CN106374578A - 无线充电系统及其功率传输控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种无线充电系统及用于该无线充电系统的功率传输控制的方法。该无线充电系统包含无线充电发射端及无线充电接收端，该方法包括：检测无线充电发射端与无线充电接收端之间的耦合系数；根据所述无线充电发射端与无线充电接收端之间的耦合系数，计算所述无线充电系统的无线充电功率；以及在该无线充电功率低于预设功率的情况下，调整所述无线充电发射端和/或所述无线充电接收端的补偿网络的补偿参数，以使得所述无线充电功率大于或等于所述预设功率。发明其可通过调节补偿网络参数实现功率稳定传输。

Description

无线充电系统及其功率传输控制方法

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，具体地，涉及一种无线充电系统及用于该无线充电系统的功率传输控制的方法。

背景技术

电动汽车(EV)具有绿色环保、零排放等优点，因此得到了快速发展。目前，电动汽车以有线充电为主，这种充电方式存在插电容易产生火花、磨损，不够安全，不易维护等缺点。无线电能传输技术摆脱了对导线的依赖，可以有效克服上述缺点，使得电动汽车的供电有了新的选择。

一种典型的无线充电系统如图1所示，首先，单相或三相电源11经过AC/DC 12整流滤波后变为直流电，经过DC/AC逆变器13变为高频交流电，之后经过原边补偿网络14补偿后通过能量发射机构15将电能转化为空间中的高频交变磁场，能量拾取机构21捕捉磁场，将其转化为电能，经过副边补偿网络22补偿、AC/DC 23整流滤波后即可为车载动力电池24充电。由于受充电电池工作状态和充电时间等限制，要求传输功率的变化保持在一定范围内，即保持传输功率稳定。但是本申请发明人在实现本发明的过程中发现，由于不同电动汽车底盘高度不同，汽车充电时能量发射和拾取机构对正程度不同，导致耦合系数发生变化，进而影响到传输功率。

另外，对于电动汽车动力电池，典型的充电方法有：恒流充电法及恒压充电法。其中恒流充电在开始阶段充电电流相对较小，后期充电电流又相对过大，整个充电时间过长、能耗大。恒压充电在开始阶段，电池电动势小，所以充电电流很大，影响电池寿命，在充电中期和后期，电池电动势升高，充电电流过小，长期充电不足，影响电池的使用寿命。

在电动汽车无线充电的研究中，一种典型的补偿网络为双边LCC补偿网络，如图2所示，该补偿网络的特性为充电电流与负载无关，即可实现恒流充电，但这种充电方式在开始阶段充电电流相对较小，后期充电电流又相对过大，整个充电时间过长、能耗大，在充电后期容易对电池造成损伤。另一种典型的补偿网络为LCC-C补偿网络，该副边感应电压具有恒压源特性，但其副边感应电压受耦合系数、补偿网络、电源电压等多个参数的影响，电压值不稳定，若其电压值超过电池电压过多，容易对电池造成损伤。

发明内容

针对功率传输不稳定的问题，本发明实施例提供一种无线充电系统及用于该无线充电系统的功率传输控制的方法，其可通过调节补偿网络参数实现功率稳定传输。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种用于无线充电系统的功率传输控制方法，该无线充电系统包含无线充电发射端及无线充电接收端，该方法包括：检测无线充电发射端与无线充电接收端之间的耦合系数；根据所述无线充电发射端与无线充电接收端之间的耦合系数，计算所述无线充电系统的无线充电功率；以及在该无线充电功率低于预设功率的情况下，调整所述无线充电发射端和/或所述无线充电接收端的补偿网络的补偿参数，以使得所述无线充电功率大于或等于所述预设功率。

