CN109552086A - 一种电动汽车无线充电系统及其控制方法 - Google Patents

一种电动汽车无线充电系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车无线充电系统及其控制方法，RF接收器的输出端分别与第一三极管、第二三极管、第三三极管和第四三极管电连接；所述第五电感和RF发射器串联构成接收主回路，所述第五电感与所述第四电感耦合。RF发射器测量并确定第四电感和第五电感之间的间距，RF接收器自动切换为相对应的电路以保证输出电压处于稳定状态，在采用线径小、后级充电电路简单的前提下，提供了生产成本低而传输效率高的电动汽车无线充电系统。

Description

一种电动汽车无线充电系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种电动汽车无线充电系统及其控制方法。
背景技术
不同的汽车底盘与地面的之间距离都不相等，匹配不同的电动汽车时为了缩小接收线圈输出电压变化幅度，需要大体积的发射线圈和接收线圈配合才可实现，而绕线线径粗、大量使用磁性材料和屏蔽材料的发射线圈和接收线圈生产成本高、质量大，大大增加了电动汽车的负担；另外为适应接收端大幅度变化的电压，后级充电电路设计复杂、电路要求过高、损耗过大，严重影响无线充电系统的充电效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种生产成本低、充电效率高的电动汽车无线充电系统及其控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种电动汽车无线充电系统，包括RF发射器、RF接收器、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管和电源；
所述电源、第一电感、第二电感、第三电感、第一电容和第三电感依次连接构成输出主回路，所述第一三极管与所述第三电感并联，所述第二三极管的漏极连接在第二电感远离第三电感的一端，第二三极管的源极连接在第三电感与第一电容的连接处，所述第三电容的一端连接在第三电感与第一电容的连接处，第三电容的另一端连接在第四电感远离第一电容的一端；所述第三电容的一端与第二电容的一端相连，第三电容的另一端通过第三三极管与第二电容的另一端相连，所述第四电容的一端与第二电容的一端相连，第四电容的另一端通过第四三极管与第二电容的另一端相连；所述RF接收器的输出端分别与第一三极管、第二三极管、第三三极管和第四三极管电连接；
所述第五电感和RF发射器串联构成接收主回路，所述第五电感与所述第四电感耦合。
本发明的有益效果在于：RF发射器测量并确定第四电感和第五电感之间的间距，RF接收器自动切换为相对应的电路以保证输出电压处于稳定状态，在采用线径小、后级充电电路简单的前提下，提供了生产成本低而传输效率高的电动汽车无线充电系统。
附图说明
图1为本发明实施例一的电动汽车无线充电系统的电路图。
标号说明：
1、RF发射器；2、RF接收器；U、电源；
L1、第一电感；L2、第二电感；L3、第三电感；L4、第四电感；
L5、第五电感；L6、第六电感；L7、第七电感；
C1、第一电容；C2、第二电容；C3、第三电容；C4、第四电容；
C5、第五电容；C6、第六电容；C7、第七电容；
Q1、第一三极管；Q2、第二三极管；Q3、第三三极管；Q4、第四三极管；
Q5、第五三极管；Q6、第六三极管；Q7、第七三极管；Q8、第八三极管。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于：RF发射器测量并确定第四电感和第五电感之间的间距，RF接收器自动切换为相对应的电路以保证输出电压处于稳定状态。
请参照图1，一种电动汽车无线充电系统，包括RF发射器1、RF接收器2、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4和电源U；
所述电源U、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一电容C1和第三电感L3依次连接构成输出主回路，所述第一三极管Q1与所述第三电感L3并联，所述第二三极管Q2的漏极连接在第二电感L2远离第三电感L3的一端，第二三极管Q2的源极连接在第三电感L3与第一电容C1的连接处，所述第三电容C3的一端连接在第三电感L3与第一电容C1的连接处，第三电容C3的另一端连接在第四电感L4远离第一电容C1的一端；所述第三电容C3的一端与第二电容C2的一端相连，第三电容C3的另一端通过第三三极管Q3与第二电容C2的另一端相连，所述第四电容C4的一端与第二电容C2的一端相连，第四电容C4的另一端通过第四三极管Q4与第二电容C2的另一端相连；所述RF接收器2的输出端分别与第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3和第四三极管Q4电连接；
