电动汽车能量传输系统的制作方法

本发明涉及电动汽车技术领域，特别涉及一种电动汽车能量传输系统。

背景技术：

随着电动汽车技术的迅猛发展，三电技术渐近成熟，电动汽车充电系统变为研究热点，其主要用于给车辆提供电能，按充电速度可以分为快充(直流充电)和慢充(交流充电)，按能量传输方式可分为传导式(有线)充电和感应式(无线)充电，目前本领域现有充电解决方案主要存在以下不足：(1)同时兼容传导式能量变换系统和感应式能量变换系统，对应于为电动汽车动力电池补充电能应用场合，即可实现传导式和感应式充电，但越来越迫切要求亦可实现传导式和感应式逆变。(2)感应式充电系统中，线圈结构多样，车载端和非车载端的线圈结构不同，导致耦合程度不同，引起互操作性问题，非车载端的线圈结构应能兼容车载端不同线圈结构，保证二者的正常耦合。(3)越来越迫切要求同时兼容低功率电能变换(对应于小于6.6kw充电或逆变应用场合)和高功率电能变换(对应于大于6.6kw且小于40kw充电或逆变应用场合)，以实现电动汽车电能变换系统输出能量可配置，既根据用户需求进行模块化管理。但上述两点尚未有很好的解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电动汽车能量传输系统，以解决现有的电动汽车能量传输系统不能实现传导式和感应式逆变的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种电动汽车能量传输系统，所述电动汽车能量传输系统包括车载端系统和非车载端系统，其中：

所述车载端系统包括依次连接的第一插头、第一双向功率变换阵列、双向升降压模组和电池模组，以及与所述非车载端系统能量耦合的第一感应功率模块，所述第一感应功率模块包括第一感应整流/逆变模组和第一磁能线圈模块，一车载端控制器对所述车载端系统中各个部分的能量传递进行采样和控制；

所述非车载端系统包括依次连接的第二插头和第二双向功率变换阵列，以及与所述车载端系统能量耦合的第二感应功率模块，所述第二感应功率模块包括第二感应整流/逆变模组和第二磁能线圈模块，一非车载端控制器对所述非车载端系统中各个部分的能量传递进行采样和控制。

可选的，在所述的电动汽车能量传输系统中，

所述第一感应整流/逆变模组包括多个并联的第一单相桥整流/逆变模块，第一磁能线圈模块包括多个磁能线圈，每个所述第一单相桥整流/逆变模块的直流侧连接在所述双向升降压模组和电池模组之间，每个所述第一单相桥整流/逆变模块的交流侧连接一个所述磁能线圈；

所述第二感应整流/逆变模组包括多个并联的第二单相桥整流/逆变模块，第二磁能线圈模块包括多个磁能线圈，每个所述第一单相桥整流/逆变模块的直流侧连接所述第二双向功率变换阵列的输出端，每个所述第二单相桥整流/逆变模块的交流侧连接一个所述磁能线圈。

可选的，在所述的电动汽车能量传输系统中，

所述第一感应整流/逆变模组包括一个第一三相桥整流/逆变模块，第一磁能线圈模块包括两个磁能线圈，所述第一三相桥整流/逆变模块的直流侧连接在所述双向升降压模组和电池模组之间，所述第一三相桥整流/逆变模块的交流侧连接两个所述磁能线圈；

所述第二感应整流/逆变模组包括一个第二三相桥整流/逆变模块，第二磁能线圈模块包括两个磁能线圈，所述第一三相桥整流/逆变模块的直流侧连接所述第二双向功率变换阵列的输出端，所述第二三相桥整流/逆变模块的交流侧连接两个所述磁能线圈。

可选的，在所述的电动汽车能量传输系统中，

所述第一感应整流/逆变模组包括一个第一四相桥整流/逆变模块，第一磁能线圈模块包括三个磁能线圈，所述第一四相桥整流/逆变模块的直流侧连接在所述双向升降压模组和电池模组之间，所述第一四相桥整流/逆变模块的交流侧连接三个所述磁能线圈；

