CN104734315A - 一种电动汽车蓄电池无线充电系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布一种电动汽车蓄电池无线充电系统及其控制方法，包括整流模块、高频逆变模块，LCL型原边发射机构、副边拾取机构，副边整流模块、DC-DC模块、蓄电池组、电池参数检测模块、电池管理控制模块、PWM控制模块、PWM算法单元、车载射频发射单元、原边射频接收单元及高频逆变控制模块。其特征在于：采用的LCL型原边发射结构在高频逆变器一定的工作频率下能够使原边线圈电流幅值保持恒定，从而使副边电路的感应电压与原边电路参数独立解耦，有利于副边电路的独立控制；同时，在PWM控制模块的作用下，DC-DC模块能够根据蓄电池的参数状态自动的使蓄电池工作在涓流充电、恒压充电、恒流充电模式下。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线电能传输供电装置及控制方法，属于无线电能传输领域，具体涉及一种电动汽车蓄电池无线充电系统及其控制方法。
背景技术
感应耦合电能(Inductively Coupled Power Transfer，ICPT)技术利用空间磁场的耦合实现了近距离的电能非接触的传输。在ICPT系统中，能量可以经过电磁场，向一个或者多个静止或移动的设备灵活供电，同时又由于其机理的特征决定了电能的传输不经过导线，避免了可能由于接触接触引起的隐患，如火花、接触不良等，也可使接头、连接器等免于维护，不受天气等外界因素的影响。因此，ICPT技术除了可以为手机、电脑、台灯等小功率设备灵活、方便快速充电外，也可用于煤矿井下、水下、户外停车场等设备充电易受环境影响较大的场合。
随着能源危机日益加重和环境污染的日益加重，电动汽车现实化应用需求越来越紧迫。一方面可以利用电能作为高性价比的供电电源，在另外一方面也避免了汽油燃料产生尾气污染环境的问题。而现有的采用蓄电池组的电动汽车通过充电插座从电网获得电能,充电电路直接与蓄电池组固定连接,由于充电插座与电缆的存在而极大地降低了充电的灵活性,另一方面较大的充电电流构成了漏电及电击的潜在危险,同时增加了车辆的自身重量,上述特性进一步限制了电动汽车特别是纯电动汽车的应用。
基于非接触电能传输技术的电动汽车感应耦合充电系统具有操作安全、防水防尘、接口免维护等诸多优点，因此电动汽车的无线充电方式受到越来越多的关注。而在现今的电动汽车现实应用中，蓄电池一般作为电动汽车的动力电源，其充电的模式也是影响到电池性能、寿命的重要因素。因此，在电动汽车无线电能充电的基础上，有必要对电动汽车的蓄电池组的充电模式进行合理的设计、控制。
发明内容
本发明主要是针对传统电动汽车有线充电方式带来的充电方式的不灵活、存在人身触电风险的问题，提出一种电动汽车蓄电池无线充电及其控制方法，同时，使用LCL型原边发射机构，在满足一定的参数条件下，能够实现副边拾取线圈感应的开路电压幅值保持恒定，实现原、副边主电路的解耦；另外，为了提高蓄电池组电池的性能和寿命，本发明能够根据蓄电池组的参数，使得蓄电池组自动切换投入到相应的充电工作模式。
本发明是这样实现的，一种电动汽车蓄电池无线充电系统及其控制方法，包括整流模块、高频逆变模块，LCL型原边发射机构、副边拾取机构，副边整流模块、DC-DC模块、蓄电池组、电池参数检测模块、电池管理控制模块、PWM控制模块、PWM算法单元、车载射频发射单元、原边射频接收单元及高频逆变控制模块。
所述的整流模块、高频逆变模块，LCL型原边发射机构、副边拾取机构，副边整流模块、DC-DC模块、蓄电池组构成一个典型的无线电能传输系统。
所述的LCL型发射机构是由电感L 1及电容C P构成的补偿网络和电磁发射线圈L p组成。
