CN109177757B - 电动汽车无线充电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电动汽车无线充电系统及方法，包括依次连接的功率因数校正模块、H桥逆变模块、磁能耦合机构模块和主动整流模块，分别连接所述主动整流模块的高压电池模块和低压电池模块，220V市电电网通过所述功率因数校正模块、所述H桥逆变模块、所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块向所述高压电池模块和所述低压电池模块充电；所述高压电池模块通过所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块向所述低压电池模块充电；所述低压电池模块通过所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块向所述高压电池模块充电；所述高压电池模块通过所述功率因数校正模块、所述H桥逆变模块、所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块将能量回馈所述220V市电电网。

Description

电动汽车无线充电系统及方法

技术领域

本发明涉及电动汽车技术领域，特别涉及一种电动汽车无线充电系统及方法。

背景技术

电动汽车一般包含高压动力电池和低压蓄电池，传统的车载充电机依靠有线电缆为高压动力电池包充电，而传统的高压直流变换器将高压直流电转换为低压直流电，为低压蓄电池充电。若将车载充电机(Charger)与高压直流变换器(Converter)进行集成设计(CharCon)，则可以同时为高压动力电池和低压蓄电池进行充电，并减小充电系统体积及重量。对于电动汽车来说，其能量补给来自于电网，充电过程需要电动汽车使用者参与，以完成电动汽车与电网的连接，这不能满足电动汽车使用者日益提高的便捷性需求，并且连接过程会对操作者产生高压电击危险。无线充电技术恰好可以解决上述问题，用一对磁能发射及接收机构代替传统有线电缆，电能在发射模块中先变为磁能，接收模块将磁能转换为电能，然后充入高压动力电池和低压蓄电池中。无线充电技术可以实现安全、便捷、全自动的充电过程，并对恶劣应用环境具有较强的适应性。车载无线充电系统一般包括两部分，一是功率因数校正环节，用于将220V市电变为稳定的400V直流电，并同时控制输入电流与输入电压同相位，以减小对220V电网的谐波污染。另一部分是高压直流变换环节，将功率因数校正环节产生的400V电压进行高频斩波，经磁能发射机构和磁能接收机构的无线传输，然后整流滤波后变为所需的直流电。

电动汽车车载充电系统在满足高压动力电池和低压蓄电池能量补给的基础上，不仅要考虑电动汽车使用者对于充电过程便利性的需求问题，而且要考虑整个系统的体积及成本优化问题，并且兼容反向充电功能以满足V2G需求。目前本领域现有技术主要存在以下不足：

(1)没有考虑过高低压蓄电池无线充电系统的一体化集成设计。

(2)没有考虑过高低压蓄电池无线充电系统一体化集成设计所带来的功能扩展收益。

(3)没有考虑过高低压蓄电池无线充电系统一体化集成设计所带来的多自由度控制策略。

(4)没有考虑过高低压蓄电池无线充电系统一体化集成设计所带来的系统体积及成本优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电动汽车无线充电系统及方法，以解决现有的高低压蓄电池无线充电系统体积大，设计离散化的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种电动汽车无线充电系统，所述电动汽车无线充电系统包括依次连接的功率因数校正模块、H桥逆变模块、磁能耦合机构模块和主动整流模块，还包括分别连接所述主动整流模块的高压电池模块和低压电池模块，其中：

220V市电电网通过所述功率因数校正模块、所述H桥逆变模块、所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块向所述高压电池模块和所述低压电池模块充电；

所述高压电池模块通过所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块向所述低压电池模块充电；

所述低压电池模块通过所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块向所述高压电池模块充电；

所述高压电池模块通过所述功率因数校正模块、所述H桥逆变模块、所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块将能量回馈所述220V市电电网。

可选的，在所述的电动汽车无线充电系统中，所述磁能耦合机构模块包括电网侧拓扑补偿、发射线圈、高压接收线圈、高压拓扑补偿、低压接收线圈和低压拓扑补偿，其中：

所述H桥逆变模块连接所述电网侧拓扑补偿，所述电网侧拓扑补偿连接所述发射线圈，所述发射线圈与所述高压接收线圈和所述低压接收线圈耦合，所述高压接收线圈连接所述高压拓扑补偿，所述低压接收线圈连接所述低压拓扑补偿，所述高压拓扑补偿和所述低压拓扑补偿连接所述主动整流模块；

所述发射线圈和所述高压接收线圈之间形成第一互感，所述发射线圈和所述低压接收线圈之间形成第二互感，所述高压接收线圈和所述低压接收线圈之间形成第三互感。

可选的，在所述的电动汽车无线充电系统中，所述主动整流模块包括高压侧主动整流模块和低压侧主动整流模块，所述高压侧主动整流模块连接所述高压拓扑补偿，所述低压侧主动整流模块连接所述低压拓扑补偿。

可选的，在所述的电动汽车无线充电系统中，所述功率因数校正模块为全桥拓扑，包括第一电感、第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关和第四功率开关；

