CN108528249A - 群控充电***及矩阵开关模块 - Google Patents

群控充电***及矩阵开关模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种群控充电***及矩阵开关模块，充电***包括N个充电机模块、N个矩阵开关模块及M个充电桩模块，N≥2，M≥2；各矩阵开关模块均包括一个输入端口和M个输出端口，各矩阵开关模块的输入端口与对应的充电机模块相连，且各个输出端口与各充电桩模块一一对应相连，各个矩阵开关模块均包括M条开关支路，开关支路中串设有半导体器件开关管和开关，各开关支路的一端连接矩阵开关模块的输入端口，另一端与矩阵开关模块的输出端口一一对应连接。本发明通过在各个开关支路中串设半导体器件开关，通过控制半导体器件开关时序实现输出回路零电流开通及零电压关断，有效保护了开关支路中的开关，延长了开关的使用寿命，提高了充电可靠性。

Description

群控充电***及矩阵开关模块
技术领域
本发明涉及一种群控充电***及矩阵开关模块，属于电动汽车技术领域。
背景技术
随着能源与环境成为当前全球的聚焦点，国家对国际社会节能减排号召的积极响应，更加节能、环保的新能源电动汽车的发展越来越快，电动汽车产业得到大力发展，同时电动汽车产业也是汽车产业结构调整和中国汽车产业发展的迫切需要。随着电动汽车的大力推广，快速充电是电动汽车未来电能供给模式的主要发展趋势。为了实现电动汽车的电能快速补给，充电机的功率变得越来越大，目前国内电动汽车的种类繁多，各型号电动汽车对于充电设施的功率需求大小要求不一，导致大功率充电设施功率容量不能够得到有效的充分利用。
公布号为CN107128195A的中国专利文件公开了一种充电机，该充电机包括多个充电模块，各个充电模块都与供电电网相连并且通过一个直流高压继电器与多个枪插头相连接，当车辆需要进行充电时，可以控制好使用哪些充电模块给哪把枪进行充电，能够根据用户充电需要自动调节充电输出功率。但是，该专利文件中的直流高压继电器的触点容易坏掉，影响继电器的使用寿命，进一步降低了充电的可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种群控充电***及矩阵开关模块，用于解决现有用于群控的充电***中的直流高压继电器的寿命短影响充电可靠性的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种群控充电***，包括N个充电机模块、N个矩阵开关模块及M个充电桩模块，N≥2，M≥2；各矩阵开关模块均包括一个输入端口和M个输出端口，各矩阵开关模块的输入端口与对应的充电机模块相连，且各个输出端口与各充电桩模块一一对应相连，各个矩阵开关模块均包括M条开关支路，所述开关支路中串设有半导体器件开关管和开关，各开关支路的一端连接矩阵开关模块的输入端口，另一端与矩阵开关模块的输出端口一一对应连接。
本发明的有益效果是：通过在各个开关支路中串设半导体器件开关，由于半导体器件开关的迟滞控制方法能够实现输出回路中开关的零电流开通及零电压关断，有效保护了开关，延长了开关的使用寿命，提高充电的可靠性；可实现根据充电终端车辆充电需求功率的大小对充电机模块的输出进行合理分配，充分利用充电***的剩余充电功率输出，提高了充电桩的输出功率的利用效率。
进一步的，为了便于开关支路与矩阵开关模块的输入端口之间的接线，并限定半导体器件开关管的具体连接位置，所述矩阵开关模块的输入端口包括正输入端口和负输入端口，所述矩阵开关模块的输出端口包括正输出端口和负输出端口，所述开关支路包括正开关支路和负开关支路；各正开关支路的一端通过一个正直流母线连接正输入端口，另一端与正输出端口一一对应连接，各负开关支路的一端通过一个负直流母线连接负输入端口，另一端与负输出端口一一对应连接；正开关支路和负开关支路中均串设有开关，各个正开关支路和/或负开关支路中串设有对应的所述半导体器件开关管。
