CN111799876A - 一种基于自主式无线供电的微型运输车充电电路系统 - Google Patents

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CN111799876A CN202010552622.0A CN202010552622A CN111799876A CN 111799876 A CN111799876 A CN 111799876A CN 202010552622 A CN202010552622 A CN 202010552622A CN 111799876 A CN111799876 A CN 111799876A
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Abstract

本发明公开了一种基于自主式无线供电的微型运输车充电电路系统，其中，所述系统包括：发送端电路及接收端电路；所述发送端电路和所述接收端电路之间通过所述电感线圈L1与所述电感线圈Lb进行互感。在本发明实施例中，使得微型运输车充电电路系统满足SAEJ2954标准的80Khz充电频率，并且在充电时，具有较低的系统功耗。

Description

一种基于自主式无线供电的微型运输车充电电路系统
技术领域
本发明涉及无线供电技术领域，尤其涉及一种基于自主式无线供电的微型运输车充电电路系统。
背景技术
随着电动汽车和自动驾驶汽车的普及，通过感应功率传输进行无线充电的系统与方案得到广泛关注；在许多这样的应用中，从电网到车辆的效率都达到了90％以上，使无线充电与传统的插件式充电具有可比性；在理想的对准情况下，高功率试验中的效率高达95％；由于非接触式操作的便利性和效率，无线充电是自主应用的理想选择，使这种装备的车辆能够自行充电，从而提高其自主性。
尺寸、重量和能耗是大多数自主车辆应用中的关键问题；在许多情况下，例如在无人机中，车辆重量等要求限制了设备的能量储存能力；此外，电池的充电速度受也限制了自主车辆的值勤时间；自动充电旨在解决这些问题，方法是允许车辆在待机状态下甚至在作业中连续充电，在指定的功率传输线圈上充电。
当前宽带隙器件(如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN))的最新进展正在提高功率转换器的功率密度，从而实现更紧凑的千瓦级无线充电系统。GaN器件特别允许在6.78mhz和13.56mhz的工业、科学、医学(ISM)频带内进行高频操作，从而进一步提高功率密度；然而其并不能够直接应用于自主式无线充电微型运输车中；这是由于在考虑到个人交通生态中的无线充电系统时，应提供一种自主的微型交通工具在固定路线系统上运行，这就对其充电系统提出了新的要求，应具有较低的符合SAEJ2954标准的工作频率，同时具有较低的功耗以满足其持续运行。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于自主式无线供电的微型运输车充电电路系统，使得微型运输车充电电路系统满足SAEJ2954标准的80Khz充电频率，并且在充电时，具有较低的系统功耗。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于自主式无线供电的微型运输车充电电路系统，所述系统包括：发送端电路及接收端电路；其中，
所述发送端电路包括VDC输入电源、H桥氮化镓逆变器、LCL型补偿器及滤波电容C1；所述LCL型补偿器包括电感线圈L1、电感线圈La及电容器Cs1，所述电感线圈La、电容器Cs1及电感线圈L1依次串联在所述H桥氮化镓逆变器的正极，所述滤波电容C1一端连接在所述电感线圈La的输出端，另一端连接在电感线圈L1的输出端；所述H桥氮化镓逆变器与所述VDC输入电源相连接；
