CN106740238A - 一种电动汽车无线充电电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车无线充电电路，包含基建侧部分和车载侧部分，其中，基建侧部分包含依次相连的第一整流滤波电路、高频逆变电路和第一串联谐振电路，第一串联谐振电路包括串联连接的发射线圈L1和第一电子电容电路；车载侧部分包含依次相连的第二串联谐振电路、第二整流滤波电路、DC‑DC变换器，第二串联谐振电路包括串联连接的接收线圈L2和第二电子电容电路。本发明无线充电电路及其控制方法，有利于提高无线传输效率。

Description

一种电动汽车无线充电电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，特别涉及一种电动汽车无线充电电路及其控制方法。
背景技术
近年来，随着全球电动汽车保有量的迅速增加，充电桩、充电站等电动汽车充电设备的需求也越来越大，目前电动汽车的充电方式主要是有线充电方式，然而常规的有线充电方式存在很多不足：充电设备引线过长；占地面积和占用空间大；人工操作繁琐，操作过程中会带来设备的过度磨损以及不安全性问题。电动汽车无线充电技术可以很好地解决上述问题，从而得到了广泛关注。
所谓无线充电，即在没有电缆的情况下，靠电磁场合其他的物质进行耦合，实现电能的无线传输。目前常见的电动汽车无线充电方案主要包括磁感应式无线充电和磁共振式无线充电。其中，磁感应式无线充电技术线圈间互感较大，近距离传输效率高，但整个系统对线圈的相对水平位移非常敏感，不适合用于远距离的无线充电。相比于磁感应式，磁共振式无线传输的电路拓扑具有调谐网络，能够实现互感补偿和频率调谐，可以实现中等距离电能传输。
因此，近几年磁共振式无线充电成为电动汽车无线充电领域的研究热点。同时，磁共振式无线传输在充电效率上的提高，一直是科研工作者们研究的一种重点方向。
发明内容
本发明的目的就是为了克服常规有线充电技术的缺陷，提出一种电动汽车无线充电电路，旨在提高电动汽车无线充电系统的传输效率和控制性能。
本发明的另一目的在于提供一种电动汽车无线充电电路的控制方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种电动汽车无线充电电路，包括基建侧和车载侧，所述基建侧包含第一整流滤波电路、高频逆变电路和第一串联谐振电路；车载侧包含第二串联谐振电路、第二整流滤波电路和DC-DC变换器；其中
所述第一整流滤波电路的输入端连接至电网，用于将电网电压整流成直流电压；
所述高频逆变电路的输入端连接至所述第一整流滤波电路的输出端，用于将所述第一整流滤波电路输出的直流电压逆变为高频电压方波；
所述第一串联谐振电路的输入端连接至所述高频逆变电路的输出端；
所述第二串联谐振电路的输出端连接至所述第二整流滤波电路的输入端；
所述第二整流滤波电路的输入端连接至所述第二串联谐振电路的输出端，用于将所述第二串联谐振电路输出的交流电压整流成直流电压；
所述DC-DC变换器的输入端连接至所述第二整流滤波电路，用于将所述第二整流滤波电路的直流输出电压变换成车载动力电池充电所需的额定电压；
所述第一串联谐振电路与第二串联谐振电路对称设置，通过耦合实现电能的无线传输。
所述第一串联谐振电路包括依次串联连接的发射线圈L1和第一电子电容电路，连接至高频逆变电路的输出端；所述第二串联谐振电路包括依次串联连接的接收线圈L2和第二电子电容电路，连接至第二整流滤波电路的输入端；所述发射线圈L1与所述接收线圈L2通过高频磁共振方式，电能从发射线圈L1传递到接收线圈L2，所述发射线圈L1与接收线圈L2对称设置，通过耦合实现电能的无线传输。