所述H桥逆变模块包括第五功率开关、第六功率开关、第七功率开关和第八功率开关；

所述高压侧主动整流模块包括第九功率开关、第十功率开关、第十一功率开关和第十二功率开关；

所述低压侧主动整流模块包括第十三功率开关、第十四功率开关、第十五功率开关和第十六功率开关。

可选的，在所述的电动汽车无线充电系统中，所述电网侧拓扑补偿包括与所述发射线圈和所述H桥逆变模块串联的发射线圈谐振电容，所述高压拓扑补偿包括与所述高压接收线圈和所述高压侧主动整流模块串联的高压接收线圈谐振电容，所述低压拓扑补偿包括与所述低压接收线圈和所述低压侧主动整流模块串联的低压接收线圈谐振电容。

可选的，在所述的电动汽车无线充电系统中，所述电网侧拓扑补偿包括与所述发射线圈和所述H桥逆变模块串联的第一补偿电感，以及与所述发射线圈并联的发射线圈谐振电容，所述高压拓扑补偿包括与所述高压接收线圈和所述高压侧主动整流模块串联的第二补偿电感，以及与所述高压接收线圈并联的高压接收线圈谐振电容，所述低压拓扑补偿包括与所述低压接收线圈和所述低压侧主动整流模块串联的第三补偿电感，以及与所述低压接收线圈并联的低压接收线圈谐振电容。

可选的，在所述的电动汽车无线充电系统中，所述电网侧拓扑补偿包括与所述发射线圈和所述H桥逆变模块串联的发射线圈谐振电容，所述高压拓扑补偿包括与所述高压接收线圈和所述高压侧主动整流模块串联的高压接收线圈谐振电容。

可选的，在所述的电动汽车无线充电系统中，所述电动汽车无线充电系统还包括开关，所述开关一端连接所述低压侧主动整流模块，另一端连接低压电池模块。

可选的，在所述的电动汽车无线充电系统中，当所述220V市电电网向所述高压电池模块和所述低压电池模块充电时，所述H桥逆变模块处于定频移相控制下，所述高压侧主动整流模块和所述低压侧主动整流模块中的主开关关闭，所述高压侧主动整流模块和所述低压侧主动整流模块中的反并联二极管被动整流后直接为所述高压电池模块和所述低压电池模块充电；

或者，所述高压侧主动整流模块中与所述高压电池模块负极连接的主开关关闭，所述低压侧主动整流模块中与所述低压电池模块正极连接的主开关关闭，所述高压侧主动整流模块中与所述高压电池模块正极连接的主开关主动整流为所述高压电池模块充电，所述低压侧主动整流模块中与所述低压电池模块负极连接的主开关主动整流为所述低压电池模块充电；

或者，所述高压侧主动整流模块中的主开关的控制频率等于H桥逆变模块的控制频率和系统谐振频率，为所述高压电池模块充电，所述低压侧主动整流模块中的主开关的控制频率等于H桥逆变模块的控制频率和系统谐振频率，为所述低压电池模块充电。

可选的，在所述的电动汽车无线充电系统中，所述高压侧主动整流模块和所述低压侧主动整流模块中的主开关的控制频率等于H桥逆变模块的控制频率时，所述高压侧主动整流模块和所述低压侧主动整流模块中的主开关的控制信号之和等于所述H桥逆变模块的输出信号；

调节功率因数校正模块的输出电压以调节所述H桥逆变模块的输出信号的幅值；调节H桥逆变模块的超前桥臂和滞后桥臂的移相角以调节所述H桥逆变模块的输出信号的脉宽；控制所述高压侧主动整流模块和所述低压侧主动整流模块相比于所述H桥逆变模块的滞后驱动时间以调节所述H桥逆变模块的输出信号和所述高压侧主动整流模块和所述低压侧主动整流模块中的主开关的控制信号的相位差。

可选的，在所述的电动汽车无线充电系统中，所述高压侧主动整流模块替代高压直流变换器的高压侧逆变桥，所述高压直流变换器将高压直流电转换为低压直流电，为所述低压电池模块充电。

可选的，在所述的电动汽车无线充电系统中，所述高压接收线圈和所述低压接收线圈附着于一铁氧体及其屏蔽装置上，所述铁氧体及其屏蔽装置装配于车辆底盘下，所述高压接收线圈和所述低压接收线圈并列式集成、叠加式集成或交替绕制集成。

可选的，在所述的电动汽车无线充电系统中，所述电动汽车无线充电系统还包括功率因数校正环节驱动采样模块、H桥逆变环节驱动采样模块、磁能耦合机构采样模块、主动整流环节驱动采样模块、高低压电池采样模块及控制器模块，其中：

所述功率因数校正环节驱动采样模块控制所述功率因数校正模块的导通和关断，并对所述功率因数校正模块的信号进行采样；

所述H桥逆变环节驱动采样模块控制所述H桥逆变模块的导通和关断，并对所述H桥逆变模块的信号进行采样；

磁能耦合机构采样模块对所述磁能耦合机构模块的信号进行采样；

所述主动整流环节驱动采样模块控制所述主动整流模块的导通和关断，并对所述主动整流模块的信号进行采样；

所述高低压电池采样模块对所述高压电池模块和所述低压电池模块的信号进行采样；

所述控制器模块为所述功率因数校正环节驱动采样模块、H桥逆变环节驱动采样模块和主动整流环节驱动采样模块提供控制信号；

所述控制器模块将所述功率因数校正环节驱动采样模块、H桥逆变环节驱动采样模块、磁能耦合机构采样模块、主动整流环节驱动采样模块及高低压电池采样模块的采样信号进行处理。

