一种智能分配矩阵式的分体式充电桩的制作方法

1.本发明涉及充电桩技术领域，尤其涉及一种智能分配矩阵式的分体式充电桩。


背景技术：

2.充电桩是将交流市电转换成高压可控的直流电，接入汽车内的电池上，完成充电。而完成这个高电压大电流的工作设备称为充电模块，是充电桩的主要配件之一，占据了成本的大部分。
3.现在，市面上流行的是一体式充电桩，是将充电模块与其它周边配件组成一台具备完整功能的充电设备。此时，充电模块自然地就分布到各个地方，且对工作环境要求比较高。比如，常规的20kw的模块，转换效率约为96％，那么有4％的发热量，就是800瓦，散热靠风冷，标称气流量要达到200立方米/小时；按照流行的充电桩设备配置一般有120kw双枪为一台柜体，那么，满负载运行柜内就有4800w的发热量，按要求气流量最少要到达200*6＝1200立方米/小时，工作的环境经常在粉尘较大的地方，模块内部吸入较多粉尘就会积累起来，散热量进一步困难，所以每个柜体外进气要过滤，又是在户外运行，就有ip65的要求。这么大的通风量，要ip65意味着柜体过滤棉积尘严重，解决这些事情，并非易事，成本压力巨大。
4.因此，分体式充电桩(简称电堆)方案被提了出来。分体式充电桩是把模块从柜体内移出来，集中到一个总柜中，简化终端柜的同时，把所有问题集中到一起，可以达到如下优点：
5.1、模块替代运行：工作中，充电模块是较容易故障的配件，电堆中，一个模块失效(进入保护如过温、过压等软故障导致暂时不能工作，或者硬件故障导致长期不能工作的)，其它空闲的充电模块自动调配，替代工作，不会让某把枪因为对应的模块失效而罢工，让影响最小化，让充电体验更好；
6.2、模块并联运行：充电汽车对电流需求越来越大；充电桩每把枪按大电流来配置成本太高，要讲究成本投入和回报率，所以配置单枪对应的模块通常是偏小的，为了模块更有效的工作，多个模块都可以通过调配，叠加(并联)到同一把枪上的工作模式被提了出来，这样就可以让空闲模块忙碌起来，产生更多效益，更好满足较大需求的充电车，让充电体验更好；
7.3、增加使用寿命：停车场的特点，经常导致方便停车的位置，会很忙碌，这会导致对应的充电模块经常性地满负载工作，让这些位置便利的充电桩内的充电模块经常性工作在这种情况下，会加速老化；而智能分配让空闲的模块通过矩阵调配到重载的枪上一起工作，减轻负荷压力，就增加寿命，而且可以设计最先停机等待的充电模块最优先投入运行，这样模块有更多的冷却时间，进一步减轻压力；
8.4、聚集的优点：大量的模块聚集在一起，就是把所有问题放在一起统一解决，统一维护；这样可以采用更加高效更先进的技术、当然也更加复杂更加昂贵的方案或者设备，不至于成本失控。
9.然而，现有的分体式充电桩采用全矩阵结构，直流接触器用量巨大，导致成本较高且控制复杂。如图1所示，分体式充电桩中采用8*8矩阵，通过直流接触器从k01到k64的两个单刀接触器并联来控制充电模块分配给充电枪，共计使用了128个直流接触器。
10.因此，有必要对现有的分体式充电桩进行改进，以减少直流接触器的用量，从而降低成本。


技术实现要素：

11.本发明实施例所要解决的前述问题在于，提供一种智能分配矩阵式的分体式充电桩，能够减少直流接触器的用量，从而降低成本。
12.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种智能分配矩阵式的分体式充电桩，包括n个充电模块，所述n个充电模块的正电端及负电端均通过一矩阵结构单元与n个充电枪的正负极对应连接；n为大于3的正整数；
13.每一矩阵结构单元上均形成有从上往下依序排列的n行导电线以及从左往右依序排列的n列导电线；其中，所述n行导电线分别与所述n个充电模块的正电端或负电端对应相连；所述n列导电线分别与所述n个充电枪的正极或负极对应相连；
