车载充电器(OBC)的制作方法

本发明涉及一种obc，其配置为连接到任何类型的ac电源，并且其包括允许在单相、两相和分相电网中提取与三相电网中的最大功率相等的最大功率的装置。

背景技术：

作为车载充电器(obc)的电源转换系统用于向dc负载提供ac输入功率。obc能够用于例如带有逆变器级驱动的ac电动机的电动机驱动器中。obc可以将电网50/60hz转换为dc功率、将dc电压调整到高压电池所需的电平、提供电气隔离、功率因数校正(pfc)并进行控制以防止因热拔出所引起的电弧损坏。

obc通常通过pfc转换器来连接到电网，该pfc转换器确保了功率因数pf接近统一，同时将输入电流的总谐波失真(thd)限制在一定限度以下。在大多数情况下，客户要求pfc在单相、分相和三相电网中工作。通常，在单相/分相配置中仅能够输送总功率的三分之一。然而，可能需要的是在所有配置中都提供全功率，这将需要一种替代性电路拓扑，该电路拓扑既允许满足功率要求，同时又允许确保高功率密度。

传统上，单相pfc级转换器可以基于其后跟随有升压转换器的单相桥式整流器。升压转换器的输出可以是经调节的dc电压，该dc电压确保了dc/dc转换器(即电池充电器)的正确操作，以给高压dc电池充电。

能够复制已经描述过的单相拓扑，以基于每相的单相升压pfc转换器来实现三相pfc级。当已经有先前的单相设计时，这种架构是不错的选择，因为它减少了产品上市的时间。然而，与其他架构相比，组件的数量和功率密度可能没有得到优化。不利的是，基于单相桥式整流器和每相升压转换器的三相pfc级无法优化组件数量。因此，可能会损害obc输入级的功率密度。

其他当前的实施方式可以包含基于并联单相升压pfc级的1相升压pfc级，其中单相pfc级中的每个都可以潜在地并联到单相电源，或者并联到基于三相afe的三相obc或单相obc，该三相afe替代了先前描述的其后跟随有升压转换器的桥式整流器。该afe允许减少组件数量并提高功率密度。不利的是，基于三相afe的三相pfc级将能够从电网中提取的最大电流限制为单相最大电流，因此单相操作模式下的最大功率为三相操作模式下最大功率的1/3。

在obc中用于功率因数校正的有源前端(afe)转换器采用了有源开关整流器，以将输入ac功率转换为向总线提供的dc功率，其后跟随有逆变器，该逆变器驱动变压器以便将能量电气隔离地从功率因数校正器的输出传递到obc的输出。将隔离变压器的次级电流进行整流以驱动dc负载。这种有源前端转换器通常与输入滤波器(诸如连接到每个功率相的lcl滤波器电路)相耦合。由于前端整流器是开关电路，因此输入滤波器用于防止将不希望的谐波量引入到电网或其他输入源中。滤波器组件(包含滤波器电感器)通常是根据功率转换器的额定值来设计的，其中输入滤波器组件的尺寸过大会增加系统成本并占用宝贵的封闭空间。然而，可能会发生的情况是：电网电压下降，或可用的输入源电压低于转换器设计时的标称ac输入电压。

因此，期望获得一种克服了当前obc配置的上述缺点的obc输入级架构，该架构允许在单相、分相和三相电网中操作obc、确保功率因数(pf)接近于统一且thdi较低，并在使用最少数量组件的同时实现了高功率密度。此外，也期望obc在单相、两相和分相电网中能够提取的总功率与从三相电网中提取的总功率相同(因此，避免了由先前提到的afe架构所带来的单相1/3限制)。

技术实现要素：

本发明提出了一种用于obc的架构，该架构解决了上述缺点，例如其避免了由afe架构所带来的单相1/3限制，其允许了obc与单相、两相、分相和三相电网相兼容，其确保了pf接近于统一且thdi较低。此外，与先前提到的基于并联单相pfc级的现有解决方案相比，所提出obc的功率密度能够与标准三相电网afe相媲美，并且组件数量得到了优化。