本发明还提供一种电动汽车无线充电方法，所述电动汽车无线充电方法包括：

220V市电电网通过功率因数校正模块、H桥逆变模块、磁能耦合机构模块和主动整流模块向高压电池模块和低压电池模块充电；

所述高压电池模块通过所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块向所述低压电池模块充电；

所述低压电池模块通过所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块向所述高压电池模块充电；

所述高压电池模块通过所述功率因数校正模块、所述H桥逆变模块、所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块将能量回馈所述220V市电电网。

在本发明提供的电动汽车无线充电系统及方法中，实现了多种功能集成，包括无线能量传输功能、高压电池模块充电功能、低压电池模块充电功能、高压电池模块和低压电池模块之间的能量变换功能以及向220V市电电网逆变功能，既可实现电动汽车所需能量的基本供给，也可满足用户对电动汽车能量补给过程便利性的需求，而且可以在用电高峰期向电网馈电，给电动汽车用户提供额外的收益，实现了高低压蓄电池无线充电系统的一体化集成设计，和高低压蓄电池无线充电系统一体化集成设计所带来的功能扩展收益。

进一步的，所述高压侧主动整流模块中的主开关的控制频率等于H桥逆变模块的控制频率和系统谐振频率，为所述高压电池模块充电，所述低压侧主动整流模块中的主开关的控制频率等于H桥逆变模块的控制频率和系统谐振频率，为所述低压电池模块充电，可以增加整个系统输出电流的调节自由度，实现灵活准确的电流控制策略，实现了高低压蓄电池无线充电系统一体化集成设计所带来的多自由度控制策略。

另外，所述高压接收线圈和所述低压接收线圈并列式集成、叠加式集成或交替绕制集成，实现了高低压蓄电池无线充电系统一体化集成设计所带来的系统体积及成本优化，解决了高低压蓄电池无线充电系统体积大，设计离散化的问题。

附图说明

图1是本发明一实施例电动汽车无线充电系统示意图；

图2～5是本发明另一实施例电动汽车无线充电系统在各工况下充电方法示意图；

图6是本发明另一实施例电动汽车无线充电系统磁能耦合机构模块示意图；

图7是本发明另一实施例电动汽车无线充电系统磁能耦合机构模块示意图；

图8～10是本发明另一实施例电动汽车无线充电系统在一工况下充电方法示意图；

图11是本发明另一实施例电动汽车无线充电系统在一工况下充电方法中控制信号波形示意图；

图12～13是本发明另一实施例电动汽车无线充电系统的线圈集成方式示意图；

图中所示：1-功率因数校正模块；2-H桥逆变模块；3-磁能耦合机构模块；4-主动整流模块；51-高压电池模块；52-低压电池模块；6-功率因数校正环节驱动采样模块；7-H桥逆变环节驱动采样模块；8-磁能耦合机构采样模块；9-主动整流环节驱动采样模块；10-高低压电池采样模块；11-控制器模块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的电动汽车无线充电系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于提供一种电动汽车无线充电系统及方法，以解决现有的高低压蓄电池无线充电系统体积大，设计离散化的问题。

为实现上述思想，本发明提供了一种电动汽车无线充电系统及方法，所述电动汽车无线充电系统包括依次连接的功率因数校正模块、H桥逆变模块、磁能耦合机构模块和主动整流模块，还包括分别连接所述主动整流模块的高压电池模块和低压电池模块，其中：220V市电电网通过所述功率因数校正模块、所述H桥逆变模块、所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块向所述高压电池模块和所述低压电池模块充电；所述高压电池模块通过所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块向所述低压电池模块充电；所述低压电池模块通过所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块向所述高压电池模块充电；所述高压电池模块通过所述功率因数校正模块、所述H桥逆变模块、所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块将能量回馈所述220V市电电网。

<实施例一>

本实施例提供一种电动汽车无线充电系统，如图1所示，所述电动汽车无线充电系统包括依次连接的功率因数校正模块1、H桥逆变模块2、磁能耦合机构模块3和主动整流模块4，还包括分别连接所述主动整流模块4的高压电池模块51和低压电池模块52，其中：如图2所示，220V市电电网通过所述功率因数校正模块1、所述H桥逆变模块2、所述磁能耦合机构模块3和所述主动整流模块4向所述高压电池模块51和所述低压电池模块52充电；如图3所示，所述高压电池模块51通过所述磁能耦合机构模块3和所述主动整流模块4向所述低压电池模块52充电；如图4所示，所述低压电池模块52通过所述磁能耦合机构模块3和所述主动整流模块4向所述高压电池模块51充电；如图5所示，所述高压电池模块51通过所述功率因数校正模块1、所述H桥逆变模块2、所述磁能耦合机构模块3和所述主动整流模块4将能量回馈所述220V市电电网。

