CN110068713A - 电动汽车无线充电系统基波电流与电压检测电路 - Google Patents

电动汽车无线充电系统基波电流与电压检测电路 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基波电流与电压检测电路，包括电流检测电路和电压检测电路，其中，电流检测电路包括：电流‑电压转换子电路、初级子电路和次级子电路，电压检测电路包括初级子电路和次级子电路。该电流与电压检测电路将强电电路中的电流和电压信号转化为隔离的弱电电压信号，提供用于相位检测的交流输出电压信号和用于幅值检测的直流输出电压信号，并且对于被测电流与电压中的高次谐波成分具备高效的抑制能力，用很容易获取的低成本元器件实现了电动汽车无线充电系统中高频电流与电压信号的检测，并且高效地消除了高次谐波对检测结果的影响，具有很高的创新性和实用性。

Description

电动汽车无线充电系统基波电流与电压检测电路
技术领域
本发明涉及高频检测技术领域，特别涉及一种电动汽车无线充电系统基波电流与电压检测电路。
背景技术
清华大学承担了国家国际科技合作专项——基于中美合作的电动汽车前沿技术与应用联合研究和北京市自然科学基金资助项目——基于主动补偿的电动汽车磁谐振式无线充电系统生物安全性研究，在项目研究中发现在无线充电系统运行过程中，获取关键部位的电流和电压信号对于实时控制来说至关重要。根据SAE(Society of AutomotiveEngineers，美国汽车工程师学会)标准J2954的要求，电动汽车无线充电系统工作频率范围是81.38-90kHz。这一频率范围已经被世界各国研究人员广泛采用，并被证实适合电动汽车充电这一应用。在无线充电系统中，出于减小电磁干扰和提高系统安全性的考虑，所采用的电流和电压传感方案一般来说需要具备电气隔离功能。
电流与电压检测电路的基本功能是将强电电路的电流和电压转化为隔离的弱电电压信号。常见的隔离式电流传感方案包括霍尔传感器、电流互感器和罗氏线圈等。由于电压型全桥逆变器的输出电压为方波，电动汽车无线充电系统中必然存在不可忽视的高次谐波电流和电压成分。而通常科研人员所关心的信息是高频电流和电压基波成分的幅值以及相位，并且他们希望尽可能消除高次谐波给测量带来的误差。
相关技术中，一种方案是使用高采样率对传感器输出的交流电压信号进行采样，并将采样得到的信号进行处理，如傅里叶分析，很显然这种方案对采样电路和运算电路的要求较高。另一种方案则是增加额外的信号调理电路，通过比较器来得到被测电流与电压的相位，并将传感器输出的交流电压信号转换为直流电压信号以得到被测电流与电压的幅值，这种方案对于采样电路和运算电路的要求较低。
发明内容
本申请是基于发明人对以下问题的认识和发现做出的：
针对电动汽车无线充电系统的两大特点：(1)工作频率范围相对较窄，(2)电流和电压含有明显的高次谐波成分，本发明提出的电流与电压检测电路使用较少的并且低成本的元器件，在SAE J2954标准所给的81.38-90kHz频率范围内具备平稳的幅值响应曲线和高度线性的相位响应曲线，对于三次及以上的谐波电流和电压具备高效的抑制能力，即被测电流与电压中的高次谐波成分对于相位检测和幅值检测的影响可以忽略不计。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种电动汽车无线充电系统基波电流与电压检测电路，该检测电路高效地消除了高次谐波对检测结果的影响，具有很高的创新性和实用性。
为达到上述目的，本发明实施例提出了一种电动汽车无线充电系统基波电流与电压检测电路，电流检测电路包括：电流-电压转换子电路、初级子电路和次级子电路，电压检测电路包括所述初级子电路和所述次级子电路，其中，所述电流-电压转换子电路包括初级绕组Lex和次级绕组Lint，所述初级绕组Lex和所述次级绕组Lint通过互感Mint产生联系，其中，所述初级绕组Lex接入强电电路并载有被测高频电流Iex，所述次级绕组Lint接入初级子电路，在预设情况下，所述初级绕组Lex由无线充电系统中的补偿电感或者线圈充当；所述初级子电路包括初级限流电阻Rpri、初级并联谐振块、初级电感Lpri和初级补偿电容Cpri，所述初级并联谐振块由电感L1和电容C1并联组成，其中，在所述电流检测电路中，所述初级电感Lpri、所述初级限流电阻Rpri和所述初级补偿电容Cpri依次串联形成环路，而在所述电压检测电路中，被测电压源Uex和所述初级限流电阻Rpri以及所述初级补偿电容Cpri串联形成环路，所述初级并联谐振块和初级电感Lpri串联形成的串联体与初级补偿电容Cpri并联；所述次级子电路包括次级电感Lsec、次级阻尼电阻Rsec、次级补偿电感L2、次级输出电容Cout、高速比较器、整流桥输入电阻Rrec和整流桥，其中，所述次级电感Lsec、所述次级阻尼电阻Rsec、所述次级补偿电感L2和所述次级输出电容Cout依次串联形成环路，所述次级输出电容Cout的两端的电压Uout为交流输出电压，并连接到高速比较器的输入端，所述整流桥输入电阻Rrec和所述整流桥串联形成串联体和所述次级输出电容Cout并联，所述整流桥包括肖特基二极管D、直流滤波电容Cmea和直流负载电阻Rmea，所述直流负载电阻Rmea两端的电压为直流输出电压Umea，输入到DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)控制器的ADC(Analog-to-Digital