CN113410982B - 一种充电桩***的泄放模块及其执行主动泄放的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种充电桩***的泄放模块及其执行主动泄放的方法，当满足主动泄放条件时，通过两个控制信号控制主动泄放执行与停止，而提高主动泄放的可靠性，在泄放过程中，通过实时监控泄放电阻消耗的能量，设定泄放电阻执行泄放时所能承受的最大能量，当泄放电阻消耗的能量超过能量阈值曲线时，立即停止主动泄放，保护泄放电阻过热损坏，并在两次主动泄放之间设定最少1S的间隔时间，以保证泄放电阻不会因为长时间周期执行主动泄放而热量叠加导致过热损坏，避免明火的发生，而实现可靠、安全的主动泄放。

Description

一种充电桩***的泄放模块及其执行主动泄放的方法
技术领域
本发明涉及电源领域，尤其是一种充电桩***的泄放模块执行主动泄放的方法。
背景技术
在巨大的碳排放压力和严重的空气污染的背景下，发展电动汽车刻不容缓。然而由于充电设施建设缓慢，车桩配比严重失衡，电动汽车的推广受到了限制。***、能源局、工信部、住建部联合印发的《电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020)》明确指出了我国充电基础设施的发展目标：到2020年，我国需要建成1.2万座集中充换电站，480万个分散充电桩，满足全国500万辆电动汽车充电需求。
传统的充电桩市场没有规范的标准，存在如下问题：
电网安全：电动汽车的无序充电要求电网更高的负载容量。
设备安全：大量充电桩需要在露天环境下使用，一些没有达到防雨防雾防尘防雷要求的充电桩，在恶劣环境下可能造成设备损坏或者引起事故。
充电安全及兼容性：前期由于电动汽车接口标准和电压标准的不统一，导致大多数充电桩只能给部分车型供电。
人身安全：电动汽车直流充电桩由380V供电，一些没有安全防护，没有漏电保护的充电桩可能对操作人员造成生命危险。
对此，国内外出台诸多相关政策以规范市场，如IEC/TR 60783《电动道路车辆的电缆和连接器》、IEC62196《插头、插座、车辆耦合器和车辆接口---电动车辆传导充电》；美国汽车工程师协会(SAE)制定的接口标准，包括SAE J1772《电动车辆传导充电连接器》，日本汽车协会(JEVS)和日本电动车充电协会(CHAdeMO)制定的接口标准，包括JEVSC601《电动车辆用插头插座》、JEVSGl03《电动汽车在经济充电站快速充电***使用的充电接头》、JEVSGl05《电动汽车在经济充电站快速充电***使用的连接器电动车辆用插头插座》。
我国也相继发布了T18474.1-2015《电动汽车传导充电***第1部分：一般要求》、GBT20234.1-2015《电动汽车传导充电用连接装置第1部分：通用要求》、GBT20234.2-2015《电动汽车传导充电用连接装置第2部分：交流充电接口》、GBT20234.3-2015《电动汽车传导充电用连接装置第3部分：直流充电接口》等。
根据GB18487.1-2015的要求，充电机进行绝缘检测(IMD)之后，应及时对充电桩内的功率变换器的输出电容上的残余高压进行泄放，避免在充电阶段对电动车电池负载产生电压冲击。充电结束后，应及时对功率变换器内的输出电容上的残余高压进行泄放，避免对操作人员造成电击伤害。泄放回路的参数选择也应保证在充电连接器断开之后1S内将供电接口电压降到60V DC以下。并因停电等原因，充电回路或者控制回路失去电力时，非车载充电机应在1S内断开输出继电器或者通过泄放电路在1S内将供电接口电压降到60V DC以下。
因此，如何保证输出电容上的残余高压的安全可靠泄放，成为业界研究的重点。
发明内容
本发明提出一种充电桩***的泄放模块，充电桩***包括至少一功率变换器，用于将交流电变换为直流电或将一直流电变换为另一直流电，每一功率变换器均包括一输出电容和泄放模块，泄放模块包括：主动泄放电路，并联在功率变换器内的输出电容的两端，主动泄放电路包括串联连接的泄放开关和泄放电阻；微控制器，用于输出第一控制信号和第二控制信号；泄放开关控制单元，连接微控制器，接收第一控制信号和第二控制信号，并根据第一控制信号和第二控制信号输出用于控制泄放开关导通和关断的开关控制信号，泄放开关的控制端接收开关控制信号。
更进一步的，当需要执行主动泄放时，微控制器输出的第一控制信号和第二控制信号使得经泄放开关控制单元产生的开关控制信号控制使得泄放开关导通；当不需要执行主动泄放时，微控制器输出的第一控制信号和第二控制信号使得经泄放开关控制单元产生的开关控制信号控制使得泄放开关关断。
更进一步的，充电桩***还包括能量管理器，用于输出主动泄放指令给功率变换器内的微控制器，当需要执行主动泄放时，微控制器根据主动泄放指令输出第一控制信号和第二控制信号，第一控制信号和第二控制信号使得经泄放开关控制单元产生的开关控制信号控制使得泄放开关导通。
更进一步的，泄放开关控制单元包括：第一输入端，用于接收第一控制信号，第一输入端连接第一开关管的控制端，并经第一阻抗单元连接第一开关管的第一端，第一开关管的第二端连接电压源端，并连接第二开关管的控制端，第二开关管的第一端连接第一开关管的第一端，第二开关管的第二端通过第四电阻连接电压源端；第二输入端，用于接收第二控制信号，第二输入端连接第三开关管的控制端，并经第二阻抗单元连接第三开关管的第一端，第三开关管的第一端还连接第二开关管和第一开关管的第一端，第三开关管的第二端连接第五十一电阻的第一端，第五十一电阻的第二端经第五电阻连接第二开关管的第二端，第五十一电阻的第二端与第三开关管的第一端之间还连接有第三阻抗单元，第五十一电阻的第二端构成泄放开关控制单元的输出端，用于输出开关控制信号。
