CN111016690B - 一种电动汽车无线充电控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动汽车无线充电控制方法及装置，该方法包括：实时检测能量发射端耦合线圈的电压相位和电流相位，并判断电压相位和电流相位的大小；若电压相位超前/滞后电流相位，则控制减小/增大能量接收端的电压占空比。本发明通过在无线能量传输过程中，当能量发射端的电压相位超前电流相位时，则控制减小能量接收端的电压占空比；当能量发射端的电压相位滞后电流相位时，则控制增大能量接收端的电压占空比，从而使得能量发射端和能量接收端能够达到谐振状态，提高了能量传输效率。

Description

一种电动汽车无线充电控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种电动汽车无线充电控制方法及装置，属于无线充电技术领域。

背景技术

现在的电动车基本都采用传导式连接进行充电，但这种充电方式十分不方便，每次充电都需要人为干预，安全性和寿命也无法保证，所以无线充电技术应运而生。目前，无线充电技术已经在很多消费类电子产品上得以运用，例如，无线充电手机、无线充电汽车等。

无线充电技术发展突飞猛进，目前市面上也已经有比较成熟的产品。其中，大部分产品的无线电能传输方式为单向传输，也有小部分产品可实现能量的双向传输。例如，申请公布号为CN107404135A的中国发明专利申请文件公开了一种双向无线充电拓扑，该充电拓扑可以实现双向能量流动，且具有升降压功能。

无线充电技术虽然已被商业化应用，但其充电效率还有待很大程度的提高。其中，共振式无线充电技术的普及带来了效率的大幅度提升，共振的最佳状态就是谐振。谐振是指当电路中激励的频率等于电路的固有频率时，电路的电磁振荡的振幅也将达到峰值，谐振也就是一种特殊的共振状态。

由于电动汽车的工况导致无线充电系统状态时刻在改变，在电动汽车行驶过程中，能量发送线圈与能量接收线圈的相对位置不断的变化，导致两线圈之前的耦合系数不断地变化，从而导致两线圈不再能够达到谐振状态。当能量发送线圈与能量接收线圈不能达到谐振状态时，会导致能量传输效率明显下降。另外，在无线充电系统工作过程中，开关管硬开关带来了发热、效率降低等问题，也是制约无线充电发展的重要问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种电动汽车无线充电控制方法及装置，用于解决在无线能量传输过程中无法达到谐振状态导致能量传输效率下降的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电动汽车无线充电控制方法，步骤如下：

实时检测能量发射端耦合线圈的电压相位和电流相位，并判断电压相位和电流相位的大小；

若电压相位超前/滞后电流相位，则控制减小/增大能量接收端的电压占空比。

本发明还提供了一种电动汽车无线充电控制装置，包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在所述存储器中的指令以实现如下方法：

实时检测能量发射端耦合线圈的电压相位和电流相位，并判断电压相位和电流相位的大小；

若电压相位超前/滞后电流相位，则控制减小/增大能量接收端的电压占空比。

本发明的有益效果是：在无线能量传输过程中，当能量发射端的电压相位超前电流相位时，则控制减小能量接收端的电压占空比；当能量发射端的电压相位滞后电流相位时，则控制增大能量接收端的电压占空比，从而使得能量发射端和能量接收端能够达到谐振状态，提高了能量传输效率。

作为方法和装置的进一步改进，还包括：

实时检测能量发射端耦合线圈的电压频率和电流频率，并判断电压频率和电流频率的大小；

若电压频率大于/小于电流频率，则控制减小/增大能量发射端的电压频率。

通过以能量接收端的固有频率为谐振频率，当能量发射端的电压频率大于电流频率时，则控制减小能量发射端的电压频率；当能量发射端的电压频率小于电流频率时，则控制增大能量发射端的电压频率，从而使得能量发射端和能量接收端能够达到谐振状态；由于通过将频率作为控制调节量，调节速度可以保证，有效提高了能量传输效率。

