CN107248773A - 一种电动汽车无线充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种电动汽车无线充电装置，包括连接在工频电源的发射端和与负载相连的接收端；所述接收端包括开关阵列单元，开关阵列单元的反馈作为第二控制单元的输入，开关阵列单元包括若干相并联的开关管，第二控制单元控制不同开关管的导通来改变接收线圈单元的电感量。本发明实施例通过在接收端设置开关阵列单元，第二控制单元通过控制不同开关管的导通来改变接收线圈单元的电感量，从而提高该电动汽车无线充电装置的输出功率和传输效率，且具有自适应能力强，动态调整范围广的优点。此外，发射线圈单元和接收线圈单元中均采用一个线圈结构，从而减小该电动汽车无线充电装置的体积，以便实现小型化、集成化。

Description

一种电动汽车无线充电装置

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种电动汽车无线充电装置。

背景技术

随着资源枯竭及环境污染的加剧，汽车作为主要污染源之一，在给人们生活带来方便的同时，其对环境的污染也不容忽视。为了减少汽车对环境的污染，电动汽车在人们生活中的应用越来越广泛，电动汽车的推广对解决能源问题和环境问题具有很大的帮助。采用无线充电的方式对电动汽车的推广具有重要意义。

目前，电动汽车无线充电装置的接收端设置在车辆底部，其发射端设置于地面上或埋设于地面下方，且当发射端与接收端位置相对时才会为电动汽车进行充电。但是在这种无线充电方式中存在如下问题：一、不同型号电动汽车的底部高度不同，因此造成发射端与接收端之间的距离不固定；二、当停车位置出现偏差时，导致发送端与接收端相对位置出现较大误差，这两个问题都会严重影响无线传送效率。此外，现有的发射端设置有发射线圈和发射端放大线圈，接收端对应设置有接收线圈和接收端放大线圈，这种配置有四种线圈的电动汽车无线充电装置存在体积大，不易集成的问题。

因此，目前急需一种输出功率大、传输效率高、自适应能力强、且小型化的电动汽车无线充电装置。

发明内容

本发明实施例提供一种输出功率大、传输效率高、自适应能力强、且小型化的电动汽车无线充电装置。

本发明实施例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连接在工频电源的发射端和与负载相连的接收端；所述发射端包括功率校正单元、逆变单元、发射线圈单元、第一通信单元、第一控制单元和驱动单元；功率校正单元、逆变单元和发射线圈单元依次顺序串联连接；功率校正单元的输入连接工频电源；第一通信单元和第一控制单元串联连接；驱动单元的 反馈信号作为第一控制单元的输入，同时第一控制单元控制驱动单元；驱动单元驱动逆变单元；所述接收端包括接收线圈单元、开关阵列单元、同步整流单元、升压变换单元、第二通信单元和第二控制单元；接收线圈单元、同步整流单元，升压变换单元依次顺序串联连接；升压变换单元的输出连接负载；第二通信单元和第二控制单元串联连接；第二控制单元的输出控制升压变换单元和同步整流单元；负载的反馈信号作为第二控制单元的输入；开关阵列单元的反馈作为第二控制单元的输入，同时第二控制单元控制开关阵列单元；开关阵列单元包括若干相并联的开关管，并通过所述第二控制单元控制不同开关管的导通来改变所述接收线圈单元的电感量；所述第一通信单元和第二通信单元通过无线信号进行通信；所述发射线圈单元包括发射线圈和与所述发射线圈相串联的第一补偿电容，所述发射线圈埋设于地下或者放置在地面上；所述接收线圈单元包括接收线圈和与所述接收线圈相串联的第二偿电容，所述接收线圈固定于电动汽车的底部。

优选地，所述发射线圈和所述接收线圈之间采用磁耦合共振进行无线电力传输。

优选地，所述开关阵列单元包括相并联的第一关开管、第二关开管、以及第三关开管，所述接收线圈的两端分别对应连接导线和第一开关管，第二开关管和第三开关管分别对应连接在所述接收线圈的不同位置。

