充电桩及其功率分配系统的制作方法

1.本实用新型涉及电气技术领域，具体涉及一种充电桩的功率分配系统以及充电桩。


背景技术：

2.在电动汽车多枪直流充电设备中，最初通常使用固定功率分配方式，因无法预先知道各枪的实际需求功率，会造成功率模块极大的浪费。为解决这个问题，出现了固定功率和动态功率相结合的方式，在一定程度上提高了功率模块的利用率，为实现更加灵活的功率分配，出现了全部功率模块用于动态分配的方案，实现了功率模块利用最大化并沿用至今。
3.上述技术基本都是基于继电器方案即机械开关方案来实现，而继电器方案存在可靠性低、寿命短、动作时间长、保护不足甚至无保护等固有弱点。且只具备功率分配功能无相关数据处理能力，即仅具备终端执行能力，导致需要配备额外的控制单元，增加了额外的线束，提高了整机成本，且大量连接线对功率模块的工作可靠性非常不利。


技术实现要素：

4.本实用新型为解决上述技术问题，本实用新型的第一个目的在于提出一种充电桩的功率分配系统。
5.本实用新型的第二个目的在于提出一种充电桩。
6.本实用新型采用的技术方案如下：
7.本实用新型的第一方面提出了一种充电桩的功率分配系统，包括：至少一个功率模块，每个所述功率模块包括一个输入端子和多个输出端子，每个所述功率模块的输入端子与电源模块一一对应连接，所述功率模块用于将所述电源模块连接到与所述功率模块的输出端子相连的充电枪中的任意一个，所述功率模块包括固态开关；采样控制板，所述采样控制板与所述功率模块固定连接，且所述采样控制板与所述功率模块的输入端子、多个输出端子和控制端子电连接，所述采样控制板用于采集所述功率模块的参数以及对所述功率模块进行控制；汇流铜排，所述汇流铜排位于采样控制板的上方，所述汇流铜排包括输入汇流铜排和输出汇流铜排，所述输入汇流铜排与所述功率模块的输入端子相连，所述输出汇流铜排与所述功率模块的输出端子相连，且所述汇流铜排连接至所述采样控制板，以通过所述采样控制板将所述电源模块连接到所述充电枪。
8.本实用新型上述提出的充电桩的功率分配系统还可以具有如下附加技术特征：
9.具体地，上述的充电桩的功率分配系统还包括：散热器，所述散热器用于所述功率模块的热量耗散，固定于所述功率模块的下方。
10.具体地，采样控制板包括：采样模块，所述采样模块用于采集输入端子的输入电压和输入电流、每个输出端子的输出电压和输出电流、所述功率模块中固态开关的端电压以及所述功率模块中固态开关的温度；i/o接口模块，所述i/o接口模块包括开入接口和开出
接口，分别用于外部信号的输入和内部信号的输出；mcu(microcontroller unit，微控制单元)，所述mcu分别与所述采样模块、所述i/o接口模块和所述功率模块相连，所述mcu用于对所述功率模块进行控制。
11.具体地，采样控制板还包括：通讯模块，所述通讯模块与所述mcu相连，所述通讯模块用于实现通讯。
12.进一步地，采样控制板还包括：辅助电源，所述辅助电源包括隔离的一组或多组控制电源和隔离的至少一组驱动电源，其中，所述控制电源与所述mcu相连，所述控制电源用于对所述mcu、所述采样模块和所述通讯模块进行供电；所述驱动电源与功率模块相连，且一个驱动电源对应一个功率模块，所述驱动电源用于对所述功率模块进行供电。
13.具体地，所述功率模块包括：第一开关组，所述第一开关组包括一个开关单元，所述第一开关组的开关单元的一端为所述输入端子；第二开关组，所述第二开关组包括多个开关单元，所述第二开关组中的每个开关单元的一端与所述第一开关组的开关单元的另一端相连，所述第二开关组的每个开关单元的另一端作为输出端子。
14.进一步地，所述第一开关组或第二开关组中的开关单元具体包括：正通路，所述正通路的两端分别为所述开关单元的正输入端和正输出端，所述正通路的两端之间设置由正输入端至正输出端单向导电的一个固态开关，或者，在无开通信号时无法反向导通的双向导电的一个固态开关，或者由在无开通信号时无法反向导通的双向导电的多个固态开关组成的复合开关；负通路，所述负通路的两端分别为所述开关单元的负输入端和负输出端，所述负通路的两端之间设置由负输出端至负输入端单向导电的一个固态开关，或者，在无开通信号时无法反向导通的双向导电的一个固态开关，或者由在无开通信号时无法反向导通的双向导电的多个固态开关组成的复合开关，其中，所述正通路和负通路中的至少一个通路中的固态开关采用可控型固态开关。
