可充放电的储能装置、无线充电系统及电动汽车的制作方法

本申请涉及电动汽车领域，尤其涉及一种可充放电的储能装置、无线充电系统及电动汽车。

背景技术：

电动汽车作为新能源汽车的代表，具有绿色环保、零排放、使用方便等优点，市场需求量逐年上升。电动汽车依靠车载电池组提供动力，车载电池组需要及时充电确保电量充足。目前主要充电方式是充电桩等有线充电，这种充电方式存在插电打火、漏电等安全风险，不易维护等缺点。电动汽车的无线充电技术作为一个创新的技术方向，以其充电便利性高、无需人工干预、无需人工值守、维护成本低、占地面积小、无漏电风险等优势，使得电动汽车无线充电成为当前研究的热点。

目前电动汽车的储能装置主要包括电芯模组、散热板和电池管理系统bms，没有考虑对其他车载电路组件的集成，且部分电路组件的体积和重量较大，占用较大的汽车底部空间。另外，在长时间连续工作过程中散热问题也比较严重，需要针对不同电路组件进行散热设计，散热系统较复杂。

针对上述技术问题，亟需设计一种车载可充放电的储能装置，实现整车小型化、轻量化的要求。

技术实现要素：

本申请提供一种可充放电的储能装置、无线充电系统及电动汽车，该储能装置集成了逆变器和整流器的功能，同时还集成了三种控制器的功能，简化了储能装置组件数量，实现装置小型化和轻量化的设计要求。

本申请的第一方面提供一种可充放电的储能装置，包括：受电线圈、逆变整流模组、控制模组、电芯模组和散热板；所述逆变整流模组分别与所述受电线圈、所述控制模组和所述电芯模组连接，所述电芯模组与所述控制模组连接；所述受电线圈设置在所述散热板的下侧。

所述受电线圈用于在接收到位于地面的发射线圈产生的交变磁场时产生交流电；

所述控制模组用于控制所述逆变整流模组将所述受电线圈输出的交流电变换为直流电，输出至所述电芯模组，所述控制模组还用于控制所述逆变整流模组将所述电芯模组输出的直流电变换为交流电，驱动电机工作。

本方案的可充放电的储能装置，将受电线圈、逆变整流模组、控制模组集成到现有的电池包中，实现储能装置的充放电功能。由于储能装置包括集成了逆变器和整流器功能的逆变整流模组，该模组将逆变器和整流器在电气原理上合二为一，实现储能装置的充放电过程，简化了储能装置的组件数量，降低了储能装置的制造成本。由于储能装置的控制模组集成了无线充电控制器、放电控制器以及电芯模组的控制器，提高了储能装置的控制效率，避免了多个控制器之间的通信过程，有利于对储能装置控制过程的优化和更新。

可选的，所述逆变整流模组包括三相桥电路和开关模组；所述三相桥电路的直流端与所述电芯模组连接，所述三相桥电路的交流端通过所述开关模组分别与所述电机、所述受电线圈连接；控制模组分别与三相桥电路、开关模组连接。

上述实现方式中，逆变整流模组的一端与电池(即电芯模组)连接，另一端通过开关模组分别与电机和受电线圈连接。控制模组通过控制逆变整流模组中的三相桥电路和开关模组，实现储能装置的充放电过程：当逆变整流模组与电机连通时，电池向电机供电；当逆变整流模组与受电线圈连通时，受电线圈产生的交流电供电池充电。

可选的，所述开关模组包括相互并联的第一开关模组和第二开关模组；所述电机串联在所述第一开关模组所在支路上，所述受电线圈串联在所述第二开关模组所在支路上。

上述实现方式中，控制模组可以通过控制第一开关模组和第二开关模组，实现电机的接入以及受电线圈的断开(即放电过程)，或者，实现电机的断开以及受电线圈的接入(即充电过程)。

