电动汽车的充电系统的制作方法

1.本实用新型涉及电气技术领域，具体涉及一种电动汽车的充电系统。


背景技术：

2.随着电动汽车行业的快速发展，当前市面上存在型号众多的电动汽车，所需求的充电功率也不尽相同。在多充电终端的充电系统中，起初采用固定功率分配的方式，每个充电终端所能提供的最大功率值为定值，后续发展出固定功率加动态功率相结合的分配方式，有限地提高了充电模块的功率利用率。为了最大化提高利用充电模块的利用率，多充电终端的充电系统需要根据在充车辆的功率需求等信息，让每个充电终端都能动态地调配所有充电模块。
3.目前常用的功率分配方式都是以机械开关为基本器件来构成分配电路，机械开关的两端分别直接接到充电模块和充电终端。然而机械开关如接触器、继电器、断路器等存在以下问题：
4.1.寿命低，机械开关的带电流切换寿命通常只有数百次，且随着切换电流增大其寿命大幅减少，虽然可以通过控制充电模块的输出让机械开关在零电压、零电流状态下切换，但是在某些紧急情况下不可避免地需要带电切换。
5.2.安全性能差，带电切换除了会大幅减少机械开关的寿命，切换过程中还会产生电弧，存在起火风险，并且机械开关仅提供机械触点为电流提供通路，并不限制电流的流向，因此在特殊情况下可能会有反向电流通过，对充电系统造成损坏。
6.3.成本高，对于大功率充电系统而言，需要的机械开关数量很大，因此驱动这些开关所需的功率可能达数百瓦，无论是电能角度还是物料角度的经济性都不佳。
7.4.响应速度慢，机械开关的动作时间通常需要几十毫秒，快速分断能力较差。
8.5.体积大，为应对多充电终端充电系统的高压、大电流需求，需要采用的机械开关单体体积较大且数量多，侵占了充电功率柜较多的体积和重量。


技术实现要素：

9.本实用新型为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种电动汽车的充电系统。
10.本实用新型采用的技术方案如下：
11.本实用新型实施例提出了一种电动汽车的充电系统，包括：多个充电模块，所述充电模块用于提供直流电能；多个充电终端，所述充电终端用于连接所述电动汽车，所述充电模块的个数大于或者等于所述充电终端的个数；连接在所述充电模块和所述充电终端之间的功率分配单元，所述功率分配单元用于根据电动汽车的需求功率将所述充电模块中任意一个或多个连接到所述充电终端中的一个，所述功率分配单元包括：多个开关单元构成的矩阵分配网络，所述开关单元包括固态开关。
12.本实用新型上述的电动汽车的充电系统还具有如下附加技术特征：
13.具体地，所述矩阵分配网络具体包括：第一开关组，所述第一开关组包括分别连接在每个所述充电模块和每个所述充电终端之间的多个开关单元。
14.进一步地，所述矩阵分配网络还包括：第二开关组，所述第二开关组包括多个开关单元，所述第二开关组中的每个开关单元的一端分别与所述充电模块一一对应相连，且所述第二开关组中的每个开关单元的另一端与所述第一开关组中的多个开关单元相连，且所述第一开关组中的每个开关单元一一对应连接在所述第二开关组中的每个开关单元的另一端和每个所述充电终端之间。
15.更进一步地，所述第一开关组或第二开关组中的开关单元包括：正通路，所述正通路的两端分别为所述开关单元的正输入端和正输出端，所述正通路的两端之间设置由正输入端至正输出端单向导电的一个固态开关，或者，在无开通信号时无法反向导通的双向导电的一个固态开关，或者由多个固态开关组成的在无开通信号时无法反向导通的双向导电的复合开关；负通路，所述负通路的两端分别为所述开关单元的负输入端和负输出端，所述负通路的两端之间设置由负输出端至负输入端单向导电的一个固态开关，或者，在无开通信号时无法反向导通的双向导电的一个固态开关，或者由多个固态开关组成的在无开通信号时无法反向导通的双向导电的复合开关。
16.具体地，所述正通路和负通路中的至少一个通路中的固态开关采用可控型固态开关。
17.具体地，所述正通路的两端之间设置一个igbt(insulated gate bipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)，所述负通路的两端之间设置一个 igbt。
18.具体地，所述正通路的两端之间设置一个igbt，所述负通路的两端之间设置一个二极管。
19.具体地，所述正通路的两端之间设置两个源极相连的mosfet(metal
