CN205453181U - 一种直流充电桩 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种直流充电桩，包括可编程恒流源输出矩阵，所述的可编程恒流源输出矩阵包括多个直流恒流源，各直流恒流源构成星形连接；多个直流恒流源构成多路恒流源支路；多路恒流源支路的输入电流通过各支路上的接触器进行逻辑选择，构成多路输出；所述各接触器按输入分组实现逻辑互锁，所述的逻辑互锁关系为：每个直流恒流源最多只能与一个输出端连接，但一个输出端可同时连接多个直流恒流源；每条恒流源支路上均设置有输入LC滤波器和输出LC滤波器；每条恒流源支路上均串接隔离二极管。本实用新型可显著提升充电桩的输出电流，加快充电速度；同时，本实用新型可完全覆盖现有全部电池的电压范围，具备极高的电池兼容性。

Description

一种直流充电桩

技术领域

本实用新型涉及充电技术领域，具体涉及一种直流充电桩，应用于新能源汽车的充电设备或其他直流负载供电装置。

背景技术

直流充电桩作为新能源汽车的快速充电设备，目前常见的电路是采用开关电源作为DC/AC（直流/交流）变换单元的形式。这种直流充电桩可等效为直流恒压源输出，通过电压（或电流）负反馈控制电路微调开关电源的工作状态，达到稳定输出电压（或电流）的目的；

直流充电桩的负载为车载动力电池（以下简称电池）。不同型号的电动汽车，其电池的额定电压、终止电压、截止电压、最大允许充电电流等参数会有较大差异。另外，现有直流充电桩通常具有相对固定的输出电压（或电流），仅能对符合输出电压（或电流）的特定规格电池进行充电，因而导致直流充电桩具有专机专用特征，无法兼容其它规格型号的电池，兼容性较差，降低了直流充电桩的服务范围和经济指标。

为弥补直流充电桩兼容性的不足，现有技术中通常可采用如下技术手段加以提升和改善：

1.通过采样电路连续监视输出电压（或电流），并与预置的基准电压（或电流）进行比较，将比较误差信号通过负反馈电路控制开关电源的工作状态。设置不同的预置基准，就可以实现输出电压（或电流）的变化，满足对不同规格电池电压（或电流）的技术要求。但这种方法仅能在较小的范围内作出调整，当电池电压超出调整范围时仍将不能正常工作，故依然难以难覆盖更多规格电池的充电要求；

2.采用具有多抽头的输出变压器，通过选择开关来选择不同抽头改变输出电压。由于直流充电桩输出功率较大，多抽头高频变压器的制作难度极高，成本会有大幅升高，可靠性、经济性指标大大降低；

3.采用高电压、大内阻的恒流源，可在较大输出电压范围内输出稳定的电流，理论上可覆盖现有电池的全部电压范围，兼容性较高。但大内阻会消耗大量电能，使得充电桩的充电效率急剧降低，电能浪费严重，经济指标大幅降低；

4.安装多种不同规格的直流充电桩。该方法最为简单方便，但需要投资较多的不同型号的充电设备，致使单台设备的有效运转率大大降低，经济效益指标不高。

上述方法各有优缺点，兼容性、经济性指标间存在较多矛盾，如何采用技术手段兼顾这些矛盾，使兼容性和经济性能够同时获得提升，是目前直流充电桩技术领域的难点问题。

从电子电路理论上说，上述矛盾理想的解决方案是：充分利用理想恒流源充电电流与输出电压无关的特性，以实现对现有电池电压范围的全覆盖，同时还可利用电流的叠加理论，尽可能多地覆盖电池的充电电流范围。

发明内容

本实用新型涉及一种直流充电桩，采用多组接触器来选择不同的恒流源，同时在每条接触器支路上串接隔离二极管和LC滤波器，以使不同恒流源可以直接并联工作而互不干扰，提高了电路的可靠性和稳定性。

本发明的技术方案为：

一种直流充电桩，包括可编程恒流源输出矩阵，所述的可编程恒流源输出矩阵包括多个直流恒流源，各直流恒流源构成星形连接；多个直流恒流源构成多路恒流源支路；多路恒流源支路的输入电流通过各支路上的接触器进行逻辑选择，构成多路输出；所述各接触器按输入分组实现逻辑互锁，所述的逻辑互锁关系为：每个直流恒流源最多只能与一个输出端连接，但一个输出端可同时连接多个直流恒流源；