可选的，所述调整所述无线充电发射端和/或所述无线充电接收端的补偿网络的补偿参数包含调整所述无线充电发射端和/或所述无线充电接收端的补偿网络的补偿电感。

可选的，通过在所述补偿电感处串联电容来调整所述补偿电感。

可选的，在该耦合系数低于预设耦合系数的情况下，该方法还包括：提示调整所述无线充电接收端的位置，直至所述耦合系数大于或等于所述预设耦合系数。

可选的，在所述无线充电功率大于或等于所述预设功率之后，该方法还包括：控制所述无线充电系统以恒流充电的方式进行功率传输；检测电池电压是否小于预设电压值；在所述电池电压大于或等于所述预设电压值的情况下，控制所述无线充电系统以恒压充电的方式进行功率传输。

可选的，所述恒压充电的方式所采用的充电电压为无线充电系统在恒流充电方式与恒压充电方式之间的切换的瞬间的电池电压的1.2倍。

可选的，该方法还包括：检测充电电流是否小于预设电流值；以及在所述充电电流小于所述预设电流值的情况下，控制所述无线充电系统停止以恒压充电的方式进行功率传输。

可选的，通过控制所述无线充电系统的补偿网络在双边LCCC补偿网络与LCCC-C补偿网络之间切换，以实现所述无线充电系统在恒流充电方式与恒压充电方式之间的切换。

相应地，本发明实施例还提供一种无线充电系统，该无线充电系统包含无线充电发射端及无线充电接收端，该无线充电系统还包括：耦合系数检测装置，用于检测无线充电发射端与无线充电接收端之间的耦合系数；控制装置，用于执行以下操作：根据所述无线充电发射端与无线充电接收端之间的耦合系数，计算所述无线充电系统的无线充电功率；以及在该无线充电功率低于预设功率的情况下，调整所述无线充电发射端和/或所述无线充电接收端的补偿网络的补偿参数，以使得所述无线充电功率大于或等于所述预设功率。

可选的，所述调整所述无线充电发射端和/或所述无线充电接收端的补偿网络的补偿参数包含调整所述无线充电发射端和/或所述无线充电接收端的补偿网络的补偿电感。

可选的，通过在所述补偿电感处串联电容来调整所述补偿电感。

可选的，该系统还包含提示装置，所述控制装置还用于在所述耦合系数低于预设耦合系数的情况下，控制所述提示装置提示调整所述无线充电接收端的位置，直至所述耦合系数大于或等于所述预设耦合系数。

可选的，所述控制装置还用于在所述无线充电功率大于或等于所述预设功率之后：控制所述无线充电系统以恒流充电的方式进行功率传输；检测电池电压是否小于预设电压值；在所述电池电压大于或等于所述预设电压值的情况下，控制所述无线充电系统以恒压充电的方式进行功率传输。

可选的，所述恒压充电的方式所采用的充电电压为无线充电系统在恒流充电方式与恒压充电方式之间的切换的瞬间的电池电压的1.2倍。

可选的，所述控制装置还用于：检测充电电流是否小于预设电流值；以及在所述充电电流小于所述预设电流值的情况下，控制所述无线充电系统停止以恒压充电的方式进行功率传输。

可选的，所述补偿网络包含双边LCCC补偿网络与LCCC-C补偿网络，所述控制装置通过控制所述无线充电系统的补偿网络在双边LCCC补偿网络与LCCC-C补偿网络之间切换，以实现所述无线充电系统在恒流充电方式与恒压充电方式之间的切换。

通过上述技术方案，可通过检测能量发射机构与能量拾取机构之间的耦合系数，并根据该耦合系数调整补偿网络参数，以达到功率稳定的目的。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1为现有的无线充电系统的结构示意图；

图2为一典型的耦合器结构示意图；

图3为现有的双边LCC补偿网络的结构示意图；

图4为本发明提供的双边LCCC补偿网络的结构示意图；

图5为本发明提供的LCCC-C补偿网络的结构示意图；

图6为本发明提供的可分段充电的补偿网络的结构示意图；

图7为本发明提供的无线充电系统的结构示意图；

图8为本发明提供的用于无线充电系统的稳定功率传输的方法流程图；以及

图9为本发明提供的用于无线充电系统的分段充电方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

耦合系数检测

图2为一典型的耦合器结构示意图。分别为原边和副边线圈上的电压，为原副边线圈上的电流，ω为电压角频率，M为两线圈之间的互感，则原副边的电压电流满足：

$j\mathrm{\ω}M{\stackrel{\·}{I}}_1={\mathrm{j\ωL}}_2{\stackrel{\·}{I}}_2+{\stackrel{\·}{U}}_2---\left(1\right)$