15.具体地，所述第一开关组还包括：采样电阻，所述采样电阻连接在所述第一开关组的负通路中。
16.具体地，所述功率模块还包括：吸收电路，在所述吸收电路设置在所述功率模块中的固态开关的两端，所述吸收电路用于吸收所述固态开关开通/关断时产生的电压应力和电流应力。
17.进一步地，上述的充电桩的功率分配系统还包括：外壳。
18.本实用新型的第二方面提出了一种充电桩，包括本实用新型第一方面实施例所述的充电桩的功率分配系统。
19.本实用新型的有益效果：
20.本实用新型的功率模块采用固态开关，可以显著提高功率模块的可靠性、寿命、响应速度以及集成度，且集成采样控制板，无需额外的控制单元即可实现相关的控制功能，无需增加额外的线束，既可以降低成本，又可以提高工作可靠性。
21.本实用新型将温度采样、电压电流采样等功能均集中在采样控制板上，可以大幅缩小设备的体积，提高设备布局的灵活。
附图说明
22.图1是根据本实用新型一个实施例的充电桩的功率分配系统的结构示意图；
23.图2是根据本实用新型一个实施例的充电桩的功率分配系统的电路拓扑示意图；
24.图3是根据本实用新型另一个实施例的充电桩的功率分配系统的结构示意图；
25.图4是根据本实用新型一个实施例的采样控制板的剖面结构示意图；
26.图5是根据本实用新型第一种示例的开关单元的电路结构示意图；
27.图6是根据本实用新型第二种示例的开关单元的电路结构示意图；
28.图7是根据本实用新型第三种示例的开关单元的电路结构示意图。
具体实施方式
29.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
30.图1是根据本实用新型一个实施例的充电桩的功率分配系统的结构示意图，图2是根据本实用新型一个实施例的充电桩的功率分配系统的电路拓扑示意图。如图1-2所示，该装置包括：至少一个功率模块1、采样控制板 2和汇流铜排3。
31.其中，功率模块1包括一个输入端子in和多个输出端子out，每个功率模块1的输入端子in与电源模块一一对应连接，功率模块1用于将电源模块连接到与功率模块2的输出端子out相连的充电枪中的任意一个，功率模块1包括固态开关。
32.采样控制板1与功率模块2固定连接，且采样控制板1与功率模块 2的输入端子in、多个输出端子out和控制端子电连接，采样控制板 2用于采集功率模块的参数(例如，温度、输入带电压、输出电压等)以及对功率模块1进行控制。汇流铜排位3于采样控制板2的上方且与采样控制板2连接，汇流铜排3包括输入汇流铜排和输出汇流铜排，输入汇流铜排通过采样控制板2与功率模块的输入端子in相连，输出汇流铜排通过采用控制板2与功率模块的输出端子out相连，以通过采样控制板2将电源模块连接到充电枪。
33.具体地，功率模块1的输入端子in、输出端子out、控制端子等端口直接与采样控制板2相连接，可以采用焊接、固定螺栓等形式进行固定。输入汇流铜排的一端与充电模块可以通过螺栓、插头等可靠方式进行连接，输入汇流铜排的另一端与采用控制板2可以通过螺栓、插头等可靠方式电连接，采样控制板2与功率模块1的输入端子in电连接，由此通过采用控制板2的功率转接功能实现充电模块与功率模块1的输入端子in的电连接，从而实现将充电模块提供的直流电能传输至功率模块1的输入端子in。输出汇流铜排的一端与充电枪可以通过螺栓、插头等可靠方式进行连接，输入汇流铜排的另一端与采用控制板2可以通过螺栓、插头等可靠方式电连接，采样控制板2与功率模块1的输出端子ou电连接，由此通过采用控制板2的功率转接功能实现充电枪与功率模块1的输出端子out的电连接，从而实现将功率模块1的输出端子out输出的直流电能传输至充电枪。由此，实现电源模块与充电枪的连接。
