CN112959910A - 一种基于隔离风道式热交换的大功率充电系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供的一种基于隔离风道式热交换的大功率充电系统，包括：供配电系统，提供动力电源；功率变换系统，负责功率变换和功率动态分配；一或多个人机交互终端，面向用户提供充电信息交互、充电操作、及枪线管理；热交换控制单元，对基于隔离风道式的热交换系统内的热交换进行信息采集、控制和监视；热交换系统同时支持风冷和液冷。本申请具有其相对灵活的硬件系统架构，可快速适配不同功率分配策略，其以太网+CAN网的双链路的通信架构，将业务数据和运维数据物理上分离，在智能运维、远程升级、大数据分析等方面具有较好的应用前景；同时其隔离风道式冷却系统在保证系统可靠散热的同时，还具有风道内外隔离、耐候性强、散热效率高、噪音低等特点。

Description

一种基于隔离风道式热交换的大功率充电系统

技术领域

本申请涉及充电系统技术领域，特别是涉及一种基于隔离风道式热交换的大功率充电系统。

背景技术

伴随着电动汽车的快速发展，大功率充电技术已受到广泛关注，尤其是在动力电池技术及整车行驶里程诉求不断提升的当下，电动汽车生产商及用户都希望能进一步缩短充电时间，以提升产品的市场竞争力及用户体验。为此，在国标标准修订及产品样机研制等方面，业内都在极力推动大功率充电技术的发展和应用。但主要还是集中在充电接口技术方面，诸如大电流充电接口的结构设计及兼容性、不同电流下充电接口的温升及散热效果验证等，而对大功率充电的整个系统的系统硬件架构、通信架构如何设计更为合理，更能应对未来大功率充电技术的发展，同时，如何保证高电压、大电流的大功率充电系统的使用安全及可靠性，如何提高产品的使用寿命等方面的关注度不够，进展缓慢。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种基于隔离风道式热交换的大功率充电系统，用于解决现有技术中的至少一个问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种基于隔离风道式热交换的大功率充电系统，所述充电系统包括：供配电系统，提供整个充电系统的动力电源；其包括：提供交流输入方式和直流输入方式的输入输出单元，以及环境监测单元；功率变换系统，负责将供配电系统输的动力电源进行AC-DC或DC-DC功率变换和功率动态分配，其包括：功率控制单元、业务控制单元、输入单元、功率变换单元、功率分配单元、环境监测单元、及热交换控制单元；一或多个人机交互终端，面向用户提供充电信息交互、充电操作、及枪线管理；其包括：人机交互控制单元、输出控制单元、绝缘监测单元、大电流充电枪、及热交换控制单元；所述热交换控制单元，对基于隔离风道式的热交换系统内的热交换进行基础信息采集、控制和监视；所述热交换系统同时支持风冷和液冷两种散热方式。

于本申请的一实施例中，所述充电系统同时采用至少包括CAN与以太网的多种通信方式；其中，所述功率控制单元分别与业务控制单元、及各人机交互控制单元同时采用CAN与以太网方式进行通信，以供通过CAN系统内基础充电信息传输和业务交互，以及通过以太网进行日志、维护信息及远程交互信息交互；所述功率控制单元分别与功率变换单元、功率分配单元、及热交换控制单元采用CAN方式进行通信；所述功率控制单元与环境监测单元采用RS485接口方式进行通信；所述业务控制单元采用以太网或4G/5G方式与云平台进行信息交互及远程控制；各人机交互控制单元分别与热交换控制单元采用CAN方式进行通信。

于本申请的一实施例中，所述业务控制单元的控制器集成了具有路由功能的板载以太网控制芯片；所述功率控制单元、业务控制单元、及各人机交互控制单元之间采用级联式连接。

于本申请的一实施例中，所述功率控制模块还包括一下任意一种或多种功能：与输入单元通信连接以获取输入侧计量信息及输入单元内部关键器件的状态信息；与功率变换单元通信连接以控制和监视功率变换单元；与功率分配单元通信连接以向其下发功率分配指令，并对功率分配单元内部器件进行监视；与环境监测单元通信连接以获取功率变换系统的实时温湿度的监测；与热交换控制单元通信连接以供与热管理单元的信息交互，并可根据热管理控制单元反馈的状态信息，下发指令以动态调节热交换系统的各项参数。

于本申请的一实施例中，提供交流输入方式的输入输出单元，包括：由进线柜、计量柜、变压器、母联柜、出线柜、及监控柜中任意一种或多种组合；其可根据充电系统的接入电网电压等级进行适配；提供直流输输入方式的输入输出单元，包括：进线柜、计量柜、出线柜、及监控柜中任意一种或多种组合；其可根据需求将直流电源电压配置成多个等级，并支持多种清洁能源或储能系统供电方式。