优选地，所述第一通信单元和第二通信单元均采用2.4G无线通信标准。

本发明实施例通过在接收端设置开关阵列单元，该开关阵列单元包括若干相并联的开关管，第二控制单元通过控制不同开关管的导通来改变接收线圈单元的电感量。在发射端与接收端之间的距离改变或者发送端与接收端相对位置出现较大误差时，此时磁耦合因数改变，在保证最大电力传输效率时来确定所需要的接收线圈的电感量，并依此动态调整开关阵列单元以使接收线圈达到所确定的电感量，从而提高该电动汽车无线充电装置的输出功率和传输效率，且具有自适应能力强，动态调整范围广的优点。此外，发射线圈单元和接收线圈单元中均采用一个线圈结构，从而减小该电动汽车无线充电装置的体积，以便实现小型化、集成化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种电动汽车无线充电装置的结构示意图；

图2是图1中开关阵列单元与接收线圈单元的连接示意图；

图3是图1中发射线圈单元和接收线圈单元磁耦合的电路原理图；

图4是本发明实施例提供的动态匹配时负载的变化示意图；

图5是本发明实施例提供的不同负载对应的输出功率曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明实施例提供的一种电动汽车无线充电装置的结构示意图。该电动汽车无线充电装置1包括连接在工频电源的发射端10和与负载相连的接收端20。在本发明实施例中，工频电源为380V三相工业电源，负载为电动汽车的电池系统。该电动汽车无线充电装置1通过发射端10与接收端20的磁耦合共振原理将三相交流电源的电能转换为电动车电池系统所需的直流电能从而实现为电动汽车进行无线充电的功能。

发射端10包括功率校正单元11、逆变单元12、发射线圈单元13、第一通信单元14、第一控制单元15和驱动单元16；功率校正单元11、逆变单元12和发射线圈单元13依次顺序串联连接；功率校正单元11的输入连接工频电源；第一通信单元14和第一控制单元15串联连接；驱动单元16的反馈信号作为第一控制单元15的输入，同时第一控制单元15控制驱动单元16；驱动单元16驱动逆变单元12。

接收端20包括接收线圈单元21、同步整流单元22、升压变换单元23、第二通信单元24、第二控制单元25、和开关阵列单元26；接收线圈单元21、同步整流单元22，升压变换单元23依次顺序串联连接；升压变换单元23的输出 连接负载；第二通信单元24和第二控制单元25串联连接；第二控制单元25的输出控制升压变换单元23和同步整流单元22；负载的反馈信号作为第二控制单元25的输入；开关阵列单元26的反馈作为第二控制单元25的输入，同时第二控制单元25控制开关阵列单元26；开关阵列单元26包括若干相并联的开关管，并通过第二控制单元26控制不同开关管的导通来改变接收线圈单元21的电感量。

第一通信单元14和第二通信单元24通过无线信号进行通信。优选地，第一通信单元14和第二通信单元24均采用2.4G无线通信标准。具体地，2.4G无线通信频段为处于2.405GHz-2.485GHz之间。2.4G无线通信的工作方式是全双工模式传输，具有超强抗干扰性，高数据传输速率，以使其最大可达10米的传输距离。

发射线圈单元13包括发射线圈和与发射线圈相串联的第一补偿电容，接收线圈单元21包括接收线圈和与接收线圈相串联的第二偿电容。发射线圈将逆变单元12输出的电能转化为磁场能量，并通过磁场耦合原理将磁场能量传递至接收线圈，接收线圈将磁场能量转化为电能并经过转换输出给负载。发射线圈利用第一补偿电容有效地将电能转化为磁场能发射出去，接收线圈利用第二补偿电容有效地将接收到的磁场能并转化为电能。同时，发射线圈和接收线圈均起到了磁场放大作用，且各自的放大倍数可通过第一补偿电容、第二补偿电容进行调整。

发射线圈埋设于地下或者放置在地面上，接收线圈固定于电动汽车的底部。在本发明实施例中，发射线圈单元13与接收线圈单元21采用磁耦合共振进行无线电力传输，发射端10与接收端20之间没有电线的连接。举例说明，当电动汽车停留在预设停止位时，发射线圈和接收线圈相平行放置，且发射线圈和接收线圈的中心在同一轴线上。发射线圈和接收线圈均由多股漆包线绕成，需要说明的是发射线圈和接收线圈的大小、形状、匝数、距离、材料可以根据实际情况不同而调整。

