CN104124727A - 变频稳压的电动汽车无线充电装置 - Google Patents

Abstract

一种变频稳压的电动汽车无线充电装置，包括初级线盘，次级线盘，变频功率模块，无线解调模块，功率输出模块，采样模块，以及无线调制模块。当电能驱动车辆停泊在停车位并开始充电时，无线调制模块与无线解调模块建立无线连接，变频功率模块根据采样模块通过无线调制模块和无线解调模块无线反馈的信号调整输入初级线盘的电能，从而令功率输出模块以恒定电压输出电能。本发明利用无线通信方式，实现将次级线盘一侧的电能变化实时地反馈给初级线盘一侧，并相应地对初级线盘一侧实施控制，用非接触式的反馈稳压实现无线直流充电装置的稳压控制。

Description

变频稳压的电动汽车无线充电装置

技术领域

本发明涉及无线充电装置，特别是涉及适用于以电能为驱动能的车辆的无线充电装置。 

背景技术

现有技术为以可充放电电池组为动力的车辆充电的无线充电装置包括安装在停车位的初级线圈和安装在所述车辆上的次级线圈。当车辆进入停车位时，令所述初级线圈和次级线圈基本对正。在次级线盘上加有频率在15千赫至55千赫的电压，即产生相应频率的交变磁场。在对应面的次级也如同变压器原理，有交变电压输出。此电压通过整流器转换成直流电压后，为电动车辆内的电池组充电。在充电的过程中，电池组的电压会逐渐升高，这就相当于逐渐减轻了所述充电装置的负载，如果无稳压功能，整流器输出的电压值也会随之升高。这就要求将次级线盘的电压变化量反馈到初级线盘一侧，实时调节交变磁场的频率，以达到次级线盘输出电压稳定的效果。但是，在无线充电装置中次级线盘和初级线盘之间的电压反馈环路也应当是非接触式，即初级线盘与次级线盘之间无导线连接，令现有技术用于有线电路之间的反馈稳压电路及方法无法用在无线充电装置中，因此需要一种能够适用于无线充电稳压控制方式。 

发明内容

本发明要解决的技术问题在于避免现有技术的不足之处而提出一种采用非接触式反馈稳压的变频稳压的电动汽车无线充电装置，实现对无线直流充电装置的稳压控制。 

本发明解决所述技术问题可以通过采用以下技术方案来实现： 

设计、制造一种变频稳压的电动汽车无线充电装置，用于为电能驱动车辆内的动力电池组充电，包括安装在停车位的初级线盘，安装在所述电能驱动车辆上的次级线盘。尤其是，所述无线直流充电装置还包括电连接在所述初级线盘与输入电源之间的变频功率模块，电连接该变频功率模块的无线解调模块，电连接在所述次级线盘与充电输出端之间的功率输出模块，电连接在充电输出端两端的采样模块，以及电连接该采样模块的无线调制模块。所述变频功率模块包括电压调频模块和驱动单元。所述功率输出模块包括电连接所述次级线盘两输出端的谐振电容，以及电连接在该谐振电容两端的整流单元。所述变频功率模块借助驱动单元控制电压调频模块，以调整初级线盘的电压频率，进而调整所述次级线盘输出的谐振电压，所述整流单元将该谐振电压转换为输入至充电输出端的直流充电电能。当电能驱动车辆停泊在停车位并开始充电时，所述无线调制模块与无线解调模块建立无线连接，所述变频功率模块根据采样模块通过无线调制模块和无线解调模块无线反馈的信号调整输入初级线盘的电能，从而令功率输出模块以恒定电压输出电能。

具体地，所述无线调制模块和无线解调模块是采用近场通信Near Field Communication无线通信方式完成数据传输。 

更具体地，所述近场通信NFC无线通信方式是蓝牙Bluetooth无线通信方式。 

所述电压调频模块包括第一至第四绝缘栅双极型晶体管Insulated Gate Bipolar Transistor。所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极和第二绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极都电连接一隔直电容的一端，该隔直电容的另一端电连接所述初级线盘的一输入端；所述第三绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极和第四绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极都电连接所述初级线盘的另一输入端；所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极和第三绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极都电连接所述输入电源的一输出端；所述第二绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极和第四绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极都电连接所述输入电源的另一输出端；所有绝缘栅双极型晶体管IGBT的门极各自电连接所述驱动单元；所述驱动单元根据输入的控制信号向各绝缘栅双极型晶体管IGBT的门极输出的驱动信号，从而调整所述初级线盘的电压频率。 