所述第一电子电容电路包括第一MOSFET开关管、第二MOSFET开关管、第三MOSFET开关管、第四MOSFET开关管和第一直流电容C1；其中，第一MOSFET开关管的漏极与第一直流电容C1的正极相连，第一MOSFET开关管的源极与第三MOSFET开关管的漏极相连；第二MOSFET开关管的漏极与第一直流电容C1的正极相连，第二MOSFET开关管的源极与第四MOSFET开关管的漏极相连；第三MOSFET开关管的源极与第一直流电容C1的负极相连；第四MOSFET开关管的源极与第一直流电容C1的负极相连；第一电子电容电路的两端分别从第一MOSFET开关管的源极和第二MOSFET开关管的源极引出。
所述第二电子电容电路包括第五MOSFET开关管、第六MOSFET开关管、第七MOSFET开关管、第八MOSFET开关管和第二直流电容C2；其中，第五MOSFET开关管的漏极与第二直流电容C2的正极相连，第五MOSFET开关管的源极与第七MOSFET开关管的漏极相连；第六MOSFET开关管的漏极与第二直流电容C2的正极相连，第六MOSFET开关管的源极与第八MOSFET开关管的漏极相连；第七MOSFET开关管的源极与第二直流电容C2的负极相连；第八MOSFET开关管的源极与第二直流电容C2的负极相连；第二电子电容电路的两端分别从第五MOSFET开关管的源极和第六MOSFET开关管的源极引出。
本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：
一种电动汽车无线充电电路的控制方法，包括下述步骤：
S1、设置高频逆变电路的工作角频率初始值ω0,依次调节第一电子电容电路和第二电子电容电路，使得第一串联谐振电路和第二串联谐振电路工作在磁共振状态，测得发射线圈L1和接收线圈L2之间的互感M；
S2、调节高频逆变电路的输出角频率其中，R1、R2、Req分别为第一串联谐振电路等效寄生电阻、第二串联谐振电路等效寄生电阻、车载侧第二串联谐振电路后级的等效阻抗；
S3、依次调节第一电子电容电路和第二电子电容电路，使得第一串联谐振电路和第二串联谐振电路工作在磁共振状态。
步骤S1和S3中，所述第一电子电容电路和第二电子电容电路的调节方法均采用移相角控制法，具体步骤为：
对于第一电子电容电路：
(1)根据谐振角频率获得谐振工作点的第一电子电容电路的等效电容值Ceq1；其中在步骤S1中，ω＝ω0；在步骤S3中，ω＝ω1；
(2)根据获得控制关闭角α1，其中，C1为第一直流电容；
(3)由锁相环测得电压相位，采用移相角控制法控制所述第一电子电容电路，控制关闭角为；
对于第二电子电容电路：
(1)根据谐振角频率获得谐振工作点的第二电子电容电路的等效电容值Ceq2；其中在步骤S1中，ω＝ω0；在步骤S3中，ω＝ω1；
(2)根据获得控制关闭角α2，其中，C2为第二直流电容；
(3)由锁相环测得电压相位，采用移相角控制法控制所述第二电子电容电路，控制关闭角为α2。
步骤S1中，所述初始值ω0为100KHZ。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明基于电磁共振和电子电容电路的等效原理，将电子电容电路等效为一个可变电容，通过计算不同车况下达到最大传输效率时的最优谐振频率，调节第一电子电容电路和第二电子电容电路，使第一串联谐振电路和第二串联谐振电路工作在磁共振状态，因此，本发明的电动汽车无线充电电路及其控制方法可以实现无线传输的双侧补偿，大大提高无线传输效率，具有良好的市场前景和经济效益。
附图说明
图1是电动汽车无线充电电路的建设方案图；
图2是电动汽车无线充电的总体结构图；
图3是电子电容电路的控制图；
图4是整个无线充电系统的控制框图；
图5-1是无线传输一次侧高频逆变电路输出电压电流的仿真波形图；
图5-2是无线传输二次侧第二串联谐振电路输出电压电流的仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明的具体实施方式作详细说明。
