CN108321869A - 一种电动汽车充电设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动汽车充电设备，该电动汽车充电设备包括：功率变换堆，功率变换堆包括多个功率模块；开关单元，开关单元包括开关矩阵，开关矩阵包括M*N个开关器件，开关矩阵的M个输入端分别连接相应功率模块的输出端，开关矩阵的N个输出端分别连接相应的充电枪，其中，M、N均大于1，且M小于等于功率模块的数量；控制单元，用于通过充电枪与电动汽车进行通讯而获取电动汽车的需求信息，并根据需求信息确定相应功率模块及开关矩阵的开关时序，且使得相应功率模块的开启时间晚于开关矩阵中相应支路的开启时间，相应功率模块的关闭时间早于开关矩阵中相应支路的关闭时间。实施本发明的技术方案，可降低充电设备的成本。

Description

一种电动汽车充电设备

技术领域

本发明涉及电动汽车充电领域，尤其涉及一种电动汽车充电设备。

背景技术

环境和能源问题促使全球电动车行业快速发展，而充电桩作为电动汽车的能量补给站，未来必定像加油站一样普及。

在充电设备中，通过控制功率分配单元PDU中各个充电支路的通断来进行功率模块的分配及调度，而充电支路一般由继电器组成，而且，由于继电器的耐流等级较低，很容易损坏，所以，一般都会在继电器上并联耐流等级较高的半导体器件，例如，IGBT管。具体地，当需控制某一充电支路导通时，先控制该充电支路上的IGBT管导通，再闭合继电器；当需控制某一充电支路关断时，先关断继电器，再控制该充电支路上的IGBT管关断。但是，此种方式中，由于每个充电支路中均需设置半导体器件，所以，对充电设备的成本影响较大。

另外，为防止电池电流反向倒灌至功率模块引起回路短路，引起电动汽车和充电设备的元器件或者线缆损坏，甚至起火，一般都会在每个充电支路的继电器后加二极管，但是，这种方式所需的二极管的数量较多(与充电支路的数量相同)，也会影响充电设备的成本。

发明内容

为解决现有技术中所存在的上述充电设备成本高的问题，本发明提供一种低成本的电动汽车充电设备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电动汽车充电设备，包括多个充电枪，所述电动汽车充电设备还包括：

功率变换堆，所述功率变换堆包括多个功率模块；

开关单元，所述开关单元包括开关矩阵，所述开关矩阵包括M*N个开关器件，其中，同一行开关器件的连接点作为开关矩阵的一输入端，同一列开关器件的连接点作为开关矩阵的一输出端，而且，所述开关矩阵的M个输入端分别连接相应功率模块的输出端，所述开关矩阵的N个输出端分别连接相应的充电枪，其中，M、N均大于1，且M小于等于功率模块的数量；

控制单元，用于通过充电枪与电动汽车进行通讯而获取电动汽车的需求信息，并根据所述需求信息确定相应功率模块及开关矩阵的开关时序，且使得相应功率模块的开启时间晚于所述开关矩阵中相应支路的开关器件的开启时间，相应功率模块的关闭时间早于所述开关矩阵中相应支路的开关器件的关闭时间。

优选地，所述开关矩阵的数量为多个，而且，多个开关矩阵中的至少两个开关矩阵相串联。

优选地，所述开关矩阵的数量为多个，而且，多个开关矩阵中的至少两个开关矩阵相并联。

优选地，所述开关单元包括p*q个开关矩阵，其中，每p个开关矩阵为一组，每组内的p个开关矩阵相并联，且q个组中的相应开关矩阵相串联，p、q分别为大于1的自然数。

优选地，还包括：

适配单元，所述适配单元包括与功率模块一一对应的防反器件，所述防反器件连接在相应功率模块的输出端与所述开关矩阵的相应输入端之间。

优选地，所述防反器件为二极管，而且，所述二极管的阳极连接所述功率模块的输出端，所述二极管的阴极连接所述开关矩阵的其中一输入端。

优选地，所述防反器件包括切换开关、第一二极管及第二二极管，而且，所述切换开关的动触头连接所述功率模块的输出端，所述切换开关的第一静触头连接第一二极管的阳极，所述切换开关的第二静触头连接第二二极管的阴极，所述第一二极管的阴极及所述第二二极管的阳极连接，且连接至所述开关矩阵的其中一输入端。

