CN114312382A - 一种适用于电动汽车有线无线一体化充电桩的系统拓扑 - Google Patents

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Abstract

一种适用于电动汽车有线无线一体化充电桩的系统拓扑，包括有线充电模式与无线充电模式，有线充电模式与无线充电模式经过相同的PFC电路与高频逆变电路后通过切换电路进行模式切换。在有线模式下通过对LLC变压器参数设计及工作区的设定可以使其逆变侧和整流侧实现软开关，而在无线模式下，通过对副边移相角和阻抗角的控制使其逆变侧和整流侧实现软开关，该方案相较于现有的方案效率更高。在无线充电模式下通过耦合机构进行隔离，在有线充电模式下通过LLC变压器进行隔离，使得一体化拓扑抗干扰能力更强，系统可靠性更高；本发明的电路均关于变压器或耦合机构高度对称，只需控制算法的调整即可实现V2G功能，因此功能更加完备。

Description

一种适用于电动汽车有线无线一体化充电桩的系统拓扑
技术领域
本发明属于电动汽车技术领域，具体涉及一种适用于电动汽车有线无线一体化充电桩的系统拓扑。
背景技术
现阶段电动汽车充电桩基本为有线充电桩，无线充电桩主要存在于科研示范工程中，而有线无线充电桩基本停留在研究阶段。目前可实现有线无线一体化充电拓扑主要采用不同功率级的复用来实现。
G.Lempidis等人在2014年4th International Electric Drives ProductionConference(EDPC)发表的《Wired and wireless charging of electric vehicles:Asystem approach》中给出了一种有线无线混合充电拓扑如图1和图2所示。该发明存在以下问题：①PFC电路只能在无线充电模式工作，在有线充电模式下无法进行功率因数的调节，会降低电网的电能质量；②DC输出侧电路过于冗余，特别是无线充电模式下直流输出具有2级DCDC调压电路使系统成本和系统损耗增加；③系统中有线充电和无线充电切换的开关过多，仅图2中的所示的电路就有11个开关，同样增加了系统的成本和体积；④系统工作在有线模式下没有实现电气隔离。
Q.Deng等人在2020年发表于《IEEE Transactions on Vehicular Technology》的《Wired/Wireless Hybrid Charging System for Electrical Vehicles With MinimumRated Power Requirement for DC Module》中给出了另一种有线无线混合充电拓扑如图3所示。该发明存在以下问题：①系统工作在有线模式下没有实现电气隔离；②无线充电的输出侧采用不可控二极管整流桥，无法调节输出电压，输出电压的调节只能依赖前级的逆变侧以及DC模块，调压范围具有一定的局限，灵活性较差。
因此，现有技术存在以下问题：1)在有线和无线工作模式下均可实现MOSFET的软开关，系统效率更高。现有的一体化方案只能在无线充电模式利用耦合机构的谐振实现MOSFET的软开关，而在有线充电模式下采用的3相逆变拓扑由于没有谐振元件无法实现MOSFET的软开关，在高频时存在一定的开关损耗；2)在有线和无线工作模式下均可实现负载与电网之间的隔离，抗干扰能力更强。现有一体化方案在无线充电模式下可以通过耦合机构实现负载与电网的隔离，而在有线充电模式下采用非隔离拓扑无法实现其电气隔离；3)在有线和无线工作模式下均可实现能量的双向流动，具备充电与V2G的功能。现有一体化方案由于存在单向拓扑，只能实现充电功能。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种适用于电动汽车有线无线一体化充电桩的拓扑。
