CN105826996A - 一种电动汽车无线充电系统及无线充电的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车无线充电系统及无线充电的控制方法，所述无线充电系统包括直流电源、逆变板、松耦合变压器、整流滤波单元、dSPACE控制器，所述dSPACE控制器连接在逆变板和整流滤波单元之间，通过DS2003模块采样得到负载端的电流信号，再经过逻辑运算模块得到占空比和频率信号，并将其输入到DS5101模块，使之输出两路PWM控制信号。dSPACE控制器能够快速扫频使无线充电系统达到谐振状态，使得传输系统的功率因数与传输特性达到最佳，并且可以通过PWM控制来调节高频方波电压源的占空比，实现无线充电系统的恒流输出。

Description

一种电动汽车无线充电系统及无线充电的控制方法

技术领域

本发明涉及了一种充电系统及无线充电方法，且特别涉及一种电动汽车无线充电系统及无线充电的控制方法，属于无线充电领域。

背景技术

电动汽车充电的方式有充电桩式接触式充电和无线式非接触式充电。现阶段，最常用的还是充电桩式接触式充电。但是非接触式充电具有操作方便，安全，简单，无接触磨损、无直接电气连接等优点。此外，无线充电的智能控制，无需人工操作，可以有效避免人员操作。相对的，接触式充电的劣势非常明显。因此，无线充电对于未来的发展具有重大的意义，也是一个非常有竞争力的热点。

目前，电动汽车无线充电的控制方法方面，较为常见的有变频控制、移相控制等，这些无线充电的控制方法都有各自的局限性：移相控制要求谐振电路处于准谐振状态，失谐状态下电压会出现谐波，产生畸变，影响系统传输；而变频控制会出现失控现象。因此，本发明提出了一种新思路，能够有效解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高输出功率因数，同时输出稳定电流的无线充电系统，同时给出了一种能达到该目的的无线充电的控制方法。

为实现前述目的，本发明采用如下技术方案：一种电动汽车无线充电系统，其包括直流电源、逆变板、松耦合变压器、整流滤波单元、dSPACE控制器，所述直流电源连接逆变板提供直流输入电压，所述逆变板经两路PWM信号触发产生高频方波电压，连接松耦合变压器提供交流电源信号，所述整流滤波单元将松耦合变压器输出端的电流整流滤波得到直流电流信号用于电动汽车电池充电，所述无线充电系统还包括dSPACE控制器，所述dSPACE控制器的输入端连接在整流滤波单元的输出端，输出端连接到逆变板的PWM信号输入端，所述的dSPACE控制器包括DS2003模块、逻辑运算模块和DS5101模块，DS2003模块作为dSPACE控制器的输入端连接到逻辑运算模块，逻辑运算模块与DS5101模块连接，DS5101模块为dSPACE控制器的输出端。

进一步的，所述dSPACE控制器通过DS2003模块采样得到负载端的电流信号，再经过逻辑运算模块得到占空比和频率信号，并将其输入到DS5101模块，使之输出两路PWM控制信号。所述dSPACE控制器能够快速扫频，跟踪到输出电流峰值所对应的频率值，使无线充电系统达到谐振状态，使得整体系统的功率因数与传输特性达到最佳，并且可以通过PWM控制来调节高频方波电压源的占空比，实现无线充电系统的恒流输出。

进一步的，所述dSPACE控制器的逻辑运算模块包括频率跟踪单元和占空比调节单元。

进一步的，所述的松耦合变压器包括磁芯、发射线圈、接收线圈，所述发射线圈和接收线圈分别绕在两块磁芯上，所述两块磁芯相对而置。所述磁芯采用“W”型结构，可以有效对磁力线进行定向，提高传输效率。所述发射线圈和接收线圈均采用利兹线，可以减弱集肤效应并增大耐受电流。所述发射线圈和接收线圈还采用从外向内绕线的方式，用以提高松耦合变压器的耦合系数。