如图1所示，在所述的电动汽车无线充电系统中，所述磁能耦合机构模块3包括电网侧拓扑补偿、发射线圈Lp、高压接收线圈Lsh、高压拓扑补偿、低压接收线圈Lsl和低压拓扑补偿，其中：所述H桥逆变模块2连接所述电网侧拓扑补偿，所述电网侧拓扑补偿连接所述发射线圈Lp，所述发射线圈Lp与所述高压接收线圈Lsh和所述低压接收线圈Lsl耦合，所述高压接收线圈Lsh连接所述高压拓扑补偿，所述低压接收线圈Lsl连接所述低压拓扑补偿，所述高压拓扑补偿和所述低压拓扑补偿连接所述主动整流模块4；所述发射线圈Lp和所述高压接收线圈Lsh之间形成第一互感Mpsh，所述发射线圈Lp和所述低压接收线圈Lsl之间形成第二互感Mpsl，所述高压接收线圈Lsh和所述低压接收线圈Lsl之间形成第三互感Mshsl。所述主动整流模块4包括高压侧主动整流模块和低压侧主动整流模块，所述高压侧主动整流模块连接所述高压拓扑补偿，所述低压侧主动整流模块连接所述低压拓扑补偿。

具体的，在所述的电动汽车无线充电系统中，所述功率因数校正模块1为全桥拓扑，包括第一电感L1、第一功率开关S1、第二功率开关S2、第三功率开关S3和第四功率开关S4；所述H桥逆变模块2包括第五功率开关S5、第六功率开关S6、第七功率开关S7和第八功率开关S8；所述高压侧主动整流模块包括第九功率开关S9、第十功率开关S10、第十一功率开关S11和第十二功率开关S12；所述低压侧主动整流模块包括第十三功率开关S13、第十四功率开关S14、第十五功率开关S15和第十六功率开关S16。

另外，在所述的电动汽车无线充电系统中，如图1所示，所述电网侧拓扑补偿包括与所述发射线圈Lp和所述H桥逆变模块2串联的发射线圈谐振电容Cp，所述高压拓扑补偿包括与所述高压接收线圈Lsh和所述高压侧主动整流模块串联的高压接收线圈谐振电容Csh，所述低压拓扑补偿包括与所述低压接收线圈Lsl和所述低压侧主动整流模块串联的低压接收线圈谐振电容Csl。或者，如图6所示，所述电网侧拓扑补偿包括与所述发射线圈Lp和所述H桥逆变模块2串联的第一补偿电感Lpc，以及与所述发射线圈Lp并联的发射线圈谐振电容Cp，所述高压拓扑补偿包括与所述高压接收线圈Lsh和所述高压侧主动整流模块串联的第二补偿电感Lshc，以及与所述高压接收线圈Lsh并联的高压接收线圈谐振电容Csh，所述低压拓扑补偿包括与所述低压接收线圈Lsl和所述低压侧主动整流模块串联的第三补偿电感Lslc，以及与所述低压接收线圈Lsl并联的低压接收线圈谐振电容Csl。或者，如图7所示，在所述的电动汽车无线充电系统中，所述电网侧拓扑补偿包括与所述发射线圈Lp和所述H桥逆变模块串联的发射线圈谐振电容Cp，所述高压拓扑补偿包括与所述高压接收线圈Lsh和所述高压侧主动整流模块串联的高压接收线圈谐振电容Csh，而低压拓扑补偿可被简化。

进一步的，如图6～7所示，在所述的电动汽车无线充电系统中，所述电动汽车无线充电系统还包括开关S，所述开关S一端连接所述低压侧主动整流模块，另一端连接低压电池模块52。

如图8所示，在所述的电动汽车无线充电系统中，当所述220V市电电网向所述高压电池模块51和所述低压电池模块52充电时，所述H桥逆变模块2处于定频移相控制下，所述高压侧主动整流模块和所述低压侧主动整流模块S9～S16中的主开关关闭，所述高压侧主动整流模块和所述低压侧主动整流模块中的反并联二极管被动整流后直接为所述高压电池模块51和所述低压电池模块52充电；

或者，如图9所示，所述高压侧主动整流模块中与所述高压电池模块负极连接的主开关关闭，所述低压侧主动整流模块中与所述低压电池模块正极连接的主开关关闭，所述高压侧主动整流模块中与所述高压电池模块正极连接的主开关主动整流为所述高压电池模块充电，所述低压侧主动整流模块中与所述低压电池模块负极连接的主开关主动整流为所述低压电池模块充电；

或者，如图10所示，所述高压侧主动整流模块中的主开关的控制频率等于H桥逆变模块的控制频率和系统谐振频率，为所述高压电池模块充电，所述低压侧主动整流模块中的主开关的控制频率等于H桥逆变模块的控制频率和系统谐振频率，为所述低压电池模块充电。