令副边开路，则可以计算得到两线圈互感为：

$M=\frac{1}{\mathrm{\ω}}\·\left|\frac{{\stackrel{\·}{U}}_2}{{\stackrel{\·}{I}}_1}\right|---\left(2\right)$

可得耦合系数为：

$M=\frac{1}{\mathrm{\ω}\sqrt{L_1{L}_2}}\·\left|\frac{{\stackrel{\·}{U}}_2}{{\stackrel{\·}{I}}_1}\right|---\left(3\right)$

本发明所提及的“耦合系数检测装置”可基于电压电流检测并基于上述耦合系数计算过程来实现耦合系数检测。

双边LCCC和LCCC-C补偿网络

如图3所示是双边LCC补偿网络，其中S₁～S₄是四个开关管，D₁～D₄是副边四个整流二极管，L₁和L₂分别是发射和接收线圈的自感，L_f1、C_T1和C₁分别是原边补偿电感和电容，L_f2、C_T2和C₂分别是副边的补偿电感和电容。M为两线圈的互感。u_AB为施加于原边补偿网络的输入电压，u_ab是整流电路的输入电压。i₁，i₂，i_Lf1，i_Lf2分别是L₁、L₂、L_f1、L_f2上的电流。 分别代表相应变量的相量形式。

在补偿网络满足如下约束时，无线充电系统处于谐振状态：

$\begin{array}{c}{L}_{f1}\·C_{T1}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2}\\ L_{f2}\·C_{T2}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2}\\ (L_1-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_1})\·C_{T1}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2}\\ (L_2-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_2})\·C_{T2}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2}\end{array}---\left(4\right)$

谐振时，副边补偿网络的输出电流为：

$i_{Lf2}=\frac{k\sqrt{L_1{L}_2}{u}_{AB}}{{\mathrm{\ω}}_0{L}_{f1}{L}_{f2}}---\left(5\right)$

可见其不受负载参数的影响，具有恒流源的特性，可对电池进行近似恒流充电。

无线充电系统的传输功率为：

$P=\frac{\sqrt{L_1{L}_2}}{{\mathrm{\ω}}_0{L}_{f1}{L}_{f2}}\·{\mathrm{ku}}_{AB}{u}_{ab}---\left(5\right)$

可见充电功率与耦合系数k有关，当对不同高度底盘的汽车进行充电或汽车没有对正时，其充电功率均会受到影响。

本发明从补偿网络的角度出发，通过改变L_f1、L_f2等参数的值调整传输功率到合适的范围。在实际无线充电系统中，电容值可以用电容矩阵，通过控制继电器的通断进行控制，但补偿电感L_f1、L_f2的改变却并不容易。本发明在补偿电感处串联电容形成双边LCCC补偿网络，如图4所示，电感电容串联形成等效电感，满足：

${\mathrm{j\ωL}}_{f1\_eq}={\mathrm{j\ωL}}_{f1}+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_{f1}}$

${\mathrm{j\ωL}}_{f2\_eq}={\mathrm{j\ωL}}_{f2}+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_{f2}}---\left(7\right)$

通过调节串联电容的值即可对等效电感进行调节，从而调节无线充电系统的传输功率。

如图5所示为LCCC-C补偿网络，谐振时其副边的感应电压为

${\stackrel{\·}{U}}_{oc}=-\frac{M}{L_{f1\_eq}}{\stackrel{\·}{U}}_{AB}---\left(8\right)$

