CN106864293A - 一种低辐射高效的电动汽车无线充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低辐射高效的电动汽车无线充电装置，包括：原边发射端和副边接收端，原边发射端包括：控制模块、驱动电路、谐振耦合模块、电压信号整形模块、原边通信电路、整流滤波电路以及外接电源，控制模块包括原边单片机和控制信号产生电路；驱动电路与控制信号产生电路相连接；谐振耦合模块包括相互连接的电容控制接入电路和发射线圈，电容控制接入电路与原边单片机相连接；发射线圈具有第一端、第二端和第三端；电压信号整形模块包括原边电压波形整形电路和原边电压幅度转换电路，电压信号整形模块连接至原边单片机；原边通信电路分别与控制模块中的原边单片机、谐振耦合模块中的发射线圈相连接，原边通信电路中设有放大电路和鉴频电路。

Description

一种低辐射高效的电动汽车无线充电装置
技术领域
本发明涉及无线充电领域，尤其涉及一种低辐射高效的电动汽车无线充电装置。
背景技术
无线充电是利用电感耦合将能量由供电发射端传送至用电接收端的一种技术，也就是不借助实物连线实现电能的无线传送。WPC(Wireless Power Consortium无线充电联盟)标准定义了无线充电系统的三个主要方面是提供电能的电力发送器(即上述发射端)、使用电能的电力接收器(即上述接收端)以及这两种设备之间的通信协议。其中，电力发送器的关键电路包括向用电端传输电能的原边线圈，驱动原边线圈的控制单元，以及通信电路。电力接收器的关键电路包括接收电能的副边线圈，整流电路，充电电池以及通信电路。
具体实施时，将发射端接电源嵌入地面，将接收端安装在汽车上，充电时只需将车开到指定充电位置，使接收线圈位于发射线圈正上方，此时发射端与接收端相当于互感变压器的原边和副边，然后人为发送充电启动和结束命令即可。
目前，应用于电动汽车的无线充电方式主要有电磁感应式和谐振耦合式。电磁感应式的无线充电利用的是电磁感应原理，原边线圈接电源，变化的电流产生磁场，利用变压器耦合将电能传送至副边电路。但该无线充电方式的电能传输距离较短，且对原边线圈和副边线圈的位置偏差很敏感，因此不适合用于电动汽车的无线充电。谐振耦合式的无线充电技术与电磁感应式的不同之处只是谐振耦合式的无线充电技术在原边线圈的电感上并联电容形成谐振回路，同时在用电接收端也组成同样谐振频率的接受回路，利用两谐振体之间形成的强磁耦合来实现高效率的电能传输。谐振耦合式的无线充电技术电能传输距离较远，传输效率较高，更适合用于电动汽车的无线充电。但这种技术还存在很多问题，如当原边线圈与副边线圈的相对位置偏差较大(也简称这种情况为对不准)时，发射端电路将不处于谐振状态，传输效率下降，产生的较强辐射会损害乘车人员的身体健康，对周围的电磁信号造成干扰。
发射端和接收端电路固有频率都为：
其中的L为总电感量即电路本身的电感量与互感量的叠加。控制信号产生电路产生的矩形波信号是由基波和许多多次谐波组成的，基波频率与发射端电路的固有频率相同，则发射端电路达到谐振状态，与固有频率相同的基波被保留，其他的多次及高次谐波被抑制，实现了选频，产生波形较好的正弦波用于传输电能。然而实际情况下，原边线圈与副边线圈的位置偏差不可避免，此时互感减小，①式中的L减小，固有频率提高，若控制单元产生的信号频率不变，则发射端电路不满足谐振状态，基波信号得到一定程度的抑制，发射端电路充电效率降低，对谐波的抑制减弱，这些没有被抑制掉的谐波散射到空中形成辐射，损害乘车人员的身体健康，对周围空气中的其他电磁信号造成干扰。因此，提高无线充电的效率成为了近年来研究的热点,但降低充电时产生的辐射还没有引起人们的重视，如果辐射问题不解决，将严重影响无线充电技术的实用性，阻碍该技术的普及。
