CN102969776B - 一种电动汽车无线充电装置 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车无线充电装置，包括与工频电源相连的发射端和与电动汽车电池系统相连的接收端。所述发射端由工频整流单元、功率因数校正单元、逆变单元、阻抗变换单元、发射线圈单元、第一通信单元和第一控制单元构成；所述接收端由接收线圈单元、负载补偿单元、高频整流滤波单元、DC-DC变换单元、第二通信单元和第二控制单元构成。所述的发射线圈单元和接收线圈单元通过相互耦合进行无线能量传输，所述的第一通信单元和第二通信单元进行通过无线方式进行通信。

Description

一种电动汽车无线充电装置

技术领域

本发明涉及电动汽车无线充电领域，尤其涉及一种大功率、高效率的电动汽车无线充电设备。

背景技术

发展电动汽车无线充电技术意义重大，能彻底解决传统接触式充电易磨损，易触电，多次插拔后可能造成电能传输不可靠等缺点。但电动汽车无线充电至少需要数KW的输出功率，传输距离要求也较远，这给电动汽车无线充电技术造成了很大的挑战。

现有的无线充电产品普遍采用电磁感应方式进行电力传输，这类产品具有功率小，效率不高，传输距离近等特点，主要用于便携式电子产品充电。这些特点导致了利用电磁感应原理的无线充电装置很难应用于电动汽车充电。

2006年11月美国麻省理工学院(MIT)物理系助理教授Marin Soljacic研究小组提出了磁耦合谐振技术，并于2007年6月进行了实验验证，相隔2.16m隔空将一只60W灯泡点亮，效率为40%。但60W的功率传输仍然远远不能满足电动汽车充电KW级的功率需求，而且文章中所提到的10MHz左右的工作频率也也给无线电力传输装置中的大功率开关电源功率的设计带来了困难。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提出一种输出功率大，效率高，传输距离远的电动汽车无线充电装置，以解决现有无线充电装置大多存在的传输距离过小，传输功率小，效率低，设计困难等缺点。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电动汽车无线充电装置，该电动汽车无线充电装置包括与工频电源相连的发射端和与电动汽车电池系统相连的接收端。

所述发射端由工频整流单元、功率因数校正单元、逆变单元、阻抗变换单元、发射线圈单元、第一通信单元和第一控制单元构成。所述的工频整流单元、功率因数校正单元、逆变单元、阻抗变换单元和发射线圈单元按照此顺序串联连接，第一通信单元和第一控制单元串联连接，第一控制单元控制逆变单元的输出。

所述的接收端由接收线圈单元、负载补偿单元、高频整流滤波单元、DC-DC变换单元、第二通信单元和第二控制单元构成。接收线圈单元、负载补偿单元、高频整流滤波单元、DC-DC变换单元照此顺序串联连接，DC-DC变换单元输出的电能供电池系统使用。第二通信单元和第二控制单元串联连接，电池系统的反馈信号作为第二控制单元输入，第二控制单元的输出控制DC-DC变换单元。所述的电池系统的反馈信号包括电池的电流，电压，温度等信息。

所述发射端中：

所述的工频整流单元为二极管全桥整流。

所述的功率因数校正单元为功率因数校正单元，可以采用有源功率因数校正拓扑，也可以采用无源功率因数校正拓扑。

所述的逆变电路单元的作用是将经过工频整流单元和功率因数校正单元得到的直流电压逆变成高频交流电压，供发射线圈单元使用。逆变单元的拓扑可以采用E类放大器或双E类放大器，也可以采用全桥逆变电路。在本发明中，逆变后的电压频率在20KHZ至500KHZ之间，逆变电路的输出由所属第一控制单元控制。

阻抗变换单元为电感和电容组成的T型网络，所述T型网络中包括串联连接的两个电感，感抗分别为X_S1和X_S2，一个连接在两电感之间的并联电容，容抗为X_P，通过调节感抗X_S1，X_S2，以及容抗X_P，可以改变逆变单元输出侧连接电路的等效阻抗，在输出功率能满足设计要求的前提下，本装置的传输效率达到最大。以下说明T型网络电感电容参数的设计方法。

加入阻抗变换单元前，逆变器输出侧连接电路的等效阻抗为Z_L＝R_L+jX_L，公式中R_L和X_L分别为等效阻抗和电抗，j为虚数单位；加入T型阻抗变换单元后，逆变单元输出侧所连接电路等效阻抗为：

