一種電動(dòng)汽車無(wú)線充電電路的制作方法

本實(shí)用新型涉及電動(dòng)汽車領(lǐng)域，特別涉及一種電動(dòng)汽車無(wú)線充電電路。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著全球電動(dòng)汽車保有量的迅速增加，充電樁、充電站等電動(dòng)汽車充電設(shè)備的需求也越來(lái)越大，目前電動(dòng)汽車的充電方式主要是有線充電方式，然而常規(guī)的有線充電方式存在很多不足：充電設(shè)備引線過(guò)長(zhǎng)；占地面積和占用空間大；人工操作繁瑣，操作過(guò)程中會(huì)帶來(lái)設(shè)備的過(guò)度磨損以及不安全性問(wèn)題。電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)可以很好地解決上述問(wèn)題，從而得到了廣泛關(guān)注。

所謂無(wú)線充電，即在沒(méi)有電纜的情況下，靠電磁場(chǎng)合其他的物質(zhì)進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸。目前常見(jiàn)的電動(dòng)汽車無(wú)線充電方案主要包括磁感應(yīng)式無(wú)線充電和磁共振式無(wú)線充電。其中，磁感應(yīng)式無(wú)線充電技術(shù)線圈間互感較大，近距離傳輸效率高，但整個(gè)系統(tǒng)對(duì)線圈的相對(duì)水平位移非常敏感，不適合用于遠(yuǎn)距離的無(wú)線充電。相比于磁感應(yīng)式，磁共振式無(wú)線傳輸?shù)碾娐吠負(fù)渚哂姓{(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)互感補(bǔ)償和頻率調(diào)諧，可以實(shí)現(xiàn)中等距離電能傳輸。

因此，近幾年磁共振式無(wú)線充電成為電動(dòng)汽車無(wú)線充電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。同時(shí)，磁共振式無(wú)線傳輸在充電效率上的提高，一直是科研工作者們研究的一種重點(diǎn)方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的就是為了克服常規(guī)有線充電技術(shù)的缺陷，提出一種電動(dòng)汽車無(wú)線充電電路，旨在提高電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的傳輸效率和控制性能。

本實(shí)用新型的目的通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種電動(dòng)汽車無(wú)線充電電路，包括基建側(cè)和車載側(cè)，所述基建側(cè)包含第一整流濾波電路、高頻逆變電路和第一串聯(lián)諧振電路；車載側(cè)包含第二串聯(lián)諧振電路、第二整流濾波電路和DC-DC變換器；其中

所述第一整流濾波電路的輸入端連接至電網(wǎng)，用于將電網(wǎng)電壓整流成直流電壓；

所述高頻逆變電路的輸入端連接至所述第一整流濾波電路的輸出端，用于將所述第一整流濾波電路輸出的直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓方波；

所述第一串聯(lián)諧振電路的輸入端連接至所述高頻逆變電路的輸出端；

所述第二串聯(lián)諧振電路的輸出端連接至所述第二整流濾波電路的輸入端；

所述第二整流濾波電路的輸入端連接至所述第二串聯(lián)諧振電路的輸出端，用于將所述第二串聯(lián)諧振電路輸出的交流電壓整流成直流電壓；

所述DC-DC變換器的輸入端連接至所述第二整流濾波電路，用于將所述第二整流濾波電路的直流輸出電壓變換成車載動(dòng)力電池充電所需的額定電壓；

所述第一串聯(lián)諧振電路與第二串聯(lián)諧振電路對(duì)稱設(shè)置，通過(guò)耦合實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸。

所述第一串聯(lián)諧振電路包括依次串聯(lián)連接的發(fā)射線圈L₁和第一電子電容電路，連接至高頻逆變電路的輸出端；所述第二串聯(lián)諧振電路包括依次串聯(lián)連接的接收線圈L₂和第二電子電容電路，連接至第二整流濾波電路的輸入端；所述發(fā)射線圈L₁與所述接收線圈L₂通過(guò)高頻磁共振方式，電能從發(fā)射線圈L₁傳遞到接收線圈L₂，所述發(fā)射線圈L₁與接收線圈L₂對(duì)稱設(shè)置，通過(guò)耦合實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸。