于本申请的一实施例中，所述输入单元包括：滤波器、磁环、电流采集单元、计量表计、微型断路器、防雷器、开关电源模块、铜排、及散热器中任意一种或多种组合，用于所述功率变换系统的电源接入，并提供输入侧计量及基本电路保护；所述功率变换单元包括：AC-DC模块和/或DC-DC模块、地址信号板、及铜排中任意一种或多种组合，用于根据功率控制单元的控制指令依据车端电池管理系统需求输出电压和电流；所述功率分配单元包括：直流接触器、直流继电器、半导体开关器件、功率分配控制器、温度传感器、电压电流采集器、及散热器中任意一种或多种组合，用于依据功率控制单元的控制指令将AC-DC模块或DC-DC模块动态投切到对应的充电枪回路；所述业务控制单元用于将充电过程中的所有实时数据传送到平台端，以供对实时数据进行转发、保存、远程监控、及远程诊断，并动态获取平台端指令后下发至功率控制单元。

于本申请的一实施例中，所述人机交互控制单元用于与车端电池管理系统进行交互，并提供人机交互接口用于与用户进行充电信息交互；所述输出控制单元包括：直流接触器、直流熔断器、直流表计、绝缘检测模块、温度传感器、散热器、磁环、及滤波器中任意一种或多种组合，用于计量各路输出参数、提供软启动控制及输出状态的监视。

于本申请的一实施例中，所述热交换系统包括：热管理控制器、热交换器、水泵、水容器、管道、冷却液、风扇、及排风扇630中任意一种或多种组合。

于本申请的一实施例中，所述功率变换系统或人机交互终端对应的柜体包括：相互隔离的上柜体和装载有电气单元的下柜体；所述热交换系统设于所述机柜中；其中，所述上柜体内设有第一管道；所述上柜体内部四周由第一热交换器610构成，其外部还设有滤网；所述第一热交换器610与第一管道相通；所述上柜体的顶部设有排风扇630；所述下柜体内各电气单元设有风扇，且各风扇预设均朝向左侧或右侧，所述下柜体的顶部设有第二热交换器620；所述下柜体内纵向设置有第二管道；所述第二管道分别与所述第二热交换器620、及第一管道相通；所述第一热交换器610、第二热交换器620、第一管道、及第二管道内装有冷却液，在水泵的推动下实现流通；所述上柜体与所述下柜体之间通过隔板隔离；所述下柜体内通过各风扇将热空气吹向一侧并上升，热空气经第二热交换器620将热量传递给内部的冷却液，降温后的空气从另一侧下降并在风扇作用下穿过各电气单元，以带走各电气单元的热量，从而实现冷热空气循环；所述第二热交换器620与第二管道内带有热量的冷却液流通至第一热交换器610和第一管道，当空气从上柜体外部穿过第二热交换器620后将冷却液的热量带入上柜体内，再通过排风扇630将带热量的空气排出柜体外。

于本申请的一实施例中，所述功率变换系统与各人机交互终端还分别设有辅助电源。

综上所述，本申请所述的一种基于隔离风道式热交换的大功率充电系统，所述充电系统包括：供配电系统，提供整个充电系统的动力电源；其包括：提供交流输入方式和直流输入方式的输入输出单元，以及环境监测单元；功率变换系统，负责将供配电系统输的动力电源进行AC-DC或DC-DC功率变换和功率动态分配，其包括：功率控制单元、业务控制单元、输入单元、功率变换单元、功率分配单元、环境监测单元、及热交换控制单元；一或多个人机交互终端，面向用户提供充电信息交互、充电操作、及枪线管理；其包括：人机交互控制单元、输出控制单元、绝缘监测单元、大电流充电枪、及热交换控制单元；所述热交换控制单元，对基于隔离风道式的热交换系统内的热交换进行基础信息采集、控制和监视；所述热交换系统同时支持风冷和液冷两种散热方式。

具有以下有益效果：

本申请所提供的一种基于隔离风道式热交换的大功率充电系统，具有其相对灵活的硬件系统架构，可快速适配不同散热策略、不同功率分配策略，其“以太网+CAN网”的双链路的通信架构，根据数据传输速度及数据量需求，将业务数据和运维数据物理上分离，在智能运维、远程升级、大数据分析等方面具有较好的应用前景；同时其隔离风道式冷却系统在保证系统可靠散热的同时，因风道内外隔离、耐候性强、散热效率高、噪音低等特点，进一步提升了用户体验，延长了设备的使用寿命。

附图说明

图1显示为本申请于一实施例中的基于隔离风道式热交换的大功率充电系统的结构示意图。

图2显示为本申请于一实施例中的功率变换系统的结构示意图。

图3显示为本申请于一实施例中的基于隔离风道式热交换的大功率充电系统的架构示意图。

图4A显示为本申请于一实施例中的传统充电系统的通信架构示意图。

图4B显示为本申请于一实施例中的基于CAN+以太网的双链式的通信架构示意图。

图4C显示为本申请于一实施例中的传统以太网连接的通信架构示意图。

图5显示为本申请于一实施例中的直流桩风冷式直通风冷却的结构示意图。

图6A和6B显示为本申请于一实施例中的设有热交换系统的柜体的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面以附图为参考，针对本申请的实施例进行详细说明，以便本申请所属技术领域的技术人员能够容易地实施。本申请可以以多种不同形态体现，并不限定于此处说明的实施例。