Converter，模拟数字转换器)模块进行采样，以及所述初级子电路和所述次级子电路通过所述初级电感Lpri和所述次级电感Lsec之间的互感M产生联系。
本发明实施例的电动汽车无线充电系统基波电流与电压检测电路，将强电电路中的电流和电压信号转化为隔离的弱电电压信号，提供用于相位检测的交流输出电压信号和用于幅值检测的直流输出电压信号，并且对于被测电流与电压中的高次谐波成分具备高效的抑制能力，用很容易获取的低成本元器件实现了电动汽车无线充电系统中高频电流与电压信号的检测，并且高效地消除了高次谐波对检测结果的影响，具有很高的创新性和实用性。
另外，根据本发明上述实施例的电动汽车无线充电系统基波电流与电压检测电路还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，如果所述检测电路应用于固定工作频率的无线充电系统，则所述电感L1和所述电容C1在被测电流信号或电压信号的三次谐波频率处发生谐振；如果应用于工作频率可变的无线充电系统，则所述电感L1和所述电容C1的谐振频率接近于工作频带中心频率的三倍。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过高速比较器检测交流输出电压信号的过零点以得到对被检测电流与电压的相位识别和/或频率计算。
进一步地，在本发明的一个实施例中，直流输出电压通过DSP控制器的ADC模块进行采集。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的电动汽车无线充电系统基波电流与电压检测电路的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的电动汽车无线充电系统基波电流检测电路结构示意图；
图3为根据本发明一个实施例的电动汽车无线充电系统基波电压检测电路结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的电流检测电路幅值和相位响应曲线示意图；
图5为根据本发明一个实施例的电压检测电路幅值和相位响应曲线示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的电动汽车无线充电系统基波电流与电压检测电路。
图1是本发明一个实施例的电动汽车无线充电系统基波电流与电压检测电路的结构示意图。
如图1所示，该电动汽车无线充电系统基波电流与电压检测电路包括：电流检测电路和电压检测电路。
其中，如图2所示，电流检测电路包括：电流-电压转换子电路、初级子电路和次级子电路，如图3所示，电压检测电路包括初级子电路和次级子电路，其中，
电流-电压转换子电路包括初级绕组Lex和次级绕组Lint，初级绕组Lex和次级绕组Lint通过互感Mint产生联系，其中，初级绕组Lex接入强电电路并载有被测高频电流Iex，次级绕组Lint接入初级子电路，在预设情况下，初级绕组Lex由无线充电系统中的补偿电感或者线圈充当；
初级子电路包括初级限流电阻Rpri、初级并联谐振块、初级电感Lpri和初级补偿电容Cpri，初级并联谐振块由电感L1和电容C1并联组成，其中，在电流检测电路中，初级电感Lpri、初级限流电阻Rpri和初级补偿电容Cpri依次串联形成环路，而在电压检测电路中，被测电压源Uex和初级限流电阻Rpri以及初级补偿电容Cpri串联形成环路，初级并联谐振块和初级电感Lpri串联形成的串联体与初级补偿电容Cpri并联；
次级子电路包括次级电感Lsec、次级阻尼电阻Rsec、次级补偿电感L2、次级输出电容Cout、高速比较器、整流桥输入电阻Rrec和整流桥，其中，次级电感Lsec、次级阻尼电阻Rsec、次级补偿电感L2和次级输出电容Cout依次串联形成环路，次级输出电容Cout的两端的电压Uout为交流输出电压，并连接到高速比较器的输入端，整流桥输入电阻Rrec和整流桥串联形成串联体和次级输出电容Cout并联，整流桥包括肖特基二极管D、直流滤波电容Cmea和直流负载电阻Rmea，直流负载电阻Rmea两端的电压为直流输出电压Umea，输入到DSP控制器的ADC模块进行采样，以及初级子电路和次级子电路通过初级电感Lpri和次级电感Lsec之间的互感M产生联系。
