CN106379190A - 一种负载自适应的电动汽车无线充电系统 - Google Patents

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Abstract

一种负载自适应的电动汽车无线充电系统，包括电源、系统地面端设备、系统车载端设备、动力电池负载、负载检测估计模块、系统优化配置模块，以及系统控制模块。其中，负载检测估计模块能够实时检测动力电池负载的状态，并将实时负载特性传输至系统优化配置模块，进而通过系统控制模块产生控制信号，从而针对动力电池变化负载进行实时调节，实现系统的自适应运行。本发明基于预存的系统模型和系统最优状态配置准则，在保证准确性的前提下能够实现系统的优化调节；并且针对电动汽车无线充电系统电磁辐射采取了抗干扰措施，提高了系统的稳定性和安全性。

Description

一种负载自适应的电动汽车无线充电系统
技术领域
本发明涉及一种电动汽车无线充电系统。
背景技术
随着雾霾等环境问题的日益严重，采用节能环保的电动汽车的呼声越来越高。在制约电动汽车发展的若干关键技术当中，充电技术对于电动汽车的推广有着重要作用。相对于传统的电动汽车有线充电方法，无线充电方式具有充电便利、节省空间、充电设施不易被破坏以及不受雨雪等不良天气影响等优点，对电动汽车的普及能够起到巨大的推动作用。作为无线充电系统的负载，动力电池的特性在充电过程中会发生变化。
CN 105591474 A“一种自适应频率可变的无线充电系统”提出了一种频率可变的无线充电系统，以提高发射端和接收端的匹配性；CN 105743179 A“无线充电器及其充电线圈位置自适应控制装置”提出了一种位置自适应装置使发射端和接收端对准，以提高充电效率；CN 103219807 B“一种自适应无线电能传输装置”提出了一种包含谐振电容调整电路和多中继线圈的自适应无线充电系统，以调整谐振频率，提高传输的距离和稳定性。上述三个专利都提到了自适应的无线充电系统，但却均未考虑系统负载特性及其影响。CN104868572 A“无线充电系统及方法”采用输出稳压的方式来实现负载变化时的自适应调节；CN 102222967 B“一种自适应无线充电系统”采用负载反馈、功率补偿的方法对系统进行控制，以提高稳定性和运行效率；CN 104300699 A“磁耦合谐振式无线电能传输自适应阻抗匹配系统”提出了一种基于粒子群控制算法的无线电能传输自适应阻抗匹配方法，以应对负载改变时效率下降的问题。上述三个专利都针对负载变化进行了相应的设计，但均只针对输出电压、功率等单一指标进行调节和控制，并且未考虑电动汽车动力电池负载的特点。因此，需要一种针对电动汽车动力电池负载变化，能够全面优化系统性能并自适应充电的无线充电系统，以保证电动汽车无线充电过程的稳定和高效。
发明内容
本发明的目的是为克服当前电动汽车无线充电系统不能很好适应动力电池负载变化的缺点，提出一种负载自适应的电动汽车无线充电系统。本发明能够在动力电池负载变化的情况下，实现电动汽车无线充电系统的优化控制，进而提高系统的性能、安全性和稳定性。
应用本发明的负载自适应电动汽车无线充电系统包括电源、系统地面端设备、系统车载端设备、动力电池负载、负载检测估计模块、系统优化配置模块，以及系统控制模块；所述的电源连接系统地面端设备；所述的系统地面端设备的输入端与电源相连，系统地面端设备的输出端与系统车载端设备相连，系统地面端设备的控制端与系统控制模块相连；所述的系统车载端设备的输入端与系统地面端设备相连，系统车载端设备的输出端与动力电池负载相连，系统车载端设备的控制端与系统控制模块相连；所述的动力电池负载的输入端与系统车载端设备相连，动力电池负载的信号输出端与负载检测估计模块相连；所述的负载检测估计模块的输入端与动力电池负载相连，负载检测估计模块的输出端与系统优化配置模块相连；所述的系统优化配置模块的输入端与负载检测估计模块相连，系统优化配置模块的输出端与系统控制模块相连；所述的系统控制模块的输入端与系统优化配置模块相连，系统控制模块的输出端分别与系统地面端设备和系统车载端设备相连。
所述的系统地面端设备包括功率因数校正电路、高频逆变电路、地面端阻抗匹配电路和地面端能量发射线圈。其中，功率因数校正电路的输入端为系统地面端设备的输入端，功率因数校正电路的输出端连接高频逆变电路；高频逆变电路的输入端连接功率因数校正电路，高频逆变电路的输出端连接地面端阻抗匹配电路；地面端阻抗匹配电路的输入端连接高频逆变电路，地面端阻抗匹配电路的输出端连接地面端能量发射线圈；地面端能量发射线圈的输入端连接地面端阻抗匹配电路，地面端能量发射线圈的输出端为系统地面端设备的输出端；高频逆变电路接收来自系统控制模块的控制信号，并对电动汽车无线充电系统工作状态进行调节。