所述第一電子電容電路包括第一MOSFET開(kāi)關(guān)管、第二MOSFET開(kāi)關(guān)管、第三MOSFET開(kāi)關(guān)管、第四MOSFET開(kāi)關(guān)管和第一直流電容C₁；其中，第一MOSFET開(kāi)關(guān)管的漏極與第一直流電容C₁的正極相連，第一MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極與第三MOSFET開(kāi)關(guān)管的漏極相連；第二MOSFET開(kāi)關(guān)管的漏極與第一直流電容C₁的正極相連，第二MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極與第四MOSFET開(kāi)關(guān)管的漏極相連；第三MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極與第一直流電容C₁的負(fù)極相連；第四MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極與第一直流電容C₁的負(fù)極相連；第一電子電容電路的兩端分別從第一MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極和第二MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極引出。

所述第二電子電容電路包括第五MOSFET開(kāi)關(guān)管、第六MOSFET開(kāi)關(guān)管、第七M(jìn)OSFET開(kāi)關(guān)管、第八MOSFET開(kāi)關(guān)管和第二直流電容C₂；其中，第五MOSFET開(kāi)關(guān)管的漏極與第二直流電容C₂的正極相連，第五MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極與第七M(jìn)OSFET開(kāi)關(guān)管的漏極相連；第六MOSFET開(kāi)關(guān)管的漏極與第二直流電容C₂的正極相連，第六MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極與第八MOSFET開(kāi)關(guān)管的漏極相連；第七M(jìn)OSFET開(kāi)關(guān)管的源極與第二直流電容C₂的負(fù)極相連；第八MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極與第二直流電容C₂的負(fù)極相連；第二電子電容電路的兩端分別從第五MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極和第六MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極引出。

一種電動(dòng)汽車無(wú)線充電電路的控制方法，包括下述步驟：

S1、設(shè)置高頻逆變電路的工作角頻率初始值ω₀，依次調(diào)節(jié)第一電子電容電路和第二電子電容電路，使得第一串聯(lián)諧振電路和第二串聯(lián)諧振電路工作在磁共振狀態(tài)，測(cè)得發(fā)射線圈L₁和接收線圈L₂之間的互感M；

S2、調(diào)節(jié)高頻逆變電路的輸出角頻率其中，R₁、R₂、R_eq分別為第一串聯(lián)諧振電路等效寄生電阻、第二串聯(lián)諧振電路等效寄生電阻、車載側(cè)第二串聯(lián)諧振電路后級(jí)的等效阻抗；

S3、依次調(diào)節(jié)第一電子電容電路和第二電子電容電路，使得第一串聯(lián)諧振電路和第二串聯(lián)諧振電路工作在磁共振狀態(tài)。

