一种充电模块及含有该充电模块的充电装置的制作方法

本实用新型涉及电力电子开关电源技术领域，具体涉及一种充电模块及含有该充电模块的充电装置。

背景技术：

随着环境保护日益受到社会的重视，电动汽车也正式走上历史的舞台，越来越多的消费者选择使用电动汽车。

目前围绕电动汽车充电的技术难题为充电速度慢、充电装置庞大、充电装置费用高昂、充电标口不统一等，这些难题成了制约电动汽车发展的瓶颈。

电动汽车现采用交流充电或直流充电，交流充电时间长达12小时，效率非常低。直流充电又分为普通直流充电与快速直流充电，普通直流充电时长达6小时，快速充电一般也需要2-3小时。

目前电动汽车行业的超级快充也仅能达到40分钟充电80％，约可行驶里程320Km。相对于燃油汽车加油的时间，汽车充电的时间还是过长，并且所有的充电装置需要为外部安装，需要固定位置无法移动，同时其充电标口只能允许本品牌应用。

技术实现要素：

本实用新型实施例的目的在于提供一种充电模块及含有该充电模块的充电装置，用以解决现有技术中电动汽车充电速度慢、充电装置庞大等问题。

为实现上述目的，本实用新型实施例第一方面提供了一种充电模块，包括输入端、桥式整流电路、输出端；其中，所述输入端用于输入电流；所述桥式整流电路包括至少两个开关管；所述开关管用于整流电流；输出端用于输出整流后的电流。

在一种可能的实现方式中，所述桥式整流电路为全桥式整流电路，所述全桥式整流电路包括4个所述开关管。

在一种可能的实现方式中，所述输入端输入的电流为交流电；在所述输入端和所述桥式整流电路之间设置有输入整流电路；所述输入整流电路用于将交流电转换为脉动直流电。

在一种可能的实现方式中，在所述输入整流电路和所述桥式整流电路之间设置有第一滤波电感和第一滤波电容；所述第一滤波电感和所述第一滤波电容用于对所述脉动直流电进行滤波，产生波动直流电；所述开关管用于整流所述波动直流电。

在一种可能的实现方式中，在所述输入端和所述桥式整流电路之间设置有输入滤波电路，所述输入滤波电路包括交流三相EMI滤波器，所述交流三相EMI滤波器可采用三节滤波；和/或，在所述桥式整流电路和所述输出端之间设置有变压器；在所述变压器和所述输出端之间设置有输出整流电路。

在一种可能的实现方式中，在所述桥式整流电路和所述输出端之间还设置有检测电路，所述检测电路用于在电路输出前，检测电流。

在一种可能的实现方式中，所述充电模块还包括控制电路，所述控制电路用于根据所述检测电路的检测结果控制所述开关管。

在一种可能的实现方式中，所述开关管为由宽禁带半导体材料制备而成。

在一种可能的实现方式中，所述宽禁带半导体材料为以下任一种：

GaN、SiC、ZnO。

本实用新型实施例第二方面提供了一种充电装置，包括一个或多个第一方面所述的充电模块；当包括多个所述充电模块时，多个所述充电模块并联设置。

本实用新型实施例具有如下优点：可以将充电模块内置于车内，不再需要外置充电桩，解决了外置充电桩的安装繁杂工作同时解决了购置充电桩的费用，其次解决了电动汽车充电慢的弊端。对于长途驾驶不必担心服务区充电等待时间过长的问题。将充电装置内置于车内，避免了充电标口不统一问题，外部只需接入电网电源即可。

附图说明

图1为本实用新型实施例1提供的充电模块结构示意图。

图中：100.输入端，200.桥式整流电路，300.输出端，400.输入整流电路，500.输入滤波电路，600.输出整流电路，700.检测电路，800.控制电路。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如何能够将充电时间缩短为5-20min充满，并且将充电装置小型化内置于汽车内部，外部直接接入电网电源，将与燃油汽车相差无几，为了达到这个目的，本实用新型实施例提供了一种充电模块及含有该充电模块的充电装置。

实施例1

本实施例提供了一种充电模块，如图1所示，充电模块包括输入端100、桥式整流电路200、输出端300；其中，所述输入端100用于输入电流；所述桥式整流电路200包括至少两个开关管；所述开关管用于整流电流；输出端300用于输出整流后的电流。

所述桥式整流电路200可以为全桥式整流电路，所述全桥式整流电路包括4个所述开关管，依次为开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4。

