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CN109167423A - 车载充电机与车载dcdc的电气集成装置 - Google Patents

车载充电机与车载dcdc的电气集成装置 Download PDF

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CN109167423A
CN109167423A CN201811063749.5A CN201811063749A CN109167423A CN 109167423 A CN109167423 A CN 109167423A CN 201811063749 A CN201811063749 A CN 201811063749A CN 109167423 A CN109167423 A CN 109167423A
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CN
China
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nmos tube
voltage direct
diode
module
low
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Application number
CN201811063749.5A
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王振世
徐玮
邱松子
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United Automotive Electronic Systems Co Ltd
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United Automotive Electronic Systems Co Ltd
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Abstract

本发明提供了一种车载充电机与车载DCDC的电气集成装置，所述车载充电机与车载DCDC的电气集成装置包括：PFC模块、高压AC侧能量转换开关模块、变压器模块、低压直流侧能量转换开关模块、低压直流侧滤波及保护模块及高压直流侧能量转换开关模块；其中，PFC模块、高压AC侧能量转换开关模块及变压器模块依次连接，变压器模块与低压直流侧能量转换开关模块和高压直流侧能量转换开关模块相连接，低压直流侧能量转换开关模块与保护模块连接。通过电气元件共用以将车载充电机与车载DCDC实现电气集成，相比单独的车载充电机和车载DCDC节省了装置占用的体积，减轻了总重量，降低了成本。

Description

车载充电机与车载DCDC的电气集成装置
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，特别涉及一种车载充电机与车载DCDC的电气集成装置。
背景技术
随着电动汽车技术的不断发展，零部件集成化趋势越来越明显，集成化解决方案不仅可以为整车带来功能扩展的优势，而且可以通过机械及电子部件的共用，以为整车降低成本。车载充电机主要用于从220V电网中汲取电能，经过功率变换，将能量充入电动汽车高压电池包中，而车载DCDC则用于将电动汽车高压电池包能量转换为12V电池能量，车载充电机(Charger)与车载DCDC(Converter)的集成方案(Char Con)将是未来电动汽车能量补给的主流方案。
目前本领域现有解决方案主要存在以下不足：目前大多数的车载充电机与车载DCDC集成方案为机械集成方案，即二者在同一个机械外壳中，内部的一些机械零部件共用，而二者的电子零部件则完全独立、互不影响。机械集成方案可以通过机械零部件的共用，节省一部分成本、体积及重量，但无法实现电子零部件的共用，不能实现系统低成本、小体积、轻重量的最优解决方案。另外，由于在车载充电机与车载DCDC的机械集成方案中，二者的变压器完全独立，限制了该集成方案的功能扩展性。
针对现有技术中车载充电机与车载DCDC的集成方案存在的不足，本领域技术人员一直在寻找解决的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车载充电机与车载DCDC的电气集成装置，以解决车载充电机与车载DCDC的集成方案存在的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种车载充电机与车载DCDC的电气集成装置，所述车载充电机与车载DCDC的电气集成装置包括：PFC模块(1)、高压AC侧能量转换开关模块(2)、变压器模块(3)、低压直流侧能量转换开关模块(4)、低压直流侧滤波及保护模块(5)及高压直流侧能量转换开关模块(6)；其中，PFC模块(1)、高压AC侧能量转换开关模块(2)及变压器模块(3)依次连接，变压器模块(3)与低压直流侧能量转换开关模块(4)和高压直流侧能量转换开关模块(6)相连接，低压直流侧能量转换开关模块(4)与保护模块(5)连接。