可选的，所述三相桥电路包括三组开关管，所述三组开关管形成三个桥臂，所述电机通过第一开关模组分别与每个所述桥臂的中点连接，所述受电线圈通过第二开关模组分别与每个所述桥臂的中点连接。

可选的，上述受电线圈可以是三相受电线圈，可以是单相受电线圈。

在一种实现方式中，受电线圈为三相受电线圈，第一开关模组和第二开关模组可以是三路单刀单掷开关。

在另一种实现方式中，受电线圈为单相受电线圈，第一开关模组可以是三路单刀双掷开关，第二开关模组可以是二路单刀双掷开关。

可选的，所述储能装置还包括：谐振电路，所述谐振电路用于补偿所述受电线圈的电感量。其中，谐振电路可以与受电线圈串联、并联或者串并联连接。

可选的，所述逆变整流模组、所述控制模组和所述电芯模组设置在所述散热板的上侧。该设置方式将受电线圈与储能装置的其他电路组件隔离，避免了电磁干扰，提升了储能装置工作的稳定性。

可选的，所述储能装置还包括：高压接口，所述逆变整流模组通过所述高压接口与所述电机连接。

可选的，所述控制模组包括无线发射天线，所述控制模组通过所述无线发射天线与位于地面的控制模组通信连接。

本申请的第二方面提供一种电动汽车的无线充电系统，包括：如本申请第一方面任一项所述的储能装置，位于地面的发射线圈、整流模组、逆变模组、地面控制模组。

所述地面控制模组用于控制所述整流模组将电网侧的第一交流电变换为直流电，并控制所述逆变模组将所述直流电变换为第二交流电，所述发射线圈用于在所述第二交流电作用下产生交变磁场。

可选的，上述发射线圈可以是三相受电线圈，可以是单相受电线圈。

可选的，上述发射线圈与逆变模组之间可以设置谐振电路，谐振电路用于补偿发射线圈的电感量。

本申请的第三方面提供一种电动汽车，包括如本申请第一方面任一项所述的储能装置，将所述储能装置设置在所述电动汽车的底部。

本申请实施例提供一种可充放电的储能装置、无线充电系统及电动汽车。该储能装置包括受电线圈、逆变整流模组、控制模组、电芯模组和散热板，其中逆变整流模组分别与受电线圈、控制模组和电芯模组连接，电芯模组与控制模组连接；受电线圈设置在散热板的下侧。储能装置中的受电线圈产生交流电流，控制模组控制逆变整流模组将交流电流变换为直流充电电流，输出至电芯模组，实现对电芯模组充电；储能装置中的电芯模组输出直流放电电流，控制模组控制逆变整流模组将直流放电电流变换为交流放电电流，输出至电机，实现对电机供电。本申请的储能装置包括逆变整流模组，该模组将逆变器和整流器在电气原理上合二为一，简化了储能装置的组件数量，降低了制造成本。本申请储能装置中的控制模组集成了无线充电控制器、放电控制器以及电芯模组的控制器，提高了储能装置整体的控制效率。

附图说明

图1为本申请实施例提供的可充放电的储能装置的第一种空间结构示意图；

图2为本申请实施例提供的可充放电的储能装置的第二种空间结构示意图；

图3为本申请实施例提供的可充放电的储能装置的第二种空间结构示意图；

图4为本申请实施例提供的可充放电的储能装置的第一种电路连接示意图；

图5为本申请实施例提供的可充放电的储能装置的第二种电路连接示意图；

图6为本申请实施例提供的电动汽车的无线充电系统的示意图。

具体实施方式

本申请的目的在于克服上述现有技术的缺点，实现可充放电的储能装置的高度集成、小型化、轻量化，确保无线充电的充电效率和安全性。

为了达到上述目的，本申请实施例提供一种可充放电的储能装置包括受电线圈、逆变整流模组、控制模组和电芯模组，逆变整流模组分别与受电线圈、控制模组和电芯模组连接，控制模组还与电芯模组连接。通过控制模组控制逆变整流模组实现充电或放电功能，同时控制模组还用于监测电芯模组的工作状态，确保电芯模组在正常状态下工作。本实施例提供的可充放电的储能装置中的各电路组件分别设置于同一散热板，简化了对散热系统的设计。

