CN114132189A - 电动汽车大功率多端口无线充电桩 - Google Patents

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Abstract

电动汽车大功率多端口无线充电桩，包括电性连接的原边整流逆变电路、初级谐振补偿电路、原边线圈和车辆上电性连接的接收端的副边线圈、次级谐振补偿电路、整流电路、DC/DC电路，原边的整流逆变电路、初级谐振补偿电路、原边线圈以及车辆上接收端的副边线圈、次级谐振补偿电路、整流电路、DC/DC电路采用三相拓扑结构；原边的整流逆变电路具有一路，初级谐振补偿电路、原边线圈各具有多路，原边的整流逆变电路的电源输出端和多路初级补偿电路及原边线圈的电源输入端分别电性连接，原边线圈及副边线圈分是DDQ线圈。本发明采用三相拓扑结构作为基础，减少了充电成本、提高了电源转换效率、生产及运维成本显著降低，并给车辆充电带来了便利。

Description

电动汽车大功率多端口无线充电桩
技术领域
本发明涉及电动汽车充电桩设备技术领域，特别是一种电动汽车大功率多端口无线充电桩。
背景技术
电动汽车由于节能环保，应用越来越广泛，相应的电动汽车的充电站建设也越来越多。现有的电动汽 车一般采用有线充电方式。近年来，随着无线电能传输技术的发展，基于磁场耦合式电动汽车静态无线充 电技术(以下均简称为无线充电系统)得到了越来越多的关注，相比于传统的有线充电系统，无线充电系 统没有电气连接，不需要手动连接充电电缆，具有操作方便、维护成本低、防水防尘、可实现全自动充电 过程等优点，并能够较好地与电动汽车自动泊车、无人驾驶及网联化汽车等技术契合。电动汽车无线充电 系统一般包括原边的整流逆变电路、初级补偿电路、原边线圈以及车辆上接收端的副边线圈、次级补偿电 路、整流电路、DC/DC电路，工作时原边整流逆变电路将输入的交流电源转为高频交流电源、然后通过初 级补偿电路处理后经原边线圈(耦合线圈)通过无线方式输出；车辆上副边线圈从原边线圈感应到电流后， 经次级补偿电路处理后输出到整流电路将电源进行整流，然后再通过DC/DC电路转换后输出稳定的直流 电源为车辆蓄电池充电。
现有的电动汽车无线充电系统一般采用单向交流电源，其存在输出功率低，电源转换效率不高的缺点。 还有就是，无线充电系统的原边由于一路整流逆变电路只能对应一路初级补偿电路、原边线圈使用，也就 是说，一套无线充电系统的原边只具有一个输出端口(原边线圈)，只能对应一辆车充电使用，所以采用 多套无线充电系统为多辆车同时充电不但造成设备整体结构复杂、生产成本增加，且也增加了运维成本。 最后就是，现有的无线充电系统其采用的原边及副边线圈一般是DD型线圈，DD型线圈是由两个电路并 联、磁路串联的矩形线圈组成(分别位于充电端以及车辆上)；它克服了传统的圆形线圈和磁通管式线圈 的低耦合系数、较差的抗水平偏移特性等缺点，但受到结构限制，实际应用中存在交叉耦合的缺点，这样 会使电源转换效率降低，且还存在抗偏移特性不强等特点。
发明内容
为了克服现有基于磁场耦合式的电动汽车充电系统，由于结构所限存在充电成本高、电源转换效率低、 抗偏移能力、系统传输功率受到限制，以及一套无线充电系统的原边只具有一个输出端口，多套无线充电 系统为多辆车同时充电不但设备整体结构复杂、生产成本增加，并增加了运维成本的弊端，本发明提供了 采用三相拓扑结构作为基础，减少了充电成本，提高了输出功率，在原边线圈及副边线圈的DD型线圈的 基础上增加一个与原线圈成90°放置的DD型线圈，有效降低了交叉耦合，提高了电能传输功率，具有较 大输出功率的原边整流逆变电路并联有多路初级谐振补偿电路、三相耦合线圈，一路原边整流逆变电路能 同时驱动多路初级谐振补偿电路、三相耦合线圈工作，同时为多辆车充电，由此实现了设备更加紧凑、生 产及运维成本显著降低目的的电动汽车大功率多端口无线充电桩。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