所述接收端电路包括电感线圈L2、电容器Cs2、电容器C2、Bulk电路、三极管D1、二极管D2、电感线圈Lb、充电电池及电容器Cout；所述电容器Cs2连接在所述电感线圈L2的正极，所述Bulk电路正极与所述电容器Cs2，负极与所述电感线圈L2的负极相连接；所述电容器Cs2一端连接在所述电容器Cs2和所述Bulk电路之间，所述电容器Cs2另一端连接所述电感线圈L2的负极和所述Bulk电路之间相连接；所述三极管D1和所述电感线圈Lb依次串联在所述Bulk电路的输出端，所述充电电池的正极连接在所述电感线圈Lb输出端，所述充电电池负极连接在所述电容器Cout的负极；所述二极管D2正极连接在所述三极管D1输出端，负极连接在所述电容器Cout的负极；所述电容器Cout一端连接在电感线圈Lb的输出端，另一端连接在所述充电电池的负极；
所述发送端电路和所述接收端电路之间通过所述电感线圈L1与所述电感线圈Lb进行互感。
可选的，所述LCL型补偿器在所发送电路用于提供负载变化的恒定电路；所述Bulk电路用于通过占空比来调节实际阻抗。
可选的，所述实际阻抗的计算公式如下：
Figure BDA0002543058470000021
其中，所述系统在发送端电路和所述接收端电路之间通过所述电感线圈L1与所述电感线圈Lb进行互感时的真实反射阻抗可表示为：
Figure BDA0002543058470000031
其中，M表示互感系数，并且ω＝2πf，f为所述H桥氮化镓逆变器的工作频率。
可选的，所述发送端电路在完全耦合时，所述发送端电路的发送支路的阻抗为：
Figure BDA0002543058470000032
其中，L1表示电感线圈L1的电感值；Cs1表示电容器Cs1的容值；Zr表示所述发送端电路和所述接收端电路之间通过所述电感线圈L1与所述电感线圈Lb进行互感时的真实反射阻抗；j表示阻抗的虚部，也就是-1的开方；ω＝2πf，f为所述H桥氮化镓逆变器的工作频率。
可选的，所述发送端电路的总阻抗为：
Figure BDA0002543058470000033
根据欧姆定律，H桥氮化镓逆变器输出的电流可表示为：
Figure BDA0002543058470000034
其中，Zin表示发送端电路的总阻抗；j表示阻抗的虚部，也就是-1的开方；ω＝2πf，f为所述H桥氮化镓逆变器的工作频率；La表示电感线圈La的电感值；C1表示滤波电容C1的容值；||表示或运算；VDC表示VDC输入电源的输入电压。
可选的，所述发送端电路电感线圈L1的轨道电流为：
Figure BDA0002543058470000035
所述发送端电路输出的总功率表示为：
Figure BDA0002543058470000036
其中，Iin表示H桥氮化镓逆变器输出的电流；I1表示发送端电路电感线圈L1的轨道电流；Re表示求实部的运算；Zr表示发送端电路和所述接收端电路之间通过所述电感线圈L1与所述电感线圈Lb进行互感时的真实反射阻抗；Req表示实际阻抗；M表示互感系数，并且ω＝2πf，f为所述H桥氮化镓逆变器的工作频率。
可选的，所述接收端电路还包括PI控制模块，所述PI控制模块包括电流PI控制器和电压PI控制器；
电流PI控制器用于在对充电电池充电时，恒定充电电压状态下保持对电池的恒定电流；
电压PI控制器用于在对充电电池充电时，恒定充电电压状态下保持对电池的恒定电压。
可选的，所述电压PI控制器还用于采集充电电池的电压，并利用充电电池的电压与电压PI控制器的比较电压相减获得绝对电压差值，在判断所述绝对电压差值大于预设电压差值时，向对应的继电器发送信号，允许充电电池向排气电阻放电。
在本发明实施例中，使得微型运输车充电电路系统满足SAEJ2954标准的80Khz充电频率，并且在充电时，具有较低的系统功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例中的基于自主式无线供电的微型运输车充电电路系统结构组成示意图；
图2是本发明实施例中的发送端电路侧的结构组成示意图；
图3是本发明实施例中的接收端电路侧的结构组成示意图；
图4是本发明实施例中的充电电池在充电时的电池平衡系统结构组成示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1，图1是本发明实施例中的基于自主式无线供电的微型运输车充电电路系统结构组成示意图。
