CN111532151A - 一种电动汽车无线充电的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动汽车无线充电的系统及方法，它由电能变换装置、发射线圈、接受线圈、整流稳压装置和控制器组成。自抗扰控制器(ADRC)是要在扰动明显影响系统前，从被控对象的输入、输出信号中提取扰动信息然后用控制信号将其消除。本发明对无线充电装置进行优化，解决了传输效率低的问题，提高了传输效率，进而保证了无线充电装置的高效性和经济性。

Description

一种电动汽车无线充电的系统及方法

(一)技术领域：

本发明涉及无线充电电动车辆或混合动力电动车辆的电池充电领域，具体涉及一种电动汽车无线充电的系统及方法。

(二)背景技术：

近年来，随着能源消耗以及环境污染等问题，由于科技的发展，电动汽车和混合动力电动汽车的技术正在飞速的发展，随着电动汽车的增多，怎样较好的给电动汽车进行充电给用户带来了各种不好的体验，现有技术中，一般采用有线充电桩或者无线充电桩给电动汽车进行充电，相比于有线充电桩，无线充电桩通过限制部件的接触和暴露来改善充电部件的耐用性和寿命，通过隐藏潜在危险的电路和连接接口来增大安全性，以及通过允许以各种方式实施充电站来增强多功能性例如，便携式充电垫，嵌入在停车场或者道路上。通常，无线充电组件的初级感应线圈从电力网提供电力，以创建交变电磁场，然后电动汽车的次级感应线圈可从生成的电磁场接收功率，并将其转换为电流以对电池充电，作为结果，初级线圈和次级线圈组合形成了电力变压器，借此可通过电磁感应在两个线圈之间传递能里。但是，无线充电桩充电技术中，初级感应线圈与次级感应线圈的对准以及两个线圈之间能量传递的效率一直存在较大的技术难题，自动化程度较低，充电过程中滤波以及电磁泄露也经常会成为充电效率的因素。

(三)发明内容：

一种电动汽车无线充电的系统及方法，它由电能变换装置、发射线圈、接受线圈、整流稳压装置和控制器组成。ADRC控制器是要在扰动明显影响系统前，从被控对象的输入、输出信号中提取扰动信息然后用控制信号将其消除。本发明对无线充电装置进行优化，解决了传输效率低的问题，提高了传输效率，进而保证了无线充电装置的高效性和经济性。

·本发明的技术方案：

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种磁耦合谐振式无线充电模型，其特征在于，至少包括以下步骤：

步骤A、根据对多种无线充电模型优缺点的对比分析，确定在电动汽车无线充电场合应用磁耦合谐振式无线充电模型。

步骤B、在线圈间距即系统传输距离一定的前提下，増加线圈匝数和半径可有效増大互感进而提高系统传输性能，但线圈匝数和半径的增加同时也会带来线圈自身电阻増大，进而会造成损耗増大、线圈的品质因数下降。

步骤C、通过分析线圈的匝数、半径、匝间距、线圈间距以及系统频率对线圈电感、匝间电容、互感等的影响，并在固定线径、线圈半径和线圈间距的前提下，通过合理的取舍得到适合电动汽车蓄电池负载的最优线圈匝数。

步骤D、为解决快速性和抗扰性不好的问题，系统采用LADRC控制策略代替传统P I进行控制，首先分析系统的数学模型，确认系统的输入量和输出量。将系统的工作频率和电压作为控制目标，利用双闭环控制框架，使系统处于稳定状态同时达到较高的传输效率。

步骤E、通过DSP把LADRC控制策略融入电动汽车无线充电的装置中。

·本发明的工作原理：

电动汽车无线充电系统是利用非接触式磁耦合线圈对电动汽车的动力电池进行无线充电，其采用的是共振式电磁耦合原理，基本过程是首先通过全桥逆变把直流电变换成高频交流电。然后再将交流电作用到原边的谐振线圈，副边的谐振线圈通过磁场耦合得到能量，最后将副边交流电进行整流，再对汽车电池无线充电。在电动汽车无线充电时，由于负载等参数的变化，以及线圈之间的偏移会导致谐振频率发生变化。所以为了能够进行高效的能量传输，要保证系统的工作频率和谐振频率相一致。利用ADRC控制器来实时调节系统的工作频率，进行能量的传输。

