CN114132196A - 电动车充电模块 - Google Patents

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Abstract

一种电动车充电模块包含电源转换单元、散热单元以及热电模块。电源转换单元包含设置于机柜内的电源转换模块，或者还包含配电单元，提供输出电源。散热单元对电源转换单元进行水冷或风冷散热。热电模块利用电源转换单元及散热单元运行时两者之间的温度差产生电能。所述电能用以提供电源转换单元和/或散热单元。

Description

电动车充电模块
技术领域
本发明是有关一种电动车充电模块，特别涉及一种具有回收热能实现自供电的电动车充电模块。
背景技术
电动车充电模块通常为一般电动车充电系统中重要的电源转换部件，电动车充电系统通过此电动车充电模块转换电力并通过充电桩将电力供应至电动车。请参见图1与图2所示，其是分别为现有电动车充电模块以气体方式散热的示意图与现有电动车充电模块以液体方式散热的示意图。以具有机柜式电源转换设备的电动车充电模块为例，现有电动车充电模块设计大多是通过气体(例如风)或液体(例如水)将热带走的方式来实现对系统的电源转换设备散热的效果。以图1的风冷式为例，通过以冷风送入机柜90，用以将机柜90内电源转换设备95所产生的热带出，达到对电源转换设备95进行冷却。又以图2水冷式为例，通过水冷冷却机80配合冷水管路82与热水管路84的使用，使得电源转换设备95所产生的热经由热水管路84带出至水冷冷却机80，并且由水冷冷却机80所提供的冷水经由冷水管路82以对电源转换设备95进行冷却。然而，通过上述的散热方式，多余的热能只能散失于空气中或是经由液体与空气进行热交换，亦即散失于空气中的热能并无法提供其他用途，造成能量浪费、对环境不友善、经济效益不佳等问题。
为此，如何设计出一种电动车充电模块，通过回收热能以实现兼具环保节能和提高经济效益的目的，乃为本公开发明人所研究的重要课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动车充电模块，解决在充电过程所产生多余的热能散失于空气中，无法提供其他用途，造成能量浪费、对环境不友善、经济效益不佳的问题。
为实现前揭目的，本发明所提出的电动车充电模块，包含电源转换单元、散热单元以及热电模块。电源转换单元包含设置于机柜内的电源转换模块，或者还包含配电单元，提供输出电源。散热单元对电源转换单元进行水冷或风冷散热。热电模块利用电源转换单元及散热单元运行时两者之间的温度差产生电能。所述电能用以提供电源转换单元和/或散热单元。
在一实施例中，当进行水冷散热时，散热单元为水冷泵浦。
在一实施例中，散热单元与热电模块设置于机柜内。
在一实施例中，散热单元与热电模块非设置于机柜内。
在一实施例中，电动车充电模块还包含连接于电源转换单元与水冷泵浦之间的第一管路与第二管路。电源转换单元所产生的热能通过第一管路传送至水冷泵浦。水冷泵浦通过第二管路将冷水传送至电源转换单元。热电模块接收第一管路的第一温度与第二管路的第二温度，且基于第一温度与第二温度之间的温度差产生电能。
在一实施例中，当进行风冷散热时，散热单元为散热风扇。
在一实施例中，散热单元设置于机柜内。
在一实施例中，热电模块设置于电源转换单元上，接收电源转换单元的第一温度与机柜内的第二温度，且基于第一温度与第二温度之间的温度差产生电能。
在一实施例中，热电模块设置于机柜的进风口，接收机柜内的第一温度与机柜外的第二温度，且基于第一温度与第二温度之间的温度差产生电能。
在一实施例中，热电模块设置于机柜的出风口，接收机柜内的第一温度与机柜外的第二温度，且基于第一温度与第二温度之间的温度差产生电能。
在一实施例中，电动车充电模块还包含第一电源转换器、蓄电单元以及第二电源转换器。第一电源转换器耦接热电模块，接收第一电源，且转换第一电源为第二电源。蓄电单元耦接第一电源转换器，接收第二电源进行储能。第二电源转换器耦接第一电源转换器与蓄电单元，接收第二电源，且转换第二电源为电能以提供电源转换单元和/或散热单元。
在一实施例中，第一电源转换器为交流对直流转换器或直流对直流转换器。
在一实施例中，第二电源转换器为直流对直流转换器或直流对交流转换器。
在一实施例中，热电模块为热电产生器。