如图1所示，一种基于自主式无线供电的微型运输车充电电路系统，所述系统包括：发送端电路及接收端电路；其中，
所述发送端电路包括VDC输入电源、H桥氮化镓逆变器、LCL型补偿器及滤波电容C1；所述LCL型补偿器包括电感线圈L1、电感线圈La及电容器Cs1，所述电感线圈La、电容器Cs1及电感线圈L1依次串联在所述H桥氮化镓逆变器的正极，所述滤波电容C1一端连接在所述电感线圈La的输出端，另一端连接在电感线圈L1的输出端；所述H桥氮化镓逆变器与所述VDC输入电源相连接；所述接收端电路包括电感线圈L2、电容器Cs2、电容器C2、Bulk电路、三极管D1、二极管D2、电感线圈Lb、充电电池及电容器Cout；所述电容器Cs2连接在所述电感线圈L2的正极，所述Bulk电路正极与所述电容器Cs2，负极与所述电感线圈L2的负极相连接；所述电容器Cs2一端连接在所述电容器Cs2和所述Bulk电路之间，所述电容器Cs2另一端连接所述电感线圈L2的负极和所述Bulk电路之间相连接；所述三极管D1和所述电感线圈Lb依次串联在所述Bulk电路的输出端，所述充电电池的正极连接在所述电感线圈Lb输出端，所述充电电池负极连接在所述电容器Cout的负极；所述二极管D2正极连接在所述三极管D1输出端，负极连接在所述电容器Cout的负极；所述电容器Cout一端连接在电感线圈Lb的输出端，另一端连接在所述充电电池的负极；所述发送端电路和所述接收端电路之间通过所述电感线圈L1与所述电感线圈Lb进行互感。
在本发明具体实施过程中，该系统包括发送端电路及接收端电路；发送端电路和接收端电路之间通过电感线圈L1与电感线圈Lb进行互感；VDC输入电源为充电电池在充电过程中输入充电电源电压，由于该充电电压为直流电，则需要通过H桥氮化镓逆变器转换为交流电，实现隔离变压器的互感，以此将能力传递给接收端电路侧，此处，电感线圈L1、电感线圈La及电容器Cs1所构成的LCL型补偿器提供独立的负载变化的发送线圈上的恒定电流；接收端电路侧的Bulk电路首先实现减压，再经由电感线圈Lb滤波为充电电池提供充电电压Vbattery。
请参阅图2和图3，图2是本发明实施例中的发送端电路侧的结构组成示意图；图3是本发明实施例中的接收端电路侧的结构组成示意图；。
如图2和图3所示，滤波电容C1用于滤波；电感线圈L2和电容器Cs2用于产生震荡使用；电容器C2用于滤波；三极管D1作为控制端，实现对充电电池充电时的控制与保护；二极管D2用于保护作用，电容器Cout用于滤波；在发送端电路侧使用LCL型补偿器在发送线圈上提供独立与负载变化的恒定电流；在接收端电路使用Bulk电路，是通过Bulk电路占空比来调节实际阻抗，其中，RL＝Vbattery/Ibattery是充电电池阻抗；Bulk电路在接收端电路侧的为长方形部分。
在本发明具体实施过程中，所述LCL型补偿器在所发送电路用于提供负载变化的恒定电路；所述Bulk电路用于通过占空比来调节实际阻抗。
在本发明具体实施过程中，所述实际阻抗的计算公式如下：
Figure BDA0002543058470000061
其中，所述系统在发送端电路和所述接收端电路之间通过所述电感线圈L1与所述电感线圈Lb进行互感时的真实反射阻抗可表示为：
Figure BDA0002543058470000062
其中，M表示互感系数，并且ω＝2πf，f为所述H桥氮化镓逆变器的工作频率。
在本发明具体实施过程中，所述发送端电路在完全耦合时，所述发送端电路的发送支路的阻抗为：
Figure BDA0002543058470000063
其中，L1表示电感线圈L1的电感值；Cs1表示电容器Cs1的容值；Zr表示所述发送端电路和所述接收端电路之间通过所述电感线圈L1与所述电感线圈Lb进行互感时的真实反射阻抗；j表示阻抗的虚部，也就是-1的开方；ω＝2πf，f为所述H桥氮化镓逆变器的工作频率。
在本发明具体实施过程中，所述发送端电路的总阻抗为：
Figure BDA0002543058470000071
