CN106364355B - 一种电动汽车无线与交流联合充电系统及其方法 - Google Patents

一种电动汽车无线与交流联合充电系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车无线与交流联合充电系统及其方法，该系统包括交流充电子系统和无线充电子系统，交流充电子系统和无线充电子系统分别与控制计量子系统相互通信，所述控制计量子系统包括主控制器，所述主控制器与电动汽车BMS通信来获取电动汽车实际需要的功率；交流充电子系统和无线充电子系统可以单独为电动汽车充电或同时为电动汽车充电；控制计量子系统还包括动态功率分配模块，动态功率分配模块用于当交流充电子系统和无线充电子系统同时为电动汽车充电时，根据电动汽车实际需要的功率来动态分配所述交流充电子系统和无线充电子系统的输出功率，实现以最优充电效率来为电动汽车充电的目的。

Description

一种电动汽车无线与交流联合充电系统及其方法
技术领域
本发明属于电动汽车领域，尤其涉及一种电动汽车无线与交流联合充电系统及其方法。
背景技术
进入21世纪以来，我们面临着日益严峻的全球气候变暖、空气污染、不可再生的煤炭、石油和天然气等石化能源储量急剧下降等问题，节能减排和新能源的运用等热门话题已日渐成为国际社会的共识。近年来，在我国，伴随着雾霾天气而来的热议话题便是清洁能源，清洁能源在汽车领域的应用之一便是以低污染、能源可再生的电力驱动的新能源汽车。
充电设备配套建设进程缓慢成了桎梏我国纯电动汽车发展的一大因素，换言之，伴随着纯电动汽车普及的推进，销量和保有量的快速增加，应市场需求将会新建并投入运行大量的续电设施，充电站、充电桩将会像加油站一样普及。
目前，电动汽车充电方式主要有两种：一种是有线充电，也叫接触式充电；一种是无线充电，也叫非接触式充电。电动汽车无线充电是针对有线充电的诸多弱点而提出的一种新型充电方式。相比于有线充电，无线充电不需要电气连接，没有接触火花等磨损老化问题，而且几乎不需要占地，可以做到远程控制和调度，而且更适合恶劣环境使用，正是由于这些优点，电动汽车无线充电被认为是未来充电动汽车充电领域的发展方向。
目前有线充电主要分为两种方式，交流充电桩和直流充电桩。
交流电动汽车充电桩，俗称就是“慢充”，固定安装在电动汽车外、与交流电网连接，为电动汽车车载充电机(即固定安装在电动汽车上的充电机)提供交流电源的供电装置。交流充电桩只提供电力输出，没有充电功能，需连接车载充电机为电动汽车充电。交流电动汽车充电桩相当于只是起了一个交流电源的作用。
直流电动汽车充电桩，俗称就是“快充”，一般是指将纯电动汽车通过非车载的、固定安装的直流桩与交流电网相连，通过高电压和大电流实现对电池的快速充电，通常可以在20～30分钟将电池充电至50％—80％以应对紧急情况下的行驶需要。
就目前而言，电动汽车一般都具备交流充电接口和直流充电接口两种充电方式。未来，电动汽车无线充电国标发布之后，电动汽车也会同时具备无线充电方式。当电动汽车同时具备交流充电接口和无线充电模块之后，如果仅仅采用交流接口给电动汽车充电，无线充电模块就会闲置，反之亦然。
此外，随着无线充电技术的成熟，有线和无线充电系统在各地铺设，但如果两者处于分立运行状态，各自有独立的管理计量系统，就会缺乏统筹协调性，在一定程度上造成了混乱的局面。如果基于有线、无线充电的电动汽车的数量进一步增加，分立运行的弊端会愈加明显：无法统一管理，缺乏合理规划、占地面积大，成本浪费、经济性差，用户体验差等。
发明内容
为提高电动汽车的充电速度，充分利用资源，使充电桩更具有普遍适应性，解决交流有线桩和无线桩的不统一的问题，本发明提供一种电动汽车无线与交流联合充电系统及其方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种电动汽车无线与交流联合充电系统，该系统对搭载于所述电动汽车的蓄电装置进行充电，该系统包括交流充电子系统和无线充电子系统，所述交流充电子系统和无线充电子系统分别与控制计量子系统相互通信，所述控制计量子系统包括主控制器，所述主控制器与电动汽车BMS通信来获取电动汽车实际需要的功率；
