CN107914590B - 电动汽车动态无线充电模块及其并联方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车动态无线充电模块及其并联方法，涉及电动汽车无线充电领域，针对现有电动汽车动态充电输出功率无法根据汽车用电量自动匹配，只能输出单一的功率的技术问题，采用包括交流输入及保护单元、滤波器、功率变换模块、发射端谐振电路、功率变换模块控制单元、采样单元、均流控制单元有机结合，其中功率变换模块由多个并联而成，其采用模块化设计，功率输出等级可调，扩容能力强可，具有电动汽车动态无线供电功率变换器高效高功率密度的特点，适用于同时提供多辆不同型号的电动汽车动态无线充电，该模块及并联方法简单可靠、稳定性好、适用性广。

Description

电动汽车动态无线充电模块及其并联方法

技术领域

本发明涉及电动汽车无线充电领域，特别涉及一种电动汽车动态无线充电模块及其并联方法。

背景技术

作为全球汽车领域的热点之一，电动汽车的研发日益成熟，相关技术难点包括电力驱动、协调控制、能量管理以及整车集成等均得到极大改善。目前，电动汽车定点无线充电技术解决了有线充电桩存在的安全隐患(比如接触打火、线缆燃烧、忘记拔掉插头启动电动汽车等)、气候适应性差、需要有露地部分、灵活方便性差等问题，是对电动汽车停车充电技术质的飞跃。然而电能供给作为制约电动汽车行业发展的重大瓶颈仍然存在，为了保证电动汽车续航所采用的大容量电池供电方式存在高成本、低能量密度等问题，这些问题极大地限制了电动汽车领域的产业化和推广应用。

申请号为CN201710304689.0，名为一种多原边绕阻并联的电动汽车无线充电装置公开了一种原边绕组并联的技术方案，包括逆变器(1)、地面系统感应线圈(2)、随载变流装置(3)、汽车底盘副边绕阻(4)、负载(5)、负载检测装置(6)，控制器、信号发射及接收设备，逆变器从电厂接收电能，通过逆变将电能传输到并联的多个感应线圈中，经过负载检测装置检测对应输出的汽车数量及电池负载状态和充电程度，发射控制信号，经过随载变流装置调整输出电流，经无线充电装置传输到负载中。虽然该技术方案能够解决充电问题，但是因其原边绕组都统一连接，无法对汽车实际耗电功率进行检测和并对应切换功率，单一的功率变换器很难达到很高等级的功率输出，且单一的功率变换器功率输出等级固定，很难适用不同型号的汽车供电。

发明内容

本发明提供一种电动汽车动态充电模块，用以解决现有电动汽车动态充电输出功率无法根据汽车用电量自动匹配，只能输出单一的功率的技术问题。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案实现：

一种电动汽车动态无线充电模块，包括交流输入及保护单元、滤波器、功率变换模块、发射端谐振电路、功率变换模块控制单元、采样单元、均流控制单元；

所述交流输入及保护单元输入端与电网连接，交流输入及保护单元输出端与滤波器输入端连接，滤波器输出端与功率变换模块电源输入端连接，功率变换模块输出端与发射端谐振电路连接；

功率变换模块控制单元第一接口与功率变换模块控制端连接，功率变换模块控制单元第二接口与采样单元连接，功率变换模块控制单元第三接口与均流控制单元连接，采样单元采样端与功率变换模块输出端连接并采集电信号；

所述功率变换模块至少包括1个。

优选地，所述功率变换模块包括整流滤波电路、有源功率因数校正开关电路、高频逆变电路、辅助电源单元、有源功率因数校正控制电路，整流滤波电路输入端与滤波器连接，整流滤波电路输出端分别与有源功率因数校正开关电路输入端及辅助电源单元输入端连接，有源功率因数校正开关电路输出端与高频逆变电路连接，高频逆变电路输出端与发射端谐振电路及采样单元采样端连接，辅助电源单元输出端与有源功率因数校正控制电路输入端连接，有源功率因数校正控制电路输出端与有源功率因数校正开关电路控制端连接。