所述的系统车载端设备包括车载端功率变换电路、车载端阻抗匹配电路和车载端能量接收线圈。其中，车载端能量接收线圈的输入端为系统车载端设备的输入端，车载端能量接收线圈的输出端连接车载端阻抗匹配电路；车载端阻抗匹配电路的输入端连接车载端能量接收线圈，车载端阻抗匹配电路的输出端连接车载端功率变换电路；车载端功率变换电路的输入端连接车载端阻抗匹配电路，车载端功率变换电路的输出端为系统车载端设备的输出端；车载端功率变换电路接收来自系统控制模块的控制信号，并对电动汽车无线充电系统工作状态进行调节。
所述的负载检测估计模块实时检测动力电池负载的充电电压、充电电流等参数，并对检测结果进行存储。
所述的负载检测估计模块包含预先存入的动力电池模型，并利用该动力电池模型与检测存储的数据对动力电池负载的状态和特性进行估计，进而将结果传输至系统优化配置模块。
所述的负载检测估计模块中预先存入的动力电池模型可以采用将动力电池等效为理想电压源与电池内阻串联的内阻电池模型(Rint模型)、在内阻电池模型基础上增加了电阻-电容(RC)环节以模拟电池极化效应的戴维南电池模型(Thevinin模型)、以及能够描述开路电压随负载电流时间累计而变化的新一代汽车合作伙伴计划电池模型(PNGV模型)等。
所述的系统优化配置模块包含预先存入的系统地面端设备的模型和系统车载端设备的模型，还存有系统最优状态配置准则，进而在此基础上利用负载检测估计模块传输的数据，计算系统最优时的控制参数，并将结果传输至系统控制模块。
所述的系统地面端设备的模型包括功率因数校正电路、高频逆变电路、地面端阻抗匹配电路与地面端能量发射线圈的电路拓扑结构和参数值，所述的系统车载端设备的模型包括车载端功率变换电路、车载端阻抗匹配电路与车载端能量接收线圈的电路拓扑结构和参数值。在建模过程中考虑系统杂散电阻的影响，并且模型的参数值均采用实际测量的结果，从而提高了模型的精度和优化配置结果的准确性。
所述的系统最优状态配置准则包括系统输出电压恒定、系统输出电流恒定、系统输出额定功率、系统传输效率最大、系统对动力电池负载变化响应最快、系统电应力最小这些准则中的一个或者多个的组合。通过有机组合多个配置准则，实现对系统多个调节目标的全面优化，进而提高系统的性能指标。
所述的负载检测估计模块和系统优化配置模块均具有外部接口。其中，负载检测估计模块的外部接口用于存入和更新动力电池模型；系统优化配置模块的外部接口用于存入和更新系统地面端设备和系统车载端设备的模型，以及系统最优状态配置准则。
所述的系统控制模块具有利用系统优化配置模块传输的数据，结合调频、移相等多种控制方式，产生控制信号的功能。由于每种控制方式在实际应用中都有一定的局限性，所以本发明将几种控制方式结合起来，能够得到更好的调节效果。此外，所述的系统控制模块具有选择单独控制系统地面端设备或系统车载端设备、或者对两者同时进行协同控制的功能，从而增加了控制的灵活性。
所述的负载检测估计模块能够实时检测动力电池负载的状态，并将实时负载特性传输至系统优化配置模块，进而通过系统控制模块产生针对实时负载特性的控制信号，从而达到对动力电池变化负载的实时响应，实现系统的自适应调节。
所述的负载检测估计模块、系统优化配置模块和系统控制模块之间加入了抗干扰措施，具体包括：设计滤波器、进行屏蔽、合理接地、减小回路等硬件抗干扰措施，以及软件滤波、数据校验等软件抗干扰方式；这些抗干扰措施针对电动汽车无线充电系统电磁辐射的特点进行设计，并且综合采用软件和硬件的抗干扰方法，以尽量减小电磁干扰的影响，提高数据通信的稳定性和准确性。
所述的系统的工作过程如下：所述的系统地面端设备将来自电源的电能进行变换后，通过空间电磁场的形式无线传输至系统车载端设备；所述的系统车载端设备对接收到的电能进行变换后给动力电池负载充电；所述的负载检测估计模块对动力电池负载的状态进行实时检测和估计，并将数据传输至系统优化配置模块；所述的系统优化配置模块利用负载检测估计模块传输的数据，得到系统最优控制参数，并将数据传输至系统控制模块；所述的系统控制模块利用系统优化配置模块传输的数据，对系统地面端设备和系统车载端设备进行控制。通过上述工作过程，所述的系统在电动汽车无线充电过程中，对动力电池变化负载进行实时响应，实现自适应调节。
本发明具有以下优点和有益效果：
1、实时检测动力电池负载状态，估计负载特性，实现系统在负载变化时的自适应运行；
2、基于预存的系统模型和最优准则，在保证准确性的前提下实现系统的优化调节；
3、针对电动汽车无线充电系统电磁辐射采取了抗干扰措施，提高了稳定性和准确性。
附图说明