如图11所示，在所述的电动汽车无线充电系统中，所述高压侧主动整流模块和所述低压侧主动整流模块中的主开关的控制频率等于H桥逆变模块的控制频率时，所述高压侧主动整流模块和所述低压侧主动整流模块中的主开关的控制信号之和等于所述H桥逆变模块的输出信号；调节功率因数校正模块的输出电压以调节所述H桥逆变模块的输出信号的幅值；调节H桥逆变模块的超前桥臂和滞后桥臂的移相角以调节所述H桥逆变模块的输出信号的脉宽；控制所述高压侧主动整流模块和所述低压侧主动整流模块相比于所述H桥逆变模块的滞后驱动时间以调节所述H桥逆变模块的输出信号和所述高压侧主动整流模块和所述低压侧主动整流模块中的主开关的控制信号的相位差。

另外，在所述的电动汽车无线充电系统中，所述高压侧主动整流模块替代高压直流变换器的高压侧逆变桥，所述高压直流变换器将高压直流电转换为低压直流电，为所述低压电池模块充电。

如图12～13所示，在所述的电动汽车无线充电系统中，所述高压接收线圈和所述低压接收线圈附着于一铁氧体及其屏蔽装置上，所述铁氧体及其屏蔽装置装配于车辆底盘下，所述高压接收线圈和所述低压接收线圈并列式集成、叠加式集成或交替绕制集成。

如图1所示，在所述的电动汽车无线充电系统中，所述电动汽车无线充电系统还包括功率因数校正环节驱动采样模块6、H桥逆变环节驱动采样模块7、磁能耦合机构采样模块8、主动整流环节驱动采样模块9、高低压电池采样模块10及控制器模块11，其中：所述功率因数校正环节驱动采样模块6控制所述功率因数校正模块1的导通和关断，并对所述功率因数校正模块1的信号进行采样；所述H桥逆变环节驱动采样模块7控制所述H桥逆变模块2的导通和关断，并对所述H桥逆变模块2的信号进行采样；磁能耦合机构采样模块8对所述磁能耦合机构模块3的信号进行采样；所述主动整流环节驱动采样模块9控制所述主动整流模块4的导通和关断，并对所述主动整流模块4的信号进行采样；所述高低压电池采样模块10对所述高压电池模块51和所述低压电池模块52的信号进行采样；所述控制器模块11为所述功率因数校正环节驱动采样模块6、H桥逆变环节驱动采样模块7和主动整流环节驱动采样模块9提供控制信号；所述控制器模块11将所述功率因数校正环节驱动采样模块6、H桥逆变环节驱动采样模块7、磁能耦合机构采样模块8、主动整流环节驱动采样模块9及高低压电池采样模块10的采样信号进行处理。

本实施例的电动汽车无线充电系统可实现高压动力电池和低压蓄电池的无线充电功能；可实现高压动力电池和低压蓄电池之间的双向能量变换功能；可实现高压动力电池和电网之间的双向能量变换功能；可实现高低压直流变换器和充电机的电气集成，共用部分功率电子器件，降低成本，节省体积；可节省传统高压直流变换器的变压器部分的体积和重量；可实现系统输出的恒流源特性，无需考虑高压动力电池电压范围的影响；基于多自由度控制方法，可以灵活准确地调节系统功率输出。

综上，上述实施例对电动汽车无线充电系统的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

<实施例二>

本实施例还提供一种电动汽车无线充电方法，所述电动汽车无线充电方法包括：220V市电电网通过功率因数校正模块、H桥逆变模块、磁能耦合机构模块和主动整流模块向高压电池模块和低压电池模块充电；所述高压电池模块通过所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块向所述低压电池模块充电；所述低压电池模块通过所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块向所述高压电池模块充电；所述高压电池模块通过所述功率因数校正模块、所述H桥逆变模块、所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块将能量回馈所述220V市电电网。

本实施例的一种应用于电动汽车高低压蓄电池能量补给的无线充电系统工作模式如图2～5所示，其中图2为同时给高压动力电池和低压蓄电池进行充电，对应车辆静止后连接电网为高低压电池补充能量工况，也可以单独为高压动力电池充电，或单独为低压蓄电池充电；图3为高压动力电池为低压蓄电池充电，对应车辆正常行驶及驻车工况；图4为低压蓄电池给高压动力电池充电，该工况主要应用于为高压直流母线电容预充电情况，可以节省高压预充电电路；图5为高压电池将能量逆变回电网以及高压电池给低压电池充电，对应V2G(vehicle to grid)工况以及低压蓄电池馈电工况。综上所述，所提方案有多种功能集成，包括无线能量传输功能、高压电池充电功能、低压电池充电功能、高压电池和低压电池之间的能量变换功能以及向电网逆变功能，既可实现电动汽车所需能量的基本供给，也可满足用户对电动汽车能量补给过程便利性的需求，而且可以在用电高峰期向电网馈电，给电动汽车用户提供额外的收益，解决了背景技术中所提的问题(1)和问题(2)。

拓扑结构：

图1所示磁能耦合机构模块3采用了3线圈LC串联拓扑，需要设计H桥逆变模块2的工作频率为

则此时系统的输出具有电流源特性。磁能耦合机构模块3也可以采用3线圈LCL拓扑，如图6所示，其中Lpc＝Lp、Lshc＝Lsh、Lslc＝Lsl分别为发射线圈、高压接收线圈和低压接收线圈的补偿电感，设计H桥逆变模块2的工作频率为