附图说明

图1是本发明电动汽车双向无线充电系统的结构示意图；

图2是本发明地面双向逆变模块M1、地面能量发射/接收机构、车载能量接收/发射机构和车载双向逆变模块M4对应的电路原理图；

图3是本发明地面双向逆变模块M1和车载双向逆变模块M4中各开关管的控制时序图；

图4是本发明地面双向逆变模块M1和车载双向逆变模块M4中各开关管在T0～T2内的电路状态图；

图5是本发明地面双向逆变模块M1和车载双向逆变模块M4中各开关管在T2～T3内的电路状态图；

图6是本发明地面双向逆变模块M1和车载双向逆变模块M4中各开关管在T3～T5内的电路状态图；

图7是本发明地面双向逆变模块M1和车载双向逆变模块M4中各开关管在T5～T6内的电路状态图；

图8是本发明电动汽车双向无线充电系统切换工作模式的控制流程图；

图9是本发明电动汽车无线充电控制方法的控制流程图；

图10是本发明频率调整前能量发射端的电压电流波形图；

图11是本发明频率调整后、相位调整前能量发射端的电压电流波形图；

图12是本发明频率、相位均调整完成后能量发射端的电压电流波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

电动汽车无线充电控制方法实施例：

如图1所示，本实施例提供了一种电动汽车双向无线充电系统，该充电系统包括地面侧和车载侧两部分。其中，地面侧包括地面控制器M6、双向AC/DC模块M2、N个地面双向逆变模块M1以及N个地面能量发射/接收机构。双向AC/DC模块M2的第一连接端用于连接交流电网M3，双向AC/DC模块M2的第二连接端通过一个地面直流母线连接N个地面双向逆变模块M1的第一连接端，N个地面双向逆变模块M1的第二连接端与N个地面能量发射/接收机构一一对应连接。地面控制器M6控制连接双向AC/DC模块M2以及N个地面双向逆变模块M1，用于控制整体地面无线充电设备的运行及与车载侧进行通信。每个地面能量发射/接收机构均由地面谐振电感L2、地面补偿网络C1、地面耦合线圈L1串联连接构成，用于将电能转换为电磁能发射出去或者是将接收到的电磁能转化为电能。

车载侧包括车载控制器M7、车载双向逆变模块M4和车载能量接收/发射机构。车载能量接收/发射机构通过一个车载交流母线(图1中未给出该车载交流母线)连接车载双向逆变模块M4的第一连接端，车载双向逆变模块M4的第二连接端用于连接车载直流母线，该车载直流母线连接动力电池M5。车载控制器M7控制连接车载双向逆变模块M4，用于控制整车无线充电设备及与地面侧进行通信。车载能量接收/发射机构由车载耦合线圈L3、车载补偿网络C2、车载谐振电感L4串联连接构成，用于将接收到的电磁能转化为电能或者是将电能转换为电磁能发射出去。

上述的电动汽车双向无线充电系统可以实现能量的双向流动，即可在充电模式和回网模式两种工作模式之间进行切换，工作模式的切换由地面控制器M6和车载控制器M7协作完成。其中，当无线充电系统工作在充电模式时，双向AC/DC模块M2从交流电网M3获取交流电，将其转变为高压直流电，并通过地面直流母线发送给地面双向逆变模块M1。地面双向逆变模块M1将高压直流电调制一定频率的高频交流电，供给地面能量发射/接收机构，地面能量发射/接收机构将电能转换为磁能发射出去。车载能量接收/发射机构接收地面能量发射/接收机构发射出的磁能，并将其转换为高频交流电通过车载交流母线供给车载双向逆变模块M4。车载双向逆变模块M4将高频交流电调制为动力电池M5所需的直流电，并通过车载直流母线给动力电池M5充电。

当无线充电系统工作在回网模式时，车载双向逆变模块M4通过车载直流母线从动力电池M5获取直流电，并将其调制为高频交流电，该高频交流电通过车载能量接收/发射机构转换为磁能发射出去。地面能量发射/接收机构接收车载能量接收/发射机构发射出的磁能，将其转换为高频交流电通给地面双向逆变模块M1。地面双向逆变模块M1将高频交流电调制为高压直流电通过地面直流母线供给双向AC/DC模块M2，双向AC/DC模块M2将高压直流电转换为交流电回馈给交流电网M3。

