一种大功率的充电模块
阅读说明：本技术 一种大功率的充电模块 (High-power charging module ) 是由 刘阳 于 2020-08-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种大功率的充电模块(60Kw),采用工频电源,包括将三相工频电源转换成直流的AC/DC单元和将AC/DC单元转换成充电电压的DC/DC变换单元；所述的AC/DC单元为输入三相三线制380VAC,输出800VDC,功率66-70Kw的一个独立单元；所述的DC/DC变换单元包括相同结构的三部分,每部分是一个完整的20Kw双路独立输出150-500VDC的单元。本发明的大功率的充电模块采用模块化,可多种冷却散热方式,适用性强。(The invention provides a high-power charging module (60Kw), which adopts a power frequency power supply and comprises an AC/DC unit for converting a three-phase power frequency power supply into direct current and a DC/DC conversion unit for converting the AC/DC unit into charging voltage; the AC/DC unit is an independent unit which inputs 380VAC of a three-phase three-wire system, outputs 800VDC and has power of 66-70 Kw; the DC/DC conversion unit comprises three parts with the same structure, wherein each part is a complete unit with 20Kw two-way independent output of 150 and 500 VDC. The high-power charging module provided by the invention is modularized, can be cooled in various ways, and has strong applicability.)
技术领域
本发明涉及给蓄电池、锂电池充电领域，特别是安装在停车场等处的给电动汽车充电的充电桩等大功率的充电模块。
背景技术
充电模块随着充电桩的普及需求越来越大。充电模块成本占充电桩总成本的50-70％，可靠性占比例70％以上。
中国发明专利申请公布号109941124A就公开了充电桩及其充电模块和充电稳压控制方法，该充电模块，包括：DC/DC三电平移相全桥电路，用于将输入电压转换为充电所需的输出电压，所述DC/DC三电平移相全桥电路包括泄放电路，设置在所述DC/DC三电平移相全桥电路的输出侧，与输出电容并联；所述泄放电路包括：泄放电阻和开关管Q9，所述开关管Q9与所述泄放电阻串联，用于控制所述泄放电路的接通或断开；控制单元，与所述开关管Q9 连接，用于在接收到所述充电模块的关机指令时，控制所述开关管Q9导通；所述控制单元还用于在所述充电模块的输出电压大于给定电压时，以预设频率控制所述开关管Q9的导通或关断，以控制所述输出电压降低至所述给定电压。
目前市场上的充电模块全部是从通信电源、电力操作电源等室内使用电源模块的基础上衍生而来，所以天生就带来了应用场所适应性的问题：可靠性低、环境适应性差。
发明内
本发明针对目前充电桩的充电模块可靠性低、环境适应性差的不足，提供一种大功率的充电模块。