图1给出了本发明的电动汽车磁共振式无线充电电路的建设方案图，其中，基建侧和车载侧分离，基建侧安装在地面下方，发射线圈L1靠近地面，当车载侧的接收线圈L2处于发射线圈L1上方时，可进行无线充电。
图2给出了电动汽车磁共振式无线充电的总体结构图，基建侧包含第一整流滤波电路、高频逆变电路和第一串联谐振电路；车载侧包含第二串联谐振电路、第二整流滤波电路和DC-DC变换器；
其中，所述第一整流滤波电路的输入端连接至电网，用于将电网电压整流成直流电压；
其中，所述高频逆变电路的输入端连接至所述第一整流滤波电路的输出端，用于将所述第一整流滤波电路输出的直流电压逆变为高频电压方波；
其中，所述第一串联谐振电路的输入端连接至所述高频逆变电路的输出端；
其中，所述第二串联谐振电路的输出端连接至所述第二整流滤波电路的输入端；
其中，所述第二整流滤波电路的输入端连接至所述第二串联谐振电路的输出端，用于将所述第二串联谐振电路输出的交流电压整流成直流电压；
其中，所述DC-DC变换器的输入端连接至所述第二整流滤波电路，用于将所述第二整流滤波电路的直流输出电压变换成车载动力电池充电所需的额定电压。
其中，所述第一串联谐振电路包括依次串联连接的发射线圈L1和第一电子电容电路；所述发射线圈L1不与第一电子电容相连的一端与高频逆变电路输出端的负极相连，所述第一电子电容电路不与发射线圈L1相连的一端与高频逆变电路输出端的正极相连。所述第二串联谐振电路包括依次串联连接的接收线圈L2和第二电子电容电路；所述发射线圈L2不与第二电子电容相连的一端与第二整流滤波电路的正输入端相连，所述第二电子电容电路不与接收线圈L2相连的一端与第二整流滤波电路的负输入端相连；所述发射线圈L1与所述接收线圈L2通过高频磁共振方式，电能从发射线圈L1传递到接收线圈L2。
其中，所述第一电子电容包括第一MOSFET开关管Q1、第二MOSFET开关管Q2、第三MOSFET开关管Q3、第四MOSFET开关管Q4和第一直流电容C1；其中，第一MOSFET开关管的漏极与第一直流电容C1的正极相连，第一MOSFET开关管的源极与第三MOSFET开关管的漏极相连；第二MOSFET开关管的漏极与第一直流电容C1的正极相连，第二MOSFET开关管的源极与第四MOSFET开关管的漏极相连；第三MOSFET开关管的源极与第一直流电容C1的负极相连；第四MOSFET开关管的源极与第一直流电容C1的负极相连；第一MOSFET开关管的源极与高频逆变电路输出端的正极相连，第二MOSFET开关管的源极与发射线圈L1一端相连。
其中，所述第二电子电容包括第五MOSFET开关管Q5、第六MOSFET开关管Q6、第七MOSFET开关管Q7、第八MOSFET开关管Q8和第二直流电容C2；其中，第五MOSFET开关管的漏极与第二直流电容C2的正极相连，第五MOSFET开关管的源极与第七MOSFET开关管的漏极相连；第六MOSFET开关管的漏极与第二直流电容C2的正极相连，第六MOSFET开关管的源极与第八MOSFET开关管的漏极相连；第七MOSFET开关管的源极与第二直流电容C2的负极相连；第八MOSFET开关管的源极与第二直流电容C2的负极相连；第五MOSFET开关管的源极与接收线圈的一端相连，第六MOSFET开关管的源极与第二整流滤波电路的负输入端相连。
本发明电路的整个工作过程为：市电首先经过第一整流滤波电路将交流AC转化为直流电压，接着经过高频逆变电路输出高频电压方波，然后通过第一串联谐振电路第二串联谐振电路的磁共振将的一次侧的电能传输到二次侧，最后通过第二整流滤波电路和DC-DC变换器得到车载动力电池充电所需的充电电压进而给车载动力电池充电。
本发明控制方法的具体实施过程如下：
一种电动汽车无线充电电路的控制方法，包括下述步骤：
S1、设置高频逆变电路的工作角频率初始值ω0,依次调节第一电子电容电路和第二电子电容电路，使得第一串联谐振电路和第二串联谐振电路工作在磁共振状态，测得发射线圈L1和接收线圈L2之间的互感M；