$Z_L^{\′}=j{X}_{S1}-\frac{j{X}_P[R_L+j(X_L+X_{S2})]}{R_L+j(X_L+X_{S2}-X_P)}=R_{\mathrm{eq}}+j{X}_{\mathrm{eq}},$ 以上公式中，R_eq和X_eq为经阻抗变换后等效负载电阻和电抗的大小；

负载能得到的功率满足由于该公式中U_S为输入电压的模值，R_S和X_S分别为逆变单元输出阻抗的电阻和电抗值，P为设计的输出功率，未知参数只有R_eq和X_eq，可以通过调节X_S1、X_S2、X_P得到一组R_eq和X_eq的对应值能满足功率输出要求；

取这组对应值中R_eq最大的一组参数即可满足输出效率最大，此时根据所得的R_eq和X_eq和所述阻抗变换单元的品质因数要求选择一组X_S1、X_S2、X_P的值为X_S1m、 根据逆变器输出电压的频率，求出此时对应的电感电容大小。

所述的发射线圈单元埋设于地下或者安装在地面上，所述的接收线圈单元固定于电动汽车的底部。

所述的发射线圈单元由发射线圈和发射端放大线圈构成，发射线圈和发射端放大线圈的半径大小相同，平行放置，中心位于同一轴线上，从空间位置看，发射端放大线圈位于发射线圈之上，两线圈之间的空隙小于10mm。

所述的接收线圈单元由接收端放大线圈和接收线圈构成，两个线圈大小相同，平行放置，中心位于同一轴线上，从空间位置看，接收线圈位于接收端放大线圈之上，使得所述的发射端放大线圈和接收端放大线圈相邻。所述发射线圈、发射端放大线圈、接收端放大线圈和接收线圈四个线圈均并联有可变的谐振补偿电容，使发射端线圈和接收端线圈工作于固有谐振点或者接近于固有谐振点时，发射线圈单元和接收线圈单元传输距离为100mm-500mm。发射线圈单元向接收线圈单元传输能量时，发射线圈单元的中心轴线与接收线圈的中心轴线并不需要严格对齐，当两中心轴线的距离不超过发射线圈的半径时，发射线圈单元向接收线圈单元传输能量的最大传输功率和效率均能满足电动汽车的充电需求，但两中心轴线距离越近，所述电动汽车无线充电装置的最大传输功率越大，效率越高。

所述的负载补偿单元为LC串联结构，能够使高频整流滤波的输入电流连续，降低接收端变流装置对无线能量传输环节的影响，保证发射单元和接收单元能量传输连续。为了使LC上的电压尽量小，保证输出到负载上的电压足够大，所述LC在接收线圈输出基波电压频率下处于谐振状态。

所述的高频整流滤波单元为二极管全桥整流电路，它将接收线圈单元输出的高频电压整流为直流电压。在加入了负载补偿单元后，高频整流滤波单元在一个输入电压周期内，每个二极管有正向电流流过的时间为电压周期的50%。

所述的DC-DC变换单元是为了将本发明的输出电压转换为可供电池系统充电的合适电压值，DC-DC变换单元与第二控制单元和电池系统形成闭环控制系统，可以根据电池状态和充电方式的不同来控制DC-DC变换的输出。

所述第一通信单元和第二通信单元为无线通信模块，相互以全双工或半双工的方式进行无线通信。通信内容包括所述电动汽车无线充电装置的输入电压，输入电流，输出电压，输出电流，发射线圈、发射端放大线圈、接收端放大线圈、接收线圈并联的谐振补偿电容的电压和电流等信息。

所述的第一控制单元和第二控制单元为发送端逆变单元和接收端DC-DC变换单元的控制电路，分别控制逆变单元和DC-DC变换单元，其控制依据为所述的第一通信单元和第二通信单元无线通信所得到的信息，并根据这些信息来协调第一控制单元和第二控制单元同步工作，使无线充电装置的输出电压电流满足电池系统的充电需求。

与现有的无线充电技术相比，本发明有如下优点：

1.本发明传输功率大，传输效率高。

2.与现有基于磁感应耦合原理的无线充电装置相比，本发明大大增大了无线传输的距离，达到100mm-500mm，传输的功率和效率也比现有的基于磁感应耦合原理的无线充装置高很多。

