一种电动汽车双向无线电能传输系统

1.本发明涉及电动汽车无线充电技术领域，特别是涉及一种电动汽车双向无线电能传输系统。


背景技术：

2.无线电能传输技术通过磁场耦合实现非接触式能量传输，凭借其便捷、安全等优点而备受瞩目，尤其广泛地应用在电动汽车无线充电领域。近年来，为充分发挥电动汽车作为海量分布式储能资源的潜力，车网互动技术得到了广泛关注，在此背景下，研究宽功率高效的双向无线电能传输系统具有重要意义。
3.基于此，现有的无线电能传输系统的设计方案一般有如下几种：
4.方案
①
、双向无线充电拓扑
5.专利cn107404135a提出一种能量双向流动的无线充电拓扑，如图7所示，其具有两级升降压电路，因此增益是普通升降压拓扑增益的平方，既能够实现高增益升压，也能实现高增益降压，能够实现宽范围电压等级双向充电场合。为能量双向流动提供通道，满足水下等特殊环境的无线电能传输要求。
6.该方案虽然能够实现宽范围的电压等级下功率的双向流动，但是其使用了两个升降压电路，引入了较多的开关管、二极管和电感等器件，导致系统的成本高、体积大。
7.方案
②
、恒流恒压装置
8.专利cn115489349a提出一种应用于电动汽车无线充电系统恒流恒压装置。如图8所示，其通过更改二次侧交流开关的关闭或断开状态，该拓扑分别工作在恒压充电模式和恒流充电状态。该系统的输出功率范围为1.5～6kw。
9.该方案虽然能实现恒流恒压模式的切换，但是其输出功率范围较窄(1.5kw～6kw)，不适用于电动汽车的大功率双向充放电场景。
10.方案
③
、恒流恒压无线充电系统
11.专利cn109980757a提出了一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统，如图9所示，该方案在发送部分(或者接收部分)增添开关切换部分，使用控制器(k1)控制切换开关(s1)的断开或闭合，系统即工作于恒流模式或恒压模式，适用于对电池进行充电。
12.该方案虽然能实现恒流恒压模式的切换，但是在发射端或地面端需要储备三个电感和一个电容器，增加了系统成本和体积。
13.方案
④
、宽负载范围高效wpt系统及其优化方法
14.专利cn113629895a公开了基于混合负载匹配的宽负载范围高效wpt系统及其优化方法，其结构如图10所示，解决了现有技术中wpt系统难以始终保持在高效率区域工作的问题，通过混合重构电路拓扑(s-s、s-lcc)和整流运行模式(全桥、半桥)，可改变最优负载，使系统始终工作在高效率区域。
15.该方案能够实现恒流恒压模式的切换，且充分利用半桥和全桥工作模式，使得系统在各个负载条件下均保证高效率。然而，该方案的副边变换器为整流器，不支持功率双向
流动；其次，该发明不能实现轻载大功率、中载中功率、重载小功率充电。
16.方案
⑤
、恒流-恒压充电无线电能传输系统
17.专利cn113794287a提出了一种基于双通道t型电路的恒流-恒压充电无线电能传输系统，其结构如图11所示，通过切换开关和功率管的导通方式，系统工作分别工作在恒流或恒压模式。
18.该方案能实现恒流恒压模式的切换，然而变换器主要工作在半桥模式，最大输出功率受到限制，从而不适合电动汽车的大功率双向充放电场景。


技术实现要素：

19.本发明目的是提供的一种从轻载到重载的宽工作范围均能够以较高的效率进行功率传输的电动汽车双向无线电能传输系统。
20.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
21.一种电动汽车双向无线电能传输系统，包括：pfc模块、第一高频变换单元、地面端补偿网络、磁耦合线圈、车载端补偿网络和第二高频变换单元；
22.所述pfc模块分别与电网和所述第一高频变换单元连接；所述第一高频变换单元与所述地面端补偿网络连接；所述地面端补偿网络通过所述磁耦合线圈与所述车载端补偿网络形成谐振；所述车载端补偿网络与所述第二高频变换单元连接；所述第二高频变换单元与电动汽车电池连接；
23.所述第一高频变换单元和所述第二高频变换单元均为全桥变换器；所述第一高频变换单元与所述地面端补偿网络的连接支路上设置有开关；所述第二高频变换单元与所述车载端补偿网络的连接支路上也设置有开关。
24.可选地，所述第一高频变换单元包括：功率开关s1、功率开关s2、功率开关s3和功率开关s4；
25.所述功率开关s1的一端和所述功率开关s3的一端均连接至地面直流母线的正极；所述功率开关s2的一端和功率开关s4的一端均连接至地面直流母线的负极；所述功率开关s1的另一端与所述功率开关s2的另一端连接；所述功率开关s3的另一端与所述功率开关s4的另一端连接。
