晶体管Q1、Q2、Q3、Q4构成的输入侧开关上；晶体管Q5、Q6、Q7、Q8构成CLLC输出动力电池组侧全桥整流电路，与动力电池组侧电解电容Co_bat并联，输出Vbat_Li给动力电池组充电，第一副边绕组、输出动力电池组侧谐振电感Lr2，输出动力电池组侧谐振电容Cr2串联，并跨接到晶体管Q5、 Q6、Q7、Q8构成CLLC输出动力电池组侧全桥整流电路中。

本实用新型还提供了一种用于控制权利要求1-8的集成DC/DC转换器的车载充电机主电路的控制环路，包括主控制MCU、隔离电路、驱动电路、采样电路、继电器以及晶体管Q1-Q12，采用CLLC双向控制以及蓄电池侧同步整流控制上叠加PWM脉宽调整控制，实现对集成 DC/DC转换器的车载充电机主电路的双环路控制。其中采样电路包括原边采样、动力电池组侧主环路采样、蓄电池侧环路采样。

附图说明

图1为现有技术的车载OBC+DC/DC物理集成方式；

图2为本实用新型的车载OBC+DC/DC电气集成方式；

图3为本实用新型的车载OBC+DC/DC电气集成方案主电路拓扑；

图4为本实用新型的OBC+DC/DC主电路控制环路；

图5为主电路控制环路在工作状态1的发波方式；

图6为主电路控制环路在工作状态2发波方式；

图7为主电路控制环路在工作状态3发波方式。

具体实施方式

本实用新型采用双向CLLC控制技术，在主变压器增加一个副边绕组作为DC/DC输出侧绕组，给蓄电池及负载供电，来实现OBC与DC/DC电气集成。具体实施电路如图3所示。

图3拓扑器件说明：T1为车载OBC+DC/DC集成的主变压器，包含三个绕组，原边绕组 1为市电输入侧，副边绕组2输出连接汽车动力电池组，副边绕组3输出连接车载蓄电池； C_bus为母线大电解电容，Co_bat为动力电池组侧电解电容，Cout为输出车载蓄电池侧电解电容；Q1、Q2、Q3、Q4为CLLC输入侧开关N型MOSFET，Q5、Q6、Q7、Q8为CLLC 输出动力电池组侧全桥整流N型MOSFET，Q9、Q10、Q11、Q12为输出蓄电池侧全波整流 N型MOSFET，Q9和Q10、Q11和Q12采用共源极结构；RLY1为电磁继电器；Lr1为输入侧谐振电感，Cr1为输入侧谐振电容；Lr2为输出动力电池组侧谐振电感，Cr2为输出动力电池组侧谐振电容。

本实用新型的控制策略如下：

工作状态1：当电动汽车处于充电状态

此时继电器RLY1闭合，输入前级整流电路和PFC电路将220Vac交流电压转变成稳定的Vbus直流电压，主变压器T1的原边绕组1为能量输入侧，副边绕组2和副边绕组3为输出侧。Q1、Q2、Q3、Q4为全桥CLLC控制向副边传能；Q5、Q6、Q7、Q8为输出同步整流控制，输出Vbat_Li给动力电池组充电；Q9和Q10、Q11和Q12通过同步整流+PWM 调节来控制输出电压Vbat_Pb，给车载蓄电池充电。从而实现了车载OBC功能。

工作状态2：动力电池组给蓄电池供电状态

此时继电器RLY1断开，原边绕组1处于开路状态，副边绕组2为能量输入侧，副边绕组3为输出侧。关闭Q1、Q2、Q3、Q4驱动，使原边处于完全断开状态；此时Q5、Q6、Q7、 Q8为输入全桥LLC控制的开关管，汽车动力电池组处于放电状态；Q9和Q10、Q11和Q12 通过同步整流输出稳定的电压Vbat_Pb，给车载蓄电池充电，从而实现车载DC/DC变换器的功能。

