CN112455251A - 一种电动汽车静态双向无线充电系统集成拓扑结构 - Google Patents

一种电动汽车静态双向无线充电系统集成拓扑结构 Download PDF

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Abstract

一种电动汽车静态双向无线充电系统集成拓扑结构，属于电动汽车无线充电技术领域。本发明解决了现有电动汽车双向无线充电系统接收端变换器拓扑结构复杂，及大功率无线充电系统车载部分谐振补偿网络电感体积大的问题。它的发射端谐振补偿网络通过电力电子变换器连接电网；电动汽车电机的一条电源线同时接收端谐振补偿网络的一条电源线和开关S9的一端，开关S9的另一端同时连接接收端谐振补偿网络开关S8的一端和三相逆变桥一个桥臂的中点；开关S8的另一端连接接收端谐振补偿网络的另一条电源线；电动汽车电机的另外两条电源线分别连接三相逆变桥另外两个桥臂的中点，三相逆变桥通过复用高压Boost变换器单元与电池连接。本发明适用于电动汽车静态双向无线充电使用。

Description

一种电动汽车静态双向无线充电系统集成拓扑结构
技术领域
本发明属于电动汽车无线充电技术领域。
背景技术
电动汽车双向无线电能传输技术可以为大功率电动汽车提供能量回馈电网的通道，起到电网削峰填谷的作用，具有V2G功能的电动汽车无线电能传输技术将会是今后研究热点之一。但是双向无线充电系统存在一些问题：1)电力电子拓扑电路复杂，接收端变换器需要能量双向流动，功率器件全部需要可控器件。2)对于大功率无线充电系统，车载部分谐振补偿网络电感体积大。双向无线充电系统这些问题导致电动汽车成本高、体积大、重量重。
发明内容
本发明解决了现有电动汽车静态双向无线充电系统接收端变换器拓扑结构复杂，及大功率无线充电系统车载部分谐振补偿网络电感体积大的问题，提出了一种电动汽车双向无线充电系统集成拓扑结构。
本发明所述的一种电动汽车静态双向无线充电系统集成拓扑结构，包括耦合机构补偿网络、三相逆变桥、复用高压Boost变换器单元、电池和电力电子变换器；
耦合机构补偿网络包括发射端谐振补偿网络和接收端谐振补偿网络；发射端谐振补偿网络与接收端谐振补偿网络进行无线电能传输；
发射端谐振补偿网络的电能输入输出端连接电力电子变换器的一侧电能输出输入端；
电力电子变换器的另一侧电能输出输入端连接电网；
电动汽车电机的一条电源线同时连接接收端谐振补偿网络的一条电源线和开关S9的一端，开关S9的另一端同时连接接收端谐振补偿网络开关S8的一端和三相逆变桥一个桥臂的中点；开关S8的另一端连接接收端谐振补偿网络的另一条电源线；
电动汽车电机的另外两条电源线分别连接三相逆变桥另外两个桥臂的中点，所述三相逆变桥的输入输出端通过复用高压Boost变换器单元与电池的正负极连接。
进一步地，发射端谐振补偿网络包括电感L2、电感L3和电容C2；接收端谐振补偿网络包括电感L1和电容C1；
电感L1和电容C1并联，电容C1的两端连接两条电源线，为接收端谐振补偿网络2的电源线；
电感L2与电容C2并联，电容C2的一端连接电感L3的一端，电感L3的另一端连接电力电子变换器一侧的一根电源线；电力电子变换器一侧的另一根电源线连接电容C2的另一端。
进一步地，它的工作状态包括三种模式，分别为：驱动模式、充电模式和V2G模式。
进一步地，驱动模式时，开关S9闭合，开关S8断开，等效电路包括：电池、复用高压Boost变换器单元和三相逆变桥和电动汽车电机；
电池依次通过复用高压Boost变换器单元和三相逆变桥为电动汽车电机供电。
进一步地，充电模式时，开关S8闭合，开关S9断开，等效电路包括：电力电子变换器、发射端谐振补偿网络、接收端谐振补偿网络、三相逆变桥、复用高压Boost变换器单元和电池；
发射端谐振补偿网络的电能输入输出端连接电力电子变换器的一侧电能输出输入端；
电力电子变换器的另一侧电能输出输入端连接电网；
发射端谐振补偿网络与接收端谐振补偿网络进行无线电能传输；
接收端谐振补偿网络的一个电源端连接三相逆变桥一个桥臂的中点，接收端谐振补偿网络的另一个电源线连接电动汽车电机的一条电源，电动汽车电机的另外两条电源线分别连接三相逆变桥另外两个桥臂的中点；三相逆变桥的电源输入输出端连接复用高压Boost变换器单元的一侧电源输出输入端，复用高压Boost变换器单元的另一侧电源输出输入端连接电池，电网向电池充电。