可选的，在所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置中，所述PFC模块(1)包括：第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第七二极管(D7)、第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三电感(L3)、第一NMOS管(S1)、第二NMOS管(S2)、第三NMOS管(S3)及电容(CDC)；其中，第一二极管(D1)与第二二极管(D2)串联，第三二极管(D3)与第四二极管(D4)串联，所述第一二极管(D1)的阴极与第三二极管(D3)的阴极连接，第二二极管(D2)的阳极与第四二极管(D4)的阳极连接；第一电感(L1)的一端与第三二极管(D3)的阴极连接，另一端与第五二极管(D5)的阳极连接；第二电感(L2)的一端与第三二极管(D3)的阴极连接，另一端与第六二极管(D6)的阳极连接；第三电感(L3)的一端与第三二极管(D3)的阴极连接，另一端与第七二极管(D7)的阳极连接；第五二极管(D5)的阴极分别与第六二极管(D6)的阴极和第七二极管(D7)的阴极连接；第一NMOS管(S1)的漏极与第五二极管(D5)的阳极连接，第一NMOS管(S1)的源极与第四二极管(D4)的阳极连接；第二NMOS管(S2)的漏极与第六二极管(D6)的阳极连接，第二NMOS管(S2)的源极与第四二极管(D4)的阳极连接；第三NMOS管(S3)的漏极与第七二极管(D7)的阳极连接，第二NMOS管(S2)的源极与第四二极管(D4)的阳极连接；所述电容(CDC)的一端与第七二极管(D7)的阴极连接，另一端与第三NMOS管(S3)的源极连接。
可选的，在所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置中，所述高压AC侧能量转换开关模块(2)包括：第四NMOS管(S4)、第五NMOS管(S5)、第六NMOS管(S6)、第七NMOS管(S7)及第八NMOS管(S8)；其中，第四NMOS管(S4)、第五NMOS管(S5)、第六NMOS管(S6)、第七NMOS管(S7)、第八NMOS管(S8)及第九NMOS管(S9)；其中，第四NMOS管(S4)的源极与第五NMOS管(S5)的漏极连接，第四NMOS管(S4)的漏极与第五二极管的阴极连接，第五NMOS管(S5)的源极与第三NMOS管的源极连接；第六NMOS管(S6)的源极与第七NMOS管(S7)的漏极连接，第六NMOS管(S6)的漏极与第四NMOS管(S4)的漏极连接，第七NMOS管(S7)的源极与第五NMOS管(S5)的源极连接；第八NMOS管(S8)的源极与第五二极管(D5)的阴极连接，第八NMOS管(S8)的漏极与第四NMOS管(S4)的漏极连接。
可选的，在所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置中，所述变压器模块(3)包括：谐振电感(Lr)、谐振电容(Cr)、原边绕组(N1)、副边高压直流绕组(N2)、第一副边低压直流绕组(N3)及第二副边低压直流绕组(N4)；其中，谐振电感(Lr)的一端与第四NMOS管(S4)的源极连接，另一端与原边绕组(N1)的一端连接；谐振电容(Cr)的一端与第七NMOS管(S7)的漏极连接，另一端与原边绕组(N1)的另一端连接；第一副边低压直流绕组(N3)与第二副边低压直流绕组(N4)串联。
可选的，在所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置中，所述低压直流侧能量转换开关模块(4)包括：第十三NMOS管(S13)、第十四NMOS管(S14)、第十五NMOS管(S15)及第十六NMOS管(S16)；其中，第一副边低压直流绕组(N3)与第二副边低压直流绕组(N4)串联，第十三NMOS管(S13)的漏极与第一副边低压直流绕组(N3)的另一端连接，第十三NMOS管(S13)的源极与第十四NMOS管(S14)的源极连接；第十四NMOS管(S14)的漏极与第二副边低压直流绕组(N4)的另一端连接；第十五NMOS管(S15)的漏极与第一副边低压直流绕组(N3)和第二副边低压直流绕组(N4)之间的连线连接，第十五NMOS管(S15)的源极与第十六NMOS管(S16)的漏极连接，第十六NMOS管(S16)的漏极与第十四NMOS管(S14)的源极连接。
可选的，在所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置中，所述低压直流侧滤波及保护模块(5)包括：滤波电感(LDC)、滤波电容(CLVB)、第十七NMOS管(S17)及第十八NMOS管(S18)；其中，滤波电感(LDC)的一端与第十六NMOS管(S16)的漏极连接，另一端与滤波电容(CLVB)连接；滤波电容(CLVB)的另一端与第十六NMOS管(S16)的源极连接；第十七NMOS管(S17)的源极与滤波电感(LDC)和滤波电容(CLVB)之间的连线连接，第十七NMOS管(S17)的漏极与第十八NMOS管(S18)的漏极连接，第十八NMOS管(S18)的源极与滤波电容(CLVB)的另一端连接。
可选的，在所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置中，所述高压直流侧能量转换开关模块(6)包括：第九NMOS管(S9)、第十NMOS管(S10)、第十一NMOS管(S11)、第十二NMOS管(S12)及高压直流侧滤波电容(CHVB)；其中，第九NMOS管(S9)的源极与第十NMOS管(S10)的漏极连接，第九NMOS管(S9)的漏极与第十一NMOS管(S11)的漏极连接；第十一NMOS管(S11)的源极与第十二NMOS管(S12)的漏极连接，第十二NMOS管(S12)的源极与第十NMOS管(S10)的源极连接；高压直流侧滤波电容CHVB的一端与第十一NMOS管(S11)的漏极连接，另一端与第十二NMOS管(S12)的源极连接。
可选的，在所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置中，还包括交流电源(AC)、高压电池组及低压电池组，所述交流电源(AC)设置于第一二极管(D1)的阳极与第三二极管(D3)的阳极之间；所述高压电池组与高压直流侧滤波电容(CHVB)并联；所述低压电池组的正极与第十八NMOS管(S18)的源极连接，所述低压电池组的负极与滤波电容(CLVB)的另一端连接。
