CN117261643B - 一种充电桩及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充电桩及其工作方法，充电桩包括依次连接的交流接触器、电源模块、直流输出装置和充电枪，其中，直流输出装置包括充电控制器、第一输出回路、第二输出回路和开关器件；充电桩还包括充电桩主控单元和充电桩状态板，充电桩主控单元与电源模块连接，充电桩主控单元和充电桩状态板通过CAN线与充电控制器连接。工作方法包括6个阶段：物理连接，BMS电源供电，充电握手，参数配置，充电进行和充电结束。本发明能够满足双回路的并行充电和功率切换需求，能够降低充电桩直流输出端的电气复杂度，提高直流充电性能。

Description

一种充电桩及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种充电桩及其工作方法，属于直流充电设备技术领域。

背景技术

直流充电设施是电动汽车规模化和产业化发展的重要基础设施之一，目前，随着电动汽车产业规模的发展，充电设施的功率密度越来越高，单个充电设备对应多个充电回路的应用越来越多，各回路之间的电气连接可以设计为模块化结构，通过直流输出模块实现充电控制和功率切换，因此，直流输出模块成为直流充电设备的核心单元之一。但是，现有的直流输出装置一般采用多个开关器件分立安装在充电机柜内部或简单堆叠集成在一起，受内部空间、充电接口位置以及结构和电气连接的维护性等方面的限制，负责直流输出控制和功率切换的相关元器件往往难以形成相对独立的功能组件，对生产和维护带来困难。

此外，目前部分充电桩的输出端需要集成多种功能，而实现各个功能的器件往往分散布置，导致充电桩空间利用率低，设备占地面积大，而且电器元件之间配线复杂，失误率高，由于充电桩内部接线和结构复杂后期维护更换内部器件困难，零件之间层次不明，拆卸时容易产生二次故障。现有的充电桩装配时不能并行作业，交叉作业繁琐，工艺性差；生产中整个设备零部件的安装是串行的，需要装配完后才能进行测试，生产无法并行进行，导致生产效率低；而且因为实现各级功能的零件分散安装于充电设备内，在整机发现问题时存在问题查找及追踪困难现象；没有相对独立的模块化单元作为充电设备的备件，导致备件管理和使用困难，给设备维护带来了不便。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种充电桩及其工作方法，通过直流输出装置在电动汽车充电桩的输出端集成功率传输、开关控制、信号检测和通信等功能，满足双回路的并行充电和切换工作需求，通过高度集成的模块化结构设计能够有效降低充电桩的电气复杂度，提高直流充电性能，同时设备管理、维护更加方便。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：

第一方面，本发明提出一种充电桩，包括依次连接的交流接触器、电源模块、直流输出装置和充电枪，其中，所述直流输出装置包括充电控制器、第一输出回路、第二输出回路和开关器件；

所述第一输出回路的一端通过第一直流输入母线与所述电源模块连接，所述第一输出回路的另一端通过第一直流输出母线与所述充电枪连接，所述第二输出回路的一端通过第二直流输入母线与所述电源模块连接，所述第二输出回路的另一端通过第二直流输出母线与所述充电枪连接，所述开关器件的两端分别与所述第一直流输入母线和所述第二直流输入母线连接，所述充电控制器分别与所述第一输出回路、所述第二输出回路和所述开关器件连接；

所述充电桩还包括充电桩主控单元和充电桩状态板，所述充电桩主控单元与所述电源模块连接，所述充电桩主控单元和充电桩状态板通过CAN线与所述充电控制器连接。

结合第一方面，进一步的，所述第一输出回路包括直流接触器、分流器、熔断器；所述第一直流输入母线的一端与所述电源模块连接，所述第一直流输入母线的另一端分别与所述分流器的一端和所述熔断器的一端连接，所述分流器的另一端和所述熔断器的另一端通过母线与所述直流接触器的一端连接，所述直流接触器的另一端与所述第一直流输出母线的一端连接，所述第一直流输出母线的另一端与所述充电枪的DC+和DC-连接。

结合第一方面，进一步的，第二输出回路与第一输出回路的结构相同。

结合第一方面，进一步的，所述充电控制器包括集中控制器、绝缘检测模块、系统配置端子、拨码开关、状态灯、电采集模块、BMS电源模块、板载交流接触器和枪锁驱动器、A端子、B端子、Aa端子、Bb端子、C端子和D端子；所述集中控制器与所述绝缘检测模块、所述系统配置端子、所述拨码开关、所述状态灯、所述电采集模块、所述板载交流接触器和所述枪锁驱动器电连接，所述BMS电源模块的输入端与所述板载交流接触器连接，所述BMS电源模块的输出端、所述绝缘检测模块、所述枪锁驱动器分别通过A端子和B端子与电动汽车充电枪电连接，所述集中控制器通过所述Aa端子与所述第一输出回路电连接，所述集中控制器通过所述Bb端子与所述第二输出回路电连接，所述集中控制器通过所述C端子与所述开关器件电连接，所述集中控制器通过D端子与电动汽车充电桩连接，所述集中控制器通过所述系统配置端子与外部设备连接。

第二方面，本发明提供一种充电桩工作方法，所述工作方法应用于如第一方面所述的充电桩；

所述工作方法包括如下步骤：

根据采集到的电气连接信号，通过集中控制器控制BMS电源模块为电动汽车中的BMS系统供电；

通过集中控制器发送握手报文与BMS系统进行握手辨识；

握手成功后，在集中控制器与BMS系统之间通过参数配置报文配置系统参数；

通过集中控制器控制绝缘检测模型进行绝缘检测；

通过集中控制器获取BMS系统的充电请求，并将充电请求以心跳报文的形式转发至充电桩主控单元；

根据所述心跳报文，通过充电桩主控单元控制交流接触器闭合，并按照所述心跳报文中设定的电压、电流控制电源模块输出电能；

当接收到停止充电指令，通过集中控制器将停止充电指令以报文形式转发给充电桩主控单元，通过充电桩主控单元控制交流接触器断开，结束充电；同时，通过集中控制器对充电数据进行统计，并以统计报文的形式发送至BMS系统，控制板载交流接触器断开，断开BMS电源；