3.与现有的基于磁耦合谐振原理的无线充电装置相比，本发明将磁耦合谐振技术常用的数MHz甚至数十MHz的频率降低到了20KHZ-500KHZ，在这个频率段，开关电源便于设计，效率高，大大降低了本发明的设计难度。

4.通过控制逆变单元和DC-DC单元能够实现本发明的灵活有效控制，可以满足不同的充电需求。

附图说明

图1是本发明所示的结构示意图；

图2是本发明的使用示意图；

图3是本发明的发射线圈单元和接收线圈单元的结构图；

图4是本发明的阻抗匹配单元电路原理图；

图5a是本发明的负载补偿单元电路原理图；

图5b是不加负载补偿单元时接收线圈输出的电压电流波形；

图5c是加上负载补偿单元后接收线圈输出的电压电流波形。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进行进一步说明本发明。

本发明电动汽车无线充电装置包括与工频电源相连的发射端和与电动汽车电池系统相连的接收端。

所述发射端由工频整流单元、功率因数校正单元、逆变单元、阻抗变换单元、发射线圈单元、第一通信单元和第一控制单元构成。所述的工频整流单元、功率因数校正单元、逆变单元、阻抗变换单元和发射线圈单元按照此顺序串联连接，第一通信单元和第一控制单元串联连接，第一控制单元控制逆变单元的输出。

所述的接收端由接收线圈单元、负载补偿单元、高频整流滤波单元、DC-DC变换单元、第二通信单元和第二控制单元构成。接收线圈单元、负载补偿单元、高频整流滤波单元、DC-DC变换单元照此顺序串联连接，DC-DC变换单元输出的电能供电池系统使用。第二通信单元和第二控制单元串联连接，电池系统的反馈信号作为第二控制单元输入，第二控制单元的输出控制DC-DC变换单元。所述的电池系统的反馈信号包括电池的电流，电压，温度等信息。

如图1所示，本装置的发射端由工频整流单元、功率因数校正单元、逆变单元、阻抗变换单元、发射线圈单元、第一通信单元和第一控制单元构成；本装置的接收端由接收线圈单元、负载补偿单元、高频整流滤波单元、DC-DC变换单元、第二通信单元和第二控制单元构成。所述的发射线圈单元与接收线圈单元进行无线电力传输，所述的第一通信单元和第二通信单元进行无线通信，发射端与接收端之间没有电线的连接。

如图2所示，当安装有接收线圈的车辆停在安装有所述发射端的地面上，使所述发射线圈单元和接收线圈单元中心轴线的距离不超过发射线圈的半径，本发明能启动充电，发射线圈与接收线圈中心轴线距离越近，本发明所能提供的最大输出功率越大，传输效率越高，所述的发射线圈单元与接收线圈单元距离可以相距100mm-500mm，这个距离段能适合大部分的车型充电。

如图3所示，按空间上从下向上依次为发射线圈，发射端放大线圈，接收端放大线圈和接收线圈，四个线圈上均并联有可变的谐振补偿电容C1，C2，C3，C4：发射线圈并联有电容C1，发射端放大线圈并联C2，接收端放大线圈并联电容C3，接收线圈并联电容C4。

发射线圈将所述的逆变单元输出的电能转化为磁场能量，并通过磁场耦合原理将能量传递至发射端放大线圈，发射端放大线圈利用其低阻抗的特性，将磁场放大并传递至接收端放大线圈，接收端放大线圈利用其低阻抗的特性，将接收到的磁场进一步放大，并通过磁场耦合传递给接收线圈，接收线圈将磁场能量转化为电能输出至负载。发射线圈和发射端放大线圈利用各自的谐振补偿电容，有效提高相互间的耦合程度，并将电能转化为磁场能发射出去。接收端放大线圈和接收线圈利用各自的谐振补偿电容，有效接收到的磁场能并转化为电能。发射线圈、发射端放大线圈、接收端放大线圈、接收线圈均起到了磁场放大作用，各自的放大倍数可以通过各个并联谐振电容C1，C2，C3，C4进行调整，并联谐振电容与线圈电感的固有谐振频率与电源频率越接近，线圈对磁场的放大倍数越高。

