CN108297731B

CN108297731B - 一种电动汽车无线充电系统

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Publication number: CN108297731B
Application number: CN201810234219.6A
Authority: CN
Inventors: 刘伟; 王赟; 张亚婉; 邵翠平
Original assignee: Huali College Guangdong University Of Technology
Current assignee: Huali College Guangdong University Of Technology
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2023-10-13
Anticipated expiration: 2038-03-20
Also published as: CN108297731A

Abstract

本发明公开了一种电动汽车无线充电系统，包括无线供电装置和无线受电装置，所述无线供电装置设置在地上，所述无线受电装置设置在电动汽车上；所述无线供电装置包括供电模块、TS型谐振补偿网络和能量发射线圈，所述能量发射线圈设置在地面上，所述供电模块的输入端连接至电网，所述供电模块的输出端通过所述TS型谐振补偿网络与所述能量发射线圈连接；所述无线受电装置包括充电电池、整流模块和用于接收所述能量发射线圈无线传输电能的能量拾取线圈，所述能量拾取线圈的输出端通过所述整流模块与所述充电电池连接。本发明的所述电动汽车无线充电系统内管有效地提高电动汽车无线充电系统的输出电压增益和传输功率。

Description

一种电动汽车无线充电系统

技术领域

本发明涉及电动汽车充电技术领域，尤其是涉及一种电动汽车无线充电系统。

背景技术

目前，电动汽车充电基本采用有线充电方式进行充电，有线充电方式容易受环境变化的影响，布线成本较高，而且频繁的插拔操作容易导致接触松动，形成安全隐患。随着电力电子技术的发展，电动汽车充电技术已经朝着非接触式充电技术的方向发展。

非接触式充电是指通过电磁场为媒介实现的无线电能传输，无外漏接口，并具有节约耗材、运行安全灵活、不易受天气环境变化因素影响等优点，但非接触式充电的主要缺点是传输功率损耗大。作为非接触式充电方式的一种，磁耦合谐振无线充电方式可以在有障碍物的情况下传输，因其具有传输距离中等、传输功率较大、传输效率较高、对周边辐射相对小等优点，相比于其他非接触式充电方式更能满足电动汽车对于无线充电传输功率的要求。

然而，磁耦合谐振式无线充电系统属于松散耦合，线圈间存在气隙，导致无功功率损耗较大，使得能量传输效率受到极大的影响。在现有技术中，虽然采用串联或并联谐振补偿网络以及常见的混联型补偿网络，可以补偿无功功率损耗，但是仍然存在输出电压增益低、传输功率不高等缺陷。

发明内容

本发明实施例提供了一种电动汽车无线充电系统，以解决现有的电动汽车无线充电系统输出电压增益低、传输功率不高的技术问题，从而有效地提高电动汽车无线充电系统的输出电压增益和传输功率。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种电动汽车无线充电系统，包括无线供电装置和无线受电装置，所述无线供电装置设置在地上，所述无线受电装置设置在电动汽车上；

所述无线供电装置包括供电模块、TS型谐振补偿网络和能量发射线圈，所述能量发射线圈设置在地面上，所述供电模块的输入端连接至电网，所述供电模块的输出端通过所述TS型谐振补偿网络与所述能量发射线圈连接；

所述无线受电装置包括充电电池、整流模块和用于接收所述能量发射线圈无线传输电能的能量拾取线圈，所述能量拾取线圈的输出端通过所述整流模块与所述充电电池连接；

在电动汽车进入所述无线供电装置的充电感应范围时，所述能量发射线圈接收所述TS型谐振补偿网络产生的谐振电压，经过电磁耦合作用，所述能量拾取线圈电磁感应产生电流并通过所述整流模块为所述充电电池充电。

作为优选方案，所述无线受电装置还包括串联谐振电路，所述串联谐振电路的输入端与所述能量拾取线圈的输出端连接，所述串联谐振电路的输出端与所述整流模块的输入端连接。

作为优选方案，所述TS型谐振补偿网络包括第一谐振电感、第二谐振电感、第一谐振电容和第二谐振电容，所述第一谐振电感的第一端、所述第一谐振电容的第一端、所述第二谐振电容的第一端分别与所述供电模块连接，所述第一谐振电感的第二端分别与所述第二谐振电感的第一端、所述第一谐振电容的第二端连接，所述第二谐振电感的第二端与所述能量发射线圈的第一端连接，所述能量发射线圈的第二端与所述第二谐振电容的第二端连接，所述第二谐振电容的第一端与所述第一谐振电容的第一端连接。

