新能源汽车充电系统及其工作方法

1.本发明涉及电动汽车充电领域，特别是涉及新能源汽车充电系统及其的工作方法。


背景技术：

2.为了节能减排，世界各国开始研发使用清洁能源的电动汽车。电动汽车的动力电池及充电技术是电动汽车发展的重要环节之一。动力电池为电动汽车的储能装置，其充电技术可分为有线充电技术和无线充电技术，有线充电技术可通过交流充电和直流充电实现；无线充电技术无需依赖充电电缆即可对电动汽车充电。现有技术中的电动汽车充电方式通常采用220v单相交流电的充电方式，通过充电机转换为合适电压的直流电，对动力电池进行充电，家用充电设施和小型充电站多采用此方式。目前，大多数充电机主要工作在单相输入的工况下，其输出功率低、充电时间长，难以满足车辆紧急运行和长续航里程的需求。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明提供了新能源汽车充电系统及其的工作方法，能够提高电动汽车储能系统的功率密度，延长动力电池的使用寿命。
4.本发明第一方面提供了新能源汽车充电系统，包括无线电能传输装置和车载装置，所述车载装置包括输入单元、能量转换单元和动力电池，所述输入单元包括直流传输电路、交流传输电路和车载无线电能传输电路；所述能量转换单元包括依次连接的功率因数校正电路a、直流母线电容c
dc
、双向clllc谐振变换器、维持电容co、混合储能电路和动力电池，所述交流传输电路连接功率因数校正电路a，直流传输电路通过开关kd连接动力电池。
5.进一步的，所述功率因数校正电路a包括直流母线电容c
dc-s
和结构相同且并联连接的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述第一桥臂包括两个串联的场效应管，所述直流母线电容c
dc-s
的两端并接在第二桥臂的两端，所述直流母线电容c
dc-s
的与第二桥臂的连接点g之间设有开关k2。
6.进一步的，所述交流传输电路包括单相交流传输和三相交流传输电路，所述单相交流传输电路包括端口a和零线端口n，三相交流传输电路包括端口b和端口c，端口a通过交流电感la连接第一桥臂的中点，端口b通过交流电感lb连接第二桥臂的中点，端口c通过交流电感lc连接第三桥臂的中点，所述零线端口n通过开关k1连接第二桥臂的中点，所述交流电感lc与连接点g之间设有开关k3，所述连接点g与第三桥臂之间设有开关k4。
7.进一步的，所述双向clllc谐振变换器包括原边电路、变压器和副边电路，所述原边电路包括两个结构相同且并联连接的原边桥臂和原边线圈，所述原边线圈的两端分别连接两个原边桥臂的中点，所述副边电路包括两个结构相同且并联连接的副边桥臂和副边线圈，所述副边线圈的两端分别连接两个副边桥臂的中点，所述动力电池的两端并接在所述副边电路两端，维持电容co的两端分别连接动力电池的正极和负极；
8.所述车载无线电能传输电路包括次级线圈和次级谐振电路，所述次级线圈通过开关kw并接在双向clllc谐振变换器的副边线圈的两端；
9.无线电能传输装置包括功率因数校正电路b、直流母线电容c
dc-w
和若干并联的固定无线电能传输电路，所述固定无线电能传输电路包括初级线圈和初级功率电路。
10.进一步的，所述混合储能电路包括场效应管d1、场效应管d2、电感ld和超级电容sc，场效应管d1的漏极连接动力电池的正极，场效应管d1的源极连接场效应管d2的漏极，场效应管d2的源极连接动力电池的负极，电感ld和超级电容sc串联后并接在场效应管d2的漏极与源极之间。
11.本发明另一方面提供了新能源汽车充电系统的工作方法，基于本发明第一方面所述的新能源汽车充电系统实现，包括充电模式，所述充电模式包括有线充电模式，所述有线充电模式包括单相交流充电模式，所述单相交流充电模式下，开关k1、开关k2和开关k3闭合，开关kd和开关k4断开，此时功率因数校正电路a为图腾柱功率因数校正电路级联升压电路，单相交流电压通过图腾柱功率因数校正电路后得到稳定的直流电压u
dc-s
，所述直流电压u
dc-s
经升压电路得到增大的直流电压u
dc
。