本发明实现其技术目的技术方案是：一种大功率的充电模块，采用工频电源，包括将三相工频电源转换成直流的AC/DC单元和将AC/DC单元转换成充电电压的DC/DC变换单元；所述的AC/DC单元为输入三相三线制380VAC，输出800VDC，功率66-70Kw的一个独立单元；所述的DC/DC变换单元包括相同结构的三部分，每部分是一个完整的20Kw双路独立输出150-500VDC的单元。
进一步的，上述的大功率的充电模块中：AC/DC单元包括分别对工频电源的A、B、C相分别采用PWM整流功率模块的APFC，该功率模块自带驱动及吸收电路，在所述的APFC中，将电感、变压器集成在一起形成集成磁性器件。
进一步的，上述的大功率的充电模块中：采用PWM整流功率模块的APFC 的拓扑结构为三相交错式三管三电平PWM整流电路；任意项交错式三管三电平PWM整流电路包括整流桥堆DQ1、DQ2，二极管DA1、DA2、DA3、DA4、由控制单元控制的开关管QA1、QA2；
二极管DA1、开关管QA1、二极管DA3依次连接；二极管DA2、开关管 QA2、二极管DA4依次连接；A相交流电经过EMC处理后，分成两路进入整流桥堆DQ1、DQ2，整流桥堆DQ1的输出阳极连接在二极管DA1的阳极与开关管 QA1的D极相连的公共端；整流桥堆DQ1的输出阴极连接在开关管的S极与二极管DA3阴极相连的公共端；整流桥堆DQ2的输出阳极连接在二极管DA2的阳极与开关管QA2的D极相连的公共端，整流桥堆DQ2的输出的阴极连接在开关管的S极与二极管DA4的阴极相连的公共端；
二极管DA1的阴极和二极管DA2的阴极相连形成输出正极；
二极管DA3的阳极和二极管DA4的阳极相连形成输出负极；
在输出正极和负极之间依次串联电解电容EA2和EA1。
进一步的，上述的大功率的充电模块中：AC/DC单元采用每相独立的铝基板功率模块。
进一步的，上述的大功率的充电模块中：所述的DC/DC变换单元包括将 AC/DC单元输出的800VDC转换成充电桩输出的电压，包括与AC/DC单元输出的800VDC相连的EMC电路，双路独立的半桥LLC变换电路，整流、滤波、输出电路；双路独立的半桥LLC变换电路将800VDC输入变换成后整流、滤波、输出电路输出500VDC；在双路独立的半桥LLC变换电路和整流、滤波、输出电路中，将变压器、谐振电感集成在一起形成集成磁性器件。
进一步的，上述的大功率的充电模块中：所述的双路独立的半桥LLC变换电路拓扑结构包括由控制单元控制的开关管MQ1、MQ2、MQ3、MQ4；二极管 D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D13、D14；电解电容E10、E8；谐振电感 LX、滤波电感L0；变压器TR2；谐振电容CW2。
开关管MQ1、MQ2、MQ3、MQ4按照前一个开关管的S极与后一个开关管的D极相连；AC/DC单元输出的+400VDC接开关管MQ1的D极，AC/DC单元输出的-400VDC接开关管MQ4的S极；
二极管D7设置在开关管MQ1的S极与开关管MQ2的D极相连的公共端与地之间，二极管D8设置在开关管MQ3的S极与开关管MQ4的D极相连的公共端与地之间，二极管D7的阳极、二极管D8的阴极接地；
开关管MQ1的D极与开关管MQ4的S极之间串联二极管D6和二极管D5，二极管D6的阳极接二极管的阴极，二极管D6的阴极接开关管MQ1的D极，二极管D5的阳极接开关管MQ4的S极；
二极管D6的阳极与二极管D5的阴极相连的公共端接电感LX的一端，电感LX的另一端和开关管MD2的S极与开关管MD3的D极相连的公共端分别接变压器TR2的原边线圈两端；
变压器TR2的副边接由二极管D9、D10、D13和D14组成的整流全桥的两输入端，整流全桥的输出端接由电解电容E8、E10和电感L0组成的Π型滤波器后，经反阻二极管D11输出500VDC。
进一步的，上述的大功率的充电模块中：所述的DC/DC变换单元采用双路独立的铝基板功率单元。
进一步的，上述的大功率的充电模块中：所述的充电模块的散热器设置在充电桩柜体内；为设置在充电桩柜体内独立的散热通道。
