CN111181227A - 一种电动汽车磁谐振耦合动态无线充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车磁谐振耦合动态无线充电系统，包括前级功率整流电路、初级桥式逆变电路、初级耦合电容、初级线圈、次级耦合电容、次级线圈、次级桥式整流电路和次级滤波电容，所述前级功率整流电路设置于供电装置与初级桥式逆变电路之间，所述初级桥式逆变电路的输出端与初级耦合电容串联连接至初级线圈，所述初级线圈和次级线圈相互耦合，所述次级线圈与次级耦合电容串联连接至次级桥式整流电路的输入端进行整流，所述次级桥式整流电路的输出端与次级滤波电容相连，所述次级滤波电容与电动汽车的蓄电池相连进行充电。本发明可以实现高效率、中距离、动态的无线充电。

Description

一种电动汽车磁谐振耦合动态无线充电系统
技术领域
本发明属于电动汽车技术领域，具体涉及一种电动汽车磁谐振耦合动态无线充电系统。
背景技术
电动汽车作为一种零排放的新能源交通工具，在世界汽车工业及汽车消费市场中已占据了重要的地位。作为电动汽车普及应用的重要技术关口，电动汽车的充电技术受到了技术和市场的普遍关注。目前电动汽车的充电方式主要是有线充电。有线充电的优点是充电效率高、支持高电压大电流充电，缺点是灵活性差，充电位置固定。无线充电可以克服充电灵活性差的缺点。目前电动汽车无线充电主要是感应式无线充电，感应式无线充电遵循变压器原理，原边的交流电在副边产生感应电势，进而实现能量的传递。但是，感应无线充电的电能传输距离受气隙长度及线圈相对位置限制，当线圈之间距离变大，或者线圈之间相对位置偏移时，电能传输效率和传输功率急剧下降，因此采用该种方式充电，电动汽车的灵活性较差。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术中的不足而提供一种电动汽车磁谐振耦合动态无线充电系统，通过谐振式无线充电使初级线圈和次级线圈产生磁共振，提高线圈之间的电能传输距离和传输效率。
本发明的目的通过以下技术方案实现：提供一种电动汽车磁谐振耦合动态无线充电系统，包括前级功率整流电路、初级桥式逆变电路、初级耦合电容、初级线圈、次级耦合电容、次级线圈、次级桥式整流电路和次级滤波电容，所述前级功率整流电路设置于供电装置与初级桥式逆变电路之间，所述初级桥式逆变电路的输出端与初级耦合电容串联连接至初级线圈，所述初级线圈和次级线圈相互耦合，所述次级线圈与次级耦合电容串联连接至次级桥式整流电路的输入端进行整流，所述次级桥式整流电路的输出端与次级滤波电容相连，所述次级滤波电容与电动汽车的蓄电池相连进行充电。
作为进一步的改进，所述初级线圈铺设在电气化公路的路面，所述次级线圈安装在电动汽车底盘上。
作为进一步的改进，所述初级线圈的数量为多个，多个初级线圈均铺设于电气化公路的路面上，相邻的初级线圈之间的中心间距最小值为3米。
作为进一步的改进，所述初级线圈设置于固定的充电停车位上，所述次级线圈安装在电动汽车底盘上。
作为进一步的改进，所述初级线圈和次级线圈绕向完全一致或完全相反，并在绕向完全一致或完全相反时保持同样的充电效率和充电距离。
作为进一步的改进，所述初级耦合电容和初级线圈构成初级LC振荡电路，所述次级耦合电容和次级线圈构成次级LC振荡电路，所述初级LC振荡电路与次级LC振荡电路对称设置。
作为进一步的改进，所述前级功率整流电路为全控桥式整流电路，用于将供电装置输送的电网交流电整流为直流电，且控制其直流侧端电压稳定。
作为进一步的改进，所述的初级桥式逆变电路由四个全控型电力电子器件组成桥式结构，其直流侧与前级功率整流电路的直流侧相连，用于将直流电逆变为交流电，且初级桥式逆变电路的控制器的调制信号为正弦电压信号，调制信号频率等于初级桥式逆变电路输出的电压基波频率，其工作点在初级LC振荡电路的固有频率附近。
作为进一步的改进，通过采集流过初级线圈电流和初级线圈两端电压信号，计算电压基波信号与电流基波信号之间的相位差，以该相位差为控制误差值调节初级桥式逆变电路的控制器调制信号频率。
作为进一步的改进，当控制误差值>0时，电压滞后电流，控制调制信号频率减小；当控制误差值<0时，电压超前电流，控制调制信号频率增大；当控制误差值等于0时，初级线圈电压和电流同相位，功率因数角为0度，此时，初级LC振荡电路工作在磁谐振状态。