在充电桩工作过程中，利用充电控制器实时监控充电桩的状态，根据所述状态驱动充电桩状态板显示充电桩的状态。

结合第二方面，进一步的，在充电桩工作过程中，通过集中控制器采集第一输出回路和第二输出回路的电压、电流信号，生成实时充电数据，并通过CAN通信将包含实时充电数据的状态报文周期性的发送到BMS系统；其中，所述状态报文包括充电桩的输出电压、输出电流和输出电量。

结合第二方面，进一步的，握手报文、心跳报文和状态报文的报文协议格式包括输出回路ID和DATA，其中，DATA包括B1～B8八个字节；在握手报文中，字节B1代表第一输出回路或第二输出回路；在心跳报文中，字节B1为输出回路状态，字节B2为第一输出回路或第二输出回路中接触器的状态，节点B3-B4为设定电压，节点B5-B6为设定电流；在状态报文中，节点B1-B2为输出电压，节点B3-B4为输出电流，字节B5-B6为输出电量。

结合第二方面，进一步的，在心跳报文中，字节B7为故障项，所述故障项的内容为故障代码；通过充电控制器根据预设的分类信息判断故障代码所属的故障等级，并根据故障等级选择继续工作或停止工作。

结合第二方面，进一步的，在充电桩工作过程中，根据所述状态驱动充电桩状态板显示充电桩的状态，包括：

根据所述状态生成脉冲电源并传输到充电桩状态板；根据脉冲电源的脉冲电压波的占空比，改变充电桩状态板的工作电压等级，进而驱动充电桩状态板的指示灯显示不同颜色。

结合第二方面，进一步的，当采集到电气连接信号时，通过集中控制器控制枪锁驱动器发生驱动信号，利用所述驱动信号驱动所述充电枪的电子锁闭锁，将所述充电枪与电动汽车直流充电接口连接。

采用以上技术手段后可以获得以下优势：

本发明提出了一种充电桩及其工作方法，在充电桩与电动汽车之间利用直流输出装置进行充电控制，能够提供双回路直流输出，且可以通过开关器件切换充电功率，能够满足更多变的充电需求。充电桩的配线简单，层次分明，实现了电气一次回路集成设计，电气二次回路集中走线，空间利用率高，电气复杂度低，便于检修维护，提升充电桩直流输出的稳定性和连接可靠性。本发明充电桩能够实现功率传输、信息传输、充电监控等多种功能，能够满足电动汽车多样的充电需求。

本发明工作方法将电动汽车充电过程划分为多个阶段，对每个阶段进行精准控制，在充电过程中实现充电桩、直流输出装置和电动汽车BMS系统之间的信息交互，能够实时掌握充电状态，还能对充电中出现的故障进行检测，提高了电动汽车充电的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例中充电枪的结构示意图；

图2为本发明实施例中直流输出装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中壳体的结构示意图；

图4为本发明实施例中第一输出回路、第二输出回路和开关器件的结构及连接关系示意图；

图5为本发明实施例中充电控制器的结构示意图；

图6为本发明实施例中充电桩的电气原理图；

图7为本发明实施例中充电桩工作方法的阶段示意图；

图8为本发明实施例中充电桩工作方法的流程示意图；

图9为本发明实施例中脉冲电源的脉冲电压波形图；

图10为本发明实施例中充电桩状态板的驱动电压示意图；

图中，1是壳体，2是充电控制器，3是第一输出回路，4是第二输出回路，5是开关器件，6是第一直流输入母线，7是第一直流输出母线，8是第二直流输入母线，9是第二直流输出母线，10是上盖板，11是下壳体，101是统接口，102是拨码开关口，103是状态灯孔，111是输入绝缘件，112是对内端子孔，113是第一输出绝缘件，114是第二输出绝缘件，115是对外端子孔，201是集中控制器，202是BMS电源模块，203是绝缘检测模块，204是枪锁驱动器，205是板载交流接触器，206是A端子，207是B端子，208是Aa端子，209是Bb端子，210是C端子，211是D端子，212是系统配置端子，213是拨码开关，214是状态灯，215是电采集模块，K1、K2、K3、K4是直流接触器，RS1、RS2是分流器，FU1、FU1是熔断器，K5、K6是切换继电器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

实施例1

本实施例介绍一种充电桩置，如图1所示，充电桩主电路结构包括依次连接的交流断路器QF、交流接触器KM、电源模块(AC/DC单元)、直流输出装置和充电枪，交流断路器QF连接外部交流电源，充电枪与电动汽车的电池连接，通过直流输出装置给电动汽车的电池充电。

如图2所示，本发明直流输出装置包括壳体1，以及安装在壳体1内的充电控制器(CECU)2、第一输出回路3、第二输出回路4和开关器件5。充电控制器2与开关器件5均安装在壳体1中间，第一输出回路3和第二输出回路4分别安装在充电控制器2和开关器件5的两侧。第一输出回路3的一端通过第一直流输入母线6与电动汽车充电桩内的电源模块连接，第一输出回路3的另一端通过第一直流输出母线7与电动汽车充电枪连接，第二输出回路4的一端通过第二直流输入母线8与电动汽车充电桩内的电源模块连接，第二输出回路4的另一端通过第二直流输出母线9与电动汽车充电枪连接，开关器件5的两端分别与第一直流输入母线6和第二直流输入母线8连接，充电控制器2分别与第一输出回路3、第二输出回路4和开关器件5电连接。在本发明实施例中，将充电控制器2与第一输出回路3、第二输出回路4和开关器件5连接形成的回路称为电气二次回路，将第一输出回路3、第二输出回路4和开关器件5之间通过母排(电缆)实现的连接称为电气一次回路。

本发明充电桩内还设置有充电桩主控单元和充电桩状态板，直流输出装置与充电桩主控单元和充电桩状态板分别通过CAN线连接，实现CAN通信，充电桩主控单元还与电源模块连接，充电桩主控单元能够通过控制信号控制电源模块工作。充电桩外接380V交流电源通过主电路给电动汽车电池充电。