进一步地，在高频逆变器的工作频率为 Hz时，LCL型发射机构的电磁发射线圈中L p的电流幅值保持恒定时，不会随后级负载的变化而发生变化。
所述的副边拾取机构是由拾取电感线圈L s和电容构成的补偿网络组合而成，组合方式一般为电容与拾取电感L s相串联或者并联。
进一步地，在电磁发射线圈中L p的电流幅值保持恒定时,根据电路理论，副边拾取线圈的感应开路电压的幅值为（为高频逆变器工作的角频率，M为发射线圈L p和拾取电感L s之间的互感，I p为的发射线圈L p的电流），在发射线圈L p值、互感M保持不变时，副边拾取电感的感应开路电压值保持不变。
所述的当电动汽车进入充电领域时，车载射频发射单元将带有电子标签的车辆位置信息通过射频技术（RFID）与原边射频接收单元无线通信，然后经过原边高频逆变控制模块控制高频逆变模块准备进入预逆变待机状态。
所述的当电动汽车进入充电领域时，同时对电池参数检测模块对电动车蓄电池的参数进行检测，包括蓄电池组端电压、蓄电池的充电电流、蓄电池温度检测、蓄电池单体电压检测、蓄电池单体均压检测；由电池管理控制模块接收电池组充电电流、单体电压、端电压及电池组温度的检测参数。
进一步地，当电池管理控制模块接收电池组充电电流、单体电压、端电压及电池组温度的检测参数并判断其处于正常范围内时，通过车载射频发射模块与原边射频接收模块进行通信，最后经过高频逆变控制模块控制高频逆变模块处于正常工作的状态；当电池管理控制模块接收电池组充电电流、单体电压、端电压及电池组温度的检测参数并判断其处于不正常范围内时，譬如发生过流、过热故障时，通过车载射频发射模块与原边射频接收模块进行通信，最后经过高频逆变控制模块控制高频逆变模块处于不导通的状态。
进一步地，当电动汽车正常开始充电时，首先，在恒流、恒压充电开始之前,电池管理控制模块根据对蓄电池组的端电压进行检测结果,以判断有无电池的过放电现象存在,如电池组造成端电压过低,则需要先进行涓流充电对电池进行预处理,以恢复电池性能；其次，电池参数检测模块中的电流检测及电压检测模块分别对电池组充电电流及端电压检测进行检测之后，在PWM算法单元下，分别送至比较器与充电电流给定参数与电压给定参数进行比较,比较结果输入PI控制器，同时电池管理控制模块根据检测电流与检测电压，决定采用恒流或者恒压的充电方式，进而PWM控制单元控制如开关S的状态，从而控制DC-DC模块中开关管的工作状态。
所述的蓄电池组充电模式选择的具体过程如下：（1）根据电池参数检测模块检测蓄电池端电压是否过低，电池管理控制模块根据对蓄电池组的端电压检测的结果,以判断有无电池的过放电现象存在，若有，则进入涓流充电模式（2），否则进入恒流充电模式（3）；（2）涓流充电模式：在涓流充电模式中，电池参数检测模块要不断检测蓄电池端电压的实际值，电池管理控制模块根据对蓄电池组的端电压检测的结果，与蓄电池预设的端电压预设的最低值U L进行比较，若蓄电池端电压的实际值小于端电压预设的最低值U L，则继续涓流充电，否则，进入恒流充电模式（3）；（3）恒流充电模式：在进入恒流充电模式后，电池参数检测模块要不断检测蓄电池端电压的实际值，电池管理控制模块根据对蓄电池组的端电压检测的结果，与蓄电池预设的端电压额定值值U N和容许的最大偏差值△U N之和进行比较，若蓄电池端电压的实际值小于端电压额定值值U N和容许的最大偏差值△U N之和，则继续恒流充电，否则，进入恒压充电模式（4）；（4）恒压充电模式：在进入恒压充电模式后，电池参数检测模块要不断检测蓄电池充电电流的实际值，电池管理控制模块根据对蓄电池组的充电电流检测的结果，与蓄电池预设的电流值I N（I N一般为0.05C，C表示单体电池容量）进行比较，若蓄电池充电电流实际值小于预设的电流值I N，若是则充电结束，否则，继续恒压充电。
附图说明