14.若i＝j，则第i行导电线与第j列导电线在二者的交叉处直接相连，将第i＝j个充电模块直接分配给第j个充电枪；若i＞j，则第j+1行导电线至第i行导电线均通过一直流接触器与第j列导电线进行相连，实现第j+1个至第n个充电模块可调分配给第j个充电枪；i、j＝1，2,...,n。
15.其中，通过公式m1＝(n-1)*n/2，得到每一矩阵结构单元中直流接触器的总数m1。
16.其中，若每一矩阵结构单元中n为k的2倍及以上倍数时，则将每一矩阵结构单元以k为单位划分有n/k个矩阵结构子单元，且每一个矩阵结构子单元上均形成有k行导电线以及k列导电线；k为大于1的正整数；
17.其中，若i＝j，则第i行导电线与第j列导电线在二者的交叉处直接相连，将第i＝j个充电模块直接分配给第j个充电枪；
18.若0＜i-j≤k-1，则第j+1行导电线至第(int(j/k)+1)*k行导电线均通过一直流接触器与第j列导电线进行相连，实现第j+1个至第(int(j/k)+1)*k个充电模块可调分配给第j个充电枪；int()为取整函数；
19.若i-j＝k，则第i＝j+k行导电线均通过一直流接触器与第j列导电线进行相连，实现第i＝j+k个充电模块可调分配给第j个充电枪。
20.其中，通过公式m2＝(k-1)*n/2+n-k，得到每一矩阵结构单元中直流接触器的总数m2。
21.其中，所述k＝4或k＝8。
22.其中，所述直流接触器为单刀开关。
23.实施本发明实施例，具有如下有益效果：
24.本发明通过在矩阵结构单元中行列导电线序号i＝j时，将第i＝j个充电模块直接分配给第j个充电枪，以及通过在矩阵结构单元中所有行导电线序号i＞列导电线序号j的导电线均通过一直流接触器与第j列导电线进行相连时，将第j+1个至第n个充电模块可调分配给第j个充电枪，使得矩阵结构单元缩减呈半矩阵结构，从而减少了直流接触器的用
量，降低了成本。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
26.图1为现有技术中分体式充电桩的正电端所采用的8*8全矩阵结构的示意图；
27.图2为本发明实施例中提供的一种智能分配矩阵式的分体式充电桩的结构示意图；
28.图3为本发明实施例中提供的一种智能分配矩阵式的分体式充电桩的应用场景中n＝8时矩阵结构单元的示意图；
29.图4为图3的简化图；
30.图5为本发明实施例中提供的一种智能分配矩阵式的分体式充电桩的应用场景中n＝16时矩阵结构单元的示意图；
31.图6为本发明实施例中提供的一种智能分配矩阵式的分体式充电桩的应用场景中n＝16时矩阵结构单元划分有两个矩阵结构子单元的示意图；
32.图7为本发明实施例中提供的一种智能分配矩阵式的分体式充电桩的应用场景中n＝32时矩阵结构单元划分有四个矩阵结构子单元的示意图。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
34.在本发明实施例中，发明人提供了一种智能分配矩阵式的分体式充电桩，包括n个充电模块，n个充电模块的正电端及负电端均通过一矩阵结构单元与n个充电枪的正负极对应连接；n为大于1的正整数。
35.为了叙述方便，如图1所示，以n个充电模块的正电端与n个充电枪的正极对应连接为例，对矩阵结构单元进行详细说明，具体如下：
36.该矩阵结构单元上均形成有从上往下依序排列的n行导电线以及从左往右依序排列的n列导电线；其中，n行导电线分别与n个充电模块的正电端对应相连；n列导电线分别与n个充电枪的正极对应相连；应当说明的是，从上往下及从左往右是第一个充电模块为参照物，第一个充电模块的下方为向下且其右方为向右；