目前，有些学者提出通过安装定位装置的方法，即原边电路上安装磁传感器，接收副边线圈的磁信号以判断原边线圈与副边线圈之间的位置偏差，根据此位置偏差移动原边线圈直到与副边线圈对准，以减小原边线圈和副边线圈之间的位置偏差，达到提高充电效率降低辐射的目的。但这种方法实现起来较为困难，一是，埋于地下的充电端需要位置移动，因此需要占用的地下空间较大，而且充电端电路与电源为有线连接，长期移动充电端电路同样存在着安全隐患；二是，若想减小原、幅边线圈之间的位置偏差，原边电路的移动方向不止是前后左右四个方向，而是需要多向移动，所以其轨道的铺设问题也很难解决。
基于以上所述问题，本领域急需一种低辐射高效的电动汽车无线充电装置。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种低辐射、自适应能力强、充电效率高的电动汽车无线充电装置，其包括：原边发射端和副边接收端，所述原边发射端包括：控制模块、驱动电路、谐振耦合模块、电压信号整形模块、原边通信电路、整流滤波电路以及外接电源，其中，所述控制模块包括相互连接的原边单片机和控制信号产生电路；所述驱动电路与所述控制模块中的所述控制信号产生电路相连接，所述驱动电路中设有两个共地的场效应管；所述谐振耦合模块包括相互连接的电容控制接入电路和发射线圈，所述电容控制接入电路与所述原边单片机相连接；所述发射线圈具有第一端、第二端和第三端，所述第一端分别连接所述驱动电路、所述电压信号整形模块；所述第二端分别连接所述驱动电路、原边通信电路；所述第三端为所述第一端和所述第二端正中间的抽头，通过一个平衡电感连接到所述整流滤波电路，进一步连接到外接电源，接收来自外部的电力；所述电容控制接入电路并联于所述第一端和第二端之间；所述第一端和第二端还分别连接所述驱动电路中的两个场效应管；所述电压信号整形模块包括原边电压波形整形电路和原边电压幅度转换电路，所述电压信号整形模块连接至所述控制模块中的所述原边单片机，并将发射线圈第一端的波形和电压大小的信息传送至所述原边单片机；所述原边通信电路分别与所述控制模块中的所述原边单片机、所述谐振耦合模块中的发射线圈相连接，所述原边通信电路中设有放大电路和鉴频电路；所述整流滤波电路中设有整流桥和电容。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步地，所述副边接收端包括：副边单片机、副边通信电路、接收线圈、汽车充电电路、电压检测电路以及显示屏，其中，所述副边单片机、所述副边通信电路、所述接收线圈、所述汽车充电电路以及所述电压检测电路依次连接，所述电压检测电路和所述显示屏分别连接至所述副边单片机。
进一步地，副边接收端的接收线圈与原边发射端的发射线圈耦合适配。
进一步地，所述汽车充电电路中设有用于储存电能、供汽车使用的充电电池。
进一步地，还包括手机通信模块，所述手机通信模块连接至所述控制模块中的所述原边单片机。
本发明的有益效果是：低辐射、自适应能力强、充电效率高。
附图说明
图1是本发明的电动汽车无线充电装置的系统结构图；
图2是本发明的电动汽车无线充电装置的电路结构图；
图3是图2中各点的波形示意图；
图4是该实施例中原边电压幅度过大情况下的波形图；
图5是该实施例中不同漏磁程度时未经修正的波形图；
图6是该实施例中不同漏磁程度时经过修正的波形图；
图7是该实施例中不同漏磁程度下F点与B点的波形图；
图8是该实施例中不同漏磁程度下G点与B点的波形图；
在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：