12.进一步的，所述有线充电模式包括三相交流充电模式下，开关kd、开关k1、开关k2和开关k3断开，开关k4闭合，控制场效应管s1至场效应管s6，使输入电流和输入电压和相位相同。
13.进一步的，所述充电模式包括无线充电模式，所述无线模式充电模式下，电网电能经功率因数校正电路b和固定无线电能传输电路将电能传输至车载无线电能传输电路，使双向clllc谐振变换器的副边桥臂工作在整流状态，得到直流电为动力电池充电。
14.进一步的，所述电能反馈模式包括有线电能反馈模式和无线电能反馈模式，
15.所述有线电能反馈模式下，所述动力电池的电能通过双向clllc谐振变换器进行逆变整流得到高压直流电，使功率因数校正电路a工作在逆变状态得到与电网电压幅值和相位相同的交流电，经交流传输电路输出；
16.所述无线电能反馈模式下，所述动力电池的电能通过双向clllc谐振变换器的副边电路和初级功率电路进行逆变整流得到高压直流电；所述高压直流电经工作在逆变状态的功率因数校正电路b得到与电网电压幅值和相位相同的交流电。
17.与现有技术相比，本发明具有如下效果：
18.1、本专利提出一种新能源汽车充电系统，通过调节所述充电系统的各个开关的闭合或关断，使各单元的电路工作在不同的状态，不仅可以实现有线充电模式，还能实现无线充电模式，并且，有线充电模式还包括直流有线充电模式、单相交流充电模式和三相交流充电模式，满足不同场合的需求。
19.2、本发明的直流充电方式将电网380v三相交流电变为直流电后，经充电电缆直接对动力电池充电，由于其不受车内空间、重量、热量等条件的限制，其直流充电的输出功率最高可达400kw，大大提高了电动汽车充电效率，节省充电时间。
20.3、本发明的交流充电方式时，系统工作于交流工作模式时，功率因数校正电路通过开关切换，电路拓扑变为图腾柱无桥功率因数校正电路级联升压电路或三相六开关式功率因数校正电路，使充电系统能够兼容单、三相交流电压输入，功率器件利用率高，能满足不同功率场合。
21.4、当本发明的充电系统工作于无线充电模式时，通过线圈的磁场共振实现电能的无线传输，电动汽车无线充电过程中无需外接充电电缆，可适应多种恶劣环境和天气，避免漏电等安全隐患。
22.5、本发明的充电系统能实现能量的多向流动，不仅能够将电能输入动力电池中完成充电过程，还能使动力电池的电能反馈得到交流电或直流电，满足电动汽车的不同需求。
23.6、本发明包括混合储能方式，混合储能方式将超级电容与动力电池混合使用，能有效延长动力电池寿命，节约成本。
附图说明
24.图1为本发明具体实施例的新能源汽车充电系统的整体结构示意图；
25.图2为本发明具体实施例的能量转换单元的电路原理图；
26.图3为本发明具体实施例的单相交流充电模式时功率因数校正电路a的电路原理图；
27.图4为本发明具体实施例的图腾柱功率因数校正电路的模态图，图4a为正半周期的模态一的电路原理图，图4b为正半周期的模态二的电路原理图；
28.图5为本发明具体实施例的升压电路模态图，图5a为开关s2导通模态的电路原理图，图5b为开关s2关断模态的电路原理图；
29.图6为本发明具体实施例的三相交流充电模式时功率因数校正电路a的电路原理图；
30.图7为本发明具体实施例的无线电能传输装置的电路原理图。
具体实施方式
31.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
32.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
33.如图1所示，本发明第一方面提供了新能源汽车充电系统，包括车载装置和无线电能传输装置，所述车载装置包括输入单元、能量转换单元和动力电池；
34.所述输入单元包括直流传输电路、交流传输电路、车载无线电能传输电路和光伏充电电路，所述光伏充电电路包括光伏板和mppt(最大功率跟踪点)电路；所述交流传输电路包括单相交流传输电路和三相交流传输电路，单相交流充电作为传统的充电方式，三相交流充电方式可以为系统提供功率角度较大的充电功率，直流充电可以不受新能源汽车的空间、重量、热量条件的限制，光伏充电电路作为辅助电源为动力电池提供电能，多种电能输入方式满足新能源汽车的不同充电需求。