线圈放大倍数提高将增加线圈的电流和并联电容的电压，给本发明的绝缘安全带来威胁，为此提出了在满足功率传输要求的前提下，通过降低各线圈的放大倍数，降低各线圈的电流和电压。可以根据发射线圈与接收线圈的距离d，谐振补偿电容的耐压值来调节四个谐振补偿电容，使本发明的最大传输功率，效率值，谐振补偿电容C1，C2，C3，C4上的电压值达到设计要求。

如图4所示为阻抗变换单元的电路原理图，本单元采用两个电感和一个电容构成的T型阻抗变换网络，在加入阻抗变换单元前，从逆变器单元输出侧看负载的等效阻抗为Z_L＝R_L+jX_L，加入阻抗变换单元后逆变器输出侧所连接的电路等效阻抗能变为其中R_L,X_L分别为负载的等效电阻和等效电抗，X_S1，X_S2，X_P分别为T型阻抗网络中两个电感的感抗和电容的容抗，等效负载的实部和虚部都能通过调节X_S1，X_S2，X_P的大小来改变，以此改变本装置的传输效率和最大传输功率，调节阻抗匹配的原则是在负载能得到设计要求输出功率P的前提下，传输效率能够最大。

逆变器的输出阻抗Z_S＝R_S+jX_S，从逆变器输出端所连接电路的等效阻抗为Z′_L＝R_eq+jX_eq，则本装置输出的功率为其中U_S为输入电压的模值，R_S和X_S分别为逆变单元输出阻抗的电阻和电抗值，R_eq和X_eq分别为从逆变单元输出侧看入的负载等效电阻和电抗，其大小可以通过调节阻抗变换单元的参数改变，在输出功率P已知的情况下可以得到一组R_eq和X_eq的关系曲线，要满足本装置传输效率只需取满足要求的最大R_eq即可。

如图5a所示，高频的交流电能需经过高频整流滤波单元变为直流电压后才能使用，但经过高频整流滤波单元会导致接收线圈单元电流断续的现象，如图5b所示，只有在输出侧电压高于滤波电容上的电压时，整流桥中才能流过电流，这就导致了输出线圈流过电流的时间很短，而且流过电流的幅值很大，但发射线圈单元和接收线圈单元中只有在有电流时才能有支撑能量传输的磁场存在，接收线圈输出的电流必须连续。为了达到这个目的，本装置引入由电感和电容串联的LC结构作为负载补偿单元，如图5c所示，通过调节电感L和电容C的参数使高频整流滤波单元中每个二极管有正向电流流过的时间均为高频滤波单元输入电压周期的50%，输入电流在整个电压周期内无断流现象，发射线圈单元能量能连续传输给接收线圈，为了使电感L和电容C构成的负载补偿单元的引入不影响输出电压，调节电感L和电容C的值使负载补偿单元在输出线圈输出的基波电压频率下处于谐振状态，这样负载补偿单元上承受的电压很小，负载能得到较大的电压值。

本发明中，输出电压电流的调节可以通过第一控制单元和第二控制单元实现，第二控制单元和DC-DC变换单元，电池系统形成闭环结构，控制DC-DC的输出。此外，第二通信单元将电池系统的电压，电流，温度等信息传递给第一通信单元，根据这些信息控制逆变单元。通过两个控制器的协调合作，能够使本发明的输出满足电池系统的充电需求。

Claims (7)

1.一种电动汽车无线充电装置，其特征在于所述的无线充电装置包括连接在工频电源的发射端和与电动汽车电池系统相连的接收端；

所述发射端由工频整流单元、功率因数校正单元、逆变单元、阻抗变换单元、发射线圈单元、第一通信单元和第一控制单元构成；所述的工频整流单元、功率因数校正单元、逆变单元、阻抗变换单元和发射线圈单元按上述顺序串联连接；第一通信单元和第一控制单元串联连接，第一控制单元的输出控制逆变单元；

所述接收端由接收线圈单元、负载补偿单元、高频整流滤波单元、DC-DC变换单元、第二通信单元和第二控制单元构成；接收线圈单元、高频整流滤波单元、DC-DC变换单元按上述顺序串联连接；DC-DC变换单元的输出连接电动汽车电池系统；第二通信单元和第二控制单元串联连接，电动汽车电池系统的反馈信号作为第二控制单元的输入，第二控制单元的输出控制DC-DC变换单元；