参照图2，开关阵列单元与接收线圈单元的连接示意图。如图所示，在本发明实施例中，开关阵列单元26包括相并联的第一关开管S1、第二关开管S2、以及第三关开管S3，接收线圈的一端和第一开关管S1相连，其另一端连接导线，第二开关管S2和第三开关管S3分别对应连接在接收线圈的不同位置。需要说 明的是，开关阵列单元26中的第一开关管S1、第二开关管S2以及第三开关管S3可以是任何具有开关作用的器件，如三极管等，且开关管的数量不作任何限定，用户可根据实际需要进行设定。此外，接收线圈的两端并局限此种连接结构，如接收线圈的两端可以分别连接第一开关管S1和第二开关管S2的，或者接收线圈的两端分别连接第二开关管S2与第三开关管S3等，此处不作限定。第二控制单元25通过控制不同的开关管或多个开关管同时导通从而动态调节接收线圈在电路的电感量。

参照图3，发射线圈单元和接收线圈单元磁耦合的电路原理图。发射线圈单元13中包括相互串联的电压源Vs、电压源内阻Rs、第一补偿电容Ct、发射线圈电阻Rt、以及发射线圈Lt。其中，电压源Vs为逆变单元12的输出电压。接收线圈单元21包括接收线圈Lr、接收线圈电阻Rr、第二补偿电容Cr、以及负载电阻R_L。

根据基尔霍夫电压定律，对发射线圈和接收线圈列KCL方程如下：

Vs＝(Rs+Rt+jωLt+1/jωCt)it-jωM ir

jωM it＝(R_L+Rr+jωLr+1/jωCr)ir

其中，Vs表示电压源幅值，it、ir分别表示发射线圈电流和接收线圈电流，M表示发射线圈和接收线圈间的互感，Rt、Rr分别表示发射线圈和接收线圈的电阻，Rs、R_L分别表示电压源内阻和负载电阻。

接收线圈单元21反射到发射线圈单元13的电阻为：

R_fleCt＝(ωM)²/(R_L+Rr)＝(k²Lt/CrRr)×(k²Lt/Cr R_L)

其中，K＝M/{(Lr×Lt)^1/2}，K表示耦合系数；

由上述公式可知，接收线圈电阻Rr和负载电阻R_L在发射线圈单元侧等效为两个电阻的并联。

可计算得到该电动汽车无线充电装置1的最大效率为η_max，最大效率对应的最优负载R_Lopt，

η_max＝K²Qt Qr/{1+(1+K²Qt Qr)^1/2}

R_Lopt＝Rr×{(1+K²Qt Qr)^1/2}＝(Lr/Cr)^1/2×{(1+K²Qt Qr)/Qr}

其中，Qt＝ωLt/(Rt+Rs)，Qr＝ωLr/Rr，Qt、Qr分别表示发射线圈和接收线圈的品质因数。

由在保证该电动汽车无线充电装置1拥有最大效率η_max时，此时对应的最 优负载为R_Lopt，且根据最优负载R_Lopt的计算公式可知：影响最优负载R_Lopt的两个变化参数为接收线圈电感Lr和耦合系数K。

当发射线圈与接收线圈之间的距离改变或者发送线圈与接收线圈相对位置出现较大误差时，此时磁耦合因数K改变，在保证最大电力传输效率η_max时，根据最优负载R_Lopt来确定所需要的接收线圈电感，并依此动态调整开关阵列单元26以使接收线圈达到所确定的电感量，依此解决因不同型号电动汽车的底部高度不同及停车位置出现偏差造成的无线传送效率下降的问题，并且藉由动态调整开关阵列单元25以使接收线圈达到所确定的电感量，且其动态调整范围广，从而使得该电动汽车无线充电装置1具有较强的自适应能力。