本发明的优越性和技术效果在于：通过对电动汽车无线充电线圈设计优化和恰当的控制策略，提高传输效率从而避免了电力和能源的浪费。

(四)附图说明：

图1是串-串联型磁共振式无线电能系统拓扑结构图；

图2是考虑死区时间的开关触发脉冲图；

图3是软开关逆变电路控制的原理框图；

图4是拓扑结构图；

图5是移相控制示意图；

图6是变频控制流程图；

图7是串-串联型无线电能传输系统原边简化电路图。

对于电动汽车而言，其充电负载为蓄电池。取发射线圈与接收线圈具有相同几何尺寸。由于线圈匝间电容较小，导致接收线圈谐振频率很大，为使其自谐振頻率和系统频率均保持在数百kHz内，故在进行电容补偿时应采用接入电容补偿，且应对谐振频率进行约束，应有

C_L为电池的极化电容。螺旋线圈计算电感方式如下：

线圈的匝数为N，线圈半径为r，空心铜线线径为a，发射线圈与接收线圈具有完全相同的几何尺寸，其流过角频率为ω的交流电。L为线圈的电感(H)，A为真空磁导率(4π×10^-7)，S为双螺旋线圈的截面积(平方米)，为双螺旋线圈的长度(米)，k为长冈系数(可查表得到)。线路阻抗计算式应为：

r为线圈的半径，μ₀和σ分别是线圈的电导率和磁导率，a为螺线管线径。同轴放置且两线圈间距为d，两个线圈之间互感可由下述算式得出。

通过仿真分析得知，在满足传输功率至少1400W条件下，匝数N应该不大于7匝，而传输效率的最大值点N＝5刚好落在此范围内，故可取 N为相对最优匝数进行电动汽车的无线方式充电。

在N＝5时，由线圈电感公式以及对线圈其他参数的定义，根据

以及

并考虑负载的极化电容可知，线圈电感约为L＝20μH，线圈匝间电容约为C＝4.177nF，故线圈的自谐振频率为

蓄电池的极化电容虽然较大，但考虑到整流稳压电路的电路隔离，其不会对线圈的谐振频率产生影响，故使用串联补偿形式进行谐振补偿，电源端频率取为30kHz可以满足系统频率约束条件和系统谐振的需要。

全桥逆变电路所用器件比半桥逆变电路多，结构更为复杂，在相同输入电压的情况下，其输出电压更大，有利于提高系统的输出功率和传输效率。为提高系统的输出功率和传输效率，电动汽车无线充电系统选取全桥逆变电路。

系统分成能量流和信息流两个模块，能量流是指由原边到副边通过非接触式变压器传输的电能，通过高频整流之后继而对电动汽车的动为电池进行充电。它是由高频全桥逆变电路、LC谐振网络、高频整流巧组成。信息流是指副边通过无线通讯Zi gbee技术发送到原边，运用ADRC控制策略实现整个系统的闭环控制。

由于磁共振电能传输系统工作在高频状态下，本系统若用硬开关 的控制方法，电路的开关损耗会非常大。当器件开通或关断时，电路 的感性元件或器件的电容中会感应出尖峰电流或尖峰电压。当开关频 率越高，该尖峰电流和尖峰电压也就越高，这样会对器件造成危害。 此外，开关过程中同时会激起电路的寄生电容与分布电感的振荡，从 而引起附加的损耗和产生电磁干扰，因此硬开关的控制电路的工作频 率不能太高，同时还要采取措施防止电磁干扰。相对于硬开关的控制 方式，软开关技术研究弥补了这些技术缺陷。软开关控制方式是在电 路中增加了电感L和电容C谐振元件，因此可以改善开关的条件。串 -串联型无线电能传输系统工作在零电流开关(ZCS)状态时，系统中