进一步地，所述整流单元包括第一至第四二极管以及电连接在充电输出端两端之间的滤波电容；所述第一二极管和第二二极管的阴极都电连接所述充电输出端的一端；该充电输出端的另一端电连接所述第三二极管和第四二极管的阳极；所述第一二极管的阳极和第三二极管的阴极都电连接所述次级线盘的一端，该次级线盘的另一端电连接所述第二二极管的阳极和第四二极管的阴极。 

具体而言，所述采样模块包括分压采样单元和压差采集单元。所述分压采样单元包括串联在充电输出端与地之间的分压电阻和采样电阻，所述压差采集单元的输入端电连接采样电阻与分压电阻电连接的一端。所述压差采集单元将输入电压与自身的参考电压的差值信号输出至无线调制模块。 

为适用于上述方案，所述无线调制模块包括第一无线收发单元和第一微型控制单元Micro Control Unit；所述第一微型控制单元MCU包括调制输入端和调制输出端。所述第一微型控制单元MCU的调制输入端电连接采样模块的输出端，第一微型控制单元MCU将由采样模块输入的模拟信号调制成适于无线传输的采样数字信号，并将该采样数字信号通过调制输出端输出至第一无线收发单元；所述第一无线收发单元将所述采样数字信号以无线通信方式发送至无线解调模块。 

另外，所述无线解调模块包括第二无线收发单元、第二微型控制单元MCU和变频脉冲输出单元；所述第二微型控制单元MCU包括解调输入端和解调输出端。所述第二无线收发单元将通过无线通信方式接收的、来自无线调制模块的信号输出至第二微型控制单元MCU的输入端。所述第二微型控制单元MCU根据解调输入端输入的信号生成频率可调的脉冲源信号，并将该脉冲源信号从解调输出端输出至变频脉冲输出单元。所述变频脉冲输出单元将输入的脉冲源信号处理成两组能够防止各绝缘栅双极型晶体管IGBT控制紊乱的IGBT控制脉冲源信号并输出至调压模块的驱动单元。 

同现有技术相比较，本发明“变频稳压的电动汽车无线充电装置”的技术效果在于： 

本发明利用无线通信方式，实现将次级线盘一侧的电能变化实时地反馈给初级线盘一侧，并相应地对初级线盘一侧实施控制，用非接触式的反馈稳压实现无线直流充电装置的稳压控制；

采用本发明所述变频稳压的电动汽车无线充电装置，在初级线盘与次级线盘中心正对距离8厘米时，充电效率可达90%，输出功率可达28千瓦；在初级线盘与次级线盘中心正对距离16厘米时，充电效率可达86%，输出功率可达14千瓦。

附图说明

图1是本发明“变频稳压的电动汽车无线充电装置”的电原理示意图； 

图2是本发明优选实施例的电原理示意图；

图3是本发明优选实施例调压模块12的电原理示意图；

图4是本发明优选实施例功率输出模块22的电原理示意图；

图5是本发明优选实施例采样模块23和无线调制模块24的电原理示意图；

图6是本发明优选实施例无线解调模块14的电原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例作进一步详述。 

本发明提出一种变频稳压的电动汽车无线充电装置，用于为电能驱动车辆内的动力电池组充电，如图1所示，包括安装在停车位地面上的初级线盘11，安装在所述电能驱动车辆上的次级线盘21。所述电能驱动车辆包括单纯使用电池组作为驱动能源的纯电动车辆，以及混合使用电能、燃油能和燃气能作为驱动能源的车辆。所述无线直流充电装置还包括电连接在所述初级线盘11与输入电源IA1、IA2之间的变频功率模块12，电连接该变频功率模块12的无线解调模块14，电连接在所述次级线盘21与充电输出端OD1OD2之间的功率输出模块22，电连接在充电输出端两端OD1、OD2的采样模块23，以及电连接该采样模块23的无线调制模块24。当电能驱动车辆停泊在停车位并开始充电时，所述无线调制模块24与无线解调模块14建立无线连接，所述变频功率模块12根据采样模块23通过无线调制模块24和无线解调模块14无线反馈的信号实时调节调整输入初级线盘11的电能，从而令功率输出模块22以恒定设定电压输出电能，进而由充电输出端两端OD1、OD2向车载电池充电。所述无线调制模块24和无线解调模块14建立无线通信的过程可以是建立无线链接的简单过程，也可以较为复杂的先验证后建立无线链接的过程，总之，本发明侧重于无线调制模块24和无线解调模块14建立无线连接后的数据传输，而不涉及无线调制模块24和无线解调模块14建立无线连接的过程。 

