CN107612159A - 一种兼具pwm控制和调频控制的单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种兼具PWM控制和PFM控制的单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电装置，其特征在于：所述无线供电拓扑结构是由一个大的发射线圈和四个小的接收线圈构成，四个小的接收线圈放置于同一平面，并于发射线圈平行,发射线圈和接收线圈是由圆形或方形多匝线圈构成；所述控制电路兼具PWM控制和PFM控制功能，首先实施PFM控制功能，保证系统工作在谐振状态，然后实施PWM控制功能，保证负载上获得恒定的电压或电流。当接收线圈或发射线圈频率发生偏移时，系统始终工作在谐振状态且输出电压基本恒定。本发明的有益效果是：结构简单、可靠性强、系统的输出电压基本恒定，适用于电动汽车静态无线充电。

Description

一种兼具PWM控制和调频控制的单发射对四接收线圈电动汽 车静态无线供电系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，尤其涉及电动汽车无线充电系统拓扑结构的设计和系统控制。

背景技术

充电系统是电动汽车的核心部件之一，其性能的好坏直接影响着电动汽车的安全性和便利性。当前，电动汽车的充电方式主要有两种：插拔式有线充电方式和无线充电方式。插拔式有线充电方式的主要问题如下：(1)由于充电插座和电缆的存在而极大地降低了电动汽车充电的灵活性；(2)较大的充电电流构成了漏电及电击的潜在危险，容易产生接触火花，安全性不强。无线充电方式主要是通过磁场来传输电能，供电端和负载端不需要导线的直接连接，进而可以省去插座和插头。负载端和供电端可以通过网络指令来进行智能连接，更容易实现智能供电。然而，在电动汽车停车充电时，发射线圈和接收线圈不可避免会产生偏移，导致线圈之间的磁场分布发生变化，进而引起输出端电压剧烈波动及效率下降，危及电动汽车动态无线供电系统的安全性与稳定性。同时，在实际的应用中，因为外界环境的改变会引起线圈的电感或电容的变化，所以理想的谐振状态很难满足。一些材料(比如铝箔、金属材料和人等)也可能会改变谐振线圈的电感或电容, 此时系统的谐振频率可以会发生漂移。一旦系统发生失谐，系统的传输效率会急剧下降。所以，如何保证线圈发生偏移时系统工作在谐振状态、维持输出电压的稳定及较高的效率是一个难题。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种兼具PWM控制和调频控制的单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电装置。

１、一种兼具PWM控制和调频控制的单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电系统等效电路如图5所示。包括PWM控制模块（1）、全桥逆变电路模块（2）、单发射对四接收线圈无线供电模块（3）和频率调节模块（4）。其特征在于：所述PWM控制模块（1）由电压采样模块、AD模块、EPWM模块和PWM控制信号模块组成。所述全桥逆变电路模块（2）由开关管Q ₁、Q ₂、Q ₃和Q ₄组成。所述频率调节模块（4）由电压和电流采样模块、过零比较模块、相位检测模块、判断容性或感性模块、频率调节模块和频率控制模块组成。所述频率调节模块的工作过程如下：经电压和电流采样模块得到全桥逆变电路的输入电压和电流，把送入输入电压和电流过零比较模块，可以得到电压和电流的两路方波信号，然后经相位检测模块和判断容性或感性模块，得出系统是工作是容性还是感性状态。如果是感性状态，则减小频率；如果是容性，则增大频率；如果是阻性，则保持原有频率不变。再根据频率调节信号，产生四路脉冲信号S ₁、S ₂、S ₃和S ₄分别去控制全桥逆变电路的四个开关管Q ₁、Q ₂、Q ₃和Q ₄。以上控制所用CPU均采用DSP。在时序控制上，先实施调频控制，保证系统工作在谐振状态，一旦系统工作在谐振状态，再实施PWM控制，保证后端电压或电流恒定。

2、一种兼具PWM控制和调频控制的单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电装置，包括其特征在于：所述拓扑结构是由一个大的发射线圈和四个小的接收线圈构成，四个小的接收线圈放置于同一平面，并于发射线圈平行。

