CN208508595U - 一种用于充电桩充电模块的宽范围输出电路 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于充电桩充电模块的宽范围输出电路。该宽范围输出电路包含有AC/DC电路和2路DC/DC单元组成，该AC/DC电路用以将接收的交流输入转换成直流电源传输至连接的2路DC/DC单元；该2路DC/DC单元组成的宽范围输出电路的输入级分别电性连接至直流电源，2输出级间电性串联后电性连接至滤波模块，经该滤波模块稳压滤波后向负载供电；基于电路的工作模式充电模块处于第一工作模式时，控制2路DC/DC单元中的1路工作；处于第二工作模式时，同时控制2路DC/DC单元工作。通过这样的设计，使得在低压充电需求时充电模块也能适用，扩展了充电模块的应用范围。

Description

一种用于充电桩充电模块的宽范围输出电路

技术领域

本实用新型涉及一种充电电路，具体地涉及一种用于充电桩充电模块的宽范围输出电路。

背景技术

在当前环境持续恶化和石油资源储量下降的双重压力下，电动汽车产业在全球范围内获得了快速发展。进而引发对充电设备(充电桩)需求的日益增加，对充电设备的需求电压也不断地变化，目前市面上直流充电设备其输出的电压大都介于200VDC-1000VDC，其输出低压范围大多在150VDC或者200VDC。对于一些小功率的充电电池而言，其需求的电压远远低于200VDC,甚至个别到达了50VDC,若专门为此设计新的低压充电设备来满足充电需求，使得设备复杂性增大，同时资源浪费。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。基于上述问题，本实用新型提供一种具有宽范围输出的充电设备，其能满足现有的充电需求同时能满足小功率的充电电池的充电需求。为此本实用新型采用如下技术方案：

一种用于充电桩充电模块的宽范围输出电路，其特征在于，所述电路包含第一DC/DC单元，第二DC/DC单元，所述第一DC/DC单元及所述第二DC/DC单元的输入级分别电性连接至直流电源，所述第一DC/DC单元及所述第二DC/DC单元的输出级间电性串联并连接至滤波模块，经所述滤波模块稳压滤波后向负载供电。

优选的，该充电模处于第一工作模式时，触发所述第一DC/DC单元或所述第二DC/DC单元给负载供电，所述充电模处于第二工作模式时，同时触发所述第一DC/DC单元和所述第二DC/DC单元给负载供电。

优选的，该第一DC/DC单元包含第一开关网络，第一电能传输模块，第一整流单元，所述第一开关网络电性连接至直流电源，用以接收所述直流电源的信号并转换为第一高频信号；所述第一电能传输模块接收所述第一高频信号并传输至所述第一整流单元；所述第二DC/DC单元包含第二开关网络，第二电能传输模块，第二整流单元，所述第二开关网络电性连接至所述直流电源，用以接收所述直流电源的信号并转换为第二高频信号；所述第二电能传输模块接收所述第二高频信号并传输至所述第二整流单元；所述第一整流单元与所述第二整流单元电性串联连接至所述滤波模块。

优选的，该充电模块还包含驱动模块，用以分别驱动所述第一开关网络、所述第二开关网络；所述充电模块处于第一工作模式时，触发所述第一开关网络或触发所述第二开关网络或交替的触发所述第一开关网络或所述第二开关网络。

优选的，该充电模块处于第二工作模式时，同时触发所述第一开关网络和所述第二开关网络。

优选的，该充电模块，还包含控制模块，工作模式识别模块；所述控制模块电性连接所述工作模式识别模块并基于所述模式识别模块的指令控制所述充电模块处于第一工作模式或第二工作模式。

优选的，该含控制模块，工作模式识别模块；所述控制模块电性连接所述工作模式识别模块并基于所述模式识别模块的指令控制所述充电模块处于第一工作模式或第二工作模式；

其中，所述充电模块处于第一工作模式时，触发所述第一DC/DC单元或所述第二DC/DC单元给负载供电，所述充电模块处于第二工作模式时，同时触发所述第一DC/DC单元和所述第二DC/DC单元给负载供电。

相对于现有技术中的方案，本实用新型的优点：

1)通过对电路的拓扑进行优化，降低输出的纹波，同时满足小功率电池的充电需求。

2)充电设备的输出电压具有超宽范围兼容超压输出，大大提高了设备利用率，节约成本。

3)采用两路DC/DC转换的结构；有效降低环流损耗、减少输入电流纹波，提高输出效率和功率密度。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型实施例的应用于充电桩的充电模块的功能示意图；