可选的，在所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置中，所述电气集成装置具有五种工作模式，包括：车载DCDC单独工作模式、车载充电机高压直流侧充电工作模式、车载充电机高/低压直流侧充电工作模式、高压直流侧母线电容放电工作模式及高压直流侧母线电容预充电工作模式；其中，车载充电机高压直流侧充电工作模式对应AC电网为高压电池充电工况；车载充电机高/低压直流侧充电工作模式对应AC电网同时为高压电池和低压电池充电工况；高压直流侧母线电容放电工作模式对应直流高压侧母线电容放电工况；高压直流侧母线电容预充电工作模式对应高压直流侧母线电容预充电工况。
可选的，在所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置中，所述电气集成装置处于车载DCDC单独工作模式时，PFC模块(1)、高压AC侧能量转换开关模块(2)及变压器模块(3)均处于非工作状态；低压直流侧能量转换开关模块(4)中，第十三NMOS管(S13)和第十四NMOS管(S14)处于同步整流控制，第十五NMOS管(S15)处于导通状态，第十六NMOS管(S16)处于断开状态；低压直流侧滤波及保护模块(5)中，第十七NMOS管(S17)和第十八NMOS管(S18)处于导通状态；高压直流侧能量转换开关模块(6)中，由第九NMOS管(S9)、第十NMOS管(S10)、第十一NMOS管(S11)及第十二NMOS管(S12)共同构成的单相逆变桥处于移相全桥控制。
可选的，在所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置中，所述电气集成装置处于车载充电机高压直流侧充电工作模式时，低压直流侧能量转换开关模块(4)和低压直流侧滤波及保护模块(5)均处于非工作状态；PFC模块(1)处于PFC控制模式；高压AC侧能量转换开关模块(2)中，由第四NMOS管(S4)、第五NMOS管(S5)、第六NMOS管(S6)及第七NMOS管(S7)共同构成的单相逆变桥处于频率调制控制，第八NMOS管(S8)处于导通状态；变压器模块(3)中，由谐振电感(Lr)、谐振电容(Cr)、原边绕组(N1)及副边高压直流绕组(N2)共同构成LLC拓扑，第一副边低压直流绕组(N3)和第二副边低压直流绕组(N4)呈开路状态。
可选的，在所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置中，所述电气集成装置处于车载充电机高/低压直流侧充电工作模式时，PFC模块(1)处于PFC控制模式；高压AC侧能量转换开关模块(2)中，由第四NMOS管(S4)、第五NMOS管(S5)、第六NMOS管(S6)及第七NMOS管(S7)共同构成的单相逆变桥处于频率调制控制，第八NMOS管(S8)处于导通状态；变压器模块(3)中，由谐振电感(Lr)、谐振电容(Cr)、原边绕组(N1)及副边高压直流绕组(N2)共同构成LLC拓扑；高压直流侧能量转换开关模块(6)中，由第九NMOS管(S9)、第十NMOS管(S10)、第十一NMOS管(S11)及第十二NMOS管(S12)共同构成的单相逆变桥处于主动或被动整流状态；低压直流侧能量转换开关模块(4)中，第十三NMOS管(S13)和第十四NMOS管(S14)处于同步整流控制，第十五NMOS管(S15)处于脉宽调制控制，第十六NMOS管(S16)处于同步整流控制；低压直流侧滤波及保护模块(5)中，第十七NMOS管(S17)和第十八NMOS管(S18)处于导通状态。
可选的，在所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置中，所述电气集成装置处于高压直流侧母线电容放电工作模式时，PFC模块(1)、高压AC侧能量转换开关模块(2)及变压器模块(3)均处于非工作状态；低压直流侧能量转换开关模块(4)中，第十三NMOS管(S13)和第十四NMOS管(S14)处于同步整流控制，第十五NMOS管(S15)处于导通状态，第十六NMOS管(S16)处于断开状态；低压直流侧滤波及保护模块(5)中，第十七NMOS管(S17)和第十八NMOS管(S18)处于导通状态；高压直流侧能量转换开关模块(6)中，由第九NMOS管(S9)、第十NMOS管(S10)、第十一NMOS管(S11)及第十二NMOS管(S12)共同构成的单相逆变桥处于移相全桥控制，且高压电池组与高压直流侧输出端相脱离。
可选的，在所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置中，所述电气集成装置处于高压直流侧母线电容预充电工作模式时，PFC模块(1)、高压AC侧能量转换开关模块(2)及变压器模块(3)均处于非工作状态；低压直流侧能量转换开关模块(4)中，第十三NMOS管(S13)和第十四NMOS管(S14)中的一个处于导通状态，另一个处于断开状态；第十五NMOS管(S15)处于同步整流控制，第十六NMOS管(S16)处于脉宽调节控制；低压直流侧滤波及保护模块(5)中，第十七NMOS管(S17)和第十八NMOS管(S18)处于导通状态；高压直流侧能量转换开关模块(6)中，由第九NMOS管(S9)、第十NMOS管(S10)、第十一NMOS管(S11)及第十二NMOS管(S12)共同构成的单相逆变桥处于被动整流状态。
在本发明所提供的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置中，所述车载充电机与车载DCDC的电气集成装置包括：PFC模块、高压AC侧能量转换开关模块、变压器模块、低压直流侧能量转换开关模块、低压直流侧滤波及保护模块及高压直流侧能量转换开关模块；其中，PFC模块、高压AC侧能量转换开关模块及变压器模块依次连接，变压器模块与低压直流侧能量转换开关模块和高压直流侧能量转换开关模块相连接，低压直流侧能量转换开关模块与保护模块连接。通过电气元件共用以将车载充电机与车载DCDC实现电气集成，相比单独的车载充电机和车载DCDC节省了装置占用的体积，减轻了总重量，降低了成本。