优选地，还包括地面控制单元和无线充电控制和管理服务器，地面控制单元第一个接口与功率变换模块控制单元连接，地面控制单元第二个接口与车载通信控制单元连接；

所述无线充电控制和管理服务器用于电动汽车充电监测、电能计量和安全管理；

所述地面控制单元用于启动和停止对发射端谐振电路供电、异常事件检测及原副边线圈是否匹配的检测功能。

优选地，有源功率因数校正开关电路和有源功率因数校正控制电路采用开关直流升压型有源功率因数校正开关电路，用于减少谐波含量和提高功率因数。

优选地，所述功率变换模块控制单元和均流控制单元的作用是采用并联扩容技术实现大功率系统输出时，每个功率变换模块的输出功率恒定及均流。

优选地，所述交流输入及保护单元包括输入过压保护、欠压保护、过温保护、输出过压、过流及短路保护功能。

优选地，所述功率变换模块包括2个，所述功率变换模块的输入端并联，输出端也并联后与发射端谐振电路连接。

本发明的另一方面提供了一种基于上述的电动汽车动态无线充电模块并联方法，包括以下步骤：

S1、搭建电动汽车动态无线充电模块；

S2、采用基于功率及电流控制的均流控制方法对每个功率变换模块进行控制，以实现负载电流的分配。

优选地，在步骤S1所搭建的电动汽车动态无线充电模块中至少并联2个功率变换模块。

优选地，步骤S2所述基于功率及电流控制的均流控制方法包括：

通过控制功率变换模块输出的有功功率为：其中P_r为功率变换模块输出的有功功率；U₀为功率变换模块的输出电压；U_r为功率变换模块的输入电压；R_r为功率变换模块的等效电阻；X_r为功率变换模块的等效电抗；φ_r为两个功率变换模块输出电压的相位差；

通过控制功率变换模块输出的无功功率为：其中Q_r为功率变换模块输出的无功功率；U₀为功率变换模块的输出电压；U_r为功率变换模块的输入电压；R_r为功率变换模块的等效电阻；X_r为功率变换模块的等效电抗；φ_r为两个功率变换模块输出电压的相位差。

本发明可用于不同型号多辆电动汽车动态充电，方法简单可靠、稳定性好、适用性广，本发明还具有以下有益效果：

(1)模块化设计，功率输出等级可调，扩容能力强；

(2)具有电动汽车动态无线供电功率变换器高效高功率密度的特点；

(3)适用于同时提供多辆不同型号的电动汽车动态无线充电。

附图说明

图1是本发明提供的实施例结构示意图；

图2是本发明提供的两个功率变换模块并联运行的结构示意图；

图3本发明的提供的两个功率变换模块并联运行的等效电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的图1～图3，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

如图1所示，一种电动汽车动态无线充电模块，包括交流输入及保护单元、滤波器、功率变换模块、发射端谐振电路、功率变换模块控制单元、采样单元、均流控制单元；

交流输入及保护单元输入端与电网连接，交流输入及保护单元输出端与滤波器输入端连接，滤波器输出端与功率变换模块电源输入端连接，功率变换模块输出端与发射端谐振电路连接；

功率变换模块控制单元第一接口与功率变换模块控制端连接，功率变换模块控制单元第二接口与采样单元连接，功率变换模块控制单元第三接口与均流控制单元连接，采样单元采样端与功率变换模块输出端连接并采集电信号；

功率变换模块至少包括1个；

功率变换模块包括整流滤波电路、有源功率因数校正开关电路、高频逆变电路、辅助电源单元、有源功率因数校正控制电路，整流滤波电路输入端与滤波器连接，整流滤波电路输出端分别与有源功率因数校正开关电路输入端及辅助电源单元输入端连接，有源功率因数校正开关电路输出端与高频逆变电路连接，高频逆变电路输出端与发射端谐振电路及采样单元采样端连接，辅助电源单元输出端与有源功率因数校正控制电路输入端连接，有源功率因数校正控制电路输出端与有源功率因数校正开关电路控制端连接。

