CN115347630A - 一种充电装置 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种充电装置，所述充电装置包括：依次电连接的滤波模块、功率因子校正模块、功率转换模块和直流输出模块；所述滤波模块、功率因子校正模块、功率转换模块和/或直流输出模块中的半导体器件为高频高能量密度半导体器件。在本申请实施例中，由于高频高能量密度半导体器件具有较低的静态通态电阻和内部电容，进而可以减少导通损耗和开关损耗提高电源的效率；在高频下，变压器空载损耗减小，输出功率增大，进而提高变压器的效率；在高频下，电容和电感可以做的较小，因此可以减轻充电装置的体积和总量，提高充电装置的能量密度，在同等尺寸下，电流密度更大，充电电流可以提高数倍，充电速度提高数倍。

Description

一种充电装置
技术领域
本申请涉及充电技术领域，特别是涉及一种充电装置。
背景技术
随着技术的发展，电动交通工具日益普及，涵盖电动汽车、电动摩托车、电动自行车、电动三轮车等不同的产品形态。电动交通工具上通常设有蓄电池，通过蓄电池为电动交通工具提供电能。当蓄电池馈电时，通过充电设备为蓄电池充电。
但是，现有技术中的充电设备通常能量密度和充电效率较低。
发明内容
本申请实施例提供了一种充电装置，以利于解决现有技术中充电设备通常能量密度和充电效率较低的问题。
第一方面，本申请实施例中提供了一种充电装置，包括：依次电连接的滤波模块、功率因子校正模块、功率转换模块和直流输出模块；
所述滤波模块，用于对电网输入的电源进行滤波，并将滤波后的电源传输至所述功率因子校正模块；或者，对所述功率因子校正模块输入的电源进行滤波，并将滤波后的电源传输至电网；
所述功率因子校正模块，用于对所述滤波模块输入的电源进行功率因子校正，并将校正后的电源传输至所述功率转换模块；或者，对所述功率转换模块输入的电源进行功率因子校正，并将校正后的电源传输至所述滤波模块；
所述功率转换模块，用于对所述功率因子校正模块输入的电源进行功率转换，并将转换功率后的电源传输至所述直流输出模块；或者，对所述直流输出模块输入的电源进行功率转换，并将转换功率后的电源传输至所述功率因子校正模块；
所述直流输出模块，用于将所述功率转换模块输入的电源输出至蓄电装置；或者，将所述蓄电装置输入的电源传输至所述功率转换模块；
其中，所述滤波模块、功率因子校正模块、功率转换模块和/或直流输出模块中的半导体器件为高频高能量密度半导体器件。
优选地，所述高频高能量密度半导体器件为GaN和/或SiC半导体器件。
优选地，还包括控制器；
所述控制器分别与所述滤波模块、所述功率因子校正模块、所述功率转换模块和所述直流输出模块电连接；
所述控制器用于向所述滤波模块、所述功率因子校正模块、所述功率转换模块和/或所述直流输出模块发送控制指令。
优选地，还包括检测模块；
所述检测模块分别与所述控制器、所述功率因子校正模块、所述功率转换模块和所述直流输出模块电连接；
所述检测模块用于获取所述功率因子校正模块、所述功率转换模块和所述直流输出模块的检测信息，并将所述检测信息传输至所述控制器。
优选地，还包括通信模块；
所述通信模块与所述控制器相连；
所述控制器用于通过所述通信模块与所述蓄电装置进行通信。
优选地，还包括辅助电源模块；
所述辅助电源模块的输出端连接所述控制器，用于为所述控制器提供电源。
优选地，所述直流输出模块包括多个输出接口。
优选地，还包括功率分配模块；
所述功率分配模块与所述直流输出模块相连；
所述功率分配模块用于为所述多个输出接口分配输出功率。
优选地，所述输出功率的范围为1kw-30kw。
本申请实施例提供的高频高能量密度器件具有以下优点：
1、由于GaN和SiC相比Si具有较低的静态通态电阻(Static Drain-to-Source On-Resistance,RDS(ON))和内部电容(Coss)，进而可以减少导通损耗和开关损耗(switchingloss)提高电源的效率。
2、由于GaN和/SiC半导体器件可以支持较高的工作频率，因此充电装置中的变压器空载损耗减小，输出功率增大，进而提高变压器的效率。其中，功率转换模块中包含变压器等相关器件。
3、由于GaN和/SiC半导体器件可以支持较高的工作频率，在高频下，电容和电感可以做的较小，因此可以减轻充电装置的体积和总量，提高充电装置的能量密度。