S2、调节高频逆变电路的输出角频率其中，R1、R2、Req分别为第一串联谐振电路等效寄生电阻、第二串联谐振电路等效寄生电阻、车载侧第二串联谐振电路后级的等效阻抗；
S3、依次调节第一电子电容电路和第二电子电容电路，使得第一串联谐振电路和第二串联谐振电路工作在磁共振状态。
步骤S1和S3中，所述第一电子电容电路和第二电子电容电路的调节方法均采用移相角控制法，具体步骤为：
对于第一电子电容电路：
(1)根据谐振角频率获得谐振工作点的第一电子电容电路的等效电容值Ceq1；其中在步骤S1中，ω＝ω0；在步骤S3中，ω＝ω1；
(2)根据获得控制关闭角α1，其中，C1为第一直流电容；
(3)由锁相环测得电压相位，采用移相角控制法控制所述第一电子电容电路，控制关闭角为；
对于第二电子电容电路：
(1)根据谐振角频率获得谐振工作点的第二电子电容电路的等效电容值Ceq2；其中在步骤S1中，ω＝ω0；在步骤S3中，ω＝ω1；
(2)根据获得控制关闭角α2，其中，C2为第二直流电容；
(3)由锁相环测得电压相位，采用移相角控制法控制所述第二电子电容电路，控制关闭角为α2。
步骤S1中，所述初始值ω0为100KHZ。
上述中第一电子电容电路和第二电子电容电路的控制方法相同，控制图如图3所示，由锁相环获得所在谐振电路的相位角，根据电子电容电路等效电容值Ceq和移相关闭角α的数学对应关系直流电容Cdc为C1或C2，控制电子电容电路的四个MOSFET开关管。
图4是整个无线充电系统的控制框图，首先检测是否有电动汽车停靠并且请求充电，若无，则不工作，若有则系统开始工作，首先设置初始谐振频率为100KHz并调节实现无线传输的双侧谐振，在此状态下，测量发射线圈L1和接收线圈L2的互感值M和第二串联谐振后级的等效阻抗值Req，接着计算最大效率时的最优谐振频率并调节高频逆变电路的输出频率值，最后调节第一电子电容电路和第二电子电容电路，使第一串联谐振电路和第二串联谐振电路均在该频率下谐振，可实现电能高效地无线传输。在无线充电过程中，间断检测车载动力电池是否已经充满电或者请求停止充电，若是，则关闭无线充电系统，否则继续。与此同时，检测发射线圈L1和接收线圈L2的互感值M和第二串联谐振后级的等效阻抗值Req是否发生变换，若是，则重新测量并设置和调节无线充电系统，使其工作在最优控制状态下。
图5-1是本发明无线传输一次侧高频逆变电路输出电压电流的仿真波形图，图5-2是无线传输二次侧第二串联谐振电路输出电压电流的仿真波形图，仿真结果：一次侧电路和二次侧电路基本处于谐振状态，且实现了电压电流同相位，充分证明了本发明的可行性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电动汽车无线充电电路，其特征在于：包括基建侧和车载侧，所述基建侧包含第一整流滤波电路、高频逆变电路和第一串联谐振电路；车载侧包含第二串联谐振电路、第二整流滤波电路和DC-DC变换器；其中
所述第一整流滤波电路的输入端连接至电网，用于将电网电压整流成直流电压；
所述高频逆变电路的输入端连接至所述第一整流滤波电路的输出端，用于将所述第一整流滤波电路输出的直流电压逆变为高频电压方波；
所述第一串联谐振电路的输入端连接至所述高频逆变电路的输出端；
所述第二串联谐振电路的输出端连接至所述第二整流滤波电路的输入端；
所述第二整流滤波电路的输入端连接至所述第二串联谐振电路的输出端，用于将所述第二串联谐振电路输出的交流电压整流成直流电压；
所述DC-DC变换器的输入端连接至所述第二整流滤波电路，用于将所述第二整流滤波电路的直流输出电压变换成车载动力电池充电所需的额定电压；
所述第一串联谐振电路与第二串联谐振电路对称设置，通过耦合实现电能的无线传输。