则此时系统的输出具有电流源特性。另一方面，图6中额外增加了一个开关S，用于隔断低压蓄电池与充电系统的电气连接，此时即使低压接收线圈处于发射线圈或高压接收线圈周围的磁场中，由于S开关的断开，低压接收线圈中不会产生电流。

当采用图1所示的3线圈LC串联拓扑时，并在低压蓄电池侧加入隔断开关S，则高低压直流变换器可采用LLC拓扑，如图7所示，其中低压接收线圈中无谐振电容，由于高压接收线圈和低压接收线圈都固定于车辆底盘下，二者的相对位置固定，则二者的互感和自感固定，则在LLC拓扑中，(LSH-MSHSL)充当了谐振电感L，MSHSL充当了励磁电感L，CSH充当了谐振电容C，三者共同组成了LLC拓扑，用于实现高效率的高压动力电池向低压蓄电池进行充电。

本实施例另一种应用于电动汽车高低压蓄电池能量补给的无线充电系统控制方法如图8～10所示，其中图8给出了电网向高低压电池充电工况下高低压电池侧功率开关被动整流控制模式，当H桥处于定频移相控制下时，无论是LC-LC串联拓扑和LCL拓扑均具有电流源特性，经过被动整流后可直接给高压动力电池和低压蓄电池进行充电。图9给出了电网向高低压电池充电工况下高低压电池侧部分功率开关主动整流控制模式，在该工况下，由于拓扑具有电流源特性，其输出可以短路但不可以断路，通过主动控制高低压电池侧的整流桥的半边功率开关的导通(即控制功率开关S9充和功率开关S12、功率开关S14充和功率开关S15)，即可以调节高低压电池充电电流的大小。图10给出了电网向高低压电池充电工况下高低压电池侧功率开关H桥定频移相控制模式，在该控制模式下，高低压电池侧的H桥控制频率需要与发射端H桥控制频率相同，都等于系统谐振频率

根据图10所给出的控制方法，高低压电池充电电流的多自由度调节方法如图11所示，图中上方正负方波为发射端H桥输出的波形，图中下方正负方波为高低压电池侧H桥前端的输入波形，主要是由于拓扑的恒流源特性和高低压动力电池的恒压源特性决定的。与高低压充电电流相关的变量有发射端H桥输出正负方波的幅值A、发射端H桥输出正负方波的脉宽P1、高低压电池侧的H桥前正负方波的脉宽P2、发射端H桥移相控制和高低压电池侧H桥移相控制的相位差α。发射端H桥输出正负方波的幅值A主要依靠调节功率因数校正环节的输出电压来实现；发射端H桥输出正负方波的脉宽P1主要依靠调节H桥超前桥臂和滞后桥臂的移相角来实现；高低压电池侧的H桥前正负方波的脉宽P2调节有两种实现方式，一种是图9所示的主动整流方式，一种是图10所示的H桥定频移相控制方式；发射端H桥移相控制和高低压电池侧H桥移相控制的相位差α则要通过控制高低压电池侧H桥相比于发射端H桥的滞后驱动时间来实现。综上所述，采用图10所示的控制方法，可以增加整个系统输出电流的调节自由度，实现灵活准确的电流控制策略，解决了背景技术所提的技术问题(3)。

另外，本实施例的一种应用于电动汽车高低压蓄电池能量补给的无线充电系统采用了一体化集成设计方案，将高压直流变换器的高压侧逆变桥(包括功率开关S9、功率开关S10、功率开关S11及功率开关S12)与无线充电系统高压电池侧主动整流器(包括功率开关S9、功率开关S10、功率开关S11及功率开关S12)进行器件复用，可以节省4个功率开关管及其驱动，进而降低成本，亦可节省控制器体积及重量。另一方面，将传统车载高压直流变换器的变压器的源边变为高压接收线圈，将传统车载高压直流变换器的变压器的副边变为低压接收线圈，这样控制器中可以节省变压器及其铁芯的体积及重量。高压接收线圈和低压接收线圈及其相应的铁氧体屏蔽装置一般装配于车辆底盘下，其中高压接收线圈和低压接收线圈的集成方式如图12～13所示，集成方式一为最典型的并列式集成方式，集成方式二为叠加式集成方式，集成方式二亦可以演变成高压接收线圈和低压接收线圈交替绕制的方式，无论哪种集成方式，为了满足接收线圈与发射线圈的耦合要求，高压接收线圈和低压接收线圈需要满足相应的自感值及磁场分布要求。综上所述，所提的高低压蓄电池无线充电系统的一体化集成设计方案可以降低系统成本，优化系统体积及重量，解决了背景技术中所提的技术问题(4)。

另外，所述结构中开关S可以为继电器或者两个漏极直连的对接MOS管或者IGBT。所述结构中的功率开关管可以为MOS管、晶闸管及IGBT等半导体功率器件。所述结构中的发射/接收线圈可以是方形线圈、圆形线圈、双极线圈及螺线管线圈等结构。所述结构中的拓扑结构除了所提的3线圈LC串联拓扑、3线圈LCL拓扑、2线圈LC串联加LLC拓扑，发射线圈、高压接收线圈、低压接收线圈可以分别采用LC并联、LC串联、LCL结构，并两两组合，形成一系列拓扑结构。所述结构中的高压接收线圈和低压接收线圈可以大小相同，高压接收线圈可以比低压接收线圈大，也可以比低压接收线圈小。上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

