一种用于电动汽车的无线充电系统的制作方法
本发明涉及电源技术领域，特别是一种用于电动汽车的无线充电系统。
背景技术：
随着我国节能减排政策的推进，新能源车辆得到了广泛应用，特别是电动车辆，采用电力驱动，不产生排放污染，是实现交通运输方面节能减排的重大措施。目前电动车辆电池能量的补充方式大致有三类：第一类是有线式充电方式，采用充电插座、充电枪、充电桩等充电设备为电动车辆的电池充电；第二类是无线充电方式，采用无线充电系统为电动车辆的电池充电；第三类是直接利用电量充足的电池组更换电动车辆的电池组。
目前应用最广泛的电动车辆电池能量的补充方式为有线式充电方式，特别是应用在集中式停车场充电站中，电动车辆集中停放在停车场中车位中，停车场工作人员人为连接电动车辆与充电设备之间的充电线路(例如将充电设备的充电头连接到待充电的电动车辆上)以实现对充电车辆电池的能量补充，但是，利用此种充电方式需要耗费大量的人力物力以及时间成本。
但采用无线充电系统为电动车辆的电池充电，由于汽车的种类繁多，汽车内的储能电池的输入电压以及可接受的输入功率各有差异；故需要提供一种对汽车不同种类电池的兼容性较好且还能具有足够高的充电效率的无线充电系统是亟需解决的问题。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明旨在提供一种用于电动汽车的无线充电系统，旨在确定电动汽车接收条件允许下的最大传输功率以及提高汽车无线充电系统的传输效率。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了一种用于电动汽车的无线充电系统，包括位于桩体侧的第一整流桥、第一级调压器、第二级调压器、并联在第一级调压器与第二级调压器端口之间中间电容、逆变器、原边无功补偿器、原边发射器、用于驱动第一级调压器和第二级调压器工作的第一驱动模块、用于驱动逆变器工作的第二驱动模块、用于与车载端的副边通信器进行通信的原边通信器以及原边控制器；还包括位于车载侧的副边接收器、副边无功补偿器、第二整流桥、用于空载或低载保护的开路保护继电器、用于与桩体侧的原边通信器进行通信的副边通信器以及副边控制器；
其中，所述原边控制器控制所述第一级调压以及所述第二级调压将整流桥输出的直流电进行电压调节至目标电压；所述逆变器将进行过电压调节后的直流电逆变成为交流电，所述交流电再经过原边无功补偿器后，通过所述原边发射器发射、副边接收器接收传输至副边无功补偿器；所述副边控制器，控制所述第二整流桥将交流电整流成直流电后，输出给汽车的储能电池；
所述副边控制器还用来获取储能电池的所需接收功率，并生成最大车载可接受功率的信息给副边通信器，由副边通信器发射至原边控制器中，原边控制器包括功率门限单元，所述功率门限单元计算出系统在第二级调压器未接入的情况下的可传输的最大传输功率，将最大车载可接受功率与系统的最大传输功率进行比较，若系统的最大传输功率满足车载的最大车载可接受功率，则原边控制器继续控制所述第二调压器不工作；若否，则控制第二调压器进行工作对逆变器的输入电压进行调节。
优选地，所述第一整流桥的的第一输入端以及第二输入端连接市电，所述第一整流桥的第一输出端以及第二输出端分别与所述第一级调压器的第一输入端以及第二输入端连接；所述第一级调压器的第一输出端以及第二输出端分别与所述第二级调压器的第一输入端以及第二输入端连接；所述中间电容的一端连接第一级调压器的第一输出端，另一端连接第一级调压器的第二输出端；所述第二级调压器的第一输出端以及第二输出端分别与逆变器的第一输入端以及第二输入端连接；所述逆变器的第一输出端以及第二输出端分别与所述原边无功补偿器的第一输入端以及第二输入端连接；所述原边无功补偿器的第一输出端以及第二输出端分别与所述原边发射器的第一输入端以及第二输入端连接；