图1为本发明负载自适应的电动汽车无线充电系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明负载自适应的电动汽车无线充电系统的结构如图1所示。所述电动汽车无线充电系统包括电源101、系统地面端设备102、系统车载端设备103、动力电池负载104、负载检测估计模块105、系统优化配置模块106，以及系统控制模块107；所述的电源101连接系统地面端设备102；所述的系统地面端设备102的输入端与电源101相连，系统地面端设备102的输出端与系统车载端设备103相连，系统地面端设备102的控制端与系统控制模块107相连；所述的系统车载端设备103的输入端与系统地面端设备102相连，系统车载端设备103的输出端与动力电池负载104相连，系统车载端设备103的控制端与系统控制模块107相连；所述的动力电池负载104的输入端与系统车载端设备103相连，动力电池负载104的信号输出端与负载检测估计模块105相连；所述的负载检测估计模块105的输入端与动力电池负载104相连，负载检测估计模块105的输出端与系统优化配置模块106相连；所述的系统优化配置模块106的输入端与负载检测估计模块105相连，系统优化配置模块106的输出端与系统控制模块107相连；所述的系统控制模块107的输入端与系统优化配置模块106相连，系统控制模块107的输出端分别与系统地面端设备102和系统车载端设备103相连。所述的系统地面端设备102将来自电源101的电能进行变换后，通过空间电磁场的形式无线传输至系统车载端设备103；所述的系统车载端设备103对接收到的电能进行变换后给动力电池负载104充电；所述的负载检测估计模块105对动力电池负载104的状态进行实时检测和估计，并将数据传输至系统优化配置模块106；所述的系统优化配置模块106利用负载检测估计模块105传输的数据，得到系统最优控制参数，并将数据传输至系统控制模块107；所述的系统控制模块107利用系统优化配置模块106传输的数据，对系统地面端设备102和系统车载端设备103进行控制。以下通过具体实施例进一步说明本发明。
本实施例中，针对配有磷酸铁锂动力电池的电动汽车采用本发明的负载自适应无线充电系统对其进行充电，具体如下：
首先，在本实施例中，电源101为电网；动力电池负载104为磷酸铁锂动力电池。
系统地面端设备102包括有源功率因数校正电路(APFC)、全桥MOSFET高频逆变电路、地面端LCC阻抗匹配电路和地面端圆形盘式能量发射线圈。其中，有源功率因数校正电路的输入端为系统地面端设备102的输入端，有源功率因数校正电路的输出端连接全桥MOSFET高频逆变电路；全桥MOSFET高频逆变电路的输入端连接有源功率因数校正电路，全桥MOSFET高频逆变电路的输出端连接地面端LCC阻抗匹配电路；地面端LCC阻抗匹配电路的输入端连接全桥MOSFET高频逆变电路，地面端LCC阻抗匹配电路的输出端连接地面端圆形盘式能量发射线圈；地面端圆形盘式能量发射线圈的输入端连接地面端LCC阻抗匹配电路，地面端圆形盘式能量发射线圈的输出端为系统地面端设备102的输出端；全桥MOSFET高频逆变电路能够接收来自系统控制模块107的控制信号，并对电动汽车无线充电系统的工作状态进行调节。
系统车载端设备103包括车载端整流电路、车载端LCC阻抗匹配电路和车载端圆形盘式能量接收线圈。其中，车载端圆形盘式能量接收线圈的输入端为系统车载端设备103的输入端，车载端圆形盘式能量接收线圈的输出端连接车载端LCC阻抗匹配电路；车载端LCC阻抗匹配电路的输入端连接车载端圆形盘式能量接收线圈，车载端LCC阻抗匹配电路的输出端连接车载端整流电路；车载端整流电路的输入端连接车载端LCC阻抗匹配电路，车载端整流电路的输出端为系统车载端设备103的输出端。
负载检测估计模块105中预先存入的动力电池模型为采用将动力电池等效为理想电压源与电池内阻串联的内阻电池模型(Rint模型)；系统优化配置模块106中预先存入的模型包括有源功率因数校正电路、全桥MOSFET高频逆变电路、地面端LCC阻抗匹配电路、地面端圆形盘式能量发射线圈、车载端整流电路、车载端LCC阻抗匹配电路与车载端圆形盘式能量接收线圈的电路拓扑结构和参数值；在建模过程中考虑系统杂散电阻的影响，并且模型的参数值均采用实际测量的结果，以提高模型的精度和优化配置结果的准确性；系统优化配置模块106中预先存入的系统最优状态配置准则为系统输出电流恒定和系统传输效率最大两者的有机组合；通过负载检测估计模块105的外部接口，将上述动力电池模型存入负载检测估计模块105中；并通过系统优化配置模块106的外部接口，将上述系统地面端设备102的模型和系统车载端设备103的模型，以及系统最优状态配置准则存入系统优化配置模块106中。
