直流充电系统、充电桩和充电控制方法与流程

1.本发明涉及充电技术领域，具体涉及一种直流充电系统、一种充电桩和一种充电控制方法。


背景技术：

2.随着新能源行业的发展，市场上电动汽车种类越来越多，不同的电动汽车充电需要充电的电压、电流均不完全一样。如普通乘用车充电需求电压一般在300v～400v之间，大巴车的充电需求电压一般在550v～650v之间。充电电流需求范围更宽，一般几十安培到两百多安培。为了适应市场上各种不同电动汽车的充电需求，充电桩的输出电压、电流的范围需要很宽。随着超级充电标准的推广，充电电压有望提高至1500v，充电电流提高至600a，这对充电桩输出宽电压范围、宽电流范围提出了更迫切的需求。
3.目前市场上能达到宽电压、电流范围输出的电源模块种类很少，即使有，单个电源模块的功率也很大，成本较高。单个电源模块功率大，不利于其功率的有效使用，会导致部分功率闲置。电源模块内部包含功率切换电路，且单个电源模块的功率也不能满足电动汽车充电的功率需求，还需要电源模块外部再增加功率切换电路相结合，系统复杂，维护成本较高。


技术实现要素：

4.本发明为解决上述技术问题，提供了一种直流充电系统、充电桩和充电控制方法，能够实现宽电压、宽电流范围的充电输出，从而能够适应不同车辆的充电电压、充电电流需求，提高系统功率的利用率，并且，对于电源模块的要求较低，电路结构简单，体积小，成本低。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.一种直流充电系统，包括：第一至第n电源模块，每个所述电源模块用于输出直流电；第一至第m充电接口，每个所述充电接口用于连接待充电车辆，其中，n和m均为大于1的整数；第一开关电路，所述第一开关电路连接于第一至第n电源模块与第一至第m充电接口之间的连接线上，所述第一开关电路用于实现任意多个所述电源模块的串联；第二开关电路，所述第二开关电路连接于第一至第n电源模块与第一至第m充电接口之间的连接线上，所述第二开关电路用于实现多组串联后的电源模块的并联，并实现多组串联后的电源模块与相应充电接口的接通；控制器，所述控制器分别与所述第一开关电路和所述第二开关电路相连，所述控制器用于对所述第一开关电路和所述第二开关电路进行控制。
7.第一开关电路包括n*(n
‑
1)/2个第一开关，其中，第i电源模块的负极输出端通过n
‑
i个第一开关一一对应地与第i+1至第n电源模块的正极输出端相连，其中，1≤i＜n，i为整数。
8.第二开关电路包括2n*m个第二开关，其中，每个电源模块的正极输出端与每个充电接口的正极端通过唯一对应的第二开关相连，每个电源模块的负极输出端与每个充电接
口的负极端通过唯一对应的第二开关相连。
9.所述的直流充电系统还包括：第三开关电路，所述第三开关电路连接于第一至第n电源模块与公共母线之间的连接线上，所述第三开关电路与所述控制器相连，所述控制器还用于对所述第三开关电路进行控制。
10.所述第三开关电路包括n个第三开关，其中，每个电源模块的输入端通过唯一对应的第三开关连接到所述公共母线。
11.一种充电桩，包括上述直流充电系统。
12.一种基于上述直流充电系统的充电控制方法，包括以下步骤：获取所述待充电车辆的需求电压和需求电流；根据所述待充电车辆的需求电压和需求电流计算需要工作的电源模块的数量，并确定电源模块的分组数和每个分组中电源模块的数量；对所述第一开关电路进行控制，实现每个分组中多个电源模块的串联；对所述第二开关电路进行控制，实现多组串联后的电源模块的并联；根据所述待充电车辆的需求电压和需求电流、电源模块的分组数和每个分组中电源模块的数量，计算需要工作的电源模块中每个电源模块的输出电压和输出电流，并控制需要工作的电源模块中每个电源模块以相应的输出电压和输出电流工作。
13.所述的充电控制方法还包括：获取第一至第n电源模块中可用的电源模块的数量，其中，结合第一至第n电源模块中可用的电源模块的数量确定电源模块的分组数和每个分组中电源模块的数量。
14.所述的充电控制方法还包括：获取可用的电源模块中每个电源模块的总工作时长；根据可用的电源模块中每个电源模块的总工作时长选择需要工作的电源模块。
15.本发明的有益效果：
16.本发明通过设置第一开关电路实现任意多个电源模块的串联升压，并通过设置第二开关电路实现多组串联后的电源模块的并联增流，由此，能够实现宽电压、宽电流范围的充电输出，从而能够适应不同车辆的充电电压、充电电流需求，提高系统功率的利用率，并且，对于电源模块的要求较低，电路结构简单，体积小，成本低。
附图说明
17.图1为本发明实施例的直流充电系统的方框示意图；
18.图2为本发明一个实施例的直流充电系统的方框示意图；
19.图3为本发明一个具体实施例的直流充电系统的结构示意图；
20.图4为本发明实施例的充电控制方法的流程图。
具体实施方式
21.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，所描述的实施例仅仅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。
22.如图1所示，本发明实施例的直流充电系统包括第一至第n电源模块10、第一至第m充电接口20、第一开关电路30、第二开关电路40和控制器50，其中，n和m均为大于1的整数。