在本实施例中，地面双向逆变模块M1和车载双向逆变模块M4的结构相同，地面双向逆变模块M1、地面能量发射/接收机构、车载能量接收/发射机构和车载双向逆变模块M4对应的电路原理图如图2所示。其中，地面双向逆变模块M1由滤波电容C3以及开关管S1～S8组成的全桥电路构成，其中开关管S1和S2构成了该全桥电路第一桥臂的上桥臂，开关管S3和S4构成了该全桥电路第一桥臂的下桥臂，开关管S5和S6构成了该全桥电路第二桥臂的上桥臂，开关管S7和S8构成了该全桥电路第二桥臂的下桥臂。地面双向逆变模块M1的全桥电路的直流连接端连接地面直流母线、交流连接端连接由地面谐振电感L2、地面补偿网络C1、地面耦合线圈L1串联连接构成的地面能量发射/接收机构。车载双向逆变模块M4由滤波电容C4以及开关管S9～S16组成的全桥电路构成，其中开关管S9和S10构成了该全桥电路第一桥臂的上桥臂，开关管S11和S12构成了该全桥电路第一桥臂的下桥臂，开关管S13和S14构成了该全桥电路第二桥臂的上桥臂，开关管S15和S16构成了该全桥电路第二桥臂的下桥臂。车载双向逆变模块M4的全桥电路的直流连接端连接车载直流母线、交流连接端连接由车载耦合线圈L3、车载补偿网络C2、车载谐振电感L4串联连接构成的车载能量接收/发射机构。

上述的电动汽车双向无线充电系统通过在地面能量发射/接收机构和车载能量接收/发射机构中增加谐振电感，可以使地面双向逆变模块M1和车载双向逆变模块M4中的开关管在开通前已有续流电流流过，使得开关管在控制导通前两端电压被钳位为零，实现零电压开启，达到软开启效果。软开关功能是指：电压或电流先降到零，再缓慢上升到断态值，此过程中开关损耗近似为零。

为了实现软开启，在充电模式下，开关管S1、S3、S5、S7作为超前管，开关管S2、S4、S6、S8作为滞后管，开关管S9、S11、S13、S15作为全开管，开关管S10、S12、S14、S16作为同步整流管；在回网模式下，开关管S9、S11、S13、S15作为超前管，开关管S10、S12、S14、S16作为滞后管，开关管S1、S3、S5、S7作为全开管，开关管S2、S4、S6、S8作为同步整流管。超前管开通时刻超前滞后管，超前管与滞后管同时关断；同步整流管与上桥臂滞后管同时开通，同步整流管在下桥臂滞后管的开通时刻关断；全开管只在能量接收端存在。

以充电模式为例，对该软开启即软开关功能的实现方式进行详细说明。其中，在充电模式下，地面侧作为能量发射端，车载侧作为能量接收端，地面双向逆变模块M1和车载双向逆变模块M4中各开关管的控制时序如图3所示。由图3可知，在T0时刻，开关管S2、S8、S10、S16开通，开关管S12、S14关断；在T1时刻，开关管S3、S5开通；在T2时刻，开关管S1、S2、S7、S8关断；在T3时刻，开关管S4、S6、S12、S14开通，开关管S10、S16关断；在T4时刻，开关管S1、S7开通；在T5时刻，开关管S3、S4、S5、S6关断；T6时刻等同于T0时刻，为下一周期的开始。

如图4所示，在T0～T2时刻：能量发射端电流正向依次流过开关管S1、开关管S2、地面谐振电感L2、地面耦合线圈L1、地面补偿网络C1、开关管S7、开关管S8，由于T5～T6时间段内开关管S8、开关管S7、开关管S2、开关管S1均有电流流过，其两端电压已被钳位为零，此时开通属于零电压开通，实现了软开关；能量接收端电流正向依次流过开关管S16、开关管S15、车载谐振电感L4、车载耦合线圈L3、车载补偿网络C2、开关管S10、开关管S9。

如图5所示，在T2～T3时刻：能量发射端由地面谐振电感L2实现续流，电流正向流过开关管S4、开关管S3、地面谐振电感L2、地面耦合线圈L1、地面补偿网络C1、开关管S6、开关管S5；能量接收端电流正向依次流过开关管S16、开关管S15、车载谐振电感L4、车载耦合线圈L3、车载补偿网络C2、开关管S10、开关管S9。

如图6所示，在T3～T5时刻：能量发射端电流被迫换向，电流依次流过开关管S5、开关管S6、地面补偿网络C1、地面耦合线圈L1、地面谐振电感L2、开关管S3、开关管S4，由于在T2～T3时间段内，开关管S5、开关管S6、开关管S3、开关管S4均有电流流过，其两端电压已被钳位为零，此时开通属于零电压开通，实现了软开关；能量接收端电流反向依次流过开关管S12、开关管S11、车载补偿网络C2、车载耦合线圈L3、车载谐振电感L4、开关管S14、开关管S13。