附图说明
图1是本发明一实施例中车载充电机与车载DCDC的电气集成装置的示意图；
图2是本发明一实施例中车载充电机与车载DCDC的电气集成装置处于车载DCDC单独工作模式时的示意图；
图3是本发明一实施例的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置处于车载充电机高压直流侧充电工作模式时的示意图；
图4是本发明一实施例的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置处于车载充电机高/低压直流侧充电工作模式时的示意图；
图5是本发明一实施例的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置处于车载充电机高/低压直流侧充电工作模式时，第十五NMOS管的控制情况示意图；
图6是本发明一实施例的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置处于高压直流侧母线电容放电工作模式时的示意图；
图7是本发明一实施例的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置处于高压直流侧母线电容预充电工作模式时的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图1，其为本发明的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置的示意图。如图2所示，所述车载充电机与车载DCDC的电气集成装置包括：PFC模块1、高压AC侧能量转换开关模块2、变压器模块3、低压直流侧能量转换开关模块4、低压直流侧滤波及保护模块5及高压直流侧能量转换开关模块6；其中，PFC模块1、高压AC侧能量转换开关模块2及变压器模块3依次连接，变压器模块3与低压直流侧能量转换开关模块4和高压直流侧能量转换开关模块6相连接，低压直流侧能量转换开关模块4与保护模块5连接。
下面结合图1，具体阐述各个模块的具体构成元件。其中，所述PFC模块1包括：三路Boost电路及直流支撑电容CDC，其中，三路Boost电路包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一NMOS管S1、第二NMOS管S2、第三NMOS管S3；其中，第一二极管D1与第二二极管D2串联，第三二极管D3与第四二极管D4串联，所述第一二极管D1的阴极与第三二极管D3的阴极连接，第二二极管D2的阳极与第四二极管D4的阳极连接；第一电感L1的一端与第三二极管D3的阴极连接，另一端与第五二极管D5的阳极连接；第二电感L2的一端与第三二极管D3的阴极连接，另一端与第六二极管D6的阳极连接；第三电感L3的一端与第三二极管D3的阴极连接，另一端与第七二极管D7的阳极连接；第五二极管D5的阴极分别与第六二极管D6的阴极和第七二极管D7的阴极连接；第一NMOS管S1的漏极与第五二极管D5的阳极连接，第一NMOS管S1的源极与第四二极管D4的阳极连接；第二NMOS管S2的漏极与第六二极管D6的阳极连接，第二NMOS管S2的源极与第四二极管D4的阳极连接；第三NMOS管S3的漏极与第七二极管D7的阳极连接，第二NMOS管S2的源极与第四二极管D4的阳极连接；所述电容CDC的一端与第七二极管D7的阴极连接，另一端与第三NMOS管S3的源极连接。
所述高压AC侧能量转换开关模块2包括：第四NMOS管S4、第五NMOS管S5、第六NMOS管S6、第七NMOS管S7及第八NMOS管S8(S8是防反向充电开关)；其中，第四NMOS管S4、第五NMOS管S5、第六NMOS管S6、第七NMOS管S7、第八NMOS管S8及第九NMOS管S9；其中，第四NMOS管S4的源极与第五NMOS管S5的漏极连接，第四NMOS管S4的漏极与第五二极管的阴极连接，第五NMOS管S5的源极与第三NMOS管的源极连接；第六NMOS管S6的源极与第七NMOS管S7的漏极连接，第六NMOS管S6的漏极与第四NMOS管S4的漏极连接，第七NMOS管S7的源极与第五NMOS管S5的源极连接；第八NMOS管S8的源极与第五二极管D5的阴极连接，第八NMOS管S8的漏极与第四NMOS管S4的漏极连接。
所述变压器模块3包括：谐振电感Lr、谐振电容Cr、原边绕组N1、副边高压直流绕组N2、第一副边低压直流绕组N3及第二副边低压直流绕组N4；其中，谐振电感Lr的一端与第四NMOS管S4的源极连接，另一端与原边绕组N1的一端连接；谐振电容Cr的一端与第七NMOS管S7的漏极连接，另一端与原边绕组N1的另一端连接；第一副边低压直流绕组N3与第二副边低压直流绕组N4串联。
所述低压直流侧能量转换开关模块4包括：第十三NMOS管S13、第十四NMOS管S14、第十五NMOS管S15及第十六NMOS管S16；其中，第一副边低压直流绕组N3与第二副边低压直流绕组N4串联，第十三NMOS管S13的漏极与第一副边低压直流绕组N3的另一端连接，第十三NMOS管S13的源极与第十四NMOS管S14的源极连接；第十四NMOS管S14的漏极与第二副边低压直流绕组N4的另一端连接；第十五NMOS管S15的漏极与第一副边低压直流绕组N3和第二副边低压直流绕组N4之间的连线连接，第十五NMOS管S15的源极与第十六NMOS管S16的漏极连接，第十六NMOS管S16的漏极与第十四NMOS管S14的源极连接。
所述低压直流侧滤波及保护模块5包括：滤波电感LDC、滤波电容CLVB、第十七NMOS管S17及第十八NMOS管S18；其中，LDC和CLVB构成了LC滤波电路，S17和S18为防反接/防倒灌开关；滤波电感LDC的一端与第十六NMOS管S16的漏极连接，另一端与滤波电容CLVB连接；滤波电容CLVB的另一端与第十六NMOS管S16的源极连接；第十七NMOS管S17的源极与滤波电感LDC和滤波电容CLVB之间的连线连接，第十七NMOS管S17的漏极与第十八NMOS管S18的漏极连接，第十八NMOS管S18的源极与滤波电容CLVB的另一端连接。