所述第二感应整流/逆变模组包括一个第二四相桥整流/逆变模块，第二磁能线圈模块包括三个磁能线圈，所述第一四相桥整流/逆变模块的直流侧连接所述第二双向功率变换阵列的输出端，所述第二四相桥整流/逆变模块的交流侧连接三个所述磁能线圈。

可选的，在所述的电动汽车能量传输系统中，第一磁能线圈模块中的磁能线圈与第二磁能线圈模块中的磁能线圈耦合。

可选的，在所述的电动汽车能量传输系统中，所述第一感应整流/逆变模组与第一磁能线圈模块之间连接有多个电容，所述第二感应整流/逆变模组与第二磁能线圈模块之间连接有多个电容。

可选的，在所述的电动汽车能量传输系统中，所述第一感应整流/逆变模组与第一磁能线圈模块之间连接有多个电感，且第一磁能线圈模块的每个磁能线圈的两端并联一电容，所述第二感应整流/逆变模组与第二磁能线圈模块之间连接有多个电感，且第二磁能线圈模块的每个磁能线圈的两端并联一电容。

可选的，在所述的电动汽车能量传输系统中，所传递的能量依次经过第一双向功率变换阵列、双向升降压模组和电池模组或依次相反；或所传递的能量依次经过第二双向功率变换阵列、第二感应整流/逆变模块、第二磁能线圈模块、第一磁能线圈模块、第一感应整流/逆变模块和电池模块或依次相反。

可选的，在所述的电动汽车能量传输系统中，所述双向升降压模组包括多个双向升降压模块，每个所述双向升降压模块包括依次连接的升降压整流/逆变模块、谐振电路、变压器模块、升降压整流/逆变模块和滤波模块，所述滤波模块的输出端连接所述电池模组的输入端。

可选的，在所述的电动汽车能量传输系统中，所述第一双向功率变换阵列和所述第二双向功率变换阵列均包括多个双向功率变换模组，多个所述双向功率变换模组的直流侧均并联一电容，其中：每个所述双向功率变换模组包括：抗电磁干扰模块和功率整流/逆变模块。

可选的，在所述的电动汽车能量传输系统中，所述功率变换模组的数量为3个，3个所述功率变换模组分别对应三相交流电网中的a相、b相和c相。

可选的，在所述的电动汽车能量传输系统中，所述第一双向功率变换阵列和所述第二双向功率变换阵列均包括一个其直流侧并联一电容的双向三相桥功率变换模组。

在本发明提供的电动汽车能量传输系统中，通过车载端系统的第一双向功率变换阵列、双向升降压模组和第一感应整流/逆变模组，非车载端系统的第二双向功率变换阵列和第二感应整流/逆变模组，车载端和非车载端系统之间每个能量变换模块都具有逆变和整流的功能，车载端系统和非车载端系统之间传递的能量可进行传导式充电、可进行感应式充电的同时，也可以进行传导式逆变和感应式逆变，实现了兼容传导式充电、感应式充电两种充电方式，以及传导式逆变、感应式逆变两种逆变方式，并可根据实际情况对四者集成方式进行配置。传导式系统和感应式系统可各自独立工作，亦可共同工作为动力电池提供能量。

进一步的，感应式充电系统可采用多相桥加多线圈结构，且车载端系统和非车载端系统的结构相匹配，非车载端系统匹配车载端线圈不同结构应用，满足互操作性要求，同时增加了车载端线圈的水平错位容忍度。

进一步的，系统可进行功率模块化配置，3个所述双向功率变换模组分别对应三相交流电网中的a相、b相和c相，可根据功率需求来配置不同的相数，输入输出功率范围为3.3kw至40kw。

附图说明

图1是本发明一实施例中的电动汽车能量传输系统示意图；

图2(a)～图2(d)是本发明另一实施例中的第一/第二感应功率模块示意图；

图3是本发明另一实施例中的双向升降压模组示意图；

图4(a)～图4(b)是本发明另一实施例中的第一/第二双向功率变换阵列示意图；

图中所示：10-车载端系统；11-第一插头；12-第一双向功率变换阵列；121-抗电磁干扰模块；122-功率整流/逆变模块；13-双向升降压模组；131-升降压整流/逆变模块；132-谐振电路；133-升降压整流/逆变模块；14-电池模组；15-第一感应整流/逆变模组；16-车载端控制器；17-第一磁能线圈模块；20-非车载端系统；21-第二插头；22-第二双向功率变换阵列；23-第二感应整流/逆变模组；24-非车载端控制器；25-第二磁能线圈模块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的电动汽车能量传输系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于提供一种电动汽车能量传输系统，以解决现有的电动汽车能量传输系统不能实现传导式和感应式逆变的问题。

