CN111055701A - 一种基于微电网的电动汽车无线充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于微电网的电动汽车无线充电系统，属于无线充电技术领域；包括微电网系统、高频逆变电路、收发线圈、整流电路、直流斩波电路和车载电池。利用微电网通过磁共振式无线电能传输系统给电动汽车充电。本发明无线充电系统用于将光伏产生的电能通过磁耦合谐振的方式向充电区域内的电动汽车输送电能，在完成基本充电的基础上，可以将收集到的光能进行充分的利用，以高效率的方式经过无线电能传输，应用到电动汽车上，为电动汽车用户节省能源开支。

Description

一种基于微电网的电动汽车无线充电系统
技术领域
本发明涉及一种基于微电网的电动汽车无线充电系统，属于无线充电技术领域。
背景技术
近代以来随着社会的不断进步，科技有了迅猛的发展，人类对石油资源的消耗日渐增大，为了减少对不可再生资源的利用，同时也为了保护我们赖以生存的环境，电动汽车因其环保优势越来越受到大家的重视，石油储量下降、全球变暖和大气污染是当今世界各国推进汽车电气化和电动汽车行业产业化的持续动力。随着我国经济持续快速发展，我国的汽车保有量必将随之快速增长，发展电动汽车的脚步不容放缓。相比于传统的导线充电方式，基于无线电能传输技术(Wireless Power Transfer，WPT)的无线充电方式具有无机械磨损、应用灵活、安全便捷、抗腐蚀氧化性好、占地面积少、无火花触电危险、环境适应能力强等无可比拟的优势。因此，电动汽车无线充电技术的研究近年来得到了社会各界的广泛重视。和传统的有线充电方式不同，无线充电方式更加的方便、便捷，得到了广大民众的认可。
发明内容
本发明的目的是为解决电动汽车无线充电的技术问题。
为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种基于微电网的电动汽车无线充电系统，用于向充电区域内的电动汽车输送电能，包括微电网系统、高频逆变电路、收发线圈、整流电路、直流斩波电路和车载电池；微电网系统、高频逆变电路、收发线圈、整流电路、直流斩波电路和车载电池依次连接。
优选地，所述的微电网系统产生电能，作为无线充电系统一次侧的能源；所述微电网系统包括太阳能电池板和铅酸蓄电池；所述太阳能电池板把光能转换为电能，所述铅酸蓄电池作为临时的电能存储器，在电池电量不足时停止向下级系统提供电能，在电池电量充足时停止把光能转换为电能。
优选地，所述的高频逆变电路设有4个绝缘栅双极型晶体管和4个电力二极管组成的单相电压型全桥逆变电路，把微电网系统产生的直流电逆变成高频交流电。
优选地，所述的收发线圈包括发射线圈和接收线圈，收发线圈可以实现在不接触的情况下将电能从微电网传输到电动汽车。
优选地，所述的整流电路可以把接收线圈得到的高频交流电变换成直流电。
优选地，所述的直流斩波电路可以进行合适的电压变换，得到电压合适的、可以给车载电池充电的直流电。
优选地，所述的车载电池可以把通过无线充电系统得到的电能进行存储，在需要的时候给电动汽车供电。
本发明所研究的是基于微网的电动汽车无线充电系统，利用微电网通过磁共振式无线电能传输系统给电动汽车充电。该系统由能量发射端、能量接收端、调谐电容和负载等组成。能量发射端包括高频电源与发射线圈，通电后，由发射线圈进行电磁变换通过近场耦合及谐振将能量由发射线圈传递给接收线圈，并与其发生谐振，接收线圈得到的能量供负载使用，从而实现电能的无线传输。
本发明中的无线充电系统由直流电源(由蓄电池和DC-DC变换电路构成)、高频逆变电路、谐振耦合电路、整流电路、电动汽车上的DC-DC变换电路和车载电池组成。高频逆变电路把微电网系统提供的直流电转换成高频交流电，再通过谐振耦合电路传输到电动汽车，电动汽车上的整流电路将得到的高频交流电转换成直流电，最后通过DC-DC变换再储存到车载电池中，完成整个无线充电过程。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明提出的一种基于微电网的电动汽车无线充电系统，用于将光伏产生的电能通过磁耦合谐振的方式向充电区域内的电动汽车输送电能，本发明在完成基本充电的基础上，可以将收集到的光能进行充分的利用，以高效率的方式经过无线电能传输，应用到电动汽车上，为电动汽车用户节省了能源开支。
附图说明
图1是本发明无线充电系统的结构图；
图2是本发明微电网的结构图；