为了明确说明本申请，省略与说明无关的部件，对于通篇说明书中相同或类似的构成要素，赋予了相同的参照符号。

在通篇说明书中，当说某部件与另一部件“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种部件“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。

当说某部件在另一部件“之上”时，这可以是直接在另一部件之上，但也可以在其之间伴随着其它部件。当对照地说某部件“直接”在另一部件“之上”时，其之间不伴随其它部件。

虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，第一接口及第二接口等描述。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

此处使用的专业术语只用于言及特定实施例，并非意在限定本申请。此处使用的单数形态，只要语句未明确表示出与之相反的意义，那么还包括复数形态。在说明书中使用的“包括”的意义是把特定特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份具体化，并非排除其它特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份的存在或附加。

表示“下”、“上”等相对空间的术语可以为了更容易地说明在附图中图示的一部件相对于另一部件的关系而使用。这种术语是指，不仅是在附图中所指的意义，还包括使用中的装置的其它意义或作业。例如，如果翻转附图中的装置，曾说明为在其它部件“下”的某部件则说明为在其它部件“上”。因此，所谓“下”的示例性术语，全部包括上与下方。装置可以旋转90°或其它角度，代表相对空间的术语也据此来解释。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的联通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请的具体含义。

如图1所示，展示本申请于一实施例中的基于隔离风道式热交换的大功率充电系统的模块示意图。如图所示，所述充电系统包括：

供配电系统100，提供整个充电系统的动力电源；其包括：提供交流输入方式和直流输入方式的输入输出单元110，以及环境监测单元400。

于本申请一实施例中，提供交流输入方式的输入输出单元110包括但不限于：由进线柜、计量柜、变压器、母联柜、出线柜、及监控柜中任意一种或多种组合；其可根据充电系统的接入电网电压等级进行适配；提供直流输输入方式的输入输出单元110包括但不限于：进线柜、计量柜、出线柜、及监控柜中任意一种或多种组合；其可根据需求将直流电源电压配置成多个等级，并支持多种清洁能源或储能系统供电方式。

简单来说，交流输入方式，可根据充电系统的接入电网电压等级进行适配，输入输出单元110包括并不限于三相AC10kV、三相AC6kV、三相AC380V等，以适应不同电网接入点；提供交流输入方式的输入输出单元110主要由进线柜、计量柜、变压器(实现将高压变换成AC400V低压系统)、母联柜、出线柜、监控柜等构成；直流输入方式，可根据直流电源电压等级配置成DC1500V，DC800V，DC700V等，可支持太阳能、光伏等清洁能源或储能系统供电方式，以提高系统对供电方式的兼容性；提供直流输输入方式的输入输出单元110主要由进线柜、计量柜、出线柜、监控柜等构成。

于本申请中，所述供配电系统100支持交流输入和直流输入方式，可满足专用场站、公共场站、个人用户等不同应用需求，及新能源接入的各种应用场景。

如图2所示，所述功率变换系统200负责将供配电系统100输的动力电源进行AC-DC或DC-DC功率变换和功率动态分配，其包括：功率控制单元210、业务控制单元220、输入单元230、功率变换单元240、功率分配单元250、环境监测单元400、及热交换控制单元500。

其中，所述输入单元230包括但不限于：滤波器、磁环、电流采集单元、计量表计、微型断路器、防雷器、开关电源模块、铜排、及散热器中任意一种或多种组合，用于所述功率变换系统200的电源接入，并提供输入侧计量及基本电路保护。

所述功率变换单元240包括但不限于：AC-DC模块和/或DC-DC模块、地址信号板、及铜排中任意一种或多种组合，用于根据功率控制单元210的控制指令依据车端电池管理系统需求输出电压和电流。

所述功率分配单元250包括但不限于：直流开关器件(直流接触器、直流继电器、半导体开关器件)、功率分配控制器、温度传感器、电压电流采集器、及散热器中任意一种或多种组合，用于依据功率控制单元210的控制指令将AC-DC模块或DC-DC模块动态投切到对应的充电枪回路。

所述业务控制单元220用于将充电过程中的所有实时数据传送到平台端，以供对实时数据进行转发、保存、远程监控、及远程诊断，并动态获取平台端指令后下发至功率控制单元210。其中，所述业务控制单元220采用以太网或4G/5G方式与云平台进行信息交互及远程控制。

于本申请一实施例中，所述功率控制模块与输入单元230通信连接以获取输入侧计量信息及输入单元230内部关键器件的状态信息；与功率变换单元240通信连接以控制和监视功率变换单元240；与功率分配单元250通信连接以向其下发功率分配指令，并对功率分配单元250内部器件进行监视；与环境监测单元400通信连接以获取功率变换系统200的实时温湿度的监测；与热交换控制单元500通信连接以供与热管理单元的信息交互，并可根据热管理控制单元反馈的状态信息，下发指令以动态调节热交换系统600的各项参数。

