CN117681719B - 充电模块和充电桩 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种充电模块和充电桩。充电模块包括输入滤波单元、功率因数校正单元、直流转换单元、输出滤波单元、采样单元、比较单元、判断告警单元以及控制单元。在充电模块运行的过程中，采样单元采集直流转换单元中不同的采集位置的电流信号和电压信号；比较单元将电流信号与标准参考电流进行比较，将电压信号与标准参考电压比较，并将比较结果信号传输给判断告警单元；判断告警单元基于比较结果信号判断采集位置的工作状态，生成判断信号；控制单元基于判断信号，对直流转换单元进行控制。避免在发生故障时由于不及时处理而导致故障扩大，引发充电模块损毁，最终导致直流充电桩无法正常工作，不仅造成经济损失，甚至可能造成人员伤亡的问题。

Description

充电模块和充电桩

技术领域

本申请涉及充电桩技术领域，特别是涉及一种充电模块和充电桩。

背景技术

充电模块的主要应用在新能源汽车直流充电桩领域，具体地，充电模块在直流充电桩中用于将交流电网中的交流电转换成可为动力电池充电的直流电，是直流充电桩实现为动力电池充电的核心部件。传统的充电模块主要包括输入滤波器、功率因数校正电路、直流转换电路和输出滤波器四个部分。在功率因数校正电路以及直流转换电路中的大功率半导体器件又是充电模块能正常工作的核心。为了能让整个直流充电桩工作稳定，对于大功率半导体器件的选择都会有一定的降额，有时还会采用串并联的方式满足大电压与大电流的工作状态要求。尽管如此，因为工作环境恶劣、控制方式不当、器件老化等各种原因，大功率半导体器件时常发生故障，引发充电模块损毁，从而导致直流充电桩无法正常工作，不但会造成经济损失，甚至可能造成人员伤亡。

发明内容

基于此，有必要针对传统充电桩的充电模块易发生故障的问题，提供一种充电模块和充电桩。

为了实现上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种充电模块，包括输入滤波单元、功率因数校正单元、直流转换单元、输出滤波单元、采样单元、比较单元、判断告警单元以及控制单元；

输入滤波单元、功率因数校正单元、直流转换单元和输出滤波单元依次连接；采样单元、比较单元、判断告警单元和控制单元依次连接；采样单元还连接直流转换单元；控制单元还连接直流转换单元；输入滤波单元用于连接交流电网；输出滤波单元用于连接动力电池；

其中，采样单元采集直流转换单元中不同的采集位置的电流信号和电压信号，并将电流信号和电压信号传输给比较单元；电流信号和电压信号携带有对应的采集位置的位置信息；

比较单元将电流信号与标准参考电流进行比较，将电压信号与标准参考电压比较，并将比较结果信号传输给判断告警单元；比较结果信号携带有对应的采集位置的位置信息；

判断告警单元基于比较结果信号判断采集位置对应的开关管的工作状态，生成判断信号，并将判断信号传输给控制单元；判断信号携带有对应的采集位置的位置信息；

控制单元基于判断信号，对直流转换单元进行控制。

在其中一个实施例中，比较单元比较直流转换单元中进入死区时间且待控制的开关管的寄生电容两侧的电压信号，获取寄生电容两侧的电压降，并将电压降传输给判断告警单元；

判断告警单元在判断电压降符合进入死区时间且待控制的开关管的寄生二极管的导通压降时，生成条件成就判断信号，并将条件成就判断信号传输至控制单元；

控制单元基于条件成就判断信号，生成控制信号以控制进入死区时间且待控制的开关管导通。

在其中一个实施例中，采样单元包括N个电压采集电路和M个电流采集电路；电压采集电路的采集端连接对应的采集位置，输出端连接比较单元；电流采集电路的采集端连接对应的采集位置，输出端连接比较单元。

在其中一个实施例中，电压采集电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C1以及第一放大器；

电阻R1的第一端连接对应的采集位置，第二端通过电阻R2、电阻R3和电阻R4连接到电阻R5的第一端；电阻R5的第二端连接第一放大器的正相端；电阻R5的第一端还通过电阻R8接地；

电阻R6的第一端分别连接第一放大器的反相端、电阻R7的第一端和电容C1的第一端，第二端接地；电阻R7的第二端和电容C1的第二端均连接第一放大器的输出端；第一放大器的输出端连接比较单元。

在其中一个实施例中，电流采集电路包括电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电容C2、电容C3、第二放大器以及线圈；

