CN109747443A - 一种磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统 - Google Patents

一种磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统，包括充电桩部分和电动车部分，所述充电桩部分包括AC‑DC变换器、Buck电路、高频逆变电路、主控制器和一次补偿电路，所述电动车部分包括电池组、二次侧控制器、功率调节模块、整流滤波模块和二次侧补偿电路，AC‑DC变换器的输入端连接电源端，本发明磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统采用非接触式谐振变技术，优化线圈耦合系数的参数，从而达到增强耦合，提高充电效率的目的。

Description

一种磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统
技术领域
本发明涉及一种无线充电系统，具体是一种磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统。
背景技术
无线充电由于具有独特的优势有望成为未来电动汽车、机器人等设备的常规充电方式，现阶段非接触式充电不仅已经应用于近距离场所工作的小功率产品，如移动电话和传感器等，还可给微型植入医疗设备无线供电，如心脏起搏器和嵌入式神经递质等产品。当无线充电技术应用于新能源汽车非接触充电系统时，不但会提高充电的便利性、安全性和通用性[5]，而且降低了充电桩和换电站的运营成本，有利于推动新能源汽车行业的快速发展，很大程度上减轻了传统汽车对不可再生能源的依赖程度，避免了环境污染和温室效应的持续恶化。但目前该技术还存在许多问题需要解决，其一就是磁耦合机构的合理设计和优化。磁耦合机构作为无线充电系统能量转换和传输的关键部件，其设计的合理与否决定了整个无线充电系统性能的优劣。所以，合理的设计和优化磁耦合机构，不仅可以提升充电效率，还可以降低系统辐射，提高安全性。
本发明重点对无线充电系统磁耦合机构进行合理的设计和优化，并提出普适性的优化方案。虽然目前新能源汽车非接触式充电技术还不够成熟，充电效率远没有交直流充电桩效率高，但相信随着研究的不断深入，无线充电系统终会取代充电桩和换电站。良好的通用性也可以将无线充电系统移植到其他大功率用电设备上，冗余杂乱的电线会逐渐消失，无线充电会使人类的生活更加便捷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统，以解决所述背景技术中提出的问题。
为实现所述目的，本发明提供如下技术方案：
一种磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统，包括充电桩部分和电动车部分，所述充电桩部分包括AC-DC变换器、Buck电路、高频逆变电路、主控制器和一次补偿电路，所述电动车部分包括电池组、二次侧控制器、功率调节模块、整流滤波模块和二次侧补偿电路，AC-DC变换器的输入端连接电源端，AC-DC变换器的输出端通过Buck电路连接高频逆变电路的输入端，高频逆变电路的输出端连接一次补偿电路，主控制器分别连接AC-DC变换器、Buck电路和高频逆变电路，二次侧补偿电路通过整流滤波模块连接功率调节模块，功率调节模块还连接电池组，二次侧控制器分别连接功率调节模块和整流滤波模块，一次补偿电路上设有原边线圈，二次侧补偿电路上设有副边线圈，原边线圈与副边线圈之间通过磁场耦合。
作为本发明的进一步技术方案：所述电源端为单相电源或三相电源。
作为本发明的进一步技术方案：所述AC-DC变换器和高频逆变电路之间设有Buck电路，Buck电路连接主控制器。
作为本发明的进一步技术方案：所述主控制器和二次侧控制器上均设有天线。
作为本发明的进一步技术方案：所述整流滤波模块与电池组之间设有功率调节模块，功率调节模块连接二次侧控制器。
作为本发明的进一步技术方案：所述AC-DC变换器为带PFC功能的AC/DC变换器。
作为本发明的进一步技术方案：所述一次补偿电路和二次侧控制器组成非接触式谐振变换器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统采用非接触式谐振变技术，优化线圈耦合系数的参数，从而达到增强耦合，提高充电效率的目的。
附图说明
图1为本发明的原理方框图。
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。
