单三相兼容的功率因数校正电路的制作方法

1.本公开涉及电动车充电桩和/或车载充电器领域，尤其涉及单三相兼容的pfc电路。


背景技术：

2.当前，出于环保等各种因素，电动车技术迅猛发展，电动车的充电技术也随之不断发展。然而，现有的充电桩和/或车载充电器(obc)中的单三相兼容的ac/dc电路及充放电装置过于复杂、体积庞大且易于失效。
3.本公开针对但不限于上述诸多因素进行了改进。


技术实现要素：

4.为此，本公开提出了一种单三相兼容的功率因数校正(pfc)电路。本公开的电路能够简化继电器的类型和并降低其控制复杂度，降低继电器的选型规格，并有效降低电网侧从单相突变为三相供电时的器件失效的风险。
5.本公开的单三相兼容的功率因数校正电路中的所有继电器均是单触点结构(例如单刀单掷开关)，结构简单且可靠性高。此外，在单相模式下，本公开的单三相兼容的功率因数校正电路的输入电流平均流过两个继电器，从而可以有效降低单个继电器的选型规格。另外，即使电网从单相突变为三相供电，电网的第一和第二相线的线电压也将主要加在断开的继电器上，无器件失效的风险。
6.根据本公开的第一方面，提供了一种单三相兼容的功率因数校正电路，包括：包括并联连接的第一、第二、第三、第四支路的继电器级，包括并联连接的第一、第二、第三、第四桥臂的桥臂级以及电容器级，其中所述第一、第二、第三、第四桥臂中的每一者包括串联连接的两个开关管；其中：所述继电器级中的第一支路包括第一电阻器、第一继电器以及第一电感器，并且其中所述第一电阻器与所述第一继电器并联连接，且该并联连接结构串联连接在所述三相电源中的第一相线与所述第一电感器之间，并且所述第一电感器串联连接在该并联连接结构与第一桥臂所包括的两个开关管的中间连接点之间，所述继电器级中的第二支路包括串联连接的第二继电器和第二电感器，其中所述第二继电器串联连接在所述第二电感器与所述三相电源中的第二相线之间，所述第二电感器串联连接在所述第二继电器与第二桥臂所包括的两个开关管的中间连接点之间，并且其中所述继电器级还包括第三继电器，所述第三继电器串联连接在所述第一相线与所述第二继电器和所述第二电感器的连接点之间，所述继电器级中的第三支路包括串连连接在所述三相电源中的第三相线与第三桥臂所包括的两个开关管的中间连接点之间的第三电感器，以及所述继电器级中的第四支路包括串联连接在所述三相电源中的中性线与第四桥臂所包括的两个开关管的中间连接点之间的第四继电器；并且其中：所述电容器级与所述桥臂级的每一桥臂并联连接。
7.根据一实施例，所述第一相线能用于单相模式。
8.根据另一实施例，所述第一电阻器是正温度系数电阻器。
9.根据又一实施例，所述第一继电器与所述第三继电器的电流能力相同。
10.根据又一实施例，所述第一继电器、所述第二继电器、所述第三继电器以及所述第四继电器中的一者或多者是包括单个触点的单刀单掷开关。
11.根据又一实施例，所述第四桥臂所包括的开关管是二极管。
12.根据又一实施例，所述电容器级包括串联连接的两个电容器。
13.根据又一实施例，所述继电器级中的第二支路还包括与所述第二继电器并联连接的第二电阻器。
14.根据本公开的第二方面，提供了一种使用根据本公开的第一方面所述的单三相兼容的功率因数校正电路来进行充电的方法，包括：检测电源输入是单相电还是三相电以及所述电容器级所包括的电容器是否达到预定电量；响应于所述检测的结果而进入以下模式之一：在检测到所述电源输入是单相电且所述电容器级所包括的电容器尚未达到预定电量的情形中，进入单相预充电模式，其中闭合所述第四继电器并断开所述第一继电器、所述第二继电器以及所述第三继电器，来向所述电容器级进行单相预充电；在检测到所述电源输入是单相电且所述电容器级所包括的电容器达到预定电量的情形中，进入单相充电模式，其中闭合所述第一继电器、所述第三继电器和所述第四继电器且断开所述第二继电器，以进行单相充电；在检测到所述电源输入是三相电且所述电容器级所包括的电容器尚未达到预定电量的情形中，进入三相预充电模式，其中断开所述第一继电器、所述第二继电器、所述第三继电器以及所述第四继电器，来向所述电容器级进行三相预充电；以及在检测到所述电源输入是三相电且所述电容器级所包括的电容器达到预定电量的情形中，进入三相充电模式，其中闭合所述第一继电器和所述第二继电器，并断开所述第三继电器和所述第四继电器，以进行三相充电。
