充电模块、直流充电桩及直流充电桩的控制方法与流程

本发明属于电源技术领域，尤其涉及充电模块、直流充电桩及直流充电桩的控制方法。

背景技术：

直流充电桩是目前电动汽车快速充电的首选方式，一个直流充电桩可以由一个或多个充电模块构成，其中，直流充电桩的功率越大所需的充电模块数量越多。例如，一个120kw的直流充电桩，可以由6个20kw的充电并联构成。

目前，直流充电桩中的充电模块通常采用两级高频隔离型拓扑，常见的充电模块拓扑包括：前级vienna整流器+后级移相全桥、前级vienna整流器+后级llc全桥谐振变换电路、前级vienna整流器+后级llc半桥谐振变换电路。而且，目前的直流充电桩要求充电模块具有较宽的输出电压范围和恒功率范围，因此增加了上述基于llc的拓扑中谐振电感和变压器设计难度；此外，基于llc的拓扑实现宽范围的输出是以低效率为代价。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供充电模块、直流充电桩及直流充电桩的控制方法，以解决基于llc的充电模块存在谐振电感和变压器设计困难且很难实现宽输入和宽输出调节的问题，其中，具体的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种充电模块，包括：整流模块、llc谐振模块和斩波模块；

所述整流模块的输入端连接交流电源；

所述llc谐振模块的输入端连接所述整流模块的输出端，且所述llc谐振模块采用固定开关频率的开环控制方式以使所述llc谐振模块的输出电压基本固定；

所述斩波模块的输入端连接所述llc谐振模块的输出端，所述斩波模块用于调整所述llc谐振模块的输出电压的范围。

在一种可能的实现方式中，所述llc谐振模块包括至少两个llc谐振单元；

各个所述llc谐振单元的输入端依次串联后并联至所述整流模块的输出端；

各个所述llc谐振单元的输出端均作为所述llc谐振模块的输出端连接所述斩波模块的输入端。

在一种可能的实现方式中，每个所述llc谐振单元包括至少两个llc谐振变换电路；

各个所述llc谐振变换电路的输入端并联作为所述llc谐振单元的输入端，各个所述llc谐振变换电路的输出端并联作为所述llc谐振单元的输出端。

在一种可能的实现方式中，同一所述llc谐振单元中的各个llc谐振变换电路中的谐振电感互为耦合电感。

在一种可能的实现方式中，所述斩波模块包括至少两个斩波电路；

每个所述斩波电路的输入端与一个所述llc谐振单元的输出端连接；

各个所述斩波电路的输出端依次串联，且第一个斩波电路的正输出端为所述斩波模块的正输出端，最后一个斩波电路的负输出端为所述斩波模块的负输出端；

所述斩波模块内的各个斩波电路的控制方式采用载波移相调制方式。

在一种可能的实现方式中，还包括输出滤波模块，所述输出滤波模块包括滤波电感和滤波电容；

所述输出滤波模块的输入端与所述斩波模块的输出端并联，所述输出滤波模块的输出端为所述充电模块的输出端；

所述滤波电感的一端连接所述斩波模块的正输出端，所述滤波电感的另一端连接所述滤波电容的一端，且该端为所述输出滤波模块的正输出端；

所述滤波电容的另一端为所述输出滤波模块的负输出端。

在一种可能的实现方式中，所述整流模块包括一个单相多电平整流电路或一个三相多电平整流电路；

或者，所述整流模块包括至少两个单相多电平整流电路，所述至少两个单相多电平整流电路的输入端并联作为所述整流模块的输入端，所述至少两个单相多电平整流电路的输出端并联作为所述整流模块的输出端；

或者，所述整流模块包括至少两个三相多电平整流电路，所述至少两个三相多电平整流电路的输入端并联作为所述整流模块的输入端，所述至少两个三相多电平整流电路的输出端并联作为多数整流模块的输出端。

第二方面，本发明还提供了一种直流充电桩，包括第一方面任一种可能的实现方式所述的一个充电模块；

或者，包括第一方面任一种可能的实现方式所述的至少两个充电模块，且各个所述充电模块的输入端并联作为所述直流充电桩的输入端，各个所述充电模块的输出端并联作为所述直流充电桩的输出端。

