一种电动汽车无线充放电系统的制作方法

本发明属于电动汽车技术领域，更具体地，涉及一种电动汽车无线双向充放电系统。

背景技术：

电动汽车的动力来源于车载储能系统，目前电池充放电分为接触式和非接触式两种方式。相对于接触式充放电方式，采用非接触式充放电的无线充放电系统能够在无直接电气连接的情况下，完成公共电网电能与电动汽车车载储能系统电能的双向传输，避免了连接器频繁的拔插、简化了充放电流程、降低了系统运营成本，并且具有操作方便、简单、可靠等优点，因而具有广阔的应用前景。

目前市面上的电动汽车主要采用接触式充放电方式，而现有的非接触式系统大多为无线充电系统，不具备放电功能。由于无线充放电方式的引入，电网的电能往往需要经过多级变换后才能满足汽车电池充电要求，导致系统转换效率不高，降低了经济效益；现有无线充电系统发射端需通过无线通讯方式对传输系统进行实时调控，而电能通过无线方式传输时会感应出强烈的电磁场，严重影响了无线通讯质量，降低了系统鲁棒性；此外，当发射端与接收端存在偏移时，原副边线圈失配，还存在传输功率受限，转换效率低等问题。

尽管非接触式充电具有安全、简单及可靠等优点，但是以上问题严重限制了无线充放电系统性能与经济性，阻碍了电动汽车无线充放电系统的使用与推广。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电动汽车无线充放电系统电路方案，旨在解决现有技术中转换效率低、控制系统复杂及抗偏移性差等问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种电动汽车无线双向充放电系统，能够实现电网与电池能量的高效双向传输，并且具有超宽的输出电压范围与较强的抗偏移能力。所述电动汽车无线双向充放电系统包括与电网侧连接的第一电路和与汽车侧连接的第二电路。所述第一电路包括双向ac-dc电路、第一桥式电路、第一耦合机构与第一控制电路；所述双向ac-dc电路、所述第一桥式电路与所述第一耦合机构依次连接，所述第一控制电路的第一端口连接至所述双向ac-dc电路，第二端口连接至所述第一桥式电路。所述第二电路包括第二耦合机构、有源补偿电路、第二桥式电路、双向dc-dc电路与第二控制电路，所述第二耦合机构、所述有源补偿电路、所述第二桥式电路与双向dc-dc电路依次相连，所述第二电路第一控制端连接至所述有源补偿电路，第二控制端口连接至所述第二桥式电路，第三控制端口连接至所述双向dc-dc电路。

在充电模式下，所述第一控制电路控制所述双向ac-dc电路将电网交流电压变换为稳定直流，并通过所述第一桥式电路将直流逆变为高频交流，通过第一耦合电路电网侧能量发射；通过所述第二耦合机构拾取原边发射的能量，所述第二控制电路控制所述第二桥式电路将高频交流整流为直流，最后由所述双向dc-dc电路将直流转换为汽车电池充电所需的电压或电流。

工作于放电模式时，所述第二控制电路控制所述双向dc-dc电路调节电池放电电流大小，所述第二桥式电路工作于高频逆变模式，将直流逆变为高频交流，再经所述第二耦合机构将电池侧能量发射；通过所述第一耦合机构拾取能量，所述第二控制电路控制所述第一桥式电路工作于整流模式，将高频交流整流为直流，最后通过所述双向ac-dc电路将直流逆变为工频交流，通过调控并网电流大小维持直流电压恒定。

更进一步地，所述第一耦合机构内部线圈采用恒流源注入、线圈自感部分补偿方式，端口呈现电流源注入/输出特性；所述第二耦合机构内部线圈采用串联全补偿方式，端口为电压源特性。其中第一耦合机构包括：滤波电感lf1、滤波电容cf1、补偿电容cp和电网侧线圈lp；滤波电感lf1的一端与所述第一桥式电路的第一输出端相连，另一端与滤波电容cf1、补偿电容cp的一端相连；补偿电容cp的另一端和电网侧线圈lp的一端相连；电网侧线圈lp的另一端与滤波电容cf1的另一端连接至所述第一桥式电路的第二输出端。