因此，在本发明的主要方面，提出了一种用于利用车载充电器(obc)从ac电网中提取等于从三相电网中提取的参考最大功率的功率值的方法，该车载充电器包括具有连接到ac电网的三相有源前端(afe)的功率因数校正器(pfc)、接收来自pfc的经调节的dc电压并配置为给高压电池充电的dc/dc转换器以及将obc配置为提取功率值的装置，该装置包括三个开关sw1、sw2和sw3以及二极管臂，该二极管臂具有串联在afe的高侧与低侧之间的二极管d1和d2，其中两个开关sw1和sw2布置在afe与ac电网之间，并且能够中断在三相afe的相臂之间流动的电流，其中第三开关sw3布置在将二极管臂连接到ac电网的线路上。该方法包括通过以下方式提取功率值：通过响应于连接到三相电网的pfc将三个开关sw1、sw2和sw3致动为断开状态，使得开关sw1和sw2中断在三相afe的相臂之间流动的电流，其中第三开关sw3中断在三相电网与二极管臂之间流动的电流，其中三个开关sw1、sw2和sw3以及二极管臂不传导电流。

替代地，该方法包括以下提取功率值的步骤，即通过响应于连接到单相电网的pfc将三个开关sw1、sw2和sw3致动为闭合状态，使得二极管臂传导电流，其中开关sw1和sw2允许电流在三相afe的相臂之间流动，其中第三开关sw3闭合以允许电流在单相电网与二极管臂之间流动。

替代地，该方法包括以下提取功率值的步骤，即通过响应于连接到分相或两相电网的pfc将三个开关sw1、sw2和sw3致动为闭合状态，使得开关sw1和sw2允许电流在三相afe的相臂之间流动，其中第三开关sw3闭合以允许电流在二极管臂与分相或两相电网的一条线路之间流动。

因此，在本发明的另一方面，提出了一种用于利用车载充电器(obc)从ac电网中提取功率值的方法，该车载充电器包括具有连接到ac电网的三相有源前端(afe)的功率因数校正器(pfc)、接收来自pfc的经调节的dc电压并配置为给高压电池充电的dc/dc转换器以及布置在afe与ac电网之间的开关sw2，该开关能够中断在三相afe的两个相臂之间流动的电流。该方法包括通过响应于连接到三相电网的pfc将开关sw2致动为断开状态来提取等于从三相电网中提取的参考最大功率的功率值，其中开关sw2中断在三相afe的两个相臂之间流动的电流。

替代地，该方法包括以下提取等于2/3的参考的功率值的步骤，即通过响应于连接到单相电网的pfc将开关sw2致动为闭合状态，使得开关sw2允许电流在三相afe的两个相臂之间流动，其中afe的第三相臂承受线路电流的最大值imax并且该三相afe的两个相臂承受等于1/2imax的线路电流值。

替代地，该方法包括以下提取等于2/3的参考的功率的步骤，即通过响应于连接到分相或两相电网的pfc将开关sw2致动为闭合状态，使得开关sw2允许电流在三相afe的两个相臂之间流动，其中三相afe的第三相臂承受线路电流的最大值imax并且该afe的两个相臂承受等于1/2imax的线路电流值。

在本发明的另一主要方面，提出了一种车载充电器(obc)，其包括功率因数校正器(pfc)和dc/dc转换器，该功率因数校正器包括连接到ac电网的三相有源前端(afe)，该dc/dc转换器接收来自pfc的经调节的dc电压并配置为给高压电池充电。obc包括将obc配置为从与obc相连接的任何类型的ac电网中提取等于从三相电网中提取的参考最大功率的功率值的装置，该装置包括三个开关sw1、sw2和sw3以及二极管臂，该二极管臂的二极管d1和d2串联在afe的高侧与低侧之间。此外，两个开关sw1和sw2布置在afe与ac电网之间，并且能够中断在三相afe的相臂之间流动的电流，其中第三开关sw3布置在连接二极管臂和ac电网的线路上。

在一些示例中，obc还包括建立在电网与三相afe之间的emi滤波器。

在本发明的另一主要方面，提出了一种车载充电器(obc)，其包括功率因数校正器(pfc)和dc/dc转换器，该功率因数校正器包括连接到ac电网的三相有源前端(afe)，该dc/dc转换器接收来自pfc的经调节的dc电压并配置为给高压电池充电。obc还包括布置在afe与ac电网之间的开关sw2，该开关能够中断在三相afe的两个相臂之间流动的电流。当ac电网是三相电网时，通过以下方式使该功率值等于从三相电网中提取的参考最大功率通过响应于连接到该三相电网的pfc将开关sw2致动为断开状态，使得开关sw2中断在三相afe的两个相臂之间流动的电流。