本发明还提供了一种电动汽车无线充电系统的控制方法，所述的一种电动汽车无线充电系统的控制方法包括依次进行的频率跟踪环节和占空比调节环节；

所述的频率跟踪环节包括以下步骤：

第一步骤，设定最高充电频率，初始化最大电流值为0，工作频率为最大值；

第二步骤，逻辑运算模块读取DS2003模块采样的负载电流信号，将所得负载电流信号与最大电流值进行比较；

第三步骤，当负载电流信号值大于最大电流值时，该值覆盖最大电流值，同时将充电频率值调低并回到第二步骤；

第四步骤，当负载电流信号值小于最大电流值时，将充电频率值调高，调高后的充电频率值保持不变并进入第五步骤，

第五步骤，输出固定的无线充电频率；

所述的占空比调节环节包括以下步骤：

1)设定恒流输出电流值与误差范围，初始化占空比；

2)逻辑运算模块读取DS2003模块采样的负载电流信号，将所得负载电流信号与原设定恒流输出电流值进行比较；

3)当负载电流信号值大于恒流输出电流设定范围的最大值时，将占空比调低，当负载电流信号值小于恒流输出电流设定范围的最小值时，将占空比调高，当负载电流信号值在给定电流值允许误差范围内时，保持占空比不变。

4)循环步骤2)和3)。

进一步的，所述的一种电动汽车无线充电系统的控制方法还包括将所述的固定的无线充电频率和占空比输入到DS5101模块，使之输出两路PWM控制信号的步骤。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)提高电动汽车无线充电系统松耦合变压器的耦合系数；

2)电动汽车无线充电系统的控制方法的频率跟踪环节能降低输电侧的无功分量，提高传输特性，输出高功率因数；

3)电动汽车无线充电系统的控制方法的占空比调节环节能实现无线充电的恒流输出；

4)电动汽车无线充电系统的控制方法控制稳定性好，能有效避免失谐现象。

附图说明

图1为本发明无线充电系统的示意图；

图2为本发明松耦合变压器的示意图，其中(a)为正视图，(b)为俯视图，图中所示尺寸的单位均为mm；

图3为本发明无线充电的控制方法的过程示意图；

图4为本发明频率跟踪单元的过程示意图；

图5为本发明占空比调节单元的过程示意图；

图6为本发明无线充电的控制方法一实施例的仿真结果。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细说明。

图1为本发明无线充电系统的示意图。如图1所示，无线充电装置包括直流电源1、逆变板2、松耦合变压器3、整流滤波单元4、dSPACE控制器5。

直流电源1连接逆变板2提供直流输入电压，逆变板2经两路PWM信号触发产生高频交变电压，传输给松耦合变压器3，提供高频交流信号，经松耦合变压器传输得到的输出端电流信号通过整流滤波单元4整理滤波得到直流电流信号，该直流电流信号作用于负载，为电动汽车电池6充电。同时，直流电流信号输入到dSPACE控制器5中，调节无线充电的频率和高频方波电压的占空比。

dSPACE控制器5还包括DS2003模块51、逻辑运算模块52、DS5101模块53。dSPACE控制器5通过DS2003模块51采样得到负载端的电流信号，再经过逻辑运算模块52得到占空比和频率信号，并将其输入到DS5101模块53，使之输出两路PWM控制信号。dSPACE控制器5能够快速扫频使无线充电系统达到谐振状态，使得整体系统的功率因数与传输特性达到最佳，并且可以通过PWM控制来调节高频方波电压源的占空比，实现无线充电系统的恒流输出。

进一步的，所述逻辑运算模块52包括依次进行的频率跟踪单元和占空比调节单元。

进一步的，如图2所示，所述松耦合变压器3包括两块磁芯31、一发射线圈32、一接收线圈33。

进一步的，所述的磁芯31的形状为“W”型，两块磁芯相对而置，在空间高度上距离100mm。发射线圈32和接收线圈33均采用0.1mm*600股利兹线，由外向内绕制而成。

本发明还提供了一种电动汽车无线充电系统的控制方法，所述无线充电系统的控制方法包括频率跟踪环节和占空比调节环节，分别实现寻找谐振频率和恒流输出。频率跟踪环节和占空比调节环节是依次进行的。如图3所示，第一步骤为频率跟踪环节，第二步骤为占空比调节环节。

具体的如图4所示，所述频率跟踪环节包括：

第一步骤，设定最高充电频率，初始化最大电流值为0，工作频率为最大值；

第二步骤，逻辑运算模块读取DS2003模块采样的负载电流信号，将所得负载电流信号与最大电流值进行比较；

第三步骤，当负载电流信号值大于最大电流值时，该值覆盖最大电流值，同时将充电频率值调低并回到第二步骤；

第四步骤，当负载电流信号值小于最大电流值时，将充电频率值调高，调高后的充电频率值保持不变并进入第五步骤，

第五步骤，输出固定的无线充电频率。

进一步的，所述占空比调节环节包括：

第一步骤，设定恒流输出电流值与误差范围，初始化占空比；

第二步骤，逻辑运算模块读取DS2003模块采样的负载电流信号，将所得负载电流信号与原设定恒流输出电流值进行比较；

第三步骤，当负载电流信号值大于恒流输出电流设定范围的最大值时，将占空比调低，当负载电流信号值小于恒流输出电流设定范围的最小值时，将占空比调高，当负载电流信号值在给定电流值允许误差范围内时，保持占空比不变。