在一种可能的实现方式中，所述llc谐振模块包括至少两个llc谐振单元，每个所述llc谐振单元包括至少两个llc谐振变换电路；

所述直流充电桩中的控制器，用于当检测到所述直流充电桩的输出功率小于或等于功率设定值时，关闭每个llc谐振单元的部分llc谐振变换电路，所述功率设定值小于所述直流充电桩的额定输出功率。

第三方面，本发明还提供了一种直流充电桩的控制方法，用于控制第二方面任一种可能的实现方式所述的直流充电桩，所述方法包括：

检测所述直流充电桩的输出功率是否小于或等于功率设定值，所述功率设定值小于所述直流充电桩的额定输出功率；

如果所述直流充电桩的输出功率小于或等于所述功率设定值，则关闭每个llc谐振单元内的部分llc谐振变换电路。

本发明提供的充电模块，包括整流模块、llc谐振模块和斩波模块；其中，利用整流模块控制llc谐振模块的输入直流电压稳定，且llc谐振模块采用固定开关频率控制方式，因此，llc谐振模块的输出电压固定或变化范围较小，使得llc谐振模块中的谐振电感和变压器得到优化，从而降低了llc谐振电路中谐振电感和变压器的设计难度。并采用斩波模块调整llc谐振模块的输出电压范围，最终使充电模块的输出电压范围较宽。由于llc谐振模块采用固定开关频率的开环控制方式控制，所以可以将该固定的开关频率设定在llc谐振模块的谐振频率附近，从而提高llc谐振模块的转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种充电模块的结构示意图；

图2a是本发明提供的一种斩波电路的电路图；

图2b是本发明提供的另一种斩波电路的电路图；

图3是本发明提供的另一种充电模块的结构示意图；

图4是本发明提供一种基于三相三电平整流电路示例的充电模块的结构示意图；

图5是本发明提供的一种llc谐振单元的电路图；

图6是本发明提供的另一种llc谐振单元的电路图；

图7是本发明提供的一种直流充电桩的结构示意图；

图8是本发明提供的一种直流充电桩的控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，示出了本发明提供的一种充电模块的结构示意图，该充电模块应用于直流充电桩中。如图1所示，该充电模块包括整流模块11、llc谐振模块12和斩波模块13。

整流模块11的输入端作为充电模块的输入端，用于连接交流电源，该整流模块11用于将交流电转换为直流电并提供给llc谐振模块12。

llc谐振模块12的输出端连接斩波模块13的输入端，并使该llc谐振模块12的输出电压基本固定。

斩波模块13的输出端即充电模块的输出端，斩波模块13用于调节llc谐振模块12输出的电压范围，以实现充电模块的输出电压范围较宽的调节。

相关技术中的充电模块通过调节llc谐振变换电路的开关频率来调节其输出电压，从而实现充电模块的输出电压范围可调节。但是，不同的输出电压范围使得llc谐振变换电路中的谐振电感和变压器的设计难度增大。因此，为了解决llc谐振变换电路中谐振电感和变压器设计困难的问题，本发明控制llc谐振模块12的输出电压基本固定。

使llc谐振模块12的输出电压相对固定后，只需要根据输出电压设计谐振电感和变压器，即设计llc谐振变换电路时只需谐振电感和变压器的参数能够使llc谐振变换电路输出一个相对固定的电压值即可，因此大大降低了谐振电感和变压器的设计难度。

需要说明的是，本文中llc谐振变换电路的输出电压基本固定是指输出直流母线电压维持在某一固定值，或者，波动幅度小于预设比例，例如20％，或者，输入电压和输出电压的比值为某一固定值或变化在一定范围内。

为了使llc谐振模块的输出电压范围相对固定，在一种可能的实现方式中，可以通过整流模块11为llc谐振变换电路提供相对固定的输入电压；同时，采用固定开关频率的开环控制方式控制llc谐振变换电路输出相对固定的电压。