优选地，所述适配单元还包括：

至少一个串联开关，所述串联开关连接在两个功率模块的输出端之间。

优选地，所述适配单元、所述控制单元、所述开关单元分别独立设置。

优选地，所述控制单元包括通讯连接的MCU及CPLD，而且，

所述MCU，用于通过充电枪与电动汽车进行通讯而获取电动汽车的需求信息，并根据所述需求信息确定相应功率模块及开关矩阵的开关时序，且根据所确定的开关时序控制相应的功率模块的开或关，及将所确定的开关时序发送至所述CPLD；

所述CPLD，用于根据所接收的开关时序控制相应的开关矩阵中相应支路的开关器件的开或关。

实施本发明的技术方案，由于控制单元可根据电动汽车的需求信息确定相应功率模块及开关矩阵的开关时序，具体地，当需要开通某个支路时，控制单元先控制开关矩阵中该支路的开关器件导通，再控制该支路所对应的功率模块开启；当需要关断某个支路时，控制单元先控制该支路所对应的功率模块停止工作，再控制开关矩阵中该支路的开关器件关断，这样，开关矩阵中的各个开关器件在开或关的瞬间电流为零。相比现有技术，开关矩阵中的各个开关器件上不再需要并联耐流等级更高的半导体器件(例如IGBT管)，因此可降低充电设备的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明电动汽车充电设备实施例一的电路图；

图2是本发明电动汽车充电设备实施例二的电路图；

图3是本发明电动汽车充电设备实施例三的电路图；

图4是图3中串联开关与功率模块的电路图；

图5是本发明电动汽车充电设备实施例四的电路图；

图6是本发明电动汽车充电设备实施例五的电路图；

图7是本发明电动汽车充电设备实施例六的电路图；

图8是本发明电动汽车充电设备实施例七的电路图；

图9A是图8中的防反器件实施例一的第一状态图；

图9B是图8中的防反器件实施例一的第二状态图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明电动汽车充电设备实施例一的电路图，该实施例的电动汽车充电设备包括：功率变换堆10、开关单元20、控制单元30、适配单元40、充电枪51、52。其中，功率变换堆10包括五个功率模块101、102、103、104、105，该些功率模块用于将输入的交流电转换成直流电，实现功率变换。适配单元40包括与五个功率模块101、102、103、104、105一一对应的防反器件，且该反器件为二极管，以二极管D1为例，该二极管D1的阳极连接功率模块101的输出端，二极管D1的阴极连接开关矩阵T1的第一输入端。开关单元20包括开关矩阵T1，该开关矩阵T1为五进二出的开关矩阵，即，包括10(5*2)个开关器件，开关器件例如为继电器或接触器，其中，同一行开关器件的第一端相连后的连接点作为开关矩阵的一输入端，同一列开关器件的第二端相连后的连接点作为开关矩阵的一输出端，因此，该开关矩阵T1具有五个输入端和两个输出端，且该开关矩阵T1的五个输入端分别通过相应防反器件连接相应功率模块的输出端，该开关矩阵T1的两个输出端分别连接相应的充电枪51、52。控制单元30用于通过充电枪与电动汽车进行通讯而获取电动汽车的需求信息，例如，可为充电需求信息，也可为放电需求信息，并根据需求信息确定相应功率模块及开关矩阵T1的开关时序，且使得相应功率模块的开启时间晚于开关矩阵T1中相应支路的开关器件的开启时间，相应功率模块的关闭时间早于开关矩阵T1中相应支路的开关器件的关闭时间。在此还需说明的是，控制单元30对每个支路中功率模块及开关器件的时序控制不仅适用于充电设备正常的情况，也适用于充电设备发生掉电故障的情况。

在该实施例的技术方案中，由于控制单元30可根据电动汽车的需求信息确定相应功率模块及开关矩阵T1的开关时序，具体地，当需要开通某个支路时，控制单元30先控制开关矩阵T1中该支路的开关器件导通，再控制该支路所对应的功率模块开启；当需要关断某个支路时，控制单元30先控制该支路所对应的功率模块停止工作，再控制开关矩阵T1中该支路的开关器件关断，这样，开关矩阵T1中的各个开关器件在开或关的瞬间电流为零。相比现有技术，开关矩阵T1中的各个开关器件上不再需要并联耐流等级更高的半导体器件(例如IGBT管)，因此可降低充电设备的成本。

进一步地，防反器件(例如二极管)可确保电流单向流通，使得电流只能从功率模块流入到充电枪，再到电动汽车的电池，而不能由电池流向功率模块，这样，在功率模块因故障而导致其输出短路时，二极管可防止电池电流反向倒灌到功率模块引起回路短路，进而引起车辆和充电设备的回路元器件或者连接线缆损坏，甚至起火。而且，这种方式中，二极管的数量与功率模块的数量相同，且直接与相应功率模块的输出端相连，因此，不但起到了防反作用，还能减少防反器件的数量。