替代地，当ac电网是单相、两相或分相电网时，通过以下方式使该功率值等于2/3的参考使开关sw2允许电流在三相afe的两个相臂之间流动，其中三相afe的第三相臂承受线路电流的最大值imax并且该afe的两个相臂承受等于1/2imax的线路电流值。

附图说明

为了更好地理解上述说明并且仅出于提供示例的目的，包含有一些非限制性附图，其示意性地描绘了实际实施例。

图1示出了obc的传统充电控制系统。

图2示出了根据本公开的连接到三相电网的obc的示例。

图3示出了根据本公开所提出的连接到单相电网的obc。

图4示出了根据本公开所提出的连接到分相或两相电网的obc。

图5和6示出了根据本公开的具有emi滤波器的obc的示例。

图7、8和9示出了根据本公开的用于连接到三相、单相、两相或分相电网的obc的另一示例。

具体实施方式

图1是示出了obc(100)的传统充电控制系统的图示。传统上，这些充电控制系统具有这样的结构，即可以通过功率因数校正(pfc)级(120)和dc-dc转换器(130)将单相、分相和三相电网的交流(ac)功率转换为dc功率并作为输入电源来进行供应，并作为能量存储在dc电源中。图1示出了具有用于三相电网(110)的三相pfc级(120)的obc(100)。

在慢速充电期间，obc(100)可以配置为将输入电源(例如，外部ac电源)进行整流并升压，并将ac功率转换为dc功率以给高压电池(140)充电。obc可以包含配置为执行高频开/关操作的dc-dc转换器(130)(功率转换器)。pfc(120)的输入/输出电压控制可以通过调整pfc(120)的开关模块的占空比来执行，并因此可以调整施加到dc-dc转换器(130)的pfc(120)的输出电压的幅度。

因此，dc-dc转换器(130)可以配置为根据高压电池中所需的电压和电流来调整输出电压和电流以执行充电。dc-dc转换器(130)可以使用pfc(120)的输出电压来作为输入电压，并且可以配置为通过执行频率和相移调整来调整obc(100)的输出电压和电流。

pfc(120)是pf校正器，并且可以配置为减少在将ac功率变为dc功率的过程中所生成的功率损耗。pfc(120)可以配置为通过使用阻抗匹配电路消除ac电源的电压与电流之间的相位差来提高功率传输效率。pfc(120)可以包含开关模块，该开关模块配置为通过脉冲宽度调制(pwm)控制来均衡ac电源。

如前所述，在如图1所示的传统obc配置中，在单相/分相中仅可以输送三相电网总功率的三分之一，具体如下：

在一个示例中，假设相到中性点的电网电压为230vrms，且最大所需线电流为16arms，则三相网络能够从电网中提取的最大功率为并且单相能够提取的最大功率为

图2示出了充电控制系统的示例，其具有根据本公开的所提出的用于三相电网(210)的obc(200)。所提出的obc(200)包括用作pfc转换器的三相afe(220)和向高压电池(240)供应dc电源的充电dc-dc转换器(230)。

afe(220)包含开关模块(224)，该开关模块配置为通过脉冲宽度调制(pwm)控制来均衡三相电网(210)。该充电系统包括用于三相电网源中的每个相的输入电感(222)和用于防止引入不希望的谐波量的电容器(226)。

所提出的obc(200)还包括允许obc(200)独立于obc所连接的电网的类型从电网中提取最大功率的装置，即如图2所示，附图标记为(250)的开关sw1、sw2、附图标记为(255)的开关sw3以及附图标记为(260)的二极管d1和d2。二极管d1和d2串联在afe(220)的高侧与低侧之间，其中两个开关sw1和sw2布置在afe(220)与ac电网之间并能够中断在三相afe(220)的相臂之间流动的电流，其中第三开关sw3布置在将二极管臂(260)连接到ac电网的线路上。obc有三种操作模式，其取决于obc(200)的afe(220)是连接到三相、两相、单相还是分相电网。图2示出了用于连接到三相电网(210)的操作模式。

用于连接到三相电网的obc(200)的操作模式如下：当obc(200)连接到三相电网时，如图2所示，开关sw1、sw2和sw3永久断开，且pfc的级表现为常规三相afe。在这种操作模式下，二极管d1和d2不传导电流。在一个实际示例中，假设相到中性点的电网有效电压为230vrms，则可以从电网中提取的最大功率为(假设pf＝1且每相最大线路电流为16arms)。在该示例中，可以借助于脉冲宽度调制策略来控制三相afe。在另一示例中，开关sw3不包括在obc(200)中。在另一示例中，obc(200)从两相电网中提取功率。