为实现上述思想，本发明提供了一种电动汽车能量传输系统，包括车载端系统和非车载端系统，其中：车载端系统包括依次连接的第一插头、第一双向功率变换阵列、双向升降压模组和电池模组，以及与所述非车载端系统能量耦合的第一感应功率模块，所述第一感应功率模块包括第一感应整流/逆变模组和第一磁能线圈模块，一车载端控制器对所述车载端系统中各个部分的能量传递进行采样和控制；所述非车载端系统包括依次连接的第二插头和第二双向功率变换阵列，以及与所述车载端系统能量耦合的第二感应功率模块，所述第二感应功率模块包括第二感应整流/逆变模组和第二磁能线圈模块，一非车载端控制器对所述非车载端系统中各个部分的能量传递进行采样和控制。

本实施例提供一种电动汽车能量传输系统，如图1所示，所述电动汽车能量传输系统包括车载端系统10和非车载端系统20，其中：所述车载端系统10包括依次连接的第一插头11、第一双向功率变换阵列12、双向升降压模组13和电池模组14，以及与所述非车载端系统20能量耦合的第一感应功率模块，所述第一感应功率模块包括第一感应整流/逆变模组15和第一磁能线圈模块17，一车载端控制器16对所述车载端系统10中各个部分的能量传递进行采样和控制；所述非车载端系统20包括依次连接的第二插头21和第二双向功率变换阵列22，以及与所述车载端系统10能量耦合的第二感应功率模块，所述第二感应功率模块包括第二感应整流/逆变模组23和第二磁能线圈模块25，一非车载端控制器24对所述非车载端系统20中各个部分的能量传递进行采样和控制。

第一插头11和第二插头21为三相四线插头(单相输入/三相输入可配置)，分别有a、b、c三相以及n线。电池模组14为高压动力电池包。本实施例提供了一种应用于电动汽车的双向模块化混合能量传输系统正向充电能量传输流，第一种即为正向传导式能量流，意指完全依靠传导式整流/逆变电路为动力电池充电；第二种即为正向感应式能量流，意指完全依靠感应式整流/逆变电路(无线整流/逆变电路)为动力电池充电；第三种即为正向传导式能量流加正向感应式能量流，意指依靠传导式整流/逆变电路与感应式整流/逆变电路共同为动力电池充电，其充电功率为二者总和。本实施例还提供了一种应用于电动汽车的双向模块化混合能量传输系统反向逆变能量传输流，第一种即为反向逆变传导式能量流，意指完全依靠传导式整流/逆变电路进行反向逆变输出；第二种即为反向逆变感应式能量流，意指完全依靠感应式整流/逆变电路(无线整流/逆变电路)进行反向逆变输出；第三种即为反向逆变传导式能量流加反向逆变感应式能量流，意指依靠传导式整流/逆变电路与感应式整流/逆变电路共同进行反向逆变输出，其逆变输出功率为二者总和。在实际应用过程中，双向混合能量流的控制可根据具体应用场景及用户个人习惯进行配置。

在本实施例提供的电动汽车能量传输系统中，通过车载端系统的第一双向功率变换阵列、双向升降压模组和第一感应整流/逆变模组，非车载端系统的第二双向功率变换阵列和第二感应整流/逆变模组，车载端和非车载端系统之间每个能量变换模块都具有逆变和整流的功能，车载端系统和非车载端系统之间传递的能量可进行传导式充电、可进行感应式充电的同时，也可以进行传导式逆变和感应式逆变，实现了兼容传导式充电、感应式充电两种充电方式，以及传导式逆变、感应式逆变两种逆变方式，并可根据实际情况对四者集成方式进行配置。传导式系统和感应式系统可各自独立工作，亦可共同工作为动力电池提供能量。

