直转大功率直流充电系统的制作方法

1.本发明涉及大功率直流充电技术领域，尤其涉及一种直转大功率直流充电系统。


背景技术：

2.现有技术的大功率直流充电系统需要在引进高压市电后，先经过低压配电变压器将电压降至ac380v，然后通过低压配电柜再分配到相应的充电桩整流器。然而，传统充电桩系统存在配电路径长、设备多、效率低，成本高、占地面积大等问题。而由于现阶段的城市土地供应异常紧张，大规模建设充电站会占用宝贵的土地资源，且很多城市已经没有大片的土地进行充电站的规划建设。而随着新能源产业不断兴起用，电效率也成了国家关注的焦点，亟需通过改进充电系统来平衡土地和电能的利用率问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种直转大功率直流充电系统，其结构简单、占地面积小、功率密度大，能够有效提升电能利用率及降低总体占地面积。
4.为了实现上有目的，本发明公开了一种直转大功率直流充电系统，其包括移相变压模块、整流模块和m个充电终端，其中，m为正整数，所述移相变压模块包括一个原边绕组和n个副边绕组，其中，n为偶数且n≥2，所述原边绕组用于接入高压市电，所述整流模块包括n/2个整流组件，每一所述整流组件对应两个副边绕组，所述整流组件包括两个整流单元，所述整流单元包括整流插框和m个ac-dc转换单元，所有ac-dc转换单元共同构成具有n行m列的整流矩阵，所述整流插框电连接对应的所述副边绕组，同一所述整流单元内的所有ac-dc转换单元并联设置在所述整流插框上，同一所述整流组件中的同一列下的两所述ac-dc转换单元呈串联设置形成整流串联子电路，所述整流子电路电连接对应的所述充电终端，或同一列下的至少两个所述整流串联子电路并联形成整流并联子电路，所述整流并联子电路电连接所述充电终端。
5.与现有技术相比，本发明的移相变压模块包括一个原边绕组和n个副边绕组，其中，n为偶数且n≥2，原边绕组用于接入高压市电，整流模块包括n/2个整流组件，每一整流组件对应两个副边绕组，整流组件包括两个整流单元，整流单元包括整流插框和m个ac-dc转换单元，所有ac-dc转换单元共同构成具有n行m列的整流矩阵，整流插框电连接对应的副边绕组，同一整流单元内的所有ac-dc转换单元并联设置在整流插框上，同一整流组件中的同一列下的两ac-dc转换单元呈串联设置形成整流串联子电路，整流子电路电连接对应的充电终端，或同一列下的至少两个整流串联子电路并联形成整流并联子电路，整流并联子电路电连接充电终端，其结构简单、器件数量少，能够有效降低占地面积，且能够根据充电终端的数量和功率需求灵活采用整流串联子电路或整流并联子电路对充电终端供电，灵活度高并能够通过合理设置以提升充电终端的供电能量密度，从而实现电能利用率的有效提升。
6.较佳地，所述直转大功率直流充电系统还包括m个熔断器，每一所述熔断器对应一
个所述充电终端，所述整流串联子电路或整流并联子电路通过所述熔断器电连接对应的所述充电终端。
7.较佳地，所述直转大功率直流充电系统还包括m个高压直流接触器，每一所述高压直流接触器对应一个所述充电终端，所述整流串联子电路或整流并联子电路通过所述高压直流接触器电连接对应的所述充电终端。
8.较佳地，所述直转大功率直流充电系统还包括n个断路器，每一所述断路器对应一个所述副边绕组，所述副边绕组通过所述断路器电连接对应的所述整流插框。
9.较佳地，所述直转大功率直流充电系统还包括m个控制模块，每一所述控制模块对应一个所述充电终端，所述控制模块电连接对应的所述充电模块。
10.较佳地，所述控制模块还通过总线通讯连接与对应的所述充电终端电连接的所述整流串联子电路的所有ac-dc转换单元或整流并联子电路的所有ac-dc转换单元。
11.较佳地，所述直转大功率直流充电系统还包括高压进线柜，所述原边绕组通过所述高压进线柜接入所述高压市电。
12.较佳地，所述高压进线柜包括高压负荷开关，所述原边绕组通过所述高压负荷开关接入所述高压市电。
13.较佳地，所述高压进线柜还包括防雷装置和二次信号采集装置，所述防雷装置用于防止雷电对所述转大功率直流充电系统的冲击，所述二次信号采集装置用于采集所述高压市电、高压负荷开关和/或防雷装置的状态参数。
14.较佳地，所述高压市电为10kv市电。