每条恒流源支路上均设置有输入LC滤波器和输出LC滤波器；每条恒流源支路上均串接隔离二极管。

所述恒流源支路为3条，可编程恒流源输出矩阵的基本电路包括：

3个外部恒流源：I_A、I_B、I_C；

3个恒流源的电流输入端口：A、B、C；

3个恒流源的公共端口：G；

3个恒流源支路输入端分别串接的3组输入LC滤波器，其中，

A相输入LC滤波器：电感器L_A1、电容器C_A1；

B相输入LC滤波器：电感器L_B1、电容器C_B1；

C相输入LC滤波器：电感器L_C1、电容器C_C1；

3个恒流源支路输出端分别串接的3组输出LC滤波器，其中，

A相输出LC滤波器：电感器L_A2、电容器C_A2；

B相输出LC滤波器：电感器L_B2、电容器C_B2；

C相输出LC滤波器：电感器L_C2、电容器C_C2；

3个恒流源分别串接的3组接触器组：

A相接触器组：K_A1、K_A2、K_A3；

B相接触器组：K_B1、K_B2、K_B3；

C相接触器组：K_C1、K_C2、K_C3；

所述A相接触器组、B相接触器组、C相接触器组各自逻辑互锁；

每个接触器主触点支路中串接1只隔离二极管：D_A1、D_A2、D_A3、D_B1、D_B2、D_B3、D_C1、D_C2、D_C3；

A相输出端口：J₁₁、J₁₂；

B相输出端口：J₂₁、J₂₂；

C相输出端口：J₃₁、J₃₂。

所述接触器主触点可用半导体开关器件MOSFET、半导体开关器件IGBT等替代。

本发明的有益效果：

1.传统充电桩属恒压源输出，因恒压源的电压、相位可能不一致，是严格禁止直接并联运行的，这使得以并联运行提高输出电流成为不可能。本实用新型采用恒流源输出，其输出端允许多个恒流源直接并联运行，可显著提升输出电流，加快充电速度；

2.传统充电桩属恒压源输出，输出电压仅能在较小范围内调整，只能对电压处于可调范围内的电池进行充电，过低或过高的电池都无法充电。本实用新型的恒流源输出，其输出电压由电池自身的端电压决定，而输出电流与输出电压无关，故可覆盖所有车载动力电池的电压范围。现阶段车载电池的电压范围大约在250V～550V之间，当采用10kV进线的恒流源时，其输出电压在0V～1000V范围内都具有良好的恒流输出特性，可完全覆盖现有全部电池的电压范围，具备极高的电池兼容性；

3.传统充电桩的额定输出电流由充电桩的额定功率决定，无法提供超过额定电流的电流进行充电。本实用新型允许多个充电桩直接并联输出，可使输出电流大大超过额定电流的限制。如额定电流32A的本技术构成的直流充电桩，可以2个恒流源并联输出64A，或三个恒流源并联输出96A等，这是传统充电桩所无法实现的。

附图说明

图1是本实用新型可编程恒流源输出矩阵的电路原理图；

图2是本实用新型6×3结构的拓展电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行进一步的说明，如图1所示的一种直流充电桩，包括可编程恒流源输出矩阵，其电路构成和工作原理如下：

直流恒流源I_A、I_B、I_C构成星形连接，其三个正极输出端分别接入本实用新型的三个输入端A、B、C，公共端接本实用新型的公共输入端G。该三个恒流源为任意的外部恒流源。

恒流源I_A、I_B、I_C经本实用新型构成的输出矩阵选择后，形成一至三路直流输出回路，再经三组输出端J₁₁、J₁₂、J₂₁、J₂₂、J₃₁、J₃₂连接至三个充电枪。

直流输出的回路数，取决于本实用新型的编程逻辑，其中：

一路输出时，其输出电流最大可为三个恒流源I_A、I_B、I_C的代数和，也可以是该恒流源中任意二个的代数和，或是其中任意一个，即一路输出时，其电流值可以是I_A+I_B+I_C、I_A+I_B、I_A+I_C、I_B+I_C、I_A、I_B、I_C中任意一种选择。特殊地，当I_A=I_B=I_C时，其输出电流I将组成1×、2×、3×三种不同倍率；

二路输出时，其中任意一路输出可为任意二个恒流源的代数和，也可是其中任意一个恒流源的值，即输出电流可为I_A+I_B、I_A+I_C、I_B+I_C、I_A、I_B、I_C中任意一种选择。特殊地，当I_A=I_B=I_C时，其输出电流I将组成1×、2×二种不同倍率。另一路可为前者未使用的剩余恒流源。

三路输出时，任意输出端口可分别选择三个恒流源中的任意一个，但任意二个输出端口不允许共用一个恒流源，即任意输出端口的输出电流可以是I_A、I_B、I_C中任意一个。