经过副边串联电容的补偿，感应电压可完全加在整流桥上，可见其与负载参数无关，具有恒压源的特性。感应电压的大小可以通过调节补偿网络的参数使其处于合适的范围。

对于采用该LCCC-C补偿网络进行无线充电的情况下而言，通常选用电池电压U_b的1.1～1.2倍作为充电电压，考虑到整流电路对电压的变换关系，要求副边感应电压满足：

$\left|{\stackrel{\·}{U}}_{oc}\right|=\frac{2\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}\·(1.1~1.2)U_b---\left(9\right)$

由式(8)可知，感应电压与互感M有关，当对不同高度底盘的汽车进行充电或汽车没有对正时，可以通过调节原边补偿网络的参数对感应电压进行控制，从而满足充电电压的要求。因此，对于该LCCC-C补偿网络而言，本发明亦可从补偿网络的角度出发，通过改变L_f1等参数的值调整充电电压到合适的范围。

功率稳定控制流程

功率稳定控制流程如图8所示。首先进行耦合系数的检测，参见图7所示的无线充电系统的结构，断开开关S1、S3，闭合S2，辅助电源直接加一电压到发射线圈，接收线圈开路。检测发射线圈电流I₁和接收线圈电压U₂，通过式(3)计算得到两线圈的耦合系数k。若耦合系数k小于预设耦合系数kmin，则意味着汽车偏移过大，此时可提示应重新调整汽车位置(例如，可以以语音、光等各种合适的方式进行提醒)，直到耦合系数满足充电要求，即大于预设耦合系数。接着根据测得的耦合系数由式(4)(6)计算满足无线充电系统的功率要求的补偿网络参数，通过控制执行器1、2对原副边的补偿网络进行调整(例如，可调整如上所述的补偿网络参数L_f1、L_f2)。之后，开启电源进行充电。读取电池管理系统(BMS)的充电电压和电池电流(该充电电压和电池电流亦可通过单独的电压电流检测设备检测得到)，计算得到充电功率，若满足功率要求则可继续充电，若不满足则意味着出现故障，应停止充电。该功率稳定控制流程可使得无线充电系统的传输功率保持一功率等级范围内，避免因耦合系数的不同而导致传输功率等级发生变化。

分段充电控制流程

为了更好的适应电池特性，可针对电动汽车动力电池采用分段充电。无线充电的补偿网络中，双边LCCC补偿对电池表现出恒流源的特性，而LCCC-C补偿则具有恒压源的特性。因此本发明将两种补偿网络结合起来，形成可分段充电的无线充电系统，如图7所示。在充电起始阶段，将两开关拨到1端，其等效电路为双边LCCC补偿，如图4所示，此时可以为电池恒流充电，待电池电压达到一定幅值后，将开关拨到2端，此时等效电路为LCCC-C补偿，如图5所示.，此时可以为电池恒压充电。

具体的分段充电的控制流程如图9所示。与功率稳定控制流程相同，首先进行耦合系数的检测。参见图7，副边控制器2将副边补偿网络调整为双边LCCC补偿，根据测得的耦合系数由式(4)(6)计算满足功率要求的补偿网络参数，调整补偿网络参数使传输功率满足要求。开启电源，此时补偿网络为双边LCCC补偿，可以给电池进行恒流充电，读取电池管理系统(BMS)数据，检测电池电压是否小于设定值，若小于则继续恒流充电，待电池电压大于设定值后，将副边补偿网络切换为串联补偿，即采用LCCC-C补偿网络。选择合适的充电电压(例如，该充电电压可为电池电压的1.2倍，这个1.2倍可指在由恒流转化为恒压充电这一瞬间电池电压的1.2倍)，由式(8)计算合适的原边补偿网络参数，调整原边补偿网络，进行恒压充电。读取电池管理系统(BMS)的充电电流，若充电电流大于设定值则继续恒压充电，直到充电电流小于设定值，充电结束。