100——控制模块；101——原边单片机；102——控制信号产生电路；200——驱动电路；300——谐振耦合模块；301——电容控制接入电路；302——发射线圈；400——电压信号整形模块；500——原边通信电路；600——整流滤波电路；700——手机通信模块；
801——副边单片机；802——副边通信电路；803——接收线圈；804——汽车充电电路；805——电压检测电路；806——显示屏。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
请先参照图1和图2所示，图1为本发明的电动汽车无线充电装置的系统结构图；图2为本发明的电动汽车无线充电装置的电路结构图；所述电动汽车无线充电装置包括：原边发射端和副边接收端，其中，
所述原边发射端包括：控制模块100、驱动电路200、谐振耦合模块300、电压信号整形模块400、原边通信电路500、整流滤波电路600以及外接电源(图未示)，其中，
所述控制模块100包括相互连接的原边单片机101和控制信号产生电路102；
所述驱动电路200与所述控制模块100中的所述控制信号产生电路102相连接，所述驱动电路200中设有两个共地的场效应管N1、N2；
所述谐振耦合模块300包括相互连接的电容控制接入电路301和发射线圈302，所述电容控制接入电路301与所述原边单片机101相连接；所述发射线圈302具有第一端、第二端和第三端，所述第一端分别连接所述驱动电路200、所述电压信号整形模块400；所述第二端分别连接所述驱动电路200、原边通信电路500；所述第三端为所述第一端和所述第二端正中间的抽头，通过一个平衡电感连接到所述整流滤波电路600，进一步连接到外接电源，接收来自外部的电力；所述电容控制接入电路301并联于所述第一端和第二端之间；所述第一端和第二端还分别连接所述驱动电路200中的场效应管N1、N2；
所述电压信号整形模块400包括原边电压波形整形电路和原边电压幅度转换电路，由于这两个电路为本领域常规设计，所以图中未示出，此处亦不再赘述；所述电压信号整形模块400连接至所述控制模块100中的所述原边单片机101，并将波形和电压大小的信息传送至所述原边单片机101；
所述原边通信电路500分别与所述控制模块100中的所述原边单片机101、所述谐振耦合模块300中的发射线圈302相连接，所述原边通信电路500中设有放大电路和鉴频电路；
所述整流滤波电路600中设有整流桥和电容(属常规设计未画出)，如图2所示，C6、C7、C8电容并联电路可以起到对电源滤波的作用，L作为接入耦合电路的平衡电感；
此外，优选设置一手机通信模块700，所述手机通信模块700连接至所述控制模块100中的所述原边单片机101；原边单片机也可以将记录的充电时产生的功耗和电动汽车的ID账号等信息发送到充电信息管理中心实现网上缴费等功能，使电动汽车的充电过程更加简便和人性化。
所述副边接收端包括：副边单片机801、副边通信电路802、接收线圈803、汽车充电电路804、电压检测电路805以及显示屏806，其中，所述副边单片机801、所述副边通信电路802、所述接收线圈803、所述汽车充电电路804以及所述电压检测电路805依次连接，所述电压检测电路805和所述显示屏806分别连接至所述副边单片机801；所述接收线圈803与原边发射端的所述发射线圈302耦合适配；所述汽车充电电路804中设有用于储存电能、供汽车使用的充电电池；
所述原边通信电路500和所述副边通信电路802之间通过接收线圈和发射线圈的耦合进行通信；所述副边单片机801先后经所述副边通信电路802、所述接收线圈803、所述发射线圈302、所述原边通信电路500将充电启动信号、汽车ID账号等信息传输到所述原边单片机101。