本实用新型内部包含三组输入LC滤波器，分别是A相电感器L_A1、电容器C_A1，B相电感器L_B1、电容器C_B1，C相电感器L_C1、电容器C_C1，用于滤除恒流源I_A、I_B、I_C中脉动成分。还包含三组输出LC滤波器，分别是输出端口J₁₁的电感器L_A2、电容器C_A2，输出端口J₂₁的电感器L_B2、电容器C_B2，输出端口J₃₁的电感器L_C2、电容器C_C2，用于进一步滤除输出电流中的脉动成分。接触器主触点K_A1、K_B1、K_C1用以输出端J₁₁选择恒流源I_A、I_B、I_C的任意一个；与此相同，主触点K_A2、K_B2、K_C2和K_A3、K_B3、K_C3则分别用以输出端J₂₁和J₃₁选择不同的其它恒流源。为保证恒流源不会同时连接任意二路或三路输出端，每相输入端对应的接触器分组互锁，其中A相的K_A1、K_A2、K_A3为一组，B相的K_B1、K_B2、K_B3为一组，C相的K_C1、K_C2、K_C3为一组。

本实用新型的每个接触器主触点支路中串入一只隔离二极管D_A1、D_A2、D_A3、D_B1、D_B2、D_B3、D_C1、D_C2、D_C3，其作用是隔离不同恒流源的电流串扰，并防止恒流源旁路工作时使输出端J₁₁、J₂₁、J₃₁发生短路。当恒流源被旁路而停止工作期间，隔离二极管在电池电压作用下处于反向偏置状态而截至，防止了恒流源旁路使输出端的短路。

本实用新型即可应用于三相交流电网，也可应用于单相交流电网，对恒流源的脉动成分及其相位没有严格要求，但各恒流源的开路电压均必须远高于电池的最高允许充电电压。在这样的高压下，交流电网的高压脉冲以及恒流源切换过程中产生的脉冲电流等，会对电池及回路中其它元器件产生冲击。矩阵中设置的二级LC滤波器可有效降低这种冲击的危害。

图2是由二个本实用新型的可编程恒流源输出矩阵模块构建的6×3（6输入恒流源×3输出）结构的拓展电路原理图。

本实用新型示意图1、图2中，全部恒流源I_A、I_B、I_C推荐采用“一种吸收式无功补偿充电机”的专利技术（专利号：ZL201320395665.8）构成的恒流源。推荐输入电压为10kV，可确保输出电压在0～550V范围内正常工作。程序控制可由现有的任意计算机系统（含单片机、PLC等）编程和运行。

本发明的内容包括但不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种直流充电桩，其特征在于：包括可编程恒流源输出矩阵，所述的可编程恒流源输出矩阵包括多个直流恒流源，各直流恒流源构成星形连接；多个直流恒流源构成多路恒流源支路；多路恒流源支路的输入电流通过各支路上的接触器进行逻辑选择，构成多路输出；所述各接触器按输入分组实现逻辑互锁，所述的逻辑互锁关系为：每个直流恒流源最多只能与一个输出端连接，但一个输出端可同时连接多个直流恒流源；

每条恒流源支路上均设置有输入LC滤波器和输出LC滤波器；每条恒流源支路上均串接隔离二极管。

2.根据权利要求1所述的直流充电桩，其特征在于：所述恒流源支路为3条，可编程恒流源输出矩阵的基本电路包括：

3个外部恒流源：I_A、I_B、I_C；

3个恒流源的电流输入端口：A、B、C；

3个恒流源的公共端口：G；

3个恒流源支路输入端分别串接的3组输入LC滤波器，其中，

A相输入LC滤波器：电感器L_A1、电容器C_A1；

B相输入LC滤波器：电感器L_B1、电容器C_B1；

C相输入LC滤波器：电感器L_C1、电容器C_C1；

3个恒流源支路输出端分别串接的3组输出LC滤波器，其中，

A相输入LC滤波器：电感器L_A2、电容器C_A2；

B相输入LC滤波器：电感器L_B2、电容器C_B2；

C相输入LC滤波器：电感器L_C2、电容器C_C2；

3个恒流源分别串接的3组接触器组：

A相接触器组：K_A1、K_A2、K_A3；

B相接触器组：K_B1、K_B2、K_B3；

C相接触器组：K_C1、K_C2、K_C3；

所述A相接触器组、B相接触器组、C相接触器组各自逻辑互锁；

每个接触器主触点支路中串接1只隔离二极管：D_A1、D_A2、D_A3、D_B1、D_B2、D_B3、D_C1、D_C2、D_C3；

A相输出端口：J₁₁、J₁₂；

B相输出端口：J₂₁、J₂₂；

C相输出端口：J₃₁、J₃₂。

3.根据权利要求2所述的直流充电桩，其特征在于：所述接触器主触点可用半导体开关器件MOSFET或半导体开关器件IGBT替代。