需要说明的是，预设情况可以为大多数情况，本领域技术人员可以根据实际情况进行设置，在此不做具体限定。另外，值得注意的是，由于无线充电系统本身需要使用补偿电感，大多数情况下Lex由补偿电感充当，而不需要额外加入一个绕组。只要Mint达到合适的值，Lex和Lint电感值的大小不再受其他约束，因此具备很高的设计自由度，即该电流检测电路可以很容易地适应不同参数的无线充电系统。
具体而言，电流检测电路和电压检测电路具有相似的结构，前者相比于后者具备一个额外的转换环节。两者共同的结构包括初级子电路和次级子电路，这两个子电路之间通过互感发生联系。
如图2和图3所示，电流检测电路还额外具备前端的电流-电压转换子电路。初级子电路包括一个初级限流电阻、一个初级并联谐振块由一个电感和电容并联而成、一个初级电感和一个初级补偿电容。次级子电路包括一个次级电感、一个次级阻尼电阻、一个次级补偿电感、一个次级输出电容、一个高速比较器、一个整流桥输入电阻和一个整流桥。初级电感和次级电感之间的互感充当初级子电路和次级子电路之间的联系纽带。电流-电压转换子电路包括一个载有被检测电流的初级绕组和一个接入到初级子电路的次级绕组，两个绕组之间通过互感发生联系。
电流-电压转换子电路的作用是将被检测电流转换为电压信号，使得电流检测电路的另外两个子电路可以直接借鉴电压检测电路的子电路结构。初级子电路和次级子电路共同完成对被检测电压信号的处理。初级并联谐振块的作用是进行三次谐波抑制。次级输出电容两端电压信号为基波频率下的正弦信号，该正弦信号幅值和被检测基波电流与电压的幅值成正比，相位和被检测基波电流与电压的相位具有确定的关系。五次以上的高次电压谐波因被次级输出电容和初级补偿电容旁路而得到抑制。高速比较器输出数字信号，用于相位识别和频率计算。整流桥输出的直流电压和被检测基波电流与电压的幅值具有高度线性关系，故前者被用于计算被检测基波电流与电压的幅值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，如果检测电路应用于固定工作频率的无线充电系统，则电感L1和电容C1在被测电流信号或电压信号的三次谐波频率处发生谐振；如果应用于工作频率可变的无线充电系统，则电感L1和电容C1的谐振频率接近于工作频带中心频率的三倍。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过高速比较器检测交流输出电压信号的过零点以得到对被检测电流与电压的相位识别和/或频率计算。
可以理解的是，本发明实施例使用高速比较器来检测交流输出电压信号的过零点，作为对被检测电流与电压进行相位识别和频率计算的依据。
进一步地，在本发明的一个实施例中，直流输出电压通过DSP控制器的ADC模块进行采集。
下面将对电动汽车无线充电系统基波电流与电压检测电路的原理进行进一步阐述。
在电流检测电路中，电流-电压转换子电路将Lex中的被测电流转化为Lint中的感应电压，该电压充当初级子电路的输入电压，剩下部分的工作原理和电压检测电路相似。但由于感应电压幅值低于电压检测电路中的被测电压，因此电流检测电路中的Rpri阻值一般来说低于电压检测电路中的相应值。初级子电路的功能是将被测电压转化为Lpri中的电流，同时并联谐振块负责滤除三次谐波分量。Lsec中的感应电压负责驱动后端的电路，并最终在Cout上得到交流输出电压。由于整流桥后面所连接的Rmea阻值很高(kΩ数量级)，整流桥输入电流相对于Cout中的电流来说可以忽略不计，因此电路分析过程中可以不考虑整流桥对于次级子电路带来的负载效应。同时，Cpri和Cout可以有效滤除交流输出电压中的五次及以上谐波分量，因此交流输出电压十分接近正弦波。其过零点经过高速比较器处理之后可以用于相位检测和频率计算。
不考虑整流桥和Rpri，初级子电路和次级子电路具有各自的谐振频率，谐振频率点数量分别是2个和1个。初级子电路谐振频率的较低者和次级子电路的谐振频率应当彼此接近，并且分布在无线充电系统工作频带中心频率的两侧。Rsec的作用是对次级谐振电路进行阻尼，同时借助于Lpri和Lsec之间的互感M而对初级电路也具有阻尼作用。两个子电路的阻尼程度可以通过M和Rsec进行调节，最终所期望的效果是，两个谐振峰都被充分地削减，得到工作频带内平稳的交流输出电压幅值响应曲线。整流桥负责将交流输出电压幅值转化为直流输出电压，两者具备很好的线性关系。与此同时，通过检测电路参数优化，可以获得高度线性的相位响应曲线，这意味着只需要获取系统工作频率，即可根据相位响应曲线进行精确的相位补偿。
若无线充电系统工作在固定频率，则检测电路只需要在一个频率点进行优化，此时可以通过交流输出电压的相位设计对DSP控制器内部的时延进行补偿。