图1 是电动汽车蓄电池无线充电原理图。
图2 是LCL拓扑结构电路原理图。
图3是电池参数检测模块检测的参数方框图。
图4是蓄电池组充电模式选择过程流程图。
图中，1、整流模块；2、高频逆变模块；3、LCL型原边发射机构；4、副边拾取机构；5、副边整流模块；6、DC-DC模块；7、蓄电池组；8、电池参数检测模块；9、电池管理控制模块；10、PWM控制模块；11、PWM算法单元；12、车载射频发射单元；13、原边射频接收单元；14、高频逆变控制模块。
具体实施方案
实施例1：本发明包括电动汽车无线充电及其控制方法，具体实施方案如下。
一种电动汽车蓄电池无线充电系统及其控制方法，其原理图如1所示，包括整流模块1、高频逆变模块2，LCL型原边发射机构3、副边拾取机构4，副边整流模块5、DC-DC模块6、蓄电池组7、电池参数检测模块8、电池管理控制模块9、PWM控制模块10、PWM算法单元11、车载射频发射单元12、原边射频接收单元13及高频逆变控制模块14。
所述的整流模块1、高频逆变模块2，LCL型原边发射机构3、副边拾取机构4，副边整流模块5、DC-DC模块6、蓄电池组7构成一个典型的无线电能传输系统。
所述的LCL型原边发射机构3是由电感L 1及电容C P构成的补偿网络和电磁发射线圈L p组成，如图2所示，在高频逆变模块1的工作频率为Hz时，依据电路理论可以推知，LCL型原边发射机构3的电磁发射线圈中L p的电流I p为
（1）
由式（1）可知LCL型原边发射机构3的电磁发射线圈中L p的电流I p幅值只与高频逆变器输出基波电压U in、高频逆变模块1工作角频率、电感L 1有关，保持三个参数固定时，电磁发射线圈中L p的电流I p幅值保持恒定。
所述的副边拾取机构4是由拾取电感线圈L s和电容构成的补偿网络组合而成，组合方式一般为电容与拾取电感L s相串联或者并联，在图1中，取的是并联方式。
进一步地，在电磁发射线圈中L p的电流幅值保持恒定时,根据电路理论，副边拾取线圈的感应开路电压幅值值为（M为发射线圈L p和拾取电感L s之间的互感），在发射线圈L p值、互感M保持不变时，感应开路电压值保持不变，不随后级负载的变化而变化，这样就实现了原、副边主电路的解耦，可以在拾取侧对感应开路电压独立进行控制。
所述的当电动汽车进入充电领域时，车载射频发射单元12将带有电子标签的车辆位置信息通过射频技术（RFID）与原边射频接收单元13无线通信，然后经过原边高频逆变控制模块14控制高频逆变模块1准备进入预逆变待机状态。
所述的当电动汽车进入充电领域时，同时对电池参数检测模块8对电动车蓄电池的参数进行检测，如图3所示，包括蓄电池组端电压、蓄电池的充电电流、蓄电池温度检测、蓄电池单体电压检测、蓄电池单体均压检测；由电池管理控制模块9接收电池组充电电流、单体电压、端电压及电池组温度的检测参数。
进一步地，当电池管理控制模块9接收电池组充电电流、单体电压、端电压及电池组温度的检测参数并判断其处于正常范围内时，通过车载射频发射模块12与原边射频接收模块13进行通信，最后经过高频逆变控制模块14控制高频逆变模块1处于正常工作的状态；当电池管理控制模块9接收电池组充电电流、单体电压、端电压及电池组温度的检测参数并判断其处于不正常范围内时，譬如发生过流、过热故障时，通过车载射频发射模块12与原边射频接收模块13进行通信，最后经过高频逆变控制模块14控制高频逆变模块1处于不导通的状态。
进一步地，当电动汽车正常开始充电时，首先，在恒流、恒压充电开始之前,电池管理控制模块9根据对蓄电池组7的端电压进行检测结果,以判断有无电池的过放电现象存在,如电池组造成端电压过低,则需要先进行涓流充电对电池进行预处理,以恢复电池性能；其次，电池参数检测模块8中的电流检测及电压检测模块分别对电池组充电电流及端电压检测进行检测之后，在PWM算法单元11下，分别送至比较器与充电电流给定参数与电压给定参数进行比较,比较结果输入PI控制器，同时电池管理控制模块9根据检测电流与检测电压，决定采用恒流或者恒压的充电方式，进而PWM控制单元10控制如图1中开关S的状态，从而控制DC-DC模块6中开关管的工作状态。