进一步地，V2G模式时，开关S9断开，开关S8闭合，发射端谐振补偿网络的输入输出端连接电力电子变换器的一侧电源输出输入端；
电力电子变换器的另一侧电源输出输入端连接电网；
发射端谐振补偿网络与接收端谐振补偿网络进行无线电能传输；
接收端谐振补偿网络的一个电源端连接三相逆变桥一个桥臂的中点，接收端谐振补偿网络的另一个电源线连接电动汽车电机的一条电源线，电动汽车电机的另外两条电源线分别连接三相逆变桥另外两个桥臂的中点；三相逆变桥的电源输入输出端连接复用高压Boost变换器单元的一侧电源输出输入端，复用高压Boost变换器单元的另一侧电源输出输入端连接电池，电池向电网馈电。
本发明所述的双向无线充电系统接收端变换器与电动汽车驱动器集成拓扑，通过复用电动汽车驱动器及电动汽车驱动电机绕组实现了无线充电技术及V2G技术。电动汽车电机绕组复用为耦合机构的补偿网络谐振电感使用，解决了车载部分耦合机构的补偿网络电感体积大的问题，电动汽车驱动器的复用实现了接收端变换器能量的双向流动，极大程度上降低了电动汽车成本、体积和重量，提升了系统的功率密度。除此，该集成拓扑连接方法可以保证工作在充电和V2G模式时，电动汽车电机转子可以保持静止状态。
附图说明
图1是本发明所述双向无线充电系统接收端变换器与电动汽车驱动器集成拓扑结构的电气原理框图；
图2是双向无线充电系统接收端变换器与电动汽车驱动器集成拓扑结构驱动模式等效电路图；
图3是双向无线充电系统接收端变换器与电动汽车驱动器集成拓扑结构充电模式等效电路图；
图4是双向无线充电系统接收端变换器与电动汽车驱动器集成拓扑结构V2G模式电路图。
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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种电动汽车静态双向无线充电系统集成拓扑结构，包括耦合机构补偿网络、三相逆变桥4、复用高压Boost变换器单元6、电池7和电力电子变换器5；
耦合机构补偿网络包括发射端谐振补偿网络3和接收端谐振补偿网络2；发射端谐振补偿网络3与接收端谐振补偿网络2进行无线电能传输；
发射端谐振补偿网络的电能输入输出端连接电力电子变换器5的一侧电能输出输入端；
电力电子变换器5的另一侧电能输出输入端连接电网；
电动汽车电机1的一条电源线同时连接接收端谐振补偿网络2的一条电源线和开关S9的一端，开关S9的另一端同时连接接收端谐振补偿网络2开关S8的一端和三相逆变桥4一个桥臂的中点；开关S8的另一端连接接收端谐振补偿网络2的另一条电源线；
电动汽车电机1的另外两条电源线分别连接三相逆变桥4另外两个桥臂的中点，所述三相逆变桥4的输入输出端通过复用高压Boost变换器单元6与电池的正负极连接。
本发明通过开关切换控制能量的流动方向，实现电池为电动汽车电机提供驱动能量，或者利用电网为电池充电或者在用电高峰期电池为电网馈电，补充电能，有效的实现了电能流向的控制。
进一步地，发射端谐振补偿网络3包括电感L2、电感L3和电容C2；
接收端谐振补偿网络2包括电感L1和电容C1；
电感L1和电容C1并联，电容C1的两端连接两条电源线，为接收端谐振补偿网络2的电源线；
电感L2与电容C2并联，电容C2的一端连接电感L3的一端，电感L3的另一端连接电力电子变换器5一侧的一根电源线；电力电子变换器5一侧的另一根电源线连接电容C2的另一端。
进一步地，它的工作状态包括三种模式，分别为：驱动模式、充电模式和V2G模式。
在充电模式下，利用高压Boost变换器单元实现Buck变换器功能。
本实施方式中的V2G模式(VehicletoGrid，车辆并网技术)模式时，是车辆电池为电网进行馈电。
进一步地，如图2所示，驱动模式时，开关S9闭合，开关S8断开，等效电路包括：电池、复用高压Boost变换器单元6和三相逆变桥4和电动汽车电机1；
电池7依次通过复用高压Boost变换器单元6和三相逆变桥4为电动汽车电机1供电。
