1.本发明涉及车载充电机技术领域，具体是一种多模式氮化镓基双向车载充电机。
背景技术：2.我国2021年新能源汽车销量达到了352.万辆，每一辆电动汽车上都会配备一台车载充电机（obc）,主要功能是在没有专用充电桩的情况下，可以从220v交流电网取电进行充电，虽然充电速度较慢，但也大大方便了不同用户的充电需求。
3.然而，目前绝大部分电动汽车上的obc以单相单向obc为主，也就是只能220v单相交流电输入，且只具备单向g2v（电网至电动汽车）功能，并且obc内部开关管以si基mosfet为主，具有导通损耗大，发热大，转换效率低，体积大的缺点。在工作模式上，只具备充电功能，不具备v2g（电动汽车至电网）功能和v2l（电动汽车至负载）功能。
技术实现要素：4.为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种多模式氮化镓基双向车载充电机，提高电动汽车充电效率，可以兼容220v单相电网和380v三相电网，实现v2g和v2l功能。
5.本发明是以如下技术方案实现的：一种多模式氮化镓基双向车载充电机，包括用于完成ac/dc转化，并控制功率因数为1的前级双向pfc，以及用于完成dc-dc不同电压等级的转化，并对动力电池进行充电的后级双向clllc谐振dc-dc变换器；前级双向pfc通过切换开关分别连接220v单相电网或380v三相电网，当接入220v单相电源时工作于图腾柱pfc模式，当接入380v三相电源时工作于两电平整流器模式；所述后级双向clllc谐振dc-dc变换器采用clllc谐振网络拓扑，正向反向完全对称；所述前级双向pfc连接后级双向clllc谐振dc-dc变换器，所述后级双向clllc谐振dc-dc变换器连接充电电池；前级双向pfc和后级双向clllc谐振dc-dc变换器中的开关管全部采用氮化镓基开关管。
6.优选的，所述前级双向pfc包括第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4、第五开关管s5以及第六开关管s6，第一开关管s1、第三开关管s3和第五开关管s5的漏极连接，第一开关管s1的源极连接第二开关管s2的漏极，第三开关管s3的源极连接第四开关管s4的漏极，第五开关管s5的源极连接第六开关管s6的漏极，第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6的源极相连，第一开关管s1、第三开关管s3和第五开关管s5的源极分别通过电感连接切换开关；第五开关管s5的漏极和第六开关管s6的源极之间串联一电容，每一个开关管的源极跟漏极之间串联一二极管。
7.优选的，所述第一开关管s1、第二开关管s2为高频开关管，第三开关管s3、第四开关管s4为工频开关管。
8.优选的，所述后级双向clllc谐振dc-dc变换器包括第一h桥开关电路、第二h桥开关电路和谐振变压器；
第一h桥开关电路包括第七开关管s7、第八开关管s8、第九开关管s9、第十开关管s10，第七开关管s7和第九开关管s9的漏极连接，第七开关管s7的源极与第八开关管s8的漏极连接，第九开关管s9的源极与第十开关管s10的漏极连接，第七开关管s7的源极连接谐振变压器第一绕组的一端，第九开关管s9的源极连接谐振变压器第一绕组的另一端；第二h桥开关电路包括第十一开关管s11、第十二开关管s12、第十三开关管s13、第十四开关管s14，第十一开关管s11和第十三开关管s13的漏极连接，第十一开关管s7的源极与第十二开关管s12的漏极连接，第十三开关管s13的源极与第十四开关管s14的漏极连接，第十一开关管s11的源极连接谐振变压器第二绕组的一端，第十三开关管s13的源极连接谐振变压器第二绕组的另一端；第十三开关管s13的漏极和第十四开关管s14的源极之间串联一电容；每一个开关管的源极跟漏极之间串联一二极管。
9.优选的，开关管s7~s14均为高频开关管。
10.优选的，谐振变压器变比为n:1。
11.与现有技术相比，多模式氮化镓基双向车载充电机有以下优点：1.功率密度大。gan基开关器件的开关频率高，磁性元器件和钳位电容都可以选择小尺寸的，所以同等容量下gan基obc体积小，功率密度大。
12.2.自适应电网输入选择。本设计即可工作于220v单相电网，也可工作于380v三相电网，并且自行选择工作模式和充电功率。
13.3.实现v2g功能。当前储能电站对电网负载削峰填谷的作用已经得到广泛共识，电动汽车连接在电网上时，在用电低谷时工作于g2v模式吸收电网的电能对电动汽车动力电池进行充电，在用电高峰时工作于v2g模式由电动汽车向电网适度提供电能，如果所有的电动汽车都具备这种功能，将会实现全国范围的分布式储能电站的作用，使国家的电网运行更为经济、平稳。
14.4. 实现v2l功能。当用户在户外露营时，可以从电动汽车获取220v交流电源，用于驱动微波炉、电池炉、热水壶以及电风扇等家用电器，大大提高了用户的户外体验，具有广泛的市场基础和市场前景。
