一种电动汽车无线充电系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种电动汽车无线充电系统及控制方法，涉及无线电能传输领域，该系统中PFC模块将自电网的工频交流电压变换为中间级直流电压；高频逆变器对中间级直流电压进行逆变；可投切拓扑结构包括：辅助电感L

【技术实现步骤摘要】
一种电动汽车无线充电系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及无线电能传输领域，特别是涉及一种电动汽车无线充电系统及控制方法。

技术介绍

[0002]无线电能传输(WirelessPowerTransfer，WPT)技术通过磁场耦合实现非接触式能量传输，凭借其便捷、安全等优点近年来备受关注，尤其广泛地应用于电动汽车。
[0003]磁耦合线圈(或称作传输线圈)和补偿网络是无线充电系统的重要组成部分，且种类各异。不同类型的线圈需要相互兼容并且耦合足够的磁通量才能满足功率传输需求；不同类型的补偿拓扑及参数需要适配才能保证传输功率不低于国标要求。
[0004]无线充电系统的磁耦合线圈主要分为单极性线圈、双极性线圈和复合线圈。单极性线圈中，因为矩形能够更充分地利用车辆底盘空间，所以应用较多；双极性线圈以DD线圈为主要代表；复合线圈种类较多，典型的为BP、DDQ和TQP等线圈。
[0005]单极性线圈的磁通量分布主要体现为垂直模式，双极性线圈的则体现为平行模式。不同极性的线圈之间互操作性(即兼容性)较差，因为磁耦合线圈耦合的磁通量较少，难以满足功率传输的前提条件。因此，常见的线圈组合为单极性
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单极性、双极性
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双极性。若采用单极性
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双极性的组合，当两线圈中心对齐的条件下耦合的磁通量为零，只有在偏移时才能耦合一定磁通量(且效果逊于同极性线圈组合，难以保证达到耦合系数下限)。针对该问题，提出了复合线圈的概念，其根据激励电流的类型，可以产生垂直磁通量或者平行磁通量，或者产生混合磁通量，但是复合线圈需要消耗更多的线圈、磁芯材料，且往往需要两套及以上的电力电子变换器进行驱动，控制难度大。
[0006]电动汽车磁耦合器的典型耦合系数k在0.2～0.4左右，为了在松耦合系统高效地传输电能，需要对磁耦合线圈进行无功补偿，形成高频谐振网络。补偿网络能够有效降低发射端逆变器的视在功率等级和谐振腔的无功功率，提高功率传输能力；还可以实现恒流/恒压输出，提高传输效率，抵抗频率分岔现象。
[0007]根据补偿电容/电感与磁耦合线圈的连接方式，主要有串联(Series，S)补偿、并联(Parallel，P)补偿、串并联(LCL)补偿以及在此基础上衍生的LCC补偿等类型。其中L为传能线圈，C、C、Lf、Cf均为补偿元件，下标1和2分别代表地面端和车载端。由于P补偿需要电流源型逆变器供电，与其他拓扑的互操作性较差，且谐振电容值C受互感变化的影响，因此实际应用较少。LCL拓扑在应用中同样存在局限性：
①
为形成T型谐振网络，需要保证补偿电感Lf与传能线圈的自感L相等，若不一致将引起谐振频率的偏差；
②
较大的补偿电感还增加了系统的尺寸和成本；
③
LCL拓扑的最大输出功率有限。而LCC拓扑在保留LCL拓扑优势的同时，解决了其输出功率偏小的问题，提高了参数设计的自由度。综上所述，S和LCC补偿拓扑更为适合电动汽车无线充电系统，研究表明S
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S，LCC
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S，S
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LCC，LCC
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LCC补偿网络的互操作性较好。
[0008]现有技术的专利CN114520544A提出了一种具有兼容性的无线电能传输耦合机构，
通过将发射线圈分为四部分并在线圈中间添加磁芯，并按照不同方式连接可产生垂直于发射端的磁场或者平行于发射端的磁场，适用于多种接收端线圈类型(扁平螺线管型接收端、平面螺旋型接收端、以及空间螺旋型接收端)，从而提高了无线电能传输耦合机构的互操作性。该专利技术本质上提出了一种复合线圈，其主要缺点体现在消耗了更多的线圈、磁芯材料；不同的接收端线圈类型需要不同的连接方式，切换繁琐，实际应用难度高。此外，该技术方案未解决补偿拓扑的互操作性问题。
[0009]专利CN110875635A提出了一种用于提升电动汽车无线充电互操作性的发射线圈阵列控制方法，具有与不同类型接收线圈之间实现互操作性等特点。其根据接收线圈的类型，使用不同的激励电流模式来驱动主线圈L1和L2，从而实现发射线圈磁通方向可控，与圆形和双极型两种接收线圈均具有互操作性。该专利技术使用的线圈为复合线圈BP，需使用两套DC
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DC调压电路、全桥逆变器和补偿网络以单独/共同驱动发射线圈，整体结构和控制算法复杂，且显著增加了系统的成本和体积。