图2为图1中实施方式中充电模块的DC/DC单元的拓扑示意图；

图3，4为本实用新型实施例的充电桩充电模块的宽范围充电电路的控制流程示意图；

图5-6为图2实施方式的DC/DC单元中开关网络的变形图示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本实用新型而不限于限制本实用新型的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

接下来结合图1来描述本实用新型实施例的应用于充电桩的充电模块的功能示意图，电源模块包含有AC/DC电路，DC/DC单元，输入/输出检测保护单元，控制单元，通讯模块；

交流市电(如三相交流)作为输入源经输入EMI模块滤波后传输至AC/DC电路(也称功率校正模块)，经功率校正模块转换后输出直流电压传输至电性连接的(LLC谐振)DC/DC单元，经(LLC谐振)DC/DC单元变换成预定的稳定的直流电压，该直流电压经过输出EMI模块滤波后供给待充电设备(图未示)，其中，控制单元通过通讯模块与待充电装置(图未示)信息交互，获得待充电装置(如电动汽车的电池模块信息：电压平台，电芯参数)信息；控制单元包含有第一驱动模块，用以驱动功率校正(PFC)模块，第二驱动模块，用以驱动DC/DC变换模块；控制单元所需的电能由辅助电源提供，该辅助电源典型连接至功率校正(PFC)模块，由功率校正模块提供控制单元的各模块所需的电能。输入检测模块检测输入的电压，电流信息用以功率校正模块的控制及保护；保护检测模块检测输出的电压，电流，温度信息，用以LLC谐振DC/DC变换的控制及保护。在一实施方式中，控制单元还包含有控制模块，其配置有IOT模块，电性连接至监控设备或服务器，用以将采集的信息传递给监控设备或服务器。在一实施方式中，充电模块将接收交流输入并传输至AC/DC电路(也称功率校正模块)，经功率校正模块处理后的直流电源传输至DC/DC单元，经该DC/DC单元变换成预定的直流电压，供给待充电设备；其中，控制单元通过所述通讯模块与待充电装置进行信息交互，用以获取待充电的装置信息；基于获取的信息控制充电模块的工作模式，控制单元还包含第一驱动模块，用以驱动所述功率校正模块，第二驱动模块，用以驱动DC/DC单元。宽范围输出电路也称为宽范围充电电路。

本实用新型实施方式中描述的用于充电桩的具有宽范围输出的机理在于：电路中包含有2路DC/DC单元，该2路DC/DC单元的2输入级分别电性连接至直流电源，2输出级间电性串联后电性连接至滤波模块，经滤波模块稳压滤波后向负载(待充电的装置)供电；电源模块基于负载的电压类型通过触发1路DC/DC单元或同时触发2路DC/DC单元给负载供电。每1路DC/DC单元包含有开关网络，电能传输模块，整流单元。DC/DC单元由控制模块驱动，控制模块还包含模式识别模块，控制模块电性连接模式识别模块，基于模式识别模块的指令控制充电模块处于第一工作模式或第二工作模式。DC/DC单元也称为DC/DC变换器。模式识别模块用以获取负载(待充电的装置)的信息(如，待充电的装置的所需的电压，待充电的装置的电池模块的电压信息，充电电流信息)。电源模块有时也称为充电模块。

接下来结合图2描述图1中DC/DC单元的拓扑示意图；

一种DC/DC单元包含：第一DC/DC单元其包含有：第一开关网络S21，第一LLC谐振槽L21，第一整流单元T21；第二DC/DC单元其包含有:第二开关网络S22，第二LLC谐振槽L22，第二整流单元T22；滤波模块227；负载228；