4、由于充电装置的能量密度增大，在同等尺寸下，电流密度更大，充电电流可以提高数倍，充电速度提高数倍。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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，对于本领域普通技术人员而言，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为本申请实施例提供的一种充电装置的结构框图；
图2为本申请实施例提供的一种交流直流转换框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
传统的充电设备中，最占体积的是电容器件，最占重量的是电感器件。但是该两种器件在高频时可以做的很小，进而可以减轻充电设备的体积和总量。但是，充电设备中半导体器件可以承受的频率有限，导致传统充电设备无法做到很高的频率，进而也无法通过提高频率降低充电设备的体积和重量。
针对上述问题，本申请实施例提供了一种基于高频高能量密度半导体器件的充电装置，该充电装置中的半导体器件采用GaN和/或SiC半导体器件，例如GaN三极管、SiC三极管等。由于GaN和SiC相比Si具有较低的静态通态电阻(Static Drain-to-Source On-Resistance,RDS(ON))和内部电容(Coss)，进而可以减少导通损耗和开关损耗(switchingloss)提高电源的效率。另外，由于GaN和/SiC半导体器件可以支持较高的工作频率，因此充电装置中的变压器空载损耗减小，输出功率增大，进而提高变压器的效率。
参见图1，为本申请实施例提供的一种充电装置的结构框图。如图1所示，该充电装置包括依次电连接的滤波模块、功率因子校正模块、功率转换模块和直流输出模块。
其中，滤波模块用于滤除电源中的杂波，去除噪声影响。在图1所示的实施例中，滤波模块设置在电网和功率因子校正模块之间，但是在一些可能的实施例中，滤波模块也可以设置在功率转换模块和直流输出模块之间，或者其它位置。另外，还可以设置两个滤波模块，其中一个滤波模块设置在电网和功率因子校正模块之间，另一个滤波模块设置在功率转换模块和直流输出模块之间，本申请实施例对此不作具体限制。
功率因子是指有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因子可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。为了提高用电设备功率因数的技术就称为功率因子校正。对于开关电源，电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，因此，需要功率因子校正模块对电源的功率因子进行调整。
不同的蓄电装置充电时，对功率的需求不同，例如，电动汽车可能需要10kw-30kw的输出功率；电动摩托车、电动自行车和电动三轮车等低速电动交通工具可能需要1kw-5kw的输出功率。因此，需要通过功率转换模块对充电装置的输出功率进行调整。
可理解，图1中滤波模块的左侧用于连接电网，直流输出模块的右侧用于连接蓄电装置。
在本申请实施例中，电源既可以由电网输入为蓄电装置充电，又可以由蓄电装置输入为电网充电，以下分别进行说明。
当电源由电网输入，直流输出模块输出时，滤波模块对电网输入的电源进行滤波，并将滤波后的电源传输至所述功率因子校正模块；功率因子校正模块对所述滤波模块输入的电源进行功率因子校正，并将校正后的电源传输至所述功率转换模块；功率转换模块对所述功率因子校正模块输入的电源进行功率转换，并将转换功率后的电源传输至所述直流输出模块；直流输出模块将所述功率转换模块输入的电源输出至蓄电装置。
当电源由直流输出模块输出、电网输入时，直流输出模块将所述蓄电装置输入的电源传输至所述功率转换模块；功率转换模块对所述直流输出模块输入的电源进行功率转换，并将转换功率后的电源传输至所述功率因子校正模块；功率因子校正模块对所述功率转换模块输入的电源进行功率因子校正，并将校正后的电源传输至所述滤波模块；滤波模块对所述功率因子校正模块输入的电源进行滤波，并将滤波后的电源传输至电网。
需要指出的是，在本申请实施例中，由于电流可以反向从蓄电装置流入电网给电网供电，从而所有蓄电装置通过电网形成能源互联网，进而通过电网在不同时段和地区间调配电力。