更进一步的，第三阻抗单元内的电阻的阻值大于第四电阻、第五电阻和第五十一电阻的阻值。
更进一步的，泄放开关控制单元包括：第一输入端，用于接收第一控制信号，第一输入端连接第四开关管的控制端，并经第四阻抗单元连接第四开关管的第一端，第四开关管的第二端经第九电阻连接电压源端，并连接第八电阻的第一端，第八电阻的第二端输出开关控制信号，第一输入端还经第七电阻连接电压源端；第二输入端，用于接收第二控制信号，第二输入端连接第五开关管的控制端，并经第五阻抗单元连接第五开关管的第一端，第五开关管的第二端连接第六电阻的第一端，第六电阻的第二端连接第八电阻的第二端，第六电阻的第二端还经第十电阻接地，第四开关管的第一端和第五开关管的第一端接地，电压源端经第五电容接地。
更进一步的，泄放电阻为多个电阻的串并联。
本发明还提供一种充电桩***的泄放模块执行主动泄放的方法，包括：S11：微控制器判断是否收到能量管理器发出的主动泄放指令，若否则继续判断是否收到能量管理器发出的主动泄放指令，若是则进入步骤S12；S12：微控制器判断是否满足主动泄放条件，若否则继续判断是否收到能量管理器发出的主动泄放指令，若是则进入步骤S13；S13：微控制器输出第一控制信号和第二控制信号，泄放开关控制单元根据第一控制信号和第二控制信号输出用于控制泄放开关导通的开关控制信号，而执行主动泄放，进入步骤S14；S14：微控制器判断是否触发主动泄放保护或主动泄放执行时间是否到1S，若否则继续判断是否触发主动泄放保护或主动泄放执行时间是否到1S，如是则进入S15；S15：微控制器输出第一控制信号和第二控制信号，泄放开关控制单元根据第一控制信号和第二控制信号输出用于控制泄放开关关断的开关控制信号，而停止执行主动泄放，若步骤S14中在执行主动泄放时触发了主动泄放保护，则故障标志位赋值1，否则赋值0，进入步骤S16；S16：微控制器判断故障标志位是否置1，若否则结束，若是则进入步骤S17；S17：上报主动泄放故障。
更进一步的，步骤S11中的主动泄放指令包括多个指令条件。
更进一步的，步骤S11中的主动泄放指令包括：输出电压指令小于等于100V；输出电流指令等于0A；收到关机指令。
更进一步的，步骤S12中的主动泄放条件包括：功率变换器输出电压大于60V；距离上一次执行主动泄放的时间不小于△t。
更进一步的，所述△t大于等于1s。
更进一步的，步骤S14中微控制器判断是否触发主动泄放保护为：判断泄放电阻消耗的能量是否超过泄放电阻所能承受的最大能量。
附图说明
图1为一实施例的充电桩***框图示意图。
图2为另一实施例的充电桩***框图示意图。
图3为被动泄放电路示意图。
图4为主动泄放电路示意图。
图5为本发明一实施例的功率变换器内的泄放模块框图示意图。
图6为本发明一实施例的泄放开关控制单元的电路示意图。
图7为本发明另一实施例的泄放开关控制单元的电路示意图。
图8为本发明另一实施例的功率变换器内的泄放模块框图示意图。
图9为本发明一实施例的泄放模块执行主动泄放的流程图。
图10为泄放电阻细部示意图。
图11为1206电阻持续脉冲功率曲线示意图。
图12为开关控制信号波形图。
图13为泄放能量计算示意图。
图14为泄放能量计算示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示的一实施例的充电桩***框图示意图，该充电桩***为包括一个充电枪，即第一充电枪114的***。具体的，该充电桩***包括交流电源130、第一AC/DC变换器111、第一DC/DC变换器112和第一电池包113，第一AC/DC变换器111的输入端连接交流电源130，用于将交流电变换为第一直流电U11，第一DC/DC变换器112的输入端连接第一AC/DC变换器111的输出端，用于将第一直流电U11变换为第二直流电U12而为第一充电枪114供电，其中第一AC/DC变换器111的输出端还连接第一电池包113，以存储第一AC/DC变换器111输出的能量，如此在用电低谷时，可通过第一AC/DC变换器111将交流电源130变换为第一直流电U11而存储在第一电池包113内，则可在交流电源130断电或用电高峰时，将预先存储在第一电池包113内的能量经第一DC/DC变换器112变换为第二直流电U12而为第一充电枪114供电。另充电桩***还包括第一继电器K1、第二继电器K2、第三继电器K3和第四继电器K4，第一继电器K1连接在交流电源130与第一AC/DC变换器111之间，第二继电器K2连接在第一AC/DC变换器111的输出端与第一连接端点对d1和d2之间，第三继电器K3连接在第一连接端点对d1和d2与第一DC/DC变换器112的输入端之间，第四继电器K4连接在第一连接端点对d1和d2与第一电池包113之间。充电桩***还包括连接在第一AC/DC变换器111的输出端与第一DC/DC变换器112的输出端之间的跨接继电器K5，用于当车端电池充电需求(BCL)大于第一DC/DC变换器112的最大功率输出时，可闭合跨接继电器K5而将第一AC/DC变换器111的输出端与第一DC/DC变换器112的输出端并联而满足车端BCL请求。充电桩***还包括输出继电器K10，连接在第一DC/DC变换器112的输出端与第一充电枪114之间。
