CN110914100A

CN110914100A - 无线充电***

Info

Publication number: CN110914100A
Application number: CN201880050187.2A
Authority: CN
Inventors: F.托姆贝利
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB AS Norway
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2018-07-25
Publication date: 2020-03-24
Also published as: WO2019020710A1; EP3658406A1; EP3658406B1; US11427095B2; US20200161901A1

Abstract

一种用于电动交通工具（13）的无线充电***（12）包括：AC到DC转换器（14），其能连接到AC电网（18）；DC到AC转换器（24），其与AC到DC转换器（14）互连；第一感应线圈（26），其与DC到AC转换器（24）互连，并且用于感应地耦合到第二感应线圈（30），以用于经由气隙进行功率传递；第一壳体（16），AC到DC转换器（14）布置在所述第一壳体（16）中；第二壳体（22），DC到AC转换器（24）和感应线圈（26）布置在所述第二壳体（22）中；以及线缆（20），其用于在第一壳体（16）和第二壳体（22）的外部互连AC到DC转换器（14）和DC到AC转换器（24）。

Description

无线充电***

技术领域

本发明涉及电动交通工具的领域。特别地，本发明涉及用于电动交通工具的无线充电***和充电***布置。

背景技术

经由感应线圈的无线功率传递是一种新兴技术，其可以在没有物理接触的情况下实现在特定距离上的电功率传递。近年来，在电网到负载效率高于90%的情况下，千瓦功率级的传输距离从几毫米增加到几百毫米。这些进步使得无线功率传递对于在静止和动态充电场景两者中的电动交通工具的充电非常有吸引力。

电动汽车的电池通常在电网上充电。在通过转换器***整流和稳定之后，所提供的功率被传送到具有感应式传输装置的电动交通工具的高压***中。与诸如传导或线缆束缚（cable-bound）充电之类的其它能量传输过程相比，感应能量传输通常具有作为稳健和方便的能量传输方法的优点。

感应传输装置通常包括两个感应线圈，其中第一感应线圈由无线充电装置提供，并且第二感应线圈由电动交通工具提供。两个线圈都可以看作是空气变压器。

可能的是，第一感应线圈被布置成远离转换器***，因为例如它可以被提供在电动交通工具的停车场下方。转换器***与第一感应线圈之间的功率传递然后可以经由利兹线（litz wire）发生。由于转换器***用来向第一感应线圈供电的电压的高开关频率，可能需要利兹线。然而，利兹线可能相当昂贵。

US 20150022142 A1考虑了感应功率传递***的接收器内部的电子器件组件的集成。

US 20130038279 A1描述了将电子器件集成在感应功率传递***内以降低EMC（电磁兼容性）。

US 2013214591 A1示出了用于经由两个线圈之间的高频功率传输对电动交通工具充电的充电站。充电站包括具有降压-升压转换器的AC-DC转换器，所述降压-升压转换器连接到DC功率传递线缆和用于在传输线圈中产生高频电流的负载点转换器。一个AC-DC转换器可以连接到负载转换器的若干点。

US 2009121675 A1涉及一种用于感应电池充电设备的控制方法。提及了用于AC-DC转换器和DC-AC转换器的若干拓扑结构，并且DC链路电压可被控制。

发明内容

本发明的目的是要提供用于电动汽车的经济且高效的无线充电***。

该目的通过独立权利要求的主题来实现。根据从属权利要求和以下描述，另外的示范性实施例是显而易见的。

本发明的一个方面涉及用于电动交通工具的无线充电***。电动交通工具可以是可以利用由电池供电的电马达所驱动的街道交通工具。无线充电***可以用于对电池充电。混合动力交通工具，即具有内燃机和电马达的交通工具，也可以被看作是电动交通工具。

根据本发明的实施例，充电***包括能连接到AC电网的AC到DC转换器；与所述AC到DC转换器互连的DC到AC转换器；第一感应线圈，其与所述DC到AC转换器互连且用于经由气隙感应地耦合到第二感应线圈以用于功率传递；第一壳体，所述AC到DC转换器布置在所述第一壳体中；第二壳体，所述DC到AC转换器和感应线圈布置在所述第二壳体中；以及线缆，以用于在第一壳体和第二壳体外部互连AC到DC转换器和DC到AC转换器。