步驟S1和S3中，所述第一電子電容電路和第二電子電容電路的調(diào)節(jié)方法均采用移相角控制法，具體步驟為：

對(duì)于第一電子電容電路：

(1)根據(jù)諧振角頻率獲得諧振工作點(diǎn)的第一電子電容電路的等效電容值C_eq1；其中在步驟S1中，ω＝ω₀；在步驟S3中，ω＝ω₁；

(2)根據(jù)獲得控制關(guān)閉角α₁，其中，C₁為第一直流電容；

(3)由鎖相環(huán)測(cè)得電壓相位，采用移相角控制法控制所述第一電子電容電路，控制關(guān)閉角為；

對(duì)于第二電子電容電路：

(1)根據(jù)諧振角頻率獲得諧振工作點(diǎn)的第二電子電容電路的等效電容值C_eq2；其中在步驟S1中，ω＝ω₀；在步驟S3中，ω＝ω₁；

(2)根據(jù)獲得控制關(guān)閉角α₂，其中，C₂為第二直流電容；

(3)由鎖相環(huán)測(cè)得電壓相位，采用移相角控制法控制所述第二電子電容電路，控制關(guān)閉角為α₂。

步驟S1中，所述初始值ω₀為100KHZ。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：

本實(shí)用新型基于電磁共振和電子電容電路的等效原理，將電子電容電路等效為一個(gè)可變電容，通過(guò)計(jì)算不同車況下達(dá)到最大傳輸效率時(shí)的最優(yōu)諧振頻率，調(diào)節(jié)第一電子電容電路和第二電子電容電路，使第一串聯(lián)諧振電路和第二串聯(lián)諧振電路工作在磁共振狀態(tài)，因此，本實(shí)用新型的電動(dòng)汽車無(wú)線充電電路可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸?shù)碾p側(cè)補(bǔ)償，大大提高無(wú)線傳輸效率，具有良好的市場(chǎng)前景和經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說(shuō)明

圖1是電動(dòng)汽車無(wú)線充電電路的建設(shè)方案圖；

圖2是電動(dòng)汽車無(wú)線充電的總體結(jié)構(gòu)圖；

圖3是電子電容電路的控制圖；

圖4是整個(gè)無(wú)線充電系統(tǒng)的控制框圖；

圖5-1是無(wú)線傳輸一次側(cè)高頻逆變電路輸出電壓電流的仿真波形圖；

圖5-2是無(wú)線傳輸二次側(cè)第二串聯(lián)諧振電路輸出電壓電流的仿真波形圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式作詳細(xì)說(shuō)明。

圖1給出了本實(shí)用新型的電動(dòng)汽車磁共振式無(wú)線充電電路的建設(shè)方案圖，其中，基建側(cè)和車載側(cè)分離，基建側(cè)安裝在地面下方，發(fā)射線圈L₁靠近地面，當(dāng)車載側(cè)的接收線圈L₂處于發(fā)射線圈L₁上方時(shí)，可進(jìn)行無(wú)線充電。

圖2給出了電動(dòng)汽車磁共振式無(wú)線充電的總體結(jié)構(gòu)圖，基建側(cè)包含第一整流濾波電路、高頻逆變電路和第一串聯(lián)諧振電路；車載側(cè)包含第二串聯(lián)諧振電路、第二整流濾波電路和DC-DC變換器；

其中，所述第一整流濾波電路的輸入端連接至電網(wǎng)，用于將電網(wǎng)電壓整流成直流電壓；

其中，所述高頻逆變電路的輸入端連接至所述第一整流濾波電路的輸出端，用于將所述第一整流濾波電路輸出的直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓方波；

其中，所述第一串聯(lián)諧振電路的輸入端連接至所述高頻逆變電路的輸出端；

其中，所述第二串聯(lián)諧振電路的輸出端連接至所述第二整流濾波電路的輸入端；

其中，所述第二整流濾波電路的輸入端連接至所述第二串聯(lián)諧振電路的輸出端，用于將所述第二串聯(lián)諧振電路輸出的交流電壓整流成直流電壓；

其中，所述DC-DC變換器的輸入端連接至所述第二整流濾波電路，用于將所述第二整流濾波電路的直流輸出電壓變換成車載動(dòng)力電池充電所需的額定電壓。

其中，所述第一串聯(lián)諧振電路包括依次串聯(lián)連接的發(fā)射線圈L₁和第一電子電容電路；所述發(fā)射線圈L₁不與第一電子電容相連的一端與高頻逆變電路輸出端的負(fù)極相連，所述第一電子電容電路不與發(fā)射線圈L₁相連的一端與高頻逆變電路輸出端的正極相連。所述第二串聯(lián)諧振電路包括依次串聯(lián)連接的接收線圈L₂和第二電子電容電路；所述發(fā)射線圈L₂不與第二電子電容相連的一端與第二整流濾波電路的正輸入端相連，所述第二電子電容電路不與接收線圈L₂相連的一端與第二整流濾波電路的負(fù)輸入端相連；所述發(fā)射線圈L₁與所述接收線圈L₂通過(guò)高頻磁共振方式，電能從發(fā)射線圈L₁傳遞到接收線圈L₂。