所述第五电感L5和RF发射器1串联构成接收主回路，所述第五电感L5与所述第四电感L4耦合。
本发明的工作原理简述如下：位于充电系统后级的RF发射器计算测量第四电感和第五电感之间的实际距离后将数据传输至RF接收器，RF接收器切换相对应的元器件组成相对应的电路，保证输出电压的稳定性。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：RF发射器测量并确定第四电感和第五电感之间的间距，RF接收器自动切换为相对应的电路以保证输出电压处于稳定状态，在采用线径小、后级充电电路简单的前提下，提供了生产成本低而传输效率高的电动汽车无线充电系统。
进一步的，还包括第六电感L6、第七电感L7、第五电容C5、第六电容C6、第五三极管Q5、第六三极管Q6、第七三极管Q7和第八三极管Q8；所述第六电感L6和第七电感L7串联于所述第一电感L1与第二电感L2之间，所述第五三极管Q5的漏极连接于第六电感L6与第七电感L7连接处，所述第五三极管Q5的源极连接于所述第三电感L3与第一电容C1的连接处；所述第六三极管Q6的漏极连接于第一电感L1与第六电感L6连接处，所述第六三极管Q6的源极连接于所述第三电感L3与第一电容C1的连接处；所述第五电容C5的一端与第二电容C2的一端相连，第五电容C5的另一端通过第七三极管Q7与第二电容C2的另一端相连，所述第六电容C6的一端与第二电容C2的一端相连，第六电容C6的另一端通过第八三极管Q8与第二电容C2的另一端相连；所述RF接收器2的输出端分别与第五三极管Q5、第六三极管Q6、第七三极管Q7和第八三极管Q8电连接。
由上述描述可知，第六电感、第七电感、第五电容、第六电容、第五三极管、第六三极管、第七三极管和第八三极管组成多个切换电路，大大提高了无线充电系统的适用性和兼容性。
进一步的，所述电源U的电压为200V。
由上述描述可知，200V的充电电压可以满足绝大多数的用户使用需求。
进一步的，还包括设于接收主回路的第七电容C7，所述第七电容C7连接在所述第五电感L5与RF发射器1之间。
电动汽车无线充电系统的控制方法，包括如下步骤：
1)RF发射器1检测到电压发生变化，发出关断三极管的信号；
2)RF接收器2接收由RF发射器1发出的所述关断三极管的信号后，关断第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3和第四三极管Q4；
3)RF发射器1再次检测系统输出端的实际电压；
4)RF发射器1根据实际电压值计算第四电感L4与第五电感L5的实际距离，并发出距离数据；
5)RF接收器2接收由RF发射器1发出的距离数据，选择接通对应的元器件。
由上述描述可知，电动汽车无线充电系统的控制方法根据第四电感与第五电感之间的距离实现自动调节输出电压的电压值，使其保持稳定。
实施例一
请参照图1，本发明的实施例一为：一种电动汽车无线充电系统，包括RF发射器1、RF接收器2、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一三极管Q1、第二三极管Q0、第三三极管Q3、第四三极管Q4和电源U；所述电源U、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一电容C1和第三电感L3依次连接构成输出主回路，所述第一三极管Q1与所述第三电感L3并联，所述第二三极管Q2的漏极连接在第二电感L2远离第三电感L3的一端，第二三极管Q2的源极连接在第三电感L3与第一电容C1的连接处，所述第三电容C3的一端连接在第三电感L3与第一电容C1的连接处，第三电容C3的另一端连接在第四电感L4远离第一电容C1的一端；所述第三电容C3的一端与第二电容C2的一端相连，第三电容C2的另一端通过第三三极管Q3与第二电容C2的另一端相连，所述第四电容C4的一端与第二电容C2的一端相连，第四电容C4的另一端通过第四三极管Q4与第二电容C2的另一端相连；所述RF接收器2的输出端分别与第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3和第四三极管Q4电连接；所述第五电感L5和RF发射器1串联构成接收主回路，所述第五电感L5与所述第四电感L4耦合。
还包括第六电感L6、第七电感L7、第五电容C5、第六电容C6、第五三极管Q5、第六三极管Q6、第七三极管Q7和第八三极管Q8；所述第六电感L6和第七电感L7串联于所述第一电感L1与第二电感L2之间，所述第五三极管Q5的漏极连接于第六电感L6与第七电感L7连接处，所述第五三极管Q5的源极连接于所述第三电感L3与第一电容C1的连接处；所述第六三极管Q6的漏极连接于第一电感L1与第六电感L6连接处，所述第六三极管Q6的源极连接于所述第三电感L3与第一电容C1的连接处；所述第五电容C5的一端与第二电容C2的一端相连，第五电容C5的另一端通过第七三极管Q7与第二电容C2的另一端相连，所述第六电容C6的一端与第二电容C2的一端相连，第六电容C6的另一端通过第八三极管Q8与第二电容C2的另一端相连；所述RF接收器2的输出端分别与第五三极管Q5、第六三极管Q6、第七三极管Q4和第八三极管Q8电连接。