进一步的，为了实现半导体器件开关管的控制可靠性，所述半导体器件开关管为IGBT或MOS管。
进一步的，为了实现开关支路中串联开关的自动化控制，开关支路中串设的开关为接触器开关或继电器开关。
进一步的，为了实现整个充电过程的自动化控制，包括功率控制单元、矩阵开关控制单元及充电控制单元，功率控制单元、矩阵开关控制单元及充电控制单元之间通讯连接，其中充电控制单元用于获取车辆充电信息，并将获取的车辆充电信息发送给功率控制单元，功率控制单元用于根据车辆充电信息分配所需使用的充电机模块和矩阵开关模块，并将分配结果发送给矩阵开关控制单元；所述功率控制单元控制连接各充电机模块，矩阵开关控制单元控制连接各矩阵开关模块。
本发明还提供了一种矩阵开关模块，包括一个输入端口和M个输出端口，M≥2；输入端口用于与对应的充电机模块相连，且各个输出端口用于与各充电桩模块一一对应相连，还包括M条开关支路，所述开关支路中串设有半导体器件开关管和开关，各开关支路的一端连接输入端口，另一端与输出端口一一对应连接。
进一步的，输入端口包括正输入端口和负输入端口，输出端口包括正输出端口和负输出端口，所述开关支路包括正开关支路和负开关支路；各正开关支路的一端通过一个正直流母线连接正输入端口，另一端与正输出端口一一对应连接，各负开关支路的一端通过一个负直流母线连接负输入端口，另一端与负输出端口一一对应连接；正开关支路和负开关支路中均串设有开关，各个正开关支路和/或负开关支路中串设有对应的所述半导体器件开关管。
进一步的，所述半导体器件开关管为IGBT或MOS管。
进一步的，开关支路中串设的开关为接触器开关或继电器开关。
附图说明
图1是本发明的群控充电***的结构框图；
图2是本发明的矩阵开关模块实施例1的结构框图；
图3是本发明的矩阵开关模块实施例2的结构框图；
图4是本发明的矩阵开关模块实施例3的结构框图；
图5是本发明的电动汽车群控充电方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
本发明提供了一种群控充电***，其结构框图如图1所示，包括N个充电机模块、N个矩阵开关模块及M个充电桩模块，N≥2，M≥2。其中，各充电机模块、矩阵开关模块以及充电桩模块均设置有对应的编号及地址。各个充电机模块采用分体式设计，进行集中设计及安装，充电机模块和充电桩模块隔离分开，各充电桩模块根据需要分散安装，减小了充电机的建设用地面积，大大减小了城市充电设施布局的建设成本，对于电动汽车的推广有着积极的意义。
各个矩阵开关模块均为一路输入转多路输出，包括一个输入端口以及M个输出端口，如图1所示，各矩阵开关模块的输入端口与对应的充电机模块(充电机模块组)相连，且各个输出端口与各个充电桩模块一一对应相连，以实现每个充电机模块通过对应的矩阵开关模块与各个充电桩模块相连接。每个矩阵开关模块包括M个开关支路，各开关支路中串设有半导体器件开关管和开关，各开关支路的一端连接矩阵开关模块的输入端口，另一端与矩阵开关模块的输出端口一一对应连接。
上述群控充电***通过矩阵开关模块，对电动汽车充电机模块的输出回路进行扩展连接各个充电桩模块，实现电动汽车直流充电机模块多路输出。当多个充电终端(充电桩模块)同时进行充电时，根据各充电终端所连接的电动汽车充电需要对各充电终端的输出功率进行智能分配与调节，充分利用充电机模块的功率容量，有效提高了大功率充电桩的功率容量的利用效率。其中，各个充电终端的输出功率调节范围为零至充电***额定最大输出功率。
