CN212098478U - 用于直流充电桩内的功率分配支援模块 - Google Patents

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Abstract

一种可将直流充电桩内处于空闲状态的任一充电模组依据充电需求分配给该充电桩上任一充电枪的用于直流充电桩内的功率分配支援模块。其中，每个充电模组都通过与其对应的一个包含多组开关分电路的切换矩阵电路分别与多个充电枪单独相接，每组开关分电路由正、负极通路组成，正极通路的输入端和输出端分别与该充电模组的正输出端和对应的充电枪的正输入端相接，负极通路的输入端和输出端分别与对应的充电枪的负输出端和该充电模组的负输入端相接，每组开关分电路的导通或断开由该充电桩的上位机控制。其不仅使充电桩的设备成本降低、驱动速度快，而且还可充分提高各充电模组的利用率，减少直流充电桩的内部空间，加快功率支援应用下的充电速度。

Description

用于直流充电桩内的功率分配支援模块
技术领域
本实用新型涉及电动汽车充电桩，特别涉及一种直流充电桩内充电模组与各充电枪之间的功率分配支援模块。
背景技术
当前电动汽车充电桩行业发展如火如荼，随着BMS电池管理系统的不断完善，对充电桩的功率要求也越来越高。
目前，市面上已出现许多大功率且具有多把充电枪的直流充电桩系统，功率分别有120kW、160kW、240kW，充电枪分别有双枪和四枪等。针对这些大功率多把枪的充电桩，其内部设有多个单元充电模块(若每个单元充电模块的功率为20kW，那具有120kW的充电桩就有六个单元充电模块)，如何科学调配桩内各个单元充电模块为同时进入充电输出状态的多把枪进行合理供电则成为亟待解决的问题。
1、目前的充电输出模式较理想的方式如下：
1)当进入充电输出状态的充电枪为一把枪时，充电桩的上位机会对正在充电的电动汽车车载电池的电能存量进行采集，继而决定采用一个单元充电模块还是采用多个单元充电模块为该电动汽车进入充电。即，当电能存量较多时，有可能采用一个单元充电模块即可较快完成充电任务的，就使用一个单元充电模块对其充电，其它单元充电模块进入待机状态，其可有效提高单元充电模块的使用效率和寿命。当电能存量较少时，则动用多个单元充电模块同时为该电动汽车充电，以此提高充电效率，减少车主的等待时间。
2)当进入充电输出状态的充电枪为多把枪时，如上所述，上位机同样会对正在充电的对应数量的电动汽车的车载电池的电能存量进行采集，之后将多个单元充电模块合理分配给电能存量不同的电动汽车。
2、现有技术中的大功率直流充电桩，针对上述情况采用的功率支援切换模块由以下电路构成：
如图1所示，一把充电枪通过一对正负走线的功率输出接触器与一组充电模组相接(一组充电模组是指其由至少一个所述的单元充电模块构成)，相邻两组充电模组之间通过一对正负走线的功率支援接触器相并联，即当所有功率支援接触器处于导通状态时，该充电桩内的所有充电模组为并联连接结构。
该结构的充电方式如下：
1)当进入充电输出状态的充电枪为一把枪时，依据正在充电的电动汽车的车载电池的电能存量，可以采用与该把枪对应的一组充电模组对其充电(此时，将该组充电模组相邻的功率支援接触器断开即可)，也可以采用与该把枪对应的一组充电模组和其它多组充电模组同时对该车载电池充电(此时，将相应的功率支援接触器打开即可)。
2)当进入充电输出状态的充电枪为多把时，依据正在充电的多个电动汽车的车载电池的电能存量，对所有充电模组做如下分配：
a.当多个电动汽车的车载电池的电能存量均较多，每个车载电池足以用与其对应的充电模组完成充电任务时，则采用与该把枪对应的充电模组为该车载电池进行充电(此时，将进入充电状态的充电模组相邻的功率支援接触器断开即可)。
b.当多个电动汽车的车载电池的电能存量不同时，即余量多的只需一个充电模组即可完成，余量少的则需要多个充电模组为其充电，此时，有以下两种充电方式：
第一种，当多个充电枪对应的充电模组相邻两侧各自均有足够的处于空闲状态的充电模组为其供电时，则多个充电枪可以按照上位机所发的指令完成各自的充电任务。