充电桩的控制供电部分包括：由外部输入的三相交流电源获得220V交流电，为直流输出装置和直流辅助电源提供电源，其中，直流辅助电源为选配器件，可以把220V交流电转化为直流电。充电桩主控单元可以采用直流辅助电源输出的12V或者24V低压直流电源，也可直接采用220V交流供电，具体取决于充电桩主控单元的硬件设计。在本发明实施例中，直流输出装置采用220V交流供电，采用漏保开关QF2控制，充电桩主控单元采用12V/24V直流供电，直流输出装置与充电桩状态板之间采用低压直流载波技术进行供电和信号传输。

充电桩的通信部分主要涉及充电桩主控单元、电源模块、直流输出装置和电动汽车的BMS系统。充电桩主控单元与电源模块之间、充电桩主控单元与直流输出装置之间、直流输出装置与BMS系统之间均采用CAN通信，通过信号传输能够实现不同的功能。

在本发明实施例中，充电桩主控单元具备5个基本功能：与远程运营平台或移动客户端进行云桩通信，接收远程运营平台或移动客户端充电需求的功能；具备数据接收和信号传递功能，包括采集信号诊断和接收到的数据诊断等各类数据，采用CAN通信方式把异常数据和充电需求发给直流输出装置和电源模块；具备与外设诸如刷卡器、显示器和扬声器等人机通信的功能；具备对交流接触器进行控制，当需要充电时闭合交流接触器以接通三相交流电源，当存在异常或故障时断开交流接触器；具备对充电桩内部诸如温度和湿度等工作环境的管理功能。

在本发明实施例中，直流输出装置的充电控制器能够接收充电桩主控单元的充电需求，管理充电的各个阶段，同时监控自身状态。直流输出装置的状态包括：备用、工作和故障，备用状态是指充电桩具备使用功能，各模块或单元正常，工作状态是指充电桩正在进行充电操作，用于监测充电桩启动充电到结束的所有过程，故障状态是指充电桩产生了异常情况。上述状态通过直流输出装置上的脉冲电源模块进行信息传递，脉冲电源模块可以产生不同频率的脉冲信号。

在本发明实施例中，充电桩状态板主要用于接收充电控制器输出的不同频率的脉冲电压信号，并利用PWM的占空比技术把不同频率的脉冲电压信号转化为不同电压级别的驱动信号，通过驱动信号可以使充电桩状态板上的状态灯呈现不同颜色。

在本发明实施例中，如图3所示，壳体1包括上盖板10和下壳体11，通过安装孔将上盖板10与下壳体11安装在一起，并通过铰链实现上盖板10与下壳体11的活动开合。

在上盖板10上设置有多个通风孔(图3中未示出)、系统接口101、拨码开关口102和状态灯孔103，系统接口101用于放置充电控制器2的系统配置端子，拨码开关口102用于放置充电控制器2的拨码开关，状态灯孔103用于放置充电控制器2的状态灯，通过状态灯的颜色、闪烁频率等可以了解直流输出装置的状态。

下壳体11的四周也设置有通风孔(图3中未示出)，用于辅助装置散热。下壳体11的前侧设置有输入绝缘件111和对内端子孔112，下壳体11的后侧设置有第一输出绝缘件113、第二输出绝缘件114和对外端子孔115，其中，输入绝缘件111用于支撑电气一次回路进线，输入绝缘件111上设置有多个通孔，方便第一直流输入母线6和第二直流输入母线8穿过，第一输出绝缘件113和第二输出绝缘件114用于支撑电气一次回路出线，第一输出绝缘件113和第二输出绝缘件114上也设置有多个通孔，方便第一直流输出母线7和第二直流输出母线9穿过。在本发明实施例中，绝缘件为结构工程绝缘材料制造，通常采用环氧树脂、玻璃纤维树脂等非金属材料。对内端子孔112和对外端子孔115用于放置充电控制器2上的端子。

下壳体11内部的底面安装有预制螺钉和绝缘支柱，分别用于固定第一输出回路3和第二输出回路4中的器件。下壳体11的两侧设有折边，折边上安装把手，并设有固定孔，把手便于拿取直流输出装置，而固定孔可以用于固定直流输出装置。把手采用通用零件，便于采购和安装。

如图4所示，第一输出回路3包括直流接触器K1/K2、分流器RS1、熔断器FU1。第一直流输入母线6的一端与电源模块连接，第一直流输入母线6的另一端分别与分流器RS1的一端和熔断器FU1的一端连接，并与开关器件5进行等电位连接；分流器RS1的另一端和熔断器FU1的另一端通过母线与直流接触器K1/K2的一端连接，直流接触器K1/K2的另一端与第一直流输出母线7的一端连接，第一直流输出母线7的另一端与充电枪DC+和DC-连接。

在本发明实施例中，第二输出回路4的电路结构与第一输出回路3一致，第二输出回路4也包括接触器K3/K4、分流器RS2、熔断器FU2。

本发明可以根据每个输出回路的功率等级，为第一输出回路3和第二输出回路4中的各个器件设置不同的性能参数，进而实现不同的输出效果。

在本发明实施例中，开关器件5采用切换继电器，具体包括两个切换继电器K5、K6，用于实现两个输出回路之间的功率切换。

本发明直流输出装置内多个一次器件(第一输出回路3、第二输出回路4和开关器件5)可以按照既定方式排列，用于连接一次器件的母排可以有多种规格，每种规格的母排都设有安装孔，并根据排布路径对其外形进行设定，母排固定在一次器件和绝缘件之上，实现壳体1内多个一次器件的集成。

充电控制器2的结构如图5所示，充电控制器2主要包括集中控制器201、BMS电源模块202、绝缘检测模块203、枪锁驱动器204、板载交流接触器205、A端子206、B端子207、Aa端子208、Bb端子209、C端子210、D端子211、系统配置端子212、拨码开关213、状态灯214和电采集模块215。充电控制器2通过一个控制面板集成各个器件，具体的，集中控制器201、绝缘检测模块203、系统配置端子212、拨码开关213、状态灯214集中布置在控制面板的中间区域，电采集模块215布置在绝缘检测模块203的两侧，BMS电源模块202、枪锁驱动器204和板载交流接触器205布置在控制面板的左右两侧，A端子206、B端子207布置在控制面板的上侧，Aa端子208、Bb端子209、C端子210、D端子211布置在控制面板的下侧。本发明充电控制器2将传统分离的器件单元集成在了一起，具备高度的集成度，并与本发明直流输出装置在结构空间上高度匹配，在节省空间的同时能够降低电气传输。

