CN110103736A - 一种基于电动汽车的无线功率传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于电动汽车的无线功率传输系统，所述系统包括发射子系统与接收子系统，其中，所述发射子系统包括功率因数矫正电路、逆变器、发射端谐振电路及发射线圈，所述接收子系统包括接收线圈、接收端谐振电路及半控式整流电路；所述发射子系统，用于将电网的交流电压通过磁场耦合传送至所述接收子系统；所述半控式整流电路包括两个上管和两个下管，所述两个上管或两个下管为可控开关管，所述半控式整流电路用于将所述接收子系统接收到的交流电压转换为直流电压，并通过闭合任一可控开关管，降低所述半控式整流电路的输出功率。

Description

一种基于电动汽车的无线功率传输系统
技术领域
本发明涉及电动汽车充电领域，尤指一种基于电动汽车的无线功率传输系统。
背景技术
随着人们生活水平的提高，燃油车的数量不断增加，这导致了大气污染、能源枯竭以及温室效应等一系列环境问题。为了在不影响人们生活质量的同时，减少环境污染，电动汽车逐渐进入现代人们的生活。
电动汽车以电池为主要动力源，为了保证电动汽车长时间行驶，需要对电池进行充电。目前对于电动汽车的充电技术主要采用有线充电和无线充电两种方式，其中，无线充电方式越来越受到人们的推崇。现有的无线充电系统中，一般为电动汽车感应耦合式无线功率传输系统，需要具备充电功率和充电电流的调节能力，以适应线圈间耦合系数变化和电池电压变化对输出功率的影响，为实现全范围内的满功率输出。因此，现有的无线充电系统中包括地面发射部分和车载接收部分，其中，在地面发射部分或者车载接收部分中设置有直流转换电路(DC-DC转换电路)，用于调节输出侧或输入侧的电压或电流达到输出给定功率的目标。但是，增加的DC-DC转换电路无疑会增加成本和体积，系统的效率也会由此降低。
发明内容
为了解决现有电动汽车无线功率传输系统中成本高、体积大以及效率低的问题，本发明实施例的主要目的在于提供一种基于电动汽车的无线功率传输系统。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种基于电动汽车的无线功率传输系统，该系统包括发射子系统与接收子系统，其中，所述发射子系统包括功率因数矫正电路、逆变器、发射端谐振电路及发射线圈，所述接收子系统包括接收线圈、接收端谐振电路及半控式整流电路；
所述发射子系统，用于将电网的交流电压通过磁场耦合传送至所述接收子系统；
所述半控式整流电路包括两个上管和两个下管，所述两个上管或两个下管为可控开关管，所述半控式整流电路用于将所述接收子系统接收到的交流电压转换为直流电压，并通过闭合任一可控开关管，降低所述半控式整流电路的输出功率。
本发明通过改变电动汽车无线功率传输系统中的整流电路结构，可以控制系统输出功率的变化，由此可以省去直流转换电路，使电动汽车无线功率传输系统达到成本低、体积小及效果高等技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种基于电动汽车的无线功率传输系统的结构示意图；
图2A及图2B为本发明实施例一种基于电动汽车的无线功率传输系统的半控式整流电路的工作示意图；
具体实施方式
本发明实施例提供一种基于电动汽车的无线功率传输系统。
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。
如图1所示为本发明实施例一种基于电动汽车的无线功率传输系统，图中系统包括发射子系统与接收子系统，其中，所述发射子系统包括功率因数矫正电路、逆变器、发射端谐振电路及发射线圈，所述接收子系统包括接收线圈、接收端谐振电路及半控式整流电路；
所述发射子系统，用于将电网的交流电压通过磁场耦合传送至所述接收子系统；
所述半控式整流电路包括两个上管和两个下管，所述两个上管或两个下管为可控开关管，所述半控式整流电路用于将所述接收子系统接收到的交流电压转换为直流电压，并通过闭合任一可控开关管，降低所述半控式整流电路的输出功率。