所述开关管为由宽禁带半导体材料制备而成。所述宽禁带半导体材料可以为GaN，也可为SiC，也可以为ZnO。

硅材料是间接带隙半导体，禁带宽度较窄、电子流动性和击穿电场较低等物理属性的特点限制了其在光电子领域和高频高功率器件方面的应用。本实施例采用了GaN、SiC、ZnO等宽禁带半导体材料制备的开关管。

接下来，以GaN为材料制备的开关管为例介绍本实施提供的开关管。在本实施例中，GaN为材料制备的开关管也可以简称为GaN开关管。

Si、GaAs、4H-SiC、GaN的性能参数如表1所示。

表1

HEMT为高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor)。

限制充电速度的主要受开关管的开关频率限制，限制开关频率的因素为开关管的禁带宽度、开管导通关断延时过大、开关损耗等。

本实施例的提供的开关管的高频特性可以达到100MHz，极佳的品质因数(figure of merit，FOM)达到40倍改善，更高的击穿电压，更低的导通电阻，更低的寄生电容，能够支持高速开关。因此GaN开关管可以提高电源效率，降低损耗50％-90％，减小体积，并且提高功率密度，体积可减至1/4，降低整机物料清单(bill of material，BOM)成本。

全桥式整流电路输出功率很大，工作效率很高；全桥式整流电路由于两组开关管轮流交替工作，相当于两个开关电源同时输出功率，其输出功率约等于单一开关电源输出功率的两倍；经桥式整流或全波整流后，其输出电压的电压脉动系数和电流脉动系数都很小，仅需一个很小值的储能滤波电容或储能滤波电感，就可以得到一个电压纹波和电流纹波很小的输出电压。

全桥式整流电路的开关管耐压值特别低；其对4个开关管的耐压要求比推挽式开关电源的耐压要求可以降低一半；因为全桥式整流电路的4个开关管可以分成两组，工作时2个开关管所承受的电压，只有单个开关管所承受电压一半，其最高耐压等于电压与反电动势之和的一半，全桥式整流电路主要应用于输入电压比较高的场合，在输入电压比较高的情况下，采用全桥式整流电路要比其他拓扑电源的输出功率大很多。

GaN开关管的传导损耗要比金属-氧化物半导体场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,，MOSFET)降低50％，从而可以用更简单的热管理方法去解决散热问题；GaN开关管还具有较低的栅极和输出电荷，较低的栅极使GaN开关管拥有更快的导通时间和转换效率，同时减少损耗；较低的输出电荷带来双重优势，首先，开关管损耗下降多达80％，结合较低的传导损耗，对功率密度有重大和积极地影响。其次设计可在更高的开关频率运行，高达10倍，这大大减少了磁性材料的尺寸以及设计尺寸和占用空间，同时整体效率提高了15％。GaN开关管还具有零反向恢复，这将大大减小总系统开关损耗。基于GaN开关管的优势，已经可以大大提高开关电源的输出功率与输出效率，同时本实施例还采用了全桥整流电路，减小高压对功率器件的冲击，同时进一步提高输出功率。

全桥式整流电路的缺点是当两组开关管，即Q1、Q4和Q2、Q3处于交替转换工状态的时候，这4个开关管会同时出现一个很短时间的半导通区域，即两组开关管同时处于接通状态，但由于GaN开关管的反向截止时间为0，可以瞬时关断，不会产生短路现象，很好的解决了全桥式整流电路的缺点。

输入端100输入的电流可以为直流电，也可以为交流电。

当输入端100输入的电流为交流电时；在所述输入端100和所述桥式整流电路200之间设置有输入整流电路400；所述输入整流电路400用于将交流电转换为脉动直流电。

输入整流电路400为三相全波整流器，通过二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6交替打开，实现将交流电转换为脉动直流电，三相全波整流器的优点是可以用更小的电容器达到最大的输出电压，三相全波整流器在同样功率下电流小，所以功耗小，效率会提高。

在所述输入整流电路400和所述桥式整流电路200之间设置有第一滤波电感L1和第一滤波电容C1；所述第一滤波电感L1和所述第一滤波电容C1用于对所述脉动直流电进行滤波，产生波动直流电；所述开关管用于整流所述波动直流电。