所述高压直流侧能量转换开关模块6包括：单相逆变桥(S9、S10、S11、S12)和高压直流侧滤波电容CHVB。所述单相逆变桥包括：第九NMOS管S9、第十NMOS管S10、第十一NMOS管S11及第十二NMOS管S12；其中，第九NMOS管S9的源极与第十NMOS管S10的漏极连接，第九NMOS管S9的漏极与第十一NMOS管S11的漏极连接；第十一NMOS管S11的源极与第十二NMOS管S12的漏极连接，第十二NMOS管S12的源极与第十NMOS管S10的源极连接；高压直流侧滤波电容CHVB的一端与第十一NMOS管S11的漏极连接，另一端与第十二NMOS管S12的源极连接。
进一步地，本发明的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置还包括交流电源AC、高压电池组及低压电池组，所述交流电源AC设置于第一二极管D1的阳极与第三二极管D3的阳极之间；所述高压电池组与高压直流侧滤波电容CHVB并联；所述低压电池组的正极与第十八NMOS管S18的源极连接，所述低压电池组的负极与滤波电容CLVB的另一端连接。
此外，本发明方案中的率开关包括不限于三极管，还可以为MOS管、IGBT等功率开关管；PFC模块中可以为单相PFC、双相PFC及三相PFC；任一相可以为单路Boost、双路Boost、三路Boost及多路Boost；变压器模块3中原边拓扑可以为LLC拓扑，也可以为移相全桥拓扑。所述结构中除了变压器和MOS管进行共用外，一些低压电路，如微控制器、采样电路、驱动电路、保护电路、电源电路等都是可以进行共用的，只是示意图中并未画出。述结构可以实现3.3kW、6.6kW、11kW、22kW的车载动力电池充电，车载DCDC功率亦可根据实际需要进行配置。
基于具有如上结构的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置可以实现五种工作模式：车载DCDC单独工作模式、车载充电机高压直流侧充电工作模式、车载充电机高/低压直流侧充电工作模式、高压直流侧母线电容放电工作模式及高压直流侧母线电容预充电工作模式；其中，车载充电机高压直流侧充电工作模式对应AC电网为高压电池充电工况；车载充电机高/低压直流侧充电工作模式对应AC电网同时为高压电池和低压电池充电工况；高压直流侧母线电容放电工作模式对应直流高压侧母线电容放电工况；高压直流侧母线电容预充电工作模式对应高压直流侧母线电容预充电工况。
具体的，对应模式下系统的结构状态具体可参考图2至图5。
如图2所示，所述电气集成装置处于车载DCDC单独工作模式时，变压器AC交流侧功率开关管处于非工作状态，而变压器高压直流侧与低压直流侧功率开关管处于工作状态。所述电气集成装置中各个模块的工作状态为：PFC模块1、高压AC侧能量转换开关模块2及变压器模块3均处于非工作状态；低压直流侧能量转换开关模块4中，第十三NMOS管S13和第十四NMOS管S14处于同步整流控制，第十五NMOS管S15处于导通状态，第十六NMOS管S16处于断开状态；低压直流侧滤波及保护模块5中，防反接/防倒灌的开关管第十七NMOS管S17和第十八NMOS管S18处于导通状态；高压直流侧能量转换开关模块6中，由第九NMOS管S9、第十NMOS管S10、第十一NMOS管S11及第十二NMOS管S12共同构成的单相逆变桥处于移相全桥控制。这里，所述高压AC侧能量转换开关模块2中的第八NMOS管S8的阻尼二极管起到反向阻断作用，使车载DCDC单独工作时，避免PFC直流支撑电容CDC上有电压，通过该控制方式，即可以实现车载DCDC单独工作模式，使高压直流侧为低压直流侧充电。
如图3所示，所述电气集成装置处于车载充电机高压直流侧充电工作模式时，变压器低压直流侧功率开关管处于非工作状态，而变压器AC交流侧及高压直流侧功率开关管处于工作状态。所述电气集成装置中各个模块的工作状态为：低压直流侧能量转换开关模块4和低压直流侧滤波及保护模块5均处于非工作状态；PFC模块1处于传统的PFC控制模式，即将220V交流电转换为400V直流电，且同时使输入电流与输入电压同相位；高压AC侧能量转换开关模块2中，由第四NMOS管S4、第五NMOS管S5、第六NMOS管S6及第七NMOS管S7共同构成的单相逆变桥处于频率调制控制，第八NMOS管S8处于导通状态；变压器模块3中，由谐振电感Lr、谐振电容Cr、原边绕组N1及副边高压直流绕组N2共同构成LLC拓扑，并结合所述高压AC侧能量转换开关模块2中单相逆变桥(S4、S5、S6、S7)的频率调制(PFM)控制，实现了高效率的LLC控制。值得注意的是，在该种工作模式下，低压直流侧能量转换开关模块4中第十三NMOS管S13、第十四NMOS管S14、第十五NMOS管S15的源极和漏极之间均有一寄生二极管(或称体二极管)使变压器第一副边低压直流绕组N3和第二副边低压直流绕组N4呈开路状态，避免了绕组N3和N4对该工作模式的影响。通过该控制方式，即可以实现车载充电机高压直流侧充电工作模式，使AC交流侧为高压直流侧充电。