本发明采用如下的技术方案：
一种适用于电动汽车有线无线一体化充电桩的系统拓扑包括有线充电结构与无线充电结构，有线充电结构与无线充电结构经过相同的PFC电路与高频逆变电路后通过切换电路进行有线充电模式与无线充电模式的切换。
有线充电结构包括PFC电路、高频逆变电路、切换电路、LLC变压器、第一高频整流电路、DC调压电路和第一负载；所述外无线充电模式包括PFC电路、高频逆变电路、切换电路、耦合机构、第二高频整流电路和第一负载；无线充电模式与有线充电模式使用相同的PFC电路、高频逆变电路以及切换电路。
在有线充电模式中，电网输出端连接PFC电路；PFC电路连接高频逆变电路；高频逆变电路连接切换电路；切换电路的一端连接LLC变压器的原边侧，另一端连接耦合机构；LLC变压器的副边侧连接第一高频整流电路；第一高频整流电路连接DC调压电路；DC调压电路连接第一负载；耦合机构连接第二高频整流电路；第二高频整流电路连接第一负载。
PFC电路为2种模式的共用电路，当第一负载功率在5千瓦以下时，使用单相PFC电路；大于5千瓦时，使用三相PFC电路。
高频逆变电路采用全桥逆变电路，有线充电结构中的第一高频整流电路采用全控桥整流电路，DC调压电路采用三相交错Buck-Boost电路，耦合机构采用LCC-LCC补偿电路，无线充电结构中的第二高频整流电路采用全控桥整流电路。
耦合机构包括原边谐振网络、发射线圈、接收线圈和副边谐振网络；其中，原边谐振网络和副边谐振网络可选结构包括S、P、LCC、LCL结构。
在有线充电模式下LLC变压器的电路实现电气隔离和实现MOSFET的软开关功能，输出直流高电压给后级DC调压电路进行调压。
在LLC变压器中，LLC增益特性满足以下关系式：
Figure BDA0003471418000000031
其中，f*＝f/fo，f为开关频率，fo为谐振频率；Q为LLC的品质因子，M为LLC增益特性，k为电感比。
电感比k的取值为47。
电动汽车有线无线一体化充电桩的系统拓扑包括：在地面上安装的有线无线一体化充电桩和在车辆上安装的车辆端；有线无线一体化充电桩包括PFC电路、高频逆变电路、LLC变压器、有线充电模式下的第一高频整流电路、DC调压电路、切换电路以及耦合机构的原边谐振网络；车辆端包括耦合机构的副边谐振网络和无线充电模式下的第二高频整流电路。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明：
1、在有线模式下通过对LLC变压器参数设计及工作区的设定可以使其逆变侧和整流侧实现软开关，而在无线模式下，通过对副边移相角和阻抗角的控制使其逆变侧和整流侧实现软开关，因此该方案相较于现有的方案效率更高。
2、在无线充电模式下通过耦合机构进行隔离，在有线充电模式下通过LLC变压器进行隔离，使得一体化拓扑抗干扰能力更强，系统可靠性更高。
3、发明提出的一体化拓扑无论是在有线充电模式或者无线充电模式，电路均关于变压器或耦合机构高度对称，只需控制算法的调整即可实现V2G功能，因此功能更加完备。
附图说明
图1为现有技术中变压器能量双向流动示意图；
图2为现有技术中多功能转换器的电路图；
图3为现有技术中混合充电系统电路以及其等效无线充电模式的电路示意图；
图4为适用于有线无线一体化充电桩的系统拓扑。
图5为这种拓扑应用于有线无线一体化充电桩的一种具体实例。
图6为有线无线一体化充电桩的系统拓扑在有线模式下的工作区域。
图7为有线无线一体化充电桩的系统拓扑在有线模式下的波形图。
图8为有线无线一体化充电桩的系统拓扑在无线模式下的波形图。
图9为本发明中的拓扑在实际中的具体安装方式。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