电阻R9的第一端分别连接电阻R11的第一端和线圈的第一端；电阻R10的第一端分别连接电阻R12的第一端和线圈的第二端；电阻R9的第二端和电阻R10的第二端连接并接地；线圈用于采集对应的采集位置的电流信号；

电阻R11的第二端分别连接电阻R13的第一端和电容C2的第一端；电阻R12的第二端分别连接电阻R14的第一端和电容C3的第一端；电阻R13的第二端分别连接电阻R15的第一端和第二放大器的反相端；电阻R14的第二端分别连接电阻R16的第一端和第二放大器的正相端；电容C2的第二端和电容C3的第二端连接并接地；

电阻R15的第二端连接第二放大器的输出端；电阻R16的第二端接地；第二放大器的输出端连接比较单元。

在其中一个实施例中，比较单元包括N+M个比较电路；比较电路包括电阻R17、电阻R18以及比较器；

比较器的正相端连接电压采集电路的输出端或电流采集电路的输出端，反相端分别连接电阻R17的第一端和电阻R18的第一端；电阻R17的第二端连接参考电压；电阻R18的第二端接地；

判断告警单元包括N+M个判断电路；判断电路包括异或门；异或门的第一输入端连接比较器的输出端，输出端连接控制单元。

在其中一个实施例中，直流转换单元包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电容C4、电容C5、电感L1、电感L2、变压器、二极管D1以及二极管D2；开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4均包括寄生电容和寄生二极管；

开关管Q1的第一端和开关管Q2的第一端连接作为第一输入接电点；开关管Q1的第二端分别连接开关管Q3的第一端和电容C4的第一端；开关管Q2的第二端分别连接开关管Q4的第一端和变压器的第一输入端；开关管Q3的第二端和开关管Q4的第二端连接作为第二输入接电点；开关管Q1的第三端、开关管Q2的第三端、开关管Q3的第三端和开关管Q4的第三端分别连接控制单元；

电容C4的第二端通过电感L1连接变压器的第二输入端；电感L2的第一端连接变压器的第一输入端，第二端连接变压器的第二输入端；变压器的第一输出端连接二极管D1的阳极端，第二输出端连接二极管D2的阳极端，第三输出端连接电容C5的第一端；二极管D1的阴极端分别连接二极管D2的阴极端和电容C5的第二端；电容C5的第一端还作为第一输出连接点，第二端还作为第二输出连接点。

在其中一个实施例中，电压信号的采集位置为开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4的第一端和第二端；电流信号的采集位置为开关管Q1和开关管Q3之间的线路，以及开关管Q2和开关管Q4之间的线路，以及开关管Q1与电容C4之间的线路。

在其中一个实施例中，控制单元包括无线传输单元，无线传输单元用于与外部设备通讯连接，将控制过程产生的信号发送给外部设备。

另一方面，本申请实施例还提供了一种充电桩，包括上述的充电模块。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

本申请各实施例提供的充电模块，包括输入滤波单元、功率因数校正单元、直流转换单元、输出滤波单元、采样单元、比较单元、判断告警单元以及控制单元。在充电模块运行的过程中，采样单元采集直流转换单元中不同的采集位置的电流信号和电压信号，并将电流信号和电压信号传输给比较单元；比较单元将电流信号与标准参考电流进行比较，将电压信号与标准参考电压比较，并将比较结果信号传输给判断告警单元；判断告警单元基于比较结果信号判断采集位置的工作状态，生成判断信号，并将判断信号传输给控制单元；控制单元基于判断信号，对直流转换单元进行控制。本申请充电模块采集直流转换单元在运行过程的电流信号和电压信号，然后根据采集的电流信号和电压信号判断直流转换单元是否出现故障以及出现故障时的故障位置，然后对该故障位置对应的开关管进行控制，从而做到实时对直流转换单元的工作状态进行监控，在出现故障时对故障快速进行定位，同时实现高效地控制，避免在发生故障时由于不及时处理而导致故障扩大，引发充电模块损毁，最终导致直流充电桩无法正常工作，不仅造成经济损失，甚至可能造成人员伤亡的问题。