在本发明实施例中，充电控制器2集成了电能计量、BMS电源、BMS电源输入开关、充电枪动作驱动、控制模块和绝缘检测模块等传统二次器件所具备的功能，充电控制器2可以通过电气二次回路采集分流器、继电器、熔断器和母线等的电气参数，对直流输出装置进行控制。充电控制器2可以对直流输出装置内的开关器件5进行控制和检测，实现切换输出回路的功能。充电控制器2还可以通过信号采集和信号输出对充电枪与电动汽车连接的动作进行驱动控制，可以在利用直流输出装置配合充电过程中对充电信息(如电压、电流和电量)进行采集，可以给电动汽车BMS系统提供电源，可以在电动汽车和充电桩之间建立CAN通信，还可以实现对两个输出回路进行绝缘检测等涉及到充电过程各个阶段需求的功能。本发明直流输出装置的电气原理图如图5所示。

集中控制器201是充电控制器2的嵌入式核心模块，设置有嵌入式软件系统，集中控制器201与绝缘检测模块203、枪锁驱动器204、板载交流接触器205、系统配置端子212、拨码开关213、状态灯214连接，可以对各器件进行控制。在本发明实施例中，集中控制器201可以包括用于计量和数模转化的HT7017芯片，用于运算的瑞萨65N系芯片，用于存储的NorFlashMX25L6404芯片。

BMS电源模块202提供12V/24V直流输出，BMS电源模块202的输入开关采用板载交流接触器205的形式布置在充电控制器2上，BMS电源模块202的输入电压为220V交流电，输出电压为12V/24V直流电，BMS电源模块用于在直流输出装置连接电动汽车后给电动汽车的BMS系统供电。本发明可以通过集中控制器201控制BMS电源模块202，本发明有别于传统的在BMS电源后端设置直流接触器的形式，把对BMS供电的控制由直流调整为交流，可以节省开关电源，降低功耗，通过在BMS电源模块202前端设置板载交流接触器205，在同样的功率需求下因其输入电压高，对应电流小，同时交流电比直流电更易灭弧，更有利于实现融合设计。

在本发明实施例中，A端子206和B端子207放置在下壳体11的对外端子孔115中，Aa端子208、Bb端子209、C端子210、D端子211放置在下壳体11的对内端子孔112中。

A端子206的一端与BMS电源模块202、绝缘检测模块203、枪锁驱动器204连接，A端子206的另一端与第一输出回路3对应的充电枪连接，B端子207的一端也与BMS电源模块202、绝缘检测模块203、枪锁驱动器204连接，B端子207的另一端与第二输出回路4对应的充电枪连接，A端子206和B端子207主要用于采集充电枪的充电信息，实现充电枪/电动汽车与充电控制器2之间的通信。

A端子206和B端子207可以提供多路通信，具体包括BMS通信、CC1信号、BMS电源信号、充电枪温度信号、枪锁驱动信号和枪锁状态信号等。其中，BMS通信用于实现充电控制器2与电动汽车BMS系统之间的数据交互；CC1信号为充电枪的电气连接信号，CC1信号能够指示充电枪目前是否处于连接状态；BMS电源信号为充电控制器2中BMS电源模块202给BMS系统供电的信号；充电枪温度信号用于检测充电过程连接端子的温度；枪锁驱动信号为充电过程中枪锁驱动器204发送给充电枪，用于锁定充电枪和电动汽车直流充电接口的信号；枪锁状态信号用于监测充电枪的机械连接状态。

在本发明实施例中，集中控制器201通过Aa端子208与第一输出回路3中的分流器、直流接触器、熔断器和母线连接，集中控制器201通过Bb端子209与第二输出回路4中的分流器、直流接触器、熔断器和母线连接，进而采集第一输出回路3和第二输出回路4的信号，具体包括分流器电流采样、输出接触器前端电压采样、输出接触器后端电压采样、熔断器状态反馈、输出接触器的控制和状态信号等。

在本发明实施例中，集中控制器201通过C端子210与开关器件5连接，一方面用于将集中控制器201输出的开关控制信号发送到开关器件5，实现对开关器件5的控制，另一方面用于获取开关器件5的状态信号，判断开关器件5的开关状态。

在本发明实施例中，集中控制器201通过D端子211与电动汽车充电桩连接，用于实现充电桩CAN通信、充电桩状态板通信、供电电源、门禁及急停信号。充电桩CAN通信是指集中控制器201与充电桩主控单元之间的通信。充电桩状态板通信是集中控制器201与充电桩状态板之间的通信，集中控制器201通过Aa端子208、Bb端子209采集第一输出回路3和第二输出回路4的信号，根据采集到的信号判断输出回路的充电状态，将输出回路的充电状态转化为脉冲电源并发送到充电桩状态板，该脉冲电源采用脉冲电压波(PWM)的形式对充电桩状态板进行驱动，充电桩状态板可以根据脉冲电压波的不同占空比转化为不同等级电压，进而根据不同等级电压驱动充电桩状态板上的显示设备显示不同的充电状态，比如通过不同等级电压驱动指示灯呈现不同颜色，颜色与充电状态对应。传统的充电状态显示装置一般采用低压直流供电，一般功耗在3W以上，不同状态独立电回路来对应不同指示灯，而本发明采用脉冲电源的工作方式实现充电状态的显示，能够将电回路数量减少到1路，指示灯数量也可以减少为1个，功耗低于3W，电路得到简化，能耗也得到降低。

在本发明实施例中，绝缘检测模块203用于在充电枪与电动汽车连接后进行电路安全检测，枪锁驱动器204用于在充电过程中锁定充电枪，电采集模块215仅保留了电表的核心功能，用于采集直流输出装置输出的电能。集中控制器201可以通过系统配置端子212连接外部设备，接收外部设备、中控或存储介质导入的升级文件，对直流输出装置进行软件设置和升级。系统配置端子212可以采用USB连接、蓝牙连接或CAN连接等一种或多种形式并存。拨码开关213用于设置地址，通过拨码开关213设置不同地址可以实现不同硬件之间的CAN通讯。状态灯214用于显示该直流输出装置的状态，可以包括备用、工作和故障等多个状态。