如图4所示，所述电气集成装置处于车载充电机高/低压直流侧充电工作模式时，变压器AC交流侧、高压直流侧和低压直流侧功率开关管均处于工作状态。所述电气集成装置中各个模块的工作状态为：PFC模块1处于PFC控制模式，即将220V交流电转换为400V直流电，且同时使输入电流与输入电压同相位；高压AC侧能量转换开关模块2中，由第四NMOS管S4、第五NMOS管S5、第六NMOS管S6及第七NMOS管S7共同构成的单相逆变桥处于频率调制控制，第八NMOS管S8处于导通状态；变压器模块3中，由谐振电感Lr、谐振电容Cr、原边绕组N1及副边高压直流绕组N2共同构成LLC拓扑，并结合高压AC侧能量转换开关模块2中单相逆变桥(S4、S5、S6、S7)的频率调制(PFM)控制，实现了高效率的LLC控制；高压直流侧能量转换开关模块6中，由第九NMOS管S9、第十NMOS管S10、第十一NMOS管S11及第十二NMOS管S12共同构成的单相逆变桥处于主动或被动整流状态；低压直流侧能量转换开关模块4中，第十三NMOS管S13和第十四NMOS管S14处于同步整流控制，第十五NMOS管S15(S15为内建Buck-Boost开关管)处于脉宽调制控制，第十六NMOS管S16处于同步整流控制，开关管S15和S16实现了Buck功能，这主要是由于系统控制自由度只有一个，但是充电目标有高压电池和低压电池，因此必须加入额外的控制自由度来实现高压电池和低压电池的同时充电；低压直流侧滤波及保护模块5中，第十七NMOS管S17和第十八NMOS管S18处于导通状态。通过所述控制方式，即可以实现车载充电机高/低压直流侧充电工作模式，使AC交流侧为高压直流侧和低压直流侧充电。
值得注意的是，高压直流侧充电拓扑采用的是LLC拓扑，该拓扑工作原理要求在每个周期都有一段时间变压器副边高压直流绕组N2需要脱离变压器，即绕组N2呈开路状态。由于低压直流侧与高压直流侧共用变压器，为了不影响LLC拓扑工作，低压直流侧能量转换开关模块4内建Buck-Boost中开关管S15的脉宽调制(PWM)控制需要与高压直流侧能量转换开关模块6中单相逆变桥进行同步控制，即当绕组N2呈开路状态时，开关管S15、S13和S14必须处于断开状态，以使第一副边低压直流绕组N3和第二副边低压直流绕组N4也脱离变压器，并呈开路状态。请参考图5，其为车载充电机与车载DCDC的电气集成装置处于车载充电机高/低压直流侧充电工作模式时，第十五NMOS管的控制情况示意图。如图5所示，T为开关管S15不能导通的持续时间，iLr为谐振电感Lr中的电流，iLm为变压器原边励磁电感中的电流，D为开关管S15的最大占空比，类似地，开关管S13和S14在如图5所示的时间T内必须控制其处于断开状态。
如图6所示，所述电气集成装置处于高压直流侧母线电容放电工作模式时，变压器AC交流侧功率开关管处于非工作状态，而变压器高压直流侧与低压直流侧功率开关管处于工作状态，该工作模式与车载DCDC单独工作模式相似，但该工作模式中，高压直流侧输出端与高压动力电池脱离，但高压直流母线电容上仍然有电压，故需要将该直流母线中能量通过车载DCDC转换至12V低压电池中，在规定时间内将该直流母线电容电压降至60V安全电压以下，该模式控制方式与车载DCDC单独工作模式控制方式相同。
所述电气集成装置中各个模块的工作状态为：PFC模块1、高压AC侧能量转换开关模块2及变压器模块3均处于非工作状态；低压直流侧能量转换开关模块4中，第十三NMOS管S13和第十四NMOS管S14处于同步整流控制，第十五NMOS管S15处于导通状态，第十六NMOS管S16处于断开状态；低压直流侧滤波及保护模块5中，第十七NMOS管S17和第十八NMOS管S18处于导通状态；高压直流侧能量转换开关模块6中，由第九NMOS管S9、第十NMOS管S10、第十一NMOS管S11及第十二NMOS管S12共同构成的单相逆变桥处于移相全桥控制，且高压电池组与高压直流侧输出端相脱离(如图6所示，CHVB两端未并联高压电池组)。
如图7所示，所述电气集成装置处于高压直流侧母线电容预充电工作模式时，变压器AC交流侧功率开关管处于非工作状态，而变压器高压直流侧与低压直流侧功率开关管处于工作状态。所述电气集成装置中各个模块的工作状态为：PFC模块1、高压AC侧能量转换开关模块2及变压器模块3均处于非工作状态；低压直流侧能量转换开关模块4中，第十三NMOS管S13和第十四NMOS管S14中的一个处于导通状态，另一个处于断开状态；第十五NMOS管S15处于同步整流控制，第十六NMOS管S16处于脉宽调节(PWM)控制，开关管S16和S15结合LC滤波电路(LDC、CLVB)实现了Boost功能；低压直流侧滤波及保护模块5中，第十七NMOS管S17和第十八NMOS管S18处于导通状态；高压直流侧能量转换开关模块6中，由第九NMOS管S9、第十NMOS管S10、第十一NMOS管S11及第十二NMOS管S12共同构成的单相逆变桥处于被动整流状态。通过所述控制方式，即可以实现高压直流侧母线电容预充电工作模式，即通过低压直流侧12V电池为高压直流侧母线电容进行预充电。
综上，在本发明所提供的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置中，所述车载充电机与车载DCDC的电气集成装置包括：PFC模块、高压AC侧能量转换开关模块、变压器模块、低压直流侧能量转换开关模块、低压直流侧滤波及保护模块及高压直流侧能量转换开关模块；其中，PFC模块、高压AC侧能量转换开关模块及变压器模块依次连接，变压器模块与低压直流侧能量转换开关模块和高压直流侧能量转换开关模块相连接，低压直流侧能量转换开关模块与保护模块连接。通过电气元件共用以将车载充电机与车载DCDC实现电气集成，相比单独的车载充电机和车载DCDC节省了装置占用的体积，减轻了总重量，降低了成本。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (14)

1.一种车载充电机与车载DCDC的电气集成装置，其特征在于，包括：PFC模块(1)、高压AC侧能量转换开关模块(2)、变压器模块(3)、低压直流侧能量转换开关模块(4)、低压直流侧滤波及保护模块(5)及高压直流侧能量转换开关模块(6)；其中，PFC模块(1)、高压AC侧能量转换开关模块(2)及变压器模块(3)依次连接，变压器模块(3)与低压直流侧能量转换开关模块(4)和高压直流侧能量转换开关模块(6)相连接，低压直流侧能量转换开关模块(4)与保护模块(5)连接。