图3示出了连接到单相电网(310)的根据本公开所提出的obc(200)。图3示出了包括作为pfc转换器的afe(220)以及向高压电池供应dc功率的充电dc-dc转换器的obc(200)。如前所述，所提出的obc(200)包括附图标记为(250)的开关sw1、sw2和附图标记为(255)的开关sw3以及附图标记为(260)的二极管d1和d2。图3示出了针对单相电网(310)的操作模式。

当obc(200)连接到单相电网(310)时，开关sw2、sw2和sw3永久闭合。在这种操作模式下，三个相臂彼此并联工作，每个臂共享总线路电流irms的1/3，并且二极管d1和d2传导电流，以形成被称为图腾柱整流器的拓扑。因此，对于单相、两相、分相或三相操作而言，功率组件的额定值为1/3irms。如图3所示，单相电网(310)经由开关sw3连接到二极管臂并且连接在二极管d1与d2之间。对于该示例，假设相到中性点的电网电压vrms＝230vrms，并且总线电流irms＝48a且每个臂的电流等于16arms，则可以从电网中提取的最大功率为(假设pf＝1)。二极管和sw3的尺寸必须能够承受线路电流的三倍(3x)(例如在本示例中为48arms)。d1和d2是低频(线频)二极管，因此可以限制其成本。

在该示例中，能够借助于脉冲宽度调制策略来控制afe(220)的三个相臂中的每个。臂可以共享控制信号，或者能够用于进一步提高pfc转换器的功率密度的不同的调制策略，例如交织。这能够例如借助于减少电磁干扰(emi)滤波和由于高频谐波减少而产生的升压电感器来实现。

图4示出了连接到分相或两相电网(410)的先前附图中所描述的obc(200)。如图4所示，这种操作模式与单相操作模式相似。这种操作模式中的主要区别与二极管臂(260)的中点如何连接到分相或两相电网(410)有关。

类似地，假设相到中性点的电网电压vrms＝115vrms，那么obc(200)的等效输入电压为230vrms，且线路电流为irms＝48arms，则能够从电网中提取的最大功率为在分相中，各相之间存在180°的相移。因此，相到中性点的电网电压vrms_l-n＝115vrms。这意味着pfc转换器在pfc转换器的输入之间可以为230vrms。因此，需要48arms的线路电流，以从电网中提取pmaxsplit＝11kw。

对于连接到两相电网(其相到中性点的电网电压vrms_l-n＝230v且相移为120°)的obc(200)而言，能够从电网中提取的最大功率为并且因此可以保持与三相电网操作中相同的最大电流。在另一示例中，通过施加pfc级的功率组件的电流限制，能够从电网中提取的最大功率为

图5和图6示出了根据本公开的所提出的obc(500)的另一示例。obc(500)连接到三相电网(510)，并且包括emi滤波器(570)。特别地，emi是指电磁干扰或传播扰动，其中所辐射或所传导的电磁波会影响电子设备。由于obc(500)直接连接到作为充电控制系统的电源的输入电源(系统电源)，所以emi滤波器(570)能够使流入到系统电源中的噪声(其在obc中所生成)最小化。输入emi滤波器(570)的使用增加了与开关sw1和sw2的位置有关的附加自由度，如图5和图6所示。

图7、图8和图9示出了根据本公开所提出的obc(700)的另一示例。

所提出的obc(700)在图7中示出，其中的obc(700)连接到三相电网。图8和图9分别示出了连接到单相和分相电网的obc(700)。obc(700)仅包括单个元件，即附图标记为(750)的开关sw2，以根据与obc(700)相连接的电网类型从电网中提取总功率。开关sw2布置在afe(220)与ac电网之间，并且能够中断在三相afe(220)的两个相臂之间流动的电流。因此，当单个开关处于闭合状态时，在如图8所示连接到单相电网时或者在如图9所示连接到分相电网时，obc(700)能够获得最大功率的2/3。因此，当如图8所示将所提出的obc(700)连接到单相电网时，能够从电网中提取的最大功率为此外，当如图9所示将所提出的obc(700)连接到分相电网时，此外，当将所提出的obc(700)连接到两相电网时，

根据本公开所提出的obc(700)要求在单相操作模式下将相之一设计为承受最大电流imax，同时将另外两相设计为承受电流的一半。在单相或分相或两相操作模式下，这两个相是并联工作的。基于高频pwm的不同控制策略也是可以的，前提是在此示例中，每个臂的线路电流(irms＝16arms)并联地工作，且imax＝32arms。输入emi滤波器的使用增加了附加的自由度，这允许将开关sw2放置在emi滤波器之前或之后。

