CN107453462A - 一种高可靠大功率直流充电机 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种高可靠大功率直流充电机。包括有交流输入断路器、移相变压器、整流滤波电路、若干路充电***路，其中三相四线交流输入电压通过交流输入断路器与移相变压器连接，移相变压器的输出与整流滤波电路输入端连接，整流滤波电路输出端分出多路，分别与若干路充电***路连接。本发明从整体上设计直流充电机；各模块功能清晰，结构简单；整机的发热器件的散热通过大体积散热器散热；直流充电机仅仅需要对散热器散热；本发明的多枪设计方案提高了直流充电机的利用率；本发明的关键开关元件使用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）或SiC功率模块;提高充电机可靠性，降低充电机成本。

Description

一种高可靠大功率直流充电机
技术领域
本发明涉及充电技术领域，特别是涉及大功率直流充电机的设计，具体涉及一种高可靠大功率直流充电机。
背景技术
目前国内的直流充电机设计方案都是在交流三相四线制380V的输入条件下来进行二次设计的，其核心功率转换部件是三电平拓扑结构的直流充电模块，散热方式采用模块配备的主动风冷散热+充电机配备的风冷或液冷来散热，其存在如下相当明显的缺点：
1）直流充电机使用环境相当恶劣，一般情况下运营方不考虑设备的实际状况，直接将设备安装在露天环境下，温度、粉尘、潮湿、油污、霉变、盐雾、化学物质等等各类因素严重的损害着直流充电模块的使用寿命及模块内部的电子元器件及印刷电路板；国标要求的设备IP防护等级仅仅为IP54，在主动风冷的工作模式下无法阻断水汽、油污、盐雾、化学物质的进入，从而导致直流充电模块的不可逆的物理、化学损坏。
2）一般的15KW功率密度较高的主动风冷式直流充电模块内部使用了2个小直流风机（尺寸受限制），模块的散热完全依赖于直流风机；直流充电机再通过强制风冷的方式将模块内部小直流风机的风量吸出，任意一个风扇故障都会导致直流充电模块工作环境更恶劣，加速模块老化，缩短使用寿命。
3）使用15KW功率密度较高的直流充电模块作为充电机功率转换核心部件，虽然方便更换，但由于模块价格昂贵，直流机生产厂家在设计时不会预留足够功率裕量，导致直流充电模块的可靠性大大降低。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种高可靠大功率直流充电机。本发明各模块功能清晰，结构简单，直流充电机的利用率高，可靠性高，充电机成本低。
本发明的技术方案是：本发明的高可靠大功率直流充电机，包括有交流输入断路器、移相变压器、整流滤波电路、若干路充电***路，其中三相四线交流输入电压通过交流输入断路器与移相变压器连接，移相变压器的输出与整流滤波电路输入端连接，整流滤波电路输出端分出多路，分别与若干路充电***路连接。
上述每路充电***路包括有直流输入断路器、DC/DC功率变换电路、直流输出断路器、连接装置、非车载直流充电机控制器，直流输入断路器的输入端与整流滤波电路输出端连接，直流输入断路器的输出端与DC/DC功率变换电路连接，DC/DC功率变换电路的输出与直流输出断路器的输入端连接，直流输出断路器的输出端分别输出直流电经连接装置给电动汽车充电，直流输入断路器、直流输出断路器受到非车载直流充电机控制器的控制，各个直流充电模块都是独立工作且受到非车载直流充电机控制器的控制。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
1）本发明直流充电机的整机设计模块化，结构化；
本发明整个直流充电机的设计分为交流输入、整流滤波、功率转换、直流输出、连接装置和非车载直流充电机控制器组成；
其中，功率转换有独立的控制器，且与非车载直流充电机控制器实时通讯，更有利的保证了整个充电过程的可靠和安全；
交流输入和整流滤波电路是给后级多枪输出是后级多路输出的功率转换输出的公共部分；
2）本发明整机的主回路功率发热电子元件（包括交流整流二极管， LLC全桥谐振电路的开关管、高速整流管）安装在专用的大体积散热器上来散热；散热器通过充电机配备的风冷或液冷来散热；
3）本发明弱电控制电路封装在具有良好散热的壳体内，与功率发热元件隔热；提高充电机的IP防护等级，提高***恶劣环境下的使用寿命。
4）本发明整机采用多路输出设计。一方面提高充电机的使用效率；另一方面通过功率分配（***分配）或功率扩充（通过开关管的并联或整个LLC全桥谐振电路并联）满足了未来3～5年电动汽车对直流充电机功率增容的需求；