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oxide-semiconductor field-effect transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)构成的复合开关，所述负通路的两端之间设置一个二极管。
20.具体地，所述第二开关组还包括：吸收电路，所述吸收电路设置在所述第二开关组中正通路和负通路中的所述固态开关的两端。
21.本实用新型的有益效果：
22.1、本实用新型的功率分配单元采用固态开关为充电终端分配合适数量的充电模块，不仅安全性高、寿命长、可靠性高、响应速度快，且驱动功率低、体积小、重量轻，从而不仅可以降低成本，还可以提高充电模块的充电效率和利用率。
23.2、本实用新型仅对与充电模块直接相连的第一开关单元组中的固态开关设置吸收电路，从而可以以尽可能少的吸收电路数量解决功率分配单元中每一个固态开关的关断电压尖峰问题，减少器件的电压应力和电流应力。
24.3、本实用新型中的功率分配单元中的开关单元采用单向导电设计，既可以防止两辆在充车辆因为电池电压不一致而在车辆之间产生环流而威胁充电车辆的安全的问题，还可以防止由电动汽车通过充电终端到充电模块的反向电流，避免反向电流损坏充电模块。
附图说明
25.图1是根据本实用新型一个实施例的电动汽车的充电系统的结构示意图；
26.图2是根据本实用新型第一种示例的开关单元的结构示意图；
27.图3是根据本实用新型第二种示例的开关单元的结构示意图；
28.图4是根据本实用新型第三种示例的开关单元的结构示意图；
29.图5是根据本实用新型一个实施例的电动汽车的充电系统的控制方法的流程图；
30.图6是根据本实用新型另一个实施例的电动汽车的充电系统的控制方法的流程图；
31.图7是根据本实用新型一个具体示例的电动汽车的充电系统的结构示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
33.图1是根据本实用新型一个实施例的电动汽车的充电系统的结构示意图，如图1所示，该充电系统包括：多个充电模块、多个充电终端以及连接在充电模块和充电终端之间的功率分配单元。
34.其中，充电模块用于提供直流电能；充电终端用于连接电动汽车，充电模块的个数大于或者等于充电终端的个数；功率分配单元用于根据电动汽车的需求功率将充电模块中任意一个或多个连接到充电终端中的一个，功率分配单元包括：多个开关单元构成的矩阵分配网络，开关单元包括固态开关。图1中的数字仅代表充电模块或充电终端的编号，且采用连续编号，m和 n为自然数，且m≥n。
35.具体地，如图1所示，功率分配单元采用固态开关构成的开关单元进行功率分配，固态开关包含但不限于可控硅(scr)、igbt、 igct(integrated gate-commutated thyristor，集成门极换流晶闸管)、 mosfet、sic-mosfet(碳化硅-金属-氧化物半导体场效应晶体管)、复合结构的sic-mosfet以及gan(氮化镓)等。功率分配单元可以将m个充电模块中任意一个或多个连接到n个充电终端中的唯一一个，功率分配单元以充电模块的最大功率为最小阶梯实现各充电终端之间柔性功率分配，柔性功率分配是指根据在充车辆的功率需求等信息动态地调配合适数量的功率模块到与充电终端相连的电动汽车。由此，功率分配单元采用固态开关为充电终端分配合适数量的充电模块，不仅安全性高、寿命长、可靠性高、响应速度快，且驱动功率低、体积小、重量轻，从而不仅可以降低成本，还可以提高充电模块的充电效率和利用率。
36.根据本实用新型一个实施例，如图1所示，矩阵分配网络具体包括：第一开关组q，第一开关组q包括分别连接在每个充电模块和每个充电终端之间的多个开关单元q11—qmn。
37.进一步地，根据本实用新型一个实施例，如图1所示，矩阵分配网络还可以包括：第二开关组s，第二开关组s包括多个开关单元s1-sm，第二开关组中的每个开关单元的一端分别与充电模块一一对应相连，且第二开关组中的每个开关单元的另一端与第一开关组q中的多个开关单元相连，且第一开关组中的每个开关单元一一对应连接在第二开关组中的每个开关单元的另一端和每个充电终端之间。
38.具体地，如图1所示，第二开关组s包括m个开关单元，第一开关组 q中包括m*n个开关单元，通过控制第二开关组s中一个或多个开关单元和第一开关组q中的一个开关单元闭合，即可将充电模块中任意一个或多个连接到充电终端中的一个。