例如，可以通过整流模块11为llc谐振模块提供相对固定的输入电压。需要说明的是，llc谐振模块的输入电压相对固定是指输入电压维持在某一固定值，或者波动幅度小于预设比例(如20％)。

其中，开环控制方式是指不参考llc谐振模块的输出信号来修正控制信号(例如，控制信号的占空比)。而是控制llc谐振模块以该固定开关频率及固定的占空比工作。

在本申请的一个实施例中，为了提高llc谐振变换电路的转换效率，该固定开关频率可以等于或接近于llc谐振变换电路的谐振频率。这样，llc谐振变换电路能够在所有功率段都工作在谐振频率或接近谐振频率处，因此提高了llc谐振变换电路的整体效率。此外，由于llc谐振模块采用固定开关频率控制，所以大大降低了llc谐振变换电路的控制复杂度。

但是直流充电桩要求充电模块的输出电压范围较宽，因此在使llc谐振模块12的输出电压相对固定之后，需要通过斩波模块13调节llc谐振模块12的输出电压，以使充电模块的输出电压范围较宽。

斩波模块13的作用主要是实现直流电能的变换，对直流电压(或直流电流)进行控制，具体的，直流斩波电路是通过改变开关频率或改控制信号的占空比改变输出电压(或输出电流)。利用斩波模块13能够将llc谐振模块12输出的相对固定的电压范围变换成较宽的电压范围，从而扩大了充电模块的输出电压范围。

在一种可能的实现方式中，斩波模块13可以采用图2a和图2b所示的斩波电路实现，此处不再赘述。

可选地，斩波模块13输出端通常连接输出滤波模块14，该输出滤波模块14包括滤波电感l和滤波电容c。其中，滤波电感l的一端作为输出滤波模块14的一个输入端，l的另一端连接滤波电容c，且该端作为该输出滤波模块14的正输出端；滤波电容c的另一端作为该输出滤波模块14的负输出端。该输出滤波模块14的输出端为充电模块的输出端。

本实施例提供的充电模块，包括整流模块、llc谐振模块和斩波模块；其中，利用整流模块控制llc谐振模块的输入直流电压稳定，且llc谐振模块采用固定开关频率控制方式，因此，llc谐振模块的输出电压固定或变化范围较小，使得llc谐振模块中的谐振电感和变压器得到优化，从而降低了llc谐振电路中谐振电感和变压器的设计难度。并采用斩波模块调整llc谐振模块的输出电压范围，最终使充电模块的输出电压范围较宽。由于llc谐振模块采用固定开关频率的开环控制方式控制，所以可以将该固定的开关频率设定在llc谐振模块的谐振频率附近，从而提高llc谐振模块的转换效率。

请参见图3，示出了本发明提供的另一种充电模块的结构示意图，本实施例将对llc谐振模块的结构进行详细说明。

充电模块中的整流模块11通常是多电平整流电路，即整流模块11包括多个直流输出端，所以整流模块11的每个直流输出端均需要连接不同llc谐振变换电路。本实施例中，llc谐振模块12包括至少两个llc谐振单元121。

每个llc谐振单元121的输入端依次与整流模块11的直流输出端并联连接，且各个llc谐振单元121的输入端依次串联；各个llc谐振单元121的输出端独立。

如图4所示，为一种基于三相三电平整流电路示例的充电模块的结构示意图，本示例中，整流模块11为三相三电平整流电路，即整流模块11包括3个直流输出端，因此需要两个llc谐振单元，每个llc谐振单元包括两个llc谐振变换电路。

如图4所示，一个llc谐振单元的两个输入端并联在整流模块11的第一个直流输出端和第二个直流输出端两端，该llc谐振单元的输出端连接一个斩波模块。另一个llc谐振单元的两个输入端并联在整流模块11的第二个直流输出端和第三个直流输出端之间，该llc谐振单元的输出端连接另一个斩波模块。

由于直流充电桩要求充电模块的功率较大，为了提高充电模块的额定功率，在一种可能的实现方式中，如图3所示，每个llc谐振单元包括至少两个并联的llc谐振变换电路122，通过并联的llc谐振变换电路分流来提高充电模块的额定功率。