图2是本发明电动汽车充电设备实施例二的电路图，该实施例的电动汽车充电设备相比图1所示的实施例，所不同仅是：在开关单元20中，包括有两个开关矩阵T1、T2，该两个开关矩阵T1、T2均为五进二出的开关矩阵，且开关矩阵T1的两个输出端分别连接充电枪51、52，开关矩阵T2的两个输出端分别连接充电枪53、54。而且，该两个开关矩阵T1、T2相串联，即，该两个开关矩阵T1、T2的五个输入端分别对应连接。在此需说明的是，只有在功率模块的数量大于充电枪的数量的情况下，才将多个开关矩阵进行串联。

在该实施例的技术方案中，通过将两个开关矩阵T1、T2串联，可使得充电设备由原来的两枪输出扩充到四枪输出，由原有的10个支路扩充到20个支路，从而使充电设备在其功率模块的数量一定时，能为更多的电动汽车充电。

图3是本发明电动汽车充电设备实施例三的电路图，该实施例的电动汽车充电设备相比图2所示的实施例，所不同仅是：在适配单元40中，还包括有多个串联开关，且串联开关连接在两个功率模块的输出端之间，例如，串联开关K1连接在功率模块101、102的输出端之间。具体地，结合图4，串联开关K1连接在功率模块101的负输出端及功率模块102的正输出端之间，使该两个功率模块101、102串联后等效成一个功率模块，例如，一个功率模块的充电电压的输出范围为200V～500V，如果两个功率模块串联则可使充电电压的输出范围达到200v～1000V。当电动汽车所需充电电压范围较大时，可以通过控制功率模块之间的串联开关实现宽范围电压的输出。

在该实施例的技术方案中，通过串联开关将功率模块两两串联，可以实现充电电压更宽范围的输出，使充电设备可兼容的车辆增多。

图5是本发明电动汽车充电设备实施例四的电路图，该实施例的电动汽车充电设备相比图1所示的实施例，所不同仅是：功率变换堆10包括十个功率模块101、102、103、104、105、106、107、108、109、110，相应地，适配单元40包括十个与功率模块一一对应的二极管，且二极管的阳极连接相应功率模块的输出端，二极管的阴极连接相应开关矩阵的相应输入端，例如，二极管D1的阳极连接功率模块101的输出端，二极管D1的阴极连接开关矩阵T3的第一输入端。开关单元20包括两个开关矩阵T3、T4，该两个开关矩阵T3、T4均为五进二出的开关矩阵，其中，开关矩阵T3对应功率模块101、102、103、104、105，开关矩阵T4对应功率模块106、107、108、109、110。而且，该两个开关矩阵T3、T4相并联，即，该两个开关矩阵T3的两个输出端分别与开关矩阵T4的两个输出端对应连接，且分别接充电枪51、52。另外需说明的是，只有在功率模块的数量大于充电枪的数量的情况下，才将多个开关矩阵进行并联。

在该实施例的技术方案中，通过将两个开关矩阵T3、T4并联，可使得每个充电枪由原来对应的5个充电支路扩充到10个充电支路，进而使每个充电枪的输出功率增加一倍。

图6是本发明电动汽车充电设备实施例五的电路图，该实施例的电动汽车充电设备相比图5所示的实施例，所不同仅是：在适配单元40中，还包括有多个串联开关，且串联开关连接在两个功率模块的输出端之间，例如，串联开关K1连接在功率模块101、102的输出端之间。结合图4，串联开关K1连接在功率模块101的负输出端及功率模块102的正输出端之间，使该两个功率模块101、102串联后等效成一个功率模块。

在该实施例的技术方案中，通过串联开关将功率模块两两串联，可以实现充电电压更宽范围的输出，使充电设备可兼容的车辆增多。

图7是本发明电动汽车充电设备实施例六的电路图，该实施例的电动汽车充电设备相比图1所示的实施例，不同的地方主要包括：

在该实施例中，功率变换堆10包括十个功率模块101、102、103、104、105、106、107、108、109、110，相应地，适配单元40包括与十个与功率模块101、102、103、104、105、106、107、108、109、110一一对应的二极管，且二极管的阳极连接相应功率模块的输出端，二极管的阴极连接相应开关矩阵的相应输入端，例如，二极管D1的阳极连接功率模块101的输出端，二极管D1的阴极连接开关矩阵T1的第一输入端。开关单元20包括四个开关矩阵T3、T4、T5、T6，该四个开关矩阵T3、T4、T5、T6均为五进二出的开关矩阵，而且，开关矩阵T3、T5串联，且分别对应功率模块101、102、103、104、105，开关矩阵T4、T6串联，且分别对应功率模块106、107、108、109、110。开关矩阵T3还与开关矩阵T4相并联，开关矩阵T5还与开关矩阵T6相并联。另外，充电枪51连接在开关矩阵T3的第一输出端，充电枪52连接在开关矩阵T3的第二输出端，充电枪53连接在开关矩阵T5的第一输出端，充电枪54连接在开关矩阵T5的第二输出端。最后需说明的是，只有在功率模块的数量大于充电枪的数量的情况下，才将多个开关矩阵进行串、并联。