在本发明提供的电动汽车无线充电系统及方法中，实现了多种功能集成，包括无线能量传输功能、高压电池模块充电功能、低压电池模块充电功能、高压电池模块和低压电池模块之间的能量变换功能以及向220V市电电网逆变功能，既可实现电动汽车所需能量的基本供给，也可满足用户对电动汽车能量补给过程便利性的需求，而且可以在用电高峰期向电网馈电，给电动汽车用户提供额外的收益，实现了高低压蓄电池无线充电系统的一体化集成设计，和高低压蓄电池无线充电系统一体化集成设计所带来的功能扩展收益。

进一步的，所述高压侧主动整流模块中的主开关的控制频率等于H桥逆变模块的控制频率和系统谐振频率，为所述高压电池模块充电，所述低压侧主动整流模块中的主开关的控制频率等于H桥逆变模块的控制频率和系统谐振频率，为所述低压电池模块充电，可以增加整个系统输出电流的调节自由度，实现灵活准确的电流控制策略，实现了高低压蓄电池无线充电系统一体化集成设计所带来的多自由度控制策略。

另外，所述高压接收线圈和所述低压接收线圈并列式集成、叠加式集成或交替绕制集成，实现了高低压蓄电池无线充电系统一体化集成设计所带来的系统体积及成本优化，解决了高低压蓄电池无线充电系统体积大，设计离散化的问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

Claims (13)

1.一种电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述电动汽车无线充电系统包括依次连接的功率因数校正模块、H桥逆变模块、磁能耦合机构模块和主动整流模块，还包括分别连接所述主动整流模块的高压电池模块和低压电池模块，其中：

220V市电电网通过所述功率因数校正模块、所述H桥逆变模块、所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块向所述高压电池模块和所述低压电池模块充电；

所述高压电池模块通过所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块向所述低压电池模块充电；

所述低压电池模块通过所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块向所述高压电池模块充电；

所述高压电池模块通过所述功率因数校正模块、所述H桥逆变模块、所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块将能量回馈所述220V市电电网；

所述磁能耦合机构模块包括电网侧拓扑补偿、发射线圈、高压接收线圈、高压拓扑补偿、低压接收线圈和低压拓扑补偿，其中：

所述H桥逆变模块连接所述电网侧拓扑补偿，所述电网侧拓扑补偿连接所述发射线圈，所述发射线圈与所述高压接收线圈和所述低压接收线圈耦合，所述高压接收线圈连接所述高压拓扑补偿，所述低压接收线圈连接所述低压拓扑补偿，所述高压拓扑补偿和所述低压拓扑补偿连接所述主动整流模块；

所述发射线圈和所述高压接收线圈之间形成第一互感，所述发射线圈和所述低压接收线圈之间形成第二互感，所述高压接收线圈和所述低压接收线圈之间形成第三互感。

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，所述主动整流模块包括高压侧主动整流模块和低压侧主动整流模块，所述高压侧主动整流模块连接所述高压拓扑补偿，所述低压侧主动整流模块连接所述低压拓扑补偿。

3.如权利要求2所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述功率因数校正模块为全桥拓扑，包括第一电感、第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关和第四功率开关；

所述H桥逆变模块包括第五功率开关、第六功率开关、第七功率开关和第八功率开关；

所述高压侧主动整流模块包括第九功率开关、第十功率开关、第十一功率开关和第十二功率开关；

所述低压侧主动整流模块包括第十三功率开关、第十四功率开关、第十五功率开关和第十六功率开关。

4.如权利要求3所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述电网侧拓扑补偿包括与所述发射线圈和所述H桥逆变模块串联的发射线圈谐振电容，所述高压拓扑补偿包括与所述高压接收线圈和所述高压侧主动整流模块串联的高压接收线圈谐振电容，所述低压拓扑补偿包括与所述低压接收线圈和所述低压侧主动整流模块串联的低压接收线圈谐振电容。

5.如权利要求3所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述电网侧拓扑补偿包括与所述发射线圈和所述H桥逆变模块串联的第一补偿电感，以及与所述发射线圈并联的发射线圈谐振电容，所述高压拓扑补偿包括与所述高压接收线圈和所述高压侧主动整流模块串联的第二补偿电感，以及与所述高压接收线圈并联的高压接收线圈谐振电容，所述低压拓扑补偿包括与所述低压接收线圈和所述低压侧主动整流模块串联的第三补偿电感，以及与所述低压接收线圈并联的低压接收线圈谐振电容。

6.如权利要求2所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述电网侧拓扑补偿包括与所述发射线圈和所述H桥逆变模块串联的发射线圈谐振电容，所述高压拓扑补偿包括与所述高压接收线圈和所述高压侧主动整流模块串联的高压接收线圈谐振电容。