根据欧姆定律，H桥氮化镓逆变器输出的电流可表示为：
Figure BDA0002543058470000072
其中，Zin表示发送端电路的总阻抗；j表示阻抗的虚部，也就是-1的开方；ω＝2πf，f为所述H桥氮化镓逆变器的工作频率；La表示电感线圈La的电感值；C1表示滤波电容C1的容值；||表示或运算；VDC表示VDC输入电源的输入电压。
在本发明具体实施过程中，所述发送端电路电感线圈L1的轨道电流为：
Figure BDA0002543058470000073
所述发送端电路输出的总功率表示为：
Figure BDA0002543058470000074
其中，Iin表示H桥氮化镓逆变器输出的电流；I1表示发送端电路电感线圈L1的轨道电流；Re表示求实部的运算；Zr表示发送端电路和所述接收端电路之间通过所述电感线圈L1与所述电感线圈Lb进行互感时的真实反射阻抗；Req表示实际阻抗；M表示互感系数，并且ω＝2πf，f为所述H桥氮化镓逆变器的工作频率。
在本发明具体实施过程中，所述接收端电路还包括PI控制模块，所述PI控制模块包括电流PI控制器和电压PI控制器；电流PI控制器用于在对充电电池充电时，恒定充电电压状态下保持对电池的恒定电流；电压PI控制器用于在对充电电池充电时，恒定充电电压状态下保持对电池的恒定电压。
具体的，如图3所示，接收端电路还包括PI控制模块，并且PI控制模块包括电流PI控制器和电压PI控制器；PI控制器，用于进行接收端电路侧的控制，通过改变Bulk电路的占空比控制电路流向充电状态下的充电电池，同时，该PI控制模块也作为系统的电压控制器，用于在对充电电池充电时的恒定电压状态下，保持通过充电电池的恒定电压输出。
PI控制器是为了实现输出电压或电流的鲁棒稳定，图3中通过DV和DI的投切实现电压PI控制器或电流PI控制器的介入；这两个之间并不会配合工作，而是择一工作；具体工作过程就是标准的PI比较器过程；该控制器在充电的恒定电压状态下保持对电池的恒定电压或恒定电流；其中，PI控制器中的控制芯片型号为：TI F28069M DSP。
在本发明具体实施过程中，所述电压PI控制器还用于采集充电电池的电压，并利用充电电池的电压与电压PI控制器的比较电压相减获得绝对电压差值，在判断所述绝对电压差值大于预设电压差值时，向对应的继电器发送信号，允许充电电池向排气电阻放电。
具体的，如图4所示，充电电池使用对应的继电器和引气电阻器实现基本的耗散充电电池平衡系统，用于防止多充电电池在充电过程中的过度充电现象产生；如果任意一个充电电池超过此充电的预测电压差值时，PI控制器会向相关的继电器发送一个信号，允许充电电池向排气电阻放电，这个过程在整个充电电池充电的充电顺序中是连续的；PI控制器采集了充电池电压Vo，如果此充电池电压Vo与电压PI控制器的比较电压Vo+之差的绝对值超过某个公差(预设电压差值)，即判定为超过电压公差。
在本发明实施例中，使得微型运输车充电电路系统满足SAEJ2954标准的80Khz充电频率，并且在充电时，具有较低的系统功耗。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
另外，以上对本发明实施例所提供的一种基于自主式无线供电的微型运输车充电电路系统进行了详细介绍，本文中应采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于自主式无线供电的微型运输车充电电路系统，其特征在于，所述系统包括：发送端电路及接收端电路；其中，
所述发送端电路包括VDC输入电源、H桥氮化镓逆变器、LCL型补偿器及滤波电容C1；所述LCL型补偿器包括电感线圈L1、电感线圈La及电容器Cs1，所述电感线圈La、电容器Cs1及电感线圈L1依次串联在所述H桥氮化镓逆变器的正极，所述滤波电容C1一端连接在所述电感线圈La的输出端，另一端连接在电感线圈L1的输出端；所述H桥氮化镓逆变器与所述VDC输入电源相连接；