本发明直流输出装置应用于双回路直流充电，可以满足双回路独立给电动汽车充电，也可以在某个输出回路无法满足充电功率需求，而另一个输出回路处于空置状态时，通过控制切换继电器把一个输出回路的功率切换给另一输出回路，以提升单个直流输出回路的充电功率。比如第一输出回路3处于充电进行阶段，第二输出回路4处于空置状态，充电控制器2检测到第一输出回路3的输出电压U1略小于第二输出回路4的输出电压U2(一般10V)，则充电控制器2可以控制开关器件5闭合，充电桩主控单元再控制第一输出回路3对应的电源模块输出电流，以满足充电桩或BMS对充电电流的需求。

本发明直流输出装置采用模块化设计，装置内各器件通过母线连接，配线简单，层次分明，实现了电气一次回路集成设计，电气二次回路集中走线，空间利用率高，便于检修维护。本发明直流输出装置通过充电控制器连接直流输出装置内各器件、充电桩和电动汽车，利用充电控制器对电气二次回路中的状态量和模拟量进行采集、转发等处理，能够减少不同部位之间的电气参量传输，降低了电气复杂性，提升充电桩直流输出的稳定性和连接可靠性。

本发明充电桩通过直流输出装置集成了功率输出、BMS供电、充电控制、检测、多方通信等功能，能够满足电动汽车多样的充电需求，直流输出装置对外与充电枪相连，充电枪与电动汽车相连，能够实现传输功率和信息的目的，对内与充电桩主控单元进行CAN通信，能够实时监控充电过程，还能够控制充电桩状态板显示充电桩的状态。

实施例2

本实施例介绍一种充电桩工作方法，该工作方法应用于实施例1中的充电桩。通过本发明方法实现直流充电过程，该直流充电过程依据GB/T18487.1-2015标准中所规定的充电时序要求，并根据GB/T27930-2015标准中所规定的充电桩与BMS系统之间的CAN通信协议。

如图7所示，本发明工作方法主要包括6个阶段：物理连接，BMS电源供电，充电握手，参数配置，充电进行和充电结束。物理连接阶段表示充电前将充电枪与电动汽车进行机械连接，使充电桩和电动汽车之间具备电气或信号传输条件的过程，在物理连接阶段，直流输出装置中的充电控制器可以通过A端子或B端子获取到CC1信号，即充电枪的电气连接信号；BMS电源供电阶段指通过直流输出装置中的BMS电源模块给电动汽车的BMS系统供电的过程。充电握手阶段指直流输出装置内的充电控制器通过握手报文与BMS系统进行握手辨识，握手成功后进行参数配置阶段。参数配置阶段指通过直流输出装置在充电桩与电动汽车之间开展CAN通信，进行充电前的数据信息交互的过程，一方面在参数配置阶段可以完成充电所需的各种参数的配置，另一方面直流输出装置中的绝缘检测模块进行电路电气绝缘检测和电压泄放。充电进行阶段指充电桩通过直流输出装置给电动汽车的电池持续充电的过程，在充电进行阶段，直流输出装置的集中控制器可以实时采集充电信息并发送给充电桩。充电结束阶段指直流输出装置接收到BMS系统的停止充电信号后，断开充电桩与电动汽车之间的电气连接和通信信号的过程。

如图8所示，本发明工作方法包括如下步骤：

步骤A、通过集中控制器采集充电枪的电气连接信号。如果能采集到电气连接信号，说明充电枪插入了待充电电动汽车的直流充电接口，有电动汽车需要充电；如果没有采集到电气连接信号，说明目前还没有电动汽车需要充电。

步骤B、当采集到电气连接信号后，通过集中控制器向枪锁驱动器发生控制信号，利用枪锁驱动器驱动充电枪与电动汽车闭锁，实现充电枪连接并确定充电枪物理连接完成。同时，集中控制器可以他你刚刚CAN通信告知充电桩主控单元目前的充电阶段，充电桩主控单元进行工作准备阶段。

步骤C、通过集中控制器闭合板载交流接触器，利用BMS电源模块为电动汽车中的BMS系统供电。

步骤D、通过集中控制器发送握手报文与BMS系统进行握手辨识。

在本发明实施例中，集中控制器每隔250ms向BMS系统发送一次充电握手报文CHM，CHM报文只包含了通信协议版本号；BMS系统收到CHM报文后，向集中控制器每隔250ms发送一次BMS握手报文BHM，通过CHM报文和BHM报文完成握手辨识。

步骤E、握手成功后进行参数配置和绝缘检测，BMS系统定期发送BCP(电池充电参数)报文给集中控制器，集中控制器定期发送CTS(充电机时间同步信息)和CML(充电机最大输出能力)报文给BMS，实现参数配置。参数配置完成后闭合输出回路中的直流接触器，充电桩进行绝缘检测，即检测DC线路的绝缘性能。BMS判断充电机参数合适后，闭合电动汽车内部的接触器K7、K8，电动汽车开始负责整个系统的绝缘检测。

步骤F、绝缘检测之后，根据国家标准GB/T27930-2015中的规定开始预充，当达到接近需求电压时闭合输出回路中的直流接触器，同时根据所述标准中对BCL的规定，通过集中控制器获取BMS系统的BCL充电请求，将充电请求中的充电电压和充电电流作为此次充电工作设定的电压、电流生成心跳报文，并通过CAN通信将心跳报文转发至充电桩主控单元，充电桩主控单元控制充电桩的交流接触器闭合，利用充电桩的电源模块根据设定的电压和电流进行充电。

在充电过程中，可以通过集中控制器控制开关器件切换输出回路。本发明直流输出装置应用于双回路直流充电，可以满足双回路独立给电动汽车充电，也可以控制切换继电器把一个回路功率切换给另一回路使用以提升单个直流输出的充电功率。