其中，所述功率控制单元210与所述业务控制单元220同时采用CAN与以太网方式进行通信，以供通过CAN进行系统内基础充电信息传输和业务交互，以及通过以太网进行日志、维护信息及远程交互信息交互；所述功率控制单元210分别与功率变换单元240、功率分配单元250、及热交换控制单元500采用CAN方式进行通信；所述功率控制单元210与环境监测单元400采用RS485接口方式进行通信。

于本申请中，功率变换系统200采用模块化设计方式，将输入单元230、功率分配单元250等进行模块化设计，可实现本充电系统的快速定制化和功率扩展。

一或多个人机交互终端300，面向用户提供充电信息交互、充电操作、及枪线管理；其包括：人机交互控制单元310、输出控制单元320、绝缘监测单元330、大电流充电枪340、及热交换控制单元500。

简单来说，人机交互终端300主要完成人机交互、车桩交互、大功率枪线热管理等功能，作为面向用户的设备载体，还负责充电信息的显示、充电枪线的管理等。

于本申请一实施例中，所述人机交互控制单元310用于与车端电池管理系统进行交互，并提供人机交互接口用于与用户进行充电信息交互；

所述输出控制单元320包括但不限于：直流接触器、直流熔断器、直流表计、绝缘检测模块、温度传感器、散热器、磁环、及滤波器中任意一种或多种组合，用于计量各路输出参数、提供软启动控制及输出状态的监视。

优选地，所述功率变换系统200与各人机交互终端300还分别设有辅助电源700，以供在出现断电紧急状况下，不影响功率变换系统200与各人机交互终端300的人机交互，以保证充电信息的完整，实现充电过程的正常结束与安全退出。

于本申请中，所述充电系统按照功能模块划分的方式，分成供配电系统100、功率变换系统200和人机交互终端300三部分，能够快速满足不同应用场景，可根据实际需求，选配供配电系统100，及灵活配置交互终端300数量。

需要说明的是，传统的分体式充电系统，采用功率柜和枪柜的结构型式，其中功率柜主要完成功率变换，枪柜主要实现枪线管理；一般都采用一个机柜上配置一块控制器将所有功能都集中在一块控制板上的方式；该方式的优势是控制相对集中，但存在控制器负荷重，在多任务多线程和大数据量的处理方面就会受到限制，且对单板的可靠性要求较高，功能扩展方面也存在局限性。

于本申请中，充电系统的硬件架构基于功能业务来划分，功率变换系统200配置有功率控制单元210、业务控制单元220、热交换控制单元500；人机交互终端300配置有人机交互控制单元310和热交换控制单元500。

可参考图3所示的充电系统硬件通信架构示意图。本申请所述充电系统同时采用至少包括CAN与以太网的多种通信方式，具体硬件架构说明如下：

1)所述功率控制单元210分别与业务控制单元220、及各人机交互控制单元310同时采用CAN与以太网方式进行通信，以供通过CAN进行基础信息传输和交互，以及通过以太网进行日志、维护信息及远程交互信息交互；

2)所述功率控制单元210分别与功率变换单元240、功率分配单元250、及热交换控制单元500采用CAN方式进行通信；所述功率控制单元210与环境监测单元400采用RS485接口方式进行通信；

3)所述业务控制单元220采用以太网或4G/5G方式与云平台进行信息交互及远程控制；

4)各人机交互控制单元310分别与热交换控制单元500采用CAN方式进行通信。

举例来说，业务控制单元220：实现人机交互、联网等功能；提供以太网/4G/5G联网接口实现与云平台进行信息交互和远程控制，通过以太网和CAN网接口实现与功率控制单元210进行信息交互。

功率控制单元210：通过以太网和CAN网接口实现与业务控制单元220进行信息交互，实现系统与平台系统之间的信息交互；通过CAN接口与热交换控制单元500交互，实现系统热交换管理；通过CAN接口与功率变换模块进行信息交互和控制；通过RS485接口实现与智能表计、环境监测模块的交互等。

热交换控制单元500：实现系统内热交换的基础信息采集、控制和监视。

人机交互控制单元310：实现与车端电池管理系统进行交互，提供人机交互接口用于充电信息交互和互动。

本硬件系统架构具有以下特点：

1)基于功能业务划分的硬件架构，将硬件系统分成业务控制单元220、功率控制单元210、热交换控制单元500和人机交互控制单元310四部分，各单元之间以通信方式进行交互，当用户需求发生改变时，只需要调整对应控制单元的功能及内部交互协议，规避了传统硬件架构上因硬件资源的局限性而导致重复性硬件开发工作；该架构在扩展性方面更具优势；