所述交流充电子系统和无线充电子系统可以单独为电动汽车充电或同时为电动汽车充电；所述控制计量子系统还包括动态功率分配模块，所述动态功率分配模块与主控制器相连，所述动态功率分配模块用于当交流充电子系统和无线充电子系统同时为电动汽车充电时，根据电动汽车实际需要的功率来动态分配所述交流充电子系统和无线充电子系统的输出功率，实现以最优充电效率来为电动汽车充电的目的；
其中，动态功率分配模块的功率分配原则为：比较电动汽车需求功率与无线充电子系统的额定功率的大小，若前者大于后者，则无线充电子系统为电动汽车充电的功率为无线充电子系统的额定功率，电动汽车剩余的需求功率由交流充电子系统完成；若前者小于后者，则仅采用交流充电子系统充电。
本系统内部安装有动态功率分配模块，在充电需求功率小于有线桩额定功率之后，仅仅采用交流有线给汽车充电；在电池需要大电流充电时，首先让无线供电模块达到满载运行，交流充电补之。这样，能保证整个系统的效率总能保持一个较高的状态，以免造成不必要的浪费；本发明将有线充电和无线充电模块整合在一起，不仅提高了资源利用率，而且方便管理，节约了建设成本，便于电网调度。
进一步地，所述交流充电子系统包括车载充电机控制器，所述车载充电机控制器与车载充电机相连，所述车载充电机与车载充电机接口相连，车载充电机接口通过充电线与交流桩标准充电接口相连。该结构将车载充电机与交流桩标准充电接口连接，实现交流充电。
进一步地，所述无线充电子系统还包括无线充电控制机箱，所述无线充电控制机箱内设置有无线充电桩控制器以及依次串联连接的整流模块、功率因数校正模块和逆变器模块，所述逆变器模块与发射线圈相连。
进一步地，所述无线充电子系统还包括车载电能变换装置，所述车载电能变换装置与接收线圈相连。
进一步地，所述主控制器与上位机或云服务器相互通信。这样能够实现远程控制和分配所述交流充电子系统和无线充电子系统的输出功率的目的。
其中，车载充电机包括依次串联连接的整流模块、功率因数校正模块、DC-DC模块和直流滤波模块，所述功率因数校正模块和DC-DC模块分别与车载充电机控制器相连。
一种电动汽车无线与交流联合充电系统的工作方法，包括单独工作模式和共同工作模式，单独工作模式为交流充电子系统或无线充电子系统单独为电动汽车充电；共同工作模式为交流充电子系统和无线充电子系统同时为电动汽车无线。
在共同工作模式下，控制计量子系统中的动态功率分配模块根据电动汽车实际需要的功率动态分配交流充电子系统和无线充电子系统的输出功率，实现以最优充电效率来为电动汽车充电的目的；
其中，动态功率分配模块的功率分配原则为：比较电动汽车需求功率与无线充电子系统的额定功率的大小，若前者大于后者，则无线充电子系统为电动汽车充电的功率为无线充电子系统的额定功率，电动汽车剩余的需求功率由交流充电子系统完成；若前者小于后者，则仅采用交流充电子系统充电。
当交流充电子系统和无线充电子系统同时工作或者只有交流充电子系统工作时，控制计量子系统通过CAN总线处理握手信号，并实时接收电动汽车电池所需的功率信号，从而动态分配充电功率；所述握手信号为电动汽车BMS分别与交流充电子系统和无线充电子系统之间交换的信息。
当无线充电子系统单独工作时，无线充电子系统也通过CAN总线与电动汽车BMS相互通信。为了解决目前仅有单一的充电方式，通信也比较单一的问题，本发明采用控制计量子系统通过CAN总线处理握手信号，并实时接收电动汽车电池所需的功率信号，从而动态分配充电功率，能保证整个系统的效率总能保持一个较高的状态，以免造成不必要的浪费。
本发明的有益效果为：
(1)现有的交流桩和无线桩是分离的，在未来电动汽车同时具备两种充电接口之后，仅采用一种方式给汽车充电势必造成资源浪费，而且充电速度比较慢。本发明公开的同时采用无线充电与交流充电技术的电动汽车综合充电系统，可采用交流充电接口和无线充电模块同时给电动汽车充电，打造了一种介于“快充”和“慢充”之间的充电方式，将充电时间缩短一半以上，而且充分利用了资源，提高了现有资源利用率；