第二种，当多个充电枪对应的充电模组中，有至少一个电能存量较低的充电模组相邻两侧处于空闲状态的充电模组不够用，需要借用邻近的正在充电的其它充电模组另一侧的处于空闲状态的充电模组时，则由该电能存量较低的充电模组、邻近的正在充电的其它充电模组至另一侧的处于空闲状态的充电模组之间的所有功率支援接触器均处于打开状态。
3、现有技术中大功率直流充电桩的所述功率支援切换模存在以下不足：
1)需采用若干个功率输出接触器和功率支援接触器，导致部件投资非常大，通常，这种大电流的接触器市售价格每台在千元以上，而且体积较大。
2)在多把充电枪同时工作时，若某把充电枪对应的车载电池需要大流量充电，而其两侧的充电枪对应的车载电池为小流量充电，此时，该某把充电枪需跨越两侧的低流量充电枪去借用其它处于空闲状态的充电模组为其充电，由于充电模组之间为并联结构，这就势必导致需要低流量充电的充电枪会提高充电流量，造成不必要的资源浪费。
3)针对上述第“2)”点，若不采用借用远侧的充电模组的供电模式，则需断开需大流量充电的充电枪对应的充电模组两侧的功率支援接触器，否则，会影响其两侧正在充电的小流量的充电枪的正常充电。
4)针对上述第“3)”点，在断开大流量充电的充电枪对应的充电模组两侧的功率支援接触器后，这又导致远侧的充电模组不能被利用的低效率运行模式。
4、举例如下：
如图1所示，以四枪直流桩系统为例，假设充电桩内充电模组的数量为四个，编号分别为充电模块1、充电模块2、充电模块3和充电模块4，每个充电模块都有输出正端和输出负端。Swt1+、Swt1-,Swt2+、Swt2-,Swt3+、Swt3-为功率支援接触器，其中Swt1+、Swt2+、Swt3+连接于四个充电模块的输出正端之间，Swt1-、Swt2-、Swt3-连接于四个充电模块的输出负端之间；pA+、OpA-，OpB+、OpB-，OpC+、OpC-，OpD+,OpD-分别为A枪、B枪和C枪的正负功率输出接触器。
若充电模块2以低流量通过OpB+OpB-进入充电状态，此时，充电模块1通过OpA+OpA-接入需大流量充电的车载电池，那么，充电模块3和充电模块4则无法越过充电模块2单独为A充电枪供电，若通过强行闭合Swt1+Swt1-、Swt2+Swt2-和Swt3+Swt3-为A充电枪供电，则会影响B充电枪的充电电压和充电电流，对连接到B充电枪的电动汽车内部电池造成安全隐患，容易出现电池过压或过流等风险。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种可将直流充电桩内处于空闲状态的任一充电模组依据充电需求分配给该充电桩上任一充电枪的用于直流充电桩内的功率分配支援模块。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：
本实用新型的用于直流充电桩内的功率分配支援模块，包括若干个充电模组和多个充电枪，其特征在于：每个充电模组都通过与其对应的一个切换矩阵电路分别与多个充电枪单独相接，所述切换矩阵电路，由多组开关分电路并联构成，一组开关分电路与所有充电枪中的一个充电枪对应相接，每组开关分电路由正极通路和负极通路组成，正极通路的输入端和输出端分别与该充电模组的正输出端和对应的充电枪的正输入端相接，负极通路的输入端和输出端分别与对应的充电枪的负输出端和该充电模组的负输入端相接，每组开关分电路的导通或断开由该充电桩的上位机控制。
所述正极通路和负极通路分别由至少一个IGBT管构成，正极通路和负极通路中的IGBT管的栅极分别与所述上位机对应的控制端相接，正极通路中的IGBT管的射极和集电极分别与对应充电枪的正输入端和对应充电模组的正输出端相接；负极通路中的IGBT管的射极和集电极分别与对应的充电模组的负输入端和对应充电枪的负输出端相接。
所述正极通路和负极通路分别由上桥臂和下桥臂串接构成，所述上桥臂和下桥臂均为IGBT管，正极通路和负极通路中的两个IGBT管的栅极共接并分别与所述上位机对应的控制端相接，其中，
正极通路中，上桥臂的IGBT管的集电极与对应充电模组的正输出端相接，上桥臂的IGBT管的射极与下桥臂的IGBT管的射极相接，下桥臂的IGBT管的集电极与对应充电枪的正输入端相接；