图4展示了适用于有线无线一体化充电桩的系统拓扑，该系统拓扑包括有线充电结构与无线充电结构，有线充电结构与无线充电结构经过相同的PFC电路与高频逆变电路后通过切换电路进行有线充电模式与无线充电模式的切换；有线充电结构包括PFC电路、高频逆变电路、切换电路、LLC变压器、第一高频整流电路、DC调压电路和第一负载，无线充电模式与有线充电模式使用相同的PFC电路、高频逆变电路以及切换电路，此外无线充电模式还包括耦合机构、第二高频整流电路和第一负载。有线充电结构与无线充电结构共用第一负载。
电网输出端连接PFC电路；PFC电路连接高频逆变电路；高频逆变电路连接切换电路；切换电路的一边连接LLC变压器，另一边连接耦合机构；LLC变压器连接第一高频整流电路；高频整流连接DC调压电路；DC调压电路连接第一负载；耦合机构连接第二高频整流电路；第二高频整流电路连接第一负载。PFC电路为2种模式的共用电路，根据负载功率等级的不同，可选用单相PFC电路或三相PFC电路。优选地，当负载功率在5千瓦以下时，使用单相PFC电路；大于5千瓦时，使用三相PFC电路；
高频逆变电路为2种模式的共用电路，可以选用全桥逆变电路或半桥逆变电路。
LLC变压器为有线充电模式下的隔离元件。
高频整流电路在有线充电结构和无线充电结构中不是共用电路，可以选用全桥整流电路或半有源整流电路。
DC调压电路选用可以双向的工作的DCDC电路，例如三相交错Buck-Boost电路。
切换电路为有线充电和无线充电模式的选择电路，通过切换电路进行充电模式的二选一。
耦合机构为无线充电模式下的隔离元件，由原边谐振网络、发射线圈、接收线圈和副边谐振网络构成，其中原边谐振网络可以是S、P、LCC、LCL等结构，副边谐振网络同样可以是S、P、LCC、LCL等结构。且原边谐振网络应与副边谐振网络结构对应。
负载为电池负载。
图5给出了这种拓扑应用于有线无线一体化充电桩的一种具体实例。高频逆变电路采用全桥逆变电路，有线结构中的第一高频整流电路采用全控桥整流电路，其中，Lr与Cr分别为第一高频整流电路中的第一电感与第一电容；DC调压电路采用三相交错Buck-Boost电路，耦合机构采用LCC-LCC补偿电路，其中，Lrp、Cp、Cps以及Lp分别为耦合机构原边谐振网络中的第二电感、第二电容、第三电容与第三电感；Css、Lrs、Ls与Cs分别为耦合机构副边谐振网络中的第三电容、第三电感、第四电感与第四电容；无线结构下的第二高频整流电路采用全控桥整流电路。
图6给出了拓扑在有线模式下的工作区域，在有线模式下LLC电路只充当电气隔离和实现MOSFET的软开关功能，仅输出一个固定的直流高电压给后级DC调压电路进行调压。该固定的直流高电压取值可根据实际情况进行设定。在LLC变压器设计时电感比k值不选取传统的3～7，而是选择较大的k值，取k＝47。M为LLC增益特性：
Figure BDA0003471418000000061
其中f*＝f/fo，f为开关频率，fo为谐振频率；Q为LLC的品质因子；
当k较大，且f*≈1时，M＝1。
图7展示了拓扑在有线模式下的LLC电路的逆变侧输出电压与逆变侧输出电流波形，谐振电流Ip过零点略滞后于驱动电压Vd过零点，采用简单的开环定频控制将电路的工作点固定在略大于独立工作点f＝fo的右侧，可实现MOSFET的软开关的同时电路增M＝1；优选地，电路工作点比独立工作点大0.01Hz；
图8展示了拓扑在无线模式下，整流侧与逆变侧的电压电流波形，Vp表示逆变侧电压，Irp表示逆变侧电流，Vs表示整流侧电压，Irs表示整流侧电流；通过控制移相角β使得整流侧的阻抗角φ2＜0,此时通过谐振网络的映射关系，则逆变侧的阻抗角φ1＞0，即逆变侧电流滞后电压，逆变侧即可实现软开关。