15.根据本公开的第三方面，提供了一种包括根据本公开的第一方面所述的单三相兼容的功率因数校正电路的充电桩。
16.根据本公开的第四方面，提供了一种包括根据本公开的第一方面所述的单三相兼容的功率因数校正电路的电动车。
17.各方面一般包括如基本上在本文参照附图所描述并且如通过附图所解说的方法、装备、系统、计算机程序产品和处理系统。
18.前述内容已较宽泛地勾勒出根据本公开的示例的特征和技术优势以使下面的详细描述可以被更好地理解。附加的特征和优势将在此后描述。所公开的概念和具体示例可容易地被用作修改或设计用于实施与本公开相同的目的的其他结构的基础。此类等效构造并不背离所附权利要求书的范围。本文所公开的概念的特性在其组织和操作方法两方面以及相关联的优势将因结合附图来考虑以下描述而被更好地理解。每一附图是出于解说和描述目的来提供的，且并不定义对权利要求的限定。
附图说明
19.为了能详细理解本公开的以上陈述的特征所用的方式，可参照各方面来对以上简要概述的内容进行更具体的描述，其中一些方面在附图中解说。然而应该注意，附图仅解说了本公开的某些典型方面，故不应被认为限定其范围，因为本描述可允许有其他等同有效的方面。不同附图中的相同附图标记可标识相同或相似的元素。
20.图1是根据本公开的一实施例的单三相兼容的功率因数校正电路的示意图；
21.图2是根据本公开的一实施例的单三相兼容的示例性充电方法的流程图；
22.图3是根据本公开的一实施例的图1的单三相兼容的功率因数校正电路在单相预充电模式下的示意图；
23.图4是根据本公开的一实施例的图1的单三相兼容的功率因数校正电路在单相充电模式下的示意图；
24.图5是根据本公开的一实施例的图1的单三相兼容的功率因数校正电路在三相预充电模式下的示意图；
25.图6是根据本公开的一实施例的图1的单三相兼容的功率因数校正电路在三相充电模式下的示意图；
26.图7是根据本公开的一实施例的示例充电桩的示意性示图；以及
27.图8是根据本公开的一实施例的示例电动车的示意性示图。
具体实施方式
28.发明人认识到，在现有技术的单三相兼容的ac/dc电路及充放电装置中，其所使用的继电器大多是单刀双掷开关，触点较多，因此选型和控制较为复杂。同时，在单相模式中，流过单个继电器的电流过大(例如通常高达32a)，从而导致继电器的选型要求高、成本高、体积大。此外，当工作在单相模式时，如果电网侧恢复三相供电，继电器将形成短路状态，短路电流大，极易导致器件(诸如继电器、保险丝等)失效和过热。
29.本公开的单三相兼容的功率因数校正电路中的所有继电器均是单触点结构(例如单刀单掷开关)，结构简单、易于控制且可靠性高。此外，在单相模式下，本公开的单三相兼容的功率因数校正电路的输入电流平均流过两个继电器，从而可以有效降低单个继电器的选型规格。另外，即使电网从单相突变为三相供电，电网的第一和第二相线的线电压也将主要加在断开的继电器上，无器件失效的风险。
30.以下结合附图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，而无意表示可实践本文中所描述的概念的仅有的配置。本详细描述包括具体细节以提供对各种概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，没有这些具体细节也可实践这些概念。
31.参考图1，其示出了图1是根据本公开的一实施例的单三相兼容的功率因数校正(pfc)电路100的示意图。
32.如图1所示，电路100可包括继电器级101、桥臂级103以及电容器级105。在该示例中，继电器级101可包括并联连接的第一支路131、第二支路133、第三支路135和第四支路137；桥臂级103可包括并联连接的第一桥臂141、第二桥臂143、第三桥臂145和第四桥臂147。