换句话说，用于将AC电网电压转换成供应给第一感应线圈的AC电压的AC到AC转换器分布在两个壳体之间，所述AC到AC转换器由AC到DC转换器和DC到AC转换器组成。可以远离所述第二壳体布置的所述第一壳体，容纳AC到DC转换器，并且可以不得不布置在电动交通工具附近的所述第二壳体，容纳DC到AC转换器。例如，第二壳体可以位于电动交通工具下方的地面中，诸如停车场。以这种方式，可以使得DC到DC转换器与第一感应线圈之间的电互连的长度相当短。对于将两个壳体互连的线缆而言，可以使用适于传送DC电流的普通线缆。

另外，由于不必将AC电流传递更大的距离，所述AC电流可以具有大于10 kHz的频率，因此与利用利兹线的技术方案相比，可以减少对环境的电磁干扰。可以增加***的EMC。

由气隙分开的第一感应线圈和第二感应线圈可以适于和布置成用于感应能量传输装置。第一感应线圈和第二感应线圈两者都可以是可以基本上彼此平行布置的扁平线圈。必须注意，第二感应线圈布置在第二壳体的外部，例如在电动交通工具的底部中。利用这种空气变压器，能量可以跨若干分米的距离被传送。利用第一感应线圈产生随时间变化的磁场。磁场的一部分流经第二感应线圈并且感应电流。第二感应线圈可以经由整流器与电动汽车的电池连接，然后可以对所述电池充电。

无线充电***还包括：第一壳体内部的第一控制器，以用于控制所述AC到DC转换器；以及第二壳体内部的第二控制器，以用于控制DC到AC转换器。第一控制器可控制AC到DC转换器（诸如升压转换器）以用于在DC链路中产生DC电压。第二控制器可以控制DC到AC转换器（诸如全桥转换器），以用于从DC电压产生AC电压以提供给第一感应线圈。例如，提供给第一感应线圈的AC电压可以是脉宽调制的和/或可以具有可变频率以控制功率传递效率。DC到AC转换器的基频可以是大约85 kHz和/或可以被有限度地改变以实现最佳效率。

此外，第一控制器和第二控制器与提供在线缆中的信号线通信地互连。控制器可以与信号线互连，该信号线可以提供在与用于在两个壳体之间传递DC电流的线缆相同的线缆护套（jacket）中。在DC电流线缆和信号线之间无电磁屏蔽可能是必要的。

利用通信连接，开关频率、功率传递和/或DC链路电压的控制可以在第一控制器和第二控制器之间同步。

而且，误差信号可以经由信号线在第一控制器和第二控制器之间传输。在错误的情况下，两个转换器都可以被关闭。

根据本发明的实施例，第一控制器和/或第二控制器适于通过改变AC到DC转换器与DC到AC转换器之间的DC链路的DC链路电压来控制AC到DC转换器与DC到AC转换器之间的功率传递。DC链路电压可以不被控制成固定电压，而是可以是可变的。这是可能的，因为由于DC到AC转换器与第二感应线圈之间的相当短的距离，所以也可以以更灵活的方式控制那里的功率传递。

根据本发明的实施例，第一控制器适于将DC链路电压控制成可变设定点电压。设定点电压的高度可以确定传递到第二壳体内部的DC到AC转换器的功率。

根据本发明的实施例，第一控制器经由信号线接收第二控制器的功率需求，并且根据功率需求确定可变设定点电压。

根据本发明的实施例，无线充电***还包括至少两个第二壳体，其中每个第二壳体包括与AC到DC转换器互连的DC到AC转换器，并且包括与DC到AC转换器互连的感应线圈。换句话说，由公共壳体内的第一感应线圈和DC到AC转换器组成的多于一个的充电适配器可以与AC到DC转换器互连，所述AC到DC转换器提供在第一壳体中。充电适配器都可以连接到相同的DC链路。

根据本发明的实施例，第二控制器被布置在每个第二壳体内部，以用于控制相应壳体内部的DC到AC转换器。而且在这种情况下，从每个第二控制器到第一控制器的信号线可以被布置在将相应的DC到AC转换器与AC到DC转换器互连的DC线缆内部。