更进一步地，无论在充电或放电模式下，当两线圈发生偏移时，通过所述第二控制电路控制所述有源补偿电路进行调控，可以实现对汽车侧线圈偏移的补偿，减小环路电流、提高传输效率与电压利用率。有源补偿电路可以由有源开关、电容或电感组成，作为本发明的一个实施例，有源补偿电路包括：第一补偿开关管sc1、第二补偿开关管sc2和电容cc；第一补偿开关管sc1的源极与第二补偿开关管sc2的源极相连；第一补偿开关管sc1的漏极、电容cc的一端与第二耦合机构的第一输入端相连；第二补偿开关管sc2的漏极与电容cc的另一端相连作为有源补偿电路的第一输出端；第二耦合机构的第二输出端与有源补偿电路第二输入端相连，且有源补偿电路第二输入端直接输出作为有源补偿电路第二输出端。

作为本发明的另一个实施例，有源补偿电路包括：第一补偿开关管sc1、第二补偿开关管sc2和电感lc；第一补偿开关管sc1的源极与第二补偿开关管sc2的源极相连；第一补偿开关管sc1的漏极、电感lc的一端与有源补偿电路的第一输入端相连；电感lc的另一端作为有源补偿电路第一输出端；第二补偿开关管sc2的漏极与有源补偿电路的第二输入端相连，且有源补偿电路第二输入端直接输出作为有源补偿电路第二输出端。

作为本发明的另一个实施例，有源补偿电路包括：第一补偿开关管sc1、第二补偿开关管sc2、电容cc和电感lc；第一补偿开关管sc1的源极与第二补偿开关管sc2的源极相连；第一补偿开关管sc1的漏极、电容cc的一端、电感lc的一端与第二耦合机构的第一输入端相连；第二补偿开关管sc2的漏极与电感lc的另一端相连作为有源补偿电路的第一输出端；电容cc的另一端与有源补偿电路的第二输入端相连，且有源补偿电路第二输入端直接输出作为有源补偿电路第二输出端。

更进一步地，所述双向dc-dc电路为双向交错降压/升压变换器，能够在所述第二控制电路的控制下实现升降压变换，并具有能量双向传递能力。

作为本发明的一个实施例，双向dc-dc电路包括：第一至第八车端晶体管ss1-ss8、第二耦合电感lc2与输出滤波电容co；第一车端晶体管ss1和第三车端晶体管ss3的漏极与所述第二桥式电路的第一输出端相连，第二车端晶体管ss2和第四车端晶体管ss4的源极与所述第二桥式电路的第二输出端相连；第一车端晶体管ss1的源极、第二车端晶体管ss2的漏极与第二耦合电感lc2的第一输入端相连；第三车端晶体管ss3的源极、第四车端晶体管ss4的漏极与第二耦合电感lc2的第二输入端相连；第二耦合电感lc2的第一输出端与第五车端晶体管ss5的源极、第六车端晶体管ss6的漏极连接；第二耦合电感lc2的第二输出端与第七车端晶体管ss7的源极、第八车端晶体管ss8的漏极连接；第五车端晶体管ss5、第七车端晶体管ss7的漏极与输出滤波电容co的一端相连作为第二电路第一输出端，连至电池正极；第六车端晶体管ss6、第八车端晶体管ss8的源极与输出滤波电容co的另一端相连作为第二电路第二输出端，连至电池负极。