26.可选地，所述第二高频变换单元包括：功率开关q1、功率开关q2、功率开关q3和功率开关q4；
27.所述功率开关q1的一端和所述功率开关q3的一端均连接至电动汽车电池的正极；所述功率开关q2的一端和功率开关q4的一端均连接至电动汽车电池的负极；所述功率开关q1的另一端与所述功率开关q2的另一端连接；所述功率开关q3的另一端与所述功率开关q4的另一端连接。
28.可选地，所述地面端补偿网络包括：主电感l1、补偿电容c1、补偿电容c
f1
和补偿电感l
f1
；
29.所述主电感l1的一端经开关k3连接至所述功率开关s1和所述功率开关s2的连接支路；所述主电感l1的一端还经开关k2连接至功率开关s3与所述功率开关s4的连接支路上；
30.所述主电感l1的另一端与所述补偿电容c1的一端连接；所述补偿电容c1的另一端分别与所述补偿电容c
f1
的一端和补偿电感l
f1
的一端连接；所述补偿电感l
f1
的另一端经开
关k1连接至所述功率开关s1和所述功率开关s2的连接支路上；所述补偿电容c
f1
的另一端连接至所述开关k2与第一高频变换单元的连接支路上。
31.可选地，所述车载端补偿网络包括：主电感l2、补偿电容c2、补偿电容c
f2
和补偿电感l
f2
；
32.所述主电感l2的一端经开关k5连接至所述功率开关q3和所述功率开关q4的连接支路；所述主电感l2的一端还经开关k6连接至功率开关q2与电动汽车电池的负极的连接支路上；
33.所述主电感l2的另一端与所述补偿电容c2的一端连接；所述补偿电容c2的另一端分别与所述补偿电容c
f2
的一端和补偿电感l
f2
的一端连接；所述补偿电感l
f2
的另一端经开关k4连接至所述功率开关q1和所述功率开关q2的连接支路上；所述补偿电容c
f2
的另一端连接至所述开关k5与第一高频变换单元的连接支路上。
34.可选地，所述地面端补偿网络包括：主电感l1、补偿电容c1、补偿电容c
f1
和补偿电感l
f1
；
35.所述主电感l1的一端经开关k3连接至所述功率开关s1和所述功率开关s2的连接支路；所述主电感l1的一端还经开关k2连接至功率开关s3与所述功率开关s4的连接支路上；所述主电感l1的一端经开关k4连接至所述功率开关s4与所述地面直流母线的负极的连接支路上；
36.所述主电感l1的另一端与所述补偿电容c1的一端连接；所述补偿电容c1的另一端分别与所述补偿电容c
f1
的一端和补偿电感l
f1
的一端连接；所述补偿电感l
f1
的另一端经开关k1连接至所述功率开关s1和所述功率开关s2的连接支路上；所述补偿电容c
f1
的另一端连接至所述开关k2与第一高频变换单元的连接支路上。
37.可选地，所述车载端补偿网络包括：主电感l2、补偿电容c2、补偿电容c
f2
和补偿电感l
f2
；
38.所述主电感l2的一端经开关k5连接至所述功率开关q3和所述功率开关q4的连接支路；
39.所述主电感l2的另一端与所述补偿电容c2的一端连接；所述补偿电容c2的另一端分别与所述补偿电容c
f2
的一端和补偿电感l
f2
的一端连接；所述补偿电感l
f2
的另一端连接至所述功率开关q1和所述功率开关q2的连接支路上；所述补偿电容c
f2
的另一端连接至所述开关k5与第一高频变换单元的连接支路上。
40.可选地，所述磁耦合线圈包括单极性线圈和双极性线圈；
41.所述单极性线圈和所述双极性线圈均关于中心线对称设置。
42.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
43.本发明提供的电动汽车双向无线电能传输系统，通过将第一高频变换单元和第二高频变换单元设置为全桥变换器，能够实现功率的双向流动，并在第一高频变换单元与地面端补偿网络的连接支路上设置开关，在第二高频变换单元与车载端补偿网络的连接支路上也设置开关，通过控制开关的开闭，从轻载到重载的宽工作范围均能够以较高的效率进行功率传输。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
45.图1为本发明实施例提供的电动汽车双向无线电能传输系统的结构示意图；
46.图2为本发明实施例提供的磁耦合线圈的结构示意图；其中，图2的(a)为矩形线圈的结构示意图，图2的(b)为dd线圈的结构示意图，图2的(c)为ddq线圈的结构示意图；
47.图3为本发明实施例提供的磁耦合线圈的磁通量分布示意图；其中，图3的(a)为垂直模式时的磁通量的示意图，图3的(b)为平行模式时的磁通量的分布示意图；