附图说明

图1为本申请实施提供的充电模块的结构示意图。

图2为本申请实施提供的直流转换单元的电路图。

图3为本申请实施提供的电压采集电路的电路图。

图4为本申请实施提供的电流采集电路的电路图。

图5为本申请实施提供的比较电路和判断告警电路的电路图。

图6为本申请实施提供的直流转换单元的第一状态图。

图7为本申请实施提供的直流转换单元的第二状态图。

图8为本申请实施提供的直流转换单元的第三状态图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面地描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了解决传统充电模块中的大功率半导体器件时常发生故障，引发充电模块损毁，从而导致直流充电桩无法正常工作的问题，在一个实施例中，提供一种充电模块，如图1所示，包括输入滤波单元11、功率因数校正单元12、直流转换单元13、输出滤波单元14、采样单元15、比较单元16、判断告警单元17以及控制单元18。连接关系为：输入滤波单元11、功率因数校正单元12、直流转换单元13和输出滤波单元14依次连接；采样单元15、比较单元16、判断告警单元17和控制单元18依次连接；采样单元15还连接直流转换单元13；控制单元18还连接直流转换单元13；输入滤波单元11用于连接交流电网；输出滤波单元14用于连接动力电池。

输入滤波单元11连接在交流电网与功率因数校正单元12之间，用于抑制交流电网的传导干扰和辐射干扰。可以理解的是，输入滤波单元11在现有技术中存在多种实现方案，可根据充电桩的需求而选择，或者是进行适配性改变以满足充电桩的需求，例如，可以选择但不限定以下滤波器：贝塞尔滤波器、巴特沃斯滤波器和切贝雪夫滤波器。

功率因数校正单元12用于校正功率因数，减小系统中的无功功率损耗，提高有功功率的输出，从而提高电能的利用效率。可以理解的是，功率因数校正单元12在现有技术中存在多种实现方案，可根据充电桩的需求而选择，或者是进行适配性改变以满足充电桩的需求。

直流转换单元13用于电能转换，在一个示例中，提供一种可行的方式，如图2所示，直流转换单元13包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电容C4、电容C5、电感L1、电感L2、变压器、二极管D1以及二极管D2；开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4均包括寄生电容和寄生二极管；

开关管Q1的第一端和开关管Q2的第一端连接作为第一输入接电点；开关管Q1的第二端分别连接开关管Q3的第一端和电容C4的第一端；开关管Q2的第二端分别连接开关管Q4的第一端和变压器的第一输入端；开关管Q3的第二端和开关管Q4的第二端连接作为第二输入接电点；开关管Q1的第三端、开关管Q2的第三端、开关管Q3的第三端和开关管Q4的第三端分别连接控制单元18；

电容C4的第二端通过电感L1连接变压器的第二输入端；电感L2的第一端连接变压器的第一输入端，第二端连接变压器的第二输入端；变压器的第一输出端连接二极管D1的阳极端，第二输出端连接二极管D2的阳极端，第三输出端连接电容C5的第一端；二极管D1的阴极端分别连接二极管D2的阴极端和电容C5的第二端；电容C5的第一端还作为第一输出连接点，第二端还作为第二输出连接点。

输出滤波单元14用于消除输出的干扰信号。输出滤波单元14在现有技术中存在多种实现方案，可根据充电桩的需求而选择，或者是进行适配性改变以满足充电桩的需求，例如，可以选择但不限定以下滤波器：贝塞尔滤波器、巴特沃斯滤波器和切贝雪夫滤波器。

采样单元15用于采集充电模块运行过程中的电压信号和电流信号，具体地，采样单元15采集直流转换单元13中不同的采集位置的电流信号和电压信号，并将电流信号和电压信号传输给比较单元16；电流信号和电压信号携带有对应的采集位置的位置信息。以图2所示的直流转换单元13为例，电压信号的采集位置为开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4的第一端和第二端（第一端为发射极或集电极，第二端为发射极或集电极，第一端与第二端为开关管上的不同电极），电流信号的采集位置为开关管Q1和开关管Q3之间的线路，以及开关管Q2和开关管Q4之间的线路，以及开关管Q1与电容C4之间的线路，换言之，采集开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4的发射极和集电极的电压，采集流过开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4的电流信号，和流经电容C4和电感L1的电流信号。

需要说明的是，位置信息用于对故障进行定位，位置信息可以指向采集位置的一个开关管，但出现故障或者需要对某个具体的开关管进行控制时，控制单元18可以根据位置信息定位到对应的开关管，并对该开关管进行控制。在一个示例中，可以对采样模块的各个采集端进行编号，并建立编号与采集位置之间的映射关系，在该示例中，电流信号和电压信号携带有对应的采集位置的位置信息为编号。编号可以是数字编号、字母编号、符号编号或者三者任意组合的编号。