电动汽车大功率多端口无线充电桩，包括原边的整流逆变电路、初级谐振补偿电路、原边线圈以及车 辆上接收端的副边线圈、次级谐振补偿电路、整流电路、DC/DC电路，其特征在于所述原边的整流逆变电 路、初级谐振补偿电路、原边线圈以及车辆上接收端的副边线圈、次级谐振补偿电路、整流电路、DC/DC 电路采用三相拓扑结构；所述原边的整流逆变电路具有一路，初级谐振补偿电路、原边线圈各具有多路， 多路谐振补偿电路及一路整流逆变电路安装在元件箱内，多路原边线圈分别单独安装在壳体内；所述原边 的整流逆变电路电源输入端和三相电源电性连接，整流逆变电路的电源输出端和多路初级补偿电路的电源 输入端电性连接，多路初级补偿电路的电源输出端和多路原边线圈的电源输入端分别电性连接；所述副边 线圈的电源输出端和次级补偿电路的电源输入端电性连接，次级补偿电路的电源输出端和整流电路的电源 输入端电性连接，整流电路的电源输出端和DC/DC电路的电源输入端电性连接；所述原边线圈及副边线 圈分别具有一组Q型线圈、两组DD线圈，原边线圈及副边线圈的Q型线圈、第一组DD线圈、第二组 DD线圈分别绕制在原边线圈及副边线圈铁芯上，原边线圈及副边线圈的第二组DD线圈和第一组DD线 圈互成90°分布。
进一步地，所述原边的整流逆变电路是三相整流逆变电路，初级谐振补偿电路是三相SS谐振补偿网络； 原边的初级谐振补偿电路的谐振频率和整流逆变电路的开关频率相同。
进一步地，所述原边的初级谐振补偿电路和整流逆变电路之间安装有接触控制器，车辆蓄电池充电时， 接触控制器控制整流逆变电路和初级谐振补偿电路的电源输入端闭合，不充电时，控制整流逆变电路和初 级谐振补偿电路的电源输入端开路。
进一步地，所述原边的原边线圈及车辆上的副边线圈是三相耦合线圈。
进一步地，所述接收端的次级谐振补偿电路是三相SS谐振补偿网络；整流电路是三相整流电路； 次级谐振补偿电路的谐振频率和整流电路的开关频率相同；次级谐振补偿电路和初级谐振补偿电路的谐振 频率一致。
进一步地，所述DC/DC电路是大功率输出的双功率管拓扑结构。
本发明有益效果是：本发明采用三相拓扑结构作为基础，在各模块共同作用下，采用三相对称的无中 线连接的方式给负载充电，减少了充电成本、提高了电源转换效率；本发明在原边线圈及接收端线圈的Q 型线圈上放置一组DD线圈，再在其上放置一组互成90°的DD线圈，形成DDQ线圈，这样有效降低了 电源交叉耦合，提高了电能的传输功率。本发明具有较大输出功率的原边整流逆变电路并联有多路初级谐 振补偿电路、三相耦合线圈，一路原边整流逆变电路能同时驱动多路初级谐振补偿电路、三相耦合线圈工 作，同时为多辆车充电，整体设备更加紧凑、生产及运维成本显著降低，并给车辆充电带来了便利。本发 明为基于磁场耦合式的电动汽车充电系统技术发展起到了有力技术支撑。基于上述，所以本发明具有好的 应用前景。
附图说明
以下结合附图和实施例将本发明做进一步说明。
图1是本发明电路结构框图。
图2分别本发明DDQ线圈结构示意图。
图3是本发明对电动汽车无线充电系统的原边及副边耦合线圈的分析图。
图4是本发明结构框图。
具体实施方式
图1、2、3、4中所示，电动汽车大功率多端口无线充电桩，包括原边的整流逆变电路、初级谐振补偿 电路、原边线圈以及车辆上接收端的副边线圈、次级谐振补偿电路、整流电路、DC/DC电路，所述原边的 整流逆变电路、初级谐振补偿电路、原边线圈以及车辆上接收端的副边线圈、次级谐振补偿电路、整流电 路、DC/DC电路采用三相拓扑结构；所述原边的整流逆变电路具有一路，初级谐振补偿电路、原边线圈各 具有多路，多路谐振补偿电路及一路整流逆变电路安装在元件箱内，多路原边线圈分别单独安装在壳体内、 多个壳体间隔距离安装在充电区域的地面下；所述原边的整流逆变电路电源输入端和三相380V电源分别 