所述的蓄电池组充电模式选择的具体过程如下，如流程图4所示：（1）根据电池参数检测模块8检测蓄电池端电压是否过低，电池管理控制模块9根据对蓄电池组的端电压检测的结果,以判断有无电池的过放电现象存在，若有，则进入涓流充电模式（2），否则进入恒流充电模式（3）；（2）涓流充电模式：在涓流充电模式中，电池参数检测模块8要不断检测蓄电池端电压的实际值，电池管理控制模块9根据对蓄电池组的端电压检测的结果，与蓄电池预设的端电压预设的最低值U L进行比较，若蓄电池端电压的实际值小于端电压预设的最低值U L，则继续涓流充电，否则，进入恒流充电模式；（3）恒流充电模式：在进入恒流充电模式后，电池参数检测模块8要不断检测蓄电池端电压的实际值，电池管理控制模块9根据对蓄电池组的端电压检测的结果，与蓄电池预设的端电压额定值U N和容许的最大偏差值△U N之和进行比较，若蓄电池端电压的实际值小于端电压额定值值U N和容许的最大偏差值△U N之和，则继续恒流充电，否则，进入恒压充电模式（4）；（4）恒压充电模式：在进入恒压充电模式后，电池参数检测模块8要不断检测蓄电池充电电流的实际值，电池管理控制模块9根据对蓄电池组的充电电流检测的结果，与蓄电池预设的电流值I N（I N一般为0.05C，C表示单体电池容量）进行比较，若蓄电池充电电流实际值小于预设的电流值I N，若是则充电结束，否则，继续恒压充电。
Claims (11)
1.一种电动汽车蓄电池无线充电系统及其控制方法，包括整流模块、高频逆变模块，LCL型原边发射机构、副边拾取机构，副边整流模块、DC-DC模块、蓄电池组、电池参数检测模块、电池管理控制模块、PWM控制模块、PWM算法单元、车载射频发射单元、原边射频接收单元及高频逆变控制模块。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车无线供电及其控制方法，其特征在于：三相交流电经过整流模块后变为直流电，再在经过高频逆变模块逆变为高频交流电，之后再经过LCL型原边发射机构的电感线圈和副边拾取机构中的电感线圈相互耦合，实现电能的无线传递，再经过副边整流模块、DC-DC模块，给蓄电池组负载供电，这样就组成典型的电磁感应耦合无线供电系统。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车无线供电及其控制方法，其特征在于：所述的LCL型发射机构是由电感L 1及电容C P构成的补偿网络和电磁发射线圈L p组成。
4.根据权利要求1、3所述的一种电动汽车无线供电及其控制方法，其特征在于：在高频逆变器的工作频率为 Hz时，LCL型原边发射机构的电磁发射线圈中L p的电流幅值保持恒定时，不会随后级负载的变化而发生变化。
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车蓄电池无线充电系统及其控制方法，其特征在于：所述的副边拾取机构是由拾取电感线圈L s和电容构成的补偿网络组合而成，组合方式一般为电容与拾取电感L s相串联或者并联。
6.根据权利要求1、3、4、5所述的一种电动汽车蓄电池无线充电系统及其控制方法，其特征在于：在电磁发射线圈中L p的电流幅值保持恒定时,根据电路理论，副边拾取线圈L s的感应开路电压幅值为（为高频逆变器工作的角频率，M为发射线圈L p和拾取电感L s之间的互感，I p为的发射线圈L p的电流），在发射线圈L p值、互感M保持不变时，拾取侧感应开路电压值保持不变。