其中，第一开关网络S21电性连接至直流电源，用以接收该直流电源的电压信号并转换为第一高频信号，第一LLC谐振槽L21接收第一开关网络S21的第一高频信号并通过其包含的变压器219a的副边将该高频信号传递至第一整流单元T21，第一整流单元T21接收第一LLC谐振槽L21传输的高频信号经第一整流单元T21整流后第一滤波电路224a传输至滤波模块227，滤波模块227将滤波后的信号传递至负载228，第一整流单元T21与第一滤波电路224a电性并联；第二开关网络S22电性连接至直流电源，用以接收该直流电源的电压信号并转换为第二高频信号，第二开关网络S22与第一开关网络S21电性并联，第二LLC谐振槽L22接收第二开关网络S22的第二高频信号并通过其包含的变压器219b的副边将该高频信号传递至第二整流单元T22，第二整流单元T22接收第二LLC谐振槽L22传输的高频信号经第二整流单元T22整流后传输至第二滤波电路224b后传输至滤波模块227，滤波模块227将滤波后的信号传递至负载228，第二整流单元T22与第二滤波电路224b电性并联；第一整流单元T21与第一滤波电路224a电性并联的支路与第二整流单元T22与第二滤波电路224b电性并联的支路电性串联后电性连接至滤波模块227的两端。这样的设计有效降低环流损耗、减少输入电流纹波，提高输出效率和功率密度。本实施方案中，电容105a用来将两对开关管开关过程连接起来，稳态工作时，电容105a上的电压为输入电压的一半。由于第一开关网络S11与第二开关网络S12拓扑相同，第一LLC谐振槽110a与第二LLC谐振槽110b拓扑相同，第一整流单元111a与第二整流单元111b拓扑相同，元器件仅符号有差异，描述时为避免重复，接下来仅描述一路DC/DC转换(第一开关网络S21，第一LLC谐振槽，第一整流单元)，高频信号也称高频电压信号。

第一开关网络S21包括：两个分压电容201a、202a其容量很大，电压均为输入直流电压的一半；206a－209a为四只主开关管，二极管203a、204a起箝位作用，用来保证206a、207a关断后其上所承受的电压应力为输入直流电压的一半。对于后关断的208a、209a就自然承受另外一半输入电压；210a－213a为四只主开关管的寄生二极管，216a－217a为四只主开关管上的并联电容。主开关管207a与208a的连接点构成第一端，电容201a与202a的连接点构成第二端，该第一端及第二端分别电性连接第一LLC谐振槽L21。其连接参照图1实施方式中S11的连接，只是206a－209a为四只主开关管连接有二极管以及电容。

第一LLC谐振槽L21包含，谐振电感218a、变压器219a为理想变压器模型(原边侧包含等效变压器励磁电感220a)、谐振电容221a；谐振电感218a的一端电性连接至第一端，谐振电感218a的另一端电性变压器219a原边侧的一端，原边侧的另一端电性连接谐振电容221a的一端，谐振电容221a的另一端电性连接第二端，变压器219a的原边侧间包含有谐振变换器漏感220a。变压器219a副边侧的两端电性连接至第一整流单元T21。

第一整流单元T21包含二极管222a-224a 4个二极管；二极管222a的阳极电性连接二极管223a的阴极，二极管222a的阴极电性连接二极管224a的阴极，二极管224a的阳极电性连接二极管225a的阴极，二极管225a的阳极电性连接二极管223a的阳极。二极管223a的阳极电性连接二极管222ba的阴极，二极管225a的阳极电性连接二极管224b的阴极。二极管224a的阴极及二极管225a的阳极分别电性连接第一滤波电路226a的两端。

第二整流单元T22包含二极管222b-224b 4个二极管；二极管222b的阳极电性连接二极管223b的阴极，二极管222b的阴极电性连接二极管224b的阴极，二极管224b的阳极电性连接二极管225b的阴极，二极管225b的阳极电性连接二极管223b的阳极。二极管224b的阴极及二极管225b的阳极分别电性连接第二滤波电路226b的两端.

第一滤波电路226a与第二滤波电路226b电性串联形成的支路两端(即输出级)电性连接至滤波模块227的两端，滤波模块227的两端电性连接至负载228(如，待充电的电池)。

上述实施方式中采用2路(LLC谐振)DC/DC单元的输出级间电性串联，这样设计好处在于，目前市面上主流的直流充电模块其输出的电压大都介于200VDC-1000VDC；若待充电的电池模块的电压需求低于200VDC(如，48V，50V，100V，150V)时，该充电模块处于第一工作模式，仅触发2路DC/DC单元中的1路(即关闭第一开关网络S21或第二开关网络S22中的一个)；这样可降低充电模块的输出电压而无需为此需求的电池模块单独设计新的低压充电设备来满足充电需求，扩展了充电模块的应用范围。在一实施方式中，充电模块其输出的电压低于第一阈值时(较佳的，选取150V)，处于第一工作模式。这时关闭第一开关网络S21或第二开关网络S22中的一个。该充电模块处于第二工作模式时，触发2路DC/DC单元给负载供电(待充电装置充电)。