经导线连接，整流逆变电路的电源输出端和多路初级补偿电路的电源输入端经导线连接，多路初级补偿电 路的电源输出端和多路原边线圈的电源输入端分别经导线连接；所述副边线圈的电源输出端和次级补偿电 路的电源输入端经导线连接，次级补偿电路的电源输出端和整流电路的电源输入经导线连接，整流电路的 电源输出端和DC/DC电路的电源输入端经导线连接，DC/DC电路的电源输出端和车辆上蓄电池经导线连 接；所述原边线圈及副边线圈分别具有一组Q型线圈、两组DD线圈，原边线圈及副边线圈的Q型线圈、 第一组DD线圈、第二组DD线圈分别绕制在原边线圈及副边线圈铁芯上，原边线圈及副边线圈的第二组 DD线圈和第一组DD线圈互成90°分布。
图1、2、3、4中所示，原边的整流逆变电路是三相整流逆变电路，初级谐振补偿电路是三相SS谐振 补偿网络；原边的初级谐振补偿电路的谐振频率和整流逆变电路的开关频率相同。原边的初级谐振补偿电 路和整流逆变电路之间安装有接触控制器，车辆蓄电池充电时，接触控制器控制整流逆变电路和初级谐振 补偿电路的电源输入端闭合，不充电时，控制整流逆变电路和初级谐振补偿电路的电源输入端开路。原边 的原边线圈及车辆上的副边线圈是三相耦合线圈。接收端的次级谐振补偿电路是三相SS谐振补偿网络； 整流电路是三相整流电路；次级谐振补偿电路的谐振频率和整流电路的开关频率相同；次级谐振补偿电路 和初级谐振补偿电路的谐振频率一致。DC/DC电路是大功率输出的双功率管Buck-Boost(拓扑)结构。 初级谐振补偿电路主要作用是将直流电转换为高频交流电，同时为了实现软开关，所以将整流逆变电路的 开关频率和初级谐振补偿电路的谐振频率设置相同。
图1、2、3、4中所示，本发明工作时原边三相整流逆变电路将输入的三相交流电源转为高频交流电源、 然后通过基于三相SS谐振补偿网络的初级谐振补偿电路处理后经原边线圈(耦合线圈)无线方式 输出；车辆上副边线圈从原边线圈感应到电流后，经基于三相SS谐振补偿网络次级谐振补偿电路处 理后输出到三相整流电路(相较于单向整流电路能输出更大功率)将电源进行整流，然后再通过DC/DC 电路转换后输出稳定的直流电源为车辆蓄电池充电(本发明采用DDQ线圈以及采用三相电作为工作电源， 特别的，原边一路三相整流逆变电路能同时驱动多路初级谐振补偿电路、原边线圈为多辆车同时充电是核 心发明点，其余输入电源无线方式发射、车辆端接收将无线电能转换为直流电，为车辆蓄电池充电原理和 现有电动车充电系统完全一致，本实施例不再做赘述)。本发明中，接收端三相整流电路实际工作时，除 了将交流电转换为直流电，还可用于系统功率因数校正，通过调制直流输出电压来控制整个无线充电系统 的输出功率等级；本发明中，初级谐振补偿电路及次级谐振补偿电路可以有效降低系统的无功损耗，从而 提高系统的效率；在本发明中，为了适用于大功率多路输出应用，采用的SS谐振补偿网络相较于目前高 阶的LCC-LCC和LCL-LCL补偿网络，SS拓扑结构不需要笨重的电感，且提高了系统的功率密度；本发 明的DC/DC电路(直流转直流变换器)：适用于大功率的双管Buck-Boost DC/DC变换器被添加在三相整流电路的输出端，其作用主要是用来调节系统的电源输出端口，使其工作于恒压或者恒流模式下为蓄电池 充电，尤其是当原边和副边(接收端)的耦合线圈间距出现变化，或者线圈位置出现偏移输出功率不稳定 时，能高系统输出功率的稳定性，提高系统的可靠性。