实现并联包括以下步骤：

(1)搭建电动汽车动态充电功率变换模块：图2中的功率变换模块包括了功率变换模块1、功率变换模块2。电动汽车移动充电功率变换模块包括整流滤波电路、有源功率因数校正开关电路及其控制电路、高频逆变电路组成；功率变换模块控制电路由一个采样单元、功率变换模块控制单元和均流控制单元组成；电动汽车无线充电控制单元由一个无线充电控制和管理服务器(WCCMS)、地面控制单元(CSU)组成；

(2)电动汽车动态无线充电模块并联运行系统，由两个功率模块并联组成，每个功率变换模块共享一个电压输入模块及EMI滤波器；每个功率变换模块采用基于功率及电流控制的均流控制方法实现负载电流的分配，目的是防止产生环流，使这两个功率变换模块输出电压的幅值、相位和频率在任何时刻均相等，并通过并行两个系统模块能够大范围的调节系统的输出功率，为不同型号的电动汽车供电；

(3)并联系统的均流控制方法，根据两个功率变换模块的等效电路如图3，可以得出两个功率变换模块输出等效电流分别为：

式中，R₁、R₂、X₁、X₂为两个功率变换模块输出阻抗的阻性分量和感性分量；Z₁、Z₂分别为两个功率变换模块的等效阻抗；分别为两个功率变换模块的输入电压；为功率变换模块的输出电压；φ₁为功率变换模块1的输入电压的相位角。

因为R₁≈R₂＝R_r、X₁≈X₂＝X_r、sinφ₁≈φ₁、sinφ₂≈φ₂、cosφ₁≈cosφ₂≈1，所以环流可以写为：

式中，φ₂为功率变换模块2的输入电压的相位角。

有功功率环流P_C和无功功率环流Q_C为：

式中，φ₂为功率变换模块2的输入电压的相位角。

因此，逆变准电压的幅值和相角调节量ΔU、Δφ分别为：

从上式可以看出电压的幅值和相角调节量与有功功率环流和无功功率环流都有关系，所以应当同时调节。

功率变换模块输出的有功功率P_r和无功功率Q_r为：

假设两个功率变换模块输出电压没有相位差(φ_r＝0)，由上式可获得并联系统输出电压幅值的调节策略；同理，假设两个并联的功率变换模块没有幅值差(U₁＝U₂＝U₀)，就可以获得并联系统输出电压相位的调节策略。

需要进一步说明的是，电流检测控制模块的作用是实现输出电流恒定，目的是采用并联扩容技术实现大功率系统输出时，每个功率变换模块的输出功率恒定。

在本发明中，无线充电控制和管理服务器(WCCMS)的作用是负责电动汽车充电监测、电能计量和安全管理；地面控制单元(CSU)的作用是控制功率变换模块控制单元(PTC)启动和停止对发射线圈供电、异常事件检测及原副边线圈是否匹配的检测功能。

APFC开关电路及其控制电路采用了BOOST型APFC开关电路，其作用是为了减少谐波含量和提高功率因数。

功率变换模块控制单元和均流控制单元的作用是实现并联系统的均流，目的是采用并联扩容技术实现大功率系统输出时，每个功率变换模块的输出功率恒定。

步骤(1)的移动充电功率变换模块适用于不同的汽车供电，解决单一的功率变换器很难达到很高等级的功率输出，且单一的功率变换器功率输出等级固定，很难适用不同型号的汽车供电的问题。

交流输入及保护单元包括输入过压、欠压保护，过温保护，输出过压、过流及短路保护。

并联扩容技术是指由两个功率变换模块并联组成，每个功率变换模块共享一个电压输入模块。由于每个功率变换模块实现恒流输出，所以并联后，所有的模块输出功率相等，系统总的输出功率为所有功率变换模块的输出功率总和，从而能够满足不同型号汽车的功率等级要求。

通过并行两个功率变换模块，能够有效地降低每个子系统的输出功率。通过删减或增加相应的子系统，能够大范围的调节系统的输出功率，满足输出功率等级高且功率调节范围广的技术要求。