所述副边接收器与所述原边发射器通过电磁耦合连接，所述副边接收器的第一输出端以及第二输出端分别与所述副边无功补偿器的第一输入端以及第二输入端连接；所述副边无功补偿器的第一输出端以及第二输出端分别与所述第二整流桥的第一输入端以及第二输入端连接；所述第二整流桥的第一输出端以及第二输出端分别与储能电池的正负极连接；
所述桩体侧的原边控制器分别与所述第一驱动模块的受控端、所述第二驱动模块的受控端以及旁路开关模块的受控端连接，所述第一驱动模块分别驱动所述第一级调压器以及第二调压器进行工作状态的调节；所述第二驱动模块用来产生触发信号驱动逆变器工作；所述车载侧的副边控制器的控制端分别与所述开路保护继电器的受控端以及第二整流桥的受控端进行连接。
优选地，所述第一级调压器为升降压型dc/dc变换器；所述第二级调压器为具有四项交错式pfc电路拓扑结构的boost升压变换器。
优选地，所述无线充电系统还包括电池管理器，所述电池管理器的输出端与副边控制器的输入端连接；所述电池管理器的第一输入端与第二输入端分别与第二整流桥的第一输出端以及第二输出端连接。
优选地，所述无线充电系统还包括旁路开关模块，其中所述副边控制器监控电池管理器发出的的关断输出请求，并将该关断输出请求信号通过副边通信器发送至原边控制器，所述原边控制器控制旁路开关模块工作将第二级调压进行旁路，用来在最短的时间内降低逆变器的输入电压，进而迅速的降低无线充电系统的输出功率。
优选地，所述原边控制器与所述副边控制器均包括用于采样监测电压、电流信号的采样监测模块以及控制模块，所述采样监测器与控制模块之间电连接。
优选地，所述功率门限单元计算系统在第二级调压器未接入的情况下的可传输的最大传输功率的计算公式为：
式中，w0为无线充电系统的设定谐振频率；l1为原边发射器内部的谐振电感的电感值；l2为副边接收器内部的谐振电感的电感值；lf1为原边无功补偿器中补偿电感的电感值；lf2为副边无功补偿器中补偿电感的电感值；m为谐振电感与补偿电感之间的互感影响因子；k为原边发射器内部的谐振电感与副边接收器内部的谐振电感之间的耦合系数；vabmax为仅采用第一级调压器调压时原边无功补偿器输入端的最大输入电压；vout为车载侧储能电池的请求输入电压。
本发明的有益效果为：本发明通过设置第一整流桥、第一级调压器、中间电容、第二级调压器、逆变器、原边无功补偿器、原边发射器、原边控制器、副边接收器、副边无功补偿器、第二整流桥和副边控制器，形成了一种用于电动汽车的无线充电系统；原边控制器通过对储能电池的请求输入电压以及最大车载可接受功率的获取，进而由功率门限单元对所述无线充电系统的最大传输功率进行计算，比较所述最大传输功率与最大车载可接受功率，若最大传输功率小于最大车载可接受功率，则由控制模块控制第二调压器工作，升高逆变器的输入电压，进而增大所述无线充电系统的最大传输功率，以满足车载侧电池的最大接受功率，实现系统在车载电池接收条件允许下以较大的传输功率进行传输。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1为本发明的一个优选实施例中的无线充电系统的功能模块图；
图2为本发明一个优选实施例中原边无功补偿器、原边发射器以及副边接收器、副边补偿器内部的电路结构示意图。
具体实施方式
结合以下应用场景对本发明作进一步描述。
在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种用于电动汽车的无线充电系统，用于给电动汽车的储能电池进行高效率的充电。