本发明优选实施例，如图2所示，所述变频功率模块12包括频率转换单元121和驱动单元122；所述功率输出模块22包括电连接所述次级线盘21两输出端的谐振电容Cs，以及电连接在该谐振电容Cs两端的整流单元221。所述变频功率模块12借助驱动单元122控制频率转换单元121，以调整初级线盘11的电压频率，进而调整所述次级线盘21输出的谐振电压，所述整流单元221将该谐振电压转换为输入至充电输出端OD1、OD2的直流充电电能。所述频率转换单元121调节初级线盘11的电能频率，改变传输功率，次级线盘21的输出电压值就被控制在设定值内。 

为防止相邻无线充电装置之间的互相影响，所述无线调制模块24和无线解调模块14是采用近场通信Near Field Communication无线通信方式完成数据传输。 

本发明优选实施例，所述近场通信NFC无线通信方式是蓝牙Bluetooth无线通信方式。 

本发明优选实施例，如图3所示，所述频率转换单元121包括第一至第四绝缘栅双极型晶体管IGBT B1至B4。所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT B1的发射极E和第二绝缘栅双极型晶体管IGBT B2的集电极C都电连接一隔直电容C1的一端，该隔直电容C1的另一端电连接所述初级线盘11的一输入端。所述第三绝缘栅双极型晶体管IGBT B3的发射极E和第四绝缘栅双极型晶体管IGBT B4的集电极C都电连接所述初级线盘11的另一输入端。所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT B1的集电极C和第三绝缘栅双极型晶体管IGBT B3的集电极C都电连接所述输入电源的一输出端IA1，即输入电源的正极输出端IA1。所述第二绝缘栅双极型晶体管IGBT B2的发射极E和第四绝缘栅双极型晶体管IGBT B4的发射极E都电连接所述输入电源的另一输出端IA2，即输入电源的负极输出端IA2。所有绝缘栅双极型晶体管IGBT B1至B4的栅极G各自电连接所述驱动单元122；所述驱动单元122根据输入的控制信号向各绝缘栅双极型晶体管IGBT B1至B4的栅极G输出的驱动信号，从而调整电连接所述初级线盘11的电压频率，令变频功率模块12的输出频率和初级线盘11的输出电流实时变化。 

本发明优选实施例，如图4所示，所述整流单元221包括第一至第四二极管D1至D4以及电连接在充电输出端两端OD1、OD2之间的滤波电容Cf；所述第一二极管D1和第二二极管D2的阴极都电连接所述充电输出端的一端OD1，即正极。该充电输出端的另一端OD2，即负极，电连接所述第三二极管D3和第四二极管D4的阳极。所述第一二极管D1的阳极和第三二极管D3的阴极都电连接所述次级线盘21的一端，也就是谐振电容Cs的一端，该谐次级线盘21的另一端，也就是振电容Cs的另一端电连接所述第二二极管D2的阳极和第四二极管D4的阴极。 

本发明优选实施例，如图5所示，所述采样模块23包括分压采样单元231和压差采集单元232。所述分压采样单元231包括串联在充电输出端OD1与地之间的分压电阻R1和采样电阻R2，所述压差采集单元232的输入端电连接采样电阻R2与分压电阻R1电连接的一端。所述压差采集单元232将输入电压与自身的参考电压的差值信号输出至无线调制模块24。 