48.图4为本发明实施例提供的补偿网络的结构示意图；其中，图4的(a)为地面端补偿网络的不同拓扑结构示意图，图4的(b)为车载端补偿网络的不同拓扑结构示意图；
49.图5为本发明实施例提供的电动汽车常用的补偿网络类型示意图；其中，图5的(a)为s-s型补偿网络示意图，图5的(b)为s-lcc型补偿网络示意图，图5的(c)为lcc-s型补偿网络示意图，图5的(d)为lcc-lcc型补偿网络示意图；
50.图6为本发明实施例提供的无线电能传输系统典型的功率-效率曲线图；
51.图7为本发明实施例提供的方案
①
提出的无线充电拓扑结构示意图；
52.图8为本发明实施例提供的方案
②
提出的无线充电系统恒流恒压装置结构示意图；
53.图9为本发明实施例提供的方案
③
提出的恒流恒压无线充电系统结构示意图；
54.图10为本发明实施例提供的方案
④
提出的宽负载范围高效wpt系统结构示意图；
55.图11为本发明实施例提供的方案
⑤
提出的恒流恒压无线电能传输系统结构示意图；
56.图12为本发明实施例提供的各谐振补偿网络输出特性的分析示意图；其中，图12的(a)为s-s型补偿网络输出特性的分析示意图，图12的(b)为s-lcc型补偿网络输出特性的分析示意图，图12的(c)为lcc-s型补偿网络输出特性的分析示意图，图12的(d)为lcc-lcc型补偿网络输出特性的分析示意图；
57.图13为本发明实施例提供的正交解耦线圈的三种方案示意图；其中，图13的(a)为主电感是dd线圈，辅助电感是矩形线圈的结构示意图，图13的(b)为主电感是矩形线圈，辅助电感是dd线圈的结构示意图，图13的(c)为主电感和辅助电感均是dd线圈的结构示意图；
58.图14为本发明实施例提供的第一种电动汽车双向无线电能传输系统拓扑结构示意图；
59.图15为本发明实施例提供的第一种电动汽车双向无线电能传输系统中各工作模式示意图；其中，图15的(a)为当车载电池电压较低时第一种电动汽车双向无线电能传输系统的工作模式示意图，图15的(b)为当车载电池电压升高到一定程度时第一种电动汽车双向无线电能传输系统的工作模式示意图，图15的(c)为当车载电池电压升高到较大值时第一种电动汽车双向无线电能传输系统的工作模式示意图，图15的(d)为当车载电池电压较高时第一种电动汽车双向无线电能传输系统的工作模式示意图；
60.图16为本发明实施例提供的第二种电动汽车双向无线电能传输系统拓扑结构示
意图；
61.图17为本发明实施例提供的第二种电动汽车双向无线电能传输系统中各工作模式示意图；其中，图17的(a)为当车载电池电压较低时第二种电动汽车双向无线电能传输系统的工作模式示意图，图17的(b)为当车载电池电压升高到一定程度时第二种电动汽车双向无线电能传输系统的工作模式示意图，图17的(c)为当车载电池电压升高到较大值时第二种电动汽车双向无线电能传输系统的工作模式示意图，图17的(d)为当车载电池电压较高时第二种电动汽车双向无线电能传输系统的工作模式示意图；
62.图18为本发明实施例提供的正向功率传输时恒流恒压阶段充电曲线图；
63.图19为本发明实施例提供的正向功率传输时功率变化曲线图；
64.图20为本发明实施例提供的反向功率传输时电流变化曲线图；
65.图21为本发明实施例提供的反向功率传输时功率变化曲线图。
66.附图标记说明：
67.1-pfc模块，2-第一高频变换单元，3-地面端补偿网络，4-磁耦合线圈，5-车载端补偿网络，6-第二高频变换单元。
具体实施方式
68.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
69.本发明目的是提供的一种从轻载到重载的宽工作范围均能够以较高的效率进行功率传输的电动汽车双向无线电能传输系统。
70.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
71.如图1所示，本发明提供的电动汽车双向无线电能传输系统，包括：pfc模块1、第一高频变换单元2、地面端补偿网络3、磁耦合线圈4、车载端补偿网络5和第二高频变换单元6。
72.pfc模块1分别与电网和第一高频变换单元2连接。第一高频变换单元2与地面端补偿网络3连接。地面端补偿网络3通过磁耦合线圈4与车载端补偿网络5形成谐振。车载端补偿网络5与第二高频变换单元6连接。第二高频变换单元6与电动汽车电池连接。
73.第一高频变换单元2和第二高频变换单元6均为全桥变换器。第一高频变换单元2与地面端补偿网络3的连接支路上设置有开关。第二高频变换单元6与车载端补偿网络5的连接支路上也设置有开关。