实施例1：请参阅图1，一种磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统，包括充电桩部分和电动车部分，所述充电桩部分包括带有PFC功能的AC-DC变换器、Buck电路（也可以没有）、高频逆变电路、主控制器和一次补偿电路，所述电动车部分包括电池组、二次侧控制器、功率调节模块、整流滤波模块和二次侧补偿电路，AC-DC变换器的输入端连接电源端，AC-DC变换器的输出端通过Buck电路连接高频逆变电路的输入端，高频逆变电路的输出端连接一次补偿电路，主控制器分别连接AC-DC变换器、Buck电路和高频逆变电路，二次侧补偿电路通过整流滤波模块连接功率调节模块（也可以没有），功率调节模块还连接电池组，二次侧控制器分别连接功率调节模块和整流滤波模块，一次补偿电路上设有原边线圈，二次侧补偿电路上设有副边线圈，原边线圈与副边线圈之间通过磁场耦合，首先，工频单相或三相电经带PFC功能的AC/DC变换器整流成高压直流电，然后直流电压经高频逆变电路转变成高频的交流方波加在非接触式谐振变换器一次侧输入端，这样线圈有交流电注入而产生交变磁场，二次侧线圈在交变磁场中感应生成交流电，再经整流成直流电，从而给电池充电，如图1所示。
上述系统在制备完成后需要进行以下几步优化操作：
1、磁耦合装置规划设计与仿真研究：
通过磁路建模与有限元分析方法建立磁耦合机构与系统电气参数的函数模型，以能效和结构特性作为主要优化目标，提出一种具备低重量、小尺寸与高电磁兼容性能的磁耦合机构设计。
（1）磁耦合机构线圈参数的设计：
分析无线充电系统的基础理论，在此基础上推导谐振状态下无线充电系统的输出功率和效率表达式，并采用MATLAB编程计算，分别绘制系统输出功率、效率与工作频率的关系，通过Simulink仿真和实验，分析频率变化对无线充电系统的影响，验证设计理论的正确性，并依据这种关系确定磁耦合机构合理的线圈电感参数。
（2）磁耦合机构磁芯结构的设计和优化：
首先通过ANSYS Maxwell仿真研究线圈的磁场分布，根据磁场分布划分自耦合区和互耦合区，并建立相关磁路模型，导出耦合系数表达式。根据耦合系数表达式，可以看出影响线圈耦合系数的参数，然后通过ANSYS Maxwell三维仿真，优化这些参数，从而达到增强耦合，提高充电效率的目的。
（3）磁耦合装置容偏性分析与研究：
通过 Maxwell 和 Simplorer 对互感模型做联合仿真，当耦合模型其他参数保持不变时，通过改变研究参数获得相应的输入输出电流，然后借助相关公式计算得到电能传输效率及功率，可以研究传输距离和线圈容偏性等参数变化对无线充电的影响。在实验的基础上得出系统所允许的最大偏移量，并通过设计一种新的磁耦合结构模型使偏移量影响降到最低，保证系统以最佳的充电效率进行无线电能传输。
2、系统整体实验与分析研究：
实验主要从电磁耦合结构和参数方面进行优化和验证，主要验证适应性及系统在实际工况条件下的指标完成情况。对无线电能传输装置的多物理场作用分析及相对应的设计措施、整体管理系统的工作特性进行验证及评估，最终得出一种符合设计要求的方案。
实施例2，在实施例1的基础上，本设计的主控制器和二次侧控制器上均设有天线，因此，本设计还具有无线通讯功能，使用者可以远程查看和控制充电的状态以及动作，增加智能化程度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统，包括充电桩部分和电动车部分，其特征在于，所述充电桩部分包括AC-DC变换器、高频逆变电路、主控制器和一次补偿电路，所述电动车部分包括电池组、二次侧控制器、功率调节模块、整流滤波模块和二次侧补偿电路，AC-DC变换器的输入端连接电源端，AC-DC变换器的输出端连接高频逆变电路的输入端，高频逆变电路的输出端连接一次补偿电路，主控制器分别连接AC-DC变换器和高频逆变电路，二次侧补偿电路通过整流滤波模块连接电池组，二次侧控制器分别连接功率调节模块和整流滤波模块，一次补偿电路上设有原边线圈，二次侧补偿电路上设有副边线圈，原边线圈与副边线圈之间通过磁场耦合。
2.根据权利要求1所述的一种磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述电源端为单相电源或三相电源。
3.根据权利要求1所述的一种磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述AC-DC变换器和高频逆变电路之间设有Buck电路，Buck电路连接主控制器。
4.根据权利要求1所述的一种磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述主控制器和二次侧控制器上均设有天线。
5.根据权利要求1所述的一种磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述整流滤波模块与电池组之间设有功率调节模块，功率调节模块连接二次侧控制器。
6.根据权利要求1所述的一种磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述AC-DC变换器为带PFC功能的AC/DC变换器。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种磁耦合谐振式电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述一次补偿电路和二次侧控制器组成非接触式谐振变换器。
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