3、一种兼具PWM控制和调频控制的单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电装置，其特征在于：所述控制电路兼具PWM控制和调频控制功能，首先实施调频控制功能，一旦系统已处于谐振状态后，再实施PWM控制功能。

4、所述控制电路的工作时序如下：首先进行调频控制，然后进行PWM控制。

5、一种兼具PWM控制和调频控制的单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电装置，其特征在于：所述接收装置由四个小的接收线圈构成，四个小的接收线圈经整流后，整流桥输出侧依次串联，给负载供电。

本发明的有益效果是：结构简单、可靠性强、输出电压基本恒定、系统效率高，非常适用于电动汽车静态无线充电。

附图说明

图1是新型电动汽车静止无线供电系统的准均匀磁场拓扑结构图；

图2是发生偏移时新型单发射对四接收型准均匀磁场拓扑结构图；

图3是新型单发射对四接收后端级联型拓扑结构图；

图4是新型单发射对四接收后端级联型等效电路图；

图5兼具PWM控制和调频控制的单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电系统等效电路图

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

（1）新型单发射对四接收型拓扑结构

本发明一种新型电动汽车静止无线供电系统的准均匀磁场拓扑结构如附图1所示，它由一个大的圆形（或方形多匝线圈）发射线圈（Tx）和四个小的圆形（或方形多匝线圈）接收线圈（Rx_1, Rx_2, Rx_3和 Rx_4）组成。四个接收线圈的结构和大小都相同，Rx_1和Rx_3关于Y轴对称，Rx_2和Rx_4也是关于Y轴对称，Rx_1和Rx_2关于Z轴对称，Rx_1和Rx_4也是关于Z轴对称，四个接收线圈放置于同一个平面，接收线圈与发射线圈平行放置。O^’是接收线圈的中心，O_i(i=1, 2, 3, 4)分别是各个接收线圈的中心。Δ₁是Rx_1的中心与Z轴的水平垂直距离，Δ₂是Rx_2的中心与Z轴的水平垂直距离。a是发射线圈的半径，b是接收线圈的半径，D是接收线圈与发射线圈之间的距离。

附图2显示了接收装置向Y轴方向移动的示意图，Δ是接收装置向右移动的水平距离。当Δ<2b，Δ越大时，Δ₁越小，此时Rx_1 或Rx_3与Tx圆心的水平偏移越小，它们之间的互感会变大；Δ越大时，Δ₂越小，此时Rx_2 或Rx_4与Tx圆心的水平偏移越大，它们之间的互感会变小。其总的互感基本不变，所以系统的输出电压可以基本维持不变。

附图3显示了新型单发射对四接收后端级联型的拓扑结构图，发射线圈是一个大的圆形或方形多匝线圈，接收线圈也是由圆形或方形多匝线圈构成。四个接收线圈经整流后以串联方式依次联接，R _L是负载电阻。每个线圈都可以等效成RLC（电阻、电感、电容）电路，其等效电路图如附图4所示。

新型单发射对四接收后端级联型系统的等效电路如附图4所示，它由AC-AC模块（31）和AC-DC模块(32)构成。所述AC-AC模块（31）由电源模块（310）、发射线圈Tx（311）、接收线圈Rx_1（312）、接收线圈Rx_2（313）、接收线圈Rx_3（314）、接收线圈Rx_4（315）组成；所述AC-DC模块（32）由整流桥（321）、整流桥（322）、整流桥（323）、整流桥（324）、负载（325）构成。电源模块（310）经电容C ₁与发射线圈（311）相连，发射线圈（311）经磁场耦合把电能传输给接收线圈Rx_1（312）、接收线圈Rx_2（313）、接收线圈Rx_3（314）、接收线圈Rx_4（315）。接收线圈Rx_1（312）经电容C ₂与整流桥（321）相连；接收线圈Rx_2（313）经电容C ₃与整流桥（322）相连；接收线圈Rx_3（314）经电容C ₄与整流桥（323）相连；接收线圈Rx_4（315）经电容C ₅与整流桥（324）相连。整流桥（321）、整流桥（322）、整流桥（323）、整流桥（324）依次串联与负载（325）相连。