为了实现采集多个采集位置的电流信号和电压信号。采样单元15包括N个电压采集电路和M个电流采集电路；电压采集电路的采集端连接对应的采集位置，输出端连接比较单元16；电流采集电路的采集端连接对应的采集位置，输出端连接比较单元16。需要说明的是，此处的连接可以是未接触性连接，例如利用电磁感应来采集电流信号，此时连接为未接触性连接。

电压采集电路的实现方式多种多样，在一个示例中提供一种可行的方式，如图3所示，电压采集电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C1以及第一放大器U1；

电阻R1的第一端连接对应的采集位置，第二端通过电阻R2、电阻R3和电阻R4连接到电阻R5的第一端；电阻R5的第二端连接第一放大器U1的正相端；电阻R5的第一端还通过电阻R8接地；

电阻R6的第一端分别连接第一放大器U1的反相端、电阻R7的第一端和电容C1的第一端，第二端接地；电阻R7的第二端和电容C1的第二端均连接第一放大器U1的输出端；第一放大器U1的输出端连接比较单元16。

电流采集电路的实现方式多种多样，在一个示例中提供一种可行的方式，如图4所示，电流采集电路包括电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电容C2、电容C3、第二放大器U2以及线圈；

电阻R9的第一端分别连接电阻R11的第一端和线圈的第一端；电阻R10的第一端分别连接电阻R12的第一端和线圈的第二端；电阻R9的第二端和电阻R10的第二端连接并接地；线圈用于采集对应的采集位置的电流信号；

电阻R11的第二端分别连接电阻R13的第一端和电容C2的第一端；电阻R12的第二端分别连接电阻R14的第一端和电容C3的第一端；电阻R13的第二端分别连接电阻R15的第一端和第二放大器U2的反相端；电阻R14的第二端分别连接电阻R16的第一端和第二放大器U2的正相端；电容C2的第二端和电容C3的第二端连接并接地；电阻R15的第二端连接第二放大器U2的输出端；电阻R16的第二端接地；第二放大器U2的输出端连接比较单元16。

比较单元16用于比较两个信号，获取大于、小于和等于三种结果，并相应地输出不同的电平，例如，大于输出高电平，小于输出低电平，等于输出零电平。具体地，比较单元16将电流信号与标准参考电流进行比较，将电压信号与标准参考电压比较，并将比较结果信号传输给判断告警单元17。需要说明的是，标准参考电流和标准参考电压根据充电模块的具体设计而设定，标准参考电流在比较单元16中可以采用一电压值来表示。在一个示例中，电流信号大于标准参考电流，比较结果信号为高电平，电流信号小于标准参考电流，比较结果信号为低电平，电流信号等于标准参考电流，比较结果信号为零电平。在一个示例中，电压信号大于标准参考电压，比较结果信号为高电平，电压信号小于标准参考电压，比较结果信号为低电平，电压信号等于标准参考电压，比较结果信号为零电平。同样，比较结果信号携带有对应的采集位置的位置信息，该位置信息与前述电流信号和电压信号携带的位置信息相同。

比较单元16的实现方式多种多样，在一个示例中提供一种可行的方式，如图5所示，比较单元16包括N+M个比较电路；比较电路包括电阻R17、电阻R18以及比较器COMP；比较器COMP的正相端连接电压采集电路的输出端或电流采集电路的输出端，反相端分别连接电阻R17的第一端和电阻R18的第一端；电阻R17的第二端连接参考电压；电阻R18的第二端接地。N+M个比较电路，实现比较电路与电压采集电路和电流采集电路一一对应连接。

判断告警单元17基于比较结果信号判断采集位置对应的开关管的工作状态，生成判断信号，并将判断信号传输给控制单元18。具体地，判断告警单元17将比较结果信号与开关管的控制信号（该控制信号为控制单元18产生的用于控制开关管正常导通关断，以实现充电模块的功能）进行处理，以判断开关管是否正常工作，出现异常，则通过判断信号向控制单元18报警。在一个示例中，如图5所示，判断告警单元17包括N+M个判断电路；判断电路包括异或门M1；异或门M1的第一输入端连接比较器的输出端，输出端连接控制单元18。该示例中，利用异或门M1将比较结果信号与开关管的控制信号进行异或运算，并根据运算结果判断出开关管实际的工作状态与理想的预设状态是否一致，一致则认为工作正常，不一致则认为异常并驱动告警电路告警。可以理解地是，判断告警单元17包括告警电路。同样，判断信号携带有对应的采集位置的位置信息，该位置信息与前述电流信号和电压信号携带的位置信息相同。