参见图1，本实施例中，所述用于电动汽车的无线充电系统，包括位于桩体侧的第一整流桥、第一级调压器、第二级调压器、并联在第一级调压器与第二级调压器端口之间中间电容、逆变器、原边无功补偿器、原边发射器、用于驱动第一级调压器和第二级调压器工作的第一驱动模块、用于驱动逆变器工作的第二驱动模块、用于与车载端的副边通信器进行通信的原边通信器以及原边控制器；还包括位于车载侧的副边接收器、副边无功补偿器、第二整流桥、用于空载或低载保护的开路保护继电器、用于与桩体侧的原边通信器进行通信的副边通信器以及副边控制器；
其中，所述原边控制器控制所述第一级调压以及所述第二级调压将整流桥输出的直流电进行电压调节至目标电压；所述逆变器将进行过电压调节后的直流电逆变成为交流电，所述交流电再经过原边无功补偿器后，通过所述原边发射器发射、副边接收器接收传输至副边无功补偿器；所述副边控制器，控制所述第二整流桥将交流电整流成直流电后，输出给汽车的储能电池；
所述副边控制器还用来获取储能电池的所需接收功率，并生成最大车载可接受功率的信息给副边通信器，由副边通信器发射至原边控制器中，原边控制器包括功率门限单元，所述功率门限单元计算出系统在第二级调压器未接入的情况下的可传输的最大传输功率，将最大车载可接受功率与系统的最大传输功率进行比较，若系统的最大传输功率满足车载的最大车载可接受功率，则原边控制器继续控制所述第二调压器不工作；若否，则控制第二调压器进行工作对逆变器的输入电压进行调节。
本实施例中，所述功率门限单元计算系统在第二级调压器未接入的情况下的可传输的最大传输功率pmax的计算公式为：
式中，w0为无线充电系统的设定谐振频率；l1为原边发射器内部的谐振电感的电感值；l2为副边接收器内部的谐振电感的电感值；lf1为原边无功补偿器中补偿电感的电感值；lf2为副边无功补偿器中补偿电感的电感值；m为谐振电感与补偿电感之间的互感影响因子；k为原边发射器内部的谐振电感与副边接收器内部的谐振电感之间的耦合系数；vabmax为仅采用第一级调压器调压时原边无功补偿器输入端的最大输入电压；vout为车载侧储能电池的请求输入电压。
本发明技术方案通过设置了第一整流桥、第一级调压器、中间电容、第二级调压器、逆变器、原边无功补偿器、原边发射器、原边控制器、副边接收器、副边无功补偿器、第二整流桥和副边控制器，形成了一种用于电动汽车的无线充电系统；原边控制器通过对储能电池的请求输入电压以及最大车载可接受功率的获取，进而由功率门限单元对所述无线充电系统的最大传输功率进行计算，比较所述最大传输功率与最大车载可接受功率，若最大传输功率小于最大车载可接受功率，则由控制模块控制第二调压器工作，升高逆变器的输入电压，进而增大所述无线充电系统的最大传输功率，以满足车载侧电池的最大接受功率，实现系统在车载电池接收条件允许下以较大的传输功率进行传输。
本实施例中，所述第一整流桥的的第一输入端以及第二输入端连接市电，所述第一整流桥的第一输出端以及第二输出端分别与所述第一级调压器的第一输入端以及第二输入端连接；所述第一级调压器的第一输出端以及第二输出端分别与所述第二级调压器的第一输入端以及第二输入端连接；所述中间电容的一端连接第一级调压器的第一输出端，另一端连接第一级调压器的第二输出端；所述第二级调压器的第一输出端以及第二输出端分别与逆变器的第一输入端以及第二输入端连接；所述逆变器的第一输出端以及第二输出端分别与所述原边无功补偿器的第一输入端以及第二输入端连接；所述原边无功补偿器的第一输出端以及第二输出端分别与所述原边发射器的第一输入端以及第二输入端连接；
所述副边接收器与所述原边发射器通过电磁耦合连接，所述副边接收器的第一输出端以及第二输出端分别与所述副边无功补偿器的第一输入端以及第二输入端连接；所述副边无功补偿器的第一输出端以及第二输出端分别与所述第二整流桥的第一输入端以及第二输入端连接；所述第二整流桥的第一输出端以及第二输出端分别与储能电池的正负极连接；