如图2(a)所示，所述第一感应整流/逆变模组15包括多个并联的第一单相桥整流/逆变模块，第一磁能线圈模块包括多个磁能线圈，每个所述第一单相桥整流/逆变模块的直流侧连接在所述双向升降压模组和电池模组之间，每个所述第一单相桥整流/逆变模块的交流侧连接一个所述磁能线圈；所述第二感应整流/逆变模组23包括多个并联的第二单相桥整流/逆变模块，第二磁能线圈模块25包括多个磁能线圈，每个所述第一单相桥整流/逆变模块的直流侧连接所述第二双向功率变换阵列的输出端，每个所述第二单相桥整流/逆变模块的交流侧连接一个所述磁能线圈，图2(a)只示出了一相的单相桥整流/逆变模块。

如图2(b)所示，所述第一感应整流/逆变模组15包括一个第一三相桥整流/逆变模块，第一磁能线圈模块包括两个磁能线圈，所述第一三相桥整流/逆变模块的直流侧连接在所述双向升降压模组和电池模组之间，所述第一三相桥整流/逆变模块的交流侧连接两个所述磁能线圈；所述第二感应整流/逆变模组23包括一个第二三相桥整流/逆变模块，第二磁能线圈模块25包括两个磁能线圈，所述第一三相桥整流/逆变模块的直流侧连接所述第二双向功率变换阵列的输出端，所述第二三相桥整流/逆变模块的交流侧连接两个所述磁能线圈。

如图2(c)所示，所述第一感应整流/逆变模组15包括一个第一四相桥整流/逆变模块，第一磁能线圈模块包括三个磁能线圈，所述第一四相桥整流/逆变模块的直流侧连接在所述双向升降压模组和电池模组之间，所述第一四相桥整流/逆变模块的交流侧连接三个所述磁能线圈；所述第二感应整流/逆变模组23包括一个第二四相桥整流/逆变模块，第二磁能线圈模块25包括三个磁能线圈，所述第一四相桥整流/逆变模块的直流侧连接所述第二双向功率变换阵列的输出端，所述第二四相桥整流/逆变模块的交流侧连接三个所述磁能线圈。

进一步的，第一磁能线圈模块中的磁能线圈与第二磁能线圈模块中的磁能线圈耦合。感应式充电系统可采用多相桥加多线圈结构，且车载端系统和非车载端系统的结构相匹配，非车载端系统匹配车载端线圈不同结构应用，满足互操作性要求，同时增加了车载端线圈的水平错位容忍度。

进一步的，如图2(a)、(b)和(c)所示，所述第一感应整流/逆变模组与第一磁能线圈模块之间连接有多个电容，所述第二感应整流/逆变模组与第二磁能线圈模块之间连接有多个电容，电容的数量与第一感应整流/逆变模组的结构相对应，且相应的车载端系统和非车载端系统的电容数量和连接结构应相同以相互对应。

或者，如图2(d)所示，所述第一感应整流/逆变模组15与第一磁能线圈模块17之间连接有多个电感，且第一磁能线圈模块17的每个磁能线圈的两端并联一电容，所述第二感应整流/逆变模组23与第二磁能线圈模块25之间连接有多个电感，且第二磁能线圈模块25的每个磁能线圈的两端并联一电容。两个方案的选择视具体情况而定。

如图1、3、4所示，在感应式能量传输模式中，有两种能量传输通路，所述两种能量传输通路的传输通路分别包括：所传递的能量依次经过第一双向功率变换阵列12、双向升降压模组13和电池模组14或依次相反；或所传递的能量依次经过第二双向功率变换阵列22、第二感应整流/逆变模块23、第二磁能线圈模块25、第一磁能线圈模块17、第一感应整流/逆变模块15和电池模块14或依次相反。

如图3所示，所述双向升降压模组13包括多个双向升降压模块，每个所述双向升降压模块包括依次连接的升降压整流/逆变模块131、谐振电路132、变压器模块、升降压整流/逆变模块133和滤波模块，所述滤波模块的输出端连接所述电池模组14的输入端。所述第一感应整流/逆变模块15的直流侧连接所述滤波模块的输出端。