请参阅图2所示的另一实施例的充电桩***框图示意图，该充电桩***为包括两个充电枪，即第一充电枪114和第二充电枪124的***。为第一充电枪114供电的电路结构与图1中描述的相同，在此不再赘述。更具体的，该充电桩***还包括第二AC/DC变换器121、第二DC/DC变换器122和第二电池包123，第二AC/DC变换器121的输入端连接交流电源130，用于将交流电变换为第三直流电U21，第二DC/DC变换器122的输入端连接第二AC/DC变换器121的输出端，用于将第三直流电U21变换为第四直流电U22而为第二充电枪124供电，其中第二AC/DC变换器121的输出端还连接第二电池包123，以存储第二AC/DC变换器121输出的能量，如此在用电低谷时，可通过第二AC/DC变换器121将交流电源130变换为第三直流电U21而存储在第二电池包123内，则可在交流电源130断电或用电高峰时，将预先存储在第二电池包123内的能量经第二DC/DC变换器122变换为第四直流电U22而为第二充电枪124供电。另充电桩***还包括第六继电器K6、第七继电器K7和第八继电器K8，第二AC/DC变换器121的输入端还连接第一继电器K1，第六继电器K6连接在第二AC/DC变换器121的输出端与第二连接端点对d3和d4之间，第七继电器K7连接在第二连接端点对d3和d4与第二DC/DC变换器122的输入端之间，第八继电器K8连接在第二连接端点对d3和d4与第二电池包123之间。充电桩***还包括连接在第二AC/DC变换器121的输出端与第二DC/DC变换器122的输出端之间的跨接继电器K9，用于当车端电池充电需求(BCL)大于第二DC/DC变换器122的最大功率输出时，可闭合跨接继电器K9将第二AC/DC变换器121的输出端与第二DC/DC变换器1222的输出端并联而满足车端BCL请求。充电桩***还包括输出继电器K12，连接在第二DC/DC变换器122的输出端与第二充电枪124之间。
另如图2所示的充电桩***还包括跨接继电器K11，跨接继电器K11连接在第一AC/DC变换器111的输出端与第二AC/DC变换器121的输出端之间，用于当车端电池充电需求(BCL)大于第一DC/DC变换器112或第二DC/DC变换器122的最大功率输出时，可同时闭合跨接继电器K5和K11，还可同时闭合跨接继电器K9和K11，而将第一AC/DC变换器111的输出端、第二AC/DC变换器121的输出端与第一DC/DC变换器112或第二DC/DC变换器122的输出端并联而满足车端BCL请求。
如图1和图2所示，第一AC/DC变换器111、第二AC/DC变换器121、第一DC/DC变换器112和第二DC/DC变换器122均包括输出电容C0，作为第一AC/DC变换器111、第二AC/DC变换器121、第一DC/DC变换器112和第二DC/DC变换器122的储能电容，其上易有残余高压，而需要在对电动车电池负载充电前和充电后，对其上的残余高压进行泄放，避免在充电阶段对电动车电池负载产生电压冲击，或充电结束后对操作人员造成电击伤害。
如下将第一AC/DC变换器111、第二AC/DC变换器121、第一DC/DC变换器112和第二DC/DC变换器122统称为功率变换器。
目前对输出电容上的残余高压进行泄放的方式有两种，第一种为被动泄放，第二种为主动泄放。
请参阅图3所示的采用被动泄放的电路示意图，如图3所示泄放电阻Rdis并联在功率变换器10内的输出电容C0的两端，输出电容C0经输出继电器K15和K16连接车端负载12(如动力电池)。按照图3所示的被动泄放设计，当输出电压为750V，1S泄放至48V，泄放电阻Rdis上损耗的功率可达68.035W，若选择1206封装电阻，则总共需要约545颗电阻才能保证机器安全运行，这主要是因为泄放电阻Rdis一直跨接在输出电容C0的两端，则泄放电阻Rdis必须承受输出电容C0上的最大压差及能量。显然，这种方案不仅使得整机的效率变低，同时还要考虑散热问题和大量贴片电阻在PCB上的排布问题，整机功率密度不高，安全系数也不高。
请参阅图4所示的采用主动泄放的电路示意图，如图4所示主动泄放电路21并联在功率变换器10内的输出电容C0的两端，主动泄放电路21包括串联连接的泄放开关Sdis和泄放电阻Rdis，输出电容C0经输出继电器K15和K16连接车端负载12(如动力电池)，按照图4所示的主动泄放设计，当输出电压为750V，1S泄放至48V，泄放电阻上损耗的功率仅为4.111W，若选择1206封装电阻，则总共需要约33颗电阻即可保证机器安全运行，这主要是因为泄放电阻Rdis通过泄放开关Sdis跨接在输出电容C0的两端，通过控制泄放开关Sdis的导通和关断，使得泄放电阻Rdis间歇性的处于泄放状态，则泄放电阻Rdis无须承受输出电容C0上的最大压差及能量。显然，主动泄放方案相对于被动泄放方案，可大大减少使用的泄放电阻的颗数，整机功率密度较高，安全系数也较高，因此成为业界常用的方案，且背景技术中提到的所有的充电标准中，都提到了主动泄放的要求。