控制信号产生电路产生的矩形波信号(以下简称控制信号)是由基波和许多多次谐波组成的，场效应管是非线性器件，其输出信号比输入信号具有更为丰富的频率成分，因此控制信号经过场效应管驱动后将会产生远比控制信号频率更为丰富的各种高频谐波。当副边线圈与原边线圈之间存在位置偏差时，原、副边线圈之间的互感减小，漏磁增多，即公式①中的L减小，谐振电路的固有频率f0提高，与控制信号产生电路输出的信号的基波频率出现偏差，电路不处于谐振状态，基波信号得到一定程度的抑制，发射端电路充电效率降低，对各种谐波的抑制减弱，这些没有被抑制掉的谐波散射到空中形成辐射，损害乘车人员的身体健康，干扰周围的电磁信号。如图7所示，F为一个实施例中驱动电路输出端一点的电压波形，B为上述实施例中控制信号产生电路输出端一点的电压波形，a图为漏磁1％时，F点与B点的波形图，此时F点电压波形较好，噪声极少，可以认为此时F点B点的电压无相位偏差(图中所呈现出的相位差是由于场效应管的输出与输入的特性所形成的固定差)；b图为漏磁5％时F点与B点的波形图，此时，B点与F点的电压出现相位差，F点电压波形出现少量噪声；c图为漏磁为10％时F点与B点的波形图，此时，B点与F点的电压相位差更明显，F点电压波形出现更多噪声，d图为漏磁为50％时F点与B点的波形图，此时，F点的电压波形已基本看不出来了。
为了降低辐射、保证充电效率，原边电路需要保持在谐振状态。本发明中，单片机可以根据漏磁程度改变谐振电路中电容的接入量使电路保持谐振状态。其中漏磁程度可以由控制信号产生电路输出端的电压和驱动电路输出端的电压(图7中F、B两点的电压)之间的相位差反映和表示，两电压的电压相位则由电压信号整形模块(由分压电阻、电压跟随器、低通滤波器、过零电压比较器等组成)实时检测并将检测数据实时传送到原边单片机，原边单片机根据该检测数据判断漏磁程度，然后发送命令控制相应的电容控制接入电路，使电路保持谐振状态。
假设原边发射线圈两端的电压为V1、副边接收线圈两端的电压为V2、汽车充电电路中的充电电池两端电压为E、副边负载电阻为R，当副边电流为零时的原边电流为i1、副边电流为i2。
(1)当充电刚刚开始、电池电压E较小时，由公式
可知i2较大，因副边线圈耦合到原边线圈的电流是与原边线圈电流i1反向的，此时原边线圈的电流i1-i2较小，则原边电压V1相对较小，需要通过增大PWM波的占空比来提高原边电压V1。
(2)只要存在漏磁，原边耦合到副边的电压就会减少，则有可能出现副边得到的充电电压不满足充电要求的情况，此时副边电压检测电路(即检测充电电压，也检测电池电压状态)就会将检测到的电压异常情况通过通信电路传送至原边单片机，改变PWM波占空比，提高原边电压。上述两种情况均需要增大原边电压V1，但原边电压一直增大则有可能会出现如图4所示的波形，即电压过大，导致电压信号最低点出现过零点现象，这时大功率N沟道场效应管反向导通，降低场效应管的使用寿命。为避免上述情况的发生，本发明设置了电压信号整形模块，用于实时检测原边电压幅度的变化并将检测数据实时传送至原边单片机。当检测到V1信号过大时，降低原边单片机输出的PWM波的占空比来保证原边电压不过高，以消除电路安全隐患。
(3)充电过程中，E不断提高，当电池快要充满时，②中的E较大，则i2较小，原边线圈的电流i1-i2较大，V1较大，则V2较大，但此时电池已经快充满，V2过大可能有引发电池爆炸的危险。为保证充电安全，副边的电压检测电路检测到出现异常情况时，副边单片机发送命令，通过通信电路传送到原边单片机，原边单片机改变PWM波的占空比，控制原边电压。
综上所述，为降低充电辐射、实现电能的高效传输，需要事先通过实验得出并存入单片机一些数据。如图2所示，在充电电池电压一定，原边单片机输出的PWM波占空比一定的前提下，多种漏磁程度状态时，(1)控制信号产生电路输出端与驱动电路输出端之间的电压相位差，在下述实施例中，即G点(与F点的电压存在相位差，该相位差是电路问题导致，为一定值，不影响计算)与B点的电压相位差(分别记做)以及此时相对应的原边电路保持谐振需要接入的电容量；(2)原边电压的峰值(记做Vm0、Vm1、Vm2……Vmn)。将上述两组数值存入原边单片机，用于与正常充电时测得的相位差和电压峰值Vm作比较。