在本实施例中，发射子系统与电网连接，将电网中的交流电压通过磁场耦合传递能量的方式，传送至接收子系统，半控式整流电路将接收子系统接收到的交流电压变为直流电压，其中，半控式整流电路与电动汽车的电池连接，并且半控式整流电路中的两个上管或者两个下管为可控开关管，通过控制任一开光管的闭合，可以达到半控式整流电路的输出功率降低，即，无线功率传输系统的输出功率降低。
作为本发明的一个实施例，所述半控式整流电路的两个下管为可控开关管。
在本实施例中，半控式整流电路中的两个下管，即，图1中的S1与S2为可控开关管。其中，下管为可控开关管时，相较于上管为可控开关管，控制更为简单。可控开关管可以例如为IGBT或MOSFET，IGBT、MOSFET仅为举例，并不限制可控开关管。
作为本发明的一个实施例，在所述闭合任一可控开关管时，所述半控式整流电路的输出功率调整为闭合前输出功率的二分之一。
在本实施例中，在闭合任一可控开关管的瞬间，半控式整流电路的输出功率降至闭合可控开关管之前输出功率的二分之一。其中，当任一可控开关管闭合时，半控式整流电路的输出电流减半，由此实现输出功率减半。同时，在本系统实际应用中，电动汽车需要降低无线功率传输系统输出功率时，一般在电池电压上升至接近充满的阶段，因此，在闭合任一可控开关管后，输出电流的减小满足电池充电的正常规律，即在充电末期减小充电电流，以此保护电池。
其中，如图2A及图2B所示为本发明实施例一种基于电动汽车的无线功率传输系统的半控式整流电路的工作示意图，图2A为可控开关管S1闭合、S2断开时，半控式整流电路的工作示意图，图2B为可控开关管S1断开、S2闭合时，半控式整流电路的工作示意图。从图2A及图2B中可以看出，S1与S2中任意一个闭合后，半控式整流电路工作模式变为半波整流电路。
在本实施例中，无线功率传输系统的输出功率与发射和接收线圈间耦合系数近似成正比，通常设计的电动汽车用无线线圈的耦合系数在工作范围内的变化约为2～3倍。输出功率的调节可以调节发射线圈的输入电压和/或接收线圈的输出电压来实现。发射线圈的输入电压是逆变器的输出电压，例如，当逆变器输出电压为恒定0.5占空比的方波时，其基波的有效值为：VPFC是PFC(功率因数矫正电路)的输出电压，有一定的调节范围。依据当前功率开关器件的耐压，设置功率因数矫正电路输出电压的最大值(如选择耐压为1200V的开关器件时，设置VPFC最大值为850V)，依据功率因数矫正电路输入电压值，设置功率因数矫正电路输出电压的最小值(如功率因数矫正电路额定输入电压为240V/60Hz交流电压，设置VPFC最小值为380V)。接收线圈的输出电压由电池电压和半控式整流电路的工作模式决定，当整流电路的下管都控制断开时，半控式整流电路工作于全波整流模式，输出电压约为：VBAT是电池电压；当半控式整流电路的任一桥臂的下管控制闭合时，半控式整流电路工作于半波整流模式，输出电压约为：即，实现变为全波整流模式时输出功率的1/2。
作为本发明的一个实施例，所述发射子系统将电网的交流电压通过磁场耦合传送至所述接收子系统包括，
所述功率因数矫正电路，用于将电网交流电压转换为直流电压，并将该直流电压发送至所述逆变器；
所述逆变器，用于将接收到的直流电压转换为交流电压，并将该交流电压发送至所述发射端谐振电路；
所述发射端谐振电路与所述发射线圈连接，用于使所述发射线圈以所述逆变器的开关频率谐振；
所述接收端谐振电路与所述接收线圈连接，所述接收线圈通过与所述发射线圈的高频磁场耦合，使所述接收线圈以所述逆变器的开关频率谐振；
所述接收端谐振电路将通过高频磁场耦合产生的交流电压发送至所述半控式整流电路。
在本实施例中，功率因数矫正电路与电网连接，将电网中的交流电压转换为直流电压，并控制输入电流波形满足谐波和功率因数的要求。逆变器(DC-AC)电路将直流电压变为交流电压，较佳的，将直流电压变为高频交流电压，按照SAE J2954(电动汽车无线充电准则)规定为81.38kHz～90kHz范围内，用于发射线圈的激励。发射端谐振电路连接发射线圈使其在逆变器开关频率附近谐振，接收端谐振电路连接接收线圈使其在逆变器开关频率附近谐振，接收线圈和发射线圈间通过高频磁场耦合实现能量传输。接收子系统的半控式整流电路将交流电压转换为直流电压且连接电池，对电池的充电。