37.若i＝j，则第i行导电线与第j列导电线在二者的交叉处直接相连，将第i＝j个充电模块直接分配给第j个充电枪；若i＞j，则第j+1行导电线至第i行导电线均通过一直流接触器(如单刀开关或其他控制开关)与第j列导电线进行相连，实现第j+1个至第n个充电模块可调分配给第j个充电枪；i、j＝1，2,...,n。
38.此时，该矩阵结构单元中直流接触器的总数m1通过公式m1＝(n-1)*n/2计算得到。由此可见，该矩阵结构单元呈半矩阵结构，减少了直流接触器的用量，降低了成本。
39.在一个例子中，如图3所示，以n＝8为例，k01、k10、k19、k28、k37、k46、k55、k64共八
个直流接触器的位置直接连通，这样就“模块n”直接连到“枪n”，这里就省下8个直流接触器。此时，因为k01、k10等都是直连的；k02吸合和k09的吸合，结果都是模块1与模块2连通；同理k03吸合与k17吸合，都是将模块1与模块3连通。
40.这样可以得出结论，图3中k01、k10、k19、k28、k37、k48、k55、k64共8个点组成的线，把矩阵分为上下两块，得到半矩阵电路，整理后得到图4的半矩阵图，简化后共使用了56个直流接触器，全矩阵方案中的128个直流接触器，节约了72个直流接触器，节约效果明显。
41.在本发明实施例中，考虑到n足够大使得使用的接触器太多，需要进一步简化。因此，若每一矩阵结构单元中n为k的2倍及以上倍数(如3，4，
…
，)时，则将每一矩阵结构单元以k为单位划分有n/k个矩阵结构子单元，且每一个矩阵结构子单元上均形成有k行导电线以及k列导电线；k为大于1的正整数；在一个例子中，k＝4、k＝8或k＝16；
42.其中，若i＝j，则第i行导电线与第j列导电线在二者的交叉处直接相连，将第i＝j个充电模块直接分配给第j个充电枪；
43.若0＜i-j≤k-1，则第j+1行导电线至第(int(j/k)+1)*k行导电线均通过一直流接触器与第j列导电线进行相连，实现第j+1个至第(int(j/k)+1)*k个充电模块可调分配给第j个充电枪；int()为取整函数；
44.若i-j＝k，则第i＝j+k行导电线均通过一直流接触器与第j列导电线进行相连，实现第i＝j+k个充电模块可调分配给第j个充电枪。
45.此时，该矩阵结构单元中直流接触器的总数m2通过公式m2＝(k-1)*n/2+n-k计算得到。由此可见，该矩阵结构单元的半矩阵结构进一步分化有多个更小的半矩阵结构，进一步减少了直流接触器的用量，降低了成本。
46.在一个例子中，如图5所示，以n＝16为例，做16模块拖16把枪的16*16半矩阵图，共使用了直流接触器有240个(两个矩阵结构单元)，数量太多且应用受限。
47.在使用过程中，一般一台终端安装有2把充电枪，称为a枪和b枪，如果把大矩阵分配成两个小矩阵，分别给所有a枪和b枪分别对应一个小矩阵，这样a枪的负载有a矩阵调配，b枪负载有b矩阵调配，然后在每个a枪和b枪之间安装上直流接触器，称为联络接触器；这时，在a、b两枪中任意枪开始充电，需要调配充电模块时，优先合闸联络接触器，借用a(b)的对应模块工作，需要进一步调配其它模块时，因为联络接触器已经合闸，对应的充电模块就可以通过联络接触器来进行了。
48.即，如图6所示，以k＝8为单位，划分n/k＝2个矩阵结构子单元为a矩阵和b矩阵。此时，a矩阵和b矩阵上均形成有k＝8行导电线以及k＝8列导电线。
49.在a矩阵中，通过i＝j，则第i行导电线与第j列导电线在二者的交叉处直接相连，将第i＝j个充电模块直接分配给第j个充电枪，得到模块1至模块7斜边上简化后的直连点。根据0＜i-j≤k-1，则第j+1行导电线至第(int(j/k)+1)*k行导电线均通过一直流接触器与第j列导电线进行相连，实现第j+1个至第(int(j/k)+1)*k个充电模块可调分配给第j个充电枪，得到int(j/k)+1＝0+1＝1，使得模块2～模块8可调分配给枪1(即通过图6中a矩阵最左侧的7个直流接触器ak01～07实现)，同理模块3～模块8可调分配给枪2，以此类推，直至得到模块8可调分配给枪7。