当双向升降压模组13工作于正向能量传输模式时，升降压整流/逆变模块131中的开关s5-s8需处于逆变控制模式，升降压整流/逆变模块133中的开关s9-s12需处于整流模式；当双向升降压模组13工作于反向能量传输模式时，升降压整流/逆变模块131中的开关s5-s8需处于整流模式，升降压整流/逆变模块133中的开关s9-s12需处于逆变控制模式；谐振电路部分采用的是两边对称的cllc结构，也可以是clc不对称结构，或者是lc谐振电路，具体可根据实际应用情况设计。

两种传输通路和分别对应的能量传输回路阐述了传导式系统和感应式系统的集成方式，给出了二者兼容性方案，实现了兼容传导式能量传输和感应式能量传输两种能量传输方式，并可根据实际情况对二者集成方式进行配置。

进一步的，如图4(a)所示，在所述的电动汽车能量传输系统中，所述第一双向功率变换阵列12和所述第二双向功率变换阵列22均包括多个双向功率变换模组(图中仅以第一双向功率变换阵列12中为例)，多个所述双向功率变换模组的直流侧均并联一电容，其中：每个所述双向功率变换模组包括：抗电磁干扰模块121和功率整流/逆变模块122。所述功率变换模组的数量为3个，3个所述功率变换模组分别对应三相交流电网中的a相、b相和c相。或如图4(b)所示，所述第一双向功率变换阵列和所述第二双向功率变换阵列均包括一个其直流侧并联一电容的双向三相桥功率变换模组。具体的，在所述的电动汽车能量传输系统中，所述第一双向功率变换阵列12的双向功率变换模组的数量为3个，所述第二双向功率变换阵列22的双向功率变换模组的数量也为3个，3个所述双向功率变换模组分别对应三相交流电网中的a相、b相和c相，即所述第一双向功率变换阵列12的3个双向功率变换模组分别对应第一插头11中的a相、b相和c相，所述第二双向功率变换阵列22的3个双向功率变换模组分别对应第二插头12中的a相、b相和c相。

如图4(a)所示，l1/n对应着a相的输入，l2/n对应着b相的输入，l3/n对应着c相的输入，其中，当双向功率变换模组工作于正向能量传输模式时，功率整流/逆变模块122中的开关s1-s4需处于传统pfc控制模式；当双向功率变换模组122工作于反向能量传输模式时，即逆变模式，功率整流/逆变模块122中的开关s1-s4需处于spwm控制模式。

进一步的，系统可进行功率模块化配置，3个所述双向功率变换模组分别对应三相交流电网中的a相、b相和c相，可根据功率需求来配置不同的相数，输出功率范围为3.3kw至40kw。综上所述，模块化配置可灵活应对不同应用场景及用户习惯对能量传输功率的需求，系统可进行功率模块化配置。

抗电磁干扰模块121为em1滤波器，标准的emi滤波器通常由串联电抗器和并联电容器组成的低通滤波电路，其作用是允许设备正常工作时的频率信号进入设备，而对高频的干扰信号有较大的阻碍作用。电源线是干扰传入设备和传出设备的主要途径，通过电源线，电网的干扰可以传入设备，干扰设备的正常工作，同样设备产生的干扰也可能通过电源线传到电网上，干扰其他设备的正常工作。必须在设备的电源进线处加入emi滤波器。emi滤波器是一种由电感和电容组成的低通滤波器，它能让低频的有用信号顺利通过，而对高频干扰有抑制作用。emi滤波器的作用，主要体现在以下两个方面：抑制高频干扰，抑制交流电网中的高频干扰对设备的影响；抑制设备干扰，抑制设备(尤其是高频开关电源)对交流电网的干扰。