如图7所示，在T5～T6时刻：能量发射端由地面谐振电感L2实现续流，电流反向流过开关管S8、开关管S7、地面补偿网络C1、地面耦合线圈L1、地面谐振电感L2、开关管S2、开关管S1；能量接收端电流反向依次流过开关管S12、开关管S11、车载补偿网络C2、车载耦合线圈L3、车载谐振电感L4、开关管S14、开关管S13。

其中，在正常工作过程中，上述电动汽车双向无线充电系统切换工作模式的控制流程图如图8所示，具体包括以下内容：

地面控制器M6与车载控制器M7进行通信，在通信正常即通信无延时的情况下，说明交流电网正常，若此时通过充电需求分析动力电池需要补充能量，则电动汽车双向无线充电系统处于充电模式，从交流电网取电为动力电池进行充电。在交流电网正常的情况下，若此时车载动力电池不需要补充能量，则判断是否有回网请求，若接收到回网请求，则电动汽车双向无线充电系统处于回网模式，将动力电池的电能反馈给交流电网；若没有接收到回网请求，则工作过程结束。

在交流电网断电的情况下，地面控制器M6与车载控制器M7就会出现通信延时，若此时电动汽车的可回收能量大于充电所需时，例如电动汽车长时间工作在下坡等工况，说明动力电池状态良好有充足的能量，而此时交流电网中有其他车辆需要应急充电时，则电动汽车双向无线充电系统处于回网模式，将动力电池的电能反馈给交流电网。当然，若此时动力电池状态不好没有充足的能量时，则工作过程结束，无需给交流电网回馈电能。

由于线圈的电感量等于自身感量加上耦合感量，根据谐振频率计算公式：

可知，其中f、L、C分别为谐振频率、线圈的电感量、谐振电容，谐振频率f随着线圈的电感量L的变化而变化，那么可以通过调节开关频率与开关相位来快速达到谐振点，提高耦合系数，提高效率。

为了提高地面能量发射/接收机构和车载能量接收/发射机构之间的能量传输效率，基于上述的电动汽车双向无线充电系统，本实施例还提供了一种电动汽车无线充电控制方法，该控制方法以能量接收端固有频率为谐振频率，以调整能量发射端的频率为主控量，以调整能量接收端的占空比为辅控量，对能量接收端和能量发射侧端的开关管状态进行协调控制，其对应的控制流程图如图9所示，具体包括以下步骤：

(1)实时检测能量发射端耦合线圈的电压频率、电流频率、电压相位和电流相位，并判断电压频率和电流频率的大小以及电压相位和电流相位的大小。

(2)若电压频率大于电流频率，则控制减小能量发射端的电压频率，若电压频率小于电流频率，则控制增大能量发射端的电压频率；若电压相位超前电流相位，则控制减小能量接收端的电压占空比，若电压相位滞后电流相位，则控制增大能量接收端的电压占空比。

具体的，若无线充电系统工作在充电模式，此时地面侧为能量发射端，车载侧为能量接收端，使无线充电系统工作在车载侧谐振频率。此时以车载侧的车载能量接收/发射机构的谐振频率为固有频率，地面控制器M6检测地面耦合线圈L1的电压频率、电流频率、电压相位和电流相位，若电压频率和电流频率相同，且电压相位和电流相位相同，则不作调整。若地面耦合线圈L1和车载耦合线圈L3之间的耦合系数由小变大，那么电压频率大于电流频率，则控制地面侧频率下调；若地面耦合线圈L1和车载耦合线圈L3之间的的耦合系数由大变小，那么电压频率小于电流频率，则控制地面侧频率上调。若电压相位超前电流相位，则减少车载侧的占空比；若电压相位滞后电流相位，则增加车载侧的占空比。通过频率相位的一致性调整，使地面耦合线圈L1和车载耦合线圈L3达到谐振状态，以提高能量传输效率。

若无线充电系统工作在回网模式，此时车载侧为能量发射端，地面侧为能量接收端，使电动汽车双向无线充电系统工作在地面侧谐振频率。此时以地面侧的地面能量发射/接收机构的谐振频率为固有频率，车载控制器M7检测车载耦合线圈L3的电压频率、电流频率、电压相位和电流相位，若电压频率和电流频率相同，且电压相位和电流相位相同，则不作调整。若地面耦合线圈L1和车载耦合线圈L3之间的耦合系数由小变大，那么电压频率大于电流频率，则控制车载侧频率下调；若地面耦合线圈L1和车载耦合线圈L3之间的的耦合系数由大变小，那么电压频率小于电流频率，则控制车载侧频率上调。若电压相位超前电流相位，则减少地面侧的占空比；若电压相位滞后电流相位，则增加地面侧的占空比。通过频率相位的一致性调整，使地面耦合线圈L1和车载耦合线圈L3达到谐振状态，以提高能量传输效率。