2.如权利要求1所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置，其特征在于，所述PFC模块(1)包括：第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第七二极管(D7)、第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三电感(L3)、第一NMOS管(S1)、第二NMOS管(S2)、第三NMOS管(S3)及电容(CDC)；其中，第一二极管(D1)与第二二极管(D2)串联，第三二极管(D3)与第四二极管(D4)串联，所述第一二极管(D1)的阴极与第三二极管(D3)的阴极连接，第二二极管(D2)的阳极与第四二极管(D4)的阳极连接；第一电感(L1)的一端与第三二极管(D3)的阴极连接，另一端与第五二极管(D5)的阳极连接；第二电感(L2)的一端与第三二极管(D3)的阴极连接，另一端与第六二极管(D6)的阳极连接；第三电感(L3)的一端与第三二极管(D3)的阴极连接，另一端与第七二极管(D7)的阳极连接；第五二极管(D5)的阴极分别与第六二极管(D6)的阴极和第七二极管(D7)的阴极连接；第一NMOS管(S1)的漏极与第五二极管(D5)的阳极连接，第一NMOS管(S1)的源极与第四二极管(D4)的阳极连接；第二NMOS管(S2)的漏极与第六二极管(D6)的阳极连接，第二NMOS管(S2)的源极与第四二极管(D4)的阳极连接；第三NMOS管(S3)的漏极与第七二极管(D7)的阳极连接，第二NMOS管(S2)的源极与第四二极管(D4)的阳极连接；所述电容(CDC)的一端与第七二极管(D7)的阴极连接，另一端与第三NMOS管(S3)的源极连接。
3.如权利要求2所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置，其特征在于，所述高压AC侧能量转换开关模块(2)包括：第四NMOS管(S4)、第五NMOS管(S5)、第六NMOS管(S6)、第七NMOS管(S7)及第八NMOS管(S8)；其中，第四NMOS管(S4)、第五NMOS管(S5)、第六NMOS管(S6)、第七NMOS管(S7)、第八NMOS管(S8)及第九NMOS管(S9)；其中，第四NMOS管(S4)的源极与第五NMOS管(S5)的漏极连接，第四NMOS管(S4)的漏极与第五二极管的阴极连接，第五NMOS管(S5)的源极与第三NMOS管的源极连接；第六NMOS管(S6)的源极与第七NMOS管(S7)的漏极连接，第六NMOS管(S6)的漏极与第四NMOS管(S4)的漏极连接，第七NMOS管(S7)的源极与第五NMOS管(S5)的源极连接；第八NMOS管(S8)的源极与第五二极管(D5)的阴极连接，第八NMOS管(S8)的漏极与第四NMOS管(S4)的漏极连接。
4.如权利要求3所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置，其特征在于，所述变压器模块(3)包括：谐振电感(Lr)、谐振电容(Cr)、原边绕组(N1)、副边高压直流绕组(N2)、第一副边低压直流绕组(N3)及第二副边低压直流绕组(N4)；其中，谐振电感(Lr)的一端与第四NMOS管(S4)的源极连接，另一端与原边绕组(N1)的一端连接；谐振电容(Cr)的一端与第七NMOS管(S7)的漏极连接，另一端与原边绕组(N1)的另一端连接；第一副边低压直流绕组(N3)与第二副边低压直流绕组(N4)串联。
5.如权利要求4所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置，其特征在于，所述低压直流侧能量转换开关模块(4)包括：第十三NMOS管(S13)、第十四NMOS管(S14)、第十五NMOS管(S15)及第十六NMOS管(S16)；其中，第一副边低压直流绕组(N3)与第二副边低压直流绕组(N4)串联，第十三NMOS管(S13)的漏极与第一副边低压直流绕组(N3)的另一端连接，第十三NMOS管(S13)的源极与第十四NMOS管(S14)的源极连接；第十四NMOS管(S14)的漏极与第二副边低压直流绕组(N4)的另一端连接；第十五NMOS管(S15)的漏极与第一副边低压直流绕组(N3)和第二副边低压直流绕组(N4)之间的连线连接，第十五NMOS管(S15)的源极与第十六NMOS管(S16)的漏极连接，第十六NMOS管(S16)的漏极与第十四NMOS管(S14)的源极连接。
6.如权利要求5所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置，其特征在于，所述低压直流侧滤波及保护模块(5)包括：滤波电感(LDC)、滤波电容(CLVB)、第十七NMOS管(S17)及第十八NMOS管(S18)；其中，滤波电感(LDC)的一端与第十六NMOS管(S16)的漏极连接，另一端与滤波电容(CLVB)连接；滤波电容(CLVB)的另一端与第十六NMOS管(S16)的源极连接；第十七NMOS管(S17)的源极与滤波电感(LDC)和滤波电容(CLVB)之间的连线连接，第十七NMOS管(S17)的漏极与第十八NMOS管(S18)的漏极连接，第十八NMOS管(S18)的源极与滤波电容(CLVB)的另一端连接。
7.如权利要求6所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置，其特征在于，所述高压直流侧能量转换开关模块(6)包括：第九NMOS管(S9)、第十NMOS管(S10)、第十一NMOS管(S11)、第十二NMOS管(S12)及高压直流侧滤波电容(CHVB)；其中，第九NMOS管(S9)的源极与第十NMOS管(S10)的漏极连接，第九NMOS管(S9)的漏极与第十一NMOS管(S11)的漏极连接；第十一NMOS管(S11)的源极与第十二NMOS管(S12)的漏极连接，第十二NMOS管(S12)的源极与第十NMOS管(S10)的源极连接；高压直流侧滤波电容CHVB的一端与第十一NMOS管(S11)的漏极连接，另一端与第十二NMOS管(S12)的源极连接。