在本实施例中，输入电压和输出电压的最大值均为400V，优选的，所述输入电压和输出电压的占空比为50％，即所述输入电压为200V，电源U电压为200V。
还包括设于接收主回路的第七电容C7，所述第七电容C7连接在所述第五电感L5与RF发射器1之间。
根据电磁感应原理和LC谐振原理，得到以下换算公式：
公式一：Lf＝Uin/Uout*N；
公式二：M＝{(L4+L5)-(L4-L5)}/4；
公式三：1/ω2＝Lf*Cf；
公式四：ω＝2πf；
公式五：K2＝M2/(L4+L5)；
其中，L4：第四电感的电感值；L5：第五电感的电感值；M：第四电感与第五电感的互感；Lf：谐振电感(多个电感串联)；Cf：谐振电容(多个电容并联)；f：频率；K：耦合系数。
根据设计要求，设定无线传输电能功率，收、发线圈的变化范围，线圈盘尺寸和传输效率。在本实施例中，按照5mm为一梯度对相互耦合的第四电感L4和第五电感L5进行测试，并制作随第四电感L4与第五电感L5距离变化，耦合系数和第四电感L4与第五电感L5的互感变化数据表，请参照表1；
表1互感及耦合系数随间距变化数值表
Gap(mm) L4(uH) Q4 L5(uH) Q5 L4+L5 L4-L5 M(uH) K
10 49.2 239 63.5 414 170.2 56 28.55 0.511
15 47.3 258 55.9 400 151.5 55.2 24.075 0.468
20 46 265 53.7 426 144.3 55.7 22.15 0.446
25 45.5 280 50.8 413 135.68 56.9 19.695 0.41
30 44.7 284 49.9 431 131.3 57.78 18.28 0.389
35 44.2 295 48.13 436 125.78 59.15 16.658 0.361
40 44 307 46.68 440 120.1 61.2 14.725 0.325
45 43.9 308 46.48 438 118.2 52.5 13.925 0.308
容易理解的是，以5mm为一梯度可确定一组Lf和Cf的值。
电动汽车无线充电系统的控制方法，包括如下步骤：
1)RF发射器1检测到电压发生变化，发出关断三极管的信号；
2)RF接收器2接收由RF发射器1发出的所述关断三极管的信号后，关断第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3和第四三极管Q4；
3)RF发射器1再次检测系统输出端的实际电压；
4)RF发射器1根据实际电压值计算第四电感L4与第五电感L5的实际距离，并发出距离数据；
5)RF接收器2接收由RF发射器1发出的距离数据，选择接通对应的元器件。
由电动汽车无线充电系统的电路图可知，Lf＝L1+L2+L3+L6+L7，Cf＝C2+C3+C4+C5+C6，在所有三极管关断状态下，第四电感L4与第五电感L5之间的距离发生变化时都会对应一个准确的输出电压，由电动汽车无线充电系统的控制方法可知，RF发射器1根据该准确的实际电压值可计算第四电感L4和第五电感L5之间的距离并将该距离数据传输至RF接收器2。
预先绘制第四电感L4与第五电感L5之间的距离和Lf、Cf优化数据表格，RF接收器2接收距离数据之后，接收到的距离数据通过向下取整确定唯一的距离，例如在本实施例中，第四电感与第五电感之间的距离为12mm，以5mm为一梯度，可确定两者之间的距离为10mm。通过查询第四电感L4与第五电感L5之间的距离和Lf、Cf优化数据表格便可选择相对应的电子元器件，及时调节连接Lf、Cf的网络，输出预先设定的电压值，完成电动汽车无线充电系统的闭环控制。
基于上述公式一至公式五，模拟自动调整谐振网络测试效果数据如下：
Gap:45mm，K＝0.31，M＝13.925，Lf＝27.85uH，Cf＝126nF，L4＝43.9uH，L5＝46.48uH；
求得输出电压Uout＝198V；
Gap:25mm，K＝0.41，M＝19.695，Lf＝39.39uH，Cf＝89nF，L4＝45.5uH，L5＝50.8uH；
求得输出电压Uout＝175V；
Gap:10mm，K＝0.511，M＝28.55，Lf＝57.1uH，Cf＝61nF，L4＝49.2uH，L5＝63.5uH；
求得输出电压Uout＝145V；可知电压变化范围145V-195V。
模拟优化Lf、Cf参数后自动调整谐振网路测试效果数据如下：
Gap:25mm，K＝0.41，M＝19.695，Lf＝34.5uH，Cf＝101.5nF，L4＝45.5uH，L5＝50.8uH；
求得输出电压Uout＝199V；
Gap:10mm，K＝0.511，M＝28.55，Lf＝38uH，Cf＝92.5nF，L4＝49.2uH，L5＝63.5uH；
求得输出电压Uout＝200V；可知电压变化范围198V-200V。