如图2给出了各矩阵开关模块实施例1内部的连接示意图，矩阵开关模块的输入端口包括正输入端口IN+和负输入端口IN-，各个输出端口包括正输出端口和负输出端口，各个开关支路包括正开关支路和负开关支路。各个正开关支路的一端连接矩阵开关模块的正输入端口IN+，另一端与矩阵开关模块的正输出端口一一对应连接；各个负开关支路的一端连接矩阵开关模块的负输入端口IN-，另一端与矩阵开关模块的负输出端口一一对应连接。在本实施例中，各个正开关支路通过一个正直流母线连接正输入端口IN+，各负开关支路通过一个负直流母线连接负输入端口IN-。当然，作为其他的实施方式，各个正开关支路也可以直接连接正输入端口IN+，各个负开关支路直接连接负输入端口IN-。各正开关支路和负开关支路中均串设有一个开关，各正开关支路中还均串设有一个半导体器件开关管。当然，作为其他的实施方式，每个正开关支路或负开关支路中串设的开关数目也可以是2个或者多个。其中，半导体器件开关管可以是IGBT、MOS管或者是其他的满足充电需求的可控功率开关器件；开关支路中串设的开关可以是接触器开关、继电器开关或者是其他的控制开关或不控开关。
图3给出了各矩阵开关模块实施例2内部的连接示意图，与图2中的矩阵开关模块实施例1相比，其变化是不再在各正开关支路串设有半导体器件开关管，而是在各负开关支路中串设半导体器件开关管。图4给出了各矩阵开关模块实施例3内部的连接示意图，与图2中的矩阵开关模块实施例1相比，其变化是在各负开关支路中也串设有对应的半导体器件开关管。矩阵开关模块实施例1、2和3仅仅是半导体器件开关管设计位置的变化，半导体器件开关管的控制方法完全相同，其作用仍然是实现相应开关的零电流开通及零电压关断。
在本实施例中，为了实现每个充电机模块通过对应的矩阵开关模块与各个充电桩模块相连接，将每个矩阵开关模块的各个输出端口均对应连接一个母线。例如，各个矩阵开关模块的输出端口1-1，2-1，…，M-1均分别连接1#母线，2#母线，…，M#母线，并且1#母线，2#母线，…，M#母线分别连接1#充电桩模块，2#充电桩模块，…，M#充电桩模块。上述的矩阵开关模块采用模块化标准设计和批量化生产，有利于产品的标准化，可以实现充电机的输出终端扩展，***兼容性强，可有效地降低产品的生产成本和维护成本，且方便安装及维护。
需要说明的是，矩阵开关模块的输出端口的数目M并不限定，可以根据充电桩模块的数目进行设定，也可以等于充电***中矩阵开关模块的数目N，以保证每个充电机模块通过其对应的矩阵开关模块，可以与各个充电桩模块进行连接。
上述群控充电***还包括设置有通讯接口的功率控制单元、矩阵开关控制单元及(充电桩)充电控制单元，功率控制单元、矩阵开关控制单元及充电控制单元之间通讯连接。功率控制单元(群充控制单元)和各充电机模块设置有对应的通讯接口，功率控制单元通过一个通信母线与各充电机模块检测连接。矩阵开关控制单元与各矩阵开关模块设置有对应的通讯接口，矩阵开关控制单元通过一个通信母线与各矩阵开关模块通讯连接。
群控充电***中的充电机模块、矩阵开关模块、充电桩模块、功率控制单元、矩阵开关控制单元及充电控制单元相互配合，可以实现一种电动汽车群控充电方法，该充电方法通过矩阵开关模块内部的电路拓扑及在开机阶段、关机阶段对于内部相应正负开关支路上的开关和半导体器件的迟滞控制，能够实现开关的零电流开通和零电压关断，有效保护了开关支路中的开关，延长开关的使用寿命，提高充电***的工作可靠性，其流程图如图5所示，包括以下步骤：
1)当某一个充电终端需要充电操作时，充电控制单元与功率控制单元进行报文交互，功率控制单元计算充电***中是否有剩余未分配功率余量，若存在剩余未分配功率余量，判断该充电终端的当前工作状态，即是正常状态还是暂停服务状态。
2)当充电***中有未分配输出功率余量时，获取充电终端电动汽车所需输出电压和电流参数，将充电终端电动汽车的充电需求功率与充电***的剩余未分配功率进行比较，由功率控制单元根据比较结果为该充电终端分配所需使用的充电机模块和矩阵开关模块，向上述分配使用的矩阵开关模块、充电机模块下发开机命令。