图9展示本发明中的拓扑在实际中的具体安装方式。系统安装分为在地面上安装的有线无线一体化充电桩(地面端)和在车辆上安装的车辆端。地面端包括PFC电路、高频逆变电路、LLC变压器、有线充电模式下的第一高频整流电路、DC调压电路、切换电路以及耦合机构的原边谐振网络。车辆端包括耦合机构的副边谐振网络和无线充电模式下的第二高频整流电路。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于电动汽车有线无线一体化充电桩的系统拓扑，其特征在于，
所述系统拓扑包括有线充电结构与无线充电结构，有线充电结构与无线充电结构经过相同的PFC电路与高频逆变电路后通过切换电路进行有线充电模式与无线充电模式的切换。
2.根据权利要求1所述的一种适用于电动汽车有线无线一体化充电桩的系统拓扑，其特征在于，
所述有线充电结构包括PFC电路、高频逆变电路、切换电路、LLC变压器、第一高频整流电路、DC调压电路和第一负载；所述外无线充电模式包括PFC电路、高频逆变电路、切换电路、耦合机构、第二高频整流电路和第一负载；无线充电模式与有线充电模式使用相同的PFC电路、高频逆变电路以及切换电路。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于电动汽车有线无线一体化充电桩的系统拓扑，其特征在于，
在所述有线充电模式中，电网输出端连接PFC电路；PFC电路连接高频逆变电路；高频逆变电路连接切换电路；切换电路的一端连接LLC变压器的原边侧，另一端连接耦合机构；LLC变压器的副边侧连接第一高频整流电路；第一高频整流电路连接DC调压电路；DC调压电路连接第一负载；耦合机构连接第二高频整流电路；第二高频整流电路连接第一负载。
4.根据权利要求3所述的一种适用于电动汽车有线无线一体化充电桩的系统拓扑，其特征在于，
所述PFC电路为2种模式的共用电路，当第一负载功率在5千瓦以下时，使用单相PFC电路；大于5千瓦时，使用三相PFC电路。
5.根据权利要求3所述的一种适用于电动汽车有线无线一体化充电桩的系统拓扑，其特征在于，
所述高频逆变电路采用全桥逆变电路，有线充电结构中的第一高频整流电路采用全控桥整流电路，DC调压电路采用三相交错Buck-Boost电路，耦合机构采用LCC-LCC补偿电路，无线充电结构中的第二高频整流电路采用全控桥整流电路。
6.根据权利要求4所述的一种适用于电动汽车有线无线一体化充电桩的系统拓扑，其特征在于，
所述耦合机构包括原边谐振网络、发射线圈、接收线圈和副边谐振网络；其中，原边谐振网络和副边谐振网络可选结构包括S、P、LCC、LCL结构。
7.根据权利要求6所述的一种适用于电动汽车有线无线一体化充电桩的系统拓扑，其特征在于，
在有线充电模式下LLC变压器的电路实现电气隔离和实现MOSFET的软开关功能，在无线模式下对副边移相角和阻抗角的控制使其逆变侧的MOSFET实现软开关。
8.根据权利要求7所述的一种适用于电动汽车有线无线一体化充电桩的系统拓扑，其特征在于，
在所述LLC变压器中，LLC增益特性满足以下关系式：
Figure FDA0003471417990000021
其中，f*＝f/fo，f为开关频率，fo为谐振频率；Q为LLC的品质因子，M为LLC增益特性，k为电感比。
9.根据权利要求8所述的一种适用于电动汽车有线无线一体化充电桩的系统拓扑，其特征在于，
所述电感比k的取值为47。
10.根据权利要求1所述的一种适用于电动汽车有线无线一体化充电桩的系统拓扑，其特征在于，
所述电动汽车有线无线一体化充电桩的系统拓扑包括：在地面上安装的有线无线一体化充电桩和在车辆上安装的车辆端；有线无线一体化充电桩包括PFC电路、高频逆变电路、LLC变压器、有线充电模式下的第一高频整流电路、DC调压电路、切换电路以及耦合机构的原边谐振网络；车辆端包括耦合机构的副边谐振网络和无线充电模式下的第二高频整流电路。
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