进一步的，上述的大功率的充电模块中：所述的充电模块具有六路输出每路最小功率分配为10Kw。
进一步的，上述的大功率的充电模块中：所述的AC/DC单元、DC/DC变换单元为胶封大功率充电模块或者油冷式大功率充电模块。
本发明具有如下优势：
模块功率由20Kw提升到60Kw，输出由1路提升为6路；散热方式由强制风冷方式改为外置风冷散热方式(利用充电桩内部风扇)；磁性器件由单个器件的串并联改为集成式磁性器件；工艺由传统的功率器件固定在散热器上改为铝基板工艺。并且模块化；做到了充电模块的性能设计和可靠性设计双统一，大大提高充电模块的可靠性、环境适应性；使大功率充电桩散热系统设计变得容易和多方案可选。
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
具体实施方式
本实施例是一种充电桩内的充电模块，它是一种大功率的充电模块，如图1所示，它是发明人根据多年的充电模块研发经验、市场应用现状，发明的一款新型外置散热的大功率充电模块，解决目前充电桩产品的痛点，提高用户体验及充电桩性价比。本实施例的新型外置散热的大功率充电模块如下：
本实施例中，充电模块第一部分：主要由AC/DC单元和DC/DC变换单元两个部分组成，其中，AC/DC单元将三相的工频电源转换成直流，其功率 66-70Kw，输入三相三线制380VAC，输出800VDC。为一个独立单元。
AC/DC单元的原理框图见图2，完成PWM整流的三个功率模块(自制IPM) 电路拓扑结构如图3、4、5所示。如图2所示，AC/DC单元包括分别对工频电源的A、B、C相分别采用PWM整流功率模块的APFC，该功率模块自带驱动及吸收电路，在APFC中，将电感、变压器集成在一起形成集成磁性器件。其中，采用PWM整流功率模块的APFC的拓扑结构为三相交错式三管三电平PWM整流电路；任意项交错式三管三电平PWM整流电路包括整流桥堆DQ1、DQ2，二极管DA1、DA2、DA3、DA4、由控制单元控制的开关管QA1、QA2；如图3、4、5 所示。
二极管DA1、开关管QA1、二极管DA3依次连接；二极管DA2、开关管 QA2、二极管DA4依次连接；A相交流电经过EMC处理后，分成两路进入整流桥堆DQ1、DQ2，整流桥堆DQ1的输出阳极连接在二极管DA1的阳极与开关管 QA1的D极相连的公共端；整流桥堆DQ1的输出阴极连接在开关管的S极与二极管DA3阴极相连的公共端；整流桥堆DQ2的输出阳极连接在二极管DA2的阳极与开关管QA2的D极相连的公共端，整流桥堆DQ2的输出的阴极连接在开关管的S极与二极管DA4的阴极相连的公共端。
二极管DA1的阴极和二极管DA2的阴极相连形成输出正极；二极管DA3 的阳极和二极管DA4的阳极相连形成输出负极；在输出正极和负极之间依次串联电解电容EA2和EA1。
AC/DC单元采用每相独立的铝基板功率模块。
本实施例中，AC/DC单元采用三个PWM整流功率模块(自制IPM)的APFC，即A、B、C相各一个功率模块见图3、4、5。该功率模块自带驱动及吸收电路。其拓扑结构为三相交错式三管三电平PWM整流电路。小功率应用时本功率模块就是一个完整的三相PWM整流模块。大功率应用时作为一相功率模块应用。
DC/DC变换单元，有相同结构的三部分，每部分是一个完整的20Kw双路独立输出(150-500VDC)的单元。每单元可以做到分段恒功率输出。每部分是一个完整的20Kw双路独立输出(150-500VDC)的单元。每单元可以做到分段恒功率输出。
DC/DC转换单元框图见图6，双路独立的半桥LLC电路拓扑结构如图7 所示；DC/DC变换单元包括将AC/DC单元输出的800VDC转换成充电桩输出的电压，包括与AC/DC单元输出的800VDC相连的EMC电路，双路独立的半桥LLC 变换电路，整流、滤波、输出电路；双路独立的半桥LLC变换电路将800VDC输入变换成后整流、滤波、输出电路输出500VDC；在双路独立的半桥LLC变换电路和整流、滤波、输出电路中，将变压器、谐振电感集成在一起形成集成磁性器件。