74.基于上述结构，当电网为电动汽车电池充电时(定义为功率正向传输)，来自电网的工频交流电压经过pfc模块1的整流作用变换为中间级直流电压。pfc模块1之后的第一高频变换单元2工作在逆变模式，对中间级直流进行逆变产生高频交流电，并注入地面端补偿网络3与磁耦合线圈4组成的谐振网络。磁耦合线圈4在交变磁场的影响下，感应出高频交流电压，与车载端补偿网络5形成谐振，将能量经由第二高频变换单元6(工作在整流模式，将高频交流转换为直流)传递至电动汽车的电池。
75.当电池向电网放电时(定义为功率反向传输)，第二高频变换单元6工作在逆变模
式，将电动汽车电池的直流电进行逆变产生高频交流电，并注入由车载端补偿网络5与磁耦合线圈4组成的谐振网络。磁耦合线圈4在交变磁场的影响下，感应出高频交流电压，与地面端补偿网络3形成谐振，将能量经由第一高频变换单元2(工作在逆变模式，将高频交流转换为直流)，并通过pfc模块1逆变为工频交流电，最后传递至电网。
76.下面，从技术构思和所实现的技术目的出发，对本发明上述提供的电动汽车双向无线电能传输系统中各部分的具体结构的确定进行说明。
77.磁耦合线圈4和补偿网络是无线充电系统的重要组成部分。
78.现有的无线充电系统的磁耦合线圈4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。将dd线圈和矩形线圈通过正交叠层的方式摆放，可得到ddq线圈，如图2所示。
79.如图3所示，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。因此，往往采用相同极性的线圈进行功率传输。由于ddq线圈由单极性和双极性线圈组成，若布置得当，可以实现两线圈的解耦。以单极性线圈为例，当双极性线圈流入单极性线圈的磁通量与流出单极性线圈的磁通量大小相等时，两线圈耦合的磁通量近似为0，实现了解耦。
80.电动汽车磁耦合线圈4的典型耦合系数k在0.2～0.4左右，为了使得耦合系统高效地传输电能，需要对磁耦合线圈4进行无功补偿，共同形成高频谐振网络。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。
81.如图4所示，根据补偿电容/电感与磁耦合线圈4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。图4中，l为磁耦合线圈4，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。对于电动汽车应用场景，常用的补偿网络分别为s-s、s-lcc、lcc-s和lcc-lcc，如图5所示。其中s-s、lcc-lcc均可实现自然地恒流充电，s-lcc、lcc-s均可实现自然地恒压充电。
82.此外，现有的系统难以在宽功率范围保持高效。如图6所示，对于一般的无线电能传输系统，随着传输功率的增加传输效率也在提高，即系统在轻载时效率通常不高，在中、重载时传输效率较高。
83.进一步，对补偿网络参数设计方法与输出特性进行分析。
84.以各类型补偿网络为研究对象，依次为s-s、s-lcc、lcc-s、lcc-lcc，各类型补偿网络的输出特性如图12所示。其中r
eq
为等效负载电阻，u
p
和us分别为变换器激励电压的有效值，若地面端直流母线电压和电池电压分别为v1和v2，双端的高频变换器均为全桥电路，则激励电压的基波最大有效值分别为：
[0085][0086]
若双端的高频变换器均为半桥电路，则激励电压的基波最大有效值分别为：
[0087][0088]
可知半桥变换器的最大输出电压是全桥变换器的一半。参见表1，输出功率与双端
电压成正比。
[0089]
因此在直流母线电压v1和电池电压v2一定时：
[0090]
若双端的变换器均为全桥模式，最大输出功率为p
max
。
[0091]
若双端的变换器均为半桥模式，则最大输出功率为p
max
/4。
[0092]
若双端的变换器分别为全桥模式和半桥模式，则最大输出功率为p
max
/2。
[0093]
因此，可以通过控制变换器的工作模式来限制最大输出功率。
[0094]
图12中，l1、l2为主电感，c
f1
、c1，c
f2
、c2为补偿电容，l
f1
、l
f2
为补偿电感。m
1-2
和m
f1-f2
分别代表主线圈之间的互感和辅助线圈之间的互感。
[0095]
本发明令各谐振腔工作在纯谐振条件，ω0为标称角频率。
[0096]
对于s补偿，满足
