CN108767959A - 一种电动汽车的无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动汽车的无线充电系统，包括：充电输入单元；充电发射单元，用于接收充电输入单元所提供的电能，将来自充电输入单元的电能进行相应的转换和调整，并向外发送电磁信号；充电接收单元，用于接收来自充电发射单元的电磁信号，将电磁信号转换为可供电动汽车电池充电的电力能源；反馈单元，检测充电接收单元的电压输出信号，并用有效输入信号去控制充电发射单元输出信号，从而得到符合电动汽车电池的目标电压。本发明在电磁感应技术的基础上添加了谐振式电路设计，可以确保主要单元间的工作频率几乎保持一致，从而保证传输过程的功率和效率。反馈单元分别对发射单元和接收单元进行电压信号的相关调整，提高了整个充电过程的效率。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输及电力电子技术领域，尤其涉及一种电动汽车的无线充电系统设计。
背景技术
在电动汽车行业的发展过程中，最重要的问题就是如何向电动汽车提供足够的动力能源以确保其日常运行。为电动汽车充电方式目前主要有两种，即有线充电技术和无线充电技术。目前传统的有线充电技术如充电桩充电存在很多限制，如充电桩的数量不足，充电的距离较短，充电的时间较长以及充电桩设计与占地所消耗的成本较高等，除此之外，有线充电方式的输出的充电功率无法保证，充电连接线的老化与破损等问题也对有线充电技术产生极大影响。
相对于传统的有线充电方式，无线充电技术使得电动汽车与充电电源之间的频繁直接接触大大减少，简化了人工操作环节与充电步骤，降低了电动汽车的充电成本，使得电动汽车的充电过程更加得便捷与实用，因而无线充电技术会得到更加广泛的应用。在无线充电技术的实际应用过程中，基于简单电磁感应技术的无线充电技术由于其应用原理比较简单，因而对来自外界的干扰相对有着较低的抵抗力，无法保证充电过程中的功率和效率。
发明内容
针对传统的电动汽车有线充电技术，本发明提供了一种电动汽车无线充电的系统，提高充电过程的功率和效率。
实现本发明的技术方案：
一种电动汽车的无线充电系统，包括：
充电输入单元，用于提供输入交流电；
充电发射单元，用于接收充电输入单元所提供的电能，根据电动汽车电池相应的目标需求，将来自充电输入单元的电能进行相应的转换和调整，并向外发送电磁信号；
充电接收单元，与充电发射单元进行无线连接，用于接收来自充电发射单元的电磁信号，将电磁信号转换为可供电动汽车电池充电的电力能源；
反馈单元，检测充电接收单元的电压输出信号，并用有效输入信号去控制充电发射单元输出信号，从而得到符合电动汽车电池的目标电压。
优选的，所述充电输入单元采用市电电源。
优选的，所述充电发射单元，包括：
功率矫正模块，对充电输入单元的电流电压之间的相位差进行补偿，通过其内含的升压电路，得到所需要的目标直流电，并且同时提高功率因数；
全桥逆变模块，与功率矫正模块相连接，对来自功率矫正模块的直流电进行逆变，根据脉冲宽度调制原理，对全桥电路的工作频率进行调制，得到符合工作频率的交流电；
发射线圈模块，与全桥逆变模块相连接，用于对外发送电磁信号。
优选的，所述发射线圈模块采用直径为1.5mm的漆包线绕制的环形缠绕线圈，绕线圈直径为40cm，匝数为7匝。
优选的，所述充电接收单元，包括：
接收线圈模块：与发射线圈模块进行非接触式连接，尺寸与发射线圈模块相同，通过谐振式电磁感应原理，接收来自充电发射单元的电磁信号；
整流电路模块：与接收线圈模块相连接，用以将来自接收线圈模块的交流电转换成适用于电动汽车电池充电的目标直流电。
优选的，所述反馈单元，包括控制单元和功率检测单元，所述功率检测单元分别对来自充电接收单元的电压输出信号和经过全桥逆变模块以及发射线圈模块的电压信号，所述控制单元对检测的电压信号进行相关处理，并用比较所得的有效输入信号去控制输出信号，从而得到符合电动汽车电池的目标电压。