需要说明的是，本实施例提供的可充放电的储能装置可以应用于电动汽车的无线充电车载端，还可以应用于其他同时包含无线充电或放电功能的系统，对此本实施例不作具体限定。

下面采用具体的实施例对本申请提供的可充放电的储能装置进行详细说明，下面几个具体实施例可以相互结合，对于相同或者相似的内容，在不同的实施例中不再进行重复说明。为了方便理解，下面几个实施例以电动汽车为例进行说明。

图1为本申请实施例提供的可充放电的储能装置的第一种硬件连接示意图。如图1所示，本实施例提供的可充放电的储能装置10包括受电线圈11、逆变整流模组12、控制模组13、电芯模组14和散热板15。

逆变整流模组12分别与受电线圈11、控制模组13和电芯模组14连接，电芯模组14与控制模组13连接。其中，受电线圈11设置在散热板15的下侧。

受电线圈11用于在接收到位于地面的发射线圈产生的交变磁场时产生交流电；

控制模组13用于控制逆变整流模组12将受电线圈11输出的交流电变换为直流电，输出至电芯模组14，控制模组13还用于控制逆变整流模组12将电芯模组14输出的直流电变换为交流电，以驱动电机工作。

本实施例的受电线圈，可以设计为三相受电线圈或者单相受电线圈，对此本实施例不做具体限定。需要说明的是，上述两种受电线圈与逆变整流模组的连接方式存在差异，具体将在后文中展开。

本实施例的逆变整流模组同时具有逆变器和整流器的功能，控制模组可以直接控制逆变整流模组分别实现交流电变换为直流电的整流器功能以及直流电变换为交流电的逆变器功能，从而将两个电路组件在电气原理上合二为一，简化了储能装置的组件数量，降低了储能装置的制造成本。

本实施例的控制模组集成了无线充电控制器(用于控制充电过程)、放电控制器(例如，电动汽车中的电机控制器mcu)以及电芯模组的控制器(例如，电动汽车中的电池管理系统bms)的功能，用于控制储能装置的整个工作流程，包括充电过程、放电过程和电池管理，避免了上述多个控制器之间的通信，提高了储能装置的控制效率，同时降低了储能装置的制造成本，有利于对储能装置控制过程进行优化和更新。

在本实施例中，受电线圈、逆变整流模组、控制模组和电芯模组可以设置在同一散热板附近，例如散热板的上侧或者下侧，解决了在长时间连续工作过程中的散热问题。以电动汽车为例，无线充电车载端在3.6kw功率等级可以采用自然冷却的方式，但由于功率较低，充电时间较长，影响用户体验。对此将功率等级提升至6.6kw之后散热板需要采用水冷设计，即散热板可以是水冷板。由于无线充电车载端需要安装在电动汽车底盘的底部，因此水冷板需要设置在电动汽车的底部。

可选的，逆变整流模组、控制模组和电芯模组可以均设置在散热板的上侧，该结构布局将受电线圈与储能装置的其他电路组件隔离，避免了电磁干扰，提升了储能装置工作的稳定性。

本申请实施例提供的可充放电的储能装置，通过受电线圈产生交流电流，通过控制模组控制逆变整流模组将交流电流变换为直流充电电流，输出至电芯模组；通过电芯模组输出的直流放电电流，通过控制模组控制逆变整流模组将直流放电电流变换为交流放电电流，输出至电机。上述过程实现了储能装置的充放电过程，简化了储能装置的组件数量，降低了制造成本，同时提高了储能装置整体的控制效率。

图2为本申请实施例提供的可充放电的储能装置的第二种硬件连接示意图。在图1所示实施例的基础上，如图2所示，本实施例提供的可充放电的储能装置10包括受电线圈11、逆变整流模组12、控制模组13、电芯模组14和散热板15。