作为本发明的一个实施例，所述功率因数矫正电路还用于根据所述半控式整流电路的输出功率与电池管理系统的控制指令，调整所述功率因数矫正电路的输出电压。
在本实施例中，由于发射线圈和接收线圈间间距和位移的变动，会引起的线圈间耦合系数变化，按照SAE J2954规定的线圈间间距Z2为140-210mm(SAE J2954规定垂直方向即Z轴，发射线圈和接收线圈间距的变化范围Z1为100～150mm，Z2为140mm～210mm，Z3为170～250mm)，最大位移为X轴+/-75mm，Y轴+/-100mm，在此变化范围线圈间耦合系数变化可达2～3倍。为满足在各种线圈相对位置都能满功率工作，考虑到线圈间耦合系数的2～3倍的变化范围，以及电池电压的变化范围(如280V～420V)，相应的发射线圈的输入电压和接收线圈的输出电压的综合调节也要有约4.5倍的可调节范围。
系统的输出功率调节范围为发射线圈的输入电压调节范围*接收线圈的输出电压调节范围，即功率调节范围为：VPFC最大值/VPFC最小值*2，VPFC为功率因数矫正电路的输出电压，当VPFC的调节范围为380V～850V时，功率调节范围约为：850/380*2＝4.47，可以达到满功率输出的可调范围。由此可以看出，功率因数矫正电路的输出电压须在一定范围内可以调节，功率因数矫正电路的输出电压的调节根据所述半控式整流电路的输出功率与电池管理系统的控制指令来实现。
当线圈间的耦合系数较小或电池电压较低时，半控式整流电路的整流桥的下管控制断开，整流电流流经下管的反并二极管，表现为常规的不控整流，通过调节功率因数矫正电路输出直流电压(如380V～850V)来调节系统输出功率(或电流)从而满足控制需求(电池管理系统指令)。而当线圈间的耦合系数较大或者电池电压较高，调节功率因数矫正电路输出直流电压到最小值，输出功率仍然超过设定值时，控制半控式整流电路的整流桥的任一桥臂的下管导通，使得整流桥输出电压减半，降低系统输出功率，然后调节功率因数矫正电路电压(如380V～850V)使输出功率(或电流)满足控制需求(电池管理系统指令)。
线圈间的耦合系数由线圈的相对位置决定，在车停稳后就可以确定；电池电压的变化由电池的充电性能决定，不是快速变化的，由此半控式整流电路的可控开关管不会反复多次动作，没有开关损耗。
在本实施例中，调整所述功率因数矫正电路的输出电压还包括在闭合任一下管后，提高所述功率因数矫正电路的输出电压。
其中，由于闭合可控开关管的瞬间，无线功率传输系统的输出功率减半，为了满足电池管理系统的控制指令，需要提高功率因数矫正电路的输出电压，由此提高无线功率传输系统的输出功率。
在本实施例中，所述功率因数矫正电路根据所述半控式整流电路的输出功率与电池管理系统的控制指令，调整所述功率因数矫正电路的输出电压还包括，所述接收子系统将所述半控式整流电路的输出功率与电池管理系统的控制指令通过无线传输方式发送至所述发射子系统；所述发射子系统根据所述半控式整流电路的输出功率与电池管理系统的控制指令调整所述功率因数矫正电路的输出电压。
其中，电池管理系统将控制指令经CAN通讯发送给接收子系统，并通过接收子系统将该控制指令与半控式整流电路的输出功率以无线传输的方式发送至发射子系统，发射子系统根据控制指令及输出功率产生功率因数矫正电路输出电压的控制指令，功率因数矫正电路依据该控制指令调整其输出电压。
作为本发明的一个实施例，所述闭合任一下管之前还包括，确定所述半控式整流电路的输出功率高于最大输出功率，且所述功率因数矫正电路的输出电压为最小值。