[0097]
对于lcc补偿，满足
[0098]
对于传统的lcc补偿，常规的lcc补偿只使用主电感l作为传能线圈(见图5的(d))，而辅助电感lf只起到补偿元件的作用。本发明中辅助电感l
f1
和l
f2
兼具补偿和传能的功用，因此，该无线电能传输系统中地面端/车载端的两个线圈均可传能。
[0099]
此外，为了降低同侧线圈及异侧线圈间的交叉耦合，本发明使用正交解耦式线圈作为磁耦合线圈，如图13所示，三种线圈设计方案依次为：
①
主电感l为dd线圈，辅助电感lf为矩形线圈，如图13的(a)所示。
②
主电感为矩形线圈，辅助电感为dd线圈，如图13的(b)所示。
③
主电感和辅助电感均为dd线圈，但方向相差90
°
，如图13的(c)所示。其中同侧线圈均关于中心线对称放置以实现解耦。
[0100]
各补偿网络的输出特性和最大传输功率总结如下表1所示，其中m代表电感之间的互感，i
out
代表谐振腔输出电流。易知随着激励电压的增加，传输功率也随之增加。
[0101]
表1各谐振补偿网络输出特性分析表
[0102][0103]
进一步，基于上述描述，将图1中pfc模块1输出的直流母线至动力电池的dc-dc环节作为研究对象，以第一种正交解耦线圈为例，提出了两种不同的电动汽车双向无线电能传输系统的拓扑结构。
[0104]
第一种电动汽车双向无线电能传输系统的拓扑结构如图14所示。v1、v2分别为代表直流母线和动力电池的电压源，地面端补偿网络3和车载端补偿网络5的高频变换单元(即第一高频变换单元2和第二高频变换单元6)为全桥变换器，分别由mosfet功率开关s1～s4、q1～q4组成(为简单起见，电压源与全桥变换器之间的直流支撑电容未绘制出)。l1、l2分别为地面端补偿网络3和车载端补偿网络5的主电感，c
f1
、c1，c
f2
、c2分别为地面端补偿网络3和车载端补偿网络5的补偿电容，l
f1
、l
f2
分别为地面端补偿网络3和车载端补偿网络5的补偿电感。
[0105]
在地面端补偿网络3和车载端补偿网络5的六个支路上，分别增加开关k1、k2、k3，k4、k5、k6，上述切换开关k1～k6可以是继电器或双向功率开关。若开关闭合，则对应支路接通。若开关断开，则对应支路断路。
[0106]
基于上述描述，第一种电动汽车双向无线电能传输系统中，主电感l1的一端经开关k3连接至功率开关s1和功率开关s2的连接支路。主电感l1的一端还经开关k2连接至功率开关s3与功率开关s4的连接支路上。
[0107]
主电感l1的另一端与补偿电容c1的一端连接。补偿电容c1的另一端分别与补偿电容c
f1
的一端和补偿电感l
f1
的一端连接。补偿电感l
f1
的另一端经开关k1连接至功率开关s1和功率开关s2的连接支路上。补偿电容c
f1
的另一端连接至开关k2与第一高频变换单元2的连接支路上。
[0108]
主电感l2的一端经开关k5连接至功率开关q3和功率开关q4的连接支路。主电感l2的一端还经开关k6连接至功率开关q2与电动汽车电池的负极的连接支路上。
[0109]
主电感l2的另一端与补偿电容c2的一端连接。补偿电容c2的另一端分别与补偿电容c
f2
的一端和补偿电感l
f2
的一端连接。补偿电感l
f2
的另一端经开关k4连接至功率开关q1和功率开关q2的连接支路上。补偿电容c
f2
的另一端连接至开关k5与第一高频变换单元2的连
接支路上。
[0110]
不同于传统的单向无线电能传输系统，其接收端变换器往往采用不控整流(由二极管组成)，所以只能进行正向传能。而本发明提出的第一种电动汽车双向无线电能传输系统的拓扑结构中，全桥变换器均由全控器件组成，所以可实现功率的双向流动。
[0111]
图15展示了第一种系统拓扑的各工作模式。其中：
[0112]
(1)当车载电池电压较低时，功率正向传输为电池充电，需要恒流充电。如图15的(a)所示，令开关k1、k4闭合、其余开关断开，则地面端补偿网络3(下面简称地面端)和车载端补偿网络5(下面简称车载端)组成s-s补偿网络，辅助线圈l
f1
和l
f2
用于传能。地面端高频变换器(即第一高频变换单元2)工作在全桥逆变模式，车载端高频变换器(即第二高频变换单元6)工作在全桥整流模式。
[0113]
当母线电压和电池电压增加时，传输的功率随之增加。在s-s模式下，可实现恒流充电。另一方面，由于辅助线圈的自感和互感较小，系统传输功率较大，从而实现了轻载高功率传输。
[0114]
