电能量多向流动的充电机与DC/DC集成系统的制作方法

电能量多向流动的充电机与dc/dc集成系统
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域，尤其是涉及一种电能量多向流动的充电机与dc/dc集成系统、控制方法及电子设备。


背景技术：

2.人类面对的能源枯竭、环境恶化问题日益严重，能源的合理有效利用成为越来越受关注的问题，交通工具朝着清洁可持续的大方向发展，为电动汽车的发展提供了良好的契机。电动汽车(bev)是以由可充电电池(如铅酸电池，锂离子电池等)作为车载动力源的汽车。电动汽车由蓄电池供电，电动机驱动行驶，可以实现零排放，避免了尾气对大气的污染，同时具备低噪声、低价位、利用率高、可利用电网低谷电能等优点。
3.目前所研究的车载型充电系统普遍存在成本高、体积大、重量大、功率等级低，因此需要“集成”以降低成本，轻量化以及功率密度等等，例如公告号为cn 109361255a的专利公开了一种基于电机绕组开路的充放电电路拓扑，以前级双向dc/dc变换器与后级三相全桥变换器作为电机驱动和充放电器一体化拓扑。在电动汽车蓄电池与电网能量交互时，将电机驱动的三相全桥变换器重构成充放电驱动器，将电机定子绕组开路作为并网的滤波电感，并通过开关实现电机定子绕组的多种串联连接。该方法将电机驱动器与充放电驱动器集成在一起，能够提高系统的功率密度。但是现有技术中并没有阿静车载充电机以及dc/dc集成的方案。
4.传统的车载电源中，车载充电机仅具有单向充电功能，无法将车载动力电池中电能量输出给车外负载使用。dc/dc作为电动汽车上重要部件，需给车上空气悬挂，压缩机，ptc，转向助力等各负载供电，其能耗达到kw级。车载充电机以及dc/dc多数以独立的零部件组合在整车系统中。为适配主机厂的集成化要求，甚至出现将车载充电机以及dc/dc放在一个pcb板子上或者仅放在一个壳体中，以此来实现所谓的“集成”的要求。但在成本，轻量化以及功率密度方面，这种方法并不能真正的为系统带来实质的改变。本发明因此而来。


技术实现要素：

5.1、本发明的目的
6.针对上述存在的技术问题，提出了一种电能量多向流动的充电机与dc/dc集成系统，通过将充电机变压器与dc/dc变压器集成于一体的方式，采用一个磁芯，多个绕组的结构，利用变压器各个绕组间磁耦合传递能量，实现车载充电器与dc/dc系统稳定工作。
7.2、本发明所采用的技术方案
8.一种电能量多向流动的充电机与dc/dc集成系统，包括一个变压器，所述变压器原边连接交流输入端，所述电压器副边包括一第一电压器副边和至少一个第二电压器副边，所述第一电压器副边作为高压输出端，所述第二电压器副边作为低压输出端，所述第一电压器副边连接第一整流开关后动力电池，所述第二电压器副边依次连接整流开关和buck变换器后连接dc/dc负载，所述第一整流开关和第二整流开关连接控制器，由控制器控制通
断。
9.优选的技术方案中，所述交流输入端通过第三整流开关连接变压器原边。
10.优选的技术方案中，所述变压器原边与第一电压器副边连接双向全桥谐振电路。
11.优选的技术方案中，所述变压器原边与第一电压器副边分别连接谐振电感和谐振电容，构成双向全桥clllc谐振电路。
12.优选的技术方案中，所述第三整流开关包括组成全桥变换器的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述第一整流开关包括组成全桥变换器的第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管。
13.优选的技术方案中，所述第二电压器副边绕组包括第一连接端、第二连接端和第三连接端，所述第一连接端和第三连接端连接第九开关管和第十开关管，所述第二连接端连接第十一开关管、第十二开关管后连接第九开关管和第十开关管的第一连接节点，所述第一连接节点还通过第四电容连接第二连接端，所述第十一开关管和第十二开关管的第二连接节点连接电感后连接dc/dc负载。
14.优选的技术方案中，所述多个第二电压器副边连接多个不同的负载，控制电力源与负载的切换。