（2）调频控制+PWM控制电路

一种兼具PWM控制和调频控制的单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电系统等效电路如附图5所示。包括PWM控制模块（1）、全桥逆变电路模块（2）、单发射对四接收线圈无线供电模块（3）和频率调节模块（4）。所述PWM控制模块（1）由电压采样模块、AD模块、EPWM模块和PWM控制信号模块组成。所述全桥逆变电路模块（2）由开关管Q ₁、Q ₂、Q ₃和Q ₄组成。所述频率调节模块（4）由电压和电流采样模块、过零比较模块、相位检测模块、判断容性或感性模块、频率调节模块和频率控制模块组成。所述频率调节模块的工作过程如下：经电压和电流采样模块得到全桥逆变电路的输入电压和电流，把送入输入电压和电流过零比较模块，可以得到电压和电流的两路方波信号，然后经相位检测模块和判断容性或感性模块，得出系统是工作是容性还是感性状态。如果是感性状态，则减小频率；如果是容性，则增大频率；如果是阻性，则保持原有频率不变。再根据频率调节信号，产生四路脉冲信号S ₁、S ₂、S ₃和S ₄分别去控制全桥逆变电路的四个开关管Q ₁、Q ₂、Q ₃和Q ₄。以上控制所用CPU均采用DSP。在时序控制上，先实施调频控制，保证系统工作在谐振状态，一旦系统工作在谐振状态，再实施PWM控制，保证后端电压或电流恒定。

在此说明了此发明的优选实施例，包括发明人用于实施本发明的已知最佳模式。优选实施例的变更对本领域普通技术人员而言在阅读上述说明后是显而易见的。发明人希望普通技术人员合理应用这样的变更，并且发明人认为与在此明确说明不同的应用也可以实现本发明。因此，本发明包括随附权利要求中所引用的主旨的所有修改及等效形式，这在适用的法律中是允许的。此外，上述要素的所有可能的变更的任何组合也被本发明所包含，除非在此另外指出或者在上下文中明显矛盾。

Claims (5)

1.一种兼具PWM控制和调频控制的单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电系统包括PWM控制模块(1)、全桥逆变电路模块(2)、单发射对四接收线圈无线供电模块(3)和频率调节模块(4)。其特征在于：所述PWM控制模块(1)由电压采样模块、AD模块、EPWM模块和PWM控制信号模块组成。所述全桥逆变电路模块(2)由开关管Q₁、Q₂、Q₃和Q₄组成。所述频率调节模块(4)由电压和电流采样模块、过零比较模块、相位检测模块、判断容性或感性模块、频率调节模块和频率控制模块组成。所述频率调节模块的工作过程如下：经电压和电流采样模块得到全桥逆变电路的输入电压和电流，把送入输入电压和电流过零比较模块，可以得到电压和电流的两路方波信号，然后经相位检测模块和判断容性或感性模块，得出系统是工作是容性还是感性状态。如果是感性状态，则减小频率；如果是容性，则增大频率；如果是阻性，则保持原有频率不变。再根据频率调节信号，产生四路脉冲信号S₁、S₂、S₃和S₄分别去控制全桥逆变电路的四个开关管Q₁、Q₂、Q₃和Q₄。以上控制所用CPU均采用DSP。在时序控制上，先实施调频控制，保证系统工作在谐振状态，一旦系统工作在谐振状态，再实施PWM控制，保证后端电压或电流恒定。

2.一种兼具PWM控制和调频控制的单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电装置，包括其特征在于：所述拓扑结构是由一个大的发射线圈和四个小的接收线圈构成，四个小的接收线圈放置于同一平面，并于发射线圈平行。

3.一种兼具PWM控制和调频控制的单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电装置，其特征在于：所述控制电路兼具PWM控制和调频控制功能，首先实施调频控制功能，一旦系统已处于谐振状态后，再实施PWM控制功能。

4.所述控制电路的工作时序如下：首先进行调频控制，然后进行PWM控制。

5.一种兼具PWM控制和调频控制的单发射对四接收线圈电动汽车静态无线供电装置，其特征在于：所述接收装置由四个小的接收线圈构成，四个小的接收线圈经整流后，整流桥输出侧依次串联，给负载供电。