2.根据权利要求1所述电动汽车无线充电电路，其特征在于：所述第一串联谐振电路包括依次串联连接的发射线圈L1和第一电子电容电路，连接至高频逆变电路的输出端；所述第二串联谐振电路包括依次串联连接的接收线圈L2和第二电子电容电路，连接至第二整流滤波电路的输入端；所述发射线圈L1与所述接收线圈L2通过高频磁共振方式，电能从发射线圈L1传递到接收线圈L2，所述发射线圈L1与接收线圈L2对称设置，通过耦合实现电能的无线传输。
3.根据权利要求2所述电动汽车无线充电电路，其特征在于：所述第一电子电容电路包括第一MOSFET开关管、第二MOSFET开关管、第三MOSFET开关管、第四MOSFET开关管和第一直流电容C1；其中，第一MOSFET开关管的漏极与第一直流电容C1的正极相连，第一MOSFET开关管的源极与第三MOSFET开关管的漏极相连；第二MOSFET开关管的漏极与第一直流电容C1的正极相连，第二MOSFET开关管的源极与第四MOSFET开关管的漏极相连；第三MOSFET开关管的源极与第一直流电容C1的负极相连；第四MOSFET开关管的源极与第一直流电容C1的负极相连；第一电子电容电路的两端分别从第一MOSFET开关管的源极和第二MOSFET开关管的源极引出。
4.根据权利要求2所述电动汽车无线充电电路，其特征在于：所述第二电子电容电路包括第五MOSFET开关管、第六MOSFET开关管、第七MOSFET开关管、第八MOSFET开关管和第二直流电容C2；其中，第五MOSFET开关管的漏极与第二直流电容C2的正极相连，第五MOSFET开关管的源极与第七MOSFET开关管的漏极相连；第六MOSFET开关管的漏极与第二直流电容C2的正极相连，第六MOSFET开关管的源极与第八MOSFET开关管的漏极相连；第七MOSFET开关管的源极与第二直流电容C2的负极相连；第八MOSFET开关管的源极与第二直流电容C2的负极相连；第二电子电容电路的两端分别从第五MOSFET开关管的源极和第六MOSFET开关管的源极引出。
5.基于权利要求1至4任一权利要求所述电动汽车无线充电电路的一种电动汽车无线充电电路的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、设置高频逆变电路的工作角频率初始值ω0,依次调节第一电子电容电路和第二电子电容电路，使得第一串联谐振电路和第二串联谐振电路工作在磁共振状态，测得发射线圈L1和接收线圈L2之间的互感M；
S2、调节高频逆变电路的输出角频率其中，R1、R2、Req分别为第一串联谐振电路等效寄生电阻、第二串联谐振电路等效寄生电阻、车载侧第二串联谐振电路后级的等效阻抗；
S3、依次调节第一电子电容电路和第二电子电容电路，使得第一串联谐振电路和第二串联谐振电路工作在磁共振状态。
6.根据权利要求5所述电动汽车无线充电电路的控制方法，其特征在于：步骤S1和S3中，所述第一电子电容电路和第二电子电容电路的调节方法均采用移相角控制法，具体步骤为：
对于第一电子电容电路：
(1)根据谐振角频率获得谐振工作点的第一电子电容电路的等效电容值Ceq1；其中在步骤S1中，ω＝ω0；在步骤S3中，ω＝ω1；
(2)根据获得控制关闭角α1，其中，C1为第一直流电容；
(3)由锁相环测得电压相位，采用移相角控制法控制所述第一电子电容电路，控制关闭角为；
对于第二电子电容电路：
(1)根据谐振角频率获得谐振工作点的第二电子电容电路的等效电容值Ceq2；其中在步骤S1中，ω＝ω0；在步骤S3中，ω＝ω1；
(2)根据获得控制关闭角α2，其中，C2为第二直流电容；
(3)由锁相环测得电压相位，采用移相角控制法控制所述第二电子电容电路，控制关闭角为α2。
7.根据权利要求5所述电动汽车无线充电电路的控制方法，其特征在于：步骤S1中，所述初始值ω0为100KHZ。
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