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1、(10)申请公布号 CN 102856964 A(43)申请公布日 2013.01.02CN102856964A*CN102856964A*(21)申请号 201210381720.8(22)申请日 2012.10.10H02J 7/00(2006.01)H02J 17/00(2006.01)B60L 11/18(2006.01)(71)申请人中国矿业大学地址 221116 江苏省徐州市大学路1号中国矿业大学科技处(72)发明人夏晨阳 伍小杰 贾娜 刘志远林俊杰 于月森 李森 李国瑞左兰(74)专利代理机构江苏圣典律师事务所 32237代理人程化铭(54) 发明名称电动汽车三相无线充电系统及其。
2、充电方法(57) 摘要一种电动汽车三相无线充电系统及其充电方法，属于无线电能传输系统及方法。无线充电系统由原边供电装置、副边充电装置和数字控制单元构成，原边供电装置安装在地面下，数字控制单元的输出端与原边供电装置连接，副边充电装置安装在汽车上；原边供电装置中的磁能发射阵列式线圈上串联连接有线圈电流检测单元；线圈电流检测单元的输出端与数字控制单元的输入端连接。优点：设置原边磁能发射机构由矩阵阵列式线圈组成，在大范围内保证电动汽车可靠的充电；设置原边阵列式线圈绕向，避免了副边线圈拾取电压的零点；每个时刻只有与副边拾取线圈最接近的三个两两毗邻的原边线圈组成的供电小组供电，避免了其他线圈运行在空载模式。
3、，提高了整体系统的效率。(51)Int.Cl.权利要求书2页 说明书5页 附图2页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页1/2页21.一种电动汽车三相无线充电系统，其特征是：无线充电系统由原边供电装置、副边充电装置和数字控制单元构成，原边供电装置安装在地面下，数字控制单元的输出端与原边供电装置连接，副边充电装置安装在汽车上；所述的原边供电装置包括：供电单元、原边磁能发射阵列式线圈和线圈电流检测单元；供电单元的输出端与原边磁能发射阵列式线圈连接，原边磁能发射阵列式线圈上串联连接有线圈电流检测单元； 所述的副边充电装置包括：副边磁能。
4、拾取机构、车载充电器、车载电池和副边谐振补偿电路；副边磁能拾取机构通过串联的副边谐振补偿电路与车载充电器连接，车载充电器的输出端与车载电池连接；所述的数字控制单元的输入端与原边磁能发射阵列式线圈电流检测单元的输出端连接，数字控制单元的输出端与分别与DC-DC变换电路和高频逆变电路连接。2.根据权利要求1所述的一种电动汽车三相无线充电系统，其特征在于：所述的供电单元包括输入交流电源、整流滤波电路、DC-DC变换电路、高频逆变电路和原边谐振补偿电路；交流电源、整流滤波电路、DC-DC变换电路和高频逆变电路顺序连接，高频逆变电路的输出端通过串联的原边谐振补偿电路与原边磁能发射阵列式线圈连接。3.根据。
5、权利要求1所述的一种电动汽车三相无线充电系统，其特征在于：所述的原边磁能发射阵列式线圈由3组，共3N个独立的六边形平面螺线管线圈在平面内呈矩阵阵列分布，构成大面积磁能供电区域；每个六边形平面螺线管线圈都由单独的供电单元供电；原边磁能发射阵列式线圈中任意三个两两毗邻的线圈由不同组的线圈（Ax、By、Cz）呈“品”字形分布混合组成；所有3N个平面螺线管线圈的绕线材料、粗细、电感、螺线管半径、匝数等参数完全相同；所述的3组分别为A组、B组和C组，C组线圈的螺旋方向与A组线圈和B组线圈的螺旋方向相反；每组各有N个线圈，分别为A1-An，B1-Bn，C1-Cn，共有3N个线圈。4.根据权利要求1所述的一。