作为优选方案，所述供电模块包括电源系统和全桥逆变电路，所述电源系统的输入端与所述供电模块的输入端连接，所述电源系统的输出端与所述全桥逆变电路的输入端连接，所述全桥逆变电路的输出端与所述TS型谐振补偿网络的输入端连接。

作为优选方案，所述整流模块为高频整流滤波电路。

相比于现有技术，本发明实施例的有益效果在于，所述无线供电装置通过所述TS型谐振补偿网络将所述供电模块输出的高频方波电压转换成谐振电压并提供给所述能量发射线圈，所述能量发射线圈与所述能量拾取线圈经过电磁耦合作用，所述能量拾取线圈电磁感应产生的电流为所述充电电池充电，在这个过程中，所述TS型谐振补偿网络具有滤除逆变器输出电压电流谐波的功能，相比于现有的谐振补偿网络，所述TS型谐振补偿网络的输出电压增益、系统输出功率放大倍数、传输效率均更高，不仅可以补偿无功功率损耗，而且能够有效地提高所述无线受电装置的输出电压增益，从而提高所述电动汽车无线充电的电能传输功率。

附图说明

图1是本发明实施例中的电动汽车无线充电系统的原理图；

图2是本发明实施例中的电动汽车无线充电系统的结构示意图；

图3是本发明实施例中的电动汽车无线充电系统的电路图；

图4是图3的等效电路图；

图5是本发明实施例中的谐振补偿网络的比较示意图；

图6是本发明实施例中的TS型谐振补偿网络的系统传输效率与负载关系图；

图7a～7b展示了本发明实施例中电压增益倍数不同时的实验仿真波形图。

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，所描述的实施例仅仅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作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。

请参见图1，本发明优选实施例提供一种电动汽车无线充电系统，包括无线供电装置1和无线受电装置2，所述无线供电装置1设置在地上，所述无线受电装置2设置在电动汽车上；

所述无线供电装置1包括供电模块、TS型谐振补偿网络13和能量发射线圈14，所述能量发射线圈14设置在地面上，所述供电模块的输入端连接至电网，所述供电模块的输出端通过所述TS型谐振补偿网络13与所述能量发射线圈14连接；

所述无线受电装置2包括充电电池21、整流模块22和用于接收所述能量发射线圈14无线传输电能的能量拾取线圈24，所述能量拾取线圈24的输出端通过所述整流模块22与所述充电电池21连接；

在电动汽车进入所述无线供电装置1的充电感应范围时，所述能量发射线圈14接收所述TS型谐振补偿网络13产生的谐振电压，经过电磁耦合作用，所述能量拾取线圈24电磁感应产生电流并通过所述整流模块22为所述充电电池21充电。

在本发明实施例中，所述无线供电装置1通过所述TS型谐振补偿网络13将所述供电模块输出的高频方波电压转换成谐振电压并提供给所述能量发射线圈14，所述能量发射线圈14与所述能量拾取线圈24经过电磁耦合作用，所述能量拾取线圈24电磁感应产生的电流为所述充电电池21充电，在这个过程中，所述TS型谐振补偿网络13具有滤除逆变器输出电压电流谐波的功能，相比于现有的其他谐振补偿网络，所述TS型谐振补偿网络13的输出电压增益、系统输出功率放大倍数、传输效率均更高，不仅可以补偿无功功率损耗，而且能够有效地提高所述无线受电装置2的输出电压增益，从而提高所述电动汽车无线充电的电能传输功率。

请参见图1和图2，在本发明实施例中，所述无线受电装置2还包括串联谐振电路23，所述串联谐振电路23的输入端与所述能量拾取线圈24的输出端连接，所述串联谐振电路23的输出端与所述整流模块22的输入端连接。

请参见图2至图4，在本发明实施例中，为了使结构合理化，所述TS型谐振补偿网络13包括第一谐振电感Lp1、第二谐振电感Lp2、第一谐振电容Cp1和第二谐振电容Cp2，所述第一谐振电感Lp1的第一端、所述第一谐振电容Cp1的第一端、所述第二谐振电容Cp2的第一端分别与所述供电模块连接，所述第一谐振电感Lp1的第二端分别与所述第二谐振电感Lp2的第一端、所述第一谐振电容Cp1的第二端连接，所述第二谐振电感Lp2的第二端与所述能量发射线圈14的第一端连接，所述能量发射线圈14的第二端与所述第二谐振电容Cp2的第二端连接，所述第二谐振电容Cp2的第一端与所述第一谐振电容Cp1的第一端连接。