本申请采用主动泄放。如图4所示，当需要进行主动泄放时，需要控制使得主动泄放电路21内的泄放开关Sdis导通，以将泄放电阻Rdis并在输出电容C0的两端；当不需要泄放时，需要控制使得主动泄放电路21内的泄放开关Sdis关断，以将泄放电阻Rdis与输出电容C0间的通路断开。因此准确地控制泄放开关Sdis导通或关断在主动泄放方案中至关重要。
更进一步的，请参阅图5所示的本发明一实施例的功率变换器内的泄放模块框图示意图，第一AC/DC变换器111、第二AC/DC变换器121、第一DC/DC变换器112和第二DC/DC变换器122均可包括图5所示的泄放模块，泄放模块包括：
主动泄放电路21，并联在功率变换器内的输出电容C0的两端，主动泄放电路21包括串联连接的泄放开关Sdis和泄放电阻Rdis；
微控制器(MCU)23，用于输出第一控制信号S1和第二控制信号S2；
泄放开关控制单元22，连接微控制器23，接收第一控制信号S1和第二控制信号S2，并根据第一控制信号S1和第二控制信号S2输出用于控制泄放开关Sdis导通和关断的开关控制信号S3，泄放开关Sdis的控制端接收开关控制信号S3。
如此，通过微控制器输出的两个控制信号控制主动泄放执行与停止，也即只有两个控制信号均满足预先的设定才能执行或停止主动泄放，相对一个控制信号控制，可靠性更高。如由于误操作输出错误的第一控制信号S1，即使第二控制信号S2正确，也不会改变当前的状态，而避免由于误操作导致错误地执行主动泄放。
更进一步的，其中，当需要执行主动泄放时，微控制器23输出的第一控制信号S1和第二控制信号S2使得经泄放开关控制单元22产生的开关控制信号S3控制使得泄放开关Sdis导通；当不需要执行主动泄放时，微控制器23输出的第一控制信号S1和第二控制信号S2使得经泄放开关控制单元22产生的开关控制信号S3控制使得泄放开关Sdis关断。
具体的，请参阅图6所示的本发明一实施例的泄放开关控制单元的电路示意图，如图6所示，泄放开关控制单元包括：第一输入端，用于接收第一控制信号S1，第一输入端连接第一开关管Q1的控制端，并经第一阻抗单元221连接第一开关管Q1的第一端，第一开关管Q1的第二端连接电压源端PVCC，并连接第二开关管Q2的控制端，第二开关管Q2的第一端连接第一开关管Q1的第一端，第二开关管Q2的第二端通过第四电阻R4连接电压源端PVCC；第二输入端，用于接收第二控制信号S2，第二输入端连接第三开关管Q3的控制端，并经第二阻抗单元222连接第三开关管Q3的第一端，第三开关管Q3的第一端还连接第二开关管Q2和第一开关管Q1的第一端，第三开关管Q3的第二端连接第五十一电阻R51的第一端，第五十一电阻R51的第二端经第五电阻R5连接第二开关管Q2的第二端，第五十一电阻R51的第二端与第三开关管Q3的第一端之间还连接有第三阻抗单元223，第五十一电阻R51的第二端构成泄放开关控制单元的输出端，用于输出开关控制信号S3。当第一控制信号S1为高电平，同时第二控制信号S2为低电平时，高电平的第一控制信号S1控制使得第一开关管Q1导通，则第二开关管Q2关断，低电平的第二控制信号S2控制使得第三开关管Q3关断，则第四电阻R4、第五电阻R5与第三阻抗单元223组成分压支路，使得第三阻抗单元223分压形成的开关控制信号S3控制使得泄放开关Sdis导通，而执行主动泄放；当第一控制信号S1为低电平，低电平的第一控制信号S1控制使得第一开关管Q1关断，则第二开关管Q2导通，第二控制信号S2不论是高电平还是低电平，开关控制信号S3均被拉低而控制使得泄放开关Sdis关断，而不执行主动泄放。
更进一步的，第三阻抗单元223内的电阻的阻值远大于第四电阻R4、第五电阻R5和第五十一电阻R51的阻值。如图6所示，第四电阻R4的阻值为1kΩ，第五电阻R5的阻值为5.1Ω，第三阻抗单元223内的电阻的阻值为10kΩ，第五十一电阻R51的阻值为5.1Ω。
更进一步的，如图6所示，第一开关管Q1的第二端还通过第三电阻R3连接电压源端PVCC。第一输入端还通过第一电阻R1连接第一开关管Q1的控制端，第二输入端还通过第十一电阻R11连接第三开关管Q3的控制端。
并如图6所示，第一开关管Q1、第二开关管Q2和第三开关管Q3的第一端接地。
请参阅图7所示的本发明一实施例的泄放开关控制单元的电路示意图，如图7所示，泄放开关控制单元包括：第一输入端，用于接收第一控制信号S1，第一输入端连接第四开关管Q4的控制端，并经第四阻抗单元232连接第四开关管Q4的第一端，第四开关管Q4的第二端经第九电阻R9连接电压源端PVCC，并连接第八电阻R8的第一端，第八电阻R8的第二端输出开关控制信号S3，第一输入端还经第七电阻R7连接电压源端PVCC；第二输入端，用于接收第二控制信号S2，第二输入端连接第五开关管Q5的控制端，并经第五阻抗单元231连接第五开关管Q5的第一端，第五开关管Q5的第二端连接第六电阻R6的第一端，第六电阻R6的第二端连接第八电阻R8的第二端，第六电阻R6的第二端还经第十电阻R10接地，第四开关管Q4的第一端和第五开关管Q5的第一端接地，电压源端PVCC经第五电容C5接地。当第一控制信号S1为低电平，同时第二控制信号S2为低电平时，低电平的第一控制信号S1控制使得第四开关管Q4关断，低电平的第二控制信号S2控制使得第五开关管Q5关断，则开关控制信号S3被抬高而控制使得泄放开关Sdis导通，而执行主动泄放；当第一控制信号S1为高电平，高电平的第一控制信号S1控制使得第四开关管Q4开通，第二控制信号S2不论是高电平还是低电平，开关控制信号S3均被拉低而控制使得泄放开关Sdis关断，而不执行主动泄放。