7.根据权利要求1所述的一种电动汽车蓄电池无线充电系统及其控制方法，其特征在于：当电动汽车进入充电领域时，车载射频发射单元将带有电子标签的车辆位置信息通过射频技术（RFID）与原边射频接收单元无线通信，然后经过原边高频逆变控制模块控制高频逆变模块准备进入预逆变待机状态。
8.根据权利要求1所述的一种电动汽车蓄电池无线充电系统及其控制方法，其特征在于：当电动汽车进入充电领域时，同时对电池参数检测模块对电动车蓄电池的参数进行检测，包括蓄电池组端电压、蓄电池的充电电流、蓄电池温度检测、蓄电池单体电压检测、蓄电池单体均压检测；由电池管理控制模块接收电池组充电电流、单体电压、端电压及电池组温度的检测参数。
9.根据权利要求1、8所述的一种电动汽车蓄电池无线充电系统及其控制方法，其特征在于：当电池管理控制模块接收电池组充电电流、单体电压、端电压及电池组温度的检测参数并判断其处于正常范围内时，通过车载射频发射模块与原边射频接收模块进行通信，最后经过高频逆变控制模块控制高频逆变模块处于正常工作的状态；当电池管理控制模块接收电池组充电电流、单体电压、端电压及电池组温度的检测参数并判断其处于不正常范围内时，譬如发生过流、过热故障时，通过车载射频发射模块与原边射频接收模块进行通信，最后经过高频逆变控制模块控制高频逆变模块处于不导通的状态。
10.根据权利要求1、8、9所述的一种电动汽车蓄电池无线充电系统及其控制方法，其特征在于：当电动汽车正常开始充电时，首先，在恒流、恒压充电开始之前,电池管理控制模块根据对蓄电池组的端电压进行检测结果,以判断有无电池的过放电现象存在,如电池组造成端电压过低,则需要先进行涓流充电对电池进行预处理,以恢复电池性能；其次，电池参数检测模块中的电流检测及电压检测模块分别对电池组充电电流及端电压检测进行检测之后，在PWM算法单元下，分别送至比较器与充电电流给定参数与电压给定参数进行比较,比较结果输入PI控制器，同时电池管理控制模块根据检测电流与检测电压，决定采用恒流或者恒压的充电方式，进而PWM控制单元控制如开关S的状态，从而控制DC-DC模块中开关管的工作状态。
11.根据权利要求1、10所述的一种电动汽车蓄电池无线充电系统及其控制方法，其特征在于：电动汽车蓄电池充电模式的具体过程如下：（1）根据电池参数检测模块检测蓄电池端电压是否过低，电池管理控制模块根据对蓄电池组的端电压检测的结果,以判断有无电池的过放电现象存在，若有，则进入涓流充电模式（2），否则进入恒流充电模式（3）；（2）涓流充电模式：在涓流充电模式中，电池参数检测模块要不断检测蓄电池端电压的实际值，电池管理控制模块根据对蓄电池组的端电压检测的结果，与蓄电池预设的端电压预设的最低值U L进行比较，若蓄电池端电压的实际值小于端电压预设的最低值U L，则继续涓流充电，否则，进入恒流充电模式（3）；（3）恒流充电模式：在进入恒流充电模式后，电池参数检测模块要不断检测蓄电池端电压的实际值，电池管理控制模块根据对蓄电池组的端电压检测的结果，与蓄电池预设的端电压额定值值U N和容许的最大偏差值△U N之和进行比较，若蓄电池端电压的实际值小于端电压额定值值U N和容许的最大偏差值△U N之和，则继续恒流充电，否则，进入恒压充电模式（4）；（4）恒压充电模式：在进入恒压充电模式后，电池参数检测模块要不断检测蓄电池充电电流的实际值，电池管理控制模块根据对蓄电池组的充电电流检测的结果，与蓄电池预设的电流值I N（I N一般为0.05C，C表示单体电池容量）进行比较，若蓄电池充电电流实际值小于预设的电流值I N，若是则充电结束，否则，继续恒压充电。
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