请参见图1和图2，在本发明实施例中，所述供电模块包括电源系统和全桥逆变电路，所述电源系统的输入端与所述供电模块的输入端连接，所述电源系统的输出端与所述全桥逆变电路的输入端连接，所述全桥逆变电路的输出端与所述TS型谐振补偿网络13的输入端连接。

可以理解的，在本发明实施例中，所述整流模块22为高频整流滤波电路。

本发明人在实施本发明中发现，经过二端口网络理论分析，与各种谐振补偿网络等效电路的输入与输出电压增益和输出功率比较，所述TS型谐振补偿网络13的输入电压与输出功率放大倍数，其传输系统输出功率，相比其它谐振补偿网络更高。

由于现有的磁耦合谐振式无线充电系统属于松散耦合，线圈间存在气隙的原因，无功功率损耗大，导致影响了传输效率。为了提高无线充电的传输效率，在原边电路中加入TS型谐振补偿网络电路，与传输线圈的自感发生谐振，补偿系统功率损耗。如文献《电动汽车无线充电技术研究综述》提到，目前主要有串联(SS、SP)型补偿，并联(PS、PP)型补偿和常见的混联型无功补偿网络拓扑，可以实现不同负载情况下，系统恒流和恒压输出充电。比如文献《LCL型非接触电能系统电路特性分析及参数配置方法》就提到采用LCL型谐振网络提高传输系统输出功率。本发明采用所述TS型谐振补偿网络，能够获得更高的输出电压增益和传输功率，具体推理过程如下：

请参阅图4，图4是图3关于TS型谐振补偿网络13的等效电路图，发明人在实施本发明实施例时，运用二端口网络电路理论对所述TS型谐振补偿网络13的等效电路进行分析计算，推导出这种补偿网络相对传统补偿网络可提高所述电动汽车无线充电系统的电压增益，推导过程如下：

则所述TS型谐振补偿网络13输入电压与输出功率放大倍数为：

所述电动汽车无线充电系统的传输功率为：

所述电动汽车无线充电系统的传输效率为：

经过合理配置元器件参数后，可得如图5所示的功率输出特性曲线和如图6所示的TS型谐振补偿网络的系统传输效率与负载关系图。

结合图5和图6可见，本发明采用所述TS型谐振补偿网络13相比于采用现有的LCL-S型谐振补偿网络，能够有效地提高系统输出功率和所述电动汽车无线充电系统的电能传输效率，从而适合应用于大功率的无线电能传输系统中。

针对电动汽车非接触式无线充电如何提高和优化系统输出功率和传输效率的问题，本发明在无线电能传输电路中加入了所述TS型谐振补偿网络13，如图3所示，并根据图4所示的本发明实施例中的电动汽车无线充电系统的电路图的等效电路图，运用二端口网络可以表示为：

忽略原边谐振电路线圈间的互感，此时，当原边发射阻抗等效为Req时，所述TS型谐振补偿网络13的输入、输出电压关系可以表示为：

当传输系统处在谐振状态时，满足ω²Cp₁Lp₁＝1，此时，所述TS型谐振补偿网络13的输入、输出电压关系可以表示为：

则所述TS型谐振补偿网络13输入电压与输出功率放大倍数为：

所述电动汽车无线充电系统的传输功率为：

故，本发明采用所述TS型谐振补偿网络13，能够有效地提高系统输出功率和所述电动汽车无线充电系统的电能传输效率，从而适合应用于大功率的无线电能传输系统中。

下面结合图4和图5进行分析，通过二端口网络电路理论对该补偿网络等效电路，推导出所述TS型谐振补偿网络13相对传统补偿网络可提高系统的电压增益为：

则所述TS型谐振补偿网络13输入电压与输出功率放大倍数为：

所述电动汽车无线充电系统的传输功率为：

所述电动汽车无线充电系统的传输效率为：

经过合理配置元器件参数后，可得如图5所示的功率输出特性曲线和与LCL-S型谐振补偿网络传输效率进行比较可得如图6所示的系统传输效率与负载关系图；因此，本发明采用所述TS型谐振补偿网络，能够获得更高的输出电压增益和传输功率。

下面，请返回参见图3，图3是所述电动汽车无线充电系统的电路图，可见，Lp1、Lp2、Cp1构成了所述TS型谐振补偿网络13的T型结构，所述TS型谐振补偿网络13，具有滤除逆变器输出电压电流谐波的功能，能够有效地扩大原边等效电阻的适应范围，从而提高了所述电动汽车无线充电系统的输出功率和电能传输的效率。