(2)本发明公开的同时采用无线充电与交流充电技术的电动汽车综合充电系统，交流充电模块和无线充电模块亦可以分立运行，取决于用户的选择。除此之外，目前来说交流有线充电效率在93％左右，无线充电额定负载时效率在90％左右，相差不大，但在轻载的时候有线充电的效率要高于无线充电。鉴于充电过程中电池需要的功率是慢慢减小的，本系统内部安装有动态功率分配模块，在充电需求功率小于有线桩额定功率之后，仅仅采用交流有线给汽车充电；在电池需要大电流充电时，首先让无线供电模块达到满载运行，交流充电补之。这样，能保证整个系统的效率总能保持一个较高的状态，以免造成不必要的浪费；
(3)本发明公开的同时采用无线充电与交流充电技术的电动汽车综合充电系统，将有线充电和无线充电模块整合在一起，不仅提高了资源利用率，而且方便管理，节约了建设成本，便于电网调度。
附图说明
图1是本发明的电动汽车无线与交流联合充电系统结构示意图。
图2是本发明的电动汽车无线与交流联合充电系统电路原理图。
图3是本发明的电动汽车无线与交流联合充电系统通信原理图。
图4是本发明的动态功率分配模块的功率分配原则示意图。
其中，1-1、控制计量子系统；1-2、交流充电子系统；1-3、无线充电子系统；1、显示屏；2、IC卡读卡器；3、输入按键；4、交流桩标准充电接口；5、无线充电控制机箱；6、充电线；7、发射线圈连接线；8、车载充电机接口；9、发射线圈；10、接收线圈。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
如1所示，本发明的一种电动汽车无线与交流联合充电系统包括控制计量子系统1-1，所述控制计量子系统1-1分别与交流充电子系统1-2和无线充电子系统1-3相互通信；
控制计量子系统1-1包括主控制器，所述主控制器与电动汽车BMS通信来获取电动汽车实际需要的功率；所述控制计量子系统1-1还包括动态功率分配模块，所述动态功率分配模块与主控制器相连，所述动态功率分配模块用于当交流充电子系统1-2和无线充电子系统1-3同时工作时，根据电动汽车实际需要的功率来动态分配所述交流充电子系统1-2和无线充电子系统1-3的输出功率，实现以最优充电效率来为电动汽车充电的目的。
为了使充电桩运行效率达到最大，且在不满载时交流充电效率要高于无线充电，制定以下功率动态分配规则：比较电动汽车需求功率与无线充电子系统的额定功率的大小，若前者大于后者，则无线充电子系统为电动汽车充电的功率为无线充电子系统的额定功率，电动汽车剩余的需求功率由交流充电子系统完成；若前者小于后者，则仅采用交流充电子系统充电。
如图4所示，假设电动汽车需求功率为P，交流充电子系统的交流桩额定功率为P1，线充电子系统的无线桩额定功率为P2，若P大于P2，则无线充电子系统为电动汽车充电的功率为P2，电动汽车剩余的需求功率由交流充电子系统完成；若P小于P2，则仅采用交流充电子系统充电。
本系统内部安装有动态功率分配模块，在充电需求功率小于有线桩额定功率之后，仅仅采用交流有线给汽车充电；在电池需要大电流充电时，首先让无线供电模块达到满载运行，交流充电补之。这样，能保证整个系统的效率总能保持一个较高的状态，以免造成不必要的浪费；本发明将有线充电和无线充电模块整合在一起，不仅提高了资源利用率，而且方便管理，节约了建设成本，便于电网调度。
如图1和如图2所示的电动汽车无线与交流联合充电系统电路原理图。其中：
控制计量子系统1-1除了动态功率分配模块，还包括分别与主控制器相连的IC卡读卡器2、显示屏1、输入按键3以及计量芯片。
除此之外，主控制器还分别与扬声器、打印机和继电器相连；所述继电器分别与交流充电子系统和无线充电子系统相连，用来控制充电开关开合。
交流充电子系统包括车载充电机控制器，所述车载充电机控制器与车载充电机相连，所述车载充电机与车载充电机接口8相连，车载充电机接口8通过充电线6与交流桩标准充电接口4相连。该结构将车载充电机与交流桩标准充电接口4连接，实现交流充电。