在一实施例中，输出电源用以对充电桩供电。
在一实施例中，电动车充电模块设置于充电桩内，输出电源用以对充电桩供电。
在一实施例中，电源转换模块为交流转直流转换器。
为了能更进一步了解本发明为实现预定目的所采取的技术、手段及技术效果，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而说明书附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
附图说明
图1：为现有电动车充电模块以气体方式散热的示意图。
图2：为现有电动车充电模块以液体方式散热的示意图。
图3：为本发明电动车充电模块的方框图。
图4A：为本发明热电模块所产生的电压经转换为供电电压的方框图。
图4B：为本发明热电模块所产生的电压经转换为供电电压的示意图。
图5：为本发明电动车充电模块以水冷式散热的示意图。
图6A：为本发明电动车充电模块以风冷式散热的第一实施例的示意图。
图6B：为本发明电动车充电模块以风冷式散热的第二实施例的示意图。
图6C：为本发明电动车充电模块以风冷式散热的第三实施例的示意图。
附图标记说明：
90：机柜
95：电源转换设备
80：水冷冷却机
82：冷水管路
84：热水管路
100：充电桩
10：电源转换单元
20：散热单元
30：热电模块
11：电源转换模块
12：配电单元
31：第一电源转换器
32：蓄电单元
33：第二电源转换器
20：水冷冷却机
91：进风口
92：出风口
22：冷水管路
24：热水管路
VAC：交流电源
VDC：直流电源
VOUT：输出电源
EHG：发热能量
EHD：冷却能量
V1：第一电源
V2：第二电源
V10：供电电压
V20：供电电压
BAC：交流输入总线
BDC：直流输出总线
具体实施方式
兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下。
请参见图3所示，其为本发明电动车充电模块的方框图。电动车充电模块包含电源转换单元10、散热单元20以及热电模块30。在本发明中，电动车充电模块所产生的电源是用以对充电桩100供电。实际的应用上，电动车充电模块可设置于充电桩100内，或者电动车充电模块设置于充电桩100外，皆可用以提供所产生的电源对充电桩100供电。在图3所示的实施例中，是示意电动车充电模块设置于充电桩100外的供电方式。然，电动车充电模块设置于充电桩100内的示意，仅差别在将电动车充电模块示出于充电桩100内，且供电连接的方式可通过设计达到对充电桩100的供电。
充电桩是一种为电动车(包含纯电动车和可插电的混合动力电动车)补充电能的装置，类似燃油车所使用的加油站或加气站，充电桩是电动车充换电设施的一种。按照充电桩提供的输出电流分类，充电桩可以分为交流充电桩和直流充电桩。通常情况下，快速充电桩都是直流充电桩(但直流充电桩并非都是快速充电桩)。
电源转换单元10包含设置于机柜内的电源转换模块11，或者还包含配电单元12，提供输出电源VOUT。其中，配电单元12是可设置于机柜内，亦可设置于机柜外(即非机柜内)。换言之，电源转换单元10可仅包含电源转换模块11(设置于机柜内)，或者可同时包含电源转换模块11(设置于机柜内)与配电单元12(可设置于机柜内，亦可设置于机柜外)。其中，电源转换模块11用以作为电源转换之用，可具有电源转换电路以实现电源转换的操作。配电单元12(或称电源分配器、电源分配单元(power distribution unit,PDU))用以作为电源分配之用，并且其具有保护与警示的功能，若其设置于机柜内，则可作为机柜式电源分配器(rack power distribution unit,rPDU)，其可依据不同的客户需求，让周边设备的配电更有效率，更能符合高密度配电的需求。
散热单元20对电源转换单元10进行水冷或风冷散热。如图3所示，电源转换单元10在电源转换模块11与配电单元12的运行使得对充电桩100供电的过程产生发热能量EHG，即在对充电桩100供电的过程可视为电源转换单元10为发热的热源。
散热单元20对电源转换单元10进行水冷或风冷散热，因此可视为提供冷却能量EHD，用以对电源转换单元10进行散热，以降低电源转换单元10的温度。