图3是本发明高频逆变电路工作流程图；
图4是本发明四线圈无线电能传输结构图；
图5是本发明四线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统等效电路图；
图6是本发明直流斩波电路工作流程图；
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：
如图1-6所示，本发明提供了一种基于微电网的电动汽车无线充电系统，用于向充电区域内的电动汽车输送电能，包括微电网系统、高频逆变电路、收发线圈、整流电路、直流斩波电路和车载电池；微电网系统、高频逆变电路、收发线圈、整流电路、直流斩波电路和车载电池依次连接。微电网系统产生电能，作为无线充电系统一次侧的能源；微电网系统包括太阳能电池板和铅酸蓄电池；太阳能电池板把光能转换为电能，铅酸蓄电池作为临时的电能存储器，在电池电量不足时停止向下级系统提供电能，在电池电量充足时停止把光能转换为电能。高频逆变电路设有4个绝缘栅双极型晶体管和4个电力二极管组成的单相电压型全桥逆变电路，把微电网系统产生的直流电逆变成高频交流电。收发线圈包括发射线圈和接收线圈，收发线圈可以实现在不接触的情况下将电能从微电网传输到电动汽车。整流电路可以把接收线圈得到的高频交流电变换成直流电。直流斩波电路可以进行合适的电压变换，得到电压合适的、可以给车载电池充电的直流电。车载电池可以把通过无线充电系统得到的电能进行存储，在需要的时候给电动汽车供电。具体组成中：
(1)微电网系统：该部分通过太阳能收集板把光能转换为电能，作为下一级的输入能源；微电网系统包括太阳能电池板、铅酸蓄电池、负载(即电动汽车)、小型断路器、电力电子设备等组成。太阳能电池板将太阳能转换成电能后再通过DC-DC变换后存储到蓄电池中，蓄电池中的电能通过DC-AC变换后传输到无线充电系统中。
考虑到该微电网系统是由太阳能电池板产生电能的，在阳光充足和不足的情况下会引起铅酸蓄电池过度充电和过度放电的问题，需要对铅酸蓄电池的充放电进行控制和监测，为此设计一个控制系统来控制铅酸蓄电池的充放电。可设置蓄电池电量充满后，如图2所示，可将断路器1断开，太阳能电池板停止向蓄电池充电，蓄电池电量不足时，断路器2断开，蓄电池停止向负载供电。
对于铅酸蓄电池过度充放电的问题，需要对铅酸蓄电池电量的有感性的认识，需要对蓄电池的电量进行检测，来放置蓄电池的过度充电和过度放电。本发明采用电压—电量对应法来检测铅酸蓄电池的现有电量，即通过检测蓄电池的当前电压来判断电池的剩余电量。
(2)高频逆变电路：把上级系统产生的直流电变换成高频交流电。
设置每个绝缘栅双极型晶体管IGBT的导电角度为180度，且V1、V4导通时，V2、V3关断；V2、V3导通时，V1、V4关断。由单片机的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3分别给V1、V2、V3、V4提供触发信号。因此，以180度为周期设定一段定时时间t，每隔相同的时间2组IGBT依次导通，并周期性工作。以实现直流电变换成高频交流电。
高频逆变电路设计流程图如图3所示。
(3)收发线圈组成的无线电能传输系统：
本发明实施例采用的是四线圈的磁共振式无线充电结构，驱动线圈与发射线圈构成了系统的发射端，接收线圈与负载线圈构成了系统的接收端，驱动线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈这四个线圈互相分离，结构对称。图4是四线圈无线电能传输结构图。
系统正常工作时，驱动线圈的周围产生高频交变的磁场，同时使发射线圈发生自谐振，因此发射线圈和接收线圈的固有频率相等。因为磁场交变的固有频率和两线圈的频率相等，使得发射线圈和接收线圈发生谐振，从而两谐振线圈之间会形成了能量传输通道，从而实现能量传输。接收线圈中的能量，通过近距离的耦合方式，转移到了负载线圈中，能量被负载消耗，送样就实现了能量的连续不断传输。
四线圈磁共振无线电能传输系统的优势在于：接收线圈和发射线圈是两个独立的线圈，分别不与负载和电源连接，因此线圈的品质因数Q高、损耗小、储能作用强、传输效率高。