其中，逆变整流模组12包括三相桥电路121和开关模组122。三相桥电路121的直流端与电芯模组14连接，三相桥电路121的交流端通过开关模组122分别与电机、受电线圈11连接。本实施例的控制模组13分别与三相桥电路121、开关模组122连接，用于控制逆变整流模组12实现逆变器功能或者整理器功能。

本实施例的控制模组13通过控制逆变整流模组12中的三相桥电路121和开关模组122分别实现交流电变换为直流电的整流器功能以及直流电变换为交流电的逆变器功能，从而将两个电路组件在电气原理上合二为一，简化了储能装置的组件数量，降低了储能装置的制造成本。三相桥电路121以及开关模组122的一种实现方式见图3所示实施例。

图3为本申请实施例提供的可充放电的储能装置的第三种硬件连接示意图。在图2所示实施例的基础上，如图3所示，本实施例的开关模组122包括相互并联的第一开关模组1221和第二开关模组1222，电机串联在第一开关模组1221所在支路上，受电线圈11串联在第二开关模组1222所在支路上。

在本实施例中，控制模组13控制第一开关模组1221闭合，同时控制第二开关模组1222断开，以驱动电机工作。控制模组13控制第一开关模组1221断开，同时控制第二开关模组1222闭合，对电芯模组14充电。

具体的，本实施例的逆变整流模组12中三相桥电路包括三组开关管，三组开关管形成三个桥臂，电机通过第一开关模组1221分别与每个桥臂的中点连接，受电线圈11通过第二开关模组1222分别与每个桥臂的中点连接。具体可参见附图4，三个桥臂的中点分别由u、v、w表示，图4中k1为第一开关模组1221，k2为第二开关模组1222。

需要说明的是，本实施例的三相桥电路的三组开关管还分别与控制模组13连接(图4未示出)，控制模组13通过控制三相桥电路中的三组开关管，实现逆变整流模组12的逆变、整流功能。

本申请实施例提供的可充放电的储能装置，通过受电线圈产生交流电流，通过控制模组控制逆变整流模组中的两个开关模组的闭合状态，分别实现交流电变换为直流电的整流器功能以及直流电变换为交流电的逆变器功能。上述过程实现了储能装置的充放电过程，简化了储能装置的组件数量，降低了制造成本，同时提高了储能装置整体的控制效率。

在上述各实施例的基础上，可充放电的储能装置还包括：谐振电路，谐振电路用于补偿受电线圈的电感量，使得整个电路一起工作在谐振状态。这里可以采用现有技术中的任意一种谐振电路实现对受电线圈的电感的补偿以提高电路的效率。

本实施例的谐振电路可以与受电线圈串联连接，还可以与受电线圈并联连接，还可以与受电线圈串并联连接，对此本实施例不作具体限定。在将上述储能装置应用于电动汽车的无线充电车载端，对应的，地面端的发射线圈也可以有类似谐振电路，用于补偿发射线圈的电感量，使得地面发射端电路工作在谐振状态。在上述各实施例的基础上，可充放电的储能装置还包括：高压接口，逆变整流模组通过高压接口与电机连接。

可选的，在上述各实施例的基础上，控制模组包括无线发射天线，控制模组通过无线发射天线与位于地面的控制模组通信连接。在本实施例中，无线充电过程主要包括以下几个阶段：物理识别阶段、充电握手阶段、充电参数配置阶段、充电阶段和充电结束阶段。以电动汽车为例，在检测到电动汽车进入预定充电区域时，车载端的控制模组和位于地面的控制模组互发识别报文，确定电动汽车电池和地面充电设备的参数信息，例如协议版本、电池类型、容量、电池工作电压、地面充电设备型号等。在完成充电握手阶段之后，车载端的控制模组向地面端的控制模组发送电池充电信息的报文(最高工作电压、最高工作电流、充电温度阈值等)，地面端的控制模组向车载端的控制模组发送最大输出能力报文，车载端的控制模组根据最大输出能力后确定是否进行充电，在车载端和地面端的控制模组均做好充电准备并配置好充电参数之后，对电动汽车进行充电。需要说明的是，在充电阶段，车载端的控制模组实时监控电动汽车电池的电压、电流、温度等信息，确保电池在正常状态下工作。在电池充满时，车载端的控制模组向地面端的控制模组发送结束充电的报文，结束充电。