所述桩体侧的原边控制器分别与所述第一驱动模块的受控端、所述第二驱动模块的受控端以及旁路开关模块的受控端连接，所述第一驱动模块分别驱动所述第一级调压器以及第二调压器进行工作状态的调节；所述第二驱动模块用来产生触发信号驱动逆变器工作；所述车载侧的副边控制器的控制端分别与所述开路保护继电器的受控端以及第二整流桥的受控端进行连接。
本实施例中，所述第一级调压器为升降压型dc/dc变换器；所述第二级调压器为具有四项交错式pfc电路拓扑结构的boost升压变换器。
本实施例中，所述无线充电系统还包括电池管理器，所述电池管理器的输出端与副边控制器的输入端连接；所述电池管理器的第一输入端与第二输入端分别与第二整流桥的第一输出端以及第二输出端连接。
本实施例中，所述无线充电系统还包括旁路开关模块，其中所述副边控制器监控电池管理器发出的的关断输出请求，并将该关断输出请求信号通过副边通信器发送至原边控制器，所述原边控制器控制旁路开关模块工作将第二级调压进行旁路，用来在最短的时间内降低逆变器的输入电压，进而迅速的降低无线充电系统的输出功率。本实施例中所述旁路开关可采用继电器、接触器、igbt等可控开关器件。
本实施例中，所述原边控制器与所述副边控制器均包括用于采样监测电压、电流信号的采样监测模块以及控制模块，所述采样监测模块与控制模块之间电连接。
参见图2，本实施例中，所述原边无功补偿器中为lcc型无功补偿电路，所述原边发射器为lc谐振电路；具体有：所述逆变器的第一输出端接补偿电感lf1的输入端；补偿电容cf1一端接补偿电感lf1的输出端，另一端接逆变器的第二输出端；第一电容c1的一端连接到补偿电感lf1的输出端，另一端连接至发射线圈l1的输入端；所述发射线圈l1的输出端连接至逆变器的第二输出端；可见，原边无功补偿器与原边发射器共用了第一电容c1；所述副边无功补偿器中为lcc型无功补偿电路，所述副边接收器为lc谐振电路，所述原边无功补偿器及原边发射器分别与副边无功补偿器及副边接收器在电路结构上对称，且副边无功补偿器与副边接收器共用了第二电容c2。
本实施例中，所述控制模块用于在无线充电系统工作时对系统工作状态进行控制调节，包括有用于对副边的第二电容进行修正调节以保证原边的全桥逆变器工作在零电压开关状态的电容调节单元，以及还包括用于调节副边无功补偿器的输出电流以保证无线充电系统在最大传输效率下进行传输的电流调节单元。
本实施例中，所述第一电容与所述第二电容的两侧并联有多个调节电容支路，本实施例中，设定为3个调节电容支路；所述调节电容支路包括调节电容ck以及与电容对应的可控开关；通过调节可控开关的开关即可实现将调节电容并入第一电容或第二电容的两侧，其中，第一电容与第二电容两侧的多个调节电容支路保持同步调节动作，如此，即可实现对第一电容或第二电容的修正调节。
本实施例中，所述逆变器为全桥逆变器，所述无线充电系统刚开始的初始工作状态为逆变器工作在初始设定频率w0的工作频率上，此时，检测全桥逆变器中的mosfet开关管是否工作在零电压开通的状态，若是，则继续保持该工作状态；若不是，则通过电容调节单元进行调节，具体为：
(1)采集无线充电系统在设定工作频率w0工作下的原边无功补偿器输入端的实际输入电压以及副边无功补偿器输出端的实际输出电压；
(2)电容调节单元获取采集到的实际输入电压以及实际输出电压，计算电容调节量：
式中,δc为计算出来的电容调节量，w0为无线充电系统工作在的设定谐振频率；c1为第一电容；vab为原边无功补偿器输入端的实际输入电压；vab为副边无功补偿器输出端的实际输出电压；izvs为mosfet开关管达到零电压关断时流过对应开关管的理论电流值；γ为设计裕量；k为原边发射线圈与副边接收线圈的耦合系数；lf1为原边无功补偿电感；lf2为副边补偿电感；l1为原边发射线圈的电感；pmax为最大可传输的功率。