同一llc谐振单元内的各个llc谐振变换电路122的输入端并联作为该llc谐振单元的输入端，同时，各个llc谐振变换电路122的输出端并联作为该llc谐振单元的输出端，且每个llc谐振单元的输出端连接一个斩波电路，斩波模块13由与每个llc谐振单元连接的斩波电路131构成。

由于并联的llc谐振变换电路之间的谐振参数存在差异，导致llc谐振变换电路采用固定开关频率也无法保证llc谐振变换电路的输出电压相对固定。因此，为了使用固定开关频率控制llc谐振变换电路，需要尽量减少并联连接的不同llc谐振变换电路之间的谐振参数差异；而不同llc谐振变换电路之间的谐振参数的差异通常是谐振电感不同导致，不同llc谐振变换电路中的谐振电感采用耦合电感能够减少谐振电感的差异，进而减少不同llc谐振变换电路的谐振参数差异，使得并联的llc谐振变换电路采用固定开关频率的控制方式后能够得到相对固定的输出电压。

此外，同一llc谐振单元中的多个llc谐振变换电路采用交错并联控制方式(即，相邻的llc谐振变换电路的控制信号之间相差预设角度)，从而减小llc谐振单元的输出电流纹波。

在一种可能的实现方式中，如图5所示，示出了一种单相llc谐振单元的电路图，该llc谐振单元包括两个并联的单相llc谐振变换电路，其中，每个llc谐振变换电路均采用llc全桥谐振变换电路，即llc全桥谐振变换电路的输入端并联，输出端也并联。

而且，图5所示的llc全桥谐振变换电路的变压器副边线圈所连接的整流桥由单向导通器件二极管构成，因此，该llc全桥谐振变换电路的功率只能从变压器的原边流向变压器的副边，不能从变压器的副边流向变压器的原边。

在交流电源为三相电源的应用场景中，图5所示的llc谐振单元中的每一个llc全桥谐振变换电路可以替换为三相llc全桥谐振变换电路。

在另一种可能的实现方式中，如图6所示，示出了另一种llc谐振单元的电路图，该示例中，llc谐振单元包括两个并联的llc谐振变换电路，其中，每个llc谐振变换电路均采用llc全桥谐振变换电路。

而且，如图6所示，该llc全桥谐振变换电路的变压器副边线圈所连接的整流桥由开关管构成，因此，该llc全桥谐振变换电路的功率既能够从变压器的原边流向变压器的副边，也能够从变压器的副边流向变压器的原边。

在交流电源为三相电源的应用场景中，图6所示llc谐振单元中的每一个llc全桥谐振变换电路可以替换为三相llc全桥谐振变换电路。

在本申请的一个实施例中，斩波模块13中的各个斩波电路131采用载波移相调制方式控制，即使用较低的开关频率获得较高的等效开关频率，从而减小输出滤波模块14中滤波电感的感值。而且，由于斩波模块13中每一个斩波电路中半导体开关的开关频率较低，所以降低了半导体开关的开关损耗，进而提高了斩波模块13的整体效率。

前已叙及，通过将llc谐振模块的固定开关频率固定在谐振频率附近，提高了llc谐振模块的整体效率；进一步地，通过一项调制方式提高了斩波模块的整体效率；因此提高了充电模块的整体转换效率。

在一种应用场景中，直流充电桩的输入电源是单相交流电源，此种应用场景下，其内部的整流模块采用单相多电平整流电路实现。而且，在功率较小的应用场景中，整流模块可以采用一个单相多电平整流电路实现。而在功率较大的应用场景中，整流模块可以采用至少两个(即，多个)单相多电平整流电路实现，其中，多个单相多电平整流电路的输入端并联作为该整流模块的输入端，多个单相多电平整流电路的输出端并联作为该整流模块的输出端。

在另一种应用场景中，直流充电桩的输入电源是三相交流电源，此种应用场景下，其内部的整流模块采用三相多电平整流电路实现。

在充电模块的功率较小的应用场景中，整流模块可以采用一个三相多电平整流电路实现。而在充电模块的功率较大的应用场景中，整流模块可以采用至少两个三相多电平整流电路实现，其中，多个三相多电平整流电路的输入端并联作为该整流模块的输入端，多个三相多电平整流电路的输出端并联作为该整流模块的输出端。