因为电池的特性是在匮电的时候接受电流的能力强，快充满的时候接受电流的能力弱。要想全过程用恒流充电，那么充电电流就不能过大，以免损伤电池，因此，在充电开始阶段这个充电电流相对电池的接受电流来说相对较小，而后期这个充电电流相对电池的接受电流又相对较大。本发明采用恒流充电方式和恒压充电方式相结合的方法，在开始阶段，由于电池接受电流能力强，可以用较大的电流进行恒流充电(就是说“阶段充电”中的恒流充电电流要大于全过程采用“恒流充电”的充电电流)，后面采用恒压(该恒压例如可为电池电压的1.2倍，这个1.2倍可指在由恒流转化为恒压充电这一瞬间电池电压的1.2倍，因为后面电池电压会继续增大，而充电电压保持不变，所以充电电压就不是电池电压的1.2倍了)，随着充电过程的进行，电池电压逐渐上升，而充电电压恒定，因此充电电流会逐渐减小，这刚好与电池在充电后期接受电流能力弱的特性相适应。

需要说明的是，本领域技术人员应该理解，本申请发明内容部分提及的“控制装置”所执行的操作可由图7所示的“控制器1”、“控制器2”、“执行器1”、“执行器2”等等来实现，但本发明的实施并不限于图7所示的结构，其他可实现相同或相类似的功能的结构亦是可行的。另外，本发明不仅适用于车辆无线充电，对于其他需要进行无线充电的场合(例如，手机无线充电)，亦是适用的。

以上结合附图详细描述了本发明例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (10)

1.一种用于无线充电系统的功率传输控制方法，该无线充电系统包含无线充电发射端及无线充电接收端，其特征在于，该方法包括：

检测无线充电发射端与无线充电接收端之间的耦合系数；

根据所述无线充电发射端与无线充电接收端之间的耦合系数，计算所述无线充电系统的无线充电功率；以及

在该无线充电功率低于预设功率的情况下，调整所述无线充电发射端和/或所述无线充电接收端的补偿网络的补偿参数，以使得所述无线充电功率大于或等于所述预设功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整所述无线充电发射端和/或所述无线充电接收端的补偿网络的补偿参数包含调整所述无线充电发射端和/或所述无线充电接收端的补偿网络的补偿电感。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过在所述补偿电感处串联电容来调整所述补偿电感。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在该耦合系数低于预设耦合系数的情况下，该方法还包括：提示调整所述无线充电接收端的位置，直至所述耦合系数大于或等于所述预设耦合系数。

5.根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在所述无线充电功率大于或等于所述预设功率之后，该方法还包括：

控制所述无线充电系统以恒流充电的方式进行功率传输；

检测电池电压是否小于预设电压值；

在所述电池电压大于或等于所述预设电压值的情况下，控制所述无线充电系统以恒压充电的方式进行功率传输。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述恒压充电的方式所采用的充电电压为无线充电系统在恒流充电方式与恒压充电方式之间的切换的瞬间的电池电压的1.2倍。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

检测充电电流是否小于预设电流值；以及

在所述充电电流小于所述预设电流值的情况下，控制所述无线充电系统停止以恒压充电的方式进行功率传输。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过控制所述无线充电系统的补偿网络在双边LCCC补偿网络与LCCC-C补偿网络之间切换，以实现所述无线充电系统在恒流充电方式与恒压充电方式之间的切换。

9.一种无线充电系统，该无线充电系统包含无线充电发射端及无线充电接收端，其特征在于，该无线充电系统还包括：

耦合系数检测装置，用于检测无线充电发射端与无线充电接收端之间的耦合系数；

控制装置，用于执行以下操作：

根据所述无线充电发射端与无线充电接收端之间的耦合系数，计算所述无线充电系统的无线充电功率；以及

在该无线充电功率低于预设功率的情况下，调整所述无线充电发射端和/或所述无线充电接收端的补偿网络的补偿参数，以使得所述无线充电功率大于或等于所述预设功率。

10.根据权利要求9所述的无线充电系统，其特征在于，所述调整所述无线充电发射端和/或所述无线充电接收端的补偿网络的补偿参数包含调整所述无线充电发射端和/或所述无线充电接收端的补偿网络的补偿电感。