控制单元18用于对直流转换单元13中的开关管进行控制，控制开关管按实现充电模块功能的方式运行。控制单元18基于判断信号，对直流转换单元13进行控制。例如，若判断信号表明某一个采集位置的电流信号或电压信号出现异常，控制单元18检测该采集位置对应的开关管在该时刻是不是本应断开而实际是闭合，若是，则控制该开关管断开，或者在该时刻是不是本应闭合而实际是断开，若是，则控制该开关管闭合，如果不能控制开关管动作，则控制充电模块停止运行，以保护充电模块免遭进一步的损害。在一个示例中，控制单元18具有告警电路，例如声音告警电路、光告警电路，或者告警电路为无线传输模块，直接向外部设备（例如，相关工作人员的移动设备）发送告警信息。

以图2所示的直流转换单元13为例进行说明：

直流转换单元13的输入端接前级的功率因数校正单元12的输出端，电能经过四个开关管到谐振电路（谐振电路由电容C4和电感L1构成）以及变压器，变压器副边接入整流二极管到输出侧的大电容两端。在工作过程中，开关管Q1和开关管Q3管不能同时导通，开关管Q2与开关管Q4管不能同时导通。正常工作时，开关管可以有这几种状态：四个开关管都不导通，电路未开始工作或者电路中只存在谐振电流；开关管Q1与开关管Q4导通，谐振电路及变压器承受正向的母线电压；开关管Q2与开关管Q3导通，类似开关管Q1与开关管Q4导通，谐振电路及变压器承受反向的母线电压；开关管Q1与开关管Q2导通，谐振电路为0电压；开关管Q3与开关管Q4导通，类似开关管Q1与开关管Q2导通，谐振电路为0电压。

正常工作时，开关管Q1和开关管Q3不能同时导通，开关管Q2与开关管Q4不能同时导通。若是监测到开关管Q1控制信号有效，使得开关管Q1导通时，检测到开关管Q3有超过标准参考电流的电流流过（即图2中的I3大于标准参考电流，换言之，I3的采集位置可以定位到开关管Q3），可以判断开关管Q3发生故障，要做出告警。同样，在开关管Q2导通时，检测到开关管Q4有超过标准参考电流的电流流过（即图2中的I4大于标准参考电流，换言之，I4的采集位置可以定位到开关管Q4），则判断开关管Q4发生故障。反之，在开关管Q3导通时，检测到开关管Q1有超过标准参考电流的电流流过（即图2中的I1大于标准参考电流，换言之，I1的采集位置可以定位到开关管Q1），则判断开关管Q1发生故障。在开关管Q4导通时，检测到开关管Q2有超过标准参考电流的电流流过（即图2中的I2大于标准参考电流，换言之，I2的采集位置可以定位到开关管Q2），则判断开关管Q2发生故障。监测到上述几种状态时，控制单元18可以尝试断开出现故障的开关管，或者直流转换单元13停止工作并发出告警。

开关管Q1与开关管Q4导通，电流流过这两个开关管，两端产生的压降应在一定合理的范围值内，且电流主要流经两个开关管，开关管Q2与开关管Q3监测不到电流且承受母线电压。若这一时刻采集的开关管Q2与开关管Q3的电压信号（即图2中的V3、V4、V5、V6）与标准参考电压有较大出入，电流信号（即图2中的I2、I3）与标准参考电流有较大出入，根据异常数据的采集位置判断故障位置，控制单元18进行相应的控制，例如，断开开关管、闭合开关管或者控制直流转换单元13停止工作。

开关管Q2与开关管Q3导通，该状态类似于开关管Q1与开关管Q4导通的状态，分析判断的方法一致，此处不再赘述。

开关管Q1与开关管Q2导通，开关管Q3与开关管Q4没有电流流过，若检测到某处存在较大的电流（即图2中I1、I2、I3、I4和Ip大于标准参考电压），则根据异常数据的采集位置判断故障位置，控制单元18进行相应的控制，例如，断开开关管、闭合开关管或者控制直流转换单元13停止工作。

开关管Q3与开关管Q4导通，类似开关管Q1与开关管Q2导通的状态，分析判断的方法一致，此处不再赘述。

直流转换单元13按照上述几种状态循环工作，采样单元15周期性地采集电压信号和电流信号，判断告警单元17来判断开关管的工作状态与故障情况，实现充电模块的状态监测。

另外，本申请提供一种精确把控死区时间，高效控制开关管的控制方式，具体如下：

比较单元16比较直流转换单元13中进入死区时间且待控制的开关管的第一端和第二端（第一端为发射极或集电极，第二端为发射极或集电极，第一端与第二端为开关管上的不同电极）的电压信号，获取开关管第一端与第二端之间的电压降，并将电压降传输给判断告警单元17。