附图说明
15.图1是本发明的直转大功率直流充电系统的结构示意图；
16.图2是本发明的直转大功率直流充电系统中的移相变压模块具有两个副边绕组时的结构示意图；
17.图3是本发明的直转大功率直流充电系统中的移相变压模块具有四个副边绕组时整流并联子电路电连接充电终端的结构示意图；
18.图4是本发明的直转大功率直流充电系统中的移相变压模块具有十二个副边绕组时整流并联子电路电连接对应的充电终端的结构示意图。
具体实施方式
19.为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
20.请参阅图1-图3所示，本实施例的直转大功率直流充电系统包括移相变压模块10、整流模块和m个充电终端30，其中，m为正整数，移相变压模块10包括一个原边绕组11和n个副边绕组12，其中，n为偶数且n≥2，原边绕组11用于接入高压市电。每个绕组铁芯内配置温度检测传感器，移相变压模块的顶部配置可调速风机及其控制监测回路。优选地，该高压市电为10kv市电，当然，高压市电还可以为其他伏数的高压。可以理解的是，高压市电经过移相变压模块10的调压后，通过n个副边绕组12转换得到n路电压，这n路电压的电压值可以相同，也可以不同。
21.整流模块包括n/2个整流组件，每一整流组件对应两个副边绕组12，整流组件包括两个整流单元20，整流单元20包括整流插框和m个ac-dc转换单元21，所有ac-dc转换单元21共同构成具有n行m列的整流矩阵，整流插框电连接对应的副边绕组12，同一整流单元20内的所有ac-dc转换单元21并联设置在整流插框上，同一整流组件中的同一列下的两ac-dc转换单元21呈串联设置形成整流串联子电路，整流子电路电连接对应的充电终端30，或同一列下的至少两个整流串联子电路并联形成整流并联子电路，整流并联子电路电连接充电终端30。图1示出了直转大功率直流充电系统的结构示意图，图2示出了直转大功率直流充电系统中的移相变压模块具有两个副边绕组12时的结构示意图，图3示出了转大功率直流充电系统中的移相变压模块具有四个副边绕组12时整流并联子电路电连接充电终端30的结构示意图。
22.较佳地，直转大功率直流充电系统还包括m个熔断器40、m个高压直流接触器50和n个断路器60，每一熔断器40对应一个充电终端30，整流串联子电路或整流并联子电路通过熔断器40电连接对应的充电终端30。
23.每一高压直流接触器50对应一个充电终端30，整流串联子电路或整流并联子电路通过高压直流接触器50电连接对应的充电终端30。
24.每一断路器60对应一个副边绕组12，副边绕组12通过断路器60电连接对应的整流插框。通过上述设置，以在每个整流插框前配置一个断路器60，防止因整流模块短路而造成副边绕组12的损坏。
25.较佳地，直转大功率直流充电系统还包括m个控制模块70，每一控制模块70对应一个充电终端30，控制模块70电连接对应的充电模块。进一步地，较佳地，控制模块70还通过总线(如can总线)通讯连接与对应的充电终端30电连接的整流串联子电路或整流并联子电路下的所有ac-dc转换单元21。
26.较佳地，直转大功率直流充电系统还包括高压进线柜80，原边绕组11通过高压进线柜80接入高压市电。具体地，该高压进线柜80包括高压负荷开关，原边绕组11通过高压负荷开关接入高压市电。
27.较佳地，高压进线柜80还包括防雷装置和二次信号采集装置，防雷装置用于防止雷电对转大功率直流充电系统的冲击，二次信号采集装置用于采集高压市电、高压负荷开关和/或防雷装置的状态参数。
28.请参阅图1和图4所示，下面以应用于大型充换电站设备为例，对本实施例的直转大功率直流充电系统的实际应用设计进行详细说明。经过计算测得，当移相变压模块具有十二个副边绕组12、整流模块包括六个整流组件时，能够同时满足十二个充电终端30的同时工作，以最大化满足高功率、高集成度、高充电效率的换电理念。图四示出了直转大功率直流充电系统中的移相变压模块具有四个副边绕组12时整流并联子电路电连接对应的充电终端30的结构示意图，需要注意的是，为简化电路图，图4省略了充电终端30与对应的控制模块70的连接线路。此时，整流模块具有十二个整流插框，十二个整流插框一一对应十二个副边绕组12及十二个充电终端30，每个整流插框内并联有六个ac-dc转换单元21。为便于描述，分别以1#、2#、3#、......、11#、12#按顺序对各个副边绕组12、整流插框和充电终端30进行编号，同一编号下的副边绕组12和整流插框一一对应。