所述接收端电路包括电感线圈L2、电容器Cs2、电容器C2、Bulk电路、三极管D1、二极管D2、电感线圈Lb、充电电池及电容器Cout；所述电容器Cs2连接在所述电感线圈L2的正极，所述Bulk电路正极与所述电容器Cs2，负极与所述电感线圈L2的负极相连接；所述电容器Cs2一端连接在所述电容器Cs2和所述Bulk电路之间，所述电容器Cs2另一端连接所述电感线圈L2的负极和所述Bulk电路之间相连接；所述三极管D1和所述电感线圈Lb依次串联在所述Bulk电路的输出端，所述充电电池的正极连接在所述电感线圈Lb输出端，所述充电电池负极连接在所述电容器Cout的负极；所述二极管D2正极连接在所述三极管D1输出端，负极连接在所述电容器Cout的负极；所述电容器Cout一端连接在电感线圈Lb的输出端，另一端连接在所述充电电池的负极；
所述发送端电路和所述接收端电路之间通过所述电感线圈L1与所述电感线圈Lb进行互感。
2.根据权利要求1所述的微型运输车充电电路系统，其特征在于，所述LCL型补偿器在所发送电路用于提供负载变化的恒定电路；所述Bulk电路用于通过占空比来调节实际阻抗。
3.根据权利要求2所述的微型运输车充电电路系统，其特征在于，所述实际阻抗的计算公式如下：
Figure FDA0002543058460000021
其中，所述系统在发送端电路和所述接收端电路之间通过所述电感线圈L1与所述电感线圈Lb进行互感时的真实反射阻抗可表示为：
Figure FDA0002543058460000022
其中，M表示互感系数，并且ω＝2πf，f为所述H桥氮化镓逆变器的工作频率。
4.根据权利要求1所述的微型运输车充电电路系统，其特征在于，所述发送端电路在完全耦合时，所述发送端电路的发送支路的阻抗为：
Figure FDA0002543058460000023
其中，L1表示电感线圈L1的电感值；Cs1表示电容器Cs1的容值；Zr表示所述发送端电路和所述接收端电路之间通过所述电感线圈L1与所述电感线圈Lb进行互感时的真实反射阻抗；j表示阻抗的虚部，也就是-1的开方；ω＝2πf，f为所述H桥氮化镓逆变器的工作频率。
5.根据权利要求1所述的微型运输车充电电路系统，其特征在于，所述发送端电路的总阻抗为：
Figure FDA0002543058460000024
根据欧姆定律，H桥氮化镓逆变器输出的电流可表示为：
Figure FDA0002543058460000025
其中，Zin表示发送端电路的总阻抗；j表示阻抗的虚部，也就是-1的开方；ω＝2πf，f为所述H桥氮化镓逆变器的工作频率；La表示电感线圈La的电感值；C1表示滤波电容C1的容值；||表示或运算；VDC表示VDC输入电源的输入电压。
6.根据权利要求1所述的微型运输车充电电路系统，其特征在于，所述发送端电路电感线圈L1的轨道电流为：
Figure FDA0002543058460000031
所述发送端电路输出的总功率表示为：
Figure FDA0002543058460000032
其中，Iin表示H桥氮化镓逆变器输出的电流；I1表示发送端电路电感线圈L1的轨道电流；Re表示求实部的运算；Zr表示发送端电路和所述接收端电路之间通过所述电感线圈L1与所述电感线圈Lb进行互感时的真实反射阻抗；Req表示实际阻抗；M表示互感系数，并且ω＝2πf，f为所述H桥氮化镓逆变器的工作频率。
7.根据权利要求1所述的微型运输车充电电路系统，其特征在于，所述接收端电路还包括PI控制模块，所述PI控制模块包括电流PI控制器和电压PI控制器；
电流PI控制器用于在对充电电池充电时，恒定充电电压状态下保持对电池的恒定电流；
电压PI控制器用于在对充电电池充电时，恒定充电电压状态下保持对电池的恒定电压。
8.根据权利要求7所述的微型运输车充电电路系统，其特征在于，所述电压PI控制器还用于采集充电电池的电压，并利用充电电池的电压与电压PI控制器的比较电压相减获得绝对电压差值，在判断所述绝对电压差值大于预设电压差值时，向对应的继电器发送信号，允许充电电池向排气电阻放电。
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