根据所述TS型谐振补偿网络13输入电压与输出功率放大倍数可以确定所述TS型谐振补偿网络13的电容Cp1，所述电容Cp1满足条件：

按照上述方法设计，结合仿真实验输出电压波形的稳定性，见图7a和图7b仿真系统输出电压波形，得到如表1所示的参数优化配置。

表1 TS型谐振补偿网络的参数设置

为了验证TS型补偿电路在提高系统输出功率的优越性，本发明推导出所述TS型谐振补偿网络13(WPT)系统传输功率和传输效率，并且令其输出功率为：

从公式可知，当负载电阻达到某一特定值时，所述电动汽车无线充电系统的输出功率达到了最大值。

当负载阻值满足r_eq＝ω²M²/r_p时，所述电动汽车无线充电系统的输出功率取最大值。

由于所述电动汽车无线充电系统的输出功率P_out是副边反射阻抗上消耗的功率，系统损耗主要来自于原边线圈内阻损耗P_loss，因此，本发明提出的TS-S型谐振补偿网络(WPT)系统的整体效率可以表示为下式：

返回参阅图5，可知，当负载阻值达到某个阻值时，系统输出功率最大。如图3，系统输出效率是随负载阻值增加而增加，所以根据输出功率公式可知，由导数求极值的方法，可得当负载电阻r_eq＝ω²M²/r_p时，即系统输出功率和传输效率同时达到最优。

所述电动汽车无线充电系统在谐振状态下，系统输入输出电压增益为：

由上可知，输出电压增益倍数与电容、系统谐振频率和副边反射阻抗有关。

而对于所述电动汽车无线充电系统，可以通过合理配置所述TS型谐振补偿网络13的参数保证其输入和输出电压增益比值保持稳定，并且提高系统工作的稳定性。根据公式所述TS型谐振补偿网络13的电压放大倍数，确定补偿网络的电容Cp1，补偿电容Cp1满足：

综上所述，本发明提供了一种电动汽车无线充电系统，包括无线供电装置1和无线受电装置2，所述无线供电装置1设置在地上，所述无线受电装置2设置在电动汽车上；

相比于现有技术，所述无线供电装置1通过所述TS型谐振补偿网络13将所述供电模块输出的高频方波电压转换成谐振电压并提供给所述能量发射线圈14，所述能量发射线圈14与所述能量拾取线圈24经过电磁耦合作用，所述能量拾取线圈24电磁感应产生的电流为所述充电电池21充电，在这个过程中，所述TS型谐振补偿网络13具有滤除逆变器输出电压电流谐波的功能，相比于现有的其他谐振补偿网络，所述TS型谐振补偿网络13的输出电压增益、系统输出功率放大倍数、传输效率均更高，不仅可以补偿无功功率损耗，而且能够有效地提高所述无线受电装置2的输出电压增益，从而提高所述电动汽车无线充电的电能传输功率。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种电动汽车无线充电系统，其特征在于，包括无线供电装置和无线受电装置，所述无线供电装置设置在地上，所述无线受电装置设置在电动汽车上；

在电动汽车进入所述无线供电装置的充电感应范围时，所述能量发射线圈接收所述TS型谐振补偿网络产生的谐振电压，经过电磁耦合作用，所述能量拾取线圈电磁感应产生电流并通过所述整流模块为所述充电电池充电；

所述无线受电装置还包括串联谐振电路，所述串联谐振电路的输入端与所述能量拾取线圈的输出端连接，所述串联谐振电路的输出端与所述整流模块的输入端连接；

所述TS型谐振补偿网络包括第一谐振电感、第二谐振电感、第一谐振电容和第二谐振电容，所述第一谐振电感的第一端、所述第一谐振电容的第一端、所述第二谐振电容的第一端分别与所述供电模块连接，所述第一谐振电感的第二端分别与所述第二谐振电感的第一端、所述第一谐振电容的第二端连接，所述第二谐振电感的第二端与所述能量发射线圈的第一端连接，所述能量发射线圈的第二端与所述第二谐振电容的第二端连接，所述第二谐振电容的第一端与所述第一谐振电容的第一端连接；

所述供电模块包括电源系统和全桥逆变电路，所述电源系统的输入端与所述供电模块的输入端连接，所述电源系统的输出端与所述全桥逆变电路的输入端连接，所述全桥逆变电路的输出端与所述TS型谐振补偿网络的输入端连接；

所述TS型谐振补偿网络输出电压增益倍数为：

n＝R_eqωC_p1

其中，n表示输出电压增益倍数，R_eq表示副边反射阻抗，ω表示系统谐振频率，C_p1表示电容；

所述输出电压增益倍数与所述电容、系统谐振频率和副边反射阻抗有关。

2.如权利要求1所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述整流模块为高频整流滤波电路。