在一实施方式中，可省略第一滤波电路226a，第二滤波电路226b，第一整流单元T21与第二整流单元T22间电性串联形成的支路两端(即输出级)电性连接至滤波模块227的两端，滤波模块227的两端电性连接至负载228(如，待充电的电池)。

上述实施方式中，第一开关网络S21或第二开关网络S22中开关分别由驱动电路驱动，采用本领域常规的PWM驱动，在此不再详细的阐述。开关选用MOSFET开关，IGBT开关，晶闸管，碳化硅管等，其耐压参数选取介于500～1500V。在一实施方式中，第一整流单元，第二整流单元可采用整流桥(集成于芯片中)，这样的设计可优化控制单元的设计。

上述的实施方式采用移相控制方案，通过调节移相角的大小来达到调节输出电压的目的。

接下来结合图3，4描述上述实施方式的充电桩充电模块的宽范围充电电路的控制方法。如图3所示为实用新型实施例的一种充电电路的控制方法。该方法包含如下步骤：基于指令判定充电模块的工作模式；

其中，所述充电模块处于第一工作模式时，仅触发2个开关网络中的一个；

所述充电模块处于第二工作模式时，同时触发2个开关网络。

上述方法中，基于获得的待充电装置的充电电压信息，判断待充电的电池模块的电压信息是否低于预设的阈值；若是则充电模块处于第一工作模式，若否则充电模块处于第一工作模式。

上述方法中，待充电的电池模块的电压信息是基于充电模块的控制模块与待充电装置间信息交互获取的。也可是用户在使用充电模块充电之前设定。

如图4所示为实用新型实施例的充电电路的控制方法。该方法包含如下步骤：基于指令判定充电模块的工作模式，获取充电模块工作模式的指令，判断设定充电模块的输出电压是否小于第一阈值电压，若是则所述充电模块处于第一工作模式；所述充电模块处于第一工作模式时，基于获得的输出电压阈值参考：判断设定充电模块的输出电压是否小于第二阈值电压，若是则所述充电模块维持第一工作模式；若否则所述充电模块切换至第二工作模式。直至充电结束。

在一实施方法中，该方法还包含获取充电模块工作模式的指令，判断设定充电模块的输出电压是否小于第一阈值电压，若否则所述充电模块处于第二工作模式；充电模块处于第二工作模式时，基于获得的输出电压阈值参考：判断设定充电模块的输出电压是否大于等于第三阈值电压，若是则所述充电模块维持第二工作模式；若否则所述充电模块切换至第一工作模式。直至充电结束。

在一实施方法中，处于第一工作模式时先触发第一DC/DC单元工作，经过时间t1后触发第二DC/DC单元工作，经过时间t1后触发第一DC/DC单元工作如此循环。或先触发第二DC/DC单元工作，经过时间t1后触发第一DC/DC单元工作，经过时间t1后触发第二DC/DC单元工作如此循环。

在一实施方法中，第一工作模式切换至第二工作模式时或第二工作模式切换至第一工作模式时，先进入等待工作模式状态并在此状态期间(如，时间t内)内停止驱动开关网络；完成工作模式切换后再驱动开关网络。

在一实施方式中上述图3，4控制方式中，第一阈值电压较佳的选取150V；第二阈值电压较佳的选取160V；第三阈值电压较佳的选取150V。其选取的思路，常规的LLC电路，宽范围输出是其弱点，LLC正常工作电压点假设为VM,在设计时通常在LLC谐振工作点(在最佳点工作点)为0.8-0.9倍的VM，根据LLC特性可知，当LLC输出电压低于0.2VM时，其LLC损耗会大幅上升，其可靠性会大大降低，所以结合实际充电桩模块电源的电压输出通常在500V-1000V,阈值取在150V是较佳的。充电模块在每次充电前基于获取的待充电转置的信息判断工作模式。若充电模块充电途中故障中断，重新恢复充电时也基于获取的待充电转置的信息判断工作模式。

在其他的实施方式中，第一阈值电压，第二阈值电压，第三阈值电压视应用的场合进行选取，在此不作限定。

上述控制方法中，驱动模块(也称第二驱动模块)，其电性连接主开关管106a－109a的触发端，以及连接主开关管106b－109b的触发端，第二驱动模块基于接收工作模式指令驱动充电模块处于第一工作模式或第二工作模式。