50.同理，在b矩阵中，通过i＝j，则第i行导电线与第j列导电线在二者的交叉处直接相连，将第i＝j个充电模块直接分配给第j个充电枪，得到模块9至模块16斜边上简化后的
直连点。根据0＜i-j≤k-1，则第j+1行导电线至第(int(j/k)+1)*k行导电线均通过一直流接触器与第j列导电线进行相连，实现第j+1个至第(int(j/k)+1)*k个充电模块可调分配给第j个充电枪，得到int(j/k)+1＝1+1＝2，使得模块10～模块16可调分配给枪9(即通过图6中b矩阵最左侧的7个直流接触器bk01～07实现)，同理模块11～模块16可调分配给枪10，以此类推，直至得到模块16可调分配给枪15。
51.另外，在a矩阵和b矩阵之间，若i-j＝k，则第i＝j+k行导电线均通过一直流接触器与第j列导电线进行相连，实现第i＝j+k个充电模块可调分配给第j个充电枪，得到使得模块9可调分配给枪1，同理模块10可调分配给枪2，以此类推，直至得到模块16可调分配给枪8，即通过图6中a及b矩阵之间的7个直流接触器abk01～07实现。
52.此时，直流接触器的总数m2＝(k-1)*n/2+n-k＝(8-1)*16/2+16-8＝64
53.在图6中，假设1：枪1开始工作，因为枪1和枪9，是同一个柜子的ab双枪；设定本柜控制器的程序，在只有一枪使用时，联络接触器(abk01)默认合闸，就是默认并联运行模块1和模块9；调用其它模块就方便了，因为模块2～8共7个模块，由ak01～07共7个接触器负责，模块10～16共7个模块，由bk01～07共7个接触器负责，一一对应操作简单；
54.假设2：此时如果枪1在充电，调用了模块1、9、10，共3个模块在工作，此时枪9被启动充电，如图6所示，此时，需要断开abk01；控制程序需要停止模块9、10，再断开abk01；枪1需要调用模块，符合条件的只有模块2～8了；
55.假设3，枪1需要申请2个模块，但只有一个6号模块空闲，合闸ak05接触器，模块1和模块6开始并联工作，此时，a矩阵(模块1～8)全部使用中，此时可以通过模块6对应的6号枪的b枪，即14号模块申请，只要枪14空闲，合闸abk06即可。
56.假设4：枪1要申请更多的模块，如上此时有模块1、模块6和模块14在运行，连接在枪14上的bk05、bk11、bk16、bk20、bk23,五个开关对应这模块9～13五个模块，模块15和16使用kb26和kb27调用。
57.综上所述，简化后16模块拖16枪的方案是可以在大部分情况下，实现任意模块投切到任意一把枪的一种方案。此方案共使用直流接触器数量有56*2＝128个，较图5方案的240个，少用了112个直流接触器。缺点是：控制复杂了。
58.应当说明的是，为了简化控制过程，采用查表方式，让程序按一定规则扫描表格参数就可以实现所有的控制过程。为了到达这个目标，设计了表1和表2，2个表是相同的，对应的是2个矩阵，分别代表a枪矩阵和b枪矩阵。表中第一行为枪号，第一列为模块号，中间每个格填入对应的开关名称(现实中是地址号，比如8位单片机中，其值可以定为0～254，用名称代替地址号是便于人为阅读)，保留255值用于特殊意义，比如代表无需操作直接调用，就是上面说的直连的情况，ak01～28是a枪半矩阵的28对(正负各一个)接触器，bk01～28是b枪半矩阵的28对接触器。
59.表1
[0060][0061]
表2
[0062][0063]