进一步地，如图3所示，充电模式时，开关S8闭合，开关S9断开，等效电路包括：电力电子变换器5、发射端谐振补偿网络3、接收端谐振补偿网络2、三相逆变桥4、复用高压Boost变换器单元6和电池7；
发射端谐振补偿网络的电能输入输出端连接电力电子变换器5的一侧电能输出输入端；
电力电子变换器5的另一侧电能输出输入端连接电网；
发射端谐振补偿网络3与接收端谐振补偿网络2进行无线电能传输；
接收端谐振补偿网络2的一个电源端连接三相逆变桥4一个桥臂的中点，接收端谐振补偿网络2的另一个电源线连接电动汽车电机1的一条电源，电动汽车电机1的另外两条电源线分别连接三相逆变桥4另外两个桥臂的中点；三相逆变桥4的电源输入输出端连接复用高压Boost变换器单元6的一侧电源输出输入端，复用高压Boost变换器单元6的另一侧电源输出输入端连接电池7，电网向电池7充电。
进一步地，如图4所示，V2G模式时，开关S9断开，开关S8闭合，发射端谐振补偿网络的输入输出端连接电力电子变换器5的一侧电源输出输入端；
电力电子变换器5的另一侧电源输出输入端连接电网；
发射端谐振补偿网络3与接收端谐振补偿网络2进行无线电能传输；
接收端谐振补偿网络2的一个电源端连接三相逆变桥4一个桥臂的中点，接收端谐振补偿网络2的另一个电源线连接电动汽车电机1的一条电源线，电动汽车电机1的另外两条电源线分别连接三相逆变桥4另外两个桥臂的中点；三相逆变桥4的电源输入输出端连接复用高压Boost变换器单元6的一侧电源输出输入端，复用高压Boost变换器单元6的另一侧电源输出输入端连接电池7，电池7向电网馈电。
本发明图1给出了本发明专利提出的电动汽车双向无线充电系统集成拓扑结构，通过改变开关S8和S9的状态，可以实现三种不同的工作模式。首先，图2给出电机驱动的等效电路，图中箭头代表电能的流动方向，当集成系统工作在驱动模式时，开关S9闭合，开关S8断开，此时的高压Boost变换器和三相逆变桥作为电机驱动器正常工作，通过DSP控制Boost变换器实现对母线电压的调节，之后经过三相逆变桥高频调制，输出三相电来驱动电机。图2给出的等效电路即为最基本的电机驱动控制电路，之后的集成系统不同模式都是基于此电路实现的。图3给出的无线充电模式，就是利用到了电机驱动器的三相逆变桥实现了可控整流功能，如图3中S1/S4与S3/S6作为可控整流桥的一个桥臂，S5/S2作为另一个桥臂；同时利用到了电机的绕组作为接收端补偿网络的一个电感使用，节省一个大电感，此时的电机两相绕组并联，与第三相绕组串联；最后复用电机驱动器高压Boost变换器，作为Buck单元使用。整个充电模式，系统的能量通过发射端电力电子变换器调节成高频电流，由发射端耦合机构产生共振磁场，与接收端耦合机构线圈交换能量，接收端通过DSP来控制由三相逆变桥复用的可控整流桥，通过控制移相角来实现可控整流，最后通过复用的Buck变换器调节输出，实现阻抗匹配等功能。图4给出的V2G模式，也是利用电机绕组及电机驱动器硬件实现车辆并网技术。静止时的电动汽车电池通过电机驱动器的高压Boost变换器调节输出电压，之后利用三相逆变桥的两个桥臂S1/S4与S3/S6组成H逆变桥的一个桥臂，另一个桥臂S5/S2组成H逆变桥的另一个桥臂，进而实现输出高频交流电，此时图2中的接收端线圈在图4中作为发射线圈使用，由L2、L3及C2组成的补偿网络作为接收端线圈使用，最终经过电力电子变换器实现并网技术。
图3和图4充电与V2G模式时的电机绕组连接方式，计算出的电磁转矩方程如(1)所示，
Figure BDA0002793122530000061
其中，Te为电磁转矩，p为电机极对数，ψm为永磁体磁链峰值，ia为一相定子绕组电流；θ转子电角度，Ld为d轴定子电感，Lq为q轴定子电感。
根据公式(1)可知，当电角度为θ＝π/2时，电机电磁转矩为零，转子将会始终保持个角度，电机在充电和V2G模式时将可以保持静止。
本发明专利针对电动汽车双向无线电能传输技术首次提出一种高功率密度的集成结构，此结构仅仅利用到电动汽车车载电机驱动器的硬件和电机绕组，就实现了双向无线充电技术，解决了电动汽车车载无线充电电力电子器件占用体积大、重量重、成本高的问题。并且电机绕组连接的方式也不会造成电机转动。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.一种电动汽车静态双向无线充电系统集成拓扑电路，其特征在于，包括耦合机构补偿网络、三相逆变桥(4)、复用高压Boost变换器单元(6)、电池(7)和电力电子变换器(5)；