15.本发明还公开了一种基于上述的电能量多向流动的充电机与dc/dc集成系统的电能量流动控制方法，包括以下步骤：
16.s01：当工作在充电模式时，控制第三整流开关正向打开，控制第一整流开关正向打开，控制第二整流开关关闭，使得变压器原边能量只传递到第一变压器副边上；
17.s02：当工作在充电模式及dc/dc模式时，控制第三整流开关正向打开，控制第一整流开关正向打开，控制第二整流开关正向打开，使得变压器原边能量同时传递给第一变压器副边以及第二变压器副边上；
18.s03：当工作在dc/dc模式时，控制第三整流开关关闭，控制第一整流开关反向打开，控制第二整流开关正向打开，使得变压器将能量第一变压器副边传递到第二变压器副边；
19.s04：当动力电池给车外负载供电时，控制第三整流开关反向打开，控制第一整流开关反向打开，控制第二整流开关关闭，使得变压器将能量从第一变压器副边传递到变压器原边；
20.s05：当动力电池给车外负载及dc/dc供电时，控制第三整流开关反向打开，控制第一整流开关反向打开，控制第二整流开关正向打开，使得能量从第一变压器副边同时传递给变压器原边以及第二变压器副边；
21.s06：当dc/dc逆变工作时，控制第三整流开关关闭，控制第一整流开关正向打开，控制第二整流开关反向打开，使得变压器将能量从第二变压器副边传递到第一变压器副边。
22.本发明又公开了一种电子设备，包括上述任一项所述的电能量多向流动的充电机与dc/dc集成系统。
23.3、本发明所采用的有益效果
24.本发明通过将充电机变压器与dc/dc变压器集成于一体的方式，采用一个磁芯，多个绕组的结构，利用变压器各个绕组间磁耦合传递能量，实现车载充电器(obc)与dc/dc系
统稳定工作。可以实现线网，车载动力电池，车内低压电池，dc/dc，车外负载，车内驱动系统等各个电力源与负载的切换，实现多种匹配方案。实现了系统的集成化，大大降低了成本，使得系统轻量化，提高了系统的功率密度。并且使用了双向cllc变换系统，具有实现软开关频率范围宽、调压范围大、功率密度高等特点。
附图说明
25.图1为本发明电能量多向流动的充电机与dc/dc集成系统的原理框图；
26.图2为本发明充电时能量传输示意图；
27.图3为本发明充电机与dc/dc同时工作时能量传输示意图；
28.图4为本发明车载电池提供能量给dc/dc能量传输示意图；
29.图5为本发明动力电池给车位供电工作时能量传输示意图；
30.图6为本发明车载电池给车外负载及dc/dc供电时能量传输示意图；
31.图7为本发明dc/dc逆变时能量传输示意图；
32.图8为本发明较佳实施例的电能量多向流动的充电机与dc/dc集成系统的原理图。
具体实施方式
33.下面结合本发明实例中的附图，对本发明实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。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
34.下面将结合附图对本发明实例作进一步地详细描述。
35.实施例1
36.一种电能量多向流动的充电机与dc/dc集成系统，其具有交流输入端、高压输出端和低压输出端，前级采用pfc电路将交流输入变换为高压直流，后级通过将充电机变压器与dc/dc变压器集成于一体的方式，采用一个磁芯，多个绕组的结构，利用变压器各个绕组间磁耦合传递能量，实现车载充电器(obc)与dc/dc系统稳定工作。
37.具体的，如图1所示，一种电能量多向流动的充电机与dc/dc集成系统，包括一个变压器，所述变压器原边连接交流输入端，所述电压器副边包括一第一电压器副边和至少一个第二电压器副边，所述第一电压器副边作为高压输出端，所述第二电压器副边作为低压输出端，所述第一电压器副边连接第一整流开关后动力电池，所述第二电压器副边依次连接整流开关和buck变换器后连接dc/dc负载，所述第一整流开关和第二整流开关连接控制器，由控制器控制通断。
38.一较佳的实施例中，为了实现能量的多向流动，在交流输入端通过第三整流开关连接变压器原边。