另外，在该实施例中，控制单元30包括通讯连接的MCU及CPLD，而且，MCU用于通过充电枪与电动汽车进行通讯而获取电动汽车的需求信息，并根据需求信息确定相应功率模块及开关矩阵的开关时序，且根据所确定的开关时序控制相应的功率模块的开或关，及将所确定的开关时序发送至CPLD。CPLD用于对开关矩阵中的开关器件进行控制，而且，在控制时，根据所接收的开关时序控制相应的开关矩阵中相应支路的开关器件的开或关。在此需说明的是，在充电设备正常(无掉电故障发生)时，MCU通过与功率模块、CPLD进行实时通讯可保证相应功率模块与开关矩阵中相应支路的开关器件的开关时序。但是，在充电设备发生掉电故障时，MCU和功率模块的通讯会很快中断，此时，MCU+CPLD(同一个辅助电源)及功率模块分别切换到各自的辅源来供电，各自的辅源用于供MCU+CPLD或功率模块关断正在导通的开关器件，或关断正在开启的功率模块。在一种实现方式中，MCU可尝试再次与功率模块建立通讯连接，并向功率模块发送功率模块关闭指令，功率模块收到该指令后进行关闭，并向MCU返回关闭确认指令，MCU收到关闭确认指令后再发送命令给CPLD关闭相应支路的开关器件。在另一种实现方式中，MCU通过检测相应支路的电流来判断该支路所对应的功率模块是否关闭，若电流小于预设值则认为功率模块已关闭，此时才发送指令给CPLD关闭该支路的开关器件。

最后需说明的是，MCU与CPLD的数量可相同，也可不相同。在一个具体应用中，一个MCU对应两把充电枪，一个CPLD对应100个充电支路，这样，一个充电设备中可设置一个或多个MCU，而仅设置一个CPLD，当然，也可多个充电设备共用一个CPLD，即，使用一个控制板控制多个充电设备，这样可减少控制板的数量，进而降低充电设备的成本。另外，由于开关矩阵的关断时间晚于功率模块的关闭时间，所以，控制板上辅助电源的下电时间应延迟一预设时间。

图8是本发明电动汽车充电设备实施例七的电路图，该实施例的电动汽车充电设备相比图7所示的实施例，所不同仅是：在适配单元40中，防反器件包括切换开关及两个的二极管，而且，切换开关的动触头连接功率模块的输出端，切换开关的第一静触头连接第一二极管的阳极，切换开关的第二静触头连接第二二极管的阴极，第一二极管的阴极及第二二极管的阳极分别连接开关矩阵的其中一输入端。另外，切换开关也由MCU控制。例如，切换开关K11的动触头连接功率模块101的输出端，切换开关K11的第一静触头连接第一二极管D11的阳极，切换开关K11的第二静触头连接第二二极管D12的阴极，第一二极管D11的阴极及第二二极管D12的阳极分别连接开关矩阵T3的第一输入端。

结合图9A和图9B，当需要为电动汽车充电时，切换开关K11的动触头与第一静触头相连，从而使功率模块101输出的电流经二极管D11、开关矩阵中的相应开关输出至电动汽车；当电动汽车需要放电时，切换开关K11的动触头与第二静触头相连，从而使电动汽车输出的电流经开关矩阵中的相应开关、二极管D12输出至功率模块101。由于二极管D11、D12用来防止电流反向流动，对回路产生冲击，损坏回路的器件，所以，该适配单元具有双向防反功能，充电时保证电流单向充电流向(防止回路放电)，放电时保证电流单向放电流向(防止回路充电)。

进一步地，适配单元40、控制单元30、开关单元20分别独立设置。这样，相比现有的功率分配单元(PDU)中控制系统、功率矩阵分配单元都是集成在一起的，不管哪个出问题都需要整体更换PDU，可大大降低维护成本。