Claims (9)

1.一种电动汽车动态无线充电模块，其特征在于，包括交流输入及保护单元、滤波器、功率变换模块、发射端谐振电路、功率变换模块控制单元、采样单元、均流控制单元；

所述交流输入及保护单元输入端与电网连接，交流输入及保护单元输出端与滤波器输入端连接，滤波器输出端与功率变换模块电源输入端连接，功率变换模块输出端与发射端谐振电路连接；

功率变换模块控制单元第一接口与功率变换模块控制端连接，功率变换模块控制单元第二接口与采样单元连接，功率变换模块控制单元第三接口与均流控制单元连接，采样单元采样端与功率变换模块输出端连接并采集电信号；

所述功率变换模块至少包括1个；

所述功率变换模块包括整流滤波电路、有源功率因数校正开关电路、高频逆变电路、辅助电源单元、有源功率因数校正控制电路，整流滤波电路输入端与滤波器连接，整流滤波电路输出端分别与有源功率因数校正开关电路输入端及辅助电源单元输入端连接，有源功率因数校正开关电路输出端与高频逆变电路连接，高频逆变电路输出端与发射端谐振电路及采样单元采样端连接，辅助电源单元输出端与有源功率因数校正控制电路输入端连接，有源功率因数校正控制电路输出端与有源功率因数校正开关电路控制端连接。

2.根据权利要求1所述的电动汽车动态无线充电模块，其特征在于：

还包括地面控制单元、无线充电控制和管理服务器，地面控制单元第一个接口与功率变换模块控制单元连接，地面控制单元第二个接口与车载通信控制单元连接；

所述无线充电控制和管理服务器用于电动汽车充电监测、电能计量和安全管理；

所述地面控制单元用于启动和停止对发射端谐振电路供电、异常事件检测及原副边线圈是否匹配的检测功能。

3.根据权利要求1所述的电动汽车动态无线充电模块，其特征在于：

有源功率因数校正开关电路和有源功率因数校正控制电路采用开关直流升压型有源功率因数校正开关电路，用于减少谐波含量和提高功率因数。

4.根据权利要求1所述的电动汽车动态无线充电模块，其特征在于：

所述功率变换模块控制单元和均流控制单元的作用是采用并联扩容技术实现大功率系统输出时，每个功率变换模块的输出功率恒定及均流。

5.根据权利要求1所述的电动汽车动态无线充电模块，其特征在于：

所述交流输入及保护单元包括输入过压保护、欠压保护、过温保护、输出过压、过流及短路保护功能。

6.根据权利要求1～5任一项所述的电动汽车动态无线充电模块，其特征在于：

所述功率变换模块包括2个，所述功率变换模块的输入端并联，输出端也并联后与发射端谐振电路连接。

7.一种基于权利要求1～5任一项所述的电动汽车动态无线充电模块并联方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、搭建电动汽车移动无线充电模块；

S2、采样单元采集功率变换模块的输出电流和输出电压，并在功率变换模块控制单元进行计算其有功功率环流和无功功率环流，并推导出功率变换模块输出基准电压的幅值和相角调节量后，获得功率变换模块基于功率及电流控制的均流控制方法对每个功率变换模块进行控制，以实现负载电流的分配。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：

在步骤S1所搭建的电动汽车动态无线充电模块中至少并联2个功率变换模块。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：

步骤S2所述基于功率及电流控制的均流控制方法包括：

通过控制功率变换模块输出的有功功率为：其中P_r为功率变换模块输出的有功功率；U₀为功率变换模块的输出电压；U_r为功率变换模块的输入电压；R_r为功率变换模块的等效电阻；X_r为功率变换模块的等效电抗；φ_r为两个功率变换模块输出电压的相位差；

通过控制功率变换模块输出的无功功率为：其中Q_r为功率变换模块输出的无功功率；U₀为功率变换模块的输出电压；U_r为功率变换模块的输入电压；R_r为功率变换模块的等效电阻；X_r为功率变换模块的等效电抗；φ_r为两个功率变换模块输出电压的相位差。