5）本发明关键开关元件使用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）或SiC功率模块替代传统直流充电电源模块中使用的场效应管（MOSFET）；简化电源电路设计，提高充电机可靠性，降低充电机成本。
本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的大功率直流充电机。
附图说明
图1为本发明大功率直流充电机的原理框图；
图2为本发明中整流滤波电路的原理框图；
图3为本发明中DC/DC功率变换电路的原理框图；
图4为本发明中DC/DC功率变换电路的电路原理图。
具体实施方式
实施例：
本发明的结构示意图如图1所示，本发明的高可靠大功率直流充电机，包括有交流输入断路器、移相变压器、整流滤波电路、若干路充电***路，其中三相四线交流输入电压通过交流输入断路器与移相变压器连接，移相变压器的输出与整流滤波电路输入端连接，整流滤波电路输出端分出多路，分别与若干路充电***路连接。
上述每路充电***路包括有直流输入断路器、DC/DC功率变换电路、直流输出断路器、连接装置、非车载直流充电机控制器，直流输入断路器的输入端与整流滤波电路输出端连接，直流输入断路器的输出端与DC/DC功率变换电路连接，DC/DC功率变换电路的输出与直流输出断路器的输入端连接，直流输出断路器的输出端分别输出直流电经连接装置给电动汽车充电，直流输入断路器、直流输出断路器受到非车载直流充电机控制器的控制，各个直流充电模块都是独立工作且受到非车载直流充电机控制器的控制。
本实施例中，上述移相变压器通过对交流输入电进行移相，基本上消除了交流输入电的低次谐波。本发明直流充电机可以连接多路充电***路，共用前级交流输入及其整流电路，支持多路充电枪同时充电。
本实施例中，上述整流滤波电路包括有由二极管D11～D22，C4组成的桥式整流滤波电路，其中D11～D16和D17～D22两个6脉冲整流桥的输出并联，且与滤波电容C4并联，输出稳定的直流电压，通过直流配电线路送至充电机。
本实施例中，上述二极管D11～D22是功率器件；上述功率器件安装在第一散热器上；第一散热器采用风冷或液冷散热器。
本实施例中，上述DC/DC功率变换电路包括有LLC全桥逆变电路、高频变压器、高频整流电路、防倒灌直流输出电路、DC/DC PWM隔离驱动控制电路、DC/DC控制器，其中LLC全桥逆变电路的输入端与PFC整流电路的输出端连接， LLC全桥逆变电路的输出端与高频变压器的初级线圈连接，高频变压器的次级线圈与高频整流电路的输入端连接，高频整流电路的输出端与防倒灌直流输出电路的输入端连接，防倒灌直流输出电路的输出端与充电汽车连接，DC/DC控制器通过DC/DC PWM隔离驱动控制电路驱动LLC全桥逆变电路的开关管，高频整流电路的输出电压、电流还通过DC/DC PWM隔离驱动控制电路采样给DC/DC控制器。
本实施例中，上述LLC全桥逆变电路包括四个开关器件及其***电路，四个开关器件分别是Q1、Q2、Q3、Q4 ，Q1的门极、Q2的门极、Q3的门极、Q4的门极都与DC/DC PWM隔离驱动控制电路连接，Q1的发射极、Q2的集电极、Q3的发射极、Q4的集电极都与高频变压器T2的初级线圈连接，Q1的集电极及Q3的集电极与电解电容C2的正端连接，Q2的发射极及Q4的发射极都与电解电容C2的负端连接，上述电解电容C2是铝电解电容。高频整流电路包括有由二极管D9、D10、D11、D12组成的桥式整流电路；防倒灌直流输出电路包括有二极管D8，二极管D8的阳极与由二极管D9、D10、D11、D12组成的桥式整流电路的输出端正端连接，二极管D8的阴极与汽车的输入端连接。
本实施例中，上述四个开关器件Q1、Q2、Q3、Q4是大功率元件；高频整流电路中的二极管D9、D10、D11、D12是大功率元件；防倒灌直流输出电路中的二极管D8是大功率元件；上述大功率元件安装在大功率元件散热器上；大功率元件散热器是风冷或液冷散热器；DC/DC控制器和DC/DC PWM隔离驱动电路封装在弱电壳体内，弱电壳体与大功率元件散热器隔离实现热。
本实施例中，上述开关器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5既可以采用绝缘栅双极型晶体管IGBT，又可以采用SiC功率模块。
本实施例中，上述直流充电机可以连接多路充电枪回路，共用PFC整流电路，支持多路充电枪同时充电。