35.如图2所示，所述能量转换单元包括依次连接的功率因数校正电路a、直流母线电容c
dc
、双向clllc谐振变换器、维持电容co、混合储能电路和动力电池，所述交流传输电路连接功率因数校正电路a，直流传输电路通过开关kd连接动力电池，所述光伏充电电路连接动力电池，
36.所述功率因数校正电路a，用以根据输入电压类型通过各开关切换变为单相功率因数校正电路或三相功率因数校正电路；如图所示，所述功率因数校正电路a包括直流母线电容c
dc-s
和结构相同且并联连接的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，每个桥臂包括两个串联的碳化硅场效应管，所述第一桥臂包括串联的场效应管s1和场效应管s4，所述第二桥臂包括串联的场效应管s3和场效应管s6，第三桥臂包括串联的场效应管s5和场效应管s2，所述直流母线电容c
dc-s
的两端并接在第二桥臂的两端，所述直流母线电容c
dc-s
的与第二桥臂的连接点g之间设有开关k2。
37.所述交流传输电路包括单相交流传输和三相交流传输电路，所述单相交流传输电路包括端口a和零线端口n，三相交流传输电路包括端口b和端口c，端口a通过交流电感la连接第一桥臂的中点，端口b通过交流电感lb连接第二桥臂的中点，端口c通过交流电感lc连接第三桥臂的中点，所述零线端口n通过开关k1连接第二桥臂的中点，所述交流电感lc与连接点g之间设有开关k3，所述连接点g与第三桥臂之间设有开关k4，所述直流母线电容c
dc
的两端分别连接第三桥臂的两端；由功率因数校正电路a输出的高压直流电通过直流母线电容c
dc
为后级电路提供一个稳定且低纹波的直流母线电压。
38.所述双向clllc谐振变换器包括原边电路、变压器t和副边电路，所述原边电路包括两个结构相同且并联连接的原边桥臂、原边谐振电路和原边线圈n
p
，如图所示，场效应管q1和场效应管q3串联构成q
1-q3桥臂，场效应管q2和场效应管q4构成q
2-q4桥臂，所述原边谐振电路包括谐振电感l
r1
、励磁电感lm和谐振电容c
r1
，所述谐振电感l
r1
的一端连接q
1-q3桥臂的中点a，谐振电感l
r1
的另一端连接原边线圈n
p
的一端，谐振电容c
r1
的一端连接q
2-q4桥臂的中点b，谐振电容c
r1
的另一端连接原边线圈n
p
的另一端；所述副边电路包括两个结构相同且并联连接的副边桥臂、副边谐振电路和副边线圈ns，场效应管q5和场效应管q7串联构成q
5-q7桥臂，场效应管q6和场效应管q8构成q
6-q8桥臂，所述副边谐振电路包括谐振电感l
r2
和谐振电容c
r2
，所述谐振电感l
r2
的一端连接q
5-q7桥臂的中点c，谐振电感l
r2
的另一端连接副边线圈ns的一端，谐振电容c
r2
的一端连接q
6-q8桥臂的中点d，谐振电容c
r2
的另一端连接原边线圈ns的另一端，所述原边电路和副边电路的谐振元件参数值对应相同，用以实现电路的对称性，进而实现电能的双向传输；所述动力电池的两端并接在所述副边电路两端，维持电容co的两端分别连接动力电池的正极和负极。
39.所述车载无线电能传输电路包括次级线圈r
x
和次级谐振电路，所述次级谐振电路包括谐振电感lr、谐振电容c
r1
和谐振电容cr，所述谐振电容cr的一端连接次级线圈r
x
的一端，谐振电容cr的另一端连接谐振电感lr的一端，谐振电感lr的另一端通过开关kw连接q
5-q7桥臂中点c，次级线圈r
x
的另一端连接q
6-q8桥臂的中点d，所述谐振电容c
r1
一端接在谐振电感lr与谐振电容cr之间，另一端连接桥臂q
6-q8桥臂的中点d。
40.所述无线电能传输装置固定在地下，如图7所示，无线电能传输装置包括功率因数校正电路b、直流母线电容c
dc-w
和若干并联的固定无线电能传输电路，如图所示，所述功率因数校正电路b包括三个结构相同且并联连接的桥臂和直流母线电容c
dc-w
，串联连接的场
效应管t1和场效应管t4构成t
1-t4桥臂，串联连接的场效应管t3和场效应管t6构成t
3-t6桥臂，串联连接的场效应管t5和场效应管t2构成t
5-t2桥臂，所述直流母线电容c
dc-w
的两端并接在t
5-t2桥臂的两端。