为了程序使用方便，设计的表格符合如下规则：只要把枪号和模块号对应的格子中指定的开关合闸，模块就调用完成了。程序只要查询模块工作表，找到空闲最久的模块，查表，获得对应的开关地址并合闸，那个空闲着的模块就分配过去了。图6中的abk联络接触器终端柜有一枪工作就默认合闸联络接触器(abk)，两把枪都要工作时abk才分开。矩阵的控制程序，清楚知道模块是不是空闲，模块空闲就是枪空闲，只要通过终端柜与主柜交换通讯信息即可，所以表格内没有出现8个abk联络接触器的原因。
[0064]
在另一个例子中，以n＝32为例，做32模块拖32把枪的32*32半矩阵图，数量太多且应用受限。
[0065]
此时，如图7所示，以k＝8为单位，划分n/k＝4个矩阵结构子单元，每一个矩阵结构子单元上均形成有k＝8行导电线以及k＝8列导电线。单矩阵结构子单元像扑克牌一样，一层层叠起来用abk接触器对应连接。
[0066]
为了方便使用，设计了表3.表格是按矩阵一层一个表格，每一层结构都相同，第一层的第一行是枪号，第一列是模块号；中间是数据，每把枪有一组数据，数据都是第一行和最后一行代表对应的abk，中间8行记录是调配某一模块到对应的枪需要对应合闸的接触器，程序查表方便找到调配某个模块到某枪需要合闸的对应接触器。
[0067]
表3
[0068][0069]
例如：表3按8*8矩阵4个矩阵叠加，表格分4层对应1～4个矩阵；刨去行列标题，第一层表的数据从枪1～8各有10行数据，数据的第一行和最后行都是联络接触器，上下如果没有了接触器就用255代替，中间的是本矩阵接触器。每个格子内有3个数据，第一个数据代表联络接触器的端口地址，外借模块必须要通过联络接触器从近邻矩阵借模块；内部模块直接按表内参数对应合闸就完成了。
[0070]
比如枪9数据块
[0071]
第一行(1,abk01,250)：第一参数“1”，代表枪1或者模块1，两者物理连接，不分彼此；第二参数“abk01”联络接触器；第三参“250”，代表250a额定容量，外借模块电流总和不能超过此值。这3个参数代表枪1是邻近模块，只要枪1空闲就可以通过abk01接触器借得，借得的模块最大电流不能超过250a。
[0072]
第2～9行，对应本矩阵接触器，要借对应模块就合闸对应接触器即可，前面介绍过。
[0073]
第10行，最后一行(17,abk09,250)，(同第一行参数意义相同)，参数代表模块17是邻近模块，要借取就合闸abk09，最大开关容量(最大允许借取电流)为250a
[0074]
例1：1号枪开始对车充电，内部矩阵没有模块可以借用，查表4，枪1的数据，第一行是(255,255,0)，容量为0的节点无效，不能借取。
[0075]
例2：枪1数据块的到最后一行数据是(9,abk01,250)，获得邻近为模块9，空闲状
态，合闸abk01就可以了，借取的容量总和在250a以内就行了。
[0076]
例3：如果需求不够还可以借，就通过9号枪，查模块10到16的使用情况，如果此时10号模块空闲可用，读取数据(255，bk01，150)，第一参数255代表本数据为当前模块数据可以直接使用，合闸bk01就能借取模块10，150为当前开关容量150a，调用的模块工作电流不能超过150a。
[0077]
本列总结：9号枪能借到的所有模块，都可以通过abk01借给枪1，只受限于abk01的开关容量250a
[0078]
例4：1号枪开始对车充电，两边的联络接触器都忙，内部矩阵有模块3可以借用，就获取1枪对应模块3数据为(255,bk02,150)，合闸bk02即可获得模块3的协助，如果再要借模块，如上相同，枪3能借到的模块都可以通过bk02接入枪1，此时枪3的数据块(11,abk03,250)中，邻近枪为11枪，如果空闲，联络接触器abk03就可以吸合，向邻近矩阵借取模块11，同理连接在11枪上的模块只要空闲，就都可以通过11枪借用，但是最初的bk02数据块显示，开关容量150a限定了不允许借取太多电流。