上述的实施方法中，也可表述为判断设定的输出电压是否小于第一阈值电压，若是则仅触发两个开关网络中的一个网络开关。待充电的电池模块的电压信息可通过与充电模块与待充电的装置连接后依据事前约定的协议获取。也可是用户设定，这时用户可通过智能设备的匹配APP电性连接该充电设备的进行设定；也可通过充电设备的人机截面进行设定。

需要说明的是，上述的实施方式仅列举2个开关网络的场合(2路输入)，在其他的实施方式中可扩展至多路输入(即多个开关网络的场合)。

在其它的实施方式中，图2方案中的第一开关网络S21，第二开关网络S22可由图5～6所示方案的拓扑替换。

图2中第一开关网络S21，第二开关网络S22的变形拓扑也可如图5所示的半桥拓扑。图5所示半桥拓扑中，电容301的一端典型连接至开关303的漏极端，电容301的另一端电性连接至电容302的一端，电容302的另一端电性连接开关304的源极端，开关303的漏极端电性连接至开关304的漏极端；电容301的另一端与电容302的一端的连接端b，开关303的源极端与开关304的漏极端的连接端a，该连接端a以及连接端b电性连接至电能传输模块。

图2中第一开关网络S21，第二开关网络S22的变形拓扑也可如图6所示的全桥拓扑，图6所示的全桥拓扑中开关401的漏极端典型连接至开关403的漏极端，开关401源极端电性连接至开关402的漏极端，开关402的源极端电性连接开关404的源极端，开关403的源极端电性连接至开关404的漏极端；开关401源极端与402的漏极端的连接端b，开关403的源极端与开关404的漏极端的连接端a，该连接端a以及连接端b电性连接至电能传输模块。

在其他的实施方式中，也可用与图5所示的半桥拓扑或与图6所示的全桥拓扑等同的电路来替代第一开关网络S21，第二开关网络S22。

本实用新型实施方式还提供一种计算机存储介质，其中，该计算机存储介质可存储有程序，该程序执行时可包括本实用新型提供的呼叫方法的各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(简称：ROM)或随机存储记忆体(简称：RAM)等。

本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本实用新型实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行上述实施方式各个实施例或者实施例的某些部分。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于充电桩充电模块的宽范围输出电路，其特征在于，所述电路包含第一DC/DC单元，第二DC/DC单元，所述第一DC/DC单元及所述第二DC/DC单元的输入级分别电性连接至直流电源，所述第一DC/DC单元及所述第二DC/DC单元的输出级间电性串联并连接至滤波模块，经所述滤波模块稳压滤波后向负载供电。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述充电模块处于第一工作模式时，触发所述第一DC/DC单元或所述第二DC/DC单元给负载供电，

所述充电模块处于第二工作模式时，同时触发所述第一DC/DC单元和所述第二DC/DC单元给负载供电。

3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，

所述第一DC/DC单元还包含第一开关网络，第一电能传输模块，第一整流单元，所述第一开关网络电性连接至直流电源，用以接收所述直流电源的信号并转换为第一高频信号；所述第一电能传输模块接收所述第一高频信号并传输至所述第一整流单元；所述第二DC/DC单元包含第二开关网络，第二电能传输模块，第二整流单元，所述第二开关网络电性连接至所述直流电源，用以接收所述直流电源的信号并转换为第二高频信号；所述第二电能传输模块接收所述第二高频信号并传输至所述第二整流单元；所述第一整流单元与所述第二整流单元间电性串联连接至所述滤波模块。

4.如权利要求3所述的电路，其特征在于，所述充电模块还包含驱动模块，用以分别驱动所述第一开关网络、所述第二开关网络；

所述充电模块处于第一工作模式时，触发所述第一开关网络或触发所述第二开关网络。

5.如权利要求3所述的电路，其特征在于，所述充电模块处于第二工作模式时，同时触发所述第一开关网络和所述第二开关网络。

6.如权利要求1所述的电路，其特征在于，还包含控制模块，工作模式识别模块；所述控制模块电性连接所述工作模式并基于所述模式识别模块的指令所述控制模块控制所述充电模块处于第一工作模式或第二工作模式；

其中，所述充电模块处于第一工作模式时，触发所述第一DC/DC单元或所述第二DC/DC单元给负载供电，

所述充电模块处于第二工作模式时，同时触发所述第一DC/DC单元和所述第二DC/DC单元给负载供电。