41.所述固定无线电能传输电路包括初级线圈t
x
、初级功率电路和补偿谐振电路，所述初级功率电路包括两个结构相同且并联连接的桥臂，场效应管q9和场效应管q11串联构成q
9-q
11
桥臂，场效应管q
10
和场效应管q
12
串联构成q
10-q
12
桥臂；
42.所述补偿谐振电路包括谐振电感l
t1
、谐振电容c
t1
和谐振电容c
t
，谐振电感l
t1
的一端连接q
9-q
11
桥臂的中点e谐振电感的l
t1
的另一端通过谐振电容c
t
连接初级线圈t
x
的一端，所述初级线圈t
x
的另一端连接q
10-q
12
桥臂的中点f，，所述谐振电容c
t1
的一端接在谐振电感l
t1
与谐振电容c
t
之间，另一端连接q
10-q
12
桥臂中点f。
43.所述混合储能电路能有效延长动力电池寿命，包括场效应管d1、场效应管d2、电感ld和超级电容sc，场效应管d1、场效应管d2、电感ld构成双向直流/直流电路，场效应管d1的漏极连接动力电池的正极，场效应管d1的源极连接场效应管d2的漏极，场效应管d2的源极连接动力电池的负极，电感ld和超级电容sc串联后并接在场效应管d2的漏极与源极之间。
44.基于上述新能源汽车充电系统，其工作方法包括：充电模式，电能反馈模式和混合储能模式。
45.充电模式是充电系统的主要工作过程，基于上述充电系统，所述充电模式分为有线充电模式和无线充电模式，根据电能的来源不同，所述有线充电模式包括单相充电模式、三相充电模式和直流充电模式，在有线充电模式下，开关kw断开；
46.所述单相交流充电模式下，开关k1、开关k2和开关k3闭合，开关kd和开关k4断开，此时功率因数校正电路a为图腾柱功率因数校正电路级联升压电路，具体如图3所示，图腾柱功率因数校正电路将单相220v交流电压转换成为直流电压u
dc-s
，其额定值为400v，通过级联的升压电路，使后级谐振变换器分别在单相、三相输入模式下的输入电压为同一值，将400v的直流电压u
dc-s
升至700v直流电压u
dc
。
47.当图腾柱功率因数校正电路处于稳态工作时，一个电源周期可分为四个模态，正半周期的两个工作模态和负半周期的两个工作模态类似，以交流输入电源正半周期的两个模态为例。
48.工作模态一时，场效应管s1和场效应管s3关断，场效应管s4和场效应管s6导通，单相电压ua通过电感la、场效应管s4和场效应管s6的回路对电感la进行充电，直流母线电容c
dc-s
对后级电路进行放电；
49.工作模态二时，场效应管s3和场效应管s4关断，场效应管s1和场效应管s6导通，单相电压ua和电感la通过场效应管s1和场效应管s6回路对直流母线电容c
dc-s
进行充电，此时电感la处于放电状态。
50.所述升压电路处于稳态工作时，分为两个工作模态，模态一，场效应管s2导通时，直流电压u
dc-s
对电感lc充电；模态二，场效应管s2关断时，直流电压u
dc-s
和电感lc通过场效应管s5回路对直流母线电容c
dc
进行充电，此时电感lc处于放电状态。
51.所述三相交流充电模式下，开关kd、开关k1、开关k2和开关k3断开，开关k4闭合，此时的功率因数校正电路a为三相六开关式功率因数校正电路，功能上实现三个pwm(脉冲宽度调制)整流器，ua、ub、uc为三相输入电网电压，此时交流电感la＝lb＝lc，如图6所示，在充电
过程中，通过控制碳化硅场效应管s1至场效应管s6六个场效应管的通断，使得输入电流与输入电压同相位，波形近似于正弦波，达到功率因数校正目的。
52.所述无线模式充电模式下，开关kw闭合，电网电能经功率因数校正电路b和固定无线电能传输电路将电能传输至车载无线电能传输电路，使双向clllc谐振变换器的副边桥臂工作在整流状态，得到直流电为动力电池充电；电网经功率因数校正电路b整流，并经直流母线电容c
dc-w
滤波后为后级电路提供稳定的直流电源。将初级线圈t
x
与次级线圈r
x
调整至相同的频率，用以实现能量交换。q
9-q
11
桥臂和q
10-q
12
桥臂构成高频逆变器，将直流电转换为高频交流电压供给由谐振电感l
t
、谐振电容c
t
、谐振电容c
t1