39.一较佳的实施例中，变压器原边与第一电压器副边连接双向全桥谐振电路。例如可以为双向全桥cllc谐振电路或者双向全桥clllc谐振电路等等，较佳的实施例中，变压器原边与第一电压器副边分别连接谐振电感和谐振电容，构成双向全桥clllc谐振电路。
40.一较佳的实施例中，第三整流开关包括组成全桥变换器的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一整流开关包括组成全桥变换器的第五开关管、第六开关
管、第七开关管和第八开关管。
41.一较佳的实施例中，第二电压器副边绕组包括第一连接端、第二连接端和第三连接端，所述第一连接端和第三连接端连接第九开关管和第十开关管，所述第二连接端连接第十一开关管、第十二开关管后连接第九开关管和第十开关管的第一连接节点，所述第一连接节点还通过第四电容连接第二连接端，所述第十一开关管和第十二开关管的第二连接节点连接电感后连接dc/dc负载。
42.一较佳的实施例中，多个第二电压器副边连接多个不同的负载，控制电力源与负载的切换。例如实现线网，车载动力电池，车内低压电池，dc/dc，车外负载，车内驱动系统等各个电力源与负载的切换，实现多种匹配方案。
43.变压器可有不同形状，例如常用的pq，ee，ei，ui，环形等等。
44.另一实施例中，本发明还公开了一种基于上述的电能量多向流动的充电机与dc/dc集成系统的电能量流动控制方法，包括以下步骤：
45.s01：当工作在充电模式时，控制第三整流开关正向打开，控制第一整流开关正向打开，控制第二整流开关关闭，使得变压器原边能量只传递到第一变压器副边上；
46.s02：当工作在充电模式及dc/dc模式时，控制第三整流开关正向打开，控制第一整流开关正向打开，控制第二整流开关正向打开，使得变压器原边能量同时传递给第一变压器副边以及第二变压器副边上；
47.s03：当工作在dc/dc模式时，控制第三整流开关关闭，控制第一整流开关反向打开，控制第二整流开关正向打开，使得变压器将能量第一变压器副边传递到第二变压器副边；
48.s04：当动力电池给车外负载供电时，控制第三整流开关反向打开，控制第一整流开关反向打开，控制第二整流开关关闭，使得变压器将能量从第一变压器副边传递到变压器原边；
49.s05：当动力电池给车外负载及dc/dc供电时，控制第三整流开关反向打开，控制第一整流开关反向打开，控制第二整流开关正向打开，使得能量从第一变压器副边同时传递给变压器原边以及第二变压器副边；
50.s06：当dc/dc逆变工作时，控制第三整流开关关闭，控制第一整流开关正向打开，控制第二整流开关反向打开，使得变压器将能量从第二变压器副边传递到第一变压器副边。
51.另一实施例中，本发明又公开了一种电子设备，包括上述任一项所述的电能量多向流动的充电机与dc/dc集成系统。
52.本发明的电能量多向流动的充电机与dc/dc集成系统，针对不同组合，可有如下多种工作模式：
53.模式一：当只有充电机充电时，主控系统控制变压器副边1后级整流开关工作，使得变压器原边能量只传递到副边1上，实现对车载动力电池充电，无能量通过变压器副边2传输。此时的能量传输途径如图2红色虚线箭头所示。
54.模式二：当obc充电与dc/dc同时工作时，主控系统控制变压器副边1、副边2的后级整流开关导通，使得变压器原边能量同时传递给变压器副边1以及变压器副边2的后级电路。由于两组输出的能量共用一个磁芯，只能控制一个绕组的电压状态。此处选择控制变压
器副边1的后级电压，变压器副边2的后级电压完全由变压器绕组控制，再经过一级buck变压，使dc/dc负载得到稳定的电压。此时的能量传输途径如图3红色虚线箭头所示，副边绕组1和副边绕组2都有能量传递。
55.模式三：当只有dc/dc工作时，系统控制整流开关，使变压器副边1作为dc/dc工作的原边(能量提供侧)，控制整流开关使变压器副边2作为dc/dc工作的副边(能量消耗侧)，变压器将能量从变压器副边1传递到变压器副边2，经过buck稳压后输出给dc/dc负载。此时能量由车载动力电池提供，经变压器传递给dc/dc负载，传输路线如图4所示。