下面给出仿真得到的幅值响应曲线和相位响应曲线。
图4给出了按照图2所给参数仿真得到的电流检测电路幅值和相位响应曲线。
图5给出了按照图3所给参数仿真得到的电压检测电路幅值和相位响应曲线。
以上所使用的参数仅为示例，并不代表本发明所提出检测电路的最优参数。根据具体应用场合，检测电路参数也需要进行相应的优化。
虽然以上描述的是应用于电动汽车无线充电系统，并且使用半波整流桥的基波电流与电压检测电路，但该具体实例只是说明性的，而不是将本发明涵盖的范围局限于此。依照本发明的设计思路和工作原理进行电路阶数的改变、局部元器件和子电路的等效替代以及应用场合的改变都应涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
根据本发明实施例提出的电动汽车无线充电系统基波电流与电压检测电路，(1)电路结构简单，所需元器件数量少且大多数为无源器件，具备很强的成本优势；(2)在SAE标准所给的工作频带内，具备平稳的幅值响应曲线和高度线性的相位响应曲线，对于三次及以上的谐波电流和电压具备高效的抑制能力；(3)若应用在固定工作频率的系统中，则交流输出电压信号和被测基波电流与电压的相位差可以调整，这一特性可以用来对DSP控制器内部的时延进行补偿；(4)在DSP控制器部分，只需要使用捕获和计数模块即可对被测基波电流与电压的频率和相位进行计算，使用ADC模块对直流输出电压信号进行采样即可对被测基波电流与电压的幅值进行计算；(5)此外，本发明实施例所提出检测电路本身的功率消耗很低，相对于电动汽车无线充电系统的功率等级来说可以忽略不计。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种电动汽车无线充电系统基波电流与电压检测电路，其特征在于，电流检测电路包括：电流-电压转换子电路、初级子电路和次级子电路，电压检测电路包括所述初级子电路和所述次级子电路，其中，
所述电流-电压转换子电路包括初级绕组(Lex)和次级绕组(Lint)，所述初级绕组(Lex)和所述次级绕组(Lint)通过互感Mint产生联系，其中，所述初级绕组(Lex)接入强电电路并载有被测高频电流(Iex)，所述次级绕组(Lint)接入初级子电路，在预设情况下，所述初级绕组(Lex)由无线充电系统中的补偿电感或者线圈充当；
所述初级子电路包括初级限流电阻(Rpri)、初级并联谐振块、初级电感(Lpri)和初级补偿电容(Cpri)，所述初级并联谐振块由电感(L1)和电容(C1)并联组成，其中，在所述电流检测电路中，所述初级电感(Lpri)、所述初级限流电阻(Rpri)和所述初级补偿电容(Cpri)依次串联形成环路，而在所述电压检测电路中，被测电压源(Uex)和所述初级限流电阻(Rpri)以及所述初级补偿电容(Cpri)串联形成环路，所述初级并联谐振块和初级电感(Lpri)串联形成的串联体与初级补偿电容(Cpri)并联；
所述次级子电路包括次级电感(Lsec)、次级阻尼电阻(Rsec)、次级补偿电感(L2)、次级输出电容(Cout)、高速比较器、整流桥输入电阻(Rrec)和整流桥，其中，所述次级电感(Lsec)、所述次级阻尼电阻(Rsec)、所述次级补偿电感(L2)和所述次级输出电容(Cout)依次串联形成环路，所述次级输出电容(Cout)的两端的电压Uout为交流输出电压，并连接到高速比较器的输入端，所述整流桥输入电阻(Rrec)和所述整流桥串联形成串联体和所述次级输出电容(Cout)并联，所述整流桥包括肖特基二极管(D)、直流滤波电容(Cmea)和直流负载电阻(Rmea)，所述直流负载电阻(Rmea)两端的电压为直流输出电压Umea，输入到DSP控制器的ADC模块进行采样，以及所述初级子电路和所述次级子电路通过所述初级电感(Lpri)和所述次级电感(Lsec)之间的互感(M)产生联系。
2.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，其中，
如果所述检测电路应用于固定工作频率的无线充电系统，则所述电感(L1)和所述电容(C1)在被测电流信号或电压信号的三次谐波频率处发生谐振；
如果应用于工作频率可变的无线充电系统，则所述电感(L1)和所述电容(C1)的谐振频率接近于工作频带中心频率的三倍。
3.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，通过高速比较器检测交流输出电压信号的过零点以得到对被检测电流与电压的相位识别和/或频率计算。
4.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，直流输出电压通过DSP控制器的ADC模块进行采集。
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