工作状态3：汽车动力电池组能量回馈电网

此时继电器RLY1闭合，原边绕组1为能量回馈电网输出侧，副边绕组2为动力电池组能量输入侧，副边绕组3为车载蓄电池充电输出侧，Q5、Q6、Q7、Q8为输入全桥CLLC控制的开关管，动力电池组处于放电状态，将能量回馈电网；Q1、Q2、Q3、Q4为全桥同步整流控制，输出控制输出母线电压Vbus；此时Q9和Q10、Q11和Q12可以处于断开状态，也可以通过全波同步整流+PWM调节控制输出稳定电压Vbat_Pb，给车载蓄电池充电。从而实现双向OBC功能，将动力电池组的能量回馈电网。

为了实现本实用新型的技术方案，让更多的工程技术工作者容易了解和应用本实用新型，将结合具体的实施方式以及控制方案，进一步阐述本实用新型的工作原理。

本实用新型是一种应用于电动汽车车载电源的OBC和DC/DC集成拓扑，将实现车载 OBC和DC/DC电气集成，改善了现有的车载电源功能单一、器件数量庞大、制造成本高、占用体积大等缺点。并且将实现双向车载OBC功能，在电网给电动汽车动力电池组充电功能上，增加电动汽车动力电池组能量回馈电网的功能。

图4是本实用新型具体控制方式，本实用新型采用双环路控制，主环路为CLLC双向控制，蓄电池侧环路是在蓄电池侧同步整流控制上叠加PWM脉宽调节控制，以保证蓄电池侧能实现输出电压高稳压精度。

在工作状态1：电动汽车处于充电状态

电磁继电器RLY1闭合，主MCU通过采样Vbat_Li电压值和动力电池组侧输出电流值，进行PFM频率调节方式控制(Q1、Q2、Q3、Q4)，实现CLLC控制传能。同时动力电池组侧副边(Q5、Q6、Q7、Q8)，可通过与(Q1、Q2、Q3、Q4)后开先关的方式实现同步整流。蓄电池侧副边(Q9、Q10、Q11、Q12)与(Q5、Q6、Q7、Q8)同时开通，但是增加PWM脉宽调制提前关断。具体控制发波见图5。

在工作状态2：动力电池组给蓄电池供电状态

电磁继电器RLY1断开，主MCU通过采样Vbat_Pb电压值和蓄电池侧输出电流值，进行PFM频率调节方式控制(Q5、Q6、Q7、Q8)，实现LLC控制传能。此时市电输入侧原边(Q1、 Q2、Q3、Q4)关闭驱动。蓄电池侧副边(Q9、Q10、Q11、Q12)通过先开后关策略实现同步整流，当增益过高时可以通过PWM脉宽调制实现稳压。具体控制发波见图6。

在工作状态3：汽车动力电池组能量回馈电网

电磁继电器RLY1闭合，主MCU通过采样Vbus电压值和原边输出电流值，进行PFM 频率调节方式控制(Q5、Q6、Q7、Q8)，实现CLLC控制传能，动力电池组的能量反向放电。同时原边侧(Q1、Q2、Q3、Q4)，可通过与(Q5、Q6、Q7、Q8)后开先关的方式实现同步整流。蓄电池侧副边(Q9、Q10、Q11、Q12)与(Q1、Q2、Q3、Q4)同时开通，需增加PWM 脉宽调制提前关断。具体控制发波见图7。

上述为本实用新型的基本环路控制发波原理，通过上述控制能实现车载OBC与车载 DC/DC变换器电气集成，同时实现双向车载OBC功能，将动力电池组能量回馈电网。特别是蓄电池侧同步整流+PWM脉宽调制策略，将更大限度提高DC/DC功能模块效率。

上述实施方式仅是示例性的示出本实用新型，并不企图限制本实用新型。另外对于没有详细描述的步骤属于本领域技术人员熟知的技术内容。对于涵盖在本实用新型构思内的相应的变换和更改均在本实用新型范围内。