6、种电动汽车三相无线充电系统，其特征在于：所述的副边磁能拾取机构是一个六边形平面螺线管线圈，安装在充电电动汽车底部，跟随电动汽车在原边矩阵阵列式线圈上方自由移动。5.根据权利要求1所述的一种电动汽车三相无线充电系统，其特征在于：所述的车载充电器是一个宽电压输入开关电源充电器，电压范围为85VAC264VAC，保证拾取电压在规定范围内波动时，车载电池的正常充电。6.一种电动汽车三相无线充电方法，其特征在于：数字控制单元采用高性能DSP数字控制芯片，其充电方法如下：（1）开通所有线圈供电电路：电动汽车进入充电区域充电，DSP芯片发出频率相同(20kHz)、相位分别相差0o、120o、240o三路PW。
7、M控制脉冲分别触发A组、B组和C组所有原边线圈供电单元中的高频逆变电路开通工作，并给所有线圈供电单元中的DC-DC变换器高电平信号，同时给矩阵分布式排列的所有原边线圈供电；（2）最接近副边磁能拾取机构的三个原边线圈识别：基于副边磁能拾取机构与原边磁能发射阵列式线圈中各个线圈位置的不相同，原、副边线圈位置越近，互感耦合系数越大，副边反射阻抗越大，原边线圈中流过的电流越小，流过原边磁能发射阵列式线圈各个线圈的电流不同，通过线圈电流检测单元，检测原边磁能发射阵列式线圈中所有线圈的电流并送入DSP芯片，经过计算比较，保留开通电流最小的三个两两毗邻的原边线圈Ax、By、Cz供权 利 要 求 书CN 10。
8、2856964 A2/2页3电电路中的DC-DC开通信号，关闭其他所有线圈供电电路中的DC-DC开通信号；（3）三线圈恒流控制：再次通过线圈电流检测单元检测保留的三个线圈Ax、By、Cz中的电流，基于数字控制单元分别产生三线圈Ax、By、Cz供电电路中的DC-DC变换电路开关PWM脉冲控制信号和三路逆变电路控制脉冲，保证三线圈中通过幅值相等、相位分别相差0o、120o、240o的同频交流电，任一时刻只有与副边磁能拾取机构最接近的三个两两毗邻的原边线圈Ax、By、Cz组成的供电小组供电，实现为电动汽车高效灵活充电。权 利 要 求 书CN 102856964 A1/5页4电动汽车三相无线充电系统及。
9、其充电方法技术领域0001 本发明涉及一种无线电能传输系统及方法，具体地说，是一种电动汽车三相无线充电系统及其充电方法。背景技术0002 现代城市汽车保有量的快速增加，不仅造成城市道路堵塞、产生大量噪声，而且尾气排放量的持续增加必将造成严重的温室效应和大气污染。随着能源危机的日益加剧以及人类对居住环境要求的不断提高，除了大力推进传统汽车节能减排以外，发展噪声小、零污染排放的电动汽车无疑是减轻汽车对城市大气造成的污染具有积极的意义。0003 目前电动汽车充电主要有两种充电方式， 普通交流电直接充电模式：在这种充电模式下，充电时间长，充电效率低；快速直流电充电模式：在这种充电模式下，充电时间短，充。
10、电效率高，但充电负荷大，不适合多个汽车同时充电。虽然目前世界许多国家都投入了大量的资金用于大型高效电动汽车充电站的建设，但纵观目前国内外电动汽车充电技术发展与充电站的建设，依然存在以下几个方面的问题：电动汽车充电站充电时间较长，需浪费消费者大量时间；一个充电站同时充电汽车数量有限；户外有线充电桩易受到侵害；建专用充电站占用大量用地等。0004 还有一种利用无线电能传输技术通过电磁感应耦合原理，实现了电能的近距离无线传输，基于该技术可实现电动汽车在家用车库、公共停车位甚至街道边等地点的方便灵活充电。而利用传统的单相单原边发射线圈无线电能传输系统对电动汽车实现无线充电，存在的一个明显缺陷是：原边磁。
11、能发射线圈产生的磁场不均衡，线圈中央位置磁场强度大，周边磁场强度小。为保证电动车充电效率，安装于电动汽车上的拾取线圈机构需要位于原边磁能发射机构的绝对正上方。否则将造成能量的大量流失，不利于电池的高效充电。而为了高效充电，除需要电动汽车加装昂贵的磁能发射机构定位装置外，还需要汽车用户具有较高的停车技术。发明内容0005 本发明的目的就是针对传统的单相单原边发射线圈无线充电存在的电动汽车定位精度高、停车技术难的缺陷，提供一种电动汽车无线充电系统及其充电方法，既保证电动汽车在大范围内的灵活停车，又实现电动汽车高效可靠的充电。0006 本发明的目的是这样实现的：电动汽车充电包括无线充电系统和充电方法。