2)该硬件系统架构，各控制单元的硬件资源更为丰富，扩展性更强，可满足未来一定时间内的技术发展需求；且在大功率液冷充电枪等关键技术攻关阶段，基于技术的不确定性，该系统架构能满足适配性更强；

3)基于车辆端CAN通信是当前市场上主流的大功率充电设备的常规做法，如图4A所示，展示为传统的充电系统通信架构，其内部通信以CAN网为主，基本都是内部CAN组网和对外以太网或无线方式与平台实现连接，虽然从充电系统到云平台端是采用的以太网或无线方式接入，但因各控制器内部的通信采用CAN通信方式，其从车辆端获取数据及系统实时数据，因受到CAN总线传输速率、负载率的限制，无法将充电过程中的所有数据实时传送到平台端，在实时数据转发及保存、远程监控、远程诊断等方面具有较大的局限性。

本申请基于用户对运维平台的高度依耐性(用户希望通过平台能获取到所有的充电信息)，及用户对无法实时获取充电数据和故障信息(尤其是在启动充电过程、出现充电故障时等关键阶段)等痛点，在充分兼顾CAN通信的主流方式和以太网海量实时数据传送的特点，本申请在业务控制单元220、功率控制单元210、人机交互控制单元310之间组成双网传输通道，通过CAN网进行基础信息传输和交互，通过以太网进行日志、维护信息及远程交互信息交互，以实现应对高速和海量数据传输应用场景，可彻底解决客户痛点，如图4B所示，展示为本申请基于CAN+以太网的双链式通信架构。

另外，本申请所述业务控制单元220的控制器集成了具有路由功能的板载以太网控制芯片；所述功率控制单元210、业务控制单元220、及各人机交互控制单元310之间采用级联式连接。

与如图4C所示的传统的以太网连接方式相比，本申请的级联式接线方式比发射式接线方式的线缆更短、敷设更简单，且无需另外配置路由器；降低了对工程人员的技术要求，且大幅降低了现场施工的复杂度。

于本申请中，所述充电系统内部各子系统之间通过双网(以太网+CAN网)连接方式，既可以适应传统CAN网的通信架构方式，也通过以太网实现海量运维数据的快速传输；同时，单板上双网口的硬件设计实现了板级自动路由功能，可实现子系统之间的快速组网。相较于业内较普遍的CAN网信息交互方式，该方式将海量数据通过以太网通道进行传输，在保证了CAN总线的可靠性，还提高了系统与平台的交互速率及数据稳定性。

于本申请一实施例中，所述热交换控制单元500，主要用于对基于隔离风道式的热交换系统600内的热交换进行基础信息采集、控制和监视；其中，所述热交换系统600同时支持风冷和液冷两种散热方式。

需要说明的是，功率变换系统200与人机交互终端300均设有热交换控制系统400，其为设于不同机柜载体中的相同系统，所述热交换控制单元500的控制器可共用。其次，供配电系统100与功率变换系统200均设置的环境监测单元400也为设于不同机柜载体中的相同系统；功率变换系统200与人机交互终端300均设有的辅助电源700也为设于不同机柜载体中的相同系统。

当前直流桩的散热方式以风冷式直通风冷却为主，只是各家在风扇选型及风道设计的方式上存在一定差异，比如：左进风右出风、右进风左出风、左右进风顶部出风、前进风侧出风等。该方式的优点是散热效率高、成本低，但存在噪音难以控制，且风扇长期工作在不低于60度的环境下，风扇实际使用寿命与标称寿命相差较大。

如图5所示，以右进风左出风方式为例，空气通过设备右侧进入到设备内容，然后经发热部件后经设备左侧送出；这种风冷方式，外部空气直接与关键器件直接接触，以实现将系统热量带出设备外部。

为此，所述充电系统配置有单独的热交换控制单元500，其采用隔离风道式设计，支持风冷、液冷散热方式，有内循环散热和外循环散热两种方式，两个循环系统之间物理上隔离，通过冷却液实现热传递的方式进行热交换。可实现精准的系统级热管理，相较于传统的风冷时系统，具有噪音低、寿命长、整机耐候性强等显著特点。

于本申请一实施例中，所述热交换系统600包括但不限于：热管理控制器、热交换器、水泵、水容器、管道、冷却液、风扇、及排风扇630中任意一种或多种组合。

如图6A所示，展示为设有热交换系统600的柜体700的结构示意图。如图所示，所述功率变换系统200或人机交互终端300对应的柜体700包括：相互隔离的上柜体710和装载有电气单元740的下柜体720；所述热交换系统600设于所述机柜700中。

其中，所述上柜体710内设有第一管道(附图未示出)；所述上柜体710内部四周由第一热交换器610构成，其外部还设有滤网750；所述第一热交换器610与第一管道相通；所述上柜体710的顶部设有排风扇630；

所述下柜体720内各电气单元740设有风扇640，且各风扇640预设均朝向左侧或右侧，所述下柜体720的顶部设有第二热交换器620；所述下柜体720内纵向设置有第二管道(附图未示出)；所述第二管道分别与所述第二热交换器620、及第一管道相通；