从图6所示的泄放开关控制单元的电路示意图可知，只有当第一控制信号S1为高电平，同时第二控制信号S2为低电平时，才执行主动泄放，当第一控制信号S1为低电平，不论第二控制信号S2为高电平还是低电平，都不执行主动泄放。从图7所示的泄放开关控制单元的电路示意图可知，只有当第一控制信号S1为低电平，同时第二控制信号S2为低电平时，才执行主动泄放，当第一控制信号S1为高电平，不论第二控制信号S2为高电平还是低电平，都不执行主动泄放。因此相对于只有一个控制信号控制，可大大提高主动泄放控制的可靠性。
如图6以当第一控制信号S1为高电平，同时第二控制信号S2为低电平时，才执行主动泄放，当第一控制信号S1为低电平，不论第二控制信号S2为高电平还是低电平，都不执行主动泄放。如图7以当第一控制信号S1为低电平，同时第二控制信号S2为低电平时，才执行主动泄放，当第一控制信号S1为高电平，不论第二控制信号S2为高电平还是低电平，都不执行主动泄放。而在实际应用时可根据需求设定第一控制信号S1和第二控制信号S2需同时满足的条件而执行主动泄放和不执行主动泄放。
更进一步的，如图7所示，第一输入端还通过电阻R624连接第四开关管Q4的控制端，第二输入端还通过电阻R875连接第五开关管Q5的控制端。
更进一步的，如图6和图7所示，第一阻抗单元221、第二阻抗单元222、第三阻抗单元223、第四阻抗单元232和第五阻抗单元231均包括并联的电容和电阻。
更进一步的，如图6和图7所示的电压源端PVCC的电压值为12V。
在一实施例中，如图6和图7所示的第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4和第五开关管Q5为三极管，其第一端为发射极，第二端为集电极。在另一实施例中，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4和第五开关管Q5还可为MOSFET，其第一端为源极，第二端为漏极。
更进一步的，请参阅图8所示的本发明另一实施例的功率变换器内的泄放模块框图示意图，充电桩***还包括能量管理器(EMS)24，用于输出主动泄放指令给功率变换器内的微控制器23。正常工况下，当微控制器23收到能量管理器(EMS)24发出的主动泄放指令后，输出第一控制信号S1和第二控制信号S2，第一控制信号S1和第二控制信号S2使得经泄放开关控制单元22产生的开关控制信号S3控制使得泄放开关Sdis导通，将功率变换器中输出电容C0上储存的能量通过泄放电阻Rdis以热能的形式释放，功率变换器输出电压快速降低，保证人身安全。
在一实施例中，能量管理器(EMS)24通讯地连接每一功率变换器中的微控制器23。
本发明一实施例中，还提供一种如图8所示的泄放模块执行主动泄放的方法，请参阅图9所示的本发明一实施例的泄放模块执行主动泄放的流程图，本发明的泄放模块执行主动泄放的方法包括：
S11：微控制器判断是否收到能量管理器(EMS)发出的主动泄放指令，若否则继续判断是否收到EMS发出的主动泄放指令，若是则进入步骤S12；
正常工况下，当需要执行主动泄放时，充电桩***的EMS才会发出主动泄放指令给每一功率变换器内的微控制器，当功率变换器内的微控制器收到主动泄放指令后，功率变换器内的微控制器将发出控制信号，闭合主动泄放电路中的泄放开关，将功率变换器中的输出电容C0上储存的能量通过泄放电阻以热能的形式释放，功率变换器输出电压快速降低，保证人身安全。
在本发明一实施例中，为提高可靠性，避免人为指令发错，导致带功率执行主动泄放，步骤S11中的主动泄放指令包括多个指令条件，当只有多个指令条件同时满足时才进入步骤S12。具体的，步骤S11中的主动泄放指令包括：输出电压指令小于等于100V；输出电流指令等于0A；收到关机指令。在一实施例中，所述输出电压指令是指充电桩***EMS发给功率变换器内的微控制器的输出电压指令请求。在一实施例中，输出电流指令是指充电桩***EMS发给功率变换器内的微控制器的输出电流指令请求。在一实施例中，关机指令是充电桩***发出的关机指令。
S12：微控制器判断是否满足主动泄放条件，若否则继续判断是否收到EMS发出的主动泄放指令，若是则进入步骤S13；
在一实施例中，所述主动泄放条件包括：功率变换器输出电压大于60V；距离上一次执行主动泄放的时间不小于△t。在一实施例中，所述△t大于等于1s，如13s，以使在1s内仅执行一次泄放开关Sdis的导通和关断，而降低开关损耗，并提高可靠性。
S13：微控制器输出第一控制信号和第二控制信号，泄放开关控制单元根据第一控制信号和第二控制信号输出用于控制泄放开关Sdis导通的开关控制信号S3，而执行主动泄放，进入步骤S14；
如可采用如图6和图7所示的泄放开关控制单元，第一控制信号和第二控制信号经泄放开关控制单元后，产生用于控制泄放开关Sdis导通的开关控制信号。
S14：微控制器判断是否触发主动泄放保护或主动泄放执行时间是否到1S，若否则继续判断是否触发主动泄放保护或主动泄放执行时间是否到1S，如是则进入S15；
在实际应用中，泄放电阻Rdis为多个电阻的串并联。具体的，请参阅图10所示的泄放电阻Rdis细部示意图，如图10所示，泄放电阻Rdis有七个电阻支路并联而成，且每个电阻支路包括五个10kΩ的电阻串联。