12、；无线充电系统由原边供电装置、副边充电装置和数字控制单元构成，原边供电装置安装在地面下，数字控制单元的输出端与原边供电装置连接，副边充电装置安装在汽车上；所述的原边供电装置包括：供电单元、原边磁能发射阵列式线圈和原边磁能发射阵列式线圈电流检测单元；供电单元的输出端与原边磁能发射阵列式线圈连接，原边磁能发射阵列式线圈上串联连接有线圈电流检测单元； 说 明 书CN 102856964 A2/5页5所述的副边充电装置包括：副边磁能拾取机构、车载充电器、车载电池和副边谐振补偿电路；副边磁能拾取机构通过串联的副边谐振补偿电路与车载充电器连接，车载充电器的输出端与车载电池连接；所述的数字控制单元的输入端与。
13、原边磁能发射阵列式线圈电流检测单元的输出端连接，数字控制单元的输出端与分别与DC-DC变换电路和高频逆变电路连接。0007 所述的供电单元包括输入交流电源、整流滤波电路、DC-DC变换电路、高频逆变电路和原边谐振补偿电路；交流电源、整流滤波电路、DC-DC变换电路和高频逆变电路顺序连接，高频逆变电路的输出端通过串联的原边谐振补偿电路与原边磁能发射阵列式线圈连接。0008 所述的原边磁能发射阵列式线圈由3组，共3N个独立的六边形平面螺线管线圈在平面内呈矩阵阵列分布，构成大面积磁能供电区域；每个六边形平面螺线管线圈都由单独的供电单元供电；原边磁能发射阵列式线圈中任意三个两两毗邻的线圈由不同组的线圈。
14、（Ax、By、Cz）呈“品”字形分布混合组成；所有3N个平面螺线管线圈的绕线材料、粗细、电感、螺线管半径、匝数等参数完全相同；所述的3组分别为A组、B组和C组，C组线圈的螺旋方向与A组线圈和B组线圈的螺旋方向相反；每组各有N个线圈，分别为A1-An，B1-Bn，C1-Cn，共有3N个线圈。0009 所述的副边磁能拾取机构是一个六边形平面螺线管线圈，安装在充电电动汽车底部，跟随电动汽车在原边矩阵阵列式线圈上方自由移动。0010 所述的车载充电器是一个宽电压输入开关电源充电器，电压范围为85VAC264VAC，保证拾取电压在规定范围内波动时，车载电池的正常充电。0011 所述的数字控制单元采用高性。
15、能DSP数字控制芯片。0012 本系统的充电方法如下：（1）开通所有线圈供电电路：电动汽车进入充电区域充电，DSP芯片发出频率相同(20kHz)、相位分别相差0o、120o、240o三路PWM控制脉冲分别触发A组、B组和C组所有原边线圈供电单元中的高频逆变电路开通工作，并给所有线圈供电单元中的DC-DC变换器高电平信号，同时给矩阵分布式排列的原边所有线圈供电；（2）最接近副边磁能拾取机构的三个原边线圈识别：基于副边磁能拾取机构与原边磁能发射阵列式线圈中各个线圈位置的不相同，原、副边线圈位置越近，互感耦合系数越大，副边反射阻抗越大，原边线圈中流过的电流越小，流过原边磁能发射阵列式线圈各个线圈的电。
16、流不同，通过线圈电流检测单元，检测原边磁能发射阵列式线圈中所有线圈的电流并送入DSP芯片，经过计算比较，保留开通电流最小的三个两两毗邻的原边线圈Ax、By、Cz供电电路中的DC-DC开通信号，关闭其他所有线圈供电电路中的DC-DC开通信号；（3）三线圈恒流控制：再次通过线圈电流检测单元检测保留的三个线圈Ax、By、Cz中的电流，基于数字控制单元分别产生三线圈Ax、By、Cz供电电路中的DC-DC变换电路开关PWM脉冲控制信号和三路逆变电路控制脉冲，保证三线圈中通过幅值相等、相位分别相差0o、120o、240o的同频交流电，任一时刻只有与副边磁能拾取机构最接近的三个两两毗邻的原边线圈Ax、By、。
17、Cz组成的供电小组供电，实现为电动汽车高效灵活充电。0013 有益效果由于采用了上述方案，电动汽车无线充电系统中阵列式磁路机构中的原边磁能发射阵说 明 书CN 102856964 A3/5页6列式线圈是由一系列特定绕制方法和排列的小线圈组成的一个大面积磁能充电区域，电动汽车可停靠在原边大面积磁能区域中任意一点，无需精确定位原边线圈，通过电流检测单元，经过数字控制单元，由与副边磁能拾取机构最接近的三个原边线圈组成一个供电小组供电，即可实现在大范围内都能保证高效充电，并且任一时刻只有与副边线圈最接近的三个原边线圈供电，其他线圈不通电，避免了因耦合系数较低的线圈工作在空载模式而带来的电能损耗，极大的。