附图说明
15.图1是本发明电路图；图2是单相工作模式示意图；图3是工频管开关逻辑示意图；图4是 pfc换流原理示意图；图5是三相pfc主回路示意图；图6是三相pfc原理控制框图；图7是clllc谐振变换器拓扑示意图；图8是clllc变换器在g2v模式下的控制框图；图9是clllc变换器在v2g与v2l模式下的控制框图。
具体实施方式
16.如图1所示，obc是电动汽车的核心部件之一，主要功能是实现对动力电池的充电。obc包含两部分，一部分是前级双向pfc，主要功能是完成ac/dc转化，并控制功率因数为1：另一部分是后级双向clllc谐振dc-dc变换器，主要功能是完成dc-dc不同电压等级的转化，并对动力电池进行充电。
17.多模式双向车载充电机原理介绍：1.单相、三相自适应识别系统检测输入侧线电压uab和ubc，如果有效值在176v-264v之间，则判断为单相输入，系统自动切换选择开关至单相模式（图1中b位置），并启用单相控制程序；如果有效值在304v-456v之间，则判断为三相输入，系统自动切换选择开关至三相模式（图1中a位置），并启动三相控制程序。
18.2.双向pfc原理介绍1）单相模式当系统进入单相工作模式时，前级pfc只有s1~s4开关管参与工作，如图2所示：其中第一开关管s1、第二开关管s2为高频开关管，第三开关管s3、第四开关管s4为工频开关管，pfc功能是把ac转换为dc，并维持直流电压稳定，采用双闭环控制，电压外环的输出为电流内环的给定，电流内环的输出用来与载波比较，生成s1和s2的脉冲信号，工频管s3在电网电压的正半轴关断，负半轴开通，s4在电网电压的正半轴开通，负半轴关断。工频管的开关逻辑信号如图3所示（gs3和gs4分别为第三开关管s3和第四开关管s4的驱动门极信号，1为开通，0为关断）：以电网电压正半轴为例，第四开关管s4管开通，第二开关管s2管处于pwm调制状态，当第二开关管s2开通时，电流流经第二开关管s2、第四开关管s4对电感la、lb进行储能，当s2关断时，第一开关管s1开通(第一开关管s1、第二开关管s2开关信号互补，并添加死区时间防止直通)，电源us和电感对直流侧电容进行充电，电流换流路径如图4所示。
19.对于电网电压负半轴来说，与正半轴同理，不再赘述。
20.当工作于反向时（也就是v2g或者v2l模式）时，工作原理一样，只是换流路径略有不同，还以电网电压正半轴为例，第四开关管s4管开通，第一开关管s1管处于pwm调制状态，当第一开关管s1开通时，电流流经第一开关管s1、第四开关管s4和电源us对电感la、lb进行储能的同时往电网馈入能量，当第一开关管s1关断时，第二开关管s2开通(第一开关管s1、第二开关管s2开关信号互补，并添加死区时间防止直通)，电感la、lb续流，并对电源us馈入能量。
21.2）三相模式当系统进入单相工作模式时，前级pfc的s1~s6开关管全部参与工作，如图5所示：三相pfc就是一个两电平三相整流器，本设计采用两电平svpwm控制算法，可以保持直流侧母线电压稳定和网侧功率因数为1，对于两电平整流器来说已经比较成熟，其控制框图如图6所示，主要包括电压外环和电流内环，电压外环负责稳定直流侧电压，电流内环包括有功电流环和无功电流环，有功电流环负责接收电压外环的输出以稳定直流侧电压，无功电流环负责维持网侧功率因数为1.3.双向dc-dc原理介绍
后级双向dc-dc变换器采用clllc谐振网络拓扑，正向反向完全对称，能量双向流动时更易控制，且双向增益系数相同，拓扑示意图如图7所示：谐振变压器变比为n:1，图6中lc谐振参数按满足：图6中lc谐振参数按满足：clllc对称式拓扑结构正向、反向工作原理基本一致，区别于ac/dc部分的脉冲宽度调制（pwm）模式，dc-dc部分采用脉冲频率调制（pfm）模式。
22.1）g2v模式g2v对电池充电时，有两个工作过程，分别是恒流阶段和恒压阶段，控制原理框图如图8所示，充电初期时电池的荷电状态(soc)较低，采取恒流充电模式(constant current, cc)，使电池的实际充电电流与给定值一致且保持恒定，这时只投入电流环，电流环pi控制器的输出用来调节clllc变换器原边开关管的开关频率，以实现变换器的调频控制。当电池荷电状态达到一定阈值时，电池由恒流充电转换为恒压充电模式(constant voltage, cv)，此时电压环和电流都投入，电压环pi控制器的输出作为充电电流的给定值，电流环pi控制器的作用不变，输出用于pfm模块来调频控制。
23.2）v2g与v2l模式在v2g与v2l模式下，电池通过obc对电网或者负载放电，clllc变换器工作于反向模式，电压环电流环都需要投入，并且对s11~s14进行pfm调频控制，控制框图与g2v模式基本一样，如图9所示。