在本发明实施例中，利用充电控制器实时监控充电桩的状态。充电控制器可以采集来自电动汽车BMS系统、输出回路、充电桩主控单元的信号，利用集中控制器进行数据处理，进而判断充电桩的状态。在充电枪没有进入物理连接前，如果没有故障产生，可以判断充电桩为备用状态；当直流输出装置正常工作，充电枪进入物理连接后至充电结束前，如果没有故障产生，可以判断充电桩为工作状态；当直流输出装置检测到故障数据，判断充电桩为故障状态。当充电桩处于故障状态时，充电控制器还可以根据采集到的信号判断具体的故障类型、进行故障定位等。

在充电过程中，充电控制器能够产生脉冲电源，脉冲电源的脉冲电压波形根据充电控制器的工作状态确定，充电控制器通过CAN通信将脉冲电源发送到充电桩状态板，根据脉冲电源，利用PWM原理输出不同占空比的脉冲电压波波形以使所述充电桩状态板工作在不同电压等级下，根据不同等级的驱动电压驱动充电桩状态板显示当前状态。波形可以为矩形波、三角波或正弦波等标准波形。作为一种优选方案，采用标准的矩形脉冲电源，波形电压幅值为12V，如图9、10所示，充电桩状态板工作原理为：当PWM占空比为30％时，充电桩状态板获得的驱动电压为3.6V，对应备用状态，对应的指示灯为绿色；当PWM占空比为50％时，充电桩状态板获得的驱动电压为6V，对应充电状态，对应的指示灯为绿色；当PWM占空比为80％时，充电桩状态板获得的驱动电压为9.6V，对应充电桩为故障状态，对应的状态板指示灯为黄色。

在充电过程中，本发明方法可以通过集中控制器采集第一输出回路和第二输出回路的电压、电流信号，进而获取实时充电数据，并通过CAN通信将包含实时充电数据的状态报文周期性的发送到BMS系统，实时充电数据包括充电桩的输出电压、输出电流和输出电量，电动汽车BMS系统可以结合充电数据得到自身的充电进度等。

步骤G、在充电阶段通过集中控制器采集来自BMS系统的停止充电指令，当采集到停止充电指令后，进入充电结束阶段，集中控制器通过CAN通信将停止充电指令以报文的形式转发给充电桩主控单元，通过充电桩主控单元控制交流接触器断开，结束充电。

进入充电结束阶段后，直流输出装置通过充电控制器对充电数据进行统计，并通过统计报文发送至BMS系统，在本发明实施例中，统计报文包括累计充电时间、累计输出电压、累计输出电流和累计输出能量等。

在本发明实施例中，握手报文、心跳报文和状态报文等报文的报文格式可以采用自定义的形式。由于本发明的直流输出装置包括2个输出回路，直流输出装置的2个回路均可以连接充电枪，当充电枪与电动汽车建立连接后，充电控制器可以通过采集自身信号判断当前连接的是哪个输出回路，因此，为了在通信过程中区分不同输出回路，本发明定义通信报文协议格式包括输出回路ID和DATA，其中，DATA包括B1～B8八个字节。

由于握手报文是在正式充电前发出的，旨在对充电桩的能力与BMS系统通信，因此，握手报文不需要区分第一输出回路和第二输出回路，因此在握手报文中第一输出回路和第二输出回路的ID可以相同，比如均采用1；而心跳报文和状态报文需要区分第一输出回路和第二输出回路，因此在心跳报文和状态报文中第一输出回路和第二输出回路的ID不相同，比如可以用1作为第一输出回路的ID，用2作为第二输出回路的ID。

在握手报文中，字节B1为0x00，代表第一输出回路，字节B1为0x55，代表第二输出回路。

在心跳报文中，字节B1为输出回路状态，具体的，00代表初始状态，01代表开始绝缘，02代表绝缘结束，03代表泄放结束，04代表预充结束，进入充电阶段，05代表正处于充电阶段。字节B2为输出回路中直流接触器的状态，具体的，00代表断开，01代表闭合；在第一输出回路中接触器的编号为K1、K2，在第二输出回路中接触器的编号为K3、K4。节点B3-B4为设定电压，节点B5-B6为设定电流。

在状态报文中，节点B1-B2为充电桩/输出回路的输出电压，节点B3-B4为充电桩/输出回路的输出电流，字节B5-B6为直流输出模块计算出的输出电量。

在实时通信过程中，若收到对方的心跳报文超时，直流输出装置停止工作。如果直流输出装置、充电桩主控单元和BMS系统中任意一方发生故障时，直流输出装置也停止工作，并生成故障信息。

在本发明实施例中，可以将心跳报文中字节B7设置为故障项，字节B7通过00代表无故障，通过除00外的其他内容代表不同故障类型的故障代码。充电控制器内预先存储有多个故障代码以及故障代码所属故障等级的分类信息，故障等级可以包括一般故障和严重故障。

发生故障后充电控制器可以根据故障类型对应的故障代码更新心跳报文的故障项，根据分类信息判断故障代码所属的故障等级，并选择继续工作或停止工作。若判断故障代码所属的故障等级为严重故障时，充电控制器停止工作；若判断故障代码所属的故障等级为一般故障，充电控制器可以继续工作，等待故障持续时间，若超出预定时间，转化为严重故障。

表1展示了本发明中部分通讯报文协议，当充电枪与电动汽车完成物理连接并BMS得电后，充电控制器处于空闲状态，其对应输出回路的状态表示为enumCS_Free，通过点击充电桩屏幕或移动客户端的“启动充电”后，该输出回路的enumCS_Free变为enumCS_Init。充电控制器发送握手报文(即SHM握手帧)，第一输出回路SHM握手帧的ID为：0x18900000，DATA为：00 00 00 00 00 00 00 00，在SHM握手帧中，第一个字节0x00代表第一输出回路；第二输出回路握手帧的ID为：0x18900000，DATA为：55 00 00 00 00 00 00 00，CECU发送的SHM握手帧中，第一个字节0x55代表第二输出回路；相应的，第一输出回路、第二市场及回路从enumCS_Init变为enumCS_Hand状态；至此，直流输出装置分别通过CAN线与对应的BMS系统建立通信握手。握手启动后，通过充电控制器先后进行绝缘检测和电压泄放，这些过程中，直流输出装置与BMS系统相互周期性发送心跳报文(即HBM心跳帧)，以判断对方运行状态及连接状态。泄放结束后，充电控制器与BMS系统双方发送辨识报文，确定充电控制器与BMS系统之间通信涉及的电池相关属性信息，包括BMS版本号、电池类型、额定容量、额定总电压和生产日期等信息，开始进入参数配置阶段。