每个电源模块10用于输出直流电；每个充电接口20用于连接待充电车辆；第一开关电路30连接于第一至第n电源模块10与第一至第m充电接口20之间的连接线上，第一开关电路30用于实现任意多个电源模块10的串联；第二开关电路40连接于第一至第n电源模块10与第一至第m充电接口20之间的连接线上，第二开关电路40用于实现多组串联后的电源模块10的并联，并实现多组串联后的电源模块10与相应充电接口20的接通；控制器50分别与第一开关电路30和第二开关电路40相连，控制器50用于对第一开关电路30和第二开关电路40进行控制。
23.进一步地，如图2所示，本发明实施例的直流充电系统还可包括第三开关电路60，第三开关电路60连接于第一至第n电源模块10与公共母线之间的连接线上，第三开关电路60与控制器50相连，控制器50还用于对第三开关电路60进行控制。
24.在本发明的一个实施例中，电源模块10可包含电压变化单元和整流单元，能够将公共母线的交流电进行变压和整流后输出直流电，以供向所连接的充电接口20，为待充电车辆充电。
25.在本发明的一个实施例中，第三开关电路60可包括n个第三开关，其中，每个电源模块10的输入端通过唯一对应的第三开关连接到公共母线。此处的唯一对应是指一个电源模块10与一个第三开关相对应。如图3所示，第一至第n电源模块10的输入端分别通过相应的第三开关k_1至k_n连接到公共母线，公共母线通过系统输入接口连接到总电源。控制器50可对每个第三开关进行单独控制，通过控制器50控制第三开关k_1至k_n的接通，能够实现公共母线与相应的电源模块10之间的连接，通过控制器50控制第三开关k_1至k_n的断开，可控制相应的电源模块10处于完全断电状态，能够降低功率损耗、提高系统的可靠性以及使用时间。
26.在本发明的一个实施例中，第一开关电路30包括n*(n
‑
1)/2个第一开关，其中，第i电源模块10的负极输出端通过n
‑
i个第一开关一一对应地与第i+1至第n电源模块10的正极输出端相连，其中，1≤i＜n，i为整数。此处的一一对应是指n
‑
i个第一开关与第i+1至第n电源模块10的正极输出端一一对应。如图3所示，第一电源模块10的负极输出端dc_1
‑
通过第一开关k_u23与第二电源模块10的正极输出端dc_2+相连，第一电源模块10的负极输出端dc_1
‑
通过第一开关k_u25与第三电源模块10的正极输出端dc_3+相连，
…
，第一电源模块10的负极输出端dc_1
‑
通过第一开关k_u2(2n
‑
1)与第n电源模块10的正极输出端dc_n+相连；第二电源模块10的负极输出端dc_2
‑
通过第一开关k_u45与第三电源模块10的正极输出端dc_3+相连，
…
，第二电源模块10的负极输出端dc_2
‑
通过第一开关k_u4(2n
‑
1)与第n电源模块10的正极输出端dc_n+相连；第三电源模块10的负极输出端dc_3
‑
通过第一开关k_u6(2n
‑
1)与第n电源模块10的正极输出端dc_n+相连，
…
。
27.也就是说，第一开关电路30中的每个第一开关总是连接于一个电源模块10的负极端与另一个电源模块10的正极端之间，由此，能够实现任意多个电源模块10的串联，从而实现串联升压。
28.在本发明的一个实施例中，第二开关电路40包括2n*m个第二开关，其中，每个电源模块10的正极输出端与每个充电接口20的正极端通过唯一对应的第二开关相连，每个电源模块10的负极输出端与每个充电接口20的负极端通过唯一对应的第二开关相连。此处的唯一对应是指一个第二开关与一组电源模块10的正极输出端、充电接口20的正极端，或者与
一组电源模块10的负极输出端、充电接口20的负极端相对应。如图3所示，第p电源模块10的正极输出端dc_p+与第q充电接口20的正极端outq+通过第一开关k_a(2p
‑
1)q相连，第p电源模块10的负极输出端dc_p
‑
与第q充电接口20的负极端outq
‑
通过第一开关k_a(2p)q相连，其中，1≤p≤n，1≤q≤m，p、q均为整数。
29.通过设置2n*m个第二开关，对于经第一开关电路实现的多组串联的电源模块10，可实现并联增流，并能够将已串联的电源模块10的正负极进行重新组合，使其能对应连接到每个充电接口20的正负极。同时，第二开关还能够实现每个充电接口20与电源模块10之间完全隔离，系统无需再设置与充电接口对应的主功率开关，能够节约成本。
30.此外，如图3所示，控制器50还可与每个电源模块10相连，从而能够对电源模块10进行变压、整流控制，同时还可获取电源模块10的状态参数。
31.需要说明的是，在本发明的一个实施例中，每个电源模块10的技术参数，例如额定电压、额定电流等均一致。在本发明的一个实施例中，第一开关、第二开关和第三开关均可为继电器，继电器的类型可根据实际电路结构进行选择，在此不作具体限定，能够实现上述各开关的功能即可。
32.根据本发明实施例的直流充电系统，通过设置第一开关电路实现任意多个电源模块的串联升压，并通过设置第二开关电路实现多组串联后的电源模块的并联增流，由此，能够实现宽电压、宽电流范围的充电输出，从而能够适应不同车辆的充电电压、充电电流需求，提高系统功率的利用率，并且，该系统对于电源模块的要求较低，电路结构简单，体积小，成本低。
33.基于上述实施例的直流充电系统，本发明还提出一种充电桩。