负极通路中，上桥臂的IGBT管的集电极与对应充电模组的负输出端相接，上桥臂的IGBT管的射极与下桥臂的IGBT管的射极相接，下桥臂的IGBT管的集电极与对应充电枪的负输入端相接。
所述正极通路和负极通路分别由上桥臂和下桥臂串接构成，所述上桥臂和下桥臂均为MOS管，正极通路和负极通路中的两个MOS管的栅极共接并分别与所述上位机对应的控制端相接，其中，
正极通路中，上桥臂的MOS管的门极与对应充电模组的正输出端相接，上桥臂的MOS管的源极与下桥臂的MOS管的源极相接，下桥臂的MOS管的门极与对应充电枪的正输入端相接；
负极通路中，上桥臂的MOS管的门极与对应充电模组的负输出端相接，上桥臂的MOS管的源极与下桥臂的MOS管的源极相接，下桥臂的MOS管的集电极与对应充电枪的负输入端相接。
所述上桥臂由多个IGBT管并联构成，所述下桥臂由多个IGBT管并联构成；或者所述上桥臂由多个MOS管并联构成，所述下桥臂由多个MOS管并联构成。
在所述IGBT管或所述MOS管的外表面上贴设有导热陶瓷片，在该导热陶瓷片外侧面紧贴有散热片，通过设置在充电桩内的风扇将散热片上的热能驱散至充电桩外部；
或者，在所述IGBT管或所述MOS管的外表面上贴设有导热陶瓷片，在该导热陶瓷片外侧面紧贴有内置有冷却水循环通道的散热片，所述冷却水循环通道与设置在充电桩内的制冷机相接。
所述充电模组包含至少一个标准输出功率的充电模块。
所述充电模组的数量为奇数或偶数；所述充电枪数量为奇数或偶数。
所述充电模组的数量与充电枪的数量相同。
每个所述充电模块的输出功率为5kW的整数倍。
本实用新型适用于任何数量的充电模块和任何数量的充电枪，通过在每组充电模组与任一个充电枪之间设置开关分电路，并且由上位机采用单独的控制方式，使得每组处于空闲状态的充电模组随时为任一个充电枪单独供电，而不会受到如现有技术中的其它正处于供电状态的充电模组的影响。本实用新型的开关分电路采用售价较低的IGBT管构成，其不仅使该充电桩的设备成本降低、驱动速度快，而且还可充分提高各充电模组的利用率，减少直流充电桩的内部空间，加快功率支援应用下的充电速度。
附图说明
图1为现有技术中直流充电桩内的功率支援切换模块的电路示意图。
图2为本实用新型的功率支援切换模块的方框示意图。
图3为图2的电路示意图。
图4为图2中的一个切换矩阵电路的示意图。
具体实施方式
本实用新型的用于直流充电桩(以下简称充电桩)内的功率分配支援模块(以下简称支援模块)适用于具有奇数个充电模组、偶数个充电模组和奇偶个充电模组相结合的直流充电桩，而且，每一组充电模组与设置在该充电桩上的任一个充电枪都具有单独供电的开关分电路，当某组充电模组处于空闲状态(未给充电枪充电的情况下)时，其可依据该充电桩上位机的指令为任一个充电枪单独供电，而不会受到正在为任意充电枪充电的其它充电模组的任何影响。
每个所述充电模组包含至少一个标准输出功率的充电模块，每个所述充电模块的输出功率为5kW的整数倍，优选每个充电模块为20kW。
同样，所述充电桩的充电枪的数量也可为奇数、偶数或奇偶数相结合。
本实用新型的支援模块，优选适用于充电模组与充电枪的数量相同的充电桩。
如图2－4所示，本实用新型的支援模块中的每个充电模组与每个充电枪之间都设有一个相互对应的切换矩阵电路，所述切换矩阵电路，由多组开关分电路并联构成，其中，每一组开关分电路仅与所有充电枪中的一个充电枪对应相接。这样，每组充电模组均会通过对应的开关分电路与任一个充电枪单独对应相接。
每组开关分电路由正极通路和负极通路组成，正极通路的输入端和输出端分别与该充电模组的正输出端和对应的充电枪的正输入端相接，负极通路的输入端和输出端分别与对应的充电枪的负输出端和该充电模组的负输入端相接，每组开关分电路的导通或断开由该充电桩的上位机控制。
本实用新型中的正极通路和负极通路可采用带有电磁控制的开关电路，也可采用由若干分离元件构成的开关电路，本实用新型优选以下构成方式的开关电路。
1、每个正极通路和负极通路中均由一个IGBT管构成，其连接方式如下：
正极通路和负极通路中的IGBT管的栅极分别与所述上位机对应的控制端相接，其中，
所述正极通路和负极通路分别由至少一个IGBT管构成，正极通路和负极通路中的IGBT管的栅极分别与所述上位机对应的控制端相接。