34.可以理解的是，汇流铜排3与功率模块1的电连接是通过采样控制板2的功率转接功能实现的。功率模块1采用全固态开关实现功率分配，对单个功率模块1而言，可以将与之相连的电源模块输出的直流电能分配到任意一个与之相连的充电枪。
35.由此，本实用新型的功率模块采用固态开关，可以显著提高功率模块的可靠性、寿
命、响应速度以及集成度，且集成采样控制板，无需额外的控制单元即可实现相关的控制功能，无需增加额外的线束，既可以降低成本，又可以提高工作可靠性。
36.根据本实用新型的一个实施例，如图3所示，上述的充电桩的功率分配系统还可以包括：散热器4，散热器4固定于功率模块1的下方。
37.具体地，散热器4可以采用插齿形状散热器，根据实际需求也可以根据需求选择其他类型，例如液冷散热器、散热风扇等，散热器4用于实现所述功率模块1的热量耗散。
38.根据本实用新型的一个具体示例，如图4所示，采样控制板2可以包括：采样模块21、i/o接口(输入/输出接口)模块22和mcu，其中，采样模块 21用于采集输入端子in的输入电压和输入电流、每个输出端子out的输出电压和输出电流、功率模块1中固态开关的端电压以及功率模块中固态开关的温度；i/o接口模块22包括开入接口和开出接口，分别用于外部信号的输入和内部信号的输出；mcu分别与采样模块21、i/o接口模块22和功率模块1相连，mcu用于对功率模块1进行控制。
39.具体地，采样模块21可以进行功率模块1的电压信号、电流信号、温度信号等模拟信号的采集和处理，所采集信号可以用于设备的控制和保护。i/o接口模块22可包含开入接口和开出接口，分别用于外部信号的输入或者设备内部信号的输出。mcu可以是单片机、dsp(digitalsignal processing，数字信号处理)、plc(programmable logiccontroller，可编程逻辑控制器)等种的任意一种或多种组合，用于逻辑运算、数据 (温度数据、电压电流数据等)处理，栅极驱动信号发生、通讯等，同时该部分还可以对每个固态开关的开通次数和开通时间进行计算统计，根据说设置算法进行最优化匹配，mcu为设备的中心处理单元，负责整个设备的工作调度。
40.根据本实用新型的一个实施例，如图4所示，采样控制板2还可以包括：通讯模块23，通讯模块23与mcu相连，通讯模块23用于实现mcu与外部通讯。
41.具体地，通讯模块23可以为无线通讯模块，用于接收外部的控制信号和发送本设备的工作和状态信号。通讯模块23作为与外部的接口，可以负责设备间的信号的交互。
42.根据本实用新型的一个实施例，如图4所示，采样控制板2还可以包括：辅助电源24，辅助电源24包括隔离的一组或多组控制电源和隔离的至少一组驱动电源，其中，控制电源与mcu相连，控制电源用于对mcu、采样模块和通讯模块进行供电；驱动电源与功率模块相连，且一个驱动电源对应一个功率模块1，驱动电源用于对功率模块1进行供电。
43.具体地，辅助电源24可以是隔离结构的反激、正激、推完等拓扑结构，包含隔离的一组或多组控制电源和隔离的多组驱动电源，控制电源用于主控、采样、通讯等部分的供电，驱动电源用于功率模块1的供电。
44.根据本实用新型的一个实施例，如图1所示，功率模块1包括：第一开关组s和第二开关组k，第一开关组s包括一个开关单元，第一开关组s的开关单元的一端为输入端子in；第二开关组k包括多个开关单元，第二开关组k中的每个开关单元的一端与第一开关组s的开关单元的另一端相连，第二开关组k的每个开关单元的另一端作为输出端子out。
45.具体地，功率模块1采用固态开关构成的开关单元进行功率分配，固态开关包含但不限于可控硅(scr)、igbt(insulated gate bipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)、igct(integrated gate-commutatedthyristor，集成门极换流晶闸管)、mosfet(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)、