优选的，当电动汽车需要进行充电时，通过充电输入单元与充电发射单元，将所需要的电信号转化为电磁信号，运用谐振式电磁感应技术，将电磁信号通过无线连接的感应线圈转化为电信号发送到充电接收单元，并通过反馈单元将电信号处理为适用于汽车电池的电信号。
优选的，所述充电输入单元与充电发射单元均与电动汽车及其电池载体相分离，充电接收单元被安置于电动汽车内部与其电池相连接。
优选的，充电发射单元的发射线圈模块上串联有原边补偿电容，充电接收单元的接收线圈模块上串联有副边补偿电容。
本发明的无线充电系统在电磁感应技术的基础上添加了谐振式电路设计，可以确保主要单元间的工作频率几乎保持一致，从而保证传输过程的功率和效率。此外，本发明中的反馈单元分别对发射单元和接收单元进行电压信号的相关调整，从而一定程度上提高了整个充电过程的效率。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且成为说明书的一部分与本发明的实施例共同解释本发明，并不对本发明构成限制，
图1为本发明电动汽车的无线充电系统的结构原理图；
图2为实施例中无线充电系统调整得到的目标输出电压曲线图。
具体实施方式
下面结合相关附图，对本发明中的方案进行清楚完整的描述。
本发明提出一种电动汽车的无线充电系统。
如图1所示，在本发明实施例中，所述电动汽车的无线充电系统包括位于基侧的充电输入单元100、功率矫正模块200、全桥逆变模块300、发射线圈模块400以及位于车载的接收线圈模块500、整流电路模块600，反馈单元700分别设置于基侧和车载两部分中，其中功率矫正模块200、全桥逆变模块300、发射线圈模块400构成充电发射单元，接收线圈模块500和整流电路模块600充电接收单元。
当电动汽车需要进行充电时，通过充电输入单元与充电发射单元，将所需要的电信号转化为电磁信号，运用谐振式电磁感应技术，将电磁信号通过无线连接的感应线圈转化为电信号发送到充电接收单元，并通过反馈单元将电信号处理为适用于汽车电池的电信号。
需要说明的是，本发明的系统设计方案中，基侧部分所包含的单元及模块均设置于地表下方，而车载部分所含的单元及模块均设置于电动汽车内部。在进行充电时，将汽车驾驶到指定位置上，开启无线充电系统便可进行充电。
该发明中的充电输入单元100为存在于住宅校区或充电桩等处的常见市电电源，用于提供220V，50Hz的常用交流电。
该发明中的功率矫正模块200基于有源功率因数矫正技术设计而成，电路由开关管、高频电感以及滤波电容等元器件组成，可将其简单地认为是升压型开关电源变换器，通过该模块，普通电网电压可以被转换成400V左右带纹波的直流高压。运用该技术的电路模块具有体积小、重量轻等特点，可以通过专用的控制芯片控制网侧电流波形，使其相位跟随网侧电压变化，且允许输入的电压范围较宽，其输出结果中所含的谐波更小，电路损耗较低。
该发明中的全桥逆变模块300采用最基本的全桥电路结构，包含四个MOSFET及其相应的专用控制芯片，通过专用的芯片对该模块进行脉冲宽度调制，将来自模块的400V直流电压转换成频率为300kHz、幅值为400V的交流电压。
该发明中的发射线圈模400块采用直径为1.5mm的漆包线制作纯手工绕制的环形缠绕线圈，直径为40cm，匝数为7匝，与全桥逆变模块相连接，接收来自模块的交流电，通过电磁感应以及与其相连接的谐振电容传输给充电接收单元的接收线圈模块。
该发明中的接收线圈模块500，发射线圈进行非接触式连接，其尺寸及所相连的谐振电容与充电发射单元中的发射线圈及其谐振电容完全相同，接收来自发射线圈模块的400V、300kHz的交流电，通过与发射线圈的距离控制，接收线圈可产生频率为300kHz的同频交流电。