根据本发明的实施例，第一控制器经由信号线接收第二控制器的功率需求，并且根据功率需求确定可变设定点电压。例如，可以对功率需求求和，并且由此可以计算设定点电压。

根据本发明的实施例，每个第二控制器适于控制提供给第一感应线圈的AC电压的占空比和/或频率。利用占空比和/或频率，可以控制供应给第一感应线圈的功率。该功率可以等于传送到第一控制器的功率需求。

根据本发明的实施例，第二壳体是用于放置在用于电动交通工具的停车场的表面中的地面适配器。第二壳体可以具有扁平体和/或第一感应线圈可以是布置在扁平体内部的基本上扁平线圈。

根据本发明的实施例，在第二壳体内部布置了补偿电容器，该补偿电容器在DC到AC转换器与第一感应线圈之间互连。第一感应线圈和补偿电容器可以形成振荡电路。第二感应线圈和对应的补偿电容器也可以形成这种振荡电路。两个振荡电路可以谐振以改进功率传递。这样，可以实现效率高达95%的能量传输。

根据本发明的实施例，具有DC链路电容器的DC链路布置在第一壳体内部，该DC链路在AC到DC转换器和DC到AC转换器之间互连。这种DC链路电容器可以稳定DC链路中的电压。此外，当具有互连的第一线圈的多于一个的DC到AC转换器连接到AC到DC转换器时，第一壳体内部的DC链路电容器可被共享。

存在用于AC到DC转换器和DC到AC转换器的若干可能的拓扑结构，然而，所述拓扑结构不受以下实施例限制。

根据本发明的实施例，DC到AC转换器是全桥转换器。全桥转换器可以包括用于转换器的每相的半桥。半桥可包括两个串联连接的开关装置，诸如晶体管或晶闸管。

通常，AC到DC转换器可以是有源前端或无源前端。它可以是单相或三相转换器。

根据本发明的实施例，AC到DC转换器包括升压转换器和/或无源整流器。升压转换器可以包括与二极管串联连接的电感和连接在电感和二极管之间的开关装置，诸如晶体管或晶闸管。无源整流器可以产生由升压转换器升压的DC电压。

根据本发明的实施例，AC到DC转换器包括全桥转换器。必须注意，AC到DC转换器可以是单相或三相转换器。DC到AC转换器可以是单相转换器。

此外，AC到DC转换器可以包括无源输入滤波器，其可以由电感和/或电容器组成。

本发明的另外方面涉及一种充电***布置，其包括如在上文中和在下文中描述的无线充电***以及具有与由无线充电***提供的第一感应线圈感应地耦合的第二感应线圈的电动交通工具。电动交通工具可以适于由无线充电***充电。第二感应线圈可以经由无源整流器与电动交通工具的电池连接。

根据本发明的实施例，第二壳体放置在电动交通工具下方的地面中，并且第二感应线圈被提供在电动车的底侧处。将第二壳体与第一壳体互连的线缆也可至少部分地在地中。

本发明的这些和其它方面将从以下描述的实施例中显而易见，并将参照以下描述的实施例进行阐述。

附图说明

本发明的主题将在下面的文本中参考在附图中图示的示范性实施例更详细地解释。

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的充电***布置。

图2示意性地示出了根据本发明实施例的无线充电***。

图3示意性地示出了根据本发明的另外的实施例的无线充电***。

图4示出了根据本发明的实施例的无线充电***的AC到DC转换器的示意性电路图。

图5示出了根据本发明的实施例的无线充电***的另外的AC到DC转换器的示意性电路图。

图6示出了根据本发明的实施例的无线充电***的DC到AC转换器的示意性电路图。

图7示出了根据本发明的实施例的充电***布置中使用的整流器的示意性电路图。

附图中使用的参考符号及其含义以概括的形式列在参考符号列表中。原则上，在附图中相同的部分被提供有相同的附图符号。

具体实施例

图1示出了包括无线充电***12和电动交通工具13的充电***布置10。

无线充电***12包括在第一壳体16中的AC到DC转换器14，其将来自电网18的AC电流转换成DC电流。DC电流经由线缆20从第一壳体16传递到第二壳体22，该第二壳体22容纳DC到AC转换器24和第一感应线圈26。

第一壳体16例如可以连接到壁。第二壳体22可以布置在电动交通工具13下方的地面27中，例如在停车场中。

DC到AC转换器产生高频电流，该高频电流被供应给第一感应线圈。

第一感应线圈26与电动交通工具13的车载充电装置30中的第二感应线圈28感应地耦合。在第二感应线圈28中感应的AC电流由电动交通工具13内部的整流器32整流并且供应给电动交通工具13的电池34。