双路独立的半桥LLC变换电路拓扑结构如图7所示，包括由控制单元控制的开关管MQ1、MQ2、MQ3、MQ4；二极管D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、 D13、D14；电解电容E10、E8；谐振电感LX、滤波电感L0；变压器TR2；谐振电容CW2。
开关管MQ1、MQ2、MQ3、MQ4按照前一个开关管的S极与后一个开关管的D极相连；AC/DC单元输出的+400VDC接开关管MQ1的D极，AC/DC单元输出的-400VDC接开关管MQ4的S极；
二极管D7设置在开关管MQ1的S极与开关管MQ2的D极相连的公共端与地之间，二极管D8设置在开关管MQ3的S极与开关管MQ4的D极相连的公共端与地之间，二极管D7的阳极、二极管D8的阴极接地；
开关管MQ1的D极与开关管MQ4的S极之间串联二极管D6和二极管D5，二极管D6的阳极接二极管的阴极，二极管D6的阴极接开关管MQ1的D极，二极管D5的阳极接开关管MQ4的S极；
二极管D6的阳极与二极管D5的阴极相连的公共端接电感LX的一端，电感LX的另一端和开关管MD2的S极与开关管MD3的D极相连的公共端分别接变压器TR2的原边线圈两端；
变压器TR2的副边接由二极管D9、D10、D13和D14组成的整流全桥的两输入端，整流全桥的输出端接由电解电容E8、E10和电感L0组成的Π型滤波器后，经反阻二极管D11输出500VDC。这里二极管D11的阴极输出。
本实施例中，AC/DC部分采用每相独立的铝基板功率模块，同样，DC/DC 部分采用双路独立的铝基板功率单元。
磁性器件按集成化设计成集成磁性器件，将变压器、谐振电感集成在一起。
本实施例中，散热方式：铝基板安装在铝板上，组成一个没有散热器的 AC/DC单元，三个没有散热器的DC/DC变换单元。充电模块需要的散热器移到充电桩柜体内；在充电桩柜体内设计独立的散热通道。
本实施例中，采用最新外置散热设计理念，模块自身不带散热器。且 AC/DC单元与DC/DC转换单元分开。一个AC/DC单元带三个DC/DC单元； AC/DC单元采用三个PWM整流功率模块(自制IPM)的APFC，即A、B、C相各一个功率模块。该功率模块自带驱动及吸收电路。其拓扑结构为三相交错式三管三电平PWM整流电路。小功率应用时本功率模块就是一个完整的三相PWM 整流模块。大功率应用时作为一相功率模块应用。
DC/DC有三个，各自独立，拓扑结构及控制相同。拓扑结构为双路半桥 LLC变换器。双路独立输出，可以串联、也可以并联。AC/DC单元，DC/DC变换单元的磁性器件均设计为集成化的磁性器件(专设模具)；支持功率分配，最小功率分配为10KW(一个充电模块有六路输出)，可以做到更平滑的柔性充电。目前市场上的风冷模块也支持功率分配，但最小分配功率为20KW(一个完整的模块),30KW(一个完整的模块)。模块防护等级可以是IP20-30，也可以灌导热胶、或者油浸式应用等提升防护等级到IP65。风冷模块无法做到。
特别的，本实施例中，采用的散热方式非常适合电源等散热：它是AC/DC 部分采用每相独立的铝基板功率模块，铝基板安装在铝板上，组成一个没有散热器的AC/DC单元，三个没有散热器的DC/DC变换单元。充电模块需要的散热器移到充电桩柜体内；在充电桩柜体内设计独立的散热通道。提高了充电模块的可靠性。
另外，本实施例的大功率充电模块支持功率分配，最小功率分配为10Kw (一个充电模块有六路输出)，可以做到更平滑的柔性充电。目前市场上的风冷模块也支持功率分配，但最小分配功率为20Kw(一个完整的模块),30Kw (一个完整的模块)。
本实施例的模块中AC/DC、DC/DC单元可以灌导热胶，提高防护等级；也可以用油浸式方式至于油箱内提高防护等级。由此可以派生为胶封大功率充电模块，油冷式大功率充电模块。两者都属于高防护等级、高可靠充电模块。