[0010]专利CN109774520A提出了提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法。采用控制器、发射端和接收端建立系统电路模型，根据获取矩形和DD线圈互操作时满足充电要求的耦合系数和计算得到的耦合系数，调节发射端位置，进一步使得XY方向的耦合系数无限接近矩形和DD线圈互操作时满足充电要求的耦合系数。该专利技术基于变步长的“扰动
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观测”算法，不需要进行复杂的数学计算，不需要额外的通信电路，仅通过发射端或地面设备参数的测量可实现耦合系数预测，并将其作为位置调节的依据，简化了系统结构，避免了强磁场对无线通信的干扰。该专利技术提出的算法流程能够在一定程度提升单极性线圈和双极性线圈的互操作性(通过位置调整来增大耦合的磁通量)，但是由于线圈极性不同，相较于同类线圈的系统，其最大传输效率受到限制；另一方面，为了不断调整发射线圈的位置，需要额外的机械移动装置。
[0011]专利CN115580031A提出了一种具有互操作性的无线充电系统的方法，系统的接收端线圈为由四个独立的矩形子线圈L2、L3、L4和L5构成的田字形线圈；无线充电系统的发射端线圈面积与接收端线圈相同，发射端线圈的形状为方形、双极型或田字形；无线充电系统接收端整流器与接收端线圈的连接结构在等效模型中的互感值，为发射端线圈对接收端的四个矩形子线圈的互感值的绝对值相加；该专利技术能实现对多种发射线圈的兼容，并且能实现更大的功率传输和更高的效率。该专利技术在接收端使用的线圈本质为复合线圈，结构复杂，消耗了较多的线圈、磁芯材料。此外，四个独立方形线圈均配有补偿网络，从而显著增加了车载端的成本、体积和种类。
[0012]专利CN112994269A提出了一种提升系统互操作性的无线电能传输装置与控制方法，装置包括依次级联的功率因数校正电路、逆变电路、谐振单元、整流电路、滤波电路与负载，还包括源侧调节器、逆变模式控制器与载侧调节器。该专利技术通过切换逆变电路与整流电路的工作模式，配合母线电压调节与可控整流技术，实现了无线电能传输系统的互操作与高效率电能传输，能够在宽负载范围、宽耦合系数范围内满足多档功率等级传输需求。该专利技术用一套装置满足了EV WPT系统车载端设备的三类功率等级与三类传能距离的互操作需求，且在电路拓扑方面无需增加额外的电路元件，有效减小系统成本和安装空间，具有高性价比优势。该专利技术主要解决了不同功率等级、传能距离下的互操作性需求，但是面对使用不同线圈和补偿拓扑类型的其他接收端设备，不能保证磁路和电路的兼容性。
[0013]在磁路方面，现有专利技术提出使用复合线圈增强互本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电动汽车无线充电系统，其特征在于，包括：PFC模块、高频逆变器、可投切拓扑结构、接收线圈、副边补偿网路、整流模块以及斩波模块；所述PFC模块与电网连接；所述PFC模块用于将自电网的工频交流电压变换为中间级直流电压；所述高频逆变器的输入端与所述PFC模块的输出端连接，所述高频逆变器的输出端与所述可投切拓扑结构的输入端连接；所述高频逆变器用于对中间级直流电压进行逆变，产生高频交流电；所述可投切拓扑结构包括：辅助电感L
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、主电感L1以及开关K1；辅助电感L
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与主电感L1并联，主电感L1与开关K1串联；辅助电感L
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和主电感L1均为正交解耦线圈；所述可投切拓扑结构用于根据车载端设备的构型控制开关K1的通断，进而实现通过辅助电感L
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传能或主电感L1传能；所述车载端设备的构型包括：车载端设备的线圈类型和补偿拓扑种类；所述接收线圈在交变磁场的影响下，感应出高频交流电压，并与副边补偿网络形成谐振，进而将高频交流电压通过整流模块以及斩波模块传递至电池进行充电。2.根据权利要求1所述的一种电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述辅助电感L
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为矩形线圈，主电感L1为DD线圈。3.根据权利要求1所述的一种电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述辅助电感L
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为DD线圈，主电感L1为矩形线圈。4.根据权利要求1所述的一种电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述开关K1为继电器或双向功率...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓钧君，张保坤，王震坡，袁晓冬，缪惠宇，王明深，韩华春，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：