[0079]
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
[0080]
本发明通过在矩阵结构单元中行列导电线序号i＝j时，将第i＝j个充电模块直接分配给第j个充电枪，以及通过在矩阵结构单元中所有行导电线序号i＞列导电线序号j的导电线均通过一直流接触器与第j列导电线进行相连时，将第j+1个至第n个充电模块可调分配给第j个充电枪，使得矩阵结构单元缩减呈半矩阵结构，从而减少了直流接触器的用量，降低了成本。
[0081]
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种智能分配矩阵式的分体式充电桩，其特征在于，包括n个充电模块，所述n个充电模块的正电端及负电端均通过一矩阵结构单元与n个充电枪的正负极对应连接；n为大于3的正整数；每一矩阵结构单元上均形成有从上往下依序排列的n行导电线以及从左往右依序排列的n列导电线；其中，所述n行导电线分别与所述n个充电模块的正电端或负电端对应相连；所述n列导电线分别与所述n个充电枪的正极或负极对应相连；若i＝j，则第i行导电线与第j列导电线在二者的交叉处直接相连，将第i＝j个充电模块直接分配给第j个充电枪；若i＞j，则第j+1行导电线至第n行导电线均通过一直流接触器与第j列导电线进行相连，实现第j+1个至第n个充电模块可调分配给第j个充电枪；i、j＝1，2,...,n。2.如权利要求1所述的智能分配矩阵式的分体式充电桩，其特征在于，通过公式m1＝(n-1)*n/2，得到每一矩阵结构单元中直流接触器的总数m1。3.如权利要求1所述的智能分配矩阵式的分体式充电桩，其特征在于，若每一矩阵结构单元中n为k的2倍及以上倍数时，则将每一矩阵结构单元以k为单位划分有n/k个矩阵结构子单元，且每一个矩阵结构子单元上均形成有k行导电线以及k列导电线；k为大于1的正整数；其中，若i＝j，则第i行导电线与第j列导电线在二者的交叉处直接相连，将第i＝j个充电模块直接分配给第j个充电枪；若0＜i-j≤k-1，则第j+1行导电线至第(int(j/k)+1)*k行导电线均通过一直流接触器与第j列导电线进行相连，实现第j+1个至第(int(j/k)+1)*k个充电模块可调分配给第j个充电枪；int()为取整函数；若i-j＝k，则第i＝j+k行导电线均通过一直流接触器与第j列导电线进行相连，实现第i＝j+k个充电模块可调分配给第j个充电枪。4.如权利要求3所述的智能分配矩阵式的分体式充电桩，其特征在于，通过公式m2＝(k-1)*n/2+n-k，得到每一矩阵结构单元中直流接触器的总数m2。5.如权利要求3所述的智能分配矩阵式的分体式充电桩，其特征在于，所述k＝4或k＝8。6.如权利要求5所述的智能分配矩阵式的分体式充电桩，其特征在于，所述直流接触器为单刀开关。

技术总结
本发明提供一种智能分配矩阵式的分体式充电桩，包括n个充电模块，正负电端均通过一矩阵结构单元与n个充电枪的正负极连接；每一矩阵结构单元上均形成有从上往下依序排列的n行导电线及从左往右依序排列的N列导电线；n行导电线分别与n个充电模块的正或负电端相连；n列导电线分别与n个充电枪的正或负极相连；若i＝j，则第i行导电线与第j列导电线在二者的交叉处直接相连，第i个充电模块直接分配给第j个充电枪；若i>j，则第j+1行导电线至第n行导电线均通过一直流接触器与第j列导电线进行相连，实现第j+1个至第n个充电模块可调分配给第j个充电枪。实施本发明，能够减少直流接触器的用量，从而降低成本。从而降低成本。从而降低成本。


技术研发人员：郑宇
受保护的技术使用者：温州一勺科技有限公司
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/14