当热电模块30的冷热两端同时接触到不同温度(即，发热能量EHG所产生的高温与冷却能量EHD所产生的低温)时，其温度差会造成冷热端的电子流动而产生电流，形成热电效应(thermoelectric effect)或称帕尔帖-赛贝克效应(Peltier-Seebeck effect)，因此将热能转换成电能。其中，热电模块30可为热电产生器。故此，热电模块30接收电源转换单元10产生的发热能量EHG与散热单元提供的冷却能量EHD，且基于发热能量EHG与冷却能量EHD的两者之间(即电源转换单元10及散热单元20运行时两者之间)的温度差(存在的热能)将一部分的发热能量EHG转换为电能。因此，热电模块30所产生的电能用以供给电源转换单元10和/或散热单元20所需的电力。在本实施例中，热电模块30对电源转换单元10的供电电压为电压V10，热电模块30对散热单元20的供电电压为电压V20。因此，通过热能的回收再利用，产生能够对电源转换单元10与散热单元20供电的电力，以实现兼具环保节能和提高经济效益。
请参见图4A与图4B所示，其是分别为本发明热电模块所产生的电压经转换为供电电压的方框图与示意图。在一实施例中，对电源转换单元10的供电电压V10与对散热单元20的供电电压V20可通过经转换与储能热电模块30所产生的电力所实现，说明如下。电动车充电模块还包含第一电源转换器31、蓄电单元32以及第二电源转换器33。承前所述，热电模块30设置于发热源与散热器之间，其中发热源为电源转换单元10，散热器为散热鳍片，热电模块30的冷热两端同时接触到不同温度时，其温度差会造成冷热端的电子流动而产生电流，因此将热能转换成电能。
具体地，第一电源转换器31耦接热电模块30，以接收第一电源V1，且转换第一电源V1为第二电源V2。在不同的实施例中，由于热电模块30所输出的第一电源V1可为直流电源或者交流电源，因此，第一电源转换器31为交流对直流转换器(AC-to-DC converter)或直流对直流转换器(DC-to-DC converter)，且可为升压式的转换器，以将较低电压的第一电源V1升压为较高电压的第二电源V2。
蓄电单元32耦接第一电源转换器31，接收第二电源V2进行储能。其中，蓄电单元32为蓄电池(或称可充电电池)。
第二电源转换器33耦接第一电源转换器31与蓄电单元32，接收第二电源V2，且转换第二电源V2为所述电能以提供电源转换单元10的供电电压V10和/或散热单元20的供电电压V20。在不同的实施例中，供电电压V10和供电电压V20可为直流电源或者交流电源，因此，第二电源转换器33为直流对直流转换器(DC-to-DC converter)或直流对交流转换器(DC-to-AC converter)。
再者，在实际的应用中，蓄电单元32不仅只能作为储能之用，亦可在热电模块30无输出电源(例如无输出第一电源V1)时，输出其所存储的电能，并且在经第二电源转换器33转换后作为供电电压V10和/或供电电压V20之用。
故此，若第二电源转换器33为直流对直流转换器时，可用以将直流的第二电源V2或蓄电单元32输出的电压转换为其他电压大小的直流供电电压V10或供电电压V20。又若第二电源转换器33为直流对交流转换器时，可用以将直流的第二直流电压V2或蓄电单元32输出的电压转换为交流供电电压V10或供电电压V20，因此，可对电源转换单元10或散热单元20提供直流或交流的供电。
请参见图5所示，其为本发明电动车充电模块以水冷式散热的示意图。设置于机柜(图未示)内的电源转换单元10通过交流输入总线(AC input bus bar)BAC由交流电源VAC供电，并且转换交流电源VAC以通过直流输出总线(DC output bus bar)BDC提供直流电源VDC输出对充电桩100供(充)电。然不以此为限，电源转换单元10亦可提供交流电源输出对充电桩100供(充)电。进一步地，通过水冷冷却机20(为本发明散热单元20的一种实施例，其中水冷冷却机20主要包含水冷泵浦)配合冷水管路22与热水管路24的使用，使得电源转换单元10所产生的热经由热水管路24传送至水冷冷却机20，并且由水冷冷却机20所提供的冷水经由冷水管路22传送至电源转换单元10以对电源转换单元10进行冷却。