判断告警单元17在判断电压降符合进入死区时间且待控制的开关管的寄生二极管的导通压降时，生成条件成就判断信号，并将条件成就判断信号传输至控制单元18；需要说明的是，电压降的方向与大小满足寄生二极管的导通要求，电压降的方向和大小满足寄生二极管的导通压降的方向和大小，则二极管的导通条件成就。

控制单元18基于条件成就判断信号，生成控制信号以控制进入死区时间且待控制的开关管导通。

以图2所示的直流转换单元13为例进行说明：

如图6所示，在第一状态时，开关管Q1与开关管Q4的导通信号产生，驱使开关管Q1与开关管Q4同时导通时，电流流经开关管Q1、电容C4、电感L1、变压器T与开关管Q4，记流过电容C4与电感L1的电流为Ip，流过电感L2的电流为Im。此时电容C4与电感L1进行二元谐振，由于变压器T的副边整流二极管D1和二极管D2导通，输出侧并联了电容C5，变压器T的副边电压等于电容C5两端电压加上整流二极管D1和二极管D2的导通压降，使得变压器T的原边励磁电感L2两端电压值被钳位，不参与谐振。电流Ip初始呈现正弦变化，电流Im线性上升。当Ip=Im时，结束第一状态。

如图7所示，在第二状态时，Ip=Im，根据基尔霍夫电流定律可知流过变压器T的电流为0，变压器T的副边全波整流电路不工作，由电容C5给负载供电进行工作。此时采集单元能采集监测到谐振回路里一段电流变化较为平缓的数值，证明电流此时的工作在此时的三元谐振状态。当开关管Q1与开关管Q4关断时，结束第二状态。

如图8所示，在第三状态时，开关管Q1与开关管Q4管关断，开关管Q2与开关管Q3也还未导通。由于谐振回路存在电容C5，谐振电流方向不变。此时谐振电流会通过开关管Q2与开关管Q4连接的节点，分别流入开关管Q2的寄生电容与开关管Q4的寄生电容。表现为给开关管Q4的寄生电容充电，开关管Q2的寄生电容放电。开关管Q4导通时，其压降很低，开关管Q4的寄生电容两端电压较低，关断时开关管Q4承受母线电压，此时谐振电流将给开关管Q4的寄生电容充电，从较低的导通压降充电至母线电压；而对于开关管Q2来说，其寄生电容承受母线电压，谐振电流则给开关管Q2的寄生电容放电。

下一个状态将导通开关管Q2，此时涉及一个关键的问题，需要在死区时间将其开关管Q2的寄生电容两端电压放电至0。一般来说，设计的死区时间必须比放电时间更长，如此才能保证在开关管Q2导通时，开关管Q2的寄生电容两端电压放电完毕，实现零电压开通。在传统的控制方法中，死区时间一般通过寄生电容的放电时间来决定，死区时间t的一般近似计算为t=2CVin/Ip（其中，t为死区时间，C为开关管的寄生电容，Vin为母线电压，Ip为第三状态开始时的谐振电流）。然而近似计算虽然能反映其放电时间，设计死区时间，但在实际应用过程中，由于数学模型的近似处理、实际器件存在的参数误差以及充电模块硬件设计中产生的其他寄生电容与寄生电感等因素的存在，这种方法很难实现较为精准的零电压开通，而留出一定的裕量又会造成效率的损失。为更加高效的控制开关管，本申请提供方法是利用采集的电压信号和电流信号协同控制算法一起来把握死区时间。具体地，采集开关管Q2与开关管Q4管两端的电压信号（即发射极和集电极的电压信号），在谐振电流开始给开关管Q2的寄生电容放电，开关管Q4的寄生电容充电时，开关管Q2的寄生二极管处于反向偏置状态，无法导通，也没有导通压降。在寄生电容充放电过程持续进行中，开关管Q2的寄生电容电压逐渐降低，开关管Q4的寄生电容电压逐渐增大，在能量释放较为完全时，开关管Q2的寄生二极管则会满足正向偏置的导通条件，剩余的谐振电流则会流过开关管Q2的寄生二极管，产生一个几百毫伏左右的压降。此时说明开关管Q2的寄生电容放电较为充分，若监测到有寄生二极管的导通压降时（即开关管Q2的集电极与发射极之间的电压降满足导通压降），说明开关管Q2的集电极与发射极间的电压释放到一个很低的水平，此时控制单元18产生控制信号，使开关管Q2导通，实现零电压开通。