表1

当本发明方法进入绝缘检测阶段后，程序中第一输出回路或第二输出回路从enumCS_Hand变为enumCS_IMD状态。充电控制器的绝缘检测模块通过绝缘检测上报的电压值和电阻值来判断系统的绝缘水平。具体的，充电控制器根据GB/T27930-2015标准要求，判断系统绝缘水平，当某一输出回路的绝缘不符合要求，通过心跳报文(B7字节)立即上报故障信息，根据故障代码所属的故障等级选择告警机退出运行。例如，绝缘检测模块进行绝缘检测时，得到的检测数值＜100Ω/V，则判定为严重故障，充电控制器停止工作，并将故障信息通过心跳报文发送到充电桩主控单元，充电桩主控单元控制交流接触器KM断开，继而停止充电。

当接收到停止充电信号后，进入充电结束阶段，充电控制器通过对应输出回路中的直流电能表读取充电数据，将整个充电过程的充电数据统计后发送至BMS系统，集中控制器控制断开板载交流接触器，BMS系统失电，集中控制器控制枪锁驱动器打开电子锁，以便把充电枪从电动汽车上拔出，集中控制器将停止充电信号转发给充电桩主控单元，充电桩主控单元控制交流接触器KM断开，充电结束。在本发明实施例中，停止充电分为主动停止和被动停止，电动汽车的电池充满或者电池有故障，BMS系统都会发出停止充电的指令，触发主动停止充电，被动停止充电则是由用户操作实现，例如，点击充电桩的触摸显示屏上的停止充电按钮。

在本发明实施例中，无论是心跳报文、握手报文，或者本发明中涉及的其它主从充电终端通讯报文，报文的发送周期和等待时长均可根据需求自行设计，包括各发送周期的长短，各发送周期是否相同等。

在本发明工作方法的任意阶段，充电控制器都可以通过心跳报文实时了解通信对方是否存在故障以及故障类型，并判断所属的故障等级，从而选择相应的操作。正常状态下，充电控制器发送的心跳帧中的B7字节为00，出现故障时，最后收到的心跳报文B7字节显示为非0的故障代码，充电控制器根据故障代码判断故障等级，进而决定自身是否要停止工作还是继续充电。其中，一般故障和严重故障所包含的内容具体可参见表2所示，通常心跳报文直接体现故障等级，用户可以根据实际需求调整心跳报文故障项中的故障代码，简单情况下可以将B7字节设置三个分类，00代表无故障，01代表一般故障，02代表严重故障，复杂情况下可以如表2所示。

表2

在本发明实施例中，为减轻充电桩主控单元及通讯负载，心跳报文中也可不设置定义故障等级的字节，即B7字节始终为“0xff”。

本发明工作方法将电动汽车充电过程划分为多个阶段，对每个阶段进行精准控制，在充电过程中实现充电桩、直流输出装置和电动汽车BMS系统之间的信息交互，能够实时掌握充电状态，还能对充电中出现的故障进行检测，提高了电动汽车充电的可靠性。

综上所述，相对与现有技术，本发明具有如下优势：

1、本发明充电桩基于直流输出装置能够实现双回路直流输出，且可以通过开关器件切换充电功率，能够满足更多变的充电需求。

2、本发明充电桩输出端的直流输出装置利用母线排连接装置内的各个器件，负责直流输出、控制和功率切换的器件之间相对独立，接线方式简单，零件之间层次分明，整体结构简单，解决了现有技术中直流输出装置负责直流输出控制和功率切换的相关元器件难以形成相对独立的功能组件的问题，解决了现有技术中充电桩内部层次不分明的问题。

3、本发明在充电控制器上通过控制面板把传统分离的器件单元进行集成，集成了充电过程所需的BMS电源、控制、检测、计量、通信和诊断等功能，通过充电控制器连接直流输出装置内各器件、充电桩和电动汽车，实现了直流输出的电气一次回路集成设计，电气二次回路集中走线，各类二次器件融合设计，利用充电控制器对电气二次回路中的状态量和模拟量进行处理，能够减少不同部位之间的电气参量传输，降低了电气复杂性。通过本发明直流输出装置辅助充电桩充电，能够将充电桩内模块之间的控制电路数量降低至少50％，能够有效提升充电桩直流输出的稳定性和连接可靠性。充电控制器能够实现外部连接、状态显示、软件升级、CAN通讯等扩展功能，结构、电气和硬件融合，整体布局更加紧凑，充电控制器上采用插拔口，更有利于实现快速插拔，便于操作。

4、传统充电桩的控制电路和通信信号传输路径混合，存在采样数据与信号干扰的问题，往往需要硬件设置抗干扰功能以及软件配置异常采样数据处理功能，而本发明中充电控制器通过1路CAN通信与充电桩主控单元通信，另外2路CAN通信与充电枪相连，不同控制模块在连接路径上只有通信数据，涉及的硬件和软件复杂性得到降低。

5、相比传统把220V电源通过开关电源变成低压(12V/24V)后再提供给各控制模块，待机损耗一般超过30W，本发明充电控制器直接采用220V交流供电，并通过板载交流接触器控制降低了器件复杂性，节省了开关电源，也降低了充电桩二次器件待机能耗，使系统待机损耗可以降低至20W以下。

6、本发明将充电桩的状态转化为脉冲电源，采用PWM占空比获取多个驱动电压，通过多个驱动电压驱动充电桩状态板上的显示设备(如指示灯)呈现不同颜色，进而直观的显示充电状态。传统方式采用低压直流供电，不同状态对应着不同的指示灯，并采用独立的电回路供电，一般功耗在5W以上，而本发明脉冲电源的工作方式将指示灯数量减少为1个，功耗低于3W，电回路仅采用1路电，电路得到简化，能耗也得到降低。