谐振耦合模块的电路会对控制模块的电路造成强电干扰，因此在设计控制模块电源电路时，需要增强抗干扰措施。
请结合图1和图2所示，由副边单片机发送充电启动命令及自身的ID身份号，该命令经过通信电路传送至原边单片机；在本实施例中即该命令先经调制电路进行信号调制、放大电路进行信号放大，经C5耦合电容耦合到副边线圈，再由副边线圈耦合到原边线圈，然后经C4耦合电容耦合到放大电路，最后经鉴频电路传输到原边单片机。其中，C4、C5的电容值很小，容抗很大，一方面，不会对充电电压和充电电流产生影响；另一方面，由于已调制信号所用的载波频率较高C4、C5对已调制信号的容抗较小，仍能起到耦合作用。
原边单片机接到充电启动命令后便开始启动发射端电路工作，为接收端电路提供电能，具体工作过程如下：(1)原边单片机产生占空比小于1/2周期、频率二倍于原边谐振频率的PWM波，波形如图3中的A波形所示；(2)该PWM波经过D触发器后实现二分频，信号波形如图3中的Q、波形所示；(3)实现二分频后的信号与原PWM波经过两个与门后变为两路占空比小于四分之一周期的信号，波形如图3中的B、E波形所示；(4)上述两路占空比小于四分之一周期的信号作为控制信号控制大功率N沟道场效应管N1、N2的导通与截止，N1与N2的导通与截止又控制电源电流的流入与截止；(5)流入的电源电流在两个场效应管N1、N2的开关控制下经过发射线圈L1、C、电容控制接入电路(由S1-1、S1-2，C1-1、C1-2；S2-1、S2-2，C2-1、C2-2；Sn-1、Sn-2,Cn-1、Cn-2组成)并联形成的谐振电路后，发射端电路便达到谐振状态，电路中的电流为足够大，能够满足充电要求，原边线圈上的中频大电流信号经过变压器T耦合到接收线圈，实现对接收端电路高效充电。本实施例在模拟电路仿真时所采用PWM波频率为170KHz、占空比为50％、振幅为5V的方波；谐振电路的供电电源电压为20V直流电；与门型号为7408N；N沟道场效应管型号为IRF830。
如图2所示，当副边线圈与原边线圈之间存在位置偏差时，原、副边线圈之间的互感减小，漏磁增多，即①式中的L减小，谐振电路的固有频率f0提高，与单片机输出的控制信号的基波频率出现偏差，电路不处于谐振状态，此时基波信号得到一定程度的抑制，发射端电路充电效率降低，对谐波的抑制减弱，这些没有被抑制掉的谐波散射到空中形成辐射。为了降低辐射，保证充电效率，电路需要保持在谐振状态。在本实施例中保持原边电路谐振的具体方法是原边单片机根据漏磁程度发送控制信号控制S1、S2、…Sn开关的开关状态以改变接入谐振电路中的电容量，使电路处于谐振状态。例如，在本实施例中PWM波的占空比为50％：5％的漏磁状态下，闭合开关S1-1、S1-2能让原边电路不失谐；10％的漏磁状态下，闭合开关S1-1、S1-2、S2-1、S-2能让原边电路不失谐。如图5所示，从上至下依次表示的是0％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、50％漏磁程度下未经上述方法修正的波形。图6从上至下依次表示的为0％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、50％漏磁程度下经过上述方法修正后的波形。