所述第一热交换器610、第二热交换器620、第一管道、及第二管道内装有冷却液，在水泵的推动下实现流通；所述上柜体710与所述下柜体720之间通过隔板隔离750；

所述下柜体720内通过各风扇640将热空气吹向一侧并上升，热空气经第二热交换器620将热量传递给内部的冷却液，降温后的空气从另一侧下降并在风扇640作用下穿过各电气单元740，以带走各电气单元740的热量，从而实现冷热空气循环。相当于在下柜体720内部形成循环风道，以实现下柜体720各电气单元740热量与热交换器内液冷的热量交换。

所述第二热交换器620与第二管道内带有热量的冷却液流通至第一热交换器610和第一管道，当空气从上柜体710的滤网750外部穿过第二热交换器620后将冷却液的热量带入上柜体710内，再通过排风扇630将带热量的空气排出柜体外。这里排风扇630可将经热交换器后的热空气抽出，实现将热交换器的热量带出设备外部，达到降低热交互器内部冷却液温度的目的。如图6B所示，展示为柜体内热量走向示意图。

简单来说，所述机柜700中的上柜体710与下柜体720通过管道和热交换器实现连通，并通过水泵将管道和热交换器内部的冷却液进行流通，实现上柜体710与下柜体720进之间的热交换；同时，上柜体710通过进入自然空气，并通过排风扇630排风，实现上柜体710与下柜体720之间的热交换，而对应各电气单元740设置的风扇640可在下柜体720内形成循环风，以将各电气单元740的热量与下柜体720内的管道和热交换器实现交换。以此，本申请实现了各电气单元740不同外部空气接触的情况下，将热量传递至柜体外的技术效果。

于本申请中，所述热交换器呈蜂窝网状，一般选用导热性好的材料，比如铝合金等，然后里面网状管道是相同的，类似毛细血管，冷却液在里面流动，当空气穿过这个热交换器的时候，就可以把热量带走，然后冷却液的温度就降下来了。

本申请中所述热交换器，一大部分在上部柜体四周，一小部分在下柜体720的顶部，然后通过管道来连通。

简单来说，整个柜体内的热量是在下柜体720，由于每个电气单元740都带有风扇640，且风扇640预设朝一个方向出，如图所示，冷风从左侧进入各电气单元740，然后经各电气单元740对应的风扇640使升温的热风从右侧吹出，然后吹出来的热风经过热交换器降温后，再流动到了下柜体720的左侧，如此将空气在内部形成循环。这些热空气在经过热交换器的时候，就把热量传递给了内部的冷却液，冷却液在水泵的推动下，在热交换机及各管道内不停的流动，而上部的热交换器又通过外部的空气，将热量带出，从而达到降低热交互器内部冷却液温度的目的，实现所述功率变换系统200或人机交互终端300对应柜体的散热。

本申请中，所述热交换系统600采用隔离风道式的散热方案，整个系统由内循环散热和外循环散热两种方式，两个循环系统之间物理上隔离，通过冷却液实现热传递的方式进行热交换。其优点在于：

1)系统采用内外独立风道的散热方式，外部空气不直接与设备内部的电气件接触，可保证设备在无需进行特别防护的条件下，在沿海/高湿等环境下的可靠运行；

2)内部风道与外部完全隔离，可有效提高设备的耐候性，大幅降低设备的因环境因素引起的故障，延长设备使用寿命；

3)系统规避了传统风冷方式对风扇的高依赖程度和对风机风量/转速的高要求，可实现整个系统的低噪音，提升了用于体验；

需要说明的是，各模块中所设有多种系统，而各模块中相同的系统为同一系统，即该系统共用于不同模块中。即可参考如图3所示的基于隔离风道式热交换的大功率充电系统的硬件架构示意图。

需要说明的是，应理解以上图1所示系统实施例中的各个单元模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以全部或部分集成到一个物理实体上，也可以物理上分开。且这些模块可以全部以软件通过处理元件调用的形式实现；也可以全部以硬件的形式实现；还可以部分模块通过处理元件调用软件的形式实现，部分模块通过硬件的形式实现。例如，功率控制单元210可以为单独设立的处理元件，也可以集成在上述装置的某一个芯片中实现，此外，也可以以程序代码的形式存储于上述装置的存储器中，由上述装置的某一个处理元件调用并执行以上功率控制单元210的功能。其它模块的实现与之类似。此外这些模块全部或部分可以集成在一起，也可以独立实现。这里所述的处理元件可以是一种集成电路，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤或以上各个模块可以通过处理器元件中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。

例如，以上这些模块可以是被配置成实施以上方法的一个或多个集成电路，例如：一个或多个特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)，或，一个或多个微处理器(digital signal processor，简称DSP)，或，一个或者多个现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)等。再如，当以上某个模块通过处理元件调度程序代码的形式实现时，该处理元件可以是通用处理器，例如中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)或其它可以调用程序代码的处理器。再如，这些模块可以集成在一起，以片上系统(system-on-a-chip，简称SOC)的形式实现。