进一步地，热电模块30设置于冷水管路22与热水管路24之间，即热电模块30的冷热两端同时接触到不同温度(冷水管路22的温度低于热水管路24的温度)，因此，冷水管路22与热水管路24的温度差造成冷热端的电子流动而使得热电模块30产生电流，因此热电模块30将热能转换成电能。在本实施例中，热电模块30可直接提供对电源转换单元10的供电电压为电压V10以及对水冷冷却机20的供电电压为电压V20，借此以供应电源转换单元10与水冷冷却机20所需要的电力。或者，热电模块30可通过如图4A(或图4B)的电源转换与储能架构，将其输出的电源进行转换与储能，进一步提供对电源转换单元10与对水冷冷却机20的供电。因此，电源转换单元10所产生的热能可通过热电模块30转换成电能，达到热能回收再利用的目的，以兼具环保节能和提高经济效益的优势。
在不同的实施例中，热电模块30的数量可不只为一个。换言之，热电模块30的数量可为多个以上，并且配置于冷水管路22与热水管路24之间，同样可实现因冷水管路22与热水管路24的温度差造成冷热端的电子流动而使得热电模块30产生电流而将热能转换成电能的效果，以产生对电源转换单元10的供电电压V10与对散热单元20的供电电压V20，借此供给电源转换单元10与散热单元20所需的电力。
再者，在不同的实施例中，水冷冷却机20(即散热单元20的一种实施例)与热电模块30可设置于非机柜内(即机柜外)，或者，可通过设计将水冷冷却机20与热电模块30整合设置于机柜内。
请参见图6A所示，其为本发明电动车充电模块以风冷式散热的第一实施例的示意图。在本实施例中，热电模块30设置于电源转换单元10上，亦即可设置于电源转换模块11和/或配电单元12，可视两者中何者所产生热能较剧作为考量。通过以冷风送入机柜，用以将机柜内电源转换单元10所产生的热带出，达到对电源转换单元10进行冷却。在散热的同时，热电模块30的一端贴覆在电源转换单元10上，因此可以接收电源转换单元10的温度(第一温度)；热电模块30的另一端可接收到机柜内的(所在)温度(第二温度)，此温度乃由冷风送入机柜所致使的温度。因此，热电模块30的冷热两端同时接触到不同温度(即第一温度较第二温度高)，其温度差会造成冷热端的电子流动而产生电流，因此将热能转换成电能。故此，热电模块30可提供对电源转换单元10的供电电压为电压V10以及对送风与抽风的风扇装置或散热风扇(图未示)的供电电压，借此以供应电源转换单元10与风扇装置或散热风扇所需要的电力。
请参见图6B所示，其为本发明电动车充电模块以风冷式散热的第二实施例的示意图。在本实施例中，热电模块30设置于机柜的进风口91，且露出于机柜外。同样地，通过从进风口91将冷风送入机柜，用以将机柜内电源转换单元10所产生的热带出，达到对电源转换单元10进行冷却。在散热的同时，热电模块30的一端暴露于机柜内，因此可以接收机柜内的温度(第一温度)；热电模块30的另一端暴露于机柜外，可接收到机柜外的温度(第二温度)。因此，热电模块30的冷热两端同时接触到不同温度(即第一温度较第二温度高)，其温度差会造成冷热端的电子流动而产生电流，因此将热能转换成电能。故此，热电模块30可提供对电源转换单元10的供电电压为电压V10以及对送风与抽风的风扇装置或散热风扇(图未示)的供电电压，借此以供应电源转换单元10与风扇装置或散热风扇所需要的电力。
请参见图6C所示，其为本发明电动车充电模块以风冷式散热的第三实施例的示意图。在本实施例中，热电模块30设置于机柜的出风口92，且露出于机柜外。同样地，通过从进风口91将冷风送入机柜，用以将机柜内电源转换单元10所产生的热从出风口92带出，达到对电源转换单元10进行冷却。在散热的同时，热电模块30的一端暴露于机柜内，因此可以接收机柜内的温度(第一温度)；热电模块30的另一端暴露于机柜外，可接收到机柜外的温度(第二温度)。因此，热电模块30的冷热两端同时接触到不同温度(即第一温度较第二温度高)，其温度差会造成冷热端的电子流动而产生电流，因此将热能转换成电能。故此，热电模块30可提供对电源转换单元10的供电电压为电压V10以及对送风与抽风的风扇装置或散热风扇(图未示)的供电电压，借此以供应电源转换单元10与风扇装置或散热风扇所需要的电力。