四线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统等效电路如图5所示，其中R1、R2、R3、R4和L1、L2、L3、L4分别为电源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈的损耗电阻和电感；I1、I2、I3、I4分别为电源回路、发射回路、接收回路和负载回路的电流；RS为电源等效内阻；US为高频交流电源；RL为负载内阻；C1、C2、C3、C4分别为电源线圈、发射线圈、接收线圈和负载线圈的补偿电容；kij为第i个和第j个线圈之间的耦合系数，i，j＝1，2，3，4。
对于无线电能传输系统的输出功率和传输效率，根据等效电路可以列出基尔霍夫电压定律方程：
Figure BDA0002330781600000051
Figure BDA0002330781600000052
Figure BDA0002330781600000053
Figure BDA0002330781600000054
式中：Zi为第i个谐振回路中的阻抗；w为角频率；Mij为第i个和第j个线圈之间的互感。
求得：
Figure BDA0002330781600000055
Figure BDA0002330781600000056
Figure BDA0002330781600000057
由以上公式可知影响传输效率的因素有传输线圈的互感和各线圈的耦合系数，适当选择和调节各线圈的距离并采用合适的线圈结构和材料可以使传输效率达到最大值。
本发明实施例无线充电系统由直流电源、高频逆变电路、收发线圈、整流电路、直流斩波电路、车载电池组成。高频逆变电路将从直流电源获得的直流电转换成高频交流电，通过收发线圈实现在不接触的情况下将电能从微电网传输到电动汽车，整流电路将接收线圈得到的高频交流电转换成直流电，经过直流斩波后将电能储存到电动汽车中，从而完成无线充电过程。
(4)直流斩波电路：通过直流斩波可以得到电压合适的、可以给车载电池充电的直流电。
如图6所示是直流斩波电路工作流程图，通过设置开关器件的周期和占空比，可以很好地控制斩波得到的电压。
不难发现，相比于传统有线充电方式和现有的两线圈磁耦合谐振式无线充电方式，本发明利用四线圈结构的无线电能传输结构，在充电方式上更加的方便，提高了无线电能传输的效率，从而减少了电能损失，具有较高的实用价值。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种基于微电网的电动汽车无线充电系统，用于向充电区域内的电动汽车输送电能，其特征在于：包括微电网系统、高频逆变电路、收发线圈、整流电路、直流斩波电路和车载电池；微电网系统、高频逆变电路、收发线圈、整流电路、直流斩波电路和车载电池依次连接。
2.如权利要求1所述的一种基于微电网的电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的微电网系统产生电能，作为无线充电系统一次侧的能源；所述微电网系统包括太阳能电池板和铅酸蓄电池；所述太阳能电池板把光能转换为电能，所述铅酸蓄电池作为临时的电能存储器，在电池电量不足时停止向下级系统提供电能，在电池电量充足时停止把光能转换为电能。
3.如权利要求1所述的一种基于微电网的电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的高频逆变电路设有4个绝缘栅双极型晶体管和4个电力二极管组成的单相电压型全桥逆变电路，把微电网系统产生的直流电逆变成高频交流电。
4.如权利要求1所述的一种基于微电网的电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的收发线圈包括发射线圈和接收线圈，收发线圈可以实现在不接触的情况下将电能从微电网传输到电动汽车。
5.如权利要求1所述的一种基于微电网的电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的整流电路可以把接收线圈得到的高频交流电变换成直流电。
6.如权利要求1所述的一种基于微电网的电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的直流斩波电路可以进行合适的电压变换，得到电压合适的、可以给车载电池充电的直流电。
7.如权利要求1所述的一种基于微电网的电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的车载电池可以把通过无线充电系统得到的电能进行存储，在需要的时候给电动汽车供电。
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