具体的，泄放电阻确定过程如下：
根据输出电容容值大小Cout和对功率变换器输出电容开始泄放时其上的输出电压Vout0，按照1S内泄放至60V的要求，先根据公式1所示的电压衰减公式计算所需的泄放电阻的阻值Rdis：
60＝Vout0*e(-1)/(Rdis*Cout) 公式1
其中，(-1)代表时间1S，60代表1S后输出电容上的输出电压等于60V。
先假定每两次主动泄放的时间间隔为Tdis，最终△t可以比Tdis取值大一点，保证一定域量，令：fdis＝1/Tdis，
则主动泄放时泄放电阻Rdis消耗的功率Pdis采用计算公式2计算，
Pdis＝(1/2)*fdis*Cout*Vout0 2*(1-e(-6)) 公式2
其中，Vout0是指对功率变换器输出电容开始泄放时其上的输出电压。
若选择1206封装贴片电阻，可采用计算公式3计算出需要的总电阻颗数N，
N＝Ceil(Pdis/0.125) 公式3
其中，Ceil()为取整函数。
考虑最大输出电压Voutmax，按照单颗电阻耐压值采用计算公式4计算得到串联电阻的颗数Nser，
Nser＝Voutmax/Vpeak 公式4
其中，Vpeak是指单颗电阻所能承受的最大电压。因实际应用时充电桩需给不同车型的电池充电，不同车型的电池电压等级也不一样，如有200多伏的，也有700多伏的，为了满足能够给所有车型充电，功率变换器的输出电压必须是一个可调的范围，对于输出电压范围为200V到750V，则Voutmax即为750V。例如图10所示，五个电阻串联，则Nser＝5。
则泄放电阻并联路数为：Npar＝Ceil(N/Nser)其中，Ceil()为取整函数。例如图10所示，七个电阻支路并联，则Npar＝7。
根据市场上现有的可选的电阻值确定所选电阻的阻值r，从而采用计算公式5得到最终泄放电阻总阻值rdis，
rdis＝(r*Nser)/Npar 公式5
其中，实际最终泄放电阻总阻值rdis’需满足1S内泄放至60V以下的要求，则rdis’需稍小于Rd，Rd为为保证1S泄放到60V以下Rdis所需要的最大总阻值。
由于在执行泄放时，功率变换器中输出电容C0上储存的能量通过泄放电阻Rdis以热能的形式释放，为避免泄放电阻过热损坏或者明火发生，在执行主动泄放过程中，需要实时监控泄放电阻内的每一颗电阻消耗的能量。
特别的，电动汽车在充电时，当车端BCL请求功率大于第一DC/DC变换器或第二DC/DC变换器的最大充电功率时，充电桩将会自动的进行跨接充电，如图1和图2所示的充电桩***，跨接充电时，可能是只闭合跨接继电器K5，也可能是只闭合跨接继电器K9，也可能是同时闭合跨接继电器K5和K11，还有可能是闭合跨接继电器K9和K11。假如闭合跨接继电器K5和K11时，当能量管理器(EMS)24输出主动泄放指令给功率变换器(即第一AC/DC变换器111、第二AC/DC变换器121和第一DC/DC变换器112或第二DC/DC变换器122)内的微控制器，总有其中一个功率变换器内的微控制器先收到泄放指令，那么最恶劣的情况，会存在一个功率变换器泄放四个功率变换器内的输出电容上的存储能量。相对一对一泄放时，泄放电阻所要承受的能力增大到4倍，存在很大的过热风险，严重时可能产生明火的风险。
另电动汽车在执行主动泄放之前，必须先将充电枪的输出继电器K10或者K12断开，避免输出继电器未断开的情况下执行主动泄放。这种工况下，泄放电阻两端电压一直维持电池电压，泄放电阻承受的功率基本维持不变，持续不了多长时间泄放电阻即会过热损坏或者产生明火自燃，可能造成整个充电桩都会烧毁，造成严重的经济损失。实际中，输出继电器可能由于人为误操作、软件Bug、器件损坏、粘连等原因都有可能导致在执行主动泄放之前一直未断开状态。
为避免泄放电阻过热损坏或者明火发生，在执行主动泄放时，需要实时监控泄放电阻消耗的能量，设定泄放电阻执行泄放时所能承受的最大能量，当泄放过程中，泄放电阻由于跨接或者其他原因导致消耗的能量超其过所能承受的最大能量，应立即停止主动泄放，即触发主动泄放保护，保护泄放电阻过热损坏。以泄放电阻为1206电阻为例，请参阅图11所示的1206电阻持续脉冲功率曲线示意图，根据1206电阻持续脉冲功率曲线实时计算泄放电阻的消耗能量，取裕量80％，当泄放电阻承受的持续脉冲损耗超过能量曲线的80％时，应停止执行主动泄放，提前退出1S泄放逻辑，等待下一次泄放指令。请参阅图12所示的开关控制信号波形图，如图12所示，根据步骤S12和S13所述，当满足主动泄放条件时，执行主动泄放，即在t0时刻开关控制信号S3为高电平，而控制使得泄放开关Sdis导通而执行主动泄放，若在步骤S14中判断在t1时刻触发保护条件，具体的，在执行主动泄放过程中若达到泄放电阻承受的能量损耗上限值时即触发保护，则开关控制信号S3转为低电平而控制使得泄放开关Sdis关断而不执行主动泄放，即提前退出1S泄放逻辑。
具体的，其软件算法如下：当执行主动泄放时，软件取固定时间间隔△t1计算当前时刻的泄放功率，并将当前时刻之前所有计算完的泄放功率叠加，求得泄放至当前时刻总的泄放能量，如图13所示的泄放能量计算示意图，当主动泄放停止时间为tstop1时，按照计算公式6求得此时的泄放能量为Wdis1，
Figure GDA0003303272340000131
其中，Rdis为泄放电阻的阻值，Vout为功率变换器的输出电压值。