耦合机构补偿网络包括发射端谐振补偿网络(3)和接收端谐振补偿网络(2)；发射端谐振补偿网络(3)与接收端谐振补偿网络(2)进行无线电能传输；
发射端谐振补偿网络的电能输入输出端连接电力电子变换器(5)的一侧电能输出输入端；
电力电子变换器(5)的另一侧电能输出输入端连接电网；
电动汽车电机(1)的一条电源线同时连接接收端谐振补偿网络(2)的一条电源线和开关S9的一端，开关S9的另一端同时连接接收端谐振补偿网络(2)开关S8的一端和三相逆变桥(4)一个桥臂的中点；开关S8的另一端连接接收端谐振补偿网络(2)的另一条电源线；
电动汽车电机(1)的另外两条电源线分别连接三相逆变桥(4)另外两个桥臂的中点，所述三相逆变桥(4)的输入输出端通过复用高压Boost变换器单元(6)与电池的正负极连接。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车静态双向无线充电系统集成拓扑结构，其特征在于，发射端谐振补偿网络(3)包括电感L2、电感L3和电容C2；接收端谐振补偿网络(2)包括电感L1和电容C1；
电感L1和电容C1并联，电容C1的两端连接两条电源线，为接收端谐振补偿网络(2)的电源线；
电感L2与电容C2并联，电容C2的一端连接电感L3的一端，电感L3的另一端连接电力电子变换器(5)一侧的一根电源线；电力电子变换器(5)一侧的另一根电源线连接电容C2的另一端。
3.根据权利要求1或2所述的一种电动汽车静态双向无线充电系统集成拓扑结构，其特征在于，它的工作状态包括三种模式，分别为：驱动模式、充电模式和V2G模式。
4.根据权利要求3所述的一种电动汽车静态双向无线充电系统集成拓扑结构，其特征在于，驱动模式时，开关S9闭合，开关S8断开，等效电路包括：电池、复用高压Boost变换器单元(6)和三相逆变桥(4)和电动汽车电机(1)；
电池(7)依次通过复用高压Boost变换器单元(6)和三相逆变桥(4)为电动汽车电机(1)供电。
5.根据权利要求3所述的一种电动汽车静态双向无线充电系统集成拓扑结构，其特征在于，充电模式时，开关S8闭合，开关S9断开，等效电路包括：电力电子变换器(5)、发射端谐振补偿网络(3)、接收端谐振补偿网络(2)、三相逆变桥(4)、复用高压Boost变换器单元(6)和电池(7)；
发射端谐振补偿网络的电能输入输出端连接电力电子变换器(5)的一侧电能输出输入端；
电力电子变换器(5)的另一侧电能输出输入端连接电网；
发射端谐振补偿网络(3)与接收端谐振补偿网络(2)进行无线电能传输；
接收端谐振补偿网络(2)的一个电源端连接三相逆变桥(4)一个桥臂的中点，接收端谐振补偿网络(2)的另一个电源线连接电动汽车电机(1)的一条电源，电动汽车电机(1)的另外两条电源线分别连接三相逆变桥(4)另外两个桥臂的中点；三相逆变桥(4)的电源输入输出端连接复用高压Boost变换器单元(6)的一侧电源输出输入端，复用高压Boost变换器单元(6)的另一侧电源输出输入端连接电池(7)，电网向电池(7)充电。
6.根据权利要求3所述的一种电动汽车静态双向无线充电系统集成拓扑结构，其特征在于，V2G模式时，开关S9断开，开关S8闭合，发射端谐振补偿网络的输入输出端连接电力电子变换器(5)的一侧电源输出输入端；
电力电子变换器(5)的另一侧电源输出输入端连接电网；
发射端谐振补偿网络(3)与接收端谐振补偿网络(2)进行无线电能传输；
接收端谐振补偿网络(2)的一个电源端连接三相逆变桥(4)一个桥臂的中点，接收端谐振补偿网络(2)的另一个电源线连接电动汽车电机(1)的一条电源线，电动汽车电机(1)的另外两条电源线分别连接三相逆变桥(4)另外两个桥臂的中点；三相逆变桥(4)的电源输入输出端连接复用高压Boost变换器单元(6)的一侧电源输出输入端，复用高压Boost变换器单元(6)的另一侧电源输出输入端连接电池(7)，电池(7)向电网馈电。
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