56.模式四：当obc处于逆变状态给车外提供电能时，系统控制整流开关，使变压器副边绕组1作为obc逆变时的原边(能量提供侧)，控制整流开关使变压器原边绕组作为obc逆变时的变压器副边(能量消耗侧)。使得变压器将能量从变压器副边绕组1传递到变压器原边绕组。能量传输路线参看图5所示。
57.模式五：当obc逆变与dc/dc同时工作时，系统控制变压器副边1后级整流开关导通，同时控制变压器原边以及变压器副边绕组2后的整流开关，使得能量从变压器副边1同时传递给变压器原边以及变压器副边2。由于两组输出的能量共用一个磁芯，只能控制一个绕组的电压状态。此处选择控制变压器原边的后级电压，变压器副边2的后级电压完全由变压器绕组控制，再经过一级buck变压，使dc/dc负载得到稳定的电压。此时的能量传输途径如图6红色虚线箭头所示，变压器原边和副边绕组2都有能量传递。
58.模式六：当dc/dc逆变工作时，系统控制开关mos使变压器副边绕组2作为dc/dc逆变时的原边(能量提供侧)，控制开关mos使副边绕组1作为dc/dc逆变时的副边(能量消耗侧)，变压器将能量从从副边绕组2传递到副边绕组1。能量传递路线参看图7所示。
59.下面以具体的实例进行详细的说明：
60.如图8所示，充电模块中，q7～q10为初级mosfet开关管，组成全桥变换器，连接变压器1、2端，q11～q14为次级输出整流mosfet，组成全桥变换器，变压器电感、谐振电感l6、谐振电感l7、谐振电容c1和谐振电容c2组成双向全桥clllc谐振电路，在电容c3出形成一定的电压给动力电池bt1～btn充电。变压器副边绕组2与开关管q15，开关管q16组成整理电路，开关管q15，开关管q16连接变压器3端和4端，电容c4连接变压器6端和开关管q15和开关管q16的连接节点，再经开关管q17，开关管q18与电感l8降压电路组成dc/dc，变压器6端依次连接开关管q17，开关管q18后通过电容c4连接变压器6，即在电容c5两端形成稳定的电压。
61.当工作在充电模式时，q7和q10组成同时开通同时关断的对管，q8与q9组成同时开通同时关断的对管，与l6，变压器原边，c1组成llc谐振电路。q11和q14组成同时开通同时关断的对管，q12与q13组成同时开通同时关断的对管。q15和q16保持关断状态。此时实现充电功能。
62.当工作在充电模式及dcdc工作时，q7和q10组成同时开通同时关断的对管，q8与q9组成同时开通同时关断的对管，与l6，变压器原边，c1组成llc谐振电路。q11和q14组成同时开通同时关断的对管，q12与q13组成同时开通同时关断的对管。q15和q16各在一段时间内闭合导通，且不会同时导通。此时实现充电与dcdc同时工作的功能。
63.当只有dc/dc工作时，q7～q10保持关断状态，q11和q14组成同时开通同时关断的对管，q12与q13组成同时开通同时关断的对管，与l7，c2及变压器副边绕组1组成llc谐振电
路，q15和q16各在一段时间内闭合导通，且不会同时导通。此时电能由车载电池给dc/dc供电。
64.当车载电池给车外负载供电时，q11和q14组成同时开通同时关断的对管，q12与q13组成同时开通同时关断的对管，与l7，c2及变压器副边绕组1组成llc谐振电路，q7和q10组成同时开通同时关断的对管，q8与q9组成同时开通同时关断的对管，q15和q16保持关断状态。此时由车载电池给车外负载供电。
65.当车载电池给车外负载及dc/dc供电时，q11和q14组成同时开通同时关断的对管，q12与q13组成同时开通同时关断的对管，与l7，c2及变压器副边绕组1组成llc谐振电路，q7和q10组成同时开通同时关断的对管，q8与q9组成同时开通同时关断的对管，q15和q16各在一段时间内闭合导通，且不会同时导通。此时由车载电池给车外负载供电。
66.当dc/dc逆变工作时，q7～q10保持关断状态，q11和q14组成同时开通同时关断的对管，q12与q13组成同时开通同时关断的对管，q15和q16各在一段时间内闭合导通，能量由低压电池传向车载动力电池方向。
67.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。