优选的，双向(三相桥)功率变换模组的直流侧并联的电容为直流支撑电容器，又称dc-link电容器。直流支撑电容器，属于无源器件的一种。直流支撑电容器，现主要采用聚丙烯薄膜介质直流支撑电容器，其具有耐电压高、耐电流大、低阻抗、低电感、容量损耗小、漏电流小、温度性能好、充放电速度快、使用寿命长(约10万小时)、安全防爆稳定性好、无极性安装方便等优点。被广泛应用于，电力电子行业。dc-link电容器的作用，第一，在逆变电路中主要是对整流器的输出电压进行平滑滤波。第二，吸收来自于逆变器向“dc-link”索取的高幅值脉动电流，阻止其在“dc-link”的阻抗上直流支撑电容器产生高幅值脉动电压，使直流母线上的电压波动保持在允许范围。第三，防止来自于“dc-link”的电压过冲和瞬时过电压对igbt的影响。dc-link电容主要应用场合：新能源行业：光伏逆变器、风电变流器等。节能行业：高压变频器等。电源行业：大型高频开关电源、不间断电源ups、应急电源eps、中频电源、直流稳压电源、电镀电源、化成电源等。电能质量行业：动态同步无功补偿器svg、有源电力滤波器apf等。汽车行业：纯电动汽车、混合动力汽车等。电力机车行业：机车牵引变流器、地铁、高铁、轻轨、有轨电车等。

本实施例提供的一种应用于电动汽车的双向模块化混合能量传输系统可根据实际应用场景及用户使用习惯进行正向充电功率和反向逆变输出功率模块化配置，以满足电动汽车实际功率需求。当图1中的第一双向功率变换阵列和第二双向功率变换阵列均采用独立的单相双向功率变换模组组合策略时，即使用l1与n、l2与n、l3与n分别作为各独立每一相的双向功率变换模组的输入或输出(对应正向充电和反向逆变输出两种工况)。若应用场景及用户仅有3.3kw或6.6kw功率需求，仅配置a相或b相或c相的双向功率变换模组即可；若应用场景及用户仅有大于6.6kw且小于13.2kw的功率需求，配置a相、b相及c相中的任意两相的双向功率变换模组即可；若应用场景及用户有大于13.2kw且小于20kw的功率需求，即通过a相、b相及c相的双向功率变换模组共同完成。

当仅考虑图1中的正向充电传导式能量流时，双向升降压模组13可根据第一双向功率变换阵列12的功率能力进行配置，最大值小于20kw；当仅考虑图1中的正向充电感应式能量流时，双向升降压模组13功率最大值可根据第一双向功率变换阵列12功率能力进行配置，最大值小于20kw；当仅考虑正向传导式加感应式能量流时，双向升降压模组13可根据第一双向功率变换阵列12功率能力进行配置，最大值小于20kw；而第一感应整流/逆变模组功率可根据第二双向功率变换阵列22功率能力进行配置，最大值小于20kw。反向逆变传导式能量流、反向逆变感应式能量流及反向逆变传导式加感应式能量流配置方式与正向充电工作模式下配置方式相同，此处不再赘述。

在本发明提供的电动汽车能量传输系统中，通过车载端系统的第一双向功率变换阵列、双向升降压模组和第一感应整流/逆变模组，非车载端系统的第二双向功率变换阵列和第二感应整流/逆变模组，车载端和非车载端系统之间每个能量变换模块都具有逆变和整流的功能，车载端系统和非车载端系统之间传递的能量可进行传导式充电、可进行感应式充电的同时，也可以进行传导式逆变和感应式逆变，实现了兼容传导式充电、感应式充电两种充电方式，以及传导式逆变、感应式逆变两种逆变方式，并可根据实际情况对四者集成方式进行配置。传导式系统和感应式系统可各自独立工作，亦可共同工作为动力电池提供能量。

本发明兼容正向充电工作模式和反向逆变输出模式，且兼容传导式充电和感应式充电两种充电方式，并可根据实际情况对二者灵活进行控制。双向能量传输系统可进行功率模块化配置，正向充电功率和反向逆变输出功率范围皆可以达到3.3kw至40kw。所述结构中第一双向功率变换阵列和第二双向功率变换阵列可以自由选择为单相桥、三相桥或四相桥结构。所述结构中磁能线圈的数量可以根据阵列结构选择，即多个线圈并联的形式。车载端系统的冷却方案可采用水冷散热方案，非车载端系统的冷却方案可采用风冷散热方案，或者二者都使用水冷方案。

综上，上述实施例对电动汽车能量传输系统的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。