当然，这些单元模块也可以通过软件结合硬件电路实现，例如通过装载在计算机设备中的计算机程序实现，如液晶仪表屏、抬头显示屏、虚拟控制屏、中控娱乐屏、副驾驶娱乐屏、后座娱乐屏、台式电脑、笔记本电脑、智能手机、平板电脑、智能手表、智能手环、及智能眼镜等，通过硬件电路运行软件程序实现。

本申请提供了基于隔离风道式冷却的大功率充电系统，与传统的大功率充电系统相比具有以下特点：

(1)系统按照功能模块划分的方式，分成供配电系统100、功率变换系统200和交互终端300三部分，能够快速满足不同应用场景：1)可根据实际需求，选配供配电系统100，及灵活配置人机交互终端300数量；2)供配电系统100支持交流输入和直流输入方式，可满足专用场站、公共场站、个人用户等不同应用需求，及新能源接入的各种应用场景；

(2)功率变换系统200采用模块化设计方式，将输入单元230、功率分配单元250等进行模块化设计，可实现系统的快速定制化和功率扩展；

(3)系统配置有单独的热交换控制单元400，采用隔离风道式设计，支持风冷、液冷散热方式，实现精准的充电系统级的热管理；相较于传统的风冷时系统，具有噪音低、寿命长、整机耐候性强等显著特点；

(4)系统内部各子系统之间通过双网(以太网+CAN网)连接方式，既可以适应传统CAN网的通信架构方式，也通过以太网实现海量运维数据的快速传输；同时，单板上双网口的硬件设计实现了板级自动路由功能，可实现子系统之间的快速组网。相较于业内较普遍的CAN网信息交互方式，该方式将海量数据通过以太网通道进行传输，在保证了CAN总线的可靠性，还提高了系统与平台的交互速率及数据稳定性。

综上所述，本申请所述的一种基于隔离风道式热交换的大功率充电系统，所述充电系统包括：供配电系统，提供整个充电系统的动力电源；其包括：提供交流输入方式和直流输入方式的输入输出单元，以及环境监测单元；功率变换系统，负责将供配电系统输的动力电源进行AC-DC变换和功率动态分配，其包括：功率控制单元、业务控制单元、输入单元、功率变换单元、功率分配单元、环境监测单元、及热交换控制单元；一或多个人机交互终端，面向用户提供充电信息交互、充电操作、及枪线管理；其包括：人机交互控制单元、输出控制单元、绝缘监测单元、大电流充电枪、及热交换控制单元；所述热交换控制单元，对基于隔离风道式的热交换系统内的热交换进行基础信息采集、控制和监视；所述热交换系统同时支持风冷和液冷两种散热方式。

具有以下有益效果：本申请所提供的一种基于隔离风道式热交换的大功率充电系统，其相对灵活的硬件系统架构，可快速适配不同散热策略、不同功率分配策略，其“以太网+CAN网”的双链路的通信架构，根据数据传输速度及数据量需求，将业务数据和运维数据物理上分离，在智能运维、远程升级、大数据分析等方面具有较好的应用前景；同时其隔离风道式冷却系统在保证可靠散热的同时，因风道内外隔离、耐候性强、散热效率高、噪音低等特点，进一步提升了用户体验，延长了设备的使用寿命。

本申请有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中包含通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于隔离风道式热交换的大功率充电系统，其特征在于，所述充电系统包括：

供配电系统，提供整个充电系统的动力电源；其包括：提供交流输入方式和直流输入方式的输入输出单元，以及环境监测单元；

功率变换系统，负责将供配电系统输的动力电源进行AC-DC或DC-DC功率变换和功率动态分配，其包括：功率控制单元、业务控制单元、输入单元、功率变换单元、功率分配单元、环境监测单元、及热交换控制单元；

一或多个人机交互终端，面向用户提供充电信息交互、充电操作、及枪线管理；其包括：人机交互控制单元、输出控制单元、绝缘监测单元、大电流充电枪、及热交换控制单元；

所述热交换控制单元，对基于隔离风道式的热交换系统内的热交换进行基础信息采集、控制和监视；所述热交换系统同时支持风冷和液冷两种散热方式。

2.根据权利要求1所述的基于隔离风道式热交换的大功率充电系统，其特征在于，所述充电系统同时采用至少包括CAN与以太网的多种通信方式；其中，

所述功率控制单元分别与业务控制单元、及各人机交互控制单元同时采用CAN与以太网方式进行通信，以供通过CAN进行系统内基础充电信息传输和业务交互，以及通过以太网进行日志、维护信息及远程交互信息交互；