18、提高了整体系统的效率。0014 优点：原边磁能发射机构由矩阵线圈组成，大范围内都能保证可靠的能量拾取；通过设置原边阵列式3组线圈不同绕向，避免了副边线圈拾取电压的零点；每个时刻只有与副边拾取线圈最接近的三个原边线圈组成的供电小组供电，避免了其他线圈运行在空载模式，提高了整体系统的效率；充电效率高、控制简单、电动汽车可移动范围大。附图说明0015 图1 为本发明电动汽车三相无线充电系统原理图。0016 图2 为本发明电动汽车三相无线充电系统阵列式磁路机构图。0017 图3 为本发明原边三相电流及拾取电压矢量图。0018 图4 为本发明电动汽车三相无线充电系统主电路及控制电路图。0019 图中，1。
19、、供电单元；2、原边磁能发射阵列式线圈；3、副边磁能拾取机构；4、车载充电器；5、车载电池；6、线圈电流检测单元；7、数字控制单元；8、输入交流电源；9、整流滤波电路；10、DC-DC变换电路；11、高频逆变电路；12、原边谐振补偿电路；13、副边谐振补偿电路具体实施方案0020 实施例1：电动汽车充电包括无线充电系统和充电方法；无线充电系统由原边供电装置、副边充电装置和数字控制单元构成，原边供电装置安装在地面下，数字控制单元的输出端与原边供电装置连接，副边充电装置安装在汽车上；所述的原边供电装置包括：供电单元1、原边磁能发射阵列式线圈2和原边磁能发射阵列式线圈电流检测单元6；供电单元1的输出。
20、端与原边磁能发射阵列式线圈2连接，原边磁能发射阵列式线圈2上串联连接有原边磁能发射阵列式线圈电流检测单元6；所述的副边充电装置包括：副边磁能拾取机构3、车载充电器4、车载电池5和副边谐振补偿电路13；副边磁能拾取机构3通过串联的副边谐振补偿电路13与车载充电器4连接，车载充电器4的输出端与车载电池5连接；所述的数字控制单元7的输入端与原边磁能发射阵列式线圈电流检测单元6的输出端连接，数字控制单元7的输出端与分别与DC-DC变换电路10和高频逆变电路11连接。数字控制单元7采用高性能DSP芯片。0021 所述的供电单元1包括输入交流电源8、整流滤波电路9、DC-DC变换电路10、高频逆变电路11。
21、和原边谐振补偿电路12；交流电源8、整流滤波电路9、DC-DC变换电路10和高频逆变电路11顺序连接，高频逆变电路11的输出端通过串联的原边谐振补偿电路12与原边磁能发射阵列式线圈2连接；其中输入交流电源为220V/50Hz交流电源；DC-DC变换电路10采用BUCK电路；高频逆变电路11采用单相半桥逆变电路；每个供电单元中的输入交流说 明 书CN 102856964 A4/5页7电源8大小相等，整流滤波电路9都采用全桥整流电容滤波电路，原边谐振补偿电路12采用串联谐振电容补偿模式，使得原边各个谐振电路工作在全谐振模式。0022 所述的原边磁能发射阵列式线圈2由3组，共3N个独立的六边形平面螺。
22、线管线圈在平面内呈矩阵阵列分布，构成大面积磁能供电区域；每个六边形平面螺线管线圈都由单独的供电单元供电；原边磁能发射阵列式线圈中任意三个两两毗邻的线圈由不同组的线圈（Ax、By、Cz）呈“品”字形分布混合组成；所有3N个平面螺线管线圈的绕线材料、粗细、电感、螺线管半径、匝数等参数完全相同；所述的3组分别为A组、B组和C组，C组线圈的螺旋方向与A组线圈和B组线圈的螺旋方向相反；每组各有N个线圈，分别为A1-An，B1-Bn，C1-Cn，共有3N个线圈。0023 原边磁能发射阵列式线圈2中的每个线圈上都安装有串联的线圈电流检测单元6，通过将检测到的电流送入数字控制单元7，从而控制各个供电单元1中的。