正极通路中的IGBT管的射极和集电极分别与对应充电枪的正输入端和对应充电模组的正输出端相接；
负极通路中的IGBT管的射极和集电极分别与对应的充电模组的负输入端和对应充电枪的负输出端相接。
上述IGBT管也可用MOS管替代。
2、每个正极通路和负极通路中均由上桥臂与下桥臂串接构成，上桥臂和下桥臂分别由一个IGBT管或MOS管串联构成，其连接方式如下：
1)上桥臂和下桥臂采用IGBT管
正极通路和负极通路中的两个IGBT管的栅极共接并分别与所述上位机对应的控制端相接，其中，
正极通路中，上桥臂的IGBT管的集电极与对应充电模组的正输出端相接，上桥臂的IGBT管的射极与下桥臂的IGBT管的射极相接，下桥臂的IGBT管的集电极与对应充电枪的正输入端相接；
负极通路中，上桥臂的IGBT管的集电极与对应充电模组的负输出端相接，上桥臂的IGBT管的射极与下桥臂的IGBT管的射极相接，下桥臂的IGBT管的集电极与对应充电枪的负输入端相接。
本实用新型将正极通路中的上桥臂的IGBT管和下桥臂的IGBT管的射极共接，将负极通路中的上桥臂的IGBT管和下桥臂的IGBT管的射极共接，可防止车载电池被充满后电流反灌现象的出现。
上述IGBT管(也称绝缘栅双极型晶体管，以下简称晶体管)的型号为IKW50N65EH5，其击穿电压等于650V，电流规格由充电模块的输出电流规格决定。
2)上桥臂和下桥臂采用MOS管
正极通路和负极通路中的两个MOS管的栅极共接并分别与所述上位机对应的控制端相接，其中，
正极通路中，上桥臂的MOS管的门极与对应充电模组的正输出端相接，上桥臂的MOS管的源极与下桥臂的MOS管的源极相接，下桥臂的MOS管的门极与对应充电枪的正输入端相接；
负极通路中，上桥臂的MOS管的门极与对应充电模组的负输出端相接，上桥臂的MOS管的源极与下桥臂的MOS管的源极相接，下桥臂的MOS管的集电极与对应充电枪的负输入端相接。
3)所述上桥臂可由多个IGBT管并联构成，所述下桥臂可由多个IGBT管并联构成；或者所述上桥臂可由多个MOS管并联构成，所述下桥臂可由多个MOS管并联构成。
3、IGBT管和MOS管的散热问题
由于功率分配支援模块内部使用到IGBT或者MOSFET等功率开关器件，属于发热体，该功率分配支援模块内部需要考虑散热。
有两种散热方案：
1)风冷
把IGBT或MOSFET等功率开关器件通过导热陶瓷片贴紧在散热片上，并增加风扇，把热量通过风扇风量驱散至充电桩外。
2)水冷
把IGBT或MOSFET等功率开关器件通过导热陶瓷片贴紧在散热片上，散热片内部开通水道，通过外置的制冷压缩机把冷却水循环流过水道，达到散热效果。
以下以图4对本实用新型的工作原理进行说明，图4为充电模组1与各充电枪之间设置的切换矩阵电路。
图4中第一晶体管Q1至第十六晶体管Q16均为N型IGBT管。Drv1A+和Drv1A-分别为对应开关分电路的正极通路和负极通路的驱动信号，两者相互隔离；同理，Drv1B+和Drv1B-，Drv1C+和Drv1C-及Drv1D+和Drv1D-分别为其它开关分电路中的正极通路和负极通路的驱动信号。
现就充电模组1与A充电枪之间的连接与供电关系为例加以说明。
1.充电模组1至A充电枪之间的正极通路和负极通路分别由两个IGBT管串接构成，正极通路由第一晶体管Q1(即上述的上桥臂IGBT管)和第二晶体管Q2(即上述的下桥臂IGBT管)按前述连接方法进行连接组成；负极通路由第九晶体管Q9(即上述的上桥臂IGBT管)和第十晶体管Q10(即上述的下桥臂IGBT管)按前述连接方法进行连接组成。
2.当充电模组1需要对A充电枪进行供电输出时，驱动信号Drv1A+和Drv1A-为高电平，正极通路和负极通路导通，使该充电模组1为A充电枪供电。此时，其它开关分电路的驱动信号Drv1B+、Drv1B-、Drv1C+、Drv1C-、Drv1D+和Drv1D-为低电平，该其它开关分电路对应的正极通路和负极通路截止。
3、在充电模组1为闲置状态并需要其为某个充电枪供电时，则使该充电模组1通过上述方法接通其与该充电枪之间的开关分电路，关闭该充电模组1与其它充电枪之间的开关分路即可。