所述功率控制单元分别与功率变换单元、功率分配单元、及热交换控制单元采用CAN方式进行通信；所述功率控制单元与环境监测单元采用RS485接口方式进行通信；

所述业务控制单元采用以太网或4G/5G方式与云平台进行信息交互及远程控制；

各人机交互控制单元分别与热交换控制单元采用CAN方式进行通信。

3.根据权利要求2所述的基于隔离风道式热交换的大功率充电系统，其特征在于，所述业务控制单元的控制器集成了具有路由功能的板载以太网控制芯片；所述功率控制单元、业务控制单元、及各人机交互控制单元之间采用级联式连接。

4.根据权利要求2所述的基于隔离风道式热交换的大功率充电系统，其特征在于，所述功率控制模块还包括一下任意一种或多种功能：

与输入单元通信连接以获取输入侧计量信息及输入单元内部关键器件的状态信息；

与功率变换单元通信连接以控制和监视功率变换单元；

与功率分配单元通信连接以向其下发功率分配指令，并对功率分配单元内部器件进行监视；

与环境监测单元通信连接以获取功率变换系统的实时温湿度的监测；

与热交换控制单元通信连接以供与热管理单元的信息交互，并可根据热管理控制单元反馈的状态信息，下发指令以动态调节热交换系统的各项参数。

5.根据权利要求1所述的基于隔离风道式热交换的大功率充电系统，其特征在于，提供交流输入方式的输入输出单元，包括：由进线柜、计量柜、变压器、母联柜、出线柜、及监控柜中任意一种或多种组合；其可根据充电系统的接入电网电压等级进行适配；

提供直流输输入方式的输入输出单元，包括：进线柜、计量柜、出线柜、及监控柜中任意一种或多种组合；其可根据需求将直流电源电压配置成多个等级，并支持多种清洁能源或储能系统供电方式。

6.根据权利要求1所述的基于隔离风道式热交换的大功率充电系统，其特征在于，所述输入单元包括：滤波器、磁环、电流采集单元、计量表计、微型断路器、防雷器、开关电源模块、铜排、及散热器中任意一种或多种组合，用于所述功率变换系统的电源接入，并提供输入侧计量及基本电路保护；

所述功率变换单元包括：AC-DC模块和/或DC-DC模块、地址信号板、及铜排中任意一种或多种组合，用于根据功率控制单元的控制指令依据车端电池管理系统需求输出电压和电流；

所述功率分配单元包括：直流接触器、直流继电器、半导体开关器件、功率分配控制器、温度传感器、电压电流采集器、及散热器中任意一种或多种组合，用于依据功率控制单元的控制指令将AC-DC模块或DC-DC模块动态投切到对应的充电枪回路；

所述业务控制单元用于将充电过程中的所有实时数据传送到平台端，以供对实时数据进行转发、保存、远程监控、及远程诊断，并动态获取平台端指令后下发至功率控制单元。

7.根据权利要求1所述的基于隔离风道式热交换的大功率充电系统，其特征在于，所述人机交互控制单元用于与车端电池管理系统进行交互，并提供人机交互接口用于与用户进行充电信息交互；

所述输出控制单元包括：直流接触器、直流熔断器、直流表计、绝缘检测模块、温度传感器、散热器、磁环、及滤波器中任意一种或多种组合，用于计量各路输出参数、提供软启动控制及输出状态的监视。

8.根据权利要求1所述的基于隔离风道式热交换的大功率充电系统，其特征在于，所述热交换系统包括：热管理控制器、热交换器、水泵、水容器、管道、冷却液、风扇、及排风扇630中任意一种或多种组合。

9.根据权利要求8所述的基于隔离风道式热交换的大功率充电系统，其特征在于，所述功率变换系统或人机交互终端对应的柜体包括：相互隔离的上柜体和装载有电气单元的下柜体；所述热交换系统设于所述机柜中；

其中，所述上柜体内设有第一管道；所述上柜体内部四周由第一热交换器构成，其外部还设有滤网；所述第一热交换器与第一管道相通；所述上柜体的顶部设有排风扇；

所述下柜体内各电气单元设有风扇，且各风扇预设均朝向左侧或右侧，所述下柜体的顶部设有第二热交换器；所述下柜体内纵向设置有第二管道；所述第二管道分别与所述第二热交换器、及第一管道相通；

所述第一热交换器、第二热交换器、第一管道、及第二管道内装有冷却液，在水泵的推动下实现流通；所述上柜体与所述下柜体之间通过隔板隔离；

所述下柜体内通过各风扇将热空气吹向一侧并上升，热空气经第二热交换器将热量传递给内部的冷却液，降温后的空气从另一侧下降并在风扇作用下穿过各电气单元，以带走各电气单元的热量，从而实现冷热空气循环；

所述第二热交换器与第二管道内带有热量的冷却液流通至第一热交换器和第一管道，当空气从上柜体外部穿过第二热交换器后将冷却液的热量带入上柜体内，再通过排风扇将带热量的空气排出柜体外。

10.根据权利要求1所述的基于隔离风道式热交换的大功率充电系统，其特征在于，所述功率变换系统与各人机交互终端还分别设有辅助电源。

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