3)根据充电终端的编号及地址，控制矩阵开关模块内部相应编号的开关支路上的开关(继电器或者接触器等)开通，待开关完全开通后，控制矩阵开关模块内部相应的半导体器件开关管开通，充电***根据电动汽车的充电需求调整充电机模块的输出参数，各矩阵开关模块相应输出端口并联后向电动汽车提供充电服务，充电***正式进入充电阶段，矩阵开关模块内部正负开关支路上的开关和半导体的迟滞控制方法实现了正负开关支路上的开关的零电流开通，有效保护了开关，即接触器或继电器的触点，延长了接触器或继电器的使用寿命，提高充电***的工作可靠性。
4)充电结束当进入关机流程时，控制矩阵开关模块内部相应的半导体器件开关管关断，待半导体器件开关管完全关断后，控制矩阵开关模块内部相应的开关支路上的开关(继电器或者接触器等)关断，矩阵开关模块内部正负开关支路上的开关和半导体的迟滞控制方法实现了正负开关支路上的开关的零电压关断。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种群控充电***，其特征在于，包括N个充电机模块、N个矩阵开关模块及M个充电桩模块，N≥2，M≥2；各矩阵开关模块均包括一个输入端口和M个输出端口，各矩阵开关模块的输入端口与对应的充电机模块相连，且各个输出端口与各充电桩模块一一对应相连，各个矩阵开关模块均包括M条开关支路，所述开关支路中串设有半导体器件开关管和开关，各开关支路的一端连接矩阵开关模块的输入端口，另一端与矩阵开关模块的输出端口一一对应连接。
2.根据权利要求1所述的群控充电***，其特征在于，所述矩阵开关模块的输入端口包括正输入端口和负输入端口，所述矩阵开关模块的输出端口包括正输出端口和负输出端口，所述开关支路包括正开关支路和负开关支路；各正开关支路的一端通过一个正直流母线连接正输入端口，另一端与正输出端口一一对应连接，各负开关支路的一端通过一个负直流母线连接负输入端口，另一端与负输出端口一一对应连接；正开关支路和负开关支路中均串设有开关，各个正开关支路和/或负开关支路中串设有对应的所述半导体器件开关管。
3.根据权利要求1或2所述的群控充电***，其特征在于，所述半导体器件开关管为IGBT或MOS管。
4.根据权利要求1或2所述的群控充电***，其特征在于，开关支路中串设的开关为接触器开关或继电器开关。
5.根据权利要求1或2所述的群控充电***，其特征在于，包括功率控制单元、矩阵开关控制单元及充电控制单元，功率控制单元、矩阵开关控制单元及充电控制单元之间通讯连接，其中充电控制单元用于获取车辆充电信息，并将获取的车辆充电信息发送给功率控制单元，功率控制单元用于根据车辆充电信息分配所需使用的充电机模块和矩阵开关模块，并将分配结果发送给矩阵开关控制单元；所述功率控制单元控制连接各充电机模块，矩阵开关控制单元控制连接各矩阵开关模块。
6.一种矩阵开关模块，其特征在于，包括一个输入端口和M个输出端口，M≥2；输入端口用于与对应的充电机模块相连，且各个输出端口用于与各充电桩模块一一对应相连，还包括M条开关支路，所述开关支路中串设有半导体器件开关管和开关，各开关支路的一端连接输入端口，另一端与输出端口一一对应连接。
7.根据权利要求6所述的矩阵开关模块，其特征在于，输入端口包括正输入端口和负输入端口，输出端口包括正输出端口和负输出端口，所述开关支路包括正开关支路和负开关支路；各正开关支路的一端通过一个正直流母线连接正输入端口，另一端与正输出端口一一对应连接，各负开关支路的一端通过一个负直流母线连接负输入端口，另一端与负输出端口一一对应连接；正开关支路和负开关支路中均串设有开关，各个正开关支路和/或负开关支路中串设有对应的所述半导体器件开关管。
8.根据权利要求6或7所述的矩阵开关模块，其特征在于，所述半导体器件开关管为IGBT或MOS管。
9.根据权利要求6或7所述的矩阵开关模块，其特征在于，开关支路中串设的开关为接触器开关或继电器开关。
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