本发明提供的电动汽车磁谐振耦合动态无线充电系统包括前级功率整流电路、初级桥式逆变电路、初级耦合电容、初级线圈、次级耦合电容、次级线圈、次级桥式整流电路、次级滤波电容，其中，前级功率整流电路设置于供电装置与初级桥式逆变电路之间，初级桥式逆变电路的输出端与初级耦合电容串联连接至初级线圈，初级线圈和次级线圈相互耦合，次级线圈与次级耦合电容串联连接至次级桥式整流电路的输入端进行整流，次级桥式整流电路的输出端与次级滤波电容相连，所述次级滤波电容与电动汽车的蓄电池相连，同时，初级线圈和次级线圈的绕向保持完全一致或完全相反，初级耦合电容、初级线圈与次级耦合电容、次级线圈分别组成的初级LC振荡电路和次级LC振荡电路保证严格对称，将初级线圈铺设在路面或者充电停车位上，次级线圈安装在电动汽车底盘上，通过次级桥式整流电路与电动汽车蓄电池相连，通过控制初级桥式逆变电路的输出电压基波频率，将其工作点控制在初级LC振荡电路的固有频率附近，实现高效率、中距离、动态的无线充电。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明提供的电动汽车磁谐振耦合动态无线充电系统的拓扑结构图。
图2是本发明提供的初级线圈和次级线圈相对位置示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供的一种电动汽车磁谐振耦合动态无线充电系统，包括前级功率整流电路、初级桥式逆变电路、初级耦合电容Cg、初级线圈Lg、次级耦合电容Cv、次级线圈Lv、次级桥式整流电路和次级滤波电容Co，具体地，前级功率整流电路设置于供电装置与初级桥式逆变电路之间，供电装置产生电网交流电，并与前级功率整流电路的输入端相连，前级功率整流电路的输出端与初级桥式逆变电路的输入端相连，用于将电网交流电整流为直流供给后级电路，初级桥式逆变电路的输出端与初级耦合电容Cg串联连接至初级线圈Lg，初级线圈Lg和次级线圈Lv相互耦合，次级线圈Lv与次级耦合电容Cv串联连接至次级桥式整流电路的输入端进行整流，次级桥式整流电路的输入端进行整流的输出端与次级滤波电容Co相连，该次级滤波电容Co与电动汽车的蓄电池相连进行充电。优选地，该前级功率整流电路采用全控型电力电子器件组成的全控桥式整流电路，其可以是三相整流器，也可以是单相整流器，前级功率整流电路将电网三相交流电，或者单相交流电整流为直流供给后级电路，且前级功率整流电路控制其直流侧端电压(即附图1中Vdo)稳定。
在进一步的技术方案中，参见图2，前述初级线圈Lg铺设在电气化公路的路面，次级线圈Lv安装在电动汽车底盘上，通过初级线圈Lg与次级线圈Lv的相互耦合为电动汽车的蓄电池相连进行充电。优选地，上述初级线圈Lg的数量为多个，多个初级线圈Lg均铺设于电气化公路的路面上，相邻的初级线圈Lg之间的中心间距最小值为3米，通过该设置可以实现多辆电动汽车同时充电的技术效果，提高充电效率和充电利用率；且各初级线圈Lg及与之相连的初级桥式逆变电路、初级耦合电容Cg为分别独立的系统，互不影响干涉。需要说明的是，前述初级线圈Lg并不仅限于安装于电气化公路的路面上，其亦可设置于固定的充电停车位上或其他能够实现本发明技术方案的位置，所述次级线圈Lv安装在电动汽车底盘上。
同时，如图1所示，初级耦合电容Cg和初级线圈Lg构成初级LC振荡电路，次级耦合电容Cv和次级线圈Lv构成次级LC振荡电路，初级LC振荡电路与次级LC振荡电路对称设置，即初级LC振荡电路与次级LC振荡电路中对应元件的电气参数如电容值、电感值、电阻值完全相同(在采用统一量纲的前提下，精确到小数点后2位)，所设计的电路的无线电能耦合部分具有宇称性。
具体的，如图1所示，本发明中初级桥式逆变电路由四个全控型电力电子器件(TI、T2、T3和T4)组成桥式结构，其直流侧与前级功率整流电路的直流侧相连，用于将直流电逆变为交流电，且初级桥式逆变电路的控制器的调制信号为正弦电压信号，调制信号频率等于初级桥式逆变电路输出的电压基波频率，其工作点在初级LC振荡电路的固有频率附近。
此外，值得提及的是，本发明中为保证充电效果与车辆的行驶方向无关，初级线圈Lg和次级线圈Lv绕向保持完全一致或完全相反，并在绕向保持完全一致或完全相反时能够保持同样的充电效率和充电距离。
作为本发明的优选实施例，通过采集流过初级线圈Lg电流和初级线圈Lg两端电压信号，计算电压基波信号与电流基波信号之间的相位差(即电压基波信号与电流基波信号过零点之间的时间差)，以该相位差为控制误差值调节初级桥式逆变电路的控制器的调制信号频率，具体地，当控制误差值>0时，电压滞后电流，控制调制信号频率减小；当控制误差值<0时，电压超前电流，控制调制信号频率增大；当控制误差值等于0时，初级线圈Lg电压和电流同相位，功率因数角为0度，此时，初级LC振荡电路工作在磁谐振状态，可实现高效率、中距离、动态的无线充电。