即：当充电模组1处于为M个充电枪中的第N个充电枪供电时，该充电模组1则停止为其它充电枪供电。若该第N个充电枪还需要其它充电模组为其供电，则需接通处于空闲状态的其它的充电模组与该第N个充电枪之间的开关分电路即可。

Claims (10)

1.一种用于直流充电桩内的功率分配支援模块，包括若干个充电模组和多个充电枪，其特征在于：每个充电模组都通过与其对应的一个切换矩阵电路分别与多个充电枪单独相接，所述切换矩阵电路，由多组开关分电路并联构成，一组开关分电路与所有充电枪中的一个充电枪对应相接，每组开关分电路由正极通路和负极通路组成，正极通路的输入端和输出端分别与该充电模组的正输出端和对应的充电枪的正输入端相接，负极通路的输入端和输出端分别与对应的充电枪的负输出端和该充电模组的负输入端相接，每组开关分电路的导通或断开由该充电桩的上位机控制。
2.根据权利要求1所述的用于直流充电桩内的功率分配支援模块，其特征在于：所述正极通路和负极通路分别由至少一个IGBT管构成，正极通路和负极通路中的IGBT管的栅极分别与所述上位机对应的控制端相接，正极通路中的IGBT管的射极和集电极分别与对应充电枪的正输入端和对应充电模组的正输出端相接；负极通路中的IGBT管的射极和集电极分别与对应的充电模组的负输入端和对应充电枪的负输出端相接。
3.根据权利要求1所述的用于直流充电桩内的功率分配支援模块，其特征在于：所述正极通路和负极通路分别由上桥臂和下桥臂串接构成，所述上桥臂和下桥臂均为IGBT管，正极通路和负极通路中的两个IGBT管的栅极共接并分别与所述上位机对应的控制端相接，其中，
正极通路中，上桥臂的IGBT管的集电极与对应充电模组的正输出端相接，上桥臂的IGBT管的射极与下桥臂的IGBT管的射极相接，下桥臂的IGBT管的集电极与对应充电枪的正输入端相接；
负极通路中，上桥臂的IGBT管的集电极与对应充电模组的负输出端相接，上桥臂的IGBT管的射极与下桥臂的IGBT管的射极相接，下桥臂的IGBT管的集电极与对应充电枪的负输入端相接。
4.根据权利要求1所述的用于直流充电桩内的功率分配支援模块，其特征在于：所述正极通路和负极通路分别由上桥臂和下桥臂串接构成，所述上桥臂和下桥臂均为MOS管，正极通路和负极通路中的两个MOS管的栅极共接并分别与所述上位机对应的控制端相接，其中，
正极通路中，上桥臂的MOS管的门极与对应充电模组的正输出端相接，上桥臂的MOS管的源极与下桥臂的MOS管的源极相接，下桥臂的MOS管的门极与对应充电枪的正输入端相接；
负极通路中，上桥臂的MOS管的门极与对应充电模组的负输出端相接，上桥臂的MOS管的源极与下桥臂的MOS管的源极相接，下桥臂的MOS管的集电极与对应充电枪的负输入端相接。
5.根据权利要求3或4所述的用于直流充电桩内的功率分配支援模块，其特征在于：所述上桥臂由多个IGBT管并联构成，所述下桥臂由多个IGBT管并联构成；或者所述上桥臂由多个MOS管并联构成，所述下桥臂由多个MOS管并联构成。
6.根据权利要求5所述的用于直流充电桩内的功率分配支援模块，其特征在于：在所述IGBT管或所述MOS管的外表面上贴设有导热陶瓷片，在该导热陶瓷片外侧面紧贴有散热片，通过设置在充电桩内的风扇将散热片上的热能驱散至充电桩外部；
或者，在所述IGBT管或所述MOS管的外表面上贴设有导热陶瓷片，在该导热陶瓷片外侧面紧贴有内置有冷却水循环通道的散热片，所述冷却水循环通道与设置在充电桩内的制冷机相接。
7.根据权利要求5所述的用于直流充电桩内的功率分配支援模块，其特征在于：所述充电模组包含至少一个充电模块。
8.根据权利要求7所述的用于直流充电桩内的功率分配支援模块，其特征在于：所述充电模组的数量为奇数或偶数；所述充电枪数量为奇数或偶数。
9.根据权利要求8所述的用于直流充电桩内的功率分配支援模块，其特征在于：所述充电模组的数量与充电枪的数量相同。
10.根据权利要求9所述的用于直流充电桩内的功率分配支援模块，其特征在于：每个所述充电模块的输出功率为5kW的整数倍。
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