29.具体地，该移相变压模块10为具有十二个副边绕组12输出的移相变压器，其在代
替传统充电系统中工频变压器及低压配电环节的同时，还可以极大的减小变压器副边绕组12的短路电流，降低其下游开关的短路电流容量。移相变压模块10的各个副边绕组12采用延边三角形接法，在360
°
的范围内，由于各移相角间相差一定角度，可以得到整流的脉波数(如移相角度相差5
°
，整流脉波数为72)，这种移相接法可以有效消除谐波，使输入电流波形接近正弦波，实现低thd i、高功率因数(最优工况下可达到99％)，从而使得本实施例的整流模块无需设置传统模块的功率因数校正环节，且其拓扑获得大大的简化，从而使整个系统效率得到显著提高。移相变压模块10输出各个副边绕组12分别对应接入1#至12#整流插框，每个副边绕组12铁芯内配置温度检测传感器，变压器顶部配置可调速风机及其控制监测回路。
30.可以理解的是，本实施例的直转大功率直流充电系统中，移相变压模块10二次侧共有十二个副边绕组12(副边绕组12的数量可根据工程需求灵活配置)，配置两个整流器件，每个整流器件配置六个整流插框，每个整流插框通过一个断路器60保护对应的副边绕组12。
31.本实施例以单个整流器件的输出电压为400v、输出功率为30kw为例，将1#整流插框和2#整流插框的同一列下的两ac-dc转换单元21呈串联设置形成整流串联子电路，3#整流插框和4#整流插框的同一列下的两ac-dc转换单元21呈串联设置形成整流串联子电路，5#整流插框和6#整流插框的同一列下的两ac-dc转换单元21呈串联设置形成整流串联子电路。此时，每个整流串联子电路的输出电压为800v，再将同一列下所有整流串联子电路并联形成整流并联子电路，以最终获得一条180kw的充电母线，即本实施例的两个整流器件总共具有十二条180kw的充电母线，每条充电母线电连接对应的充电终端30。
32.作为延伸，此系统还可以采用输出电压为800v或1000v的单个整流器件，当单个整流器件的输出电压为800v或1000v时，同一列下的所有ac-dc转换单元21全部采用并联输出的方式形成一条充电母线。此时，采用不同副边绕组12进行并联输出巧妙地避开了因充电终端30充的电功率不同而导致副边绕组12之间的不平衡输出所引起谐波无法完全抵消的影响。
33.另外，每条充电母线配有熔断器40、高压直流接触器50和控制器，当有电池充电时控制器得到充电协议通过总线下发命令使充电母线上所有ac-dc转换单元21采用恒功率模式或恒流模式对电池进行快速充电。当电池充满电时控制器下发命令断开高压接触器以防电池出现过充现象。每条充电母线单独对应一个控制器使系统拥有简单可靠的控制逻辑，此案例作为大型换电站的充电设备完美的形成了一个高功率、高集成度、高充电效率的换电理念。
34.结合图1-图4，本发明的移相变压模块包括一个原边绕组11和n个副边绕组12，其中，n为偶数且n≥2，原边绕组11用于接入高压市电，整流模块包括n/2个整流组件，每一整流组件对应两个副边绕组12，整流组件包括两个整流单元20，整流单元20包括整流插框和m个ac-dc转换单元21，所有ac-dc转换单元21共同构成具有n行m列的整流矩阵，整流插框电连接对应的副边绕组12，同一整流单元20内的所有ac-dc转换单元21并联设置在整流插框上，同一整流组件中的同一列下的两ac-dc转换单元21呈串联设置形成整流串联子电路，整流子电路电连接对应的充电终端30，或同一列下的至少两个整流串联子电路并联形成整流并联子电路，整流并联子电路电连接充电终端30，其结构简单、器件数量少，能够有效降低
占地面积，且能够根据充电终端30的数量和功率需求灵活采用整流串联子电路或整流并联子电路对充电终端30供电，灵活度高并能够通过合理设置以提升充电终端30的供电能量密度，从而实现电能利用率的有效提升。
35.以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。