本申请实施例中的所述滤波模块、功率因子校正模块、功率转换模块和/或直流输出模块中的半导体器件为高频高能量密度半导体器件。具体地，所述高频高能量密度半导体器件为GaN和/或SiC半导体器件。
需要指出的是，除了滤波模块、功率因子校正模块、功率转换模块和/或直流输出模块采用高频高能量密度半导体器件外，充电装置中的其它模块的半导体器件同样可以采用高频高能量密度半导体器件，本申请实施例对此不作限制。
需要指出的是，本申请实施例涉及的高频通常是指频率高于100M，甚至可以高达1G。而传统的Si器件通常频率低于100K。可理解，频率越高充电装置可以做到的尺寸越小，能量密度越大。
由于电网输出的电源为交流电，直流输出模块输出的电源为直流电，因此，本申请实施例提供的充电装置还应当包括AC/DC转换模块。本申请实施例对AC/DC转换模块的具体设置方式不作限制。
参见图2，为本申请实施例提供的一种交流直流转换框图。如图2所示，该充电装置还包括第一AC/DC转换模块、DC/高频AC转换模块和第二AC/DC转换模块。第一AC/DC转换模块、DC/高频AC转换模块、功率转换模块和第二AC/DC转换模块依次电连接，用于电流的传输。其中，所述第一AC/DC转换模块，用于将所述第一滤波子模块输入的交流电转换为直流电；所述DC/高频AC转换模块，用于将所述第一AC/DC转换模块输入的直流电转换为高频交流电；所述第二AC/DC转换模块，用于将所述功率转换模块输入的交流电转换为直流电。
也就是说，在本申请实施例中，首先将交流电转换为直流电，然后将直流电转换为高频交流电。由于高频是降低充电装置体积和总量的主要原因，因此，采用该设置方式可以降低充电装置体积和总量。相反，若直接采用一个AC/DC转换模块实现交流电到直流电的转换，则充电装置失去高频优势。
另外，在一种可选实施例中也可以将第一AC/DC转换模块和DC/高频AC转换模块进行结合，直接在低频交流电商调制一个高频交流电，但是该设置方式容易导致电信号的质量变差。
本申请实施例提供的高频高能量密度器件具有以下优点：
1、由于GaN和SiC相比Si具有较低的静态通态电阻(StaticDrain-to-Source On-Resistance,RDS(ON))和内部电容(Coss)，进而可以减少导通损耗和开关损耗(switchingloss)提高电源的效率。
2、由于GaN和/SiC半导体器件可以支持较高的工作频率，因此充电装置中的变压器空载损耗减小，输出功率增大，进而提高变压器的效率。其中，功率转换模块中包含变压器等相关器件。
3、由于GaN和/SiC半导体器件可以支持较高的工作频率，在高频下，电容和电感可以做的较小，因此可以减轻充电装置的体积和总量，提高充电装置的能量密度。
4、由于充电装置的能量密度增大，在同等尺寸下，电流密度更大，充电电流可以提高数倍，充电速度提高数倍。
在一种可选实施例中，所述充电装置还包括控制器，该控制器用于与充电装置中的其它模块电连接，并向其它模块发送相关的控制指令。例如，控制器分别与所述滤波模块、所述功率因子校正模块、所述功率转换模块和所述直流输出模块电连接，向所述滤波模块、所述功率因子校正模块、所述功率转换模块和/或所述直流输出模块发送控制指令。
在一种可选实施例中，所述充电装置还包括检测模块，所述检测模块用于检测所述充电装置或与所述充电装置连接的蓄电装置的相关信息，并将检测到的信息传输至控制器。具体地，所述检测模块分别与所述控制器、所述功率因子校正模块、所述功率转换模块和所述直流输出模块电连接，所述检测模块用于获取所述功率因子校正模块、所述功率转换模块和所述直流输出模块的检测信息，并将所述检测信息传输至所述控制器。
在一种可选实施例中，所述充电装置还包括通信模块。所述通信模块与所述控制器相连，所述控制器用于通过所述通信模块与所述蓄电装置进行通信。
例如，当充电装置和蓄电装置物理连接完成并上电后，需要进行握手通信，双方发送辨识报文，确定充电必要信息，进而进行充电参数配置。
在一种可选实施例中，所述充电装置还包括辅助电源模块。当充电装置和蓄电装置物理连接完成并上电后，开启辅助电源模块，进入充电握手阶段。也就是说，在充电装置未执行充电工作之前，由辅助电源为控制器供电。具体地，所述辅助电源模块的输出端连接所述控制器，用于为所述控制器提供电源。