模拟固定谐振网络网路测试效果数据如下：
Gap:45mm，K＝0.31，M＝13.925，Lf＝39.39uH，Cf＝89nf，L4＝43.9uH，L5＝46.48uH；
求得输出电压Uout＝138V；
Gap:10mm，K＝0.511，M＝28.55，Lf＝39.39uH，Cf＝89nF，L4＝49.2uH，L5＝63.5uH；
求得输出电压Uout＝198V；可知输出电压变化范围138V-198V。
模拟所有三极管关闭时，距离变化与输出电压的关系测试效果数据如下：
Gap:10mm，K＝0.511，M＝28.55，Lf＝38uH，Cf＝92.5nF，L4＝49.2uH，L5＝63.5uH；
求得输出电压Uout＝200V；
Gap:25mm，K＝0.41，M＝19.695，Lf＝38uH，Cf＝92.5nF，L4＝45.5uH，L5＝50.8uH；
求得输出电压Uout＝180V；
Gap:45mm，K＝0.31，M＝13.925，Lf＝38uH，Cf＝92.5nF，L4＝43.9uH，L5＝46.48uH；
求得输出电压Uout＝145V；可知电压变化范围145V-200V。
由RF发射器1和RF接收器2组成的RF无线通信模块实时采集、检测、反馈和控制，电动汽车无线充电系统可低延时地完成输出电压的稳定控制，根据Lf、Cf的精确值，可有效提供输出电压的精度。
在无线供电过程中，RF发射端的补偿网络一直处于谐振状态，电动汽车无线充电系统效率可达到最大化，同时电动汽车无线充电系统的发热量下降，有益于提高电动汽车无线充电系统的安全性和稳定性。
综上所述，本发明提供的一种电动汽车无线充电系统，RF发射器测量并确定第四电感和第五电感之间的间距，RF接收器自动切换为相对应的电路以保证输出电压处于稳定状态，在采用线径小、后级充电电路简单的前提下，提供了生产成本低而传输效率高的电动汽车无线充电系统。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种电动汽车无线充电系统，其特征在于：包括RF发射器、RF接收器、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管和电源；
所述电源、第一电感、第二电感、第三电感、第一电容和第三电感依次连接构成输出主回路，所述第一三极管与所述第三电感并联，所述第二三极管的漏极连接在第二电感远离第三电感的一端，第二三极管的源极连接在第三电感与第一电容的连接处，所述第三电容的一端连接在第三电感与第一电容的连接处，第三电容的另一端连接在第四电感远离第一电容的一端；所述第三电容的一端与第二电容的一端相连，第三电容的另一端通过第三三极管与第二电容的另一端相连，所述第四电容的一端与第二电容的一端相连，第四电容的另一端通过第四三极管与第二电容的另一端相连；所述RF接收器的输出端分别与第一三极管、第二三极管、第三三极管和第四三极管电连接；
所述第五电感和RF发射器串联构成接收主回路，所述第五电感与所述第四电感耦合。
2.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于：还包括第六电感、第七电感、第五电容、第六电容、第五三极管、第六三极管、第七三极管和第八三极管；
所述第六电感和第七电感串联于所述第一电感与第二电感之间，所述第五三极管的漏极连接于第六电感与第七电感连接处，所述第五三极管的源极连接于所述第三电感与第一电容的连接处；所述第六三极管的漏极连接于第一电感与第六电感连接处，所述第六三极管的源极连接于所述第三电感与第一电容的连接处；所述第五电容的一端与第二电容的一端相连，第五电容的另一端通过第七三极管与第二电容的另一端相连，所述第六电容的一端与第二电容的一端相连，第六电容的另一端通过第八三极管与第二电容的另一端相连；所述RF接收器的输出端分别与第五三极管、第六三极管、第七三极管和第八三极管电连接。
3.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述电源的电压为200V。
4.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于：还包括设于接收主回路的第七电容，所述第七电容连接在所述第五电感与RF发射器之间。
5.如权利要求1所述的电动汽车无线充电系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)RF发射器检测到电压发生变化，发出关断三极管的信号；
2)RF接收器接收由RF发射器发出的所述关断三极管的信号后，关断第一三极管、第二三极管、第三三极管和第四三极管；
3)RF发射器再次检测系统输出端的实际电压；
4)RF发射器根据实际电压值计算第四电感与第五电感的实际距离，并发出距离数据；
5)RF接收器接收由RF发射器发出的距离数据，选择接通对应的元器件。
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