脉动直流电通过第一滤波电感L1与第一滤波电容C1滤波后产生波动的直流电，将此波动直流电送入桥式整流电路200。

在所述输入端100和所述桥式整流电路200之间设置有输入滤波电路500，所述输入滤波电路包括交流三相EMI滤波器，所述交流三相EMI滤波器可采用三节滤波。

输入滤波电路500具体可以设置在输入端100和输入整流电路400之间。

交流三相EMI滤波器，由于桥式整流电路200的工作频率可达MHz以上频率，故此三相滤波器采用三节滤波，宽频段滤波可达10KHz～30MHz的滤波效果，可有效防止电源产生的噪声进入电网中，同时也抑制电网中干扰冲击电源。

在所述桥式整流电路200和所述输出端之300间设置有变压器T1；在所述变压器T1和所述输出端300之间设置有输出整流电路600。

桥式整流电路200整流后的电流再经变压器T1及输出整流电路600的D7、D8、D9、D10后可得到稳定的直流电，第二滤波电感L2和第二滤波电容C3对其进一步滤波可得到纯净的直流电。

在所述桥式整流电路200和所述输出端300之间还设置有检测电路700，所述检测电路700用于在电路输出前，检测电流。检测可以为实时检测。

具体地，所述检测电路700设置在输出整流电路600和输出端300之间。

所述充电模块还包括控制电路800，所述控制电路用于根据所述检测电路700的检测结果控制所述开关管。

控制电路可以为输出频率达70MHz的单片机，具体可以采用英国ARM公司的cortex系列处理器。

检测电路700的检测结果可以通过RS232串口协议送往控制电路，控制电路对桥式整流电路200中的开关管进行控制，以对输出的电流进行调节，进而位置充电模块的动态稳定状态。

检测电路700和控制电路800形成一种从副边绕组输出端取样进行检测反馈控制的电路。如图1所示：电压采样及反馈电路由光耦、三端稳压管及与之相连的阻容网络构成。其控制原理如下：输出电压经R1、R2分压后得到采样电压，此采样电压与三端稳压管提供的参考电压进行比较。当输出电压正常时，采样电压与三端稳压管提供的参考电压相等，则三端稳压管的K极电位不变。流过光耦二极管的电流不变，流过光耦CE的电流不变。单片机电位稳定，输出驱动的占空比不变，输出电压稳定在设定值不变。当输出电压因为某种原因偏高时，经分压电阻R1、R2分压值就会大于参考电压，则三端稳压管的K极电位下降，流过光耦二极管的电流增大，则流过光耦CE的电流增大。单片机的电位下降，输出驱动脉冲的占空比下降，输出电压降低，这样就完成了反馈稳压的过程。

本实用新型实施例具有如下优点：可以将充电模块内置于车内，不再需要外置充电桩，解决了外置充电桩的安装繁杂工作同时解决了购置充电桩的费用，其次解决了电动汽车充电慢的弊端。对于长途驾驶不必担心服务区充电等待时间过长的问题。将充电装置内置于车内，避免了充电标口不统一问题，外部只需接入电网电源即可。

实施例2

本实施例提供了一种充电装置，可用于电动汽车充电。该充电装置可以包括一个实施例1所述的充电模块。

本实用新型实施例具有如下优点：可以将充电装置内置于车内，不再需要外置充电桩，解决了外置充电桩的安装繁杂工作同时解决了购置充电桩的费用，其次解决了电动汽车充电慢的弊端。对于长途驾驶不必担心服务区充电等待时间过长的问题。将充电装置内置于车内，避免了充电标口不统一问题，外部只需接入电网电源即可。

实施例3

本实施例提供了一种充电装置，可用于电动汽车充电。该充电装置可以包括多个实施例1所述的充电模块。

为了提高充电装置的输出总体的功率，可以将多个实施例1所述的充电模块并联。具体采用并联均流技术对多个充电模块进行布置，从而防止了充电模块电流差异导致的功率不平衡。

需要说明的是，多个充电模块共用一个输入端、输出端和检测电路，但是每个充电模块都具有自己的控制电路。检测电路设置在输出端，进行实时检测，并将实时检测结果通过RS232串口协议发送到各控制电路，以使各控制电路对其桥式整流电路进行调节，从而使得每个充电模块的输出功率到达平衡。

本实用新型实施例具有如下优点：可以将充电装置内置于车内，不再需要外置充电桩，解决了外置充电桩的安装繁杂工作同时解决了购置充电桩的费用，其次解决了电动汽车充电慢的弊端。对于长途驾驶不必担心服务区充电等待时间过长的问题。将充电装置内置于车内，避免了充电标口不统一问题，外部只需接入电网电源即可。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。