又如图5所示，所述无线调制模块24包括第一无线收发模块241和第一微型控制单元MCU 242。所述第一微型控制单元MCU 242包括调制输入端和调制输出端。所述第一微型控制单元MCU 242的调制输入端电连接采样模块23的输出端，第一微型控制单元MCU 242将由采样模块23输入的模拟信号调制成适于无线传输的采样数字信号，并将该采样数字信号通过调制输出端输出至第一无线收发单元241。所述第一无线收发单元241将所述采样数字信号以无线通信方式发送至无线解调模块14。本发明优选实施例，所述第一微型控制单元MCU 242对于由采样模块23输入的模拟压差信号处理成数字信号，并将该数字信号处理成适用于蓝牙Bluetooth无线通信的格式，即采样数字信号。所述第一微型控制单元MCU 242除了针对采样模块23输入的信号进行上述处理外，还同时进行次级线盘21一侧的数据处理以及指令控制，因此次级线盘21一侧还应当为第一微型控制单元MCU 242配置实现这些数据处理和指令控制所必需的外围器件。 

本发明优选实施例，如图6所示，所述无线解调模块14包括第二无线收发模块141、第二微型控制单元MCU 142和变频脉冲输出单元143。所述第二微型控制单元MCU 142包括解调输入端和解调输出端。所述第二无线收发模块141将通过无线通信方式接收的、来自无线调制模块24的信号，本发明优选实施例就是前述采样数字信号，输出至第二微型控制单元MCU 142的输入端。所述第二微型控制单元MCU 142根据解调输入端输入的信号生成频率可调的脉冲源信号，并将该脉冲源信号从解调输出端输出至变频脉冲输出单元143。本发明优选实施例，所述第二微型控制单元MCU 142根据解调输入端输入的信号，即采样数字信号，还原出包括压差信息的压差模拟信号，再根据该压差模拟信号生成用于控制各绝缘栅双极型晶体管IGBT B1至B4栅极的频率可调的脉冲源信号，该脉冲源信号的频率根据压差模拟信号确定。所述采样数字信号还原成压差模拟信号可因数据处理方法的不同而省略，即根具压差数字信号直接生成频率可调的脉冲源信号。所述变频脉冲输出单元143将输入的脉冲源信号处理成两组能够防止各绝缘栅双极型晶体管IGBT控制紊乱的IGBT控制脉冲源信号并输出至调压模块的驱动单元。所述两组能够防止各绝缘栅双极型晶体管IGBT控制紊乱的IGBT控制脉冲源信号包括一组输入的脉冲源信号，以及根据该脉冲源信号生成的一组经过倒相处理和移相处理的防死区脉冲源信号，通过这两组脉冲源信号可以有效协调各绝缘栅双极型晶体管IGBT的导通和关断时机，防止出现绝缘栅双极型晶体管IGBT全导通或者全关断的情况。所述第二微型控制单元MCU 142除了针对第二无线收发模块141输入的信号进行上述处理外，还同时进行初级线盘11一侧的数据处理以及指令控制，因此初级线盘11一侧还应当为第二微型控制单元MCU 142配置实现这些数据处理和指令控制所必需的外围器件。 

本发明优选实施例，如果功率输出模块22输出的电压高于或者低于设定的电压值，采样模块23检测到的电压值就会高于或者低于基准电压而形成压差信号，即误差电压，此误差电压通过无线调制模块24和无线解调模块14非接触的反馈至初级线圈11一侧，并且借助第二微型控制单元MCU 142处理，由驱动单元122以相应的频率控制频率转换单元121，进而令功率输出模块22的输出电压回到设定值。采用本发明所述变频稳压的电动汽车无线充电装置，在初级线盘与次级线盘中心正对距离8厘米时，充电效率可达90%，输出功率可达28千瓦；在初级线盘与次级线盘中心正对距离16厘米时，充电效率可达86%，输出功率可达14千瓦。 

Claims (8)

1.一种变频稳压的电动汽车无线充电装置，用于为电能驱动车辆内的动力电池组充电，包括安装在停车位的初级线盘，安装在所述电能驱动车辆上的次级线盘；其特征在于：

还包括电连接在所述初级线盘与输入电源之间的变频功率模块，电连接该变频功率模块的无线解调模块，电连接在所述次级线盘与充电输出端之间的功率输出模块，电连接在充电输出端两端的采样模块，以及电连接该采样模块的无线调制模块；