sic
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mosfet(碳化硅-金属-氧化物半导体场效应晶体管)、复合结构的sic
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mosfet以及gan(氮化镓)等。功率模块1可以将电源模块连接到n个充电枪中的任意一个。例如，图1中，如果一个功率模块1有12个充电枪，可以设有13个开关单元，固态开关分别为k1，k11、k12，k21、k22、 k31、k32、k41、k42、k51、k52、k61、k62、k71、k72、k81、k82、 k91、k92、k101、k102、k111、k112、k121、k122，k1构成一个开关单元，k11、k12构成一个开关单元、k21、k22构成一个开关单元、
……ꢀ
k121、k122构成一个开关单元。
46.针对每个功率模块1而言，第一开关组s包括1个开关单元，第二开关组k中包括n个开关单元，n为输出端子的个数(充电枪的个数)，通过控制第一开关组s中开关单元闭合和第二开关组k中的开关单元闭合，即可将电源模块连接到与第二开关组k中闭合的开关单元对应中的充枪。
47.如图5-7所示，根据本实用新型的一个实施例，第一开关组s或第二开关组k中的开关单元包括：正通路和负通路，正通路的两端分别为开关单元的正输入端+vin和正输出端+out，正通路的两端之间设置由正输入端
48.+vin至正输出端+out单向导电的一个固态开关，或者，在无开通信号时无法反向导通的双向导电的一个固态开关，或者由多个固态开关组成的在无开通信号时无法反向导通的双向导电的复合开关；负通路的两端分别为开关单元的负输入端-vin和负输出端-out，负通路的两端之间设置由负输出端
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out至负输入端-vin单向导电的一个固态开关，或者，在无开通信号时无法反向导通的双向导电的一个固态开关，或者由多个固态开关组成的在无开通信号时无法反向导通的双向导电的复合开关。
49.需要说明的是，在本实用新型的实施例中，正通路和负通路中的至少一个通路中的固态开关采用可控型固态开关。
50.在本实用新型的一个具体实施例中，如图5所示，如果正通路的两端之间设置在无开通信号时无法反向导通的双向导电的一个固态开关，且负通路的两端之间设置在无开通信号时无法反向导通的双向导电的一个固态开关，则可以在正通路的两端之间设置一组igbt，且负通路的两端之间设置一组 igbt，正通路的正输入端连接igbt的集电极，正通路的正输出端+out连接igbt的发射极，负通路的负输入端-vin连接igbt的发射极，负通路的负输出端-out连接igbt的集电极。
51.可以理解的是，当两辆分别接在两个充电终端的在充车辆的电池电压不同时，电池电压高的车辆对应的充电终端母线电压会通过另一组未导通开关的反并联二极管施加到电池电压低的车辆对应的充电终端母线，这会导致电池电压高的车辆向电池电压低的车辆和与之相连的充电模块放电，严重影响在充车辆及充电设施的充电安全。并且，如果车辆在充电过程中发生电流倒灌，也会严重影响充电安全。
52.为此，本实用新型采用在开关单元使用一个单向导电固态开关。具体而言，作为一种示例，如图6所示，如果开关单元使用一个单向导电固态开关，其电路结构可以是：正通路的两端之间设置在无开通信号时无法反向导通的双向导电的一个固态开关，且负通路的两端之间设置由负输出端-out至负输入端-vin单向导电的一个固态开关，具体可以在正通路的两端之间设置一组igbt，负通路的两端之间设置一组二极管，正通路的正输入端+vin连接 igbt的集电极，正通路的正输出端+out连接igbt的发射极，负通路的负输入端-vin连接二极管的阴极，负通路的负输出端-out连接二极管的阳极。