34.本发明实施例的充电桩，包括本发明上述任一实施例的直流充电系统，其具体实施方式可参照上述实施例，在此不再赘述。
35.根据本发明实施例的充电桩，能够实现宽电压、宽电流范围的充电输出，从而能够适应不同车辆的充电电压、充电电流需求，并且，对于电源模块的要求较低，电路结构简单，体积小，成本低。
36.基于上述实施例的直流充电系统，本发明还提出一种充电控制方法。
37.本发明实施例的充电控制方法，可由本发明上述实施例的控制器执行。
38.如图4所示，本发明实施例的充电控制方法包括以下步骤：
39.s1，获取待充电车辆的需求电压和需求电流。
40.在待充电车辆的充电枪与某一充电接口连接后，控制器可通过与待充电车辆进行通信，获取待充电车辆的需求电压u和需求电流i。
41.s2，根据待充电车辆的需求电压和需求电流计算需要工作的电源模块的数量，并确定电源模块的分组数和每个分组中电源模块的数量。
42.需要工作的电源模块的数量x，与每个分组中电源模块的数量a、电源模块的分组数b之间的关系为：x＝a*b，其中，a和b均为正整数。在该步骤中x、a、b均可确定。
43.考虑到因部分电源模块被占用等原因而导致可用的电源模块数量不足的情况，在本发明的一个实施例中，还可获取第一至第n电源模块中可用的电源模块的数量，结合第一至第n电源模块中可用的电源模块的数量确定电源模块的分组数和每个分组中电源模块的数量。第一至第n电源模块中可用的电源模块的数量y为电源模块的总数量与被占用的电源
模块的数量之差。
44.具体地，每个分组中电源模块的数量a，即单组串联电源模块的数量a＝u/umax，其中，umax为单个电源模块输出的最大电压，如果u/umax不是整数，则对其取整后加1得到a。
45.进而，将每个分组中电源模块的数量a与可用的电源模块的数量y进行比较。如果a＞y，则不能满足充电条件，直接停止本次充电。如果a≤y，则预期控制单个电源模块的输出电压ut＝u/a，根据电源模块的输出特性，确定输出ut时最大输出电流itmax，然后计算电源模块的分组数b，即并联的组数b＝i/itmax，如果i/itmax不是整数，则对其取整后加1得到b，此时如果a*b＞y，则b的参数需要根据实际可用的电源模块的数量重新计算，b＝y/a，并取整。
46.s3，对第一开关电路进行控制，实现每个分组中多个电源模块的串联。
47.通过控制第一开关电路中若干第一开关闭合，构成b组串联电路，每组串联电路由a个电源模块串联构成。优选地，可优先串联物理距离上相邻的电源模块。
48.s4，对第二开关电路进行控制，实现多组串联后的电源模块的并联。
49.通过控制第二开关电路中若干第二开关闭合，实现b组串联电路的并联。
50.s5，根据待充电车辆的需求电压和需求电流、电源模块的分组数和每个分组中电源模块的数量，计算需要工作的电源模块中每个电源模块的输出电压和输出电流，并控制需要工作的电源模块中每个电源模块以相应的输出电压和输出电流工作。
51.需要工作的电源模块中每个电源模块的输出电压ut＝u/a。当可用的电源模块的数量y大于或等于需要工作的电源模块的数量x时，即可用的电源模块的数量足够时，需要工作的电源模块中每个电源模块的输出电流it＝i/b；当可用的电源模块的数量y小于需要工作的电源模块的数量x时，即可用的电源模块的数量不足时，需要工作的电源模块中每个电源模块的输出电流it＝itmax。
52.此外，当可用的电源模块的数量y大于需要工作的电源模块的数量x时，还可获取可用的电源模块中每个电源模块的总工作时长，并根据可用的电源模块中每个电源模块的总工作时长选择需要工作的电源模块。具体地，可按可用的电源模块中每个电源模块的总工作时长由小到大进行排序，并选择排序靠前的电源模块作为需要工作的电源模块，对待充电车辆进行充电。由此，能够使每个电源模块的总工作时长趋于一致，从而提高充电桩整机的可靠性，延长整机的使用寿命。
53.根据本发明实施例的充电控制方法，根据待充电车辆的需求电压和需求电流，确定电源模块的串、并联方式，由此，能够适应不同车辆的充电电压、充电电流需求，保证充电的有效进行。
54.在本发明的描述中，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，除非另有明确具体的限定。
55.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件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发明中的具体含义。
56.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发明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。
57.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
58.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。
59.此外，在本发明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。
60.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。