在不同的实施例中，热电模块30设置的位置不以图6A、图6B或图6C所设置的位置为限制，换言之，热电模块30亦可设置于机柜内对于温度感应灵敏的位置。或者，热电模块30可同时设置于电源转换单元10上(图6A)、设置于机柜的进风口91(图6B)以及设置于机柜的出风口92(图6C)，亦即热电模块30的数量可不只为一个，进而提供多个位置的使用。同样地，利用热电模块30的冷热两端同时接触到不同温度，其温度差会造成冷热端的电子流动而产生电流，因此将热能转换成电能，而提供对电源转换单元10的供电电压为电压V10以及对送风与抽风的风扇装置或散热风扇(图未示)的供电电压，借此以供应电源转换单元10与风扇装置或散热风扇所需要的电力。
综上所述，本发明是具有以下的特征与优点：使用简单的元件－热电模块，利用其热电转换的特性，将热能转换为电能以供给系统装置所需的电力，以达到热能回收再利用的目的，并兼具环保节能和提高经济效益的优势。
以上所述，仅为本发明优选具体实施例的详细说明与附图，而本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的权利要求为准，凡合于本发明权利要求的构思与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范围中，任何本领域技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本公开的权利要求。

Claims (17)

1.一种电动车充电模块，包含：
一电源转换单元，包含设置于一机柜内的一电源转换模块，或者还包含一配电单元，提供一输出电源；
一散热单元，对该电源转换单元进行水冷或风冷散热；及
一热电模块，利用该电源转换单元及该散热单元运行时两者之间的一温度差产生一电能；
其中，该电能用以提供该电源转换单元和/或该散热单元。
2.如权利要求1所述的电动车充电模块，其中当进行水冷散热时，该散热单元为一水冷泵浦。
3.如权利要求2所述的电动车充电模块，其中该散热单元与该热电模块设置于该机柜内。
4.如权利要求2所述的电动车充电模块，其中该散热单元与该热电模块非设置于该机柜内。
5.如权利要求3或权利要求4所述的电动车充电模块，还包含连接于该电源转换单元与该水冷泵浦之间的一第一管路与一第二管路；
其中，该电源转换单元所产生的热能通过该第一管路传送至该水冷泵浦；该水冷泵浦通过该第二管路将冷水传送至该电源转换单元；
其中，该热电模块接收该第一管路的一第一温度与该第二管路的一第二温度，且基于该第一温度与该第二温度之间的该温度差产生该电能。
6.如权利要求1所述的电动车充电模块，其中当进行风冷散热时，该散热单元为一散热风扇。
7.如权利要求6所述的电动车充电模块，其中该散热单元设置于该机柜内。
8.如权利要求7所述的电动车充电模块，其中该热电模块设置于该电源转换单元上，接收该电源转换单元的一第一温度与该机柜内的一第二温度，且基于该第一温度与该第二温度之间的该温度差产生该电能。
9.如权利要求7所述的电动车充电模块，其中该热电模块设置于该机柜的一进风口，接收该机柜内的一第一温度与该机柜外的一第二温度，且基于该第一温度与该第二温度之间的该温度差产生该电能。
10.如权利要求7所述的电动车充电模块，其中该热电模块设置于该机柜的一出风口，接收该机柜内的一第一温度与该机柜外的一第二温度，且基于该第一温度与该第二温度之间的该温度差产生该电能。
11.如权利要求1所述的电动车充电模块，还包含：
一第一电源转换器，耦接该热电模块，接收一第一电源，且转换该第一电源为一第二电源；
一蓄电单元，耦接该第一电源转换器，接收该第二电源进行储能；及
一第二电源转换器，耦接该第一电源转换器与该蓄电单元，接收该第二电源，且转换该第二电源为该电能以提供该电源转换单元和/或该散热单元。
12.如权利要求11所述的电动车充电模块，其中该第一电源转换器为一交流对直流转换器或一直流对直流转换器。
13.如权利要求11所述的电动车充电模块，其中该第二电源转换器为一直流对直流转换器或一直流对交流转换器。
14.如权利要求1所述的电动车充电模块，其中该热电模块为一热电产生器。
15.如权利要求1所述的电动车充电模块，其中该输出电源用以对一充电桩供电。
16.如权利要求1所述的电动车充电模块，其中该电动车充电模块设置于一充电桩内，该输出电源用以对该充电桩供电。
17.如权利要求1所述的电动车充电模块，其中该电源转换模块为一交流转直流转换器。
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