24.将gan基双向obc技术应用于电动汽车充电机，解决以下问题：1、目前大量使用的si基obc体积大、损耗大、效率低的问题，用gan基器件替代后可以提高电动汽车充电效率，并优化电动汽车空间布局设计；2、目前电动汽车obc只能从单相220v交流电取电，本设计可以兼容220v单相电网和380v三相电网，丰富充电场景；3、目前电动汽车obc不能实现v2g功能，本设计可以实现电动汽车向电网供电，可以把电动汽车作为分布式储能电站的终端设备，对城市电网可以起到“削峰填谷”的作用；4、目前电动汽车obc不能实现v2l功能，本设计可以实现电动汽车向家用电器供电，方便了户外露营用户的用电需求，提高电动汽车的客户黏性。
技术特征：1.一种多模式氮化镓基双向车载充电机，其特征在于：包括用于完成ac/dc转化，并控制功率因数为1的前级双向pfc，以及用于完成dc-dc不同电压等级的转化，并对动力电池进行充电的后级双向clllc谐振dc-dc变换器；前级双向pfc通过切换开关分别连接220v单相电网或380v三相电网，当接入220v单相电源时工作于图腾柱pfc模式，当接入380v三相电源时工作于两电平整流器模式；所述后级双向clllc谐振dc-dc变换器采用clllc谐振网络拓扑，正向反向完全对称；所述前级双向pfc连接后级双向clllc谐振dc-dc变换器，所述后级双向clllc谐振dc-dc变换器连接充电电池；前级双向pfc和后级双向clllc谐振dc-dc变换器中的开关管全部采用氮化镓基开关管。2.根据权利要求1所述的一种多模式氮化镓基双向车载充电机，其特征在于：所述前级双向pfc包括第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4、第五开关管s5以及第六开关管s6，第一开关管s1、第三开关管s3和第五开关管s5的漏极连接，第一开关管s1的源极连接第二开关管s2的漏极，第三开关管s3的源极连接第四开关管s4的漏极，第五开关管s5的源极连接第六开关管s6的漏极，第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6的源极相连，第一开关管s1、第三开关管s3和第五开关管s5的源极分别通过电感连接切换开关；第五开关管s5的漏极和第六开关管s6的源极之间串联一电容，每一个开关管的源极跟漏极之间串联一二极管。3.根据权利要求2所述的一种多模式氮化镓基双向车载充电机，其特征在于：所述第一开关管s1、第二开关管s2、第五开关管s5以及第六开关管s6为高频开关管，第三开关管s3和第四开关管s4为工频开关管。4.根据权利要求1所述的一种多模式氮化镓基双向车载充电机，其特征在于：所述后级双向clllc谐振dc-dc变换器包括第一h桥开关电路、第二h桥开关电路和谐振变压器；第一h桥开关电路包括第七开关管s7、第八开关管s8、第九开关管s9、第十开关管s10，第七开关管s7和第九开关管s9的漏极连接，第七开关管s7的源极与第八开关管s8的漏极连接，第九开关管s9的源极与第十开关管s10的漏极连接，第七开关管s7的源极连接谐振变压器第一绕组的一端，第九开关管s9的源极连接谐振变压器第一绕组的另一端；第二h桥开关电路包括第十一开关管s11、第十二开关管s12、第十三开关管s13、第十四开关管s14，第十一开关管s11和第十三开关管s13的漏极连接，第十一开关管s7的源极与第十二开关管s12的漏极连接，第十三开关管s13的源极与第十四开关管s14的漏极连接，第十一开关管s11的源极连接谐振变压器第二绕组的一端，第十三开关管s13的源极连接谐振变压器第二绕组的另一端；第十三开关管s13的漏极和第十四开关管s14的源极之间串联一电容；每一个开关管的源极跟漏极之间串联一二极管。5.根据权利要求4所述的一种多模式氮化镓基双向车载充电机，其特征在于：开关管s7~s14均为高频开关管。6.根据权利要求4所述的一种多模式氮化镓基双向车载充电机，其特征在于：谐振变压器变比为n:1。
技术总结本发明公开一种多模式氮化镓基双向车载充电机，包括用于完成AC/DC转化，并控制功率因数为1的前级双向PFC，以及用于完成DC-DC不同电压等级的转化，并对动力电池进行充电的后级双向CLLLC谐振DC-DC变换器；前级双向PFC拥有两种工作模式，当接入220V单相电源时工作于图腾柱PFC模式，当接入380V三相电源时工作于两电平整流器模式；后级双向CLLLC谐振DC-DC变换器采用CLLLC谐振网络拓扑，正向反向完全对称；前级双向PFC连接后级双向CLLLC谐振DC-DC变换器，后级双向CLLLC谐振DC-DC变换器连接充电电池；前级双向PFC和后级双向CLLLC谐振DC-DC变换器中的开关管全部采用氮化镓基开关管。提高电动汽车充电效率，可以兼容220V单相电网和380V三相电网，实现V2G和V2L功能。实现V2G和V2L功能。实现V2G和V2L功能。
技术研发人员：郑旺
受保护的技术使用者：徐州金沙江半导体有限公司
技术研发日：2022.10.12
技术公布日：2022/12/16