第四步骤，循环第二步骤和第三步骤。

本发明实施例对所述的一种电动汽车无线充电系统的控制方法进行了仿真验证。该实施例搭建的仿真系统如下所述：

直流电源为20V，逆变板采用MOSFET全桥逆变，发射端和接收端的谐振电容均采用55nF，线圈自感均为59μH，内阻均为0.5Ω，互感为5μH。整流滤波单元采用不控整流，LC滤波，滤波电感为1mH，滤波电容为1mF，负载设置为40Ω等效电阻代替电动汽车电池。

在该实施例中，所述的一种电动汽车无线充电系统的控制方法具体为：设定的最高频率为90kHZ，初始占空比为0.35，设定恒流输出电流值为1A，误差范围为3％。

得到的仿真结果为谐振频率为86kHZ，占空比为0.37，输出的负载电流波形如图6所示，所得负载电流最后为恒定值1.01A，在误差范围内。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种电动汽车无线充电系统，其特征在于包括直流电源、逆变板、松耦合变压器、整流滤波单元、dSPACE控制器，所述直流电源连接逆变板提供直流输入电压，所述逆变板经两路PWM信号触发产生高频方波电压，连接松耦合变压器提供交流电源信号，所述整流滤波单元将松耦合变压器输出端的电流整流滤波得到直流电流信号用于电动汽车电池充电，所述无线充电系统还包括dSPACE控制器，所述dSPACE控制器的输入端连接在整流滤波单元的输出端，输出端连接到逆变板的PWM信号输入端，所述的dSPACE控制器包括DS2003模块、逻辑运算模块和DS5101模块，DS2003模块作为dSPACE控制器的输入端连接到逻辑运算模块，逻辑运算模块与DS5101模块连接，DS5101模块为dSPACE控制器的输出端。

2.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于：所述dSPACE控制器的逻辑运算模块包括频率跟踪单元和占空比调节单元。

3.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于：所述的松耦合变压器包括磁芯、发射线圈、接收线圈，所述发射线圈和接收线圈分别绕在两块磁芯上，所述两块磁芯相对而置。

4.根据权利要求3所述的无线充电系统，其特征在于：所述磁芯采用“W”型结构。

5.根据权利要求3所述的无线充电系统，其特征在于：所述发射线圈和接收线圈均采用利兹线，并采用从外向内绕线的方式，用以提高松耦合变压器的耦合系数。

6.一种如权利要求1所述电动汽车无线充电系统的无线充电控制方法，其特征在于：包括依次进行的频率跟踪环节和占空比调节环节；

所述的频率跟踪环节包括以下步骤：

第一步骤，设定最高充电频率，初始化最大电流值为0，工作频率为最大值；

第二步骤，逻辑运算模块读取DS2003模块采样的负载电流信号，将所得负载电流信号与最大电流值进行比较；

第三步骤，当负载电流信号值大于最大电流值时，该值覆盖最大电流值，同时将充电频率值调低并回到第二步骤；

第四步骤，当负载电流信号值小于最大电流值时，将充电频率值调高，调高后的充电频率值保持不变并进入第五步骤，

第五步骤，输出固定的无线充电频率；

所述的占空比调节环节包括以下步骤：

1)设定恒流输出电流值与误差范围，初始化占空比；

2)逻辑运算模块读取DS2003模块采样的负载电流信号，将所得负载电流信号与原设定恒流输出电流值进行比较；

3)当负载电流信号值大于恒流输出电流设定范围的最大值时，将占空比调低，当负载电流信号值小于恒流输出电流设定范围的最小值时，将占空比调高，当负载电流信号值在给定电流值允许误差范围内时，保持占空比不变。

4)循环步骤2)和3)。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于在所述占空比调节环节后还包括将所述的固定的无线充电频率和占空比输入到DS5101模块，使之输出两路PWM控制信号的步骤。