然后，由于磷酸铁锂动力电池104在充电过程中端口电压会逐渐升高，并且其电池内阻也会随之发生变化，所以，需要在整个无线充电过程中实时针对负载的变化进行自适应调节；负载检测估计模块105实时检测动力电池负载的充电电压、充电电流等参数，并对检测结果进行存储；进而利用预先存入的动力电池模型与检测存储的数据，对磷酸铁锂动力电池负载104的状态和特性进行估计，并将结果传输至系统优化配置模块106；系统优化配置模块106利用预先存入的系统地面端设备102的模型、系统车载端设备103的模型、系统最优状态配置准则，以及负载检测估计模块105传输的数据，计算系统最优时的控制参数，并将结果传输至系统控制模块107；系统控制模块107利用系统优化配置模块106传输的数据，选取移相与调频相结合的控制方式；同时选择单独控制系统地面端设备102，以减少控制复杂度，提高控制响应速度；进而，系统控制模块107产生控制信号，对系统地面端设备102中的全桥MOSFET高频逆变电路进行控制。
此外，负载检测估计模块105、系统优化配置模块106和系统控制模块107之间加入抗干扰措施；这些抗干扰措施针对电动汽车无线充电系统电磁辐射的特点进行设计，并且综合采用包括设计滤波器、进行屏蔽、软件滤波、数据校验等的软件和硬件的抗干扰方法，以尽量减小系统电磁干扰的影响，提高数据通信的稳定性和准确性。
最后，在电动汽车整个的无线充电过程中，虽然磷酸铁锂动力电池104的端口电压和内阻不断发生变化，但负载检测估计模块105能够实时地检测动力电池负载104的状态，并将实时负载特性传输至系统优化配置模块106，进而通过系统控制模块107产生针对实时负载的控制信号，对磷酸铁锂动力电池负载104的变化进行响应，在保证准确性的前提下对系统进行优化调节，达到系统输出电流恒定并具有最大传输效率的控制效果，实现了电动汽车无线充电系统的自适应运行。

Claims (12)

1.一种负载自适应的电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述电动汽车无线充电系统包括电源(101)、系统地面端设备(102)、系统车载端设备(103)、动力电池负载(104)、负载检测估计模块(105)、系统优化配置模块(106)，以及系统控制模块(107)；所述的电源(101)连接系统地面端设备(102)；所述的系统地面端设备(102)的输入端与电源(101)相连，系统地面端设备(102)的输出端与系统车载端设备(103)相连，系统地面端设备(102)的控制端与系统控制模块(107)相连；所述的系统车载端设备(103)的输入端与系统地面端设备(102)相连，系统车载端设备(103)的输出端与动力电池负载(104)相连，系统车载端设备(103)的控制端与系统控制模块(107)相连；所述的动力电池负载(104)的输入端与系统车载端设备(103)相连，动力电池负载(104)的信号输出端与负载检测估计模块(105)相连；所述的负载检测估计模块(105)的输入端与动力电池负载(104)相连，负载检测估计模块(105)的输出端与系统优化配置模块(106)相连；所述的系统优化配置模块(106)的输入端与负载检测估计模块(105)相连，系统优化配置模块(106)的输出端与系统控制模块(107)相连；所述的系统控制模块(107)的输入端与系统优化配置模块(106)相连，系统控制模块(107)的输出端分别与系统地面端设备(102)和系统车载端设备(103)相连。
2.按照权利要求1所述的负载自适应电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的系统地面端设备(102)包括功率因数校正电路、高频逆变电路、地面端阻抗匹配电路和地面端能量发射线圈；其中，功率因数校正电路的输入端为系统地面端设备(102)的输入端，功率因数校正电路的输出端连接高频逆变电路；高频逆变电路的输入端连接功率因数校正电路，高频逆变电路的输出端连接地面端阻抗匹配电路；地面端阻抗匹配电路的输入端连接高频逆变电路，地面端阻抗匹配电路的输出端连接地面端能量发射线圈；地面端能量发射线圈的输入端连接地面端阻抗匹配电路，地面端能量发射线圈的输出端为系统地面端设备(102)的输出端；高频逆变电路接收来自系统控制模块(107)的控制信号，并对电动汽车无线充电系统工作状态进行调节。
3.按照权利要求1所述的负载自适应电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的系统车载端设备(103)包括车载端功率变换电路、车载端阻抗匹配电路和车载端能量接收线圈；其中，车载端能量接收线圈的输入端为系统车载端设备(103)的输入端，车载端能量接收线圈的输出端连接车载端阻抗匹配电路；车载端阻抗匹配电路的输入端连接车载端能量接收线圈，车载端阻抗匹配电路的输出端连接车载端功率变换电路；车载端功率变换电路的输入端连接车载端阻抗匹配电路，车载端功率变换电路的输出端为系统车载端设备(103)的输出端；车载端功率变换电路接收来自系统控制模块(107)的控制信号，并对电动汽车无线充电系统工作状态进行调节。