需要说明的是，三相多电平整流电路或单相多电平整流电路中的多电平可以指三电平、五电平、七电平等，多电平整流器的输出包括多个依次串联的电容。

本发明中的多电平整流电路可以包括但不限于二极管钳位型npc、有源钳位型anpc、飞跨电容型和t型三电平变流器，i型vienna整流器，t型vienna整流器等。

另一方面，本发明还提供了直流充电桩，直流充电桩包括一个或多个上述实施例提供的充电模块，根据直流充电桩的功率以及每个充电模块的功率确定一个直流充电桩所需的充电模块的数量。

本实施例以一个直流充电桩包括多个上述的充电模块为例进行说明，如图7所示，各个充电模块的输入端并联作为该直流充电桩的输入端，各个充电模块的输出端并联作为该直流充电桩的输出端。

为了降低损耗提高效率，以及保证各个llc谐振单元之间的功率均衡，当检测到直流充电桩的输出功率小于或等于功率设定值，控制每个llc模块中每个llc谐振单元内的至少一个llc谐振变换电路工作，即关闭每个llc谐振单元中的部分llc谐振变换电路。

又一方面，本发明还提供了一种应用于直流充电桩的控制方法，如图8所示，该方法包括以下步骤：

s110，采集直流充电桩的输出功率。

可以采用分别采集直流充电桩的输出电压和输出电流，计算得到直流充电桩当前的输出功率。

s120，比较输出功率与功率设定值之间的关系；如果输出功率小于或等于该功率设定值，则执行s130；如果输出功率大于该功率设定值，则间隔一段时间返回执行s110。

s130，关闭直流充电桩内每个llc谐振单元内的至少一个llc谐振变换电路。

如果输出功率低于功率设定值，表明直流充电桩的输出功率较小，可以关闭部分llc谐振变换电路，从而降低llc谐振单元的损耗，进而降低整个直流充电桩的损耗。

在一种可能的实现方式中，功率设定值pth依据直流充电桩的额定功率设定pe，例如，pth＝50％×pe，当直流充电桩的输出功率低于pth时，每个llc谐振单元中关闭部分llc谐振变换电路，以降低llc谐振单元的损耗，从而提高之久充电桩的整体效率。

在另一种可能的实现方式中，可以根据llc谐振单元所包括的llc谐振变换电路的数量设置多个功率设定值，并依据输出功率与各个功率设定值之间的关系关闭相应数量的llc谐振变换电路。

例如，一个llc谐振单元包括2个llc谐振变换电路，此种情况下，可以设置一个功率设定值pth，例如，额定功率的50％，当输出功率po小于或等于pth(即po≤pth)时，控制每个llc谐振单元中的任意一个llc谐振变换电路关闭。

又如，一个llc谐振单元包括3个llc谐振变换电路，此种情况下，可以设定2个功率设定值分别为pth1和pth2，例如，pth1＝2/3pe，pth2＝1/3pe；当pth2≤po≤pth1时，关闭llc谐振单元中的一个llc谐振变换电路；当po≤pth2时，关闭llc谐振单元中的两个llc谐振变换电路。

再如，一个llc谐振单元包括4个llc谐振变换电路，此种情况下，可以设定3个功率设定值分别为pth1、pth2和pth3，例如，pth1＝75％×pe，pth2＝50％×pe，pth3＝25％×pe。当pth2≤po≤pth1时，关闭llc谐振单元中的一个llc谐振变换电路；当pth3≤po≤pth2时，关闭llc谐振单元中的两个llc谐振变换电路；当po≤pth3时，关闭llc谐振单元中的三个llc谐振变换电路。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。作为分离部件说明的模块或子模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块或子模块的部件可以是或者也可以不是物理模块或子模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块或子模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块或子模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块或子模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块或子模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块或子模块集成在一个模块中。上述集成的模块或子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或子模块的形式实现。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。