更进一步地，所述双向ac-dc电路为双向交错图腾柱变换器，能够在所述第一控制电路的控制下实现双向交流/直流转换，调控网侧电流正弦化并维持直流端口电压恒定。

作为本发明的一个实施例，双向ac-dc电路包括：emi电路、预充电电路、第一耦合电感lc1、第一快速开关桥臂、第二快速开关桥臂、慢速开关桥臂与母线滤波电容cbus；预充电电路包括：并联连接的限流电阻ntc和缓启继电器relay1；所述第一快速开关桥臂包括：第一晶体管q1和第二晶体管q2；所述第二快速开关桥臂包括：第三晶体管q3和第四晶体管q4；所述慢速开关桥臂包括：第五晶体管q5和第六晶体管q6；emi电路的输入端与电网相连，第一输出端接第一耦合电感lc1的输入端，第二输出端接预充电电路的输入端；第一晶体管q1的源极、第二晶体管q2的漏极与第一耦合电感lc1的第一输出端连接；第三晶体管q3的源极、第四晶体管q4的漏极与耦合电感lc1的第二输出端连接；第五晶体管q5的源极、第六晶体管q6的漏极与预充电电路的输出端连接；第一晶体管q1、第三晶体管q3与第五晶体管q5的漏极与母线滤波电容cbus的一端相连作为双向ac-dc电路的第一输出端，第二晶体管q2、第四晶体管q4与第六晶体管q6的源极与母线滤波电容cbus的另一端相连作为双向ac-dc电路的第二输出端。

更进一步地，所述双向ac-dc电路与双向dc-dc电路中开关器件可为igbt、sicmosfet或ganhemt；并且电路中的电感元件可为独立电感或耦合电感，采用耦合电感时通过复用磁芯和减小相间环流的方式可降低电路损耗，进一步提高转换效率。

本发明技术方案提供的一种电动汽车无线双向充放电系统，能够实现电网与电动汽车电能的无线双向传递。所述第一电路通过控制保证网侧电流正弦化，并维持直流母线电压恒定，同时能够将电网侧的电能发射至汽车侧或是拾取汽车侧发射的能量馈入电网。所述第二电路能够拾取电网侧发射能量为电池充电或将电池的电能发射至电网侧，实时调节电池充放电电流/电压，动态补偿线圈偏移带来的影响。

在本发明中，通过新型开关器件与变换拓扑的合理组合，结合耦合电感技术进一步降低无源元件损耗，使系统在多级变换时具有优异的输入和输出特性，并且能够保证非常高的转换效率；双向交错并联图腾柱变换器和双向直流升降压变换器的应用，使无线充放电系统发射端与接收端只有少量指令信息需要通过无线通讯模块传递，在充放电开始后发射端与接收端控制系统可独立完成调控，避免了功率传输过程中对无线通讯模块的电磁干扰；有源补偿网络的引入能够有效改善发射与接收线圈偏移时的谐振腔特性，减小无功环流、提高转换效率的同时还能确保无线充放电系统的功率传输能力。此外，所述电动汽车无线充放电系统采用全数字控制方式，能够准确检测并判断系统内部异常并及时响应，实现故障的在线检测与上报。相比于现有技术，本发明具有转换效率高、结构控制简单、抗偏移性强及电池电压适应范围广等优势。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明实施例的整体电气原理示意图；

图3是由有源开关和电感构成的有源补偿电路原理图；

图4是由有源开关、电感和电容构成的有源补偿电路原理图；

附图标号说明：1为第一电路，10为双向ac-dc电路，11为第一桥式电路，12为第一耦合机构，13为第一控制电路；2为第二电路，20为第二耦合机构，21为有源补偿电路，22为第二桥式电路，23为双向dc-dc电路，24为第二控制电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2所示，本发明的一种电动汽车无线充放电系统，包括与电网侧连接的第一电路和与汽车侧连接的第二电路。所述第一电路包括双向ac-dc电路、第一桥式电路、第一耦合机构与第一控制电路；所述双向ac-dc电路、第一桥式电路与第一耦合机构依次连接，所述第一控制电路的第一端口连接至所述双向ac-dc电路，第二端口连接至所述第一桥式电路。所述第二电路包括第二耦合机构、有源补偿电路、第二桥式电路、双向dc-dc电路与第二控制电路，所述第二耦合机构、有源补偿电路、第二桥式电路与双向dc-dc电路依次相连，所述第二电路第一控制端连接至所述有源补偿电路，第二控制端口连接至所述第二桥式电路，第三控制端口连接至所述双向dc-dc电路。

与电网相连的第一电路中的第一耦合机构安装于地表，其余部分电路置于车位旁的机箱内，第二电路安装于电动汽车底部。通过停车辅助系统将电动汽车驾驶至指定位置后，电网侧的第一控制电路与汽车侧的第二控制电路通过无线通讯建立连接，首先获取汽车信息与充放电指令；发射端与接收端系统分别开始运行，由第一控制电路与第二控制电路独立调控；待充放电结束后首先停止能量传输，再由无线通讯传递停机指令与计费信息。