需要说明的是，上述各实施例中，除了受电线圈11需要设置在散热板15的下侧之外，其他各电路组件的空间位置仅作为示意，在实际应用中可以对其他各电路组件的空间位置进行调整，并不限于图1至图3所示的布局位置。

需要说明的是，上述实施例的可充放电的储能装置中的受电线圈可以设计为三相受电线圈，也可以设计为单相受电线圈，逆变整流模组中的开关模组与不同类型的受电线圈连接时，开关模组不同，逆变整流模组中开关模组与三相桥电路的连接方式也不同。基于上述各实施例，下面以两个具体的连接电路为例对本实施例提供的可充放电的储能装置中各电路组件的连接关系进一步说明。

图4示出了受电线圈为三相受电线圈的电路连接图。如图4所示，三相桥电路的直流端并联两个电容c1和c2(这里仅作示意，并联的电容数量可以根据实际需求进行调整)，在并联电容之后连接至直流电源(即上述实施例中的电芯模组)，三相桥电路的交流端通过第一开关模组k1与电机连接，同时还通过第二开关模组k2与三相受电线圈连接。其中，电机的三组绕组的接线端通过第一开关模组k1中的三路单刀单掷开关分别连接至三相桥电路的u、v、w端，三相受电线圈通过第二开关模组k2中的三路单刀单掷开关分别连接至三相桥电路的u、v、w端。

可选的，在第二开关模组k2与三相受电线圈之间连接谐振电路，实现对三相受电线圈的电感补偿。谐振电路可以与三相受电线圈串联、并联或者串并联。

本实施例提供的连接电路设置有两套开关模组，每一套开关模组中的三路单刀单掷开关在同一时刻的工作状态相同，也就是说，控制模组控制第一开关模组闭合，则第一开关模组中的三路单刀单掷开关均闭合，控制模组控制第一开关模组断开，则第一开关模组中的三路单刀单掷开关均断开。第二开关模组的实现原理同第一开关模组。通过控制模组控制上述两套开关模组的工作状态，实现对三相桥电路的功能切换。

在一种实现方式中，控制模组控制第一开关模组闭合以及第二开关模组断开，三相桥电路实现逆变器功能，将电芯模组输出的直流放电电流变换为交流电，驱动电机工作，实现放电过程。

在另一种实现方式中，控制模组控制第一开关模组断开以及第一开关模组闭合，三相桥电路实现整流器功能，将三相受电线圈输出的交流电变换为直流电，输出至电芯模组，实现充电过程。

可选的，在一些实例中，上述第一开关模组k1和第二开关模组k2可以合并为一个单刀双掷开关，该单刀双掷开关不是连接电机就是连接受电线圈，不存在其他连接状态。

本实施例提供的可充放电的储能装置中的受电线圈为三相受电线圈，三相受电线圈通过包括三路单刀单掷开关的第二开关模组与三相桥电路交流端的三个端子连接，同时电机通过包括三路单刀单掷开关的第一开关模组与三相桥电路交流端的三个端子连接。控制模组可以通过控制第二开关模组闭合、第一开关模组断开，对电芯模组进行充电；控制模组还可以通过控制第二开关断开、第一开关模组闭合，给电机供电。上述电路融合了逆变器和整流器的功能，简化了储能装置中电路组件的数量，降低了电路成本。