53.作为另一种示例，如图7所示，如果开关单元使用一个单向导电固态开关，其电路结构也可以是：正通路的两端之间设置多个固态开关组成的在无开通信号时无法反向导通的双向导电的复合开关，且负通路的两端之间设置由负输出端-out至负输入端-vin单向导电的一个固态开关，具体可以在正通路的两端之间设置两个源极相连的mosfet构成的复合开关，负通路的两端之间设置一组二极管，正通路的正输入端+vin连接复合开关的一个漏极，正通路的正输出端+out连接复合开关的另一个漏极，负通路的负输入端
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vin连接二极管的阴极，负通路的负输出端-out连接二极管的阳极。
54.可以理解，图6-7中正通路与负通路中的固态开关可以互换，器件连接方式的宗旨不变。
55.由此，第一开关组s中的开关单元使用一个单向导电固态开关限定电流的方向，则可以防止由电动汽车通过充电终端到充电模块的反向电流，避免反向电流损坏充电模块；第二开关组k中的开关单元使用一个单向导电固态开关限定电流的方向，可以防止两辆在充车辆因为电池电压不一致而在车辆之间产生环流，避免威胁充电车辆的安全。
56.根据本实用新型的一个实施例，如图1所示，第一开关组s还可以包括：采样电阻r，采样电阻r连接在第一开关组s的负通路中。
57.具体地，在功率分配单元中集成采样电阻，在外部有采样需求时，可以直接连接输入端子in的负端-，即可实现电流采样，无需单独设置相关的外围电路。
58.在本本实用新型的实施例中，功率模块1还可以包括：吸收电路，在吸收电路设置在功率模块1中的固态开关的两端，吸收电路用于吸收固态开关开通/关断时产生的电压应力和电流应力。
59.具体地，吸收电路靠近固态开关放置，用于吸收固态开关通断过程中的电压和电流尖峰，同时可以抑制开关震荡，减少emi(electromagneticinterferenc，电磁干扰)。
60.综上，根据本实用新型实施例的充电桩的功率分配系统，功率模块采用固态开关，可以显著提高功率模块的可靠性、寿命、响应速度以及集成度，且集成采样控制板，无需额外的控制单元即可实现相关的控制功能，无需增加额外的线束，既可以降低成本，又可以提高工作可靠性，将温度采样、电压电流采样等功能均集中在采样控制板上，可以大幅缩小设备的体积，提高设备布局的灵活。
61.此外，本实用新型还提出一种充电桩，包括本实用新型上述的充电桩的功率分配系统。
62.根据本实用新型的充电桩，通过上述的的充电桩的功率分配系统，功率模块采用固态开关，可以显著提高功率模块的可靠性、寿命、响应速度以及集成度，且集成采样控制板，无需额外的控制单元即可实现相关的控制功能，无需增加额外的线束，既可以降低成本，又可以提高工作可靠性。
63.在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体地限定。
64.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是
机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件车厢内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
65.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
66.应当理解，本实用新型的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
67.本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
68.此外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
69.上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
70.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。