基于上述内容，本公开提出了一种基于三相afe的obc输入级架构，其允许在单相、分相、两相和三相电网下操作obc；确保pf接近于统一且thdi较低；在使用最少组件数量的情况下实现高功率密度；并在单相、分相和两相电网中获得相当于可以从三相电网中所提取的最大功率的总功率；并且因此避免了由先前提到的传统afe架构所带来的单相1/3限制。

即使已经参考了本发明的特定实施例，但对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不背离所附权利要求所限定的保护范围的前提下，本文所描述的obc输入级架构易于进行多种变型和修改，并且所提及的所有细节都能够替代为其他技术上等效的细节。

在一些示例中，本申请涉及一种用于利用车载充电器(obc)从ac电网中提取等于从三相电网中所提取的最大功率的总功率的第一方法，该车载充电器包括具有连接到ac电网的三相有源前端(afe)的功率因数校正器(pfc)、接收来自pfc的经调节的dc电压并配置为给高压电池充电的dc/dc转换器以及将obc配置为提取总功率的装置，该装置包括三个开关sw1、sw2和sw3以及具有二极管d1和d2的二极管臂，该第一方法包括通过以下方式提取总功率：通过响应于连接到三相电网的pfc将三个开关sw1、sw2和sw3致动为中断电流的断开状态，使得二极管臂不传导电流，或者通过响应于连接到单相电网的pfc将三个开关sw1、sw2和sw3致动为转移电流的闭合状态，使得二极管臂传导电流，或者通过响应于连接到分相或两相电网的pfc将三个开关sw1、sw2和sw3致动为转移电流的闭合状态，使得二极管臂传导电流，并且将二极管臂的中点连接到分相或两相电网的线路之一。

在一些示例中，该第一方法还包括在ac电网与三相afe之间建立电磁干扰(emi)滤波器。

在一些示例中，本申请涉及一种用于利用车载充电器(obc)从ac电网中提取总功率的第二方法，该车载充电器包括具有连接到ac电网的三相有源前端(afe)的功率因数校正器(pfc)、接收来自pfc的经调节的dc电压并配置为给高压电池充电的dc/dc转换器以及将obc配置为从ac电网中提取总功率的开关sw2，该第二方法包括通过响应于连接到三相电网的pfc将开关sw2致动为中断电流的断开状态来提取等于从三相电网中所提取的最大功率的总功率，或者通过响应于连接到单相电网的pfc将开关sw2致动为转移电流的闭合状态来提取等于的总功率，其中afe的第一相臂承受线路电流的最大值imax，并且afe的第二相臂和第三相臂承受等于1/2imax的线路电流值，或者通过响应于连接到分相或两相电网的pfc将开关sw2致动为转移电流的闭合状态来提取等于的总功率，其中afe的第一相臂承受线路电流的最大值imax，并且afe的第二相臂和第三相臂承受等于1/2imax的线路电流值。

在一些示例中，该第二方法还包括在ac电网与三相afe之间建立emi滤波器。

在一些示例中，本申请还涉及第一车载充电器(obc)，其包括功率因数校正器(pfc)和dc/dc转换器，该功率因数校正器包括连接到ac电网的三相有源前端(afe)，该dc/dc转换器接收来自pfc的经调节的dc电压并配置为给高压电池充电。该obc的特征在于，其包括将obc配置为从与obc相连接的任何类型的ac电网中提取等于从三相电网中所提取的最大功率的总功率的装置，该装置包括三个开关sw1、sw2和sw3以及具有二极管d1和d2的二极管臂。

在一些示例中，第一obc还包括建立在电网与三相afe之间的emi滤波器。

在一些示例中，本申请还涉及第二obc，其包括功率因数校正器(pfc)和dc/dc转换器，该功率因数校正器包括连接到ac电网的三相有源前端(afe)，该dc/dc转换器接收来自pfc的经调节的dc电压并配置为给高压电池充电。该obc的特征在于，其包括开关sw2，该开关将obc配置为从与obc相连接的ac电网中提取总功率，其中当ac电网为三相电网时，该总功率等于从三相电网中所提取的最大功率其中当ac电网为单相、两相或分相电网时，该总功率等于

在一些示例中，第二obc还包括建立在ac电网与三相afe之间的emi滤波器。