其中，所述第一電子電容包括第一MOSFET開(kāi)關(guān)管Q₁、第二MOSFET開(kāi)關(guān)管Q₂、第三MOSFET開(kāi)關(guān)管Q₃、第四MOSFET開(kāi)關(guān)管Q₄和第一直流電容C₁；其中，第一MOSFET開(kāi)關(guān)管的漏極與第一直流電容C₁的正極相連，第一MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極與第三MOSFET開(kāi)關(guān)管的漏極相連；第二MOSFET開(kāi)關(guān)管的漏極與第一直流電容C₁的正極相連，第二MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極與第四MOSFET開(kāi)關(guān)管的漏極相連；第三MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極與第一直流電容C₁的負(fù)極相連；第四MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極與第一直流電容C₁的負(fù)極相連；第一MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極與高頻逆變電路輸出端的正極相連，第二MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極與發(fā)射線圈L₁一端相連。

其中，所述第二電子電容包括第五MOSFET開(kāi)關(guān)管Q₅、第六MOSFET開(kāi)關(guān)管Q₆、第七M(jìn)OSFET開(kāi)關(guān)管Q₇、第八MOSFET開(kāi)關(guān)管Q₈和第二直流電容C₂；其中，第五MOSFET開(kāi)關(guān)管的漏極與第二直流電容C₂的正極相連，第五MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極與第七M(jìn)OSFET開(kāi)關(guān)管的漏極相連；第六MOSFET開(kāi)關(guān)管的漏極與第二直流電容C₂的正極相連，第六MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極與第八MOSFET開(kāi)關(guān)管的漏極相連；第七M(jìn)OSFET開(kāi)關(guān)管的源極與第二直流電容C₂的負(fù)極相連；第八MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極與第二直流電容C₂的負(fù)極相連；第五MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極與接收線圈的一端相連，第六MOSFET開(kāi)關(guān)管的源極與第二整流濾波電路的負(fù)輸入端相連。

本實(shí)用新型電路的整個(gè)工作過(guò)程為：市電首先經(jīng)過(guò)第一整流濾波電路將交流AC轉(zhuǎn)化為直流電壓，接著經(jīng)過(guò)高頻逆變電路輸出高頻電壓方波，然后通過(guò)第一串聯(lián)諧振電路第二串聯(lián)諧振電路的磁共振將的一次側(cè)的電能傳輸?shù)蕉蝹?cè)，最后通過(guò)第二整流濾波電路和DC-DC變換器得到車載動(dòng)力電池充電所需的充電電壓進(jìn)而給車載動(dòng)力電池充電。

一種電動(dòng)汽車無(wú)線充電電路的控制方法，包括下述步驟：

S1、設(shè)置高頻逆變電路的工作角頻率初始值ω₀，依次調(diào)節(jié)第一電子電容電路和第二電子電容電路，使得第一串聯(lián)諧振電路和第二串聯(lián)諧振電路工作在磁共振狀態(tài)，測(cè)得發(fā)射線圈L₁和接收線圈L₂之間的互感M；

S2、調(diào)節(jié)高頻逆變電路的輸出角頻率其中，R₁、R₂、R_eq分別為第一串聯(lián)諧振電路等效寄生電阻、第二串聯(lián)諧振電路等效寄生電阻、車載側(cè)第二串聯(lián)諧振電路后級(jí)的等效阻抗；