如此通过状态监测的电压信号和电流信号来协同控制开关管的零电压开通，实现直流转换单元13的高效工作，提升整机效率。

为了方便工作人员实时监控充电模块的运行状况，控制单元18包括无线传输单元，无线传输单元用于与外部设备通讯连接，将控制过程产生的信号发送给外部设备。外部设备可以是移动终端、服务器等等。

本申请充电模块，包括输入滤波单元11、功率因数校正单元12、直流转换单元13、输出滤波单元14、采样单元15、比较单元16、判断告警单元17以及控制单元18。在充电模块运行的过程中，采样单元15采集直流转换单元13中不同的采集位置的电流信号和电压信号，并将电流信号和电压信号传输给比较单元16；比较单元16将电流信号与标准参考电流进行比较，将电压信号与标准参考电压比较，并将比较结果信号传输给判断告警单元17；判断告警单元17基于比较结果信号判断采集位置的工作状态，生成判断信号，并将判断信号传输给控制单元18；控制单元18基于判断信号，对直流转换单元13进行控制。本申请充电模块采集直流转换单元13在运行过程的电流信号和电压信号，然后根据采集的电流信号和电压信号判断直流转换单元13是否出现故障以及出现故障时的故障位置，然后对该故障位置对应的开关管进行控制，从而做到实时对直流转换单元13的工作状态进行监控，在出现故障时对故障快速进行定位，同时实现高效地控制，避免在发生故障时由于不及时处理而导致故障扩大，引发充电模块损毁，最终导致直流充电桩无法正常工作，不仅造成经济损失，甚至可能造成人员伤亡的问题。

此外，本发明除监测故障外，也能对直流转换单元13的控制实现进行优化，提升系统的可靠性，提高效率。在开关管导通与关断时，其器件通断时刻所处的状态会影响开关管的工作效率，在不合适的时机控制开关管的通断会产生较大的损耗，影响电源模块的效率，同时也会对器件造成较大的压力，减少其使用寿命。因此，状态监测除了故障告警，还能用于提升电源效率，减小开关损耗。

在一个实施例中，本申请实施例还提供了一种充电桩，包括充电模块。本实施例中充电模块与本申请充电模块的各实施例中的充电模块相同，详情请参照本申请充电模块的描述，此处不再赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种充电模块，其特征在于，包括输入滤波单元、功率因数校正单元、直流转换单元、输出滤波单元、采样单元、比较单元、判断告警单元以及控制单元；所述直流转换单元包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电容C4、电容C5、电感L1、电感L2、变压器、二极管D1以及二极管D2；所述开关管Q1、所述开关管Q2、所述开关管Q3和所述开关管Q4均包括寄生电容和寄生二极管；

所述输入滤波单元、所述功率因数校正单元、所述直流转换单元和所述输出滤波单元依次连接；所述采样单元、所述比较单元、所述判断告警单元和所述控制单元依次连接；所述采样单元还连接所述直流转换单元；所述控制单元还连接所述直流转换单元；所述输入滤波单元用于连接交流电网；所述输出滤波单元用于连接动力电池；

其中，所述采样单元采集所述直流转换单元中不同的采集位置的电流信号和电压信号，并将所述电流信号和所述电压信号传输给所述比较单元；所述电流信号和所述电压信号携带有对应的所述采集位置的位置信息；所述电压信号的采集位置为所述开关管Q1、所述开关管Q2、所述开关管Q3、所述开关管Q4的第一端和第二端；所述电流信号的采集位置为所述开关管Q1和所述开关管Q3之间的线路，以及所述开关管Q2和所述开关管Q4之间的线路，以及所述开关管Q1与所述电容C4之间的线路；

所述比较单元将所述电流信号与标准参考电流进行比较，将所述电压信号与标准参考电压比较，并将比较结果信号传输给所述判断告警单元；所述比较结果信号携带有对应的所述采集位置的位置信息；

所述判断告警单元基于所述比较结果信号判断所述采集位置对应的开关管的工作状态，生成判断信号，并将所述判断信号传输给所述控制单元；所述判断信号携带有对应的所述采集位置的位置信息；