参照图4，本发明实施例提供的动态匹配时负载的变化示意图。如图所示，图中横坐标表示耦合系数K，纵坐标表示最优负载R_Lopt，图中分别对应10Lr、Lr、0.1Lr时显示耦合系数K与最优负载R_Lopt的动态关系。从图中可知，在接收线圈Lr不变时，最优负载R_Lopt随耦合系数K的增大而增大；在耦合系数K不变时，最优负载R_Lopt随接收线圈Lr的增大而增大。

参照图5，本发明实施例提供的不同负载对应的输出功率曲线图。如图所示，图中横坐标表示负载RL，纵坐标表示输出功率P_out，且图中分别对应K＝0.01、K＝0.015、K＝0.02、K＝0.04、K＝0.1、K＝0.25、K＝0.5时显示负载RL与输出功率P_out的动态变化曲线。从图中可知，在耦合系数K不变时，输出功率P_out与负载RL基本呈现正态分布趋势，即随负载RL的增大输出功率P_out呈现先增大后减少的趋势，且当负载RL在一定范围内变化时，可以维持较高的输出功率P_out不变，并可通过调整开关矩阵单元来进一步增大输出功率P_out的调节范围。

举例说明，当发射线圈与接收线圈之间的距离改变或者发送线圈与接收线圈相对位置出现较大误差时，确定此时的耦合系数K的值，并根据图5找到与在该耦合系数K对应的曲线，并确定该曲线的最大输出功率P_out对应的最优负载R_Lopt的值。然后参照图4，找到此时的耦合系数K及最优负载R_Lopt的值所对应的接收线圈电感Lr，从而确定在最大输出功率P_out时接收线圈对应的电感量，并由第二控制单元25根据所确定的接收线圈电感来调整开关阵列中不同开关管的导通以到达所需的接收线圈电感。通过这种智能调整接收线圈电感量来适应不同车型的电动汽车以及兼容更大的停止偏差，从而提高了该电动汽车无线充电装置1的自适应性和鲁棒性。此外，该电动汽车无线充电装置1的发射线圈 单元13和接收线圈单元21中均采用一个线圈结构，从而减小该电动汽车无线充电装置1的体积，以便实现小型化、集成化。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种电动汽车无线充电装置，其特征在于，包括连接在工频电源的发射端和与负载相连的接收端；

所述发射端包括功率校正单元、逆变单元、发射线圈单元、第一通信单元、第一控制单元和驱动单元；功率校正单元、逆变单元和发射线圈单元依次顺序串联连接；功率校正单元的输入连接工频电源；第一通信单元和第一控制单元串联连接；驱动单元的反馈信号作为第一控制单元的输入，同时第一控制单元控制驱动单元；驱动单元驱动逆变单元；

所述接收端包括接收线圈单元、开关阵列单元、同步整流单元、升压变换单元、第二通信单元和第二控制单元；接收线圈单元、同步整流单元，升压变换单元依次顺序串联连接；升压变换单元的输出连接负载；第二通信单元和第二控制单元串联连接；第二控制单元的输出控制升压变换单元和同步整流单元；负载的反馈信号作为第二控制单元的输入；开关阵列单元的反馈作为第二控制单元的输入，同时第二控制单元控制开关阵列单元；开关阵列单元包括若干相并联的开关管，并通过所述第二控制单元控制不同开关管的导通来改变所述接收线圈单元的电感量；

所述第一通信单元和第二通信单元通过无线信号进行通信；

所述发射线圈单元包括发射线圈和与所述发射线圈相串联的第一补偿电容，所述发射线圈埋设于地下或者放置在地面上；

所述接收线圈单元包括接收线圈和与所述接收线圈相串联的第二偿电容，所述接收线圈固定于电动汽车的底部。

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，所述发射线圈和所述接收线圈之间采用磁耦合共振进行无线电力传输。

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，所述开关阵列单元包括相并联的第一关开管、第二关开管、以及第三关开管，所述接收线圈的两端分别对应连接导线和第一开关管，第二开关管和第三开关管分别对应连接在所述接收线圈的不同位置。

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，所述第一通信单元和第二通信单元均采用2.4G无线通信标准。