33.继续参考图1，第一、第二、第三、第四桥臂中的每一者可包括串联连接的两个开关管。例如，第一桥臂141可包括串联连接的两个开关管q1和q2，第二桥臂143可包括串联连接的两个开关管q3和q4，第三桥臂145可包括串联连接的两个开关管q5和q6，且第四桥臂147可包括串联连接的两个开关管q7和q8。本领域技术人员将明白，开关管q1到q8可以是任何合适的晶体管电路，诸如三极管、mosfet、二极管等等。在本公开的一实施例中，第四桥臂147所包括的开关管q7和q8可以是二极管，以满足单向功率传输，即仅用于从电源向电动车
充电。
34.从图1中可以看到，继电器级101中的第一支路131可包括第一电阻器121、第一继电器(rl1)111以及第一电感器(l1)125。在该示例中，第一电阻器121可以与第一继电器111并联连接，且该并联连接结构串联连接在三相电源107中的第一相线171与第一电感器125之间，并且第一电感器125串联连接在该并联连接结构与第一桥臂141所包括的两个开关管q1、q2的中间连接点之间。在本公开的优选实施例中，第一电阻器121可以是正温度系数电阻器，使得随着电流流过该电阻器，其电阻值因温度升高而增加，以限制电流。
35.继续参考图1，继电器,101中的第二支路133可包括串联连接的第二继电器(rl2)113和第二电感器(l2)127。在该示例中，第二继电器113串联连接在第二电感器127与三相电源107中的第二相线173之间，并且第二电感器127串联连接在第二继电器113与第二桥臂143所包括的两个开关管q3、q4的中间连接点之间。在本公开的优选实施例中，如图1所示，继电器级101还包括第三继电器(rl3)115，并且第三继电器115串联连接在第一相线171与第二继电器113和第二电感器127的连接点之间。
36.在图1所示的示例中，继电器级101中的第三支路135可包括串连连接在三相电源107中的第三相线175与第三桥臂145所包括的两个开关管q5、q6的中间连接点之间的第三电感器(l3)129。继电器级101中的第四支路137可包括串联连接在三相电源107中的中性线177与第四桥臂147所包括的两个开关管q7、q8的中间连接点之间的第四继电器(rl4)117。
37.此外，从图1中可以看到，电容器级105与桥臂级103的每一桥臂并联连接。
38.在本公开的一实施例中，第一相线171可以是能用于单相模式的相线，即在单相模式中具有电流的相线。
39.在本公开的优选实施例中，第一继电器111与第三继电器115的电流能力可以相同。这使得在单相模式中，电流平均流过第一继电器111与第三继电器115，从而使得这两个继电器的规格不会过大且易于选型。
40.在本公开的优选实施例中，第一继电器111、第二继电器113、第三继电器115以及第四继电器117中的一者或多者可以是包括单个触点的单刀单掷开关，从而使得这些继电器的结构可以更加简单。尽管图1示出了以单刀单掷开关的形式示出了所有这些继电器，但将明白这是本公开的优选示例，这些继电器中的任一者也可以是其他形式，诸如单刀双掷或三掷开关。
41.另外，在本公开的优选实施例中，电容器级105可包括串联连接的两个电容器c1、c2，以利于电容器的选型。优选地，电容器c1、c2具有相同的电容。将明白，电容器级105可包括任何合适数量的电容器。
42.在本公开的又一实施例中，继电器级101中的第二支路133还可包括与第二继电器113并联连接的第二电阻器(图1中未示出)。
43.下面参考图2并结合图1来描述本公开的单三相兼容的充电方法。图2示出了根据本公开的一实施例的单三相兼容的示例性充电方法200的流程图。
44.参考图2，方法200可包括在框210检测电源输入是单相电还是三相电以及电容器级所包括的电容器是否达到预定电量。在本公开的一实施例中，这一检测可以通过任何合适的检测单元(为简明起见，图1中未示出)来实现，在此不再赘述。