在一种可选实施例中，所述直流输出模块包括多个输出接口。与所述多个输出接口相对应，所述充电装置还包括功率分配模块，所述功率分配模块与所述直流输出模块相连；所述功率分配模块用于为所述多个输出接口分配输出功率。
具体实现中，所述输出功率的范围为1kw-30kw。例如，当蓄电装置为电动摩托车、电动自行车、电动三轮车时，输出功率为1kw-5kw；当蓄电装置为电动汽车时，输出功率为10kw-30kw；当蓄电装置为微型家庭充电宝时，输出功率为5kw-20kw。
在一种可选实施例中，所述充电装置还包括指示灯，该指示灯与控制器相连，用于指示充电装置的工作状态。
可理解，图1所示仅为本申请所列举的一种可能的实现方式，并不应当将其作为本申请保护范围的限制，本领域技术人员可以根据实际需求对相关功能模块进行删减、补充、组合、拆解，或者调整模块的前后顺序等，其均应当落入本申请的保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于终端实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。
以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (9)

1.一种充电装置，其特征在于，包括：依次电连接的滤波模块、功率因子校正模块、功率转换模块和直流输出模块；
所述滤波模块，用于对电网输入的电源进行滤波，并将滤波后的电源传输至所述功率因子校正模块；或者，对所述功率因子校正模块输入的电源进行滤波，并将滤波后的电源传输至电网；
所述功率因子校正模块，用于对所述滤波模块输入的电源进行功率因子校正，并将校正后的电源传输至所述功率转换模块；或者，对所述功率转换模块输入的电源进行功率因子校正，并将校正后的电源传输至所述滤波模块；
所述功率转换模块，用于对所述功率因子校正模块输入的电源进行功率转换，并将转换功率后的电源传输至所述直流输出模块；或者，对所述直流输出模块输入的电源进行功率转换，并将转换功率后的电源传输至所述功率因子校正模块；
所述直流输出模块，用于将所述功率转换模块输入的电源输出至蓄电装置；或者，将所述蓄电装置输入的电源传输至所述功率转换模块；
其中，所述滤波模块、功率因子校正模块、功率转换模块和/或直流输出模块中的半导体器件为高频高能量密度半导体器件。
2.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于，所述高频高能量密度半导体器件为GaN和/或SiC半导体器件。
3.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于，还包括控制器；
所述控制器分别与所述滤波模块、所述功率因子校正模块、所述功率转换模块和所述直流输出模块电连接；
所述控制器用于向所述滤波模块、所述功率因子校正模块、所述功率转换模块和/或所述直流输出模块发送控制指令。
4.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于，还包括检测模块；
所述检测模块分别与所述控制器、所述功率因子校正模块、所述功率转换模块和所述直流输出模块电连接；
所述检测模块用于获取所述功率因子校正模块、所述功率转换模块和所述直流输出模块的检测信息，并将所述检测信息传输至所述控制器。
5.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于，还包括通信模块；
所述通信模块与所述控制器相连；
所述控制器用于通过所述通信模块与所述蓄电装置进行通信。
6.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于，还包括辅助电源模块；
所述辅助电源模块的输出端连接所述控制器，用于为所述控制器提供电源。
7.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于，所述直流输出模块包括多个输出接口。
8.根据权利要求7所述的充电装置，其特征在于，还包括功率分配模块；
所述功率分配模块与所述直流输出模块相连；
所述功率分配模块用于为所述多个输出接口分配输出功率。
9.根据权利要求8所述的充电装置，其特征在于，所述输出功率的范围为1kw-30kw。
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