(2)当车载电池电压升高到一定程度时，功率正向传输为电池充电，仍保持恒流模式但所需电流下降。如图15的(b)所示，令开关k1、k2、k4、k5闭合，其余开关断开，则地面端补偿网络3和车载端补偿网络5组成双耦合lcc-lcc补偿网络，主线圈l1、l2以及辅助线圈l
f1
、l
f2
均用于传能。地面端高频变换器(即第一高频变换单元2)工作在全桥逆变模式，车载端高频变换器(即第二高频变换单元6)工作在全桥整流模式。
[0115]
当母线电压和电池电压增加时，传输的功率随之增加。在双耦合lcc-lcc模式下，可实现恒流充电。另一方面，设计互感参数使得系统传输功率处于目标范围，从而实现了中载中功率传输。
[0116]
(3)当车载电池电压升高到较大值时，功率正向传输为电池充电，改为恒压模式充电，且充电电流不断下降。如图15的(c)所示，令开关k1、k2、k6闭合，其他开关断开，则地面端和车载端组成lcc-s补偿网络，主线圈l1和l2用于传能。在lcc-s模式下，可实现恒压充电。地面端高频变换器工作在全桥逆变模式。功率开关q1和q2一直处于关断状态，通过控制功率开关q3和q4的导通/关断，使车载端高频变换器工作在半桥整流模式。因此，变换器端口的激励电压变为全桥模式下的1/2，限制了输出能力，从而适合重载时的低功率传输。
[0117]
(4)当车载电池电压较高时，功率反向传输向电网放电。如图15的(d)所示，令开关k3、k4、k5闭合，其他开关断开，则地面端和车载端组成s-lcc补偿网络，主线圈l1和l2用于传能。在s-lcc模式下，可实现恒压放电。车载端高频变换器工作在全桥逆变模式，地面端高频变换器工作在全桥整流模式。因此，可实现反向高功率传输。
[0118]
第二种电动汽车双向无线电能传输系统的拓扑结构如图16所示。该方案在地面端的四个支路和车载端的一个支路上，分别增加开关k1～k4和开关k5。
[0119]
具体的，主电感l1的一端经开关k3连接至功率开关s1和功率开关s2的连接支路。主电感l1的一端还经开关k2连接至功率开关s3与功率开关s4的连接支路上。主电感l1的一端经开关k4连接至功率开关s4与地面直流母线的负极的连接支路上。
[0120]
主电感l1的另一端与补偿电容c1的一端连接。补偿电容c1的另一端分别与补偿电容c
f1
的一端和补偿电感l
f1
的一端连接。补偿电感l
f1
的另一端经开关k1连接至功率开关s1和功率开关s2的连接支路上。补偿电容c
f1
的另一端连接至开关k2与第一高频变换单元2的连
接支路上。
[0121]
主电感l2的一端经开关k5连接至功率开关q3和功率开关q4的连接支路。
[0122]
主电感l2的另一端与补偿电容c2的一端连接。补偿电容c2的另一端分别与补偿电容c
f2
的一端和补偿电感l
f2
的一端连接。补偿电感l
f2
的另一端连接至功率开关q1和功率开关q2的连接支路上。补偿电容c
f2
的另一端连接至开关k5与第一高频变换单元2的连接支路上。
[0123]
图17展示了第二种系统拓扑的各工作模式。其中：
[0124]
(1)当车载电池电压较低时，功率正向传输为电池充电，需要恒流充电。如图17的(a)所示，令开关k1闭合、其余开关断开，则地面端和车载端组成s-s补偿网络，辅助线圈l
f1
和l
f2
用于传能。地面端高频变换器工作在全桥逆变模式，车载端高频变换器工作在全桥整流模式。
[0125]
当母线电压和电池电压增加时，传输的功率随之增加。在s-s模式下，可实现恒流充电。另一方面，由于辅助线圈的自感和互感较小，系统传输功率较大，从而实现了轻载高功率传输。
[0126]
(2)当车载电池电压升高到一定程度时，功率正向传输为电池充电，仍保持恒流模式充电但所需电流下降。如图17的(b)所示，令开关k1、k2、k5闭合，其余开关断开，则地面端和车载端组成双耦合lcc-lcc补偿网络，主线圈l1、l2以及辅助线圈l
f1
、l
f2
均用于传能。地面端高频变换器工作在全桥逆变模式，车载端高频变换器工作在全桥整流模式。
[0127]
当母线电压和电池电压增加时，传输的功率随之增加。在双耦合lcc-lcc模式下，可实现恒流充电。另一方面，设计互感参数使得系统传输功率处于目标范围，从而实现了中载中功率传输。
[0128]
(3)当车载电池电压升高到较高值时，功率正向传输为电池充电，改为恒压模式充电，且充电电流不断下降。如图17的(c)所示，令开关k4、k5闭合，其他开关断开，则地面端和车载端组成s-lcc补偿网络，主线圈l1和l2用于传能。在s-lcc模式下，可实现恒压充电。功率开关s1和s2一直处于关断状态，通过控制s3和s4的导通/关断，使地面端高频变换器工作在半桥逆变模式。功率开关q1一直处于关断状态，q2一直处于开通状态，通过控制q3和q4的导通/关断，使车载端高频变换器工作在半桥整流模式。因此，双端变换器端口的激励电压均为全桥模式下的1/2，限制了输出能力，从而适合重载时的低功率传输。