45.接着，在框220，方法200可包括响应于在框210的检测的结果而进入单相预充电模
式、单相充电模式、三相预充电模式、三相充电模式之一。
46.在本公开的一实施例中，在检测到电源输入是单相电且电容器级所包括的电容器尚未达到预定电量的情形中，进入单相预充电模式。例如，结合图1，在三相电源107仅第一相线171带电且电容器级105的电容器的电荷未达到预定电量的情况下，方法200可使单三相兼容的功率因数校正电路100进入单相预充电模式。在该模式中，方法200可闭合第四继电器117并断开第一继电器111、第二继电器113以及第三继电器115，来向电容器级105进行单相预充电。图3示出了根据本公开的一实施例的图1的单三相兼容的功率因数校正电路100在单相预充电模式下的示意图。将明白，图3中的各元件与图1中的各元件相同，因此为简明起见，未对这些元件添加附图标记。
47.如图3所示，当检测到输入是单相电时，闭合第四继电器(rl4)，其余继电器(rl1、rl2、rl3)断开。以单相正半波为例(如图3虚线箭头所示)，预充电流通过与第一继电器(rl1)并联的电阻器限流，流经电感器l1、开关管q1、开关管q8、第四继电器(rl4)对电容器级的电容器c1、c2进行预充电。
48.在本公开的另一实施例中，在检测到电源输入是单相电且电容器级所包括的电容器达到预定电量的情形中(即单相预充电模式完成)，进入单相充电模式。例如，结合图1，在三相电源107仅第一相线171带电且电容器级105的电容器的电荷达到预定电量的情况下，方法200可使单三相兼容的功率因数校正电路100进入单相充电模式。在该模式中，方法200可闭合第一继电器111、第三继电器115和第四继电器117且断开第二继电器113，以进行单相充电。图4示出了根据本公开的一实施例的图1的单三相兼容的功率因数校正电路100在单相充电模式下的示意图。将明白，图4中的各元件与图1中的各元件相同，因此为简明起见，未对这些元件添加附图标记。
49.如图4所示，在单相预充电模式完成后，第一继电器(rl1)、第三继电器(rl3)、第四继电器(rl4)闭合，第二继电器(rl2)断开，使得(电感器l1、开关管q1、q2)和(电感器l2、开关管q3、q4)分别工作在图腾柱pfc模式，构成交错并联结构，q7、q8作为工频管，以进行单相充电。工作电路图如图4中的黑色实线所示。
50.由此可见，在单相充电模式中，电流流经第一继电器(rl1)和第三继电器(rl3)，从而使得第一继电器只承担输入电流的一半，这可显著降低第一继电器的规格，无需选择体积大且成本高的继电器。
51.另外，在输入电流从单相突变成三相的情形中，可以看到，由于第二继电器(rl2)是断开的，因此线电压主要被施加到该断开的继电器上，从而避免了器件失效的风险(例如，因突变大电流而烧毁)。
52.在本公开的又一实施例中，在检测到电源输入是三相电且电容器级所包括的电容器尚未达到预定电量的情形中，进入三相预充电模式。例如，结合图1，在三相电源107的第一相线171、第二相线173和第三相线175均带电且电容器级105的电容器的电荷未达到预定电量的情况下，方法200可使单三相兼容的功率因数校正电路100进入三相预充电模式。在该模式中，方法200可断开第一继电器111、第二继电器113、第三继电器115以及第四继电器117，来向电容器级105进行三相预充电。图5示出了根据本公开的一实施例的图1的单三相兼容的功率因数校正电路100在三相预充电模式下的示意图。将明白，图5中的各元件与图1中的各元件相同，因此为简明起见，未对这些元件添加附图标记。
53.如图5所示，在检测到输入是三相电时，依靠第一相线和第三相线对电容器级的电容器进行预充电，并且预充电电量通过电阻器来被限流。以第一相线和第三相线的电压正半波为例，电流流经第一电感器(l1)、开关管q1、q6、以及第三电感器(l3)对电容器c1、c2进行预充电，如图5中的虚线箭头所示。