39.更进一步地，根据本实用新型的一个实施例，第二开关组s或第一开关组q中的开关单元包括：正通路和负通路，正通路的两端分别为开关单元的正输入端+vin和正输出端+out，正通路的两端之间设置由正输入端+vin至正输出端+out单向导电的一个固态开关，或者，在无开通信号时无法反向导通的双向导电的一个固态开关，或者由多个固态开关组成的在无开通信号时无法反向导通的双向导电的复合开关；负通路的两端分别为开关单元的负输入端-vin和负输出端-out，负通路的两端之间设置由负输出端-out至负输入端-vin单向导电的一个固态开关，或者，在无开通信号时无法反向导通的双向导电的一个固态开关，或者由多个固态开关组成的在无开通信号时无法反向导通的双向导电的复合开关。
40.需要说明的是，在本实用新型的实施例中，正通路和负通路中的至少一个通路中的固态开关采用可控型固态开关。
41.在本实用新型的一个具体实施例中，如图2所示，如果正通路的两端之间设置在无开通信号时无法反向导通的双向导电的一个固态开关，且负通路的两端之间设置在无开通信号时无法反向导通的双向导电的一个固态开关，则可以在正通路的两端之间设置一个igbt，且负通路的两端之间设置一个igbt，正通路的正输入端连接igbt的集电极，正通路的正输出端+out连接igbt的发射极，负通路的负输入端-vin连接igbt的发射极，负通路的负输出端-out连接igbt的集电极。
42.可以理解的是，当两辆分别接在两个充电终端的在充车辆的电池电压不同时，电池电压高的车辆对应的充电终端母线电压会通过另一组未导通开关的反并联二极管施加到电池电压低的车辆对应的充电终端母线，这会导致电池电压高的车辆向电池电压低的车辆和与之相连的充电模块放电，严重影响在充车辆及充电设施的充电安全。并且，如果车辆在充电过程中发生电流倒灌，也会严重影响充电安全。
43.为此，本实用新型采用在开关单元使用一个单向导电固态开关。具体而言，作为一种示例，如图3所示，如果开关单元使用一个单向导电固态开关，其电路结构可以是：正通路的两端之间设置在无开通信号时无法反向导通的双向导电的一个固态开关，且负通路的两端之间设置由负输出端-out至负输入端-vin单向导电的一个固态开关，具体可以在正通路的两端之间设置一个 igbt，负通路的两端之间设置一个二极管，正通路的正输入端+vin连接 igbt的集电极，正通路的正输出端+out连接igbt的发射极，负通路的负输入端-vin连接二极管的阴极，负通路的负输出端-out连接二极管的阳极。
44.作为另一种示例，如图4所示，如果开关单元使用一个单向导电固态开关，其电路结构也可以是：正通路的两端之间设置由多个固态开关组成的在无开通信号时无法反向导通的双向导电的复合开关，且负通路的两端之间设置由负输出端-out至负输入端-vin单向导电的一个固态开关，具体可以在正通路的两端之间设置两个源极相连的mosfet构成的复合开关，负通路的两端之间设置一个二极管，正通路的正输入端+vin连接复合开关的一个漏极，正通路的正输出端+out连接复合开关的另一个漏极，负通路的负输入端
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vin连接二极管的阴极，负通路的负输出端-out连接二极管的阳极。
45.可以理解，图3-4中正通路与负通路中的固态开关可以互换，器件连接方式的宗旨
不变。
46.由此，功率分配单元中的第二开关组s中的开关单元使用一个单向导电固态开关限定电流的方向，可以防止由电动汽车通过充电终端到充电模块的反向电流，避免反向电流损坏充电模块；功率分配单元中的第一开关组q中的开关单元使用一个单向导电固态开关限定电流的方向，可以防止两辆在充车辆因为电池电压不一致而在车辆之间产生环流，避免威胁充电车辆的安全。
47.开关单元在关断过程中，开关器件两端会因为线路电感上感应出的电压尖峰而承受很高的电压，这样的电压尖峰对机械开关没有影响，但却极易击穿并损坏固态开关从而威胁到整个充电系统的安全运行，因此对该电压尖峰的抑制是十分有必要的。为此，在本实用新型的一个实施例中，如图1所示，第二开关组s还包括：吸收电路100，吸收电路100设置在第二开关组s中正通路和负通路中的固态开关的两端。