以地面耦合线圈L1和车载耦合线圈L3之间的耦合系数由小变大为例，即两线圈由正对齐位置变为有一定位置偏差，在谐振调整前，能量发射端的电压、电流状态波形分别如图10中的方形波和曲线波所示。由图10可知，电压频率明显大于电流频率，此时需要减少能量发射端控制频率，即电压频率下调。经频率调整后，电压、电流状态波形如图11所示，此时的电压和电流在频率状态上已经统一，均为电流频率，达到了初步谐振状态。通过将频率作为主控调节量，调节速度可以得到保证，能量传输效率已大幅上升，但可以明显看出电流相位超前于电压相位，此时地面双向逆变模块M1和车载双向逆变模块M4中的开关管大部分时间工作在硬开关区域，此时需要增加能量接收端电压占空比。对能量接收端的电压占空比进行调整，经占空比调整后，电压、电流状态波形如图12所示，可以看出电流和电压波形达到了完美谐振状态，实现谐振状态与软开关功能，能量传输效率进一步提升。

其中，在控制减小或者增大能量发射端的电压频率时，处理器通过采样持续检测电压电流的频率差值，该差值通过PI环路计算得出电压频率的减小量或者增加量，电压频率增减量范围为谐振频率的±10％。在控制减小或者增大能量接收端的电压占空比时，处理器通过采样持续检测电压电流的相位差值，该差值通过PI环路计算得出占空比的减小量或者增加量，占空比最大为50％。另外，控制调整能量发射端的电压频率以及控制调整能量接收端的电压占空比的方法属于现有技术，此处不再赘述。

作为其他的实施方式，上述的电动汽车无线充电控制方法也可以先对能量发射端耦合线圈的电压相位和电流相位进行检测，以相应对能量接收端的电压占空比进行控制；然后再对能量发射端耦合线圈的电压频率和电流频率进行检测，以相应对能量发射端的电压频率进行控制。当然，也可以只对能量接收端的电压占空比进行控制，以实现能量发射端和能量接收端达到谐振状态，提高能量传输效率。

需要说明的是，该电动汽车无线充电控制方法并不局限于上述的电动汽车双向无线充电系统，而是可以适用于能量接收端和能量发射端的频率和占空比可调的任意双向无线充电系统或单向无线充电系统。

电动汽车无线充电控制装置实施例：

本发明还提供了一种电动汽车无线充电控制装置，包括处理器和存储器，该处理器用于处理存储在存储器中的指令，以实现上述的电动汽车无线充电控制方法。其中，该指令可以在PC机、通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备来运行。

该电动汽车无线充电控制方法已经在上述的电动汽车无线充电控制方法实施例中进行了详细介绍，对于本领域内的技术人员，可以根据该电动汽车无线充电控制方法生成对应的计算机程序指令，进而得到电动汽车无线充电控制装置，此处不再赘述。

本发明通过在双向无线能量传输过程中实现软开关功能，有效解决了硬开关带来的开关损耗问题。通过对能量发射端的频率和能量接收端的电压占空比进行协调控制，可以使能量发射端和能量接收端更快速地达到谐振状态，解决了无线充电过程中未达到谐振状态的问题，提高了能量传输的效率。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在本申请的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种电动汽车无线充电控制方法，其特征在于，步骤如下：

实时检测能量发射端耦合线圈的电压相位和电流相位，并判断电压相位和电流相位的大小；

若电压相位超前/滞后电流相位，则控制减小/增大能量接收端的电压占空比；

还包括：

实时检测能量发射端耦合线圈的电压频率和电流频率，并判断电压频率和电流频率的大小；

若电压频率大于/小于电流频率，则控制减小/增大能量发射端的电压频率。

2.一种电动汽车无线充电控制装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在所述存储器中的指令以实现如下方法：

实时检测能量发射端耦合线圈的电压相位和电流相位，并判断电压相位和电流相位的大小；

若电压相位超前/滞后电流相位，则控制减小/增大能量接收端的电压占空比；

还包括：

实时检测能量发射端耦合线圈的电压频率和电流频率，并判断电压频率和电流频率的大小；

若电压频率大于/小于电流频率，则控制减小/增大能量发射端的电压频率。

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