54.在本公开的又一实施例中，在检测到电源输入是三相电且电容器级所包括的电容器达到预定电量的情形中，进入三相充电模式。例如，结合图1，在三相电源107的第一相线171、第二相线173和第三相线175均带电且电容器级105的电容器的电荷达到预定电量的情况下，方法200可使单三相兼容的功率因数校正电路100进入三相充电模式。在该模式中，方法200可闭合第一继电器111和第二继电器113，并断开第三继电器115和第四继电器117，以进行三相充电。图6示出了根据本公开的一实施例的图1的单三相兼容的功率因数校正电路100在三相充电模式下的示意图。将明白，图6中的各元件与图1中的各元件相同，因此为简明起见，未对这些元件添加附图标记。
55.如图6所示，在三相预充电模式完成后，第一继电器(rl1)和第二继电器(rl2)闭合，第三继电器(rl3)和第四继电器(rl4)断开，使得第一电感器(l1)、第二电感器(l2)、第三电感器(l3)以及开关管q1～q6组成传统的三相六开关结构，采用svpwm或spwm调制，实现三相pfc功能，如图6中黑色实线所示。
56.将明白，方法200中的步骤201所执行的检测可以是持续地进行的，使得输入电流和电容器电量的变化会引发相应的模式之间的转换。例如，这可以通过相应地操纵各继电器的通断来实现。
57.参考图7，其示出了根据本公开的一实施例的示例充电桩700的示意性示图。将明白，充电桩700可以是现有充电桩的任何合适形式，诸如长方体、圆柱等等各种形状。在一实施例中，充电桩700可包括结合图1所描述的单三相兼容的功率因数校正电路100并且被配置成实现结合图2所描述的方法200。
58.参考图8，其示出了根据本公开的一实施例的示例电动车800的示意性示图。在一实施例中，电动车800可包括结合图1所描述的单三相兼容的功率因数校正电路100并且被配置成实现结合图2所描述的方法200。
59.综上，本公开的单三相兼容的功率因数校正电路能够使用更少的器件(例如，仅单个电阻器、四个继电器等等)和更简单的器件结构(例如，继电器全部是单刀单掷开关的形式)来实现更安全的单三相兼容的充放电功能。
60.以上具体实施方式包括对附图的引用，附图形成具体实施方式的部分。附图通过说明来示出可实践的特定实施例。这些实施例在本文中也称为“示例”。此类示例可以包括除所示或所述的那些元件以外的元件。然而，还构想了包括所示或所述元件的示例。此外，还构想出的是使用所示或所述的那些元件的任何组合或排列的示例，或参照本文中示出或描述的特定示例(或其一个或多个方面)，或参照本文中示出或描述的其他示例(或其一个或多个方面)。
61.在所附权利要求书中，术语“包括”和“包含”是开放式的，也就是说，在权利要求中除此类术语之后列举的那些元件之外的元件的系统、设备、制品或过程仍被视为落在那项权利要求的范围内。此外，在所附权利要求书中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅被用作标记，并且不旨在表明对它们的对象的数字顺序。
62.另外，本说明书中所解说的各操作的次序是示例性的。在替换实施例中，各操作可以按与附图所示的不同次序执行，且各操作可以合并成单个操作或拆分成更多操作。
63.以上描述旨在是说明性的，而非限制性的。例如，可结合其他实施例来使用以上描述的示例(或者其一个或多个方面)。可诸如由本领域普通技术人员在审阅以上描述之后来使用其他实施例。摘要允许读者快速地确定本技术公开的性质。提交该摘要，并且理解该摘要将不用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在以上具体实施方式中，各种特征可以共同成组以使本公开流畅。然而，权利要求可以不陈述本文中公开的每一特征，因为实施例可以表征所述特征的子集。此外，实施例可以包括比特定示例中公开的特征更少的特征。因此，所附权利要求书由此被结合到具体实施方式中，一项权利要求作为单独的实施例而独立存在。本文中公开的实施例的范围应当参照所附权利要求书以及此类权利要求所赋予权利的等价方案的完整范围来确定。