组成的lcc补偿谐振电路，补偿谐振电路为次级线圈r
x
提供高频高压的激励，电能从初级线圈t
x
传输至次级线圈rx，次级线圈r
x
侧的补偿谐振电路将接收到的电能变换为所需的输出电压后通过场效应管q
5-q7桥臂和q
6-q8桥臂整流，将高频交流电转换为直流电为动力电池供电。
53.所述电能反馈模式包括并网模式和直流电能反馈模式，所述并网模式将动力电池中的电能反馈至电网，所述直流电能反馈模式用以降动力电池中的电能转化为高压直流电，用以实现为其他动力电池充电等功能。
54.所述并网模式包括有线并网模式和无线并网模式，所述有线并网模式下，所述clllc谐振变换器中变压器原、副两侧谐振元件参数值对应相同，保证了电路的对称性，能实现能量的双向流动，使得动力电池中的能量可回馈至电网。所述q
1-q3桥臂和q
2-q4桥臂构成原边全桥变换器，q
5-q7桥臂和q
6-q8桥臂构成副边全桥变换器，此时励磁电感lm等效到变压器t的副边侧，控制场效应管q5、q6、q7、q8的驱动信号，实现逆变功能；此时场效应管q1、q2、q3、q4不加驱动信号，而是采用场效应管反并联的二极管进行整流，所述功率因数校正电路a工作于逆变状态，将高压直流电逆变为与电网同幅值、同相位的交流电，向电网侧反馈能量；
55.在无线并网模式下，车载电能传输电路和固定电能传输电路两侧的lcc补偿谐振网络谐振元件参数值对应相同，保证了电路的对称性，能实现能量的双向流动，使得动力电池中的能量可回馈至电网。此时改变场效应管q5、q6、q7、q8的驱动信号，实现逆变功能；场效应管q9、q
10
、q
11
、q
12
不加驱动信号，采用场效应管反并联的二极管进行整流，功率因数校正电路b工作于逆变状态，将高压直流电逆变为与电网同幅值、同相位的交流电，向电网侧反馈能量。
56.所述直流反馈模式包括无线直流反馈模式和有线直流反馈模式，当电网断电无法提供能量时，若此时多辆电动汽车与直流母线接口连接，系统可实现车-车之间能量的无线传递。
57.所述无线直流反馈模式下，如图1所示，控制场效应管q5、q6、q7、q8的驱动信号将电动汽车1中动力电池的直流电逆变为高频脉冲信号，通过次级线圈和初级线圈将传输至次级功率电路1，对场效应管q9、q
10
、q
11
、q
12
的反并联的二极管进行整流，整流后的直流母线电压，为与直流母线接口连接的电动汽车n提供高压直流电。
58.在有线直流反馈模式下，控制场效应管q5、q6、q7、q8的驱动信号将电动汽车1中动力电池的直流电逆变为高频脉冲信号，通过变压器将电能传输至功双向clllc谐振变换器，对场效应管q1、q2、q3、q4反并联的二极管进行整流，得到高压直流电为电动汽车n充电。
59.当电动汽车突然加速、制动或爬坡时易对动力电池造成损坏，缩短电池寿命，因此
本发明增加了所述混合储能模式，利用超级电容能量密度小，功率密度大的特点，实现快速的充放电，为车辆启停瞬间提供高倍率电流进行充放电。当电动汽车行驶时，光伏供电电路作为辅助电源及时对超级电容储能，将超级电容与场效应管d1、场效应管d2、电感ld构成双向直流/直流电路串联后，与动力电池并联，当电动汽车启动或加速时，双向直流/直流电路工作在升压状态，由超级电容输出能量。当电动汽车制动时，双向直流/直流电路工作在降压状态，超级电容可回收制动能量。即根据电动汽车的行驶状态，使双向直流/直流电路工作在降压、升压模式，以实现对超级电容的充放电。通过混合储能方式，可以延长动力电池寿命，降低成本。
60.综上，本发明的新能源汽车充电系统，能够兼容交流充电、直流充电和无线充电多种充电方式，以适应不同场合的使用，使电动汽车灵活充电。其中交流充电方式又能兼容单相220v电压与三相380v电压的输入，充电机内功率器件利用率高，同时满足于不同功率场合。无线充电方式将电路及线圈嵌于地下并自动接入电网，能实现同时为多辆电动汽车充电的功能。通过超级电容与动力电池的混合使用，使得电动汽车储能系统具备高能量和高功率密度，延长动力电池的使用寿命。综上所述，该新能源汽车充电系统具有较好的应用前景。
61.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。