总之，本发明提出的电动汽车磁谐振耦合动态无线充电系统包括前级功率整流电路、初级桥式逆变电路、初级耦合电容Cg、初级线圈Lg、次级耦合电容Cv、次级线圈Lv、次级桥式整流电路、次级滤波电容Co，其中，前级功率整流电路设置于供电装置与初级桥式逆变电路之间，初级桥式逆变电路的输出端与初级耦合电容Cg串联连接至初级线圈Lg，初级线圈Lg和次级线圈Lv相互耦合，次级线圈Lv与次级耦合电容Cv串联连接至次级桥式整流电路的输入端进行整流，次级桥式整流电路的输出端与次级滤波电容Co相连，所述次级滤波电容Co与电动汽车的蓄电池相连，同时，初级线圈Lg和次级线圈Lv的绕向保持完全一致或完全相反，初级耦合电容Cg、初级线圈Lg与次级耦合电容Cv、次级线圈Lv分别组成的初级LC振荡电路和次级LC振荡电路保证严格对称，将初级线圈Lg铺设在路面或者充电停车位上，次级线圈Lv安装在电动汽车底盘上，通过次级桥式整流电路与电动汽车蓄电池相连，通过控制初级桥式逆变电路的输出电压基波频率，将其工作点控制在初级LC振荡电路的固有频率附近，实现高效率、中距离、动态的无线充电。
上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，不能理解为对本发明保护范围的限制。
总之，本发明虽然列举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电动汽车磁谐振耦合动态无线充电系统，其特征在于：包括前级功率整流电路、初级桥式逆变电路、初级耦合电容、初级线圈、次级耦合电容、次级线圈、次级桥式整流电路和次级滤波电容，所述前级功率整流电路设置于供电装置与初级桥式逆变电路之间，所述初级桥式逆变电路的输出端与初级耦合电容串联连接至初级线圈，所述初级线圈和次级线圈相互耦合，所述次级线圈与次级耦合电容串联连接至次级桥式整流电路的输入端进行整流，所述次级桥式整流电路的输出端与次级滤波电容相连，所述次级滤波电容与电动汽车的蓄电池相连进行充电。
2.根据权利要求1所述的电动汽车磁谐振耦合动态无线充电系统，其特征在于：所述初级线圈铺设在电气化公路的路面，所述次级线圈安装在电动汽车底盘上。
3.根据权利要求2所述的电动汽车磁谐振耦合动态无线充电系统，其特征在于：所述初级线圈的数量为多个，多个初级线圈均铺设于电气化公路的路面上，相邻的初级线圈之间的中心间距最小值为3米。
4.根据权利要求1所述的电动汽车磁谐振耦合动态无线充电系统，其特征在于：所述初级线圈设置于固定的充电停车位上，所述次级线圈安装在电动汽车底盘上。
5.根据权利要求1所述的电动汽车磁谐振耦合动态无线充电系统，其特征在于：所述初级线圈和次级线圈绕向完全一致或完全相反，并在绕向完全一致或完全相反时保持同样的充电效率和充电距离。
6.根据权利要求1所述的电动汽车磁谐振耦合动态无线充电系统，其特征在于：所述初级耦合电容和初级线圈构成初级LC振荡电路，所述次级耦合电容和次级线圈构成次级LC振荡电路，所述初级LC振荡电路与次级LC振荡电路对称设置。
7.根据权利要求6所述的电动汽车磁谐振耦合动态无线充电系统，其特征在于：所述前级功率整流电路为全控桥式整流电路，用于将供电装置输送的电网交流电整流为直流电，且控制其直流侧端电压稳定。
8.根据权利要求7所述的电动汽车磁谐振耦合动态无线充电系统，其特征在于：所述初级桥式逆变电路由四个全控型电力电子器件组成桥式结构，其直流侧与前级功率整流电路的直流侧相连，用于将直流电逆变为交流电，且初级桥式逆变电路的控制器的调制信号为正弦电压信号，调制信号频率等于初级桥式逆变电路输出的电压基波频率，其工作点在初级LC振荡电路的固有频率附近。
9.根据权利要求8所述的电动汽车磁谐振耦合动态无线充电系统，其特征在于：通过采集流过初级线圈电流和初级线圈两端电压信号，计算电压基波信号与电流基波信号之间的相位差，以该相位差为控制误差值调节初级桥式逆变电路的控制器的调制信号频率。
10.根据权利要求9所述的电动汽车磁谐振耦合动态无线充电系统，其特征在于：当控制误差值>0时，电压滞后电流，控制调制信号频率减小；当控制误差值<0时，电压超前电流，控制调制信号频率增大；当控制误差值等于0时，初级线圈电压和电流同相位，功率因数角为0度，此时，初级LC振荡电路工作在磁谐振状态。
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