[發明專利]一種基于最小視在功率模塊的混合充電系統和設計方法

有效

• 申請號: 202010917111.4
• 申請日: 2020-09-03
• 公開（公告）號: CN112072765B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 鄧其軍;程遠峰;董帥良;周洪;胡文山
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: H02J7/02
• 分類號: H02J7/02;H02J7/00;H02J50/12;B60L53/12;B60L53/14;G06F30/38;G06F30/15
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 楊曉燕

1.一種基于最小視在功率模塊的混合充電系統的設計方法，其特征在于：包括以下步驟：

S1：建立混合充電系統的數學模型，確定無線式充電電路的系統運行頻率ω和接收端線圈與諧振電容的寄生電阻即整流器寄生電阻r₂；

S2：分析混合充電系統在充電過程中對功率模塊的輸出需求，計算電動汽車電池在恒流-恒壓充電切換點的等效電阻R_BT；

S3：分析混合充電系統對功率模塊的最小功率需求，確定無線式充電電路的耦合線圈的最佳互感參數；

S4：根據最佳互感參數確定混合充電系統的諧振線圈及耦合電容；

S5：搭建基于最小視在功率模塊的混合充電系統，包括電源模塊、集中控制單元、有線式充電電路和無線式充電電路；

電源模塊包括三相市電接口、功率模塊和單刀雙擲開關，三相市電接口連接功率模塊的能量輸入端，功率模塊的能量輸出端通過單刀雙擲開關分別連接有線式充電電路的能量輸入端和無線式充電電路的能量輸入端；功率模塊用于將三相市電整流為可控直流電，并將直流電傳輸給有線式充電電路的電池組或無線式充電電路的逆變器；

集中控制單元包括UART模塊和直流穩壓器；直流穩壓器用于通過總線與功率模塊通信，并將產生的控制信號發送給功率模塊；UART模塊用于分別與有線式充電電路和無線式充電電路通信，并將產生的MOSFET控制信號發送給無線式充電電路；

有線式充電電路包括有線電動汽車電池組和有線電動汽車BMS；有線電動汽車BMS用于采集有線電動汽車電池組的狀態并上報集中控制單元，同時接收集中控制單元下發的控制信號；

無線式充電電路包括按能量流向依次連接的半橋逆變器、無線鏈路、全橋整流器和無線電動汽車電池組，還包括無線電動汽車BMS；無線電動汽車BMS用于采集無線電動汽車電池組的狀態并上報集中控制單元，同時接收集中控制單元下發的控制信號。

2.根據權利要求1所述的設計方法，其特征在于：所述的步驟S1中，具體步驟為：

S11：設混合充電系統的電路模型中，S₁和S₂為切換有線式充電與無線式充電的單刀雙擲開關；Q₁為第一MOSFET管，Q₂為第二MOSFET管；C_BUS為濾波電容；C₁為初級側諧振電容，C₂為次級側諧振電容；L₁為發射線圈電感，L₂為接收線圈電感；r₁為發射端線圈與諧振電容的寄生電阻，r₂為接收端線圈與諧振電容的寄生電阻；I_DC為功率模塊輸出電流，V_DC為功率模塊輸出電壓；V₁為逆變器輸出電壓，I₁為逆變器輸出電流；V₂為整流器輸入電壓，I₂為整流器輸入電流；

S12：設R_L為整流器與無線電動汽車電池組的等效電阻，則：

R_L＝8R_B/π；

設ω為混合充電系統在進行無線供電過程中的系統運行頻率，Z₁為發射端的阻抗，Z₂為接收端的阻抗，則：

設M為發射線圈與接收線圈的互感，設中間變量為Z_ref：

則整流器輸入電流I₂、整流器輸入電壓V₂與逆變器輸出電流I₁、功率模塊輸出電壓V_DC的關系為：

設R_B為電池在充電過程中的等效電阻，V_B為電池接收端電壓，I_B為電池接收端電流；則電池接收端電流I_B為整流器輸入電流I₂的平均值：

整流器中的二極管在完全導通狀態下電阻忽略不計，則無線充電過程中的電池接收端電壓V_B表示為：

逆變器中的MOS管在完全導通狀態下電阻忽略不計，無線充電過程中逆變器的輸入功率與輸出功率相等，則功率模塊輸出電流I_DC為：

由公式(1)、(3)、(4)、(5)得到混合充電系統在無線充電過程中電池接收電壓V_B、電池接收電流I_B、功率模塊輸出電壓V_DC、功率模塊輸出電流I_DC的關系為：

設為發射端的阻抗角，ω₀為LC決定的標準諧振頻率，ω為實際諧振頻率，在混合充電系統進行無線式充電的過程中，將開關管的驅動頻率調節至線圈諧振頻率，使逆變器保持ZVS狀態從而提高逆變器的效率，則：

將式(7)代入式(6)，將混合充電系統在無線充電過程中的電池接收電壓V_B、電池接收電流I_B、功率模塊輸出電壓V_DC、功率模塊輸出電流I_DC的關系簡化為：