48.具体地，吸收电路100可以使用电容、电阻、二极管等单独或者组合实现，例如可单独使用电容，或者使用电阻和电容串联，或者使用电阻和电容并联，或者使用电容、电阻、二极管组成rcd吸收等。吸收电路100可以吸收固态开关开通和关断过程中的震荡和电压电流尖峰，减少器件的电压应力和电流应力。在多终端充电场景下，本实用新型提出的电动汽车充电系统仅需在第二开关组s中的开关单元s1-sm布置吸收电路100，而第一开关组 q中的所有开关单元都无需布置吸收电路，即吸收电路100的数量与充电模块的数量相等，从而可以以尽可能少的吸收电路数量解决功率分配单元中每一个固态开关的关断电压尖峰问题，减少器件的电压应力和电流应力。
49.综上，根据本实用新型实施例电动汽车的充电系统，功率分配单元采用固态开关为充电终端分配合适数量的充电模块，不仅安全性高、寿命长、可靠性高、响应速度快，且驱动功率低、体积小、重量轻，从而不仅可以降低成本，还可以提高充电模块的充电效率和利用率；仅对与充电模块直接相连的第一开关单元组中的固态开关设置吸收电路，从而可以以尽可能少的吸收电路数量解决功率分配单元中每一个固态开关的关断电压尖峰问题，减少器件的电压应力和电流应力；功率分配单元中的开关单元采用单向导电设计，既可以防止两辆在充车辆因为电池电压不一致而在车辆之间产生环流而威胁充电车辆的安全的问题，还可以防止由电动汽车通过充电终端到充电模块的反向电流，避免反向电流损坏充电模块。
50.本实用新型还提出一种基于上述的电动汽车的充电系统的控制方法。如图5所示，根据本实用新型实施例的电动汽车的充电系统的控制方法包括以下步骤：
51.步骤a，接收到充电终端发送的请求充电信息后，获取请求充电信息对应的充电终端。
52.其中，请求充电信息包括发出请求充电信息对应的充电终端信息、请求充电功率等信息。
53.步骤b，确定需要提供直流电能的充电模块。
54.具体可以通过充电模块可提供的充电功率、请求充电信息对应的请求充电功率等信息确定提供直流电能的充电模块。
55.步骤c，控制第一开关组中连接在请求充电信息对应的充电终端与需要提供直流电能的充电模块之间的开关单元闭合。
56.步骤d，控制第二开关组中与提供直流电能的充电模块相连的开关单元闭合。
57.可以理解，对于任何需要将充电模块由不充电状态切换到充电状态的情况，例如当前提供直流电能的充电模块所能提供的最大功率无法满足充电终端的充电功率需求，需要控制其它空闲充电模块提供直流电能时，均需采用上述的步骤c-d的方式进行控制，即先控制第一开关组中连接在对应的充电终端与需要提供直流电能的充电模块之间的开关单元闭合，再控制控制第二开关组中与需要提供直流电能的充电模块相连的开关单元闭合。
58.如图6所示，根据本实用新型实施例的电动汽车的充电系统的控制方法还可以包括以下步骤：
59.步骤e，接收到充电终端发送的完成充电信息后，获取完成充电信息对应的充电终端。
60.步骤f，获取为充电终端提供直流电能的充电模块。
61.步骤g，控制第二开关组中与提供直流电能的充电模块相连的开关单元断开。
62.步骤h，控制第一开关组中连接在完成充电信息对应的充电终端与提供直流电能的充电模块之间的开关单元断开。
63.可以理解，对于任何需要将充电模块由充电状态切换到不充电状态的情况，例如当前提供直流电能的充电模块所能提供的最大功率无法大于充电终端的充电功率需求，需要控制部分充电模块断开时，均需采用上述的步骤g
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h的方式进行控制，即先控制第二开关组中与需要断开的充电模块相连的开关单元断开，再控制第一开关组中连接在对应的充电终端与需要断开的充电模块之间的开关单元断开。
64.举例而言，如图7所示的电动汽车的充电系统，如果电动汽车的充电系统包括2个充电模块和2个充电终端，且开关单元的正通路的两端之间设置一个igbt，负通路的两端之间设置一个igbt，当有电动汽车连接到充电终端2，在接收到充电终端2发送的请求充电信息后，调用充电模块2连接到充电终端2，具体过程为：
65.获取请求充电信息对应的充电终端，确定请求充电信息对应的充电终端为充电终端2，确定提供直流电能的充电模块为充电模块2。控制第一开关组中q22闭合，此时s2尚未打开，没有电流通过开关单元q22，故其中的 igbt也没有开通损耗。然后，第二开关组中的s2闭合，充电模块2开始通过充电终端2给所连接的电动汽车充电。