图3所示，现有电动汽车无线充电系统的原边及副边耦合线圈分析如下：公知技术可知，三相线圈存 在着交叉耦合，其耦合关系如图所示，另外，为了简化分析，假设相邻两通道的间距足够大，忽略不同通 道间的交叉耦合。在图2中可见，MAa、MBb、MCc为三相线圈原边和副边相对应的互感；MAE、MAC、MBC、 Mab、Mae、Mbc、MAb、MAc、MBa、MBc、MCa、MCb为三相线圈间存在的交叉互感；LPA、LpB、LpC为三 相线圈原边自感，Lsa、Lsb、Lsc为三相线圈副边自感。根据图2，三相线圈间的交叉耦合互感可以表示成 如下所所示。根据等式，可以知道三相线圈存在复杂的交叉耦合，这会严重影响无线充电系统的效率。为 了解决交叉耦合的问题，本发明在原边线圈及接收端线圈的Q型线圈上放置一组DD线圈，再在其上放置 一组互成90°的DD线圈，这样有效降低了电源交叉耦合，提高了电能的传输功率。通过上述所有电路作 用，本发明采用三相对称的无中线连接的方式给负载充电，减少了充电成本、提高了电源转换效率；，一 路原边整流逆变电路能同时驱动多路初级谐振补偿电路、三相耦合线圈工作，同时为多辆车充电，整体设 备更加紧凑、生产及运维成本显著降低，并给车辆充电带来了便利，本发明为基于磁场耦合式的电动汽车 充电系统技术发展起到了有力技术支撑。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显 然本发明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。
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，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 (6)

1.电动汽车大功率多端口无线充电桩，包括原边的整流逆变电路、初级谐振补偿电路、原边线圈以及车辆上接收端的副边线圈、次级谐振补偿电路、整流电路、DC/DC电路，其特征在于所述原边的整流逆变电路、初级谐振补偿电路、原边线圈以及车辆上接收端的副边线圈、次级谐振补偿电路、整流电路、DC/DC电路采用三相拓扑结构；所述原边的整流逆变电路具有一路，初级谐振补偿电路、原边线圈各具有多路，多路谐振补偿电路及一路整流逆变电路安装在元件箱内，多路原边线圈分别单独安装在壳体内；所述原边的整流逆变电路电源输入端和三相电源电性连接，整流逆变电路的电源输出端和多路初级补偿电路的电源输入端电性连接，多路初级补偿电路的电源输出端和多路原边线圈的电源输入端分别电性连接；所述副边线圈的电源输出端和次级补偿电路的电源输入端电性连接，次级补偿电路的电源输出端和整流电路的电源输入端电性连接，整流电路的电源输出端和DC/DC电路的电源输入端电性连接；所述原边线圈及副边线圈分别具有一组Q型线圈、两组DD线圈，原边线圈及副边线圈的Q型线圈、第一组DD线圈、第二组DD线圈分别绕制在原边线圈及副边线圈铁芯上，原边线圈及副边线圈的第二组DD线圈和第一组DD线圈互成90°分布。
2.根据权利要求1所述的电动汽车大功率多端口无线充电桩，其特征在于，原边的整流逆变电路是三相整流逆变电路，初级谐振补偿电路是三相SS谐振补偿网络；原边的初级谐振补偿电路的谐振频率和整流逆变电路的开关频率相同。
3.根据权利要求1所述的电动汽车大功率多端口无线充电桩，其特征在于，原边的初级谐振补偿电路和整流逆变电路之间安装有接触控制器，车辆蓄电池充电时，接触控制器控制整流逆变电路和初级谐振补偿电路的电源输入端闭合，不充电时，控制整流逆变电路和初级谐振补偿电路的电源输入端开路。
4.根据权利要求1所述的电动汽车大功率多端口无线充电桩，其特征在于，原边的原边线圈及车辆上的副边线圈是三相耦合线圈。
5.根据权利要求1所述的电动汽车大功率多端口无线充电桩，其特征在于，接收端的次级谐振补偿电路是三相SS谐振补偿网络；整流电路是三相整流电路；次级谐振补偿电路的谐振频率和整流电路的开关频率相同；次级谐振补偿电路和初级谐振补偿电路的谐振频率一致。
6.根据权利要求1所述的电动汽车大功率多端口无线充电桩，其特征在于，DC/DC电路是大功率输出的双功率管拓扑结构。
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