[0129]
(4)当车载电池电压较高时，功率反向传输向电网放电。如图17的(d)所示，令k3、k5闭合，其他开关断开，则地面端和车载端组成s-lcc补偿网络，主线圈l1和l2用于传能。在s-lcc模式下，可实现恒压放电。车载端高频变换器工作在全桥逆变模式，地面端高频变换器工作在全桥整流模式。因此，可实现反向高功率传输。
[0130]
根据上述工作模式，功率正向传输时的充电曲线如图18所示。在电池轻载时采用s-s模式(第一种或第二种拓扑结构的第一种工作模式)，为恒流阶段(大电流充电)。在电池中载时采用lcc-lcc模式(第一种或第二种拓扑结构的第二种工作模式)，为恒流阶段(小电流充电)。在电池重载时采用lcc-s(第一种拓扑结构的第三种工作模式)或s-lcc模式(第二种拓扑结构的第三种工作模式)，为恒压阶段(电流不断减小)。
[0131]
功率正向传输时的功率变化曲线如图19所示。在电池轻载时采用s-s模式，当母线电压和电池电压抬升时，传输的功率随之增加。在电池中载时采用lcc-lcc模式，当母线电
压和电池电压抬升时，传输的功率随之增加。在电池重载时采用lcc-s或s-lcc模式，随着电池等效电阻的增加，充电电流和功率不断下降。
[0132]
对于传统的无线电能传输系统，其在同一工作模式下经历轻载-重载的充电过程，因此轻载阶段的低效率无法避免。而对于本发明提出的拓扑结构，由于系统在各工作模式下始终工作于对应的中载、重载范围(举例解释：如s-s模式的最大输出能力为30kw，在本发明的系统中只令其工作在11kw～30kw。lcc-lcc模式的最大输出能力为11kw，在本发明的系统中只令其工作在5～11kw)，从而传输效率可以始终保持在高效率。
[0133]
功率反向传输时的电流和功率变化曲线如图20和图21所示。本发明提供的系统工作在s-lcc模式(两种拓扑的第四种模式)，随着电池电压的降低，放电电流的大小逐渐下降，放电功率也随之下降。当电池电压降至中等电压时，反向放电终止。
[0134]
基于上述描述，本发明提供的电动汽车双向无线电能传输系统相较于现有技术，具有以下优点：
[0135]
1)本发明提出三种正交解耦的线圈方案，其中主电感和辅助电感均可传能，实现了双向的功率流动。
[0136]
2)本发明提出了两种可投切的双向无线电能传输系统拓扑，通过开关的闭合或关断，切换为不同的补偿网络，从而实现恒流/恒压输出模式。
[0137]
3)在正向功率传输模式下，本发明在电池轻载时为高功率充电，中载时为中功率充电，重载时为低功率充电，在反向功率传输模式下，电池为高压时，进行高功率放电，实现了轻载高功率、中载中功率、重载低功率的充电模式，且能够实现反向大功率放电，因此适合电动汽车双向充放电场景。
[0138]
4)本发明提供的系统在宽功率工作区间均高效传能。其中，最大输出能力强，宽工作范围传输效率高。
[0139]
5)与常见的基于lcc-lcc补偿的无线电能传输系统相比，本发明未增加任何多余的电感或电容，仅仅在支路上增加一些开关，即可完成恒流恒压模式的切换。
[0140]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0141]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种电动汽车双向无线电能传输系统，其特征在于，包括：pfc模块、第一高频变换单元、地面端补偿网络、磁耦合线圈、车载端补偿网络和第二高频变换单元；所述pfc模块分别与电网和所述第一高频变换单元连接；所述第一高频变换单元与所述地面端补偿网络连接；所述地面端补偿网络通过所述磁耦合线圈与所述车载端补偿网络形成谐振；所述车载端补偿网络与所述第二高频变换单元连接；所述第二高频变换单元与电动汽车电池连接；所述第一高频变换单元和所述第二高频变换单元均为全桥变换器；所述第一高频变换单元与所述地面端补偿网络的连接支路上设置有开关；所述第二高频变换单元与所述车载端补偿网络的连接支路上也设置有开关。2.根据权利要求1所述的电动汽车双向无线电能传输系统，其特征在于，所述第一高频变换单元包括：功率开关s1、功率开关s2、功率开关s3和功率开关s4；所述功率开关s1的一端和所述功率开关s3的一端均连接至地面直流母线的正极；所述功率开关s2的一端和功率开关s4的一端均连接至地面直流母线的负极；所述功率开关s1的另一端与所述功率开关s2的另一端连接；所述功率开关s3的另一端与所述功率开关s4的另一端连接。