最后需说明的是，功率模块的数量不局限于上述实施例中示出的五个或十个。另外，以上实施例均以五进二出的开关矩阵为例进行说明的，应理解，在其它实施例中，开关矩阵也可为其它M*N规格的开关矩阵，在实际应用中可选择合适的M、N的取值，其中，M、N均大于1，且M小于等于功率模块的数量。而且，在充电设备中，开关矩阵的数量也不局限于上述实施例中的一个、两个、四个，且多个开关矩阵的连接方式可根据实际情况进行串联、并联或混合联，在混合联时，共有p*q个开关矩阵，其中，每p个开关矩阵为一组，每组内的p个开关矩阵相并联，且q个组中的相应开关矩阵相串联，p、q分别为大于1的自然数。例如，可使三个开关矩阵串联，也可使四个开关矩阵并联，还可使15个开关矩阵中，每三个开关矩阵为一组，共有五组，每组中的3个开关矩阵相并联，且各个组中相应开关矩阵再串联。再者，以上实施例均以连接在两个功率模块的输出端之间的串联开关为例进行说明的，应理解，在其它实施例中，可通过更多数量的串联开关将大于两个功率模块串联，例如，通过两个串联开关将三个功率模块串联。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明的权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种电动汽车充电设备，包括多个充电枪，其特征在于，所述电动汽车充电设备还包括：

功率变换堆，所述功率变换堆包括多个功率模块；

开关单元，所述开关单元包括开关矩阵，所述开关矩阵包括M*N个开关器件，其中，同一行开关器件的连接点作为开关矩阵的一输入端，同一列开关器件的连接点作为开关矩阵的一输出端，而且，所述开关矩阵的M个输入端分别连接相应功率模块的输出端，所述开关矩阵的N个输出端分别连接相应的充电枪，其中，M、N均大于1，且M小于等于功率模块的数量；

控制单元，用于通过充电枪与电动汽车进行通讯而获取电动汽车的需求信息，并根据所述需求信息确定相应功率模块及开关矩阵的开关时序，且使得相应功率模块的开启时间晚于所述开关矩阵中相应支路的开关器件的开启时间，相应功率模块的关闭时间早于所述开关矩阵中相应支路的开关器件的关闭时间。

2.根据权利要求1所述的电动汽车充电设备，其特征在于，所述开关矩阵的数量为多个，而且，多个开关矩阵中的至少两个开关矩阵相串联。

3.根据权利要求1所述的电动汽车充电设备，其特征在于，所述开关矩阵的数量为多个，而且，多个开关矩阵中的至少两个开关矩阵相并联。

4.根据权利要求1所述的电动汽车充电设备，其特征在于，所述开关单元包括p*q个开关矩阵，其中，每p个开关矩阵为一组，每组内的p个开关矩阵相并联，且q个组中的相应开关矩阵相串联，p、q分别为大于1的自然数。

5.根据权利要求1-4任一项所述的电动汽车充电设备，其特征在于，还包括：

适配单元，所述适配单元包括与功率模块一一对应的防反器件，所述防反器件连接在相应功率模块的输出端与所述开关矩阵的相应输入端之间。

6.根据权利要求5所述的电动汽车充电设备，其特征在于，所述防反器件为二极管，而且，所述二极管的阳极连接所述功率模块的输出端，所述二极管的阴极连接所述开关矩阵的其中一输入端。

7.根据权利要求5所述的电动汽车充电设备，其特征在于，所述防反器件包括切换开关、第一二极管及第二二极管，而且，所述切换开关的动触头连接所述功率模块的输出端，所述切换开关的第一静触头连接第一二极管的阳极，所述切换开关的第二静触头连接第二二极管的阴极，所述第一二极管的阴极及所述第二二极管的阳极连接，且连接至所述开关矩阵的其中一输入端。

8.根据权利要求5所述的电动汽车充电设备，其特征在于，所述适配单元还包括：

至少一个串联开关，所述串联开关连接在两个功率模块的输出端之间。

9.根据权利要求5所述的电动汽车充电设备，其特征在于，所述适配单元、所述控制单元、所述开关单元分别独立设置。

10.根据权利要求1-4任一项所述的电动汽车充电设备，其特征在于，所述控制单元包括通讯连接的MCU及CPLD，而且，

所述MCU，用于通过充电枪与电动汽车进行通讯而获取电动汽车的需求信息，并根据所述需求信息确定相应功率模块及开关矩阵的开关时序，且根据所确定的开关时序控制相应的功率模块的开或关，及将所确定的开关时序发送至所述CPLD；

所述CPLD，用于根据所接收的开关时序控制相应的开关矩阵中相应支路的开关器件的开或关。