在充电模式下，所述第一控制电路控制所述双向ac-dc电路将电网交流电压变换为稳定直流，并通过所述第一桥式电路将直流逆变为高频交流，通过第一耦合电路电网侧能量发射；通过所述第二耦合机构拾取原边发射的能量，所述第二控制电路控制所述第二桥式电路将高频交流整流为直流，最后由所述双向dc-dc电路将直流转换为汽车电池充电所需的电压或电流。

工作于放电模式时，所述第二控制电路控制所述双向dc-dc电路调节电池放电电流大小，所述第二桥式电路工作于高频逆变模式，将直流逆变为高频交流，再经所述第二耦合机构将电池侧能量发射；通过所述第一耦合机构拾取能量，所述第二控制电路控制所述第一桥式电路工作于整流模式，将高频交流整流为直流，最后通过所述双向ac-dc电路将直流逆变为工频交流，通过调控并网电流大小维持直流侧母线电压恒定。

参照图2，在本发明实施例中，所述双向ac-dc电路10包括：emi电路、预充电电路、第一耦合电感lc1、第一快速开关桥臂、第二快速开关桥臂、慢速开关桥臂与母线滤波电容cbus；所述预充电电路包括：并联连接的限流电阻ntc和缓启继电器relay1；所述第一快速开关桥臂包括：第一晶体管q1和第二晶体管q2；所述第二快速开关桥臂包括：第三晶体管q3和第四晶体管q4；所述慢速开关桥臂包括：第五晶体管q5和第六晶体管q6；其中emi电路的输入端与电网相连，第一输出端接第一耦合电感lc1的输入端，第二输出端接预充电电路的输入端；第一晶体管q1的源极、第二晶体管q2的漏极与第一耦合电感lc1的第一输出端连接；第三晶体管q3的源极、第四晶体管q4的漏极与耦合电感lc1的第二输出端连接；第五晶体管q5的源极、第六晶体管q6的漏极与预充电电路的输出端连接；第一晶体管q1、第三晶体管q3与第五晶体管q5的漏极与母线滤波电容cbus的一端相连作为双向ac-dc电路的第一输出端，第二晶体管q2、第四晶体管q4与第六晶体管q6的源极与母线滤波电容cbus的另一端相连作为双向ac-dc电路的第二输出端。

在本发明实施例中，第一桥式电路11包括：第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3和第四开关管s4；其中第一开关管s1和第三开关管s3的漏极与所述双向ac-dc电路的第一输出端相连，第二开关管s2和第四开关管s4的源极与所述双向ac-dc电路的第二输出端相连；第一开关管s1的源极与第二开关管s2的漏极相连作为第一桥式电路的第一输出端；第三开关管s3的源极与第四开关管s4的漏极相连，作为第一桥式电路的第二输出端。

在本发明实施例中，第一耦合机构12包括：滤波电感lf1、滤波电容cf1、补偿电容cp与电网侧线圈lp；其中，滤波电感lf1的一端与所述第一桥式电路的第一输出端相连，另一端与滤波电容cf1、补偿电容cp的一端相连；补偿电容cp的另一端和电网侧线圈lp的一端相连；电网侧线圈lp的另一端与滤波电容cf1的另一端连接至所述第一桥式电路的第二输出端。

在本发明实施例中，第一控制电路13包括：can通讯单元130、采样调理单元131、继电器驱动单元132、隔离驱动单元133、无线收发器134和dsp单元135；其中can通讯单元一端与dsp单元ecan模块相连，另一端连接至外部通讯接口，传输充放电系统信息与指令；采样调理单元一端与dsp单元adc模块相连，另一端分别与电压、电流传感器(未标示)相连，将电网侧电路中电压、电流信息采集后汇总至dsp；继电器驱动单元一端与dsp单元gpio模块相连，另一端连接至继电器，控制继电器闭合与断开；隔离驱动单元一端与dsp单元epwm模块相连，另一端分别与开关器件门极和源极相连，控制开关器件导通或关断。