如图2所示，在本实施例中漏磁程度的具体测量方法如下：在F点取得电压信号，经电压信号整形模块后输出至G点，G点电压信号与在B点取出的电压信号同时输入到原边单片机，由单片机计算得到两点之间的相位差，将该相位差与事先存入原边单片机中的不同程度漏磁下的相位差 作比较，即可判断此时的漏磁程度(即两线圈之间的位置偏差)。在F点采集到的信号经电压信号整形模块后，基频信号转换为矩形波，谐波信号得到抑制。图7所提供的是如图2所示的B点与F点的波形图。图8中，a图为无漏磁状态时G点与B点的波形图；b图为漏磁程度为5％时G点与B点的波形图；c图为漏磁程度为10％时G点与B点的波形图，d图为漏磁程度为50％时G点与B点的波形图。
为使电路在上述情况(1)、(2)下能够安全工作，原边单片机将得到的原边电压峰值Vm，与事先存在单片机中该种漏磁情况下的电压峰值Vmn比较。当检测到Vm大于Vmn时，降低原边单片机发送的PWM波的占空比，改变大功率N沟道场效应管的导通时间，以此降低原边电压幅度，以消除充电过程中安全隐患；为使电路在上述情况(3)下能够安全工作，副边的充电电池与电压检测电路连接，实时检测电池充电电压，并实时在显示屏上显示，当检测到电池充电电压过高时，副边单片机发送命令，该命令通过通信电路发送至原边单片机，原边单片机减小PWM波的占空比，降低原边电压，保证充电安全。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低辐射高效的电动汽车无线充电装置，包括：原边发射端和副边接收端，其特征在于，
所述原边发射端包括：控制模块、驱动电路、谐振耦合模块、电压信号整形模块、原边通信电路、整流滤波电路以及外接电源，其中，
所述控制模块包括相互连接的原边单片机和控制信号产生电路；
所述驱动电路与所述控制模块中的所述控制信号产生电路相连接，所述驱动电路中设有两个共地的场效应管；
所述谐振耦合模块包括相互连接的电容控制接入电路和发射线圈，所述电容控制接入电路与所述原边单片机相连接；所述发射线圈具有第一端、第二端和第三端，所述第一端分别连接所述驱动电路、所述电压信号整形模块；所述第二端分别连接所述驱动电路、原边通信电路；所述第三端为所述第一端和所述第二端正中间的抽头，通过一个平衡电感连接到所述整流滤波电路，进一步连接到所述整流滤波电路连接外接电源，接收来自外部的电力；所述电容控制接入电路并联于所述第一端和第二端之间；所述第一端和第二端还分别连接所述驱动电路中的两个场效应管；
所述电压信号整形模块包括原边电压波形整形电路和原边电压幅度转换电路，所述电压信号整形模块连接至所述控制模块中的所述原边单片机，并将发射线圈第一端的波形和电压大小的信息传送至所述原边单片机；
所述原边通信电路分别与所述控制模块中的所述原边单片机、所述谐振耦合模块中的发射线圈相连接，所述原边通信电路中设有放大电路和鉴频电路；
所述整流滤波电路中设有整流桥和电容。
2.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电装置，其特征在于，所述副边接收端包括：副边单片机、副边通信电路、接收线圈、汽车充电电路、电压检测电路以及显示屏，其中，所述副边单片机、所述副边通信电路、所述接收线圈、所述汽车充电电路以及所述电压检测电路依次连接，所述电压检测电路和所述显示屏分别连接至所述副边单片机。
3.根据权利要求2所述的电动汽车无线充电装置，其特征在于，副边接收端的接收线圈与原边发射端的发射线圈耦合适配。
4.根据权利要求2所述的电动汽车无线充电装置，其特征在于，所述汽车充电电路中设有用于储存电能、供汽车使用的充电电池。
5.根据权利要求1～4任一项所述的电动汽车无线充电装置，其特征在于，还包括手机通信模块，所述手机通信模块连接至所述控制模块中的所述原边单片机。
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