同理，如图14所示的泄放能量计算示意图，当主动泄放停止时间为tstop2时，按照计算公式7求得此时的泄放能量为Wdis2，
Figure GDA0003303272340000132
其中，Rdis为泄放电阻的阻值，Vout为功率变换器的输出电压值。
如图11所示的1206电阻持续脉冲功率曲线示意图，当Wdis1＞Pstop1*tstop1*80％时，应当在tstop1时刻立即停止主动泄放，并上报主动泄放故障。其中Pstop1为泄放电阻在tstop1时刻消耗的功率。
当Wdis2＞Pstop2*tstop2*80％时，应当在tstop2时刻立即停止主动泄放，并上报主动泄放故障。其中Pstop2为泄放电阻在tstop2时刻消耗的功率。
同上理，可求得任意时刻的泄放电阻承受的能量损耗，当这个损耗大于能量损耗阈值曲线时，应当立即停止主动泄放，并上报主动泄放故障，以防泄放电阻过热损坏。
另外，为避免输出继电器未断开的情况下执行主动泄放，需要设定一个最长的主动泄放时间，同时还要满足在这个最长的主动泄放时间内能满足1S内将输出电压泄放至60V以下的要求。为可靠满足泄放至60V以下的要求，本申请设定最长泄放时间为1S，同时泄放时间取值大一点可以选择泄放电阻的阻值大一点，这样执行主动泄放时，泄放电流较小，对于开关器件的电流冲击也会更小。则当主动泄放执行时间达到1S时，不执行主动泄放。
另外，本申请在两次主动泄放之间设定最短时间间隔△t，在上一次主动泄放之后的△t时间内无论是否收到EMS发出的主动泄放指令均不执行主动泄放，如图12所示。另外，当输出继电器未断开的情况下，持续收到主动泄放指令的命令，长时间多次执行主动泄放可能会导致泄放电阻过热或自燃，因此，每两次主动泄放之间应该设定上述的最短时间间隔△t，如步骤S12所示，以保证泄放电阻不会因为长时间周期执行主动泄放而热量叠加导致过热损坏，避免明火的发生。另如上所述△t大于等于1s，如13s。
S15：微控制器输出第一控制信号和第二控制信号，泄放开关控制单元根据第一控制信号和第二控制信号输出用于控制泄放开关Sdis关断的开关控制信号S3，而停止执行主动泄放，若步骤S14中在执行主动泄放时触发了保护，则故障标志位赋值1，否则赋值0，进入步骤S16；
S16：微控制器判断故障标志位是否置1，若否则结束，若是则进入步骤S17；
S17：上报主动泄放故障。
如上，当满足主动泄放条件时，通过两个控制信号控制主动泄放执行与停止，而提高主动泄放的可靠性，在泄放过程中，通过实时监控泄放电阻消耗的能量，设定泄放电阻执行泄放时所能承受的最大能量，当泄放电阻消耗的能量超过能量阈值曲线时，立即停止主动泄放，保护泄放电阻过热损坏，并在两次主动泄放之间设定最少1S的间隔时间，以保证泄放电阻不会因为长时间周期执行主动泄放而热量叠加导致过热损坏，避免明火的发生，而实现可靠、安全的主动泄放。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (15)

1.一种充电桩***的泄放模块，充电桩***包括至少一功率变换器，用于将交流电变换为直流电或将一直流电变换为另一直流电，每一功率变换器均包括一输出电容和泄放模块，其特征在于，泄放模块包括：
主动泄放电路，并联在功率变换器内的输出电容的两端，主动泄放电路包括串联连接的泄放开关和泄放电阻；
微控制器，用于输出第一控制信号和第二控制信号；
泄放开关控制单元，连接微控制器，接收第一控制信号和第二控制信号，并根据第一控制信号和第二控制信号输出用于控制泄放开关导通和关断的开关控制信号，泄放开关的控制端接收开关控制信号，泄放开关控制单元包括：
第一输入端，用于接收第一控制信号，第一输入端连接第一开关管的控制端，并经第一阻抗单元连接第一开关管的第一端，第一开关管的第二端连接电压源端，并连接第二开关管的控制端，第二开关管的第一端连接第一开关管的第一端，第二开关管的第二端通过第四电阻连接电压源端；
第二输入端，用于接收第二控制信号，第二输入端连接第三开关管的控制端，并经第二阻抗单元连接第三开关管的第一端，第三开关管的第一端还连接第二开关管和第一开关管的第一端，第三开关管的第二端连接第五十一电阻的第一端，第五十一电阻的第二端经第五电阻连接第二开关管的第二端，第五十一电阻的第二端与第三开关管的第一端之间还连接有第三阻抗单元，第五十一电阻的第二端构成泄放开关控制单元的输出端，用于输出开关控制信号。
2.根据权利要求1所述的一种充电桩***的泄放模块，其特征在于，当需要执行主动泄放时，微控制器输出的第一控制信号和第二控制信号使得经泄放开关控制单元产生的开关控制信号控制使得泄放开关导通；当不需要执行主动泄放时，微控制器输出的第一控制信号和第二控制信号使得经泄放开关控制单元产生的开关控制信号控制使得泄放开关关断。
3.根据权利要求2所述的一种充电桩***的泄放模块，其特征在于，充电桩***还包括能量管理器，用于输出主动泄放指令给功率变换器内的微控制器，当需要执行主动泄放时，微控制器根据主动泄放指令输出第一控制信号和第二控制信号，第一控制信号和第二控制信号使得经泄放开关控制单元产生的开关控制信号控制使得泄放开关导通。
4.根据权利要求1所述的充电桩***的泄放模块，其特征在于，泄放电阻为多个电阻的串并联。
5.根据权利要求1所述的充电桩***的泄放模块，其特征在于，第三阻抗单元内的电阻的阻值大于第四电阻、第五电阻和第五十一电阻的阻值。