66.如图7所示的电动汽车的充电系统，在接收到充电终端2发送的完成充电信息后，断开充电模块2与充电终端2之间的连接，具体过程为：
67.获取完成充电信息对应的充电终端，确定完成充电信息对应的充电终端为充电终端2，确定为充电终端2提供直流电能的充电模块为充电模块2。控制第二开关组s中的s2断开，此时由于s2中的两个igbt电流迅速下降，在线路寄生电感上感应出很高的电压尖峰，此电压尖峰和s2两端的电压同时施加在igbt的集电极和发射极之间，若超过igbt的耐压值则会击穿 igbt损坏开关单元，但是由于吸收电路的存在，电压尖峰被抑制，从而降低了igbt被击穿的风险。此时第一开关组q中的开关单元q21依然开通，并不会受到上述电压尖峰的影响。然后控制第一开关组中的开关单元q22断开，此时s2已经关断，开关单元q22的两端没有电压，故没有因电压尖峰而击穿的风险，因此可以省去相应的吸收电路。同时由于关断时没有电流，开关单元q22中的igbt也没有关断损耗。
68.从上述动作逻辑中可以知道，在断开充电模块2与充电终端2连接的过程中，只有
第二开关组中的开关单元s2会承受电压尖峰而需要吸收电路，第一开关组中的开关单元q22不承受电压尖峰，因此第一开关组无需设置吸收电路，从而可以以尽可能少的吸收电路数量解决功率分配单元中每一个固态开关的关断电压尖峰问题，减少器件的电压应力和电流应力。
69.综上，根据本实用新型实施例的电动汽车的充电系统的控制方法，通过对开关单元的动作逻辑进行限定，不仅开通损耗和关断损耗较低，且可以使第一开关组中的开关单元在关断时不承受电压尖峰，因此第一开关组无需设置吸收电路，从而可以以尽可能少的吸收电路数量解决功率分配单元中每一个固态开关的关断电压尖峰问题，减少器件的电压应力和电流应力。
70.在本实用新型的描述中，需要理解的是，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至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
71.在本实用新型中，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，除非另有明确的限定。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实用新型中的具体含义。
72.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实用新型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须针对的是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。
73.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定制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，并且本实用新型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，这应被本实用新型的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
74.在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置) ，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存
储器 (cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
75.应当理解，本实用新型的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
76.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。
77.此外，在本实用新型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。
78.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。