(3)根据计算得到的电容调节量去控制并联在第二电容两端的调节电容支路对应的可控开关；相应的也根据所述电容调节量去同步控制并联在第一电容两端的调节电容支路对应的可控开关，以实现对第一电容和第二电容的调整。
(4)调整后，其原边发射器与副边接收器之间的谐振频率也产生微小的变化，此时，控制模块更新全桥逆变器的工作频率w0为变化后的谐振频率wc；并通过第二驱动模块驱动全桥逆变器工作在工作频率为wc的状态下。
本优选实施例中，设计了一种原边无功补偿器和副边无功补偿器的补偿电路，通过分别在第一电容和第二电容的两端并联调节电容支路，通过电容调节单元获取得到电容的调节量，并通过可控开关控制调节电容支路的切入或切除，实现对第一电容和第二电容的调节，进而保证全桥逆变器中的mosfet开关管工作在零电压开通的状态。
本实施例中，所述电池的充电电压经过所述第一级调压器以及第二级调压器的调节后确定，调节过后，所述充电电压在充电前后，其幅值波动不大；当电池由均充转浮充或浮充转均充时，都存在负载的变化以及输出功率的变化，进而导致系统的传输效率也会造成波动，故在无线充电系统的工作过程中，尤其是充电状态的切换过后，需要对无线充电系统的能量传输效率进行调节，使其回归至能量传输效率较高的工作状态上去。
对此，本实施例中，所述电流调节单元首先对无线充电系统进行了电路拓扑建模分析，并基于此，设计了所述无线充电系统的传输效率的计算公式：
式中，所述η代表无线充电系统的传输效率；req为第二整流桥以及电池负载等效到副边无功补偿器输出端的等效电阻，可通过
通过分析求解该传输效率的计算公式的极值，可以得到所述无线充电系统获得最大传输效率的条件为副边无功补偿器输出端的输出电流达到电流设定值，即：
故该无线充电系统想要获取最大的传输效率，首先需要通过采样监测模块对副边无功补偿器输出端的输出电流进行实时采集监控，将监控的所述输出电流送至控制模块，控制模块中的差控调理电路通过将所述输出电流与所述电流设定值比较获取其差模，经过处理产生反馈信号，第二驱动模块接受反馈信号对全桥逆变器中的开关管在一个开关周期内的开通时间进行调整，使得副边无功补偿器输出端的输出电流值接近电流设定值，通过如此调节，来保证无线充电系统在较高的传输效率下工作。
本优选实施例，基于电路的等效原理对电路进行建模，分析设计了无线充电系统的传输效率的计算公式，并依据该传输效率的计算公式确定了系统获得最大传输效率的条件，依据该条件对系统中对应副边无功补偿器输出端的输出电流进行检测，并在原边控制器内进行反馈控制，使得充电系统被调节至最大传输效率的工作状态上；通过上述方式，调节速度快，计算量小，实现了对充电系统的传输效率的提高。
本优选实施例中，通过设置第一整流桥、第一级调压器、中间电容、第二级调压器、逆变器、原边无功补偿器、原边发射器、原边控制器、副边接收器、副边无功补偿器、第二整流桥和副边控制器，形成了一种用于电动汽车的无线充电系统，该无线充电系统可工作在较高的传输功率上，且可以保证原边全桥逆变器工作在零电压开通的状态，并使得所述无线充电系统的传输效率通过调节得以很大提高。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当分析，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
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