在本发明实施例中，第二耦合机构20包括：汽车侧线圈ls与串联补偿电容cs；汽车侧线圈ls的一端与串联补偿电容cs的一端相连，汽车侧线圈ls的另一端作为第二耦合机构的第一输出端，串联补偿电容cs的另一端作为第二耦合机构的第二输出端。

本实施例中，有源补偿电路21由第一补偿开关管sc1、第二补偿开关管sc2与电容cc组成；第一补偿开关管sc1的源极与第二补偿开关管sc2的源极相连；第一补偿开关管sc1的漏极、电容cc的一端与第二耦合机构的第一输入端相连；第二补偿开关管sc2的漏极与电容cc的另一端相连作为有源补偿电路的第一输出端；第二耦合机构的第二输出端与有源补偿电路第二输入端相连，第二输入端在有源补偿电路内部没有连接任何器件，直接输出作为有源补偿电路第二输出端，另外两种有源补偿电路分别如图3、图4所示。

在本发明实施例中，第二桥式电路22包括：第一车端开关管qs1、第二车端开关管qs2、第三车端开关管qs3、第四车端开关管qs4与直流滤波电容cdc；其中第一车端开关管qs1源极、第二车端开关管qs2的漏极与所述第二耦合机构的第二输出端相连；第三车端开关管qs3的源极、第四车端开关管qs4的漏极与所述第二耦合机构的第一输出端相连；第一车端开关管qs1与第三车端开关管qs3的漏极与直流滤波电容cdc的一端相连作为第二桥式电路的第一输出端；第二车端开关管qs2与第四车端开关管qs4的源极与直流滤波电容cdc的另一端相连作为第二桥式电路的第二输出端。

在本发明实施例中，双向dc-dc电路23包括：第一至第八车端晶体管ss1-ss8、第二耦合电感lc2与输出滤波电容co；其中第一车端晶体管ss1和第三车端晶体管ss3的漏极与所述第二桥式电路的第一输出端相连，第二车端晶体管ss2和第四车端晶体管ss4的源极与所述第二桥式电路的第二输出端相连；第一车端晶体管ss1的源极、第二车端晶体管ss2的漏极与第二耦合电感lc2的第一输入端相连；第三车端晶体管ss3的源极、第四车端晶体管ss4的漏极与第二耦合电感lc2的第二输入端相连；第二耦合电感lc2的第一输出端与第五车端晶体管ss5的源极、第六车端晶体管ss6的漏极连接；第二耦合电感lc2的第二输出端与第七车端晶体管ss7的源极、第八车端晶体管ss8的漏极连接；第五车端晶体管ss5、第七车端晶体管ss7的漏极与输出滤波电容co的一端相连作为第二电路第一输出端，连至电池正极；第六车端晶体管ss6、第八车端晶体管ss8的源极与输出滤波电容co的另一端相连作为第二电路第二输出端，连至电池负极。

在本发明实施例中，第二控制电路24包括：can通讯单元240、采样调理单元241、隔离驱动单元242、无线收发器243和dsp单元244；其中can通讯单元一端与dsp单元ecan模块相连，另一端作为调试接口，在线监测汽车状态信息；采样调理单元一端与dsp单元adc模块相连，另一端分别与电压、电流传感器(未标示)相连，将电网侧电路中电压、电流信息采集后汇总至dsp；隔离驱动单元一端与dsp单元epwm模块相连，另一端分别与开关器件门极和源极相连，控制开关器件导通或关断。

在本发明实施例中，电动汽车无线充放电系统电网侧电压85vac～265vac，汽车侧电池电压60v～500v，额定输出功率6.6kw。电路中开关器件可以为igbt、sicmosfet与ganhemt，耦合电感lc1与lc2选取pc95材质ee型铁氧体磁芯绕制，双向ac-dc电路与双向dc-dc电路开关频率50khz，第一与第二桥式电路开关频率85khz；系统在额定负载运行时输入功率因数大于0.998，输入电流thd小于3％，额定运行时电网至电池的系统转换效率大于92％。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。