8.如权利要求7所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置，其特征在于，还包括交流电源(AC)、高压电池组及低压电池组，所述交流电源(AC)设置于第一二极管(D1)的阳极与第三二极管(D3)的阳极之间；所述高压电池组与高压直流侧滤波电容(CHVB)并联；所述低压电池组的正极与第十八NMOS管(S18)的源极连接，所述低压电池组的负极与滤波电容(CLVB)的另一端连接。
9.如权利要求8所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置，其特征在于，所述电气集成装置具有五种工作模式，包括：车载DCDC单独工作模式、车载充电机高压直流侧充电工作模式、车载充电机高/低压直流侧充电工作模式、高压直流侧母线电容放电工作模式及高压直流侧母线电容预充电工作模式；其中，车载充电机高压直流侧充电工作模式对应AC电网为高压电池充电工况；车载充电机高/低压直流侧充电工作模式对应AC电网同时为高压电池和低压电池充电工况；高压直流侧母线电容放电工作模式对应直流高压侧母线电容放电工况；高压直流侧母线电容预充电工作模式对应高压直流侧母线电容预充电工况。
10.如权利要求9所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置，其特征在于，所述电气集成装置处于车载DCDC单独工作模式时，PFC模块(1)、高压AC侧能量转换开关模块(2)及变压器模块(3)均处于非工作状态；低压直流侧能量转换开关模块(4)中，第十三NMOS管(S13)和第十四NMOS管(S14)处于同步整流控制，第十五NMOS管(S15)处于导通状态，第十六NMOS管(S16)处于断开状态；低压直流侧滤波及保护模块(5)中，第十七NMOS管(S17)和第十八NMOS管(S18)处于导通状态；高压直流侧能量转换开关模块(6)中，由第九NMOS管(S9)、第十NMOS管(S10)、第十一NMOS管(S11)及第十二NMOS管(S12)共同构成的单相逆变桥处于移相全桥控制。
11.如权利要求9所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置，其特征在于，所述电气集成装置处于车载充电机高压直流侧充电工作模式时，低压直流侧能量转换开关模块(4)和低压直流侧滤波及保护模块(5)均处于非工作状态；PFC模块(1)处于PFC控制模式；高压AC侧能量转换开关模块(2)中，由第四NMOS管(S4)、第五NMOS管(S5)、第六NMOS管(S6)及第七NMOS管(S7)共同构成的单相逆变桥处于频率调制控制，第八NMOS管(S8)处于导通状态；变压器模块(3)中，由谐振电感(Lr)、谐振电容(Cr)、原边绕组(N1)及副边高压直流绕组(N2)共同构成LLC拓扑，第一副边低压直流绕组(N3)和第二副边低压直流绕组(N4)呈开路状态。
12.如权利要求9所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置，其特征在于，所述电气集成装置处于车载充电机高/低压直流侧充电工作模式时，PFC模块(1)处于PFC控制模式；高压AC侧能量转换开关模块(2)中，由第四NMOS管(S4)、第五NMOS管(S5)、第六NMOS管(S6)及第七NMOS管(S7)共同构成的单相逆变桥处于频率调制控制，第八NMOS管(S8)处于导通状态；变压器模块(3)中，由谐振电感(Lr)、谐振电容(Cr)、原边绕组(N1)及副边高压直流绕组(N2)共同构成LLC拓扑；高压直流侧能量转换开关模块(6)中，由第九NMOS管(S9)、第十NMOS管(S10)、第十一NMOS管(S11)及第十二NMOS管(S12)共同构成的单相逆变桥处于主动或被动整流状态；低压直流侧能量转换开关模块(4)中，第十三NMOS管(S13)和第十四NMOS管(S14)处于同步整流控制，第十五NMOS管(S15)处于脉宽调制控制，第十六NMOS管(S16)处于同步整流控制；低压直流侧滤波及保护模块(5)中，第十七NMOS管(S17)和第十八NMOS管(S18)处于导通状态。
13.如权利要求9所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置，其特征在于，所述电气集成装置处于高压直流侧母线电容放电工作模式时，PFC模块(1)、高压AC侧能量转换开关模块(2)及变压器模块(3)均处于非工作状态；低压直流侧能量转换开关模块(4)中，第十三NMOS管(S13)和第十四NMOS管(S14)处于同步整流控制，第十五NMOS管(S15)处于导通状态，第十六NMOS管(S16)处于断开状态；低压直流侧滤波及保护模块(5)中，第十七NMOS管(S17)和第十八NMOS管(S18)处于导通状态；高压直流侧能量转换开关模块(6)中，由第九NMOS管(S9)、第十NMOS管(S10)、第十一NMOS管(S11)及第十二NMOS管(S12)共同构成的单相逆变桥处于移相全桥控制，且高压电池组与高压直流侧输出端相脱离。
14.如权利要求9所述的车载充电机与车载DCDC的电气集成装置，其特征在于，所述电气集成装置处于高压直流侧母线电容预充电工作模式时，PFC模块(1)、高压AC侧能量转换开关模块(2)及变压器模块(3)均处于非工作状态；低压直流侧能量转换开关模块(4)中，第十三NMOS管(S13)和第十四NMOS管(S14)中的一个处于导通状态，另一个处于断开状态；第十五NMOS管(S15)处于同步整流控制，第十六NMOS管(S16)处于脉宽调节控制；低压直流侧滤波及保护模块(5)中，第十七NMOS管(S17)和第十八NMOS管(S18)处于导通状态；高压直流侧能量转换开关模块(6)中，由第九NMOS管(S9)、第十NMOS管(S10)、第十一NMOS管(S11)及第十二NMOS管(S12)共同构成的单相逆变桥处于被动整流状态。
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