7.如权利要求5或6所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述电动汽车无线充电系统还包括开关，所述开关一端连接所述低压侧主动整流模块，另一端连接低压电池模块。

8.如权利要求4或5所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于，当所述220V市电电网向所述高压电池模块和所述低压电池模块充电时，所述H桥逆变模块处于定频移相控制下，所述高压侧主动整流模块和所述低压侧主动整流模块中的主开关关闭，所述高压侧主动整流模块和所述低压侧主动整流模块中的反并联二极管被动整流后直接为所述高压电池模块和所述低压电池模块充电；

或者，所述高压侧主动整流模块中与所述高压电池模块负极连接的主开关关闭，所述低压侧主动整流模块中与所述低压电池模块正极连接的主开关关闭，所述高压侧主动整流模块中与所述高压电池模块正极连接的主开关主动整流为所述高压电池模块充电，所述低压侧主动整流模块中与所述低压电池模块负极连接的主开关主动整流为所述低压电池模块充电；

或者，所述高压侧主动整流模块中的主开关的控制频率等于H桥逆变模块的控制频率和系统谐振频率，为所述高压电池模块充电，所述低压侧主动整流模块中的主开关的控制频率等于H桥逆变模块的控制频率和系统谐振频率，为所述低压电池模块充电。

9.如权利要求8所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述高压侧主动整流模块和所述低压侧主动整流模块中的主开关的控制频率等于H桥逆变模块的控制频率时，所述高压侧主动整流模块和所述低压侧主动整流模块中的主开关的控制信号之和等于所述H桥逆变模块的输出信号；

调节功率因数校正模块的输出电压以调节所述H桥逆变模块的输出信号的幅值；调节H桥逆变模块的超前桥臂和滞后桥臂的移相角以调节所述H桥逆变模块的输出信号的脉宽；控制所述高压侧主动整流模块和所述低压侧主动整流模块相比于所述H桥逆变模块的滞后驱动时间以调节所述H桥逆变模块的输出信号和所述高压侧主动整流模块和所述低压侧主动整流模块中的主开关的控制信号的相位差。

10.如权利要求2所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述高压侧主动整流模块替代高压直流变换器的高压侧逆变桥，所述高压直流变换器将高压直流电转换为低压直流电，为所述低压电池模块充电。

11.如权利要求1所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述高压接收线圈和所述低压接收线圈附着于一铁氧体及其屏蔽装置上，所述铁氧体及其屏蔽装置装配于车辆底盘下，所述高压接收线圈和所述低压接收线圈并列式集成、叠加式集成或交替绕制集成。

12.如权利要求1所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述电动汽车无线充电系统还包括功率因数校正环节驱动采样模块、H桥逆变环节驱动采样模块、磁能耦合机构采样模块、主动整流环节驱动采样模块、高低压电池采样模块及控制器模块，其中：

所述功率因数校正环节驱动采样模块控制所述功率因数校正模块的导通和关断，并对所述功率因数校正模块的信号进行采样；

所述H桥逆变环节驱动采样模块控制所述H桥逆变模块的导通和关断，并对所述H桥逆变模块的信号进行采样；

磁能耦合机构采样模块对所述磁能耦合机构模块的信号进行采样；

所述主动整流环节驱动采样模块控制所述主动整流模块的导通和关断，并对所述主动整流模块的信号进行采样；

所述高低压电池采样模块对所述高压电池模块和所述低压电池模块的信号进行采样；

所述控制器模块为所述功率因数校正环节驱动采样模块、H桥逆变环节驱动采样模块和主动整流环节驱动采样模块提供控制信号；

所述控制器模块将所述功率因数校正环节驱动采样模块、H桥逆变环节驱动采样模块、磁能耦合机构采样模块、主动整流环节驱动采样模块及高低压电池采样模块的采样信号进行处理。

13.一种电动汽车无线充电方法，其特征在于，所述电动汽车无线充电方法包括：

220V市电电网通过功率因数校正模块、H桥逆变模块、磁能耦合机构模块和主动整流模块向高压电池模块和低压电池模块充电；

所述高压电池模块通过所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块向所述低压电池模块充电；

所述低压电池模块通过所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块向所述高压电池模块充电；

所述高压电池模块通过所述功率因数校正模块、所述H桥逆变模块、所述磁能耦合机构模块和所述主动整流模块将能量回馈所述220V市电电网；

其中，所述磁能耦合机构模块包括电网侧拓扑补偿、发射线圈、高压接收线圈、高压拓扑补偿、低压接收线圈和低压拓扑补偿，其中：

所述H桥逆变模块连接所述电网侧拓扑补偿，所述电网侧拓扑补偿连接所述发射线圈，所述发射线圈与所述高压接收线圈和所述低压接收线圈耦合，所述高压接收线圈连接所述高压拓扑补偿，所述低压接收线圈连接所述低压拓扑补偿，所述高压拓扑补偿和所述低压拓扑补偿连接所述主动整流模块；

所述发射线圈和所述高压接收线圈之间形成第一互感，所述发射线圈和所述低压接收线圈之间形成第二互感，所述高压接收线圈和所述低压接收线圈之间形成第三互感。

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