设电容电压u₀和电感电流i_p为电路的状态变量，得到串-串联型无线电能系统原边电路的状态空间方程:

串-串联型无线电能系统原边电路的二阶齐次微分方程:

L_PC_Pλ²+R_PC_Pλ+1＝0

可得二阶齐次微分方程的特征根:

对于串-串联型无线电能系统，串联补偿谐振电路应满足欠阻尼振荡条件可知，特征根已满足了实部为负数的条件，但还需满足特征根的实部为负的共轭复条件:

串-串联型磁共振式无线电能系统拓扑结构如图1所示。由图可知，

电源的直流电流经过高频逆变的环节转换成为原边绕组所需的高频交流电流I_P，再通过电磁耦合作用把高频交流电流I_P传递给副边绕组。此时在副边绕组上产生了和原边绕组电流相同频率的交流电流I_S，将该电流进行整流滤波给负载R_L进行供电。U_dc为直流电压源，R_L为负载充电电池，U_L为负载电压。

系统中高频逆变电路在正常工作情况下，需要两组脉冲信号来控 制开关管的导通与关断，其中S₁，和S₄采用其中的一组开关信号，S₂和S₃则采用另外一组开关信号。为了防止同一桥臂上的两个开关管在 同一时间导通，由此造成的电路短路和开关器件烧坏，这两组开关信 号不但要求相位相反，而且还要加入死区时间。如图2所示。

将以上脉冲信号提供给高频逆变电路，此时逆变电路的两组开关 管是工作在正常状态下，因此高频逆变电路的输出端口会产生正负交 替的方波电源，然后方波电源通过RLC串联谐振电路输出正弦交流电 源。无线电能传输系统的软开关是通过检测谐振网络两端电压的自然 过零点或是检测流过谐振网络电流的自然过零点，实现ZVS或是ZCS。 图3所示是软开关逆变电路控制的原理框图。这里使用零电流软开关 控制方式，对原边的谐振网络电流进行采样，采样的信号经过控制电 路和过零检测生成两路互补的控制信号，把该控制信号送入驱动电路 后输出高频逆变电路开关管的触发脉冲，从而实现了开关管软开关控 制。

而本文采用零电流软开关技术，方法是检测原边谐振电流I_P的过 零点，让S₁～S₄的通断都在电流过零点进行，以实现开关管的零电流 的通断。如图4所示。

如图4所示，U_dc。为直流输入电源，开关器件S₁～S4为高频逆变 模块，C_P为原边电路的补偿电容，L_p则为原边的能量发射线圈，Current Measurement是电流检测模块，它是用来检测I_P的电流，Compare To Zero。是比较模块，它是用来和I_P进行比较，当比较模块切换电平的 时，即是电流过零的时刻。开关管A组(S₁和S₄)的通断是通过过零信 号来控制的，B组(S₂和S₄)的通断是通过数据类型转换模块Data Type Conversion和逻辑模块LogicalOperator产生和A组相反的信号来 控制。这样，A组和B组的通断都在电流的过零时刻，从而实现了零 电流软开关技术。

当无线电能传输系统的原边与副边相对位置发生变化时，为达到 系统的输出功率和系统效率的要求，需要对充电系统引入控制策略， 以实现充电系统的闭环稳定工作。移相控制的电路简单，但它对谐振 电路的要求较高，要使谐振电路一直处于准谐振的状态，一旦系统工 作在失谐状态，电压就会出现谐波，发生畸变，从而影响系统的传输。

图5是移相控制示意图。

由图5可知，移相α角度时逆变输出的电压:

随着移相α也会随之下降角度的增大，逆变输出的电压占空比减少，从而系统的输出功率同时由于本系统中原副线圈的位置会发生变化从而影响系统的谐振频率偏移谐振点。因此该系统选择变频控制。