所述控制单元基于所述判断信号，对所述直流转换单元进行控制；和

所述比较单元还比较所述直流转换单元中进入死区时间且待控制的开关管的寄生电容两侧的电压信号，获取所述寄生电容两侧的电压降，并将所述电压降传输给所述判断告警单元；

所述判断告警单元在判断所述电压降符合所述进入死区时间且待控制的开关管的寄生二极管的导通压降时，生成条件成就判断信号，并将所述条件成就判断信号传输至所述控制单元；

所述控制单元基于所述条件成就判断信号，生成控制信号以控制所述进入死区时间且待控制的开关管导通。

2.根据权利要求1所述的充电模块，其特征在于，所述采样单元包括N个电压采集电路和M个电流采集电路；所述电压采集电路的采集端连接对应的所述采集位置，输出端连接所述比较单元；所述电流采集电路的采集端连接对应的所述采集位置，输出端连接所述比较单元。

3.根据权利要求2所述的充电模块，其特征在于，所述电压采集电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C1以及第一放大器；

所述电阻R1的第一端连接对应的所述采集位置，第二端通过所述电阻R2、所述电阻R3和所述电阻R4连接到所述电阻R5的第一端；所述电阻R5的第二端连接所述第一放大器的正相端；所述电阻R5的第一端还通过所述电阻R8接地；

所述电阻R6的第一端分别连接所述第一放大器的反相端、所述电阻R7的第一端和所述电容C1的第一端，第二端接地；所述电阻R7的第二端和所述电容C1的第二端均连接所述第一放大器的输出端；所述第一放大器的输出端连接所述比较单元。

4.根据权利要求2所述的充电模块，其特征在于，所述电流采集电路包括电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电容C2、电容C3、第二放大器以及线圈；

所述电阻R9的第一端分别连接所述电阻R11的第一端和所述线圈的第一端；所述电阻R10的第一端分别连接所述电阻R12的第一端和所述线圈的第二端；所述电阻R9的第二端和所述电阻R10的第二端连接并接地；所述线圈用于采集对应的所述采集位置的所述电流信号；

所述电阻R11的第二端分别连接所述电阻R13的第一端和所述电容C2的第一端；所述电阻R12的第二端分别连接所述电阻R14的第一端和所述电容C3的第一端；所述电阻R13的第二端分别连接所述电阻R15的第一端和所述第二放大器的反相端；所述电阻R14的第二端分别连接所述电阻R16的第一端和所述第二放大器的正相端；所述电容C2的第二端和所述电容C3的第二端连接并接地；

所述电阻R15的第二端连接所述第二放大器的输出端；所述电阻R16的第二端接地；所述第二放大器的输出端连接所述比较单元。

5.根据权利要求2所述的充电模块，其特征在于，所述比较单元包括N+M个比较电路；所述比较电路包括电阻R17、电阻R18以及比较器；

所述比较器的正相端连接所述电压采集电路的输出端或所述电流采集电路的输出端，反相端分别连接所述电阻R17的第一端和所述电阻R18的第一端；所述电阻R17的第二端连接参考电压；所述电阻R18的第二端接地；

所述判断告警单元包括N+M个判断电路；所述判断电路包括异或门；所述异或门的第一输入端连接所述比较器的输出端，输出端连接所述控制单元。

6.根据权利要求1所述的充电模块，其特征在于，

所述开关管Q1的第一端和所述开关管Q2的第一端连接作为第一输入接电点；所述开关管Q1的第二端分别连接所述开关管Q3的第一端和所述电容C4的第一端；所述开关管Q2的第二端分别连接所述开关管Q4的第一端和所述变压器的第一输入端；所述开关管Q3的第二端和所述开关管Q4的第二端连接作为第二输入接电点；所述开关管Q1的第三端、所述开关管Q2的第三端、所述开关管Q3的第三端和所述开关管Q4的第三端分别连接所述控制单元；

所述电容C4的第二端通过所述电感L1连接所述变压器的第二输入端；所述电感L2的第一端连接所述变压器的第一输入端，第二端连接所述变压器的第二输入端；所述变压器的第一输出端连接所述二极管D1的阳极端，第二输出端连接所述二极管D2的阳极端，第三输出端连接所述电容C5的第一端；所述二极管D1的阴极端分别连接所述二极管D2的阴极端和所述电容C5的第二端；所述电容C5的第一端还作为第一输出连接点，第二端还作为第二输出连接点。

7.根据权利要求1所述的充电模块，其特征在于，所述控制单元包括无线传输单元，所述无线传输单元用于与外部设备通讯连接，将控制过程产生的信号发送给所述外部设备。

8.一种充电桩，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的充电模块。