4.按照权利要求1所述的负载自适应电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的负载检测估计模块(105)实时检测动力电池负载(104)的充电电压、充电电流等参数，并对检测结果进行存储。
5.按照权利要求1所述的负载自适应电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的负载检测估计模块(105)包含预先存入的动力电池模型，并利用该动力电池模型与检测存储的数据对动力电池负载的状态和特性进行估计，进而将结果传输至系统优化配置模块(106)。
6.按照权利要求1所述的负载自适应电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的系统优化配置模块(106)包含预先存入的系统地面端设备(102)的模型和系统车载端设备(103)的模型，还存有系统最优状态配置准则，利用负载检测估计模块(105)传输的数据，计算系统最优时的控制参数，并将结果传输至系统控制模块(107)。
7.按照权利要求6所述的负载自适应电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的系统地面端设备(102)的模型包括功率因数校正电路、高频逆变电路、地面端阻抗匹配电路与地面端能量发射线圈的电路拓扑结构和参数值；所述的系统车载端设备(103)的模型包括车载端功率变换电路、车载端阻抗匹配电路与车载端能量接收线圈的电路拓扑结构和参数值。
8.按照权利要求6所述的负载自适应电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的系统最优状态配置准则包括系统输出电压恒定、系统输出电流恒定、系统输出额定功率、系统传输效率最大、系统对动力电池负载变化响应最快、系统电应力最小这些准则中的一个或者多个的组合。
9.按照权利要求1所述的负载自适应电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的负载检测估计模块(105)和系统优化配置模块(106)均具有外部接口；其中，负载检测估计模块(105)的外部接口用于存入和更新动力电池模型；系统优化配置模块(106)的外部接口用于存入和更新系统地面端设备(102)和系统车载端设备(103)的模型，以及系统最优状态配置准则。
10.按照权利要求1所述的负载自适应电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的系统控制模块(107)具有利用系统优化配置模块(106)传输的数据，结合调频、移相等多种控制方式，产生控制信号的功能；此外，所述的系统控制模块(107)具有选择单独控制系统地面端设备(102)或系统车载端设备(103)、或者对两者同时进行协同控制的功能。
11.按照权利要求1所述的负载自适应电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的负载检测估计模块(105)、系统优化配置模块(106)和系统控制模块(107)之间加入针对电动汽车无线充电系统电磁辐射的抗干扰措施。
12.根据权利要求1所述的负载自适应电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的电动汽车无线充电系统的工作过程如下：所述的系统地面端设备(102)将来自电源(101)的电能变换后，通过空间电磁场的形式无线传输至系统车载端设备(103)；所述的系统车载端设备(103)对接收到的电能进行变换后给动力电池负载(104)充电；所述的负载检测估计模块(105)对动力电池负载(104)的状态进行实时检测和估计，并将数据传输至系统优化配置模块(106)；所述的系统优化配置模块(106)利用负载检测估计模块(105)传输的数据，得到系统最优控制参数，并将数据传输至系统控制模块(107)；所述的系统控制模块(107)利用系统优化配置模块(106)传输的数据，对系统地面端设备(102)和系统车载端设备(103)进行控制；通过上述工作过程，所述的系统在电动汽车无线充电过程中，对动力电池变化负载进行实时响应，实现自适应调节。
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