S3、依次調(diào)節(jié)第一電子電容電路和第二電子電容電路，使得第一串聯(lián)諧振電路和第二串聯(lián)諧振電路工作在磁共振狀態(tài)。

步驟S1和S3中，所述第一電子電容電路和第二電子電容電路的調(diào)節(jié)方法均采用移相角控制法，具體步驟為：

對(duì)于第一電子電容電路：

(1)根據(jù)諧振角頻率獲得諧振工作點(diǎn)的第一電子電容電路的等效電容值C_eq1；其中在步驟S1中，ω＝ω₀；在步驟S3中，ω＝ω₁；

(2)根據(jù)獲得控制關(guān)閉角α₁，其中，C₁為第一直流電容；

(3)由鎖相環(huán)測(cè)得電壓相位，采用移相角控制法控制所述第一電子電容電路，控制關(guān)閉角為；

對(duì)于第二電子電容電路：

(1)根據(jù)諧振角頻率獲得諧振工作點(diǎn)的第二電子電容電路的等效電容值C_eq2；其中在步驟S1中，ω＝ω₀；在步驟S3中，ω＝ω₁；

(2)根據(jù)獲得控制關(guān)閉角α₂，其中，C₂為第二直流電容；

(3)由鎖相環(huán)測(cè)得電壓相位，采用移相角控制法控制所述第二電子電容電路，控制關(guān)閉角為α₂。

步驟S1中，所述初始值ω₀為100KHZ。

上述中第一電子電容電路和第二電子電容電路的控制方法相同，控制圖如圖3所示，由鎖相環(huán)獲得所在諧振電路的相位角，根據(jù)電子電容電路等效電容值C_eq和移相關(guān)閉角α的數(shù)學(xué)對(duì)應(yīng)關(guān)系直流電容C_dc為C₁或C₂，控制電子電容電路的四個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管。

圖4是整個(gè)無(wú)線充電系統(tǒng)的控制框圖，首先檢測(cè)是否有電動(dòng)汽車?？坎⑶艺?qǐng)求充電，若無(wú)，則不工作，若有則系統(tǒng)開(kāi)始工作，首先設(shè)置初始諧振頻率為100KHz并調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸?shù)碾p側(cè)諧振，在此狀態(tài)下，測(cè)量發(fā)射線圈L₁和接收線圈L₂的互感值M和第二串聯(lián)諧振后級(jí)的等效阻抗值R_eq，接著計(jì)算最大效率時(shí)的最優(yōu)諧振頻率并調(diào)節(jié)高頻逆變電路的輸出頻率值，最后調(diào)節(jié)第一電子電容電路和第二電子電容電路，使第一串聯(lián)諧振電路和第二串聯(lián)諧振電路均在該頻率下諧振，可實(shí)現(xiàn)電能高效地?zé)o線傳輸。在無(wú)線充電過(guò)程中，間斷檢測(cè)車載動(dòng)力電池是否已經(jīng)充滿電或者請(qǐng)求停止充電，若是，則關(guān)閉無(wú)線充電系統(tǒng)，否則繼續(xù)。與此同時(shí)，檢測(cè)發(fā)射線圈L₁和接收線圈L₂的互感值M和第二串聯(lián)諧振后級(jí)的等效阻抗值R_eq是否發(fā)生變換，若是，則重新測(cè)量并設(shè)置和調(diào)節(jié)無(wú)線充電系統(tǒng)，使其工作在最優(yōu)控制狀態(tài)下。

圖5-1是本實(shí)用新型無(wú)線傳輸一次側(cè)高頻逆變電路輸出電壓電流的仿真波形圖，圖5-2是無(wú)線傳輸二次側(cè)第二串聯(lián)諧振電路輸出電壓電流的仿真波形圖，仿真結(jié)果：一次側(cè)電路和二次側(cè)電路基本處于諧振狀態(tài)，且實(shí)現(xiàn)了電壓電流同相位，充分證明了本實(shí)用新型的可行性。

上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。