所述的发射线圈单元由发射线圈和发射端放大线圈两个半径相同的线圈构成，发射线圈和发射端放大线圈的中心位于同一轴线上，发射线圈和发射端放大线圈之间距离小于10mm，所述的发射线圈单元埋设于地下或者放置在地面上；

所述的接收线圈单元由接收线圈和接收端放大线圈两个半径相同的线圈构成，两线圈的中心位于同一轴线上，接收线圈和接收端放大线圈之间距离小于10mm，所述的接收线圈单元固定于车的底盘上；

所述的发射线圈、发射端放大线圈、接收端放大线圈、接收线圈四个线圈均并联有可变的谐振补偿电容，通过调节四个所述谐振补偿电容的值能够改变所述四个线圈对磁场的放大倍数；

所述的发射线圈单元和接收线圈单元之间进行无线电力传输；

第一通信单元和第二通信单元通过无线信号连接，进行无线信号通信。

2.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电装置，其特征在于所述的逆变单元为E类放大器电路或双E类放大器电路或全桥逆变电路，逆变单元输出的电压频率在20KHZ至500KHZ之间。

3.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电装置，其特征在于所述的阻抗变换单元为电感和电容组成的T型网络；所述T型网络中包括串联连接的两个电感，感抗分别为X_S1和X_S2，一个连接在两电感之间的并联电容，容抗为X_P；感抗X_S1，X_S2，以及容抗X_P的取值分别为和使输出功率能满足设计要求的同时传输效率能得到最大；所述的T型网络电感电容参数的设计方法为：

加入阻抗变换单元前，所述逆变单元输出侧连接电路的等效阻抗为Z_L＝R_L+jX_L，公式中R_L和X_L分别为等效阻抗和电抗；加入T型阻抗变换单元后，所述逆变单元输出侧连接电路的等效阻抗为：

$Z_L^{\′}=j{X}_{S1}-\frac{j{X}_P[R_L+j(X_L+X_{S2})]}{R_L+j(X_L+X_{S2}-X_P)}=R_{\mathrm{eq}}+j{X}_{\mathrm{eq}},$ 以上公式中，R_eq和X_eq为经阻抗变换后逆变单元输出侧连接电路的等效阻抗和电抗的大小；

负载能得到的功率满足 $P={\left[\frac{U_S}{(R_S+R_{\mathrm{eq}})+j(X_S+X_{\mathrm{eq}})}\right]}^2{R}_{\mathrm{eq}},$

该公式中：U_S为输入电压的模值，R_S和X_S分别为逆变单元输出阻抗的电阻和电抗值，P为设计的输出功率，通过调节X_S1、X_S2、X_P得到一组R_eq和X_eq的对应值能满足功率输出要求；

取这组对应值中R_eq最大的一组参数即可满足输出效率最大，此时根据所得的R_eq和X_eq和所述阻抗变换单元的品质因数要求选择一组X_S1、X_S2、X_P的值为 根据逆变器输出电压的频率，求出此时对应的电感电容大小。

4.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电装置，其特征在于，所述发射线圈单元和接收线圈单元传输无线电能的最佳频率在20KHz至500KHz之间。

5.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电装置，其特征在于所述的负载补偿单元为电感和电容串联结构，所述电感和电容在逆变器输出电压频率下处于谐振状态，所述负载补偿单元的电感电容参数取值能满足在所述接收线圈单元输出电压的一个周期内，所述的高频整流滤波单元中每个二极管有正向电流流过的时间占整个周期的50％。

6.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电装置，其特征在于所述第一通信单元与第二通信单元通过无线信号通信的内容至少包括所述电动汽车无线充电装置输入的电压、电流，输出的电压、电流，所述发射线圈、发射端放大线圈、接收端放大线圈、接收线圈四个线圈并联的谐振补偿电容两端的电压值，以此协调所述第一控制器与第二控制器工作，使无线充电装置的输出电压电流满足电池系统的充电需求。

7.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电装置，其特征在于所述的无线充电装置工作时，装设有所述接收端的车辆停在安装有所述发射端的地面上，使所述发射线圈单元和接收线圈单元中心轴线的距离不超过发射线圈单元的半径，发射单元与接收单元垂直距离在100mm至500mm之间。