该发明中与发射线圈和接收线圈分别相连接的原边补偿电容和副边补偿电容的作用为确保参与无线功率传输的两大主要单元的工作频率基本相同，在实际操作中，由于环境等因素的干扰，两单元的工作频率略有误差，但该误差在可接受范围之内。
该发明中的整流模块600由二极管构成，将来自接收线圈的的交流电转换成目标电池所需的直流电，后直接输入内置于电动汽车的电池。
该发明中的反馈单元700基于Buck变换器设计而成，其中包含MOSFET、二极管、电容及电感等元件，对来自整流模块的输出电压进行调节和反馈，从而得到最终合适电池负载的目标电压，结果如图2所示。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种电动汽车的无线充电系统，其特征在于，包括：
充电输入单元，用于提供输入交流电；
充电发射单元，用于接收充电输入单元所提供的电能，根据电动汽车电池相应的目标需求，将来自充电输入单元的电能进行相应的转换和调整，并向外发送电磁信号；
充电接收单元，与充电发射单元进行无线连接，用于接收来自充电发射单元的电磁信号，将电磁信号转换为可供电动汽车电池充电的电力能源；
反馈单元，检测充电接收单元的电压输出信号，并用有效输入信号去控制充电发射单元输出信号，从而得到符合电动汽车电池的目标电压。
2.根据权利要求1所示的电动汽车的无线充电系统，其特征在于，所述充电输入单元采用市电电源。
3.根据权利要求1所示的电动汽车的无线充电系统，其特征在于，所述充电发射单元，包括：
功率矫正模块，对充电输入单元的电流电压之间的相位差进行补偿，通过其内含的升压电路，得到所需要的目标直流电，并且同时提高功率因数；
全桥逆变模块，与功率矫正模块相连接，对来自功率矫正模块的直流电进行逆变，根据脉冲宽度调制原理，对全桥电路的工作频率进行调制，得到符合工作频率的交流电；
发射线圈模块，与全桥逆变模块相连接，用于对外发送电磁信号。
4.根据权利要求3所示的电动汽车的无线充电系统，其特征在于，所述发射线圈模块采用直径为1.5mm的漆包线绕制的环形缠绕线圈，绕线圈直径为40cm，匝数为7匝。
5.根据权利要求3所示的电动汽车的无线充电系统，其特征在于，所述充电接收单元，包括：
接收线圈模块：与发射线圈模块进行非接触式连接，尺寸与发射线圈模块相同，通过谐振式电磁感应原理，接收来自充电发射单元的电磁信号；
整流电路模块：与接收线圈模块相连接，用以将来自接收线圈模块的交流电转换成适用于电动汽车电池充电的目标直流电。
6.根据权利要求5所示的电动汽车的无线充电系统，其特征在于，所述反馈单元，包括控制单元和功率检测单元，所述功率检测单元分别对来自充电接收单元的电压输出信号和经过全桥逆变模块以及发射线圈模块的电压信号，所述控制单元对检测的电压信号进行相关处理，并用比较所得的有效输入信号去控制输出信号，从而得到符合电动汽车电池的目标电压。
7.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于，当电动汽车需要进行充电时，通过充电输入单元与充电发射单元，将所需要的电信号转化为电磁信号，运用谐振式电磁感应技术，将电磁信号通过无线连接的感应线圈转化为电信号发送到充电接收单元，并通过反馈单元将电信号处理为适用于汽车电池的电信号。
8.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述充电输入单元与充电发射单元均与电动汽车及其电池载体相分离，充电接收单元被安置于电动汽车内部与其电池相连接。
9.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于，充电发射单元的发射线圈模块上串联有原边补偿电容，充电接收单元的接收线圈模块上串联有副边补偿电容。
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