23、DC-DC变换电路10和高频逆变电路11工作，保证电动汽车总是处在正常高效充电状态。0024 所述的副边磁能拾取机构3同样采用六边形平面螺线管线圈，安装在电动汽车底部，可跟随电动汽车在原边矩阵线圈上方自由移动。 0025 原边磁能发射阵列式线圈2嵌入在地面下，副边磁能拾取机构3安装在充电汽车底部，随电动汽车一起移动。当电动汽车需要充电时，将电动汽车停在原边矩阵阵列式线圈2上方任何一个位置，副边磁能拾取机构3与原边阵列式线圈2位置平行，保持原副边垂直距离小于5cm。由于电动汽车车载电池随着充电阶段的不同，呈现出不同的负载特性，从而改变反射阻抗，为保证无线充电系统频率的稳定性，所有原边线圈和副边磁。
24、能拾取机构都采用串联谐振补偿模式。通过原边磁能发射阵列式线圈2和副边磁能拾取机构3之间的互感耦合，从而给车载充电器4供电，并对车载电池5充电。0026 车载充电器4是一个宽电压输入开关电源充电器，电压范围为85V264V，保证拾取电压在规定范围内波动时，车载电池的正常充电。0027 通过原边磁能发射阵列式线圈2上的电流检测单元6及数字控制单元7，任一时刻只有与副边磁能拾取机构最接近，也就是耦合系数最大的原边矩阵中任意三个两两毗邻的线圈Ax、By、Cz供电，其他线圈都停止供电，避免其他线圈运行在空载模式，提高了整体系统的效率。0028 通过原边磁能发射阵列式线圈2与数字控制单元7，对DC-DC变。
25、换电路10进行控制，以保证为电动汽车充电的原边矩阵线圈中的工作中的三个两两毗邻的线圈Ax、By、Cz分别流过幅值相等、相位相差0o、120o、240o的20kHz同频交流电。0029 充电方法如下：（1）开通所有线圈供电电路：电动汽车进入充电区域充电，数字控制单元7发出频率相同（20kHz）、相位分别相差0o、120o、240o三路逆变电路控制脉冲分别触发A组、B组和C组所有原边线圈所用高频逆变电路11开通工作，并给所有充电线圈供电电路中的DC-DC变换电路10高电平信号，从而同时给原边磁能发射阵列式线圈2中的原边所有线圈供电。0030 （2）最接近副边拾取线圈的三个原边线圈识别：基于副边磁能。
26、拾取机构3与原边磁能发射阵列式线圈2中各个线圈位置的不相同，原、副边线圈位置越近，互感耦合系数越大，反射阻抗越大，原边线圈中流过的电流越小，流过原边磁能发射阵列式线圈中各个线圈的电流不同，通过线圈电流检测单元6，检测原边磁能发射阵列式线圈2中所有线圈的电流说 明 书CN 102856964 A5/5页8并送入DSP芯片，经过计算比较，保留电流最小的三个线圈供电电路中的DC-DC变换10电路开通信号，关闭其他线圈供电电路中的DC-DC变换电路开通信号。0031 （3）三线圈恒流控制：再次通过线圈电流检测单元6检测保留的三个线圈Ax、By、Cz中的电流，数字控制单元7分别产生三线圈Ax、By、Cz。
27、供电电路中的DC-DC变换电路10开关PWM脉冲控制信号和高频逆变电路11控制脉冲，保证三线圈中流过幅值相等，频率相同、相位分别相差0o、120o、240o的20kHz高频交流电。0032 基于互感耦合电压拾取原理，完成电动汽车在原边磁能发射阵列式线圈2上方任一位置高效灵活充电。0033 在电动汽车充电模式下，由于Ax、By、Cz三个毗邻线圈分别流过幅值相等、相位相差0o、120o、240o的同频交流电、。显然，如果原边三个线圈绕线方向完全相同，那么根据互感耦合原理理论基本知识分析可知，当分别为原边三相线圈与副边拾取线圈互感值MAD、MBD、MCD相等时，拾取电压vD为：其中，w为高频逆变电路输出角频率，也即谐振电路角频率。0034 但如果将其中一个线圈C线圈的绕向与A、B绕向相反，那么同样根据互感耦合原理理论基本知识分析可知，拾取电压vD为：图3为原边三相电流及拾取电压矢量图。不管拾取线圈与原边三相线圈处于何种互感耦合位置，输出电压都不可能为0，且当MAD、MBD、MCD相等时，其输出电压最大为。 说 明 书CN 102856964 A1/2页9图1图2说 明 书 附 图CN 102856964 A2/2页10图3图4说 明 书 附 图CN 102856964 A10。