3.根据权利要求2所述的电动汽车双向无线电能传输系统，其特征在于，所述第二高频变换单元包括：功率开关q1、功率开关q2、功率开关q3和功率开关q4；所述功率开关q1的一端和所述功率开关q3的一端均连接至电动汽车电池的正极；所述功率开关q2的一端和功率开关q4的一端均连接至电动汽车电池的负极；所述功率开关q1的另一端与所述功率开关q2的另一端连接；所述功率开关q3的另一端与所述功率开关q4的另一端连接。4.根据权利要求3所述的电动汽车双向无线电能传输系统，其特征在于，所述地面端补偿网络包括：主电感l1、补偿电容c1、补偿电容c
f1
和补偿电感l
f1
；所述主电感l1的一端经开关k3连接至所述功率开关s1和所述功率开关s2的连接支路；所述主电感l1的一端还经开关k2连接至功率开关s3与所述功率开关s4的连接支路上；所述主电感l1的另一端与所述补偿电容c1的一端连接；所述补偿电容c1的另一端分别与所述补偿电容c
f1
的一端和补偿电感l
f1
的一端连接；所述补偿电感l
f1
的另一端经开关k1连接至所述功率开关s1和所述功率开关s2的连接支路上；所述补偿电容c
f1
的另一端连接至所述开关k2与第一高频变换单元的连接支路上。5.根据权利要求4所述的电动汽车双向无线电能传输系统，其特征在于，所述车载端补偿网络包括：主电感l2、补偿电容c2、补偿电容c
f2
和补偿电感l
f2
；所述主电感l2的一端经开关k5连接至所述功率开关q3和所述功率开关q4的连接支路；所述主电感l2的一端还经开关k6连接至功率开关q2与电动汽车电池的负极的连接支路上；所述主电感l2的另一端与所述补偿电容c2的一端连接；所述补偿电容c2的另一端分别与所述补偿电容c
f2
的一端和补偿电感l
f2
的一端连接；所述补偿电感l
f2
的另一端经开关k4连接至所述功率开关q1和所述功率开关q2的连接支路上；所述补偿电容c
f2
的另一端连接至所述开关k5与第一高频变换单元的连接支路上。6.根据权利要求3所述的电动汽车双向无线电能传输系统，其特征在于，所述地面端补偿网络包括：主电感l1、补偿电容c1、补偿电容c
f1
和补偿电感l
f1
；
所述主电感l1的一端经开关k3连接至所述功率开关s1和所述功率开关s2的连接支路；所述主电感l1的一端还经开关k2连接至功率开关s3与所述功率开关s4的连接支路上；所述主电感l1的一端经开关k4连接至所述功率开关s4与所述地面直流母线的负极的连接支路上；所述主电感l1的另一端与所述补偿电容c1的一端连接；所述补偿电容c1的另一端分别与所述补偿电容c
f1
的一端和补偿电感l
f1
的一端连接；所述补偿电感l
f1
的另一端经开关k1连接至所述功率开关s1和所述功率开关s2的连接支路上；所述补偿电容c
f1
的另一端连接至所述开关k2与第一高频变换单元的连接支路上。7.根据权利要求6所述的电动汽车双向无线电能传输系统，其特征在于，所述车载端补偿网络包括：主电感l2、补偿电容c2、补偿电容c
f2
和补偿电感l
f2
；所述主电感l2的一端经开关k5连接至所述功率开关q3和所述功率开关q4的连接支路；所述主电感l2的另一端与所述补偿电容c2的一端连接；所述补偿电容c2的另一端分别与所述补偿电容c
f2
的一端和补偿电感l
f2
的一端连接；所述补偿电感l
f2
的另一端连接至所述功率开关q1和所述功率开关q2的连接支路上；所述补偿电容c
f2
的另一端连接至所述开关k5与第一高频变换单元的连接支路上。8.根据权利要求1所述的电动汽车双向无线电能传输系统，其特征在于，所述磁耦合线圈包括单极性线圈和双极性线圈；所述单极性线圈和所述双极性线圈均关于中心线对称设置。

技术总结
本发明公开一种电动汽车双向无线电能传输系统，涉及电动汽车无线充电技术领域。本发明通过将第一高频变换单元和第二高频变换单元设置为全桥变换器，能够实现功率的双向流动，并在第一高频变换单元与地面端补偿网络的连接支路上设置开关，在第二高频变换单元与车载端补偿网络的连接支路上也设置开关，通过控制开关的开闭，使得整个电动汽车双向无线电能传输系统从轻载到重载的宽工作范围均能够以较高的效率进行功率传输。较高的效率进行功率传输。较高的效率进行功率传输。


技术研发人员：邓钧君 张保坤 王震坡 林倪
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/9