目前，锁相环控制是检测副边的电流和电压的相位差，系统的工 作频率点是由相位差来改变的。锁相环控制需要采集高频大功率电流

(五)具体实施方式：

实施例：一种电动汽车无线充电系统及方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

步骤A、通过对多种无线充电模型的研究、实验和分析，确定磁耦合谐振式的电动汽车无线充电模型。

步骤B、分析线圈的匝数、半径、匝间距、线圈间距以及系统频率对线圈电感、匝间电容、互感等的影响，在固定线径、线圈半径和线圈间距，根据计算找出适合蓄电池负载的最优线圈匝数，经过实验测试后，封装集成。

步骤C、系统采用LADRC控制策略代替PI来进行控制，继而来调整系统的工作频率，在数字仿真平台调参后，初步确定控制器各个参数。

步骤D、将LADRC控制策略写入DSP后集成，并与之前确定线圈结构的系统连接。在考虑系统稳定、高传输效率、电力电子器件安全性前提下，调试不同工况下的参数，最终确定系统的所有参数。

Claims (4)

1.一种电动汽车无线充电系统及方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

步骤A、通过对多种无线充电模型的研究、实验和分析，确定磁耦合谐振式的电动汽车无线充电模型。

步骤B、根据计算找出适合蓄电池负载的最优线圈匝数，经过实验测试后，封装集成。

步骤C、系统采用LADRC控制策略进行控制，在数字仿真平台调参后，初步确定控制器各个参数。

步骤D、将LADRC控制策略写入DSP后集成，并与之前确定线圈结构的系统连接。在考虑系统稳定、高传输效率、电力电子器件安全性前提下，调试不同工况下的参数，最终确定系统的所有参数。

2.根据权利要求1所说的磁耦合谐振式的电动汽车无线充电模型，其特征在于系统包括发射端和接收端。发射端中包括驱动电路、逆变电路以及初级补偿电路。驱动电路的主要作用是产生逆变电路所需的驱动脉冲，脉冲频率受到锁相环电路的控制；逆变电路产生高频交流电，其开关频率与初级补偿电路自身的固有频率相同。系统的接收端中包括接收线圈和补偿电容、整流电路和稳压电路。其中稳压电路通常为降压稳压电路，用于提供负载所需的电压要求。磁谐振式无线电能传输技术传输距离适中，传输功率可适用于大部分负载要求，优化系统各个参数的设计可以提高系统的传输效率，是一种极具潜力的中距离无线电能传输方式。

3.根据权利要求1所说的根据计算找出适合蓄电池负载的最优线圈匝数，其特征在于线圈的匝数为N，线圈半径为r，空心铜线线径为a，发射线圈与接收线圈具有完全相同的几何尺寸，其流过角频率为ω的交流电。L为线圈的电感(H)，A为真空磁导率(4π×10^-7)，S为双螺旋线圈的截面积(平方米)，为双螺旋线圈的长度(米)，k为长冈系数(可查表得到)。线路阻抗计算式应为：

r为线圈的半径，μ₀和σ分别是线圈的电导率和磁导率，a为螺线管线径。同轴放置且两线圈间距为d，两个线圈之间互感可由下述算式得出。

通过仿真分析得知，在满足传输功率至少1400W条件下，匝数N应该不大于7匝，而传输效率的最大值点N＝5刚好落在此范围内，故可取N为相对最优匝数进行电动汽车的无线方式充电。

4.根据权利要求1在进行模型化时，采用二阶数学模型；将电流参考值的跟踪值作为自抗扰控制器的输入端，并与扩张状态观测器ESO估计出来输出值做比较，参数b₀是补偿强弱的补偿因子，作为可调参数来用；并通过前馈环节对扩张状态观测器得出的扰动估计值进行补偿，进而计算得到给定值；得到的输出信号再经过线性反馈控制率与扩张状态观测器ESO估计出来的模型外界和内部总扰动的1/b₀做比较，得到模型的控制信号。

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