6.一种充电桩***的泄放模块，充电桩***包括至少一功率变换器，用于将交流电变换为直流电或将一直流电变换为另一直流电，每一功率变换器均包括一输出电容和泄放模块，其特征在于，泄放模块包括：
主动泄放电路，并联在功率变换器内的输出电容的两端，主动泄放电路包括串联连接的泄放开关和泄放电阻；
微控制器，用于输出第一控制信号和第二控制信号；
泄放开关控制单元，连接微控制器，接收第一控制信号和第二控制信号，并根据第一控制信号和第二控制信号输出用于控制泄放开关导通和关断的开关控制信号，泄放开关的控制端接收开关控制信号，泄放开关控制单元包括：
第一输入端，用于接收第一控制信号，第一输入端连接第四开关管的控制端，并经第四阻抗单元连接第四开关管的第一端，第四开关管的第二端经第九电阻连接电压源端，并连接第八电阻的第一端，第八电阻的第二端输出开关控制信号，第一输入端还经第七电阻连接电压源端；
第二输入端，用于接收第二控制信号，第二输入端连接第五开关管的控制端，并经第五阻抗单元连接第五开关管的第一端，第五开关管的第二端连接第六电阻的第一端，第六电阻的第二端连接第八电阻的第二端，第六电阻的第二端还经第十电阻接地，第四开关管的第一端和第五开关管的第一端接地，电压源端经第五电容接地。
7.根据权利要求6所述的充电桩***的泄放模块，其特征在于，泄放电阻为多个电阻的串并联。
8.根据权利要求6所述的一种充电桩***的泄放模块，其特征在于，当需要执行主动泄放时，微控制器输出的第一控制信号和第二控制信号使得经泄放开关控制单元产生的开关控制信号控制使得泄放开关导通；当不需要执行主动泄放时，微控制器输出的第一控制信号和第二控制信号使得经泄放开关控制单元产生的开关控制信号控制使得泄放开关关断。
9.根据权利要求8所述的一种充电桩***的泄放模块，其特征在于，充电桩***还包括能量管理器，用于输出主动泄放指令给功率变换器内的微控制器，当需要执行主动泄放时，微控制器根据主动泄放指令输出第一控制信号和第二控制信号，第一控制信号和第二控制信号使得经泄放开关控制单元产生的开关控制信号控制使得泄放开关导通。
10.一种充电桩***的泄放模块执行主动泄放的方法，充电桩***包括至少一功率变换器，用于将交流电变换为直流电或将一直流电变换为另一直流电，每一功率变换器均包括一输出电容和泄放模块，泄放模块包括：主动泄放电路，并联在功率变换器内的输出电容的两端，主动泄放电路包括串联连接的泄放开关和泄放电阻；微控制器，用于输出第一控制信号和第二控制信号；泄放开关控制单元，连接微控制器，接收第一控制信号和第二控制信号，并根据第一控制信号和第二控制信号输出用于控制泄放开关导通和关断的开关控制信号，泄放开关的控制端接收开关控制信号，充电桩***还包括能量管理器，用于输出主动泄放指令给功率变换器内的微控制器，当需要执行主动泄放时，微控制器根据主动泄放指令输出第一控制信号和第二控制信号，第一控制信号和第二控制信号使得经泄放开关控制单元产生的开关控制信号控制使得泄放开关导通，当不需要执行主动泄放时，微控制器输出的第一控制信号和第二控制信号使得经泄放开关控制单元产生的开关控制信号控制使得泄放开关关断，其特征在于，包括：
S11：微控制器判断是否收到能量管理器发出的主动泄放指令，若否则继续判断是否收到能量管理器发出的主动泄放指令，若是则进入步骤S12；
S12：微控制器判断是否满足主动泄放条件，若否则继续判断是否收到能量管理器发出的主动泄放指令，若是则进入步骤S13；
S13：微控制器输出第一控制信号和第二控制信号，泄放开关控制单元根据第一控制信号和第二控制信号输出用于控制泄放开关导通的开关控制信号，而执行主动泄放，进入步骤S14；
S14：微控制器判断是否触发主动泄放保护或主动泄放执行时间是否到1S，若否则继续判断是否触发主动泄放保护或主动泄放执行时间是否到1S，如是则进入S15；
S15：微控制器输出第一控制信号和第二控制信号，泄放开关控制单元根据第一控制信号和第二控制信号输出用于控制泄放开关关断的开关控制信号，而停止执行主动泄放，若步骤S14中在执行主动泄放时触发了主动泄放保护，则故障标志位赋值1，否则赋值0，进入步骤S16；
S16：微控制器判断故障标志位是否置1，若否则结束，若是则进入步骤S17；
S17：上报主动泄放故障。
11.根据权利要求10所述的充电桩***的泄放模块执行主动泄放的方法，其特征在于，步骤S11中的主动泄放指令包括多个指令条件。
12.根据权利要求10所述的充电桩***的泄放模块执行主动泄放的方法，其特征在于，步骤S11中的主动泄放指令包括：输出电压指令小于等于100V；输出电流指令等于0A；收到关机指令。
13.根据权利要求10所述的充电桩***的泄放模块执行主动泄放的方法，其特征在于，步骤S12中的主动泄放条件包括：功率变换器输出电压大于60V；距离上一次执行主动泄放的时间不小于△t。
14.根据权利要求13所述的充电桩***的泄放模块执行主动泄放的方法，其特征在于，所述△t大于等于1s。
15.根据权利要求10所述的充电桩***的泄放模块执行主动泄放的方法，其特征在于，步骤S14中微控制器判断是否触发主动泄放保护为：
判断泄放电阻消耗的能量是否超过泄放电阻所能承受的最大能量。
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