本发明的工作原理如下：待充电汽车与充电机的充电***路连接，待充电汽车上的车载电池管理***（BMS）通过CAN与充电机上的非车载直流充电机控制器进行通信；本发明开始工作时，三相四线交流电直接经交流输入断路器、移相变压器及整流滤波电路，变成直流电，直流电分出多路，分别与多路DC/DC功率变换电路的输入端连接，各DC/DC功率变换电路的输出端分别输出符合充电机上的非车载直流充电机控制器下发要求的直流电经连接装置给电动汽车充电。充电机的非车载直流充电机控制器在接收到充电需求后，在保证人员、设备安全的条件下，根据车载电池管理***（BMS）需求，按照充电机自身各DC/DC功率变换电路最大充电能力和车载电池管理***（BMS）需求的较小值下发输出电压、电流指令给各DC/DC功率变换电路，各DC/DC功率变换电路输出电压、电流通过连接装置给待充电汽车的车载电池充电。

Claims (10)

1.一种高可靠大功率直流充电机，其特征在于包括有交流输入断路器、移相变压器、整流滤波电路、若干路充电***路，其中三相四线交流输入电压通过交流输入断路器与移相变压器连接，移相变压器的输出与整流滤波电路输入端连接，整流滤波电路输出端分出多路，分别与若干路充电***路连接。
2.根据权利要求1所述的高可靠大功率直流充电机，其特征在于上述每路充电***路包括有直流输入断路器、DC/DC功率变换电路、直流输出断路器、连接装置、非车载直流充电机控制器，直流输入断路器的输入端与整流滤波电路输出端连接，直流输入断路器的输出端与DC/DC功率变换电路连接，DC/DC功率变换电路的输出与直流输出断路器的输入端连接，直流输出断路器的输出端分别输出直流电经连接装置给电动汽车充电，直流输入断路器、直流输出断路器受到非车载直流充电机控制器的控制，各个直流充电模块都是独立工作且受到非车载直流充电机控制器的控制。
3.根据权利要求2所述的高可靠大功率直流充电机，其特征在于上述整流滤波电路包括有由二极管D11～D22及滤波电容C4组成的桥式整流滤波电路，其中二极管D11～D16和二极管D17～D22两个6脉冲整流桥的输出并联，且与滤波电容C4并联，输出稳定的直流电压，通过直流配电线路送至充电机。
4.根据权利要求2所述的高可靠大功率直流充电机，其特征在于上述二极管D11～D22是功率器件；上述功率器件安装在第一散热器上；第一散热器采用风冷或液冷散热器。
5.根据权利要求2至4任一项所述的高可靠大功率直流充电机，其特征在于上述各个充电支路输入电压为0.6Kv～1Kv直流电压。
6.根据权利要求5所述的高可靠大功率直流充电机，其特征在于上述DC/DC功率变换电路包括有LLC全桥谐振电路、高频变压器、高频整流电路、防倒灌直流输出电路、DC/DC PWM隔离驱动控制电路、DC/DC控制器，其中直流电通过LLC全桥谐振电路，LLC全桥谐振电路与高频变压器输入端连接，高频变压器输出与高频整流电路连接，高频整流电路与防倒灌直流输出电路连接， DC/DC控制器通过DC/DC PWM隔离驱动控制电路控制LLC全桥谐振电路的工作及采样输出端的电压、电流值。
7.根据权利要求6所述的高可靠大功率直流充电机，其特征在于上述LLC全桥谐振电路包括四个开关器件及其***电路，四个开关器件分别是Q1、Q2、Q3、Q4 ，Q1的门极、Q2的门极、Q3的门极、Q4的门极都与DC/DC PWM隔离驱动控制电路连接，Q1的发射极、Q2的集电极、Q3的发射极、Q4的集电极都与高频变压器T2的初级线圈连接，Q1的集电极及Q3的集电极与电解电容C2的正端连接，Q2的发射极及Q4的发射极都与电解电容C2的负端连接，高频整流电路包括有由二极管D9、D10、D11、D12组成的桥式整流电路；防倒灌直流输出电路包括有二极管D8，二极管D8的阳极与由二极管D9、D10、D11、D12组成的桥式整流电路的输出端正端连接，二极管D8的阴极与汽车的输入端连接。
8.根据权利要求6所述的高可靠大功率直流充电机，其特征在于上述LLC全桥谐振电路的四个开关器件Q1、Q2、Q3、Q4是大功率元件；高频整流电路中的二极管D9、D10、D11、D12是大功率元件；防倒灌直流输出电路中的二极管D8是大功率元件。
9.根据权利要求8所述的高可靠大功率直流充电机，其特征在于上述大功率元件安装在大功率元件散热器上；大功率元件散热器是风冷或液冷散热器；DC/DC控制器和DC/DCPWM隔离驱动电路封装在弱电壳体内，弱电壳体与大功率元件散热器隔离实现隔热。
10.根据权利要求8所述的高可靠大功率直流充电机，其特征在于上述开关器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5采用绝缘栅双极型晶体管IGBT，或采用SiC功率模块。
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