其中，车载充电机包括依次串联连接的整流模块、功率因数校正模块、DC-DC模块和直流滤波模块，所述功率因数校正模块和DC-DC模块分别与车载充电机控制器相连。
无线充电子系统包括车载电能变换装置，所述车载电能变换装置与接收线圈10相连。
无线充电子系统还包括无线充电控制机箱5，所述无线充电控制机箱5与发射线圈9相连。该结构通过无线充电控制机箱来与控制计量子系统相互通信。
无线充电控制机箱5通过发射线圈连接线7与发射线圈9相连。
无线充电控制机箱内设置有依次串联连接的单相桥式整流、整流滤波电容、功率因数校正模块、高频逆变器和一次侧谐振电容。当要进行无线充电的时候，无线充电控制机箱里的整流、滤波部分将220V交流电变成稳定直流，经过PFC之后，再经过逆变部分将此直流变成频率为kHz或者MHz的高频交流，此交流电通过发射线圈的时候会感生出一个高频交变磁场，电场能量便转换为磁场能量向外发射。此时接收线圈处在合适的位置和合适的距离，接受线圈会在发射线圈产生的高频磁场中感应出电流，此电流同样是kHz或者MHz的高频交流电，此时要给电池充电，还要经过整流滤波等能量转换装置。
无线充电控制机箱内还设置有无线充电控制器，无线充电控制器与车载端控制器相互通信，所述车载端控制器与电动汽车BMS相互通信。
其中，无线充电控制器与无线充电控制机箱内的开关元件相连。
图3是本发明的电动汽车无线与交流联合充电系统通信原理图，如图所示的控制计量子系统还与上位机或云服务器相互通信。这样能够实现远程控制和分配所述交流充电子系统和无线充电子系统的输出功率的目的。
无线充电的功率确定与交流充电类似，如下：控制计量子系统通过CAN与电动汽车BMS通信，获取目前需求的充电电流，然后控制计量子系统通过动态功率分配模块进行功率分配，动态功率分配模块通过RS232或者RS485与无线充电子系统通信，给定无线充电的功率。
当用户仅选用无线充电时，由于没有直接的电气连接，控制计量子系统无法直接通过CAN总线与汽车BMS通信。此时，无线充电控制机箱内还还设置有无线充电控制器，无线充电控制器与车载端控制器相互通信，所述车载端控制器与电动汽车BMS相互通信。由无线充电控制器完成握手和实时获取和控制充电功率。
当用户停好汽车之后，刷卡并通过显示屏触摸或者按键输入或者手机APP输入充电方式(交流和无线全选或者二选一)、充电时间等信息，控制计量子系统通过CAN与汽车BMS握手之后，根据用户选定的充电方式进行充电。如图3所示，若用户选的是交流和无线同时充电，则控制计量子系统通过继电器控制开关闭合，并通过通信实时控制交流和无线充电子系统的充电功率。当充满电量或者到达用户设定的充电时间，控制计量子系统控制开关断开，停止充电。
本发明还提供了基于上述电动汽车无线与交流联合充电系统的工作方法，包括单独工作模式和共同工作模式，单独工作模式为交流充电子系统或无线充电子系统单独为电动汽车充电；共同工作模式为交流充电子系统和无线充电子系统同时为电动汽车无线。
在共同工作模式下，控制计量子系统中的动态功率分配模块根据电动汽车实际需要的功率动态分配交流充电子系统和无线充电子系统的输出功率，实现以最优充电效率来为电动汽车充电的目的；
其中，动态功率分配模块的功率分配原则为：比较电动汽车需求功率与无线充电子系统的额定功率的大小，若前者大于后者，则无线充电子系统为电动汽车充电的功率为无线充电子系统的额定功率，电动汽车剩余的需求功率由交流充电子系统完成；若前者小于后者，则仅采用交流充电子系统充电。
当交流充电子系统和无线充电子系统同时工作或者只有交流充电子系统工作时，控制计量子系统通过CAN总线处理握手信号，并实时接收电动汽车电池所需的功率信号，从而动态分配充电功率；所述握手信号为电动汽车BMS分别与交流充电子系统和无线充电子系统之间交换的信息。
当无线充电子系统单独工作时，无线充电子系统也通过CAN总线与电动汽车BMS相互通信。