图5示出了受电线圈为单相受电线圈的电路连接图。如图5所示，三相桥电路的直流电并联两个电容c1和c2之后连接直流电源(即上述实施例中的电芯模组)，三相桥电路的交流端通过第一开关模组k1与电机连接，同时还通过第二开关模组k2与单相受电线圈连接。其中，电机的三组绕组的接线端通过第一开关模组k1中的三路单刀单掷开关分别连接至三相桥电路的u、v、w端，单相受电线圈通过第二开关模组k2中的二路单刀单掷开关连接至三相桥电路的任意两个端，例如图5中的u、w端。可选的，在第二开关模组k2与单相受电线圈之间串联谐振电路，实现对单相受电线圈的电感补偿。

由此可见，图4与图5的区别仅在于受电线圈与三相桥电路的连接方式，图5的电路实现原理同图4，具体可参见图4所示实施例，此处不再赘述。

本实施例提供的可充放电的储能装置中的受电线圈为单相受电线圈，单相受电线圈通过包括两路单刀单掷开关的第二开关模组与三相桥电路交流端的任意两个端子连接，同时电机通过包括三路单刀单掷开关的第一开关模组与三相桥电路交流端的三个端子连接。控制模组可以通过控制第二开关模组闭合、第一开关模组断开，对电芯模组进行充电；控制模组还可以通过控制第二开关断开、第一开关模组闭合，给电机供电。上述电路融合了逆变器和整流器的功能，简化了储能装置中电路组件的数量，降低了电路成本。

图6为本申请实施例提供的电动汽车的无线充电系统的示意图。如图6所示，本实施例提供的无线充电系统，包括上述任一实施例提供的车载端的可充放电的储能装置10，位于地面的发射线圈21、整流模组22、逆变模组23、地面控制模组24。

其中，整流模组22的输入端与电网插座连接，整流模组22的输出端与逆变模组23的输入端连接，逆变模组23的输出端与发射线圈21连接。

在本实施例中，地面控制模组24包括无线发射天线，通过无线发射天线与车载端储能装置10中的控制模组13通信连接。在完成充电参数配置之后，地面控制模组24控制整流模组22将电网侧的第一交流电变换为直流电，并控制逆变模组23将直流电变换为第二交流电，发射线圈21在第二交流电作用下产生交变磁场。储能装置10中的受电线圈11在交变磁场下产生交流电流。储能装置10的充电过程可参见上述实施例，此处不再赘述。

本实施例的地面控制模组24和车载的控制模组13都是具有通信功能的。具体的，地面控制模组24可以通过蓝牙或wifi等无线连接方式与车载的控制模组13通信。车载的控制模组13除了与地面控制模组24通信之外，还通过can总线与电动汽车上的其他设备或组件通信。

本实施例的发射线圈可以是三相发射线圈，也可以是单相发射线圈。需要指出的是，位于地面的发射线圈和车载端储能装置中的受电线圈的类型可以相同，也可以不同，对此本实施例不做具体限定。

本实施例的整流模组22一般也叫做pfc模块，即功率因数校正模块，除了将50hz交流电变换为直流电之外，还需要保证功率因数满足电网要求。

可选的，在整流模组22和逆变模组23之间可以设置一个dcdc模组，实现直流调压的功能，是否需要改dcdc模块视无线充电系统的控制策略和输出电压范围而定。

可选的，与车载端的受电线圈11类似，在发射线圈21和逆变模组23之间也可以设置一个谐振电路，用于补偿发射线圈21的电感量。这里可以采用现有技术中的任意一种谐振电路实现对发射线圈21的电感的补偿以提高效率。谐振电路可以与发射线圈21串联连接，还可以与受电线圈21并联连接，还可以与受电线圈21串并联连接，对此本实施例不作具体限定。

本申请实施例还提供一种电动汽车，该电动汽车包括上述任一实施例提供的可充放电的储能装置，该储能装置设置在电动汽车的底部。

以上所述，仅为本申请的具体实现方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。