7、本发明直流输出装置把一次回路和二次回路集成设计形成模块化产品，充电桩内接线明显降低，模块化设计便于生产，功能独立便于检测和运维。

8、本发明工作方法能够对整个充电过程进行监控，通过多方之间的通信掌握充电状态，了解充电进度，还能对充电故障进行及时处理，提高了电动汽车充电的可靠性和智能化水平。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种充电桩，其特征在于，包括依次连接的交流接触器、电源模块、直流输出装置和充电枪，其中，所述直流输出装置包括充电控制器、第一输出回路、第二输出回路和开关器件；

所述第一输出回路的一端通过第一直流输入母线与所述电源模块连接，所述第一输出回路的另一端通过第一直流输出母线与所述充电枪连接，所述第二输出回路的一端通过第二直流输入母线与所述电源模块连接，所述第二输出回路的另一端通过第二直流输出母线与所述充电枪连接，所述开关器件的两端分别与所述第一直流输入母线和所述第二直流输入母线连接，所述充电控制器分别与所述第一输出回路、所述第二输出回路和所述开关器件连接；

所述充电桩还包括充电桩主控单元和充电桩状态板，所述充电桩主控单元与所述电源模块连接，所述充电桩主控单元和充电桩状态板通过CAN线与所述充电控制器连接；

所述第一输出回路包括直流接触器K1、直流接触器K2、第一分流器、第二分流器、熔断器；所述第一直流输入母线的一端与所述电源模块连接，所述第一直流输入母线的另一端与所述熔断器的一端连接，所述熔断器的另一端与所述第一分流器的一端连接，所述第一分流器的另一端与所述直流接触器K1的一端连接，所述直流接触器K1的另一端与所述第一直流输出母线的一端连接，所述第一直流输入母线的另一端还与所述第二分流器的一端连接，所述第二分流器的另一端与所述直流接触器K2的一端连接，所述直流接触器K2的另一端与所述第一直流输出母线的一端连接，所述第一直流输出母线的另一端与所述充电枪的DC+和DC-连接；

第二输出回路与第一输出回路的结构相同；

所述充电控制器包括集中控制器、绝缘检测模块、系统配置端子、拨码开关、状态灯、电采集模块、BMS电源模块、板载交流接触器和枪锁驱动器、A端子、B端子、Aa端子、Bb端子、C端子和D端子；

所述集中控制器与所述绝缘检测模块、所述系统配置端子、所述拨码开关、所述状态灯、所述电采集模块、所述板载交流接触器和所述枪锁驱动器电连接，所述BMS电源模块的输入端与所述板载交流接触器连接；

A端子的一端与BMS电源模块、绝缘检测模块、枪锁驱动器连接，A端子的另一端与第一输出回路对应的充电枪连接，B端子的一端也与BMS电源模块、绝缘检测模块、枪锁驱动器连接，B端子的另一端与第二输出回路对应的充电枪连接；

集中控制器通过Aa端子与第一输出回路中的分流器、直流接触器、熔断器和母线连接，集中控制器通过Bb端子与第二输出回路（4）中的分流器、直流接触器、熔断器和母线连接，所述集中控制器通过所述C端子与所述开关器件电连接，所述集中控制器通过D端子与电动汽车充电桩连接，所述集中控制器通过所述系统配置端子与外部设备连接。

2.一种充电桩工作方法，其特征在于，所述方法包括如权利要求1所述的充电桩；

所述方法包括如下步骤：

根据采集到的电气连接信号，通过集中控制器控制BMS电源模块为电动汽车中的BMS系统供电；

通过集中控制器发送握手报文与BMS系统进行握手辨识；

握手成功后，在集中控制器与BMS系统之间通过参数配置报文配置系统参数；

通过集中控制器控制绝缘检测模型进行绝缘检测；

通过集中控制器获取BMS系统的充电请求，并将充电请求以心跳报文的形式转发至充电桩主控单元；

根据所述心跳报文，通过充电桩主控单元控制交流接触器闭合，并按照所述心跳报文中设定的电压、电流控制电源模块输出电能；

当接收到停止充电指令，通过集中控制器将停止充电指令以报文形式转发给充电桩主控单元，通过充电桩主控单元控制交流接触器断开，结束充电；同时，通过集中控制器对充电数据进行统计，并以统计报文的形式发送至BMS系统，控制板载交流接触器断开，断开BMS电源；

在充电桩工作过程中，利用充电控制器实时监控充电桩的状态，根据所述状态驱动充电桩状态板显示充电桩的状态。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在充电桩工作过程中，通过集中控制器采集第一输出回路和第二输出回路的电压、电流信号，生成实时充电数据，并通过CAN通信将包含实时充电数据的状态报文周期性的发送到BMS系统；其中，所述状态报文包括充电桩的输出电压、输出电流和输出电量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，握手报文、心跳报文和状态报文的报文协议格式包括输出回路ID和DATA，其中，DATA包括B1～B8八个字节；在握手报文中，字节B1代表第一输出回路或第二输出回路；在心跳报文中，字节B1为输出回路状态，字节B2为第一输出回路或第二输出回路中接触器的状态，节点B3-B4为设定电压，节点B5-B6为设定电流；在状态报文中，节点B1-B2为输出电压，节点B3-B4为输出电流，字节B5-B6为输出电量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在心跳报文中，字节B7为故障项，所述故障项的内容为故障代码；通过充电控制器根据预设的分类信息判断故障代码所属的故障等级，并根据故障等级选择继续工作或停止工作。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在充电桩工作过程中，根据所述状态驱动充电桩状态板显示充电桩的状态，包括：

根据所述状态生成脉冲电源并传输到充电桩状态板；根据脉冲电源的脉冲电压波的占空比，改变充电桩状态板的工作电压等级，进而驱动充电桩状态板的指示灯显示不同颜色。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当采集到电气连接信号时，通过集中控制器控制枪锁驱动器发生驱动信号，利用所述驱动信号驱动所述充电枪的电子锁闭锁，将所述充电枪与电动汽车直流充电接口连接。