图2更详细地示出了无线充电***12。可以看出，除了AC到DC转换器14之外，用于AC到DC转换器14的控制器36和具有DC链路电容器40的DC链路38被布置在第一壳体16内部。

在第二壳体22中，补偿电容器42在DC到AC转换器24和第一感应线圈26之间互连，以用于形成谐振电路。此外，用于DC到AC转换器24的控制器44布置在第二壳体22中。

第一控制器36和第二控制器44利用信号线46互连，该信号线46可以在与用于在第一壳体16和第二壳体22之间传导DC电流的线缆20相同的线缆护套中被引导。

第一控制器36控制AC到DC转换器的开关装置以在DC链路38中产生变化电压的DC电流。

第二控制器44控制DC到AC转换器24的开关装置，以将DC链路38中的变化电压转换成供应给第一感应线圈26的高频电流。第二控制器44可以控制提供给第一感应线圈26的AC电压的占空比和/或频率。例如，电网18中的电压可具有50 Hz或60 Hz的电压。另一方面，第一感应线圈中的脉宽调制电流和/或AC电压可以具有大于10 kHz的频率。为了控制从AC到DC转换器经由DC链路38到DC到AC转换器的功率传递和/或从DC到AC转换器到第一感应线圈26中的功率传递，控制器36、44可以经由信号线46交换信息，诸如要供应到电动交通工具的功率需求。

如图2所示，车载充电装置30还可以具有补偿电容器48，其在整流器32和第二感应线圈28之间互连，以用于形成谐振电路。

图3示出了多于一个的壳体22可以利用DC电流传导线缆20与第一壳体16连接。必须理解，图3中所示的壳体22可以全部包含图2中所示和/或上文和下文所描述的组件。

可能的是，第一壳体16中的第一控制器36将DC链路20的DC链路电压控制成可变设定点电压，该可变设定点电压取决于第二壳体22中的DC到AC转换器24的功率需求。所有这些转换器24可经由线缆20连接到DC链路40和/或可由壳体22中的第二控制器44控制。

第一控制器36可以经由信号线46从第二控制器44中的每一个控制器接收功率需求，并且可以根据这些功率需求确定可变设定点电压。每个DC到AC转换器24的功率输出可以经由供应到相应的第一感应线圈26的AC电压的频率和/或占空比控制。总功率输出可由DC链路电压控制。

图4示出了AC到DC转换器14的示例，所述AC到DC转换器14由无源整流器50和升压转换器52组成。无源整流器50包括两个二极管半桥。升压转换器52包括与二极管串联连接的电感的三个并联的臂以及连接在电感和二极管之间的开关器件54。开关装置54可由控制器36控制。

图5示出了AC到DC转换器14的另外的示例，所述AC到DC转换器14由无源输入滤波器56和三相全桥转换器58组成。无源输入滤波器56包括经由电容器星形连接的三个单相LC滤波器。全桥变换器58包括串联连接的开关装置54的三个半桥。开关装置54可由控制器36控制。

图6示出了DC到AC转换器24的示例，所述DC到AC转换器24是单相全桥转换器。DC到AC转换器24包括两个串联连接的开关装置54的半桥。开关装置54可由控制器44控制。

图7示出了可以在车载充电装置30中采用的整流器32的示例。该整流器包括由两个二极管半桥组成的无源整流器60和CLC输出滤波器62。二极管可以防止从电池34到整流器32的反向电流。

虽然在附图和前面的描述中已经详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述将被认为是说明性或示例性的而非限制性的；本发明并不限于所公开的实施例。根据对附图、本公开和所附权利要求的研究实践要求保护的发明的以及本领域的技术人员能够理解和实现对所公开的实施例的其它变体。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除复数个。单个处理器或控制器或其它单元可满足权利要求中所陈述的若干项的功能。仅在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的事实不指示这些措施的组合不能够有利地被使用。在权利要求中的任何参考标记不应当被理解为限制范围。