本发明提供的基于上述电动汽车无线与交流联合充电系统的工作方法，将有线充电和无线充电模块整合在一起，不仅提高了资源利用率，而且方便管理，节约了建设成本，便于电网调度。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种电动汽车无线与交流联合充电系统，该系统对搭载于所述电动汽车的蓄电装置进行充电，其特征在于，该系统包括交流充电子系统和无线充电子系统，所述交流充电子系统和无线充电子系统分别与控制计量子系统相互通信，所述控制计量子系统包括主控制器，所述主控制器与电动汽车BMS通信来获取电动汽车实际需要的功率，所述主控制器与上位机或云服务器相互通信；
所述交流充电子系统和无线充电子系统可以单独为电动汽车充电或同时为电动汽车充电；所述控制计量子系统还包括动态功率分配模块，所述动态功率分配模块与主控制器相连，所述动态功率分配模块用于当交流充电子系统和无线充电子系统同时为电动汽车充电时，根据电动汽车实际需要的功率来动态分配所述交流充电子系统和无线充电子系统的输出功率，实现以最优充电效率来为电动汽车充电的目的；
其中，动态功率分配模块的功率分配原则为：比较电动汽车需求功率与无线充电子系统的额定功率的大小，若前者大于后者，则无线充电子系统为电动汽车充电的功率为无线充电子系统的额定功率，电动汽车剩余的需求功率由交流充电子系统完成；若前者小于后者，则仅采用交流充电子系统充电。
2.如权利要求1所述的一种电动汽车无线与交流联合充电系统，其特征在于，所述交流充电子系统包括车载充电机控制器，所述车载充电机控制器与车载充电机相连，所述车载充电机与车载充电机接口相连，车载充电机接口通过充电线与交流桩标准充电接口相连。
3.如权利要求1所述的一种电动汽车无线与交流联合充电系统，其特征在于，所述无线充电子系统还包括无线充电控制机箱，所述无线充电控制机箱内设置有无线充电桩控制器以及依次串联连接的整流模块、功率因数校正模块和逆变器模块，所述逆变器模块与发射线圈相连。
4.如权利要求3所述的一种电动汽车无线与交流联合充电系统，其特征在于，所述电动汽车还包括车载电能变换装置，所述车载电能变换装置与接收线圈相连。
5.如权利要求2所述的一种电动汽车无线与交流联合充电系统，其特征在于，所述车载充电机包括依次串联连接的整流模块、功率因数校正模块、DC-DC模块和直流滤波模块，所述功率因数校正模块和DC-DC模块分别与车载充电机控制器相连。
6.一种如权利要求1-5任一所述的电动汽车无线与交流联合充电系统的工作方法，其特征在于，包括单独工作模式和共同工作模式，单独工作模式为交流充电子系统或无线充电子系统单独为电动汽车充电；共同工作模式为交流充电子系统和无线充电子系统同时为电动汽车充电。
7.如权利要求6所述的电动汽车无线与交流联合充电系统的工作方法，其特征在于，在共同工作模式下，控制计量子系统中的动态功率分配模块根据电动汽车实际需要的功率动态分配交流充电子系统和无线充电子系统的输出功率，实现以最优充电效率来为电动汽车充电的目的；
其中，动态功率分配模块的功率分配原则为：比较电动汽车需求功率与无线充电子系统的额定功率的大小，若前者大于后者，则无线充电子系统为电动汽车充电的功率为无线充电子系统的额定功率，电动汽车剩余的需求功率由交流充电子系统完成；若前者小于后者，则仅采用交流充电子系统充电。
8.如权利要求6所述的电动汽车无线与交流联合充电系统的工作方法，其特征在于，当交流充电子系统和无线充电子系统同时工作或者只有交流充电子系统工作时，控制计量子系统通过CAN总线处理握手信号，并实时接收电动汽车电池所需的功率信号，从而动态分配充电功率；所述握手信号为电动汽车BMS分别与交流充电子系统和无线充电子系统之间交换的信息。
9.如权利要求8所述的电动汽车无线与交流联合充电系统的工作方法，其特征在于，当无线充电子系统单独工作时，无线充电子系统也通过CAN总线与电动汽车BMS相互通信。
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