在本实施例中，发射线圈和接收线器及其谐振电路的设计按照功率因数矫正电路输出电压为最大值，线圈间间距及偏移最大(即线圈间耦合系数最小)且电池电压最低时能满足功率输出要求，当偏移量减小或者电池电压升高，即使功率因数矫正电路输出电压为最小值，系统输出功率仍然超过最大输出功率(预设的最大输出功率值)时，控制接收子系统的半控式整流电路中的任一支路的可控开关管闭合，即可实现输出功率减半，再结合功率因数矫正电路输出电压的控制实现输出功率的连续调节。半控式整流电路的可控开关管只在线圈位置变化或电池电压变化达到某一阀值时才会动作，因此，不会有额外的开关损耗。
通过本发明的实施例中的系统，改变电动汽车无线功率传输系统中的整流电路结构，可以控制系统输出功率的变化，由此可以省去直流转换电路，使电动汽车无线功率传输系统达到成本低、体积小及效果高等技术效果。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，比如ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于电动汽车的无线功率传输系统，其特征在于，所述系统包括发射子系统与接收子系统，其中，所述发射子系统包括功率因数矫正电路、逆变器、发射端谐振电路及发射线圈，所述接收子系统包括接收线圈、接收端谐振电路及半控式整流电路；
所述发射子系统，用于将电网的交流电压通过磁场耦合传送至所述接收子系统；
所述半控式整流电路包括两个上管和两个下管，所述两个上管或两个下管为可控开关管，所述半控式整流电路用于将所述接收子系统接收到的交流电压转换为直流电压，并通过闭合任一可控开关管，降低所述半控式整流电路的输出功率。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述半控式整流电路的两个下管为可控开关管。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述闭合任一可控开关管时，所述半控式整流电路的输出功率调整为闭合前输出功率的二分之一。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射子系统将电网的交流电压通过磁场耦合传送至所述接收子系统包括，
所述功率因数矫正电路，用于将电网交流电压转换为直流电压，并将该直流电压发送至所述逆变器；
所述逆变器，用于将接收到的直流电压转换为交流电压，并将该交流电压发送至所述发射端谐振电路；
所述发射端谐振电路与所述发射线圈连接，用于使所述发射线圈以所述逆变器的开关频率谐振；
所述接收端谐振电路与所述接收线圈连接，所述接收线圈通过与所述发射线圈的高频磁场耦合，使所述接收线圈以所述逆变器的开关频率谐振；
所述接收端谐振电路将通过高频磁场耦合产生的交流电压发送至所述半控式整流电路。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功率因数矫正电路还用于根据所述半控式整流电路的输出功率与电池管理系统的控制指令，调整所述功率因数矫正电路的输出电压。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，调整所述功率因数矫正电路的输出电压还包括在闭合任一下管后，提高所述功率因数矫正电路的输出电压。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述功率因数矫正电路根据所述半控式整流电路的输出功率与电池管理系统的控制指令，调整所述功率因数矫正电路的输出电压还包括，
所述接收子系统将所述半控式整流电路的输出功率与电池管理系统的控制指令通过无线传输方式发送至所述发射子系统；
所述发射子系统根据所述半控式整流电路的输出功率与电池管理系统的控制指令调整所述功率因数矫正电路的输出电压。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述闭合任一下管之前还包括，确定所述半控式整流电路的输出功率高于最大输出功率，且所述功率因数矫正电路的输出电压为最小值。
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