参考符号列表

10 充电***布置

12 无线充电***

13 电动交通工具

14 AC到DC转换器

16 第一壳体

18 电网

20 线缆

22 第二壳体

24 DC到AC转换器

26 第一感应线圈

27 地面、停车场

28 第二感应线圈

30 车载充电装置

32 整流器

34 电池

36 第一控制器

38 DC链路

40 DC链路电容器

42 补偿电容器

44 第二控制器

46 信号线

48 补偿电容器

50 无源整流器

52 升压变换器

54 开关装置

56 输入滤波器

58 三相全桥变换器

60 无源整流器

62 输出滤波器

Claims

1.一种用于电动交通工具（13）的无线充电***（12），所述充电***（12）包括：

AC到DC转换器（14），其能连接到AC电网（18）；

DC到AC转换器（24），其与所述AC到DC转换器（14）互连；

第一感应线圈（26），其与所述DC到AC转换器（24）互连，并且用于感应地耦合到第二感应线圈（28）以用于经由气隙进行功率传递；

第一壳体（16），所述AC到DC转换器（14）布置在所述第一壳体（16）中；

第二壳体（22），所述DC到AC转换器（24）和所述第一感应线圈（26）布置在所述第二壳体（22）中；

线缆（20），其用于在所述第一壳体（16）和所述第二壳体（22）的外部互连所述AC到DC转换器（14）和所述DC到AC转换器（24）；

所述第一壳体（16）内部的第一控制器（36），其用于控制所述AC到DC转换器（14）；

所述第二壳体（22）内部的第二控制器（44），其用于控制所述DC到AC转换器（24）；

其中所述第一控制器（36）和所述第二控制器（44）与提供在所述线缆（20）中的信号线（46）通信地互连。

2.根据权利要求1所述的无线充电***（12），

其中所述第一控制器（36）和/或所述第二控制器（44）适于通过改变所述AC到DC转换器（14）与所述DC到AC转换器（24）之间的DC链路（38）的DC链路电压来控制所述AC到DC转换器（14）与所述DC到AC转换器（24）之间的功率传递。

3.根据权利要求1或2所述的无线充电***（12），

其中所述第一控制器（36）适于将DC链路电压控制成可变设定点电压。

4.根据权利要求3所述的无线充电***，

其中所述第一控制器（36）经由所述信号线（46）接收所述第二控制器（44）的功率需求，并且根据所述功率需求来确定所述可变设定点电压。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的无线充电***（12），还包括；

至少两个第二壳体（22）；

其中每个第二壳体（22）包括与所述AC到DC转换器（14）互连的DC到AC转换器（24），并且包括与所述DC到AC转换器（24）互连的第一感应线圈（26）；

其中第二控制器（44）被布置在每个第二壳体（22）内部，以用于控制相应的壳体（22）内部的所述DC到AC转换器（24）。

6.根据权利要求5所述的无线充电***，

7.根据前述权利要求中的任一项所述的无线充电***，

其中所述第二控制器（44）适于控制被提供到所述第一感应线圈（26）的AC电压的占空比和/或频率。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的无线充电***（12），

其中所述第二壳体（22）是用于放置在用于电动交通工具（13）的停车场的地面（27）中的地面适配器。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的无线充电***（12），

其中布置在所述第二壳体（22）内部的补偿电容器（42），所述补偿电容器（42）在所述DC到AC转换器（24）与所述第一感应线圈（26）之间互连。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的无线充电***（12），

其中具有DC链路电容器（40）的DC链路（38）布置在所述第一壳体（16）内部，所述DC链路（38）在所述AC到DC转换器（14）与所述DC到AC转换器（24）之间互连。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的无线充电***（12），

其中所述DC到AC转换器（24）是全桥转换器。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的无线充电***（12），

其中所述AC到DC转换器（14）包括升压转换器（52）和/或无源整流器（50）。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的无线充电***（12），

其中所述AC到DC转换器（14）包括全桥转换器（58）。

14.一种充电***布置（10），包括：

根据前述权利要求中的任一项所述的无线充电***（12）；

电动交通工具（13），其具有与由所述无线充电***（12）提供的所述第一感应线圈（26）感应地耦合的第二感应线圈（28），其中所述电动交通工具（13）适于由所述无线充电***（12）充电。

15.根据权利要求14所述的充电***布置（10），

其中所述第二壳体（22）放置在所述电动交通工具（13）下方的地面（27）中，并且所述第二感应线圈（28）提供在所述电动交通工具（13）的底侧处。