所述变频功率模块包括频率转换单元和驱动单元；所述功率输出模块包括电连接所述次级线盘两输出端的谐振电容，以及电连接在该谐振电容两端的整流单元；

所述变频功率模块借助驱动单元控制频率转换单元，以调整初级线盘的电压频率，进而调整所述次级线盘输出的谐振电压，所述整流单元将该谐振电压转换为输入至充电输出端的直流充电电能；

当电能驱动车辆停泊在停车位并开始充电时，所述无线调制模块与无线解调模块建立无线连接，所述变频功率模块根据采样模块通过无线调制模块和无线解调模块无线反馈的信号调整输入初级线盘的电能，从而令功率输出模块以恒定电压输出电能。

2.根据权利要求1所述的变频稳压的电动汽车无线充电装置，其特征在于：

所述无线调制模块和无线解调模块是采用近场通信Near Field Communication无线通信方式完成数据传输。

3.根据权利要求2所述的变频稳压的电动汽车无线充电装置，其特征在于：

所述近场通信NFC无线通信方式是蓝牙Bluetooth无线通信方式。

4.根据权利要求1所述的变频稳压的电动汽车无线充电装置，其特征在于：

所述频率转换单元包括第一至第四绝缘栅双极型晶体管Insulated Gate Bipolar Transistor；

所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极和第二绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极都电连接一隔直电容的一端，该隔直电容的另一端电连接所述初级线盘的一输入端；所述第三绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极和第四绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极都电连接所述初级线盘的另一输入端；所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极和第三绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极都电连接所述输入电源的一输出端；所述第二绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极和第四绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极都电连接所述输入电源的另一输出端；所有绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极各自电连接所述驱动单元；所述驱动单元根据输入的控制信号向各绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极输出的驱动信号，从而调整所述初级线盘的电压频率。

5.根据权利要求1所述的变频稳压的电动汽车无线充电装置，其特征在于：

所述整流单元包括第一至第四二极管以及电连接在充电输出端两端之间的滤波电容；所述第一二极管和第二二极管的阴极都电连接所述充电输出端的一端；该充电输出端的另一端电连接所述第三二极管和第四二极管的阳极；所述第一二极管的阳极和第三二极管的阴极都电连接所述次级线盘的一端，该次级线盘的另一端电连接所述第二二极管的阳极和第四二极管的阴极。

6.根据权利要求1所述的变频稳压的电动汽车无线充电装置，其特征在于：

所述采样模块包括分压采样单元和压差采集单元；

所述分压采样单元包括串联在充电输出端与地之间的分压电阻和采样电阻，所述压差采集单元的输入端电连接采样电阻与分压电阻电连接的一端；

所述压差采集单元将输入电压与自身的参考电压的差值信号输出至无线调制模块。

7.根据权利要求1所述的变频稳压的电动汽车无线充电装置，其特征在于：

所述无线调制模块包括第一无线收发单元和第一微型控制单元Micro Control Unit；所述第一微型控制单元MCU包括调制输入端和调制输出端；

所述第一微型控制单元MCU的调制输入端电连接采样模块的输出端，第一微型控制单元MCU将由采样模块输入的模拟信号调制成适于无线传输的采样数字信号，并将该采样数字信号通过调制输出端输出至第一无线收发单元；所述第一无线收发单元将所述采样数字信号以无线通信方式发送至无线解调模块。

8.根据权利要求1所述的变频稳压的电动汽车无线充电装置，其特征在于：

所述无线解调模块包括第二无线收发单元、第二微型控制单元MCU和变频脉冲输出单元；所述第二微型控制单元MCU包括解调输入端和解调输出端；

所述第二无线收发单元将通过无线通信方式接收的、来自无线调制模块的信号输出至第二微型控制单元MCU的输入端；

所述第二微型控制单元MCU根据解调输入端输入的信号生成频率可调的脉冲源信号，并将该脉冲源信号从解调输出端输出至变频脉冲输出单元；

所述变频脉冲输出单元将输入的脉冲源信号处理成两组能够防止各绝缘栅双极型晶体管IGBT控制紊乱的IGBT控制脉冲源信号并输出至调压模块的驱动单元。