CN113829904B - 一种大功率无线充电系统及其充电控制方法 - Google Patents

一种大功率无线充电系统及其充电控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大功率无线充电系统及其充电控制方法，其特征在于，包括依次连接的PFC整流模块、高频逆变器、谐振单元和高频整流器，PFC整流模块与电网相连接，高频整流器与车辆蓄电池连接，PFC整流模块和高频逆变器分别与地端控制模块连接，地端控制模块连接有车端信息采集模块，车端信息采集模块用于采集车端电流、车端电压以及BMS数据，地端控制模块用于分别控制PFC整流模块以及高频逆变器的工作状态，以实现恒流、恒功率和恒压的三段式充电。与现有技术相比，本发明能够实现对电动汽车蓄电池进行快速高效充电的目的。

Description

一种大功率无线充电系统及其充电控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车无线充电技术领域，尤其是涉及一种大功率无线充电系统及其充电控制方法。
背景技术
为了节约能源，减少环境污染，电动汽车受到了世界各国的大力推广。由于电池容量及充电基础设施等条件的限制，充电问题成为电动汽车发展过程中而临的最主要的瓶颈问题。电动汽车的传统充电方式为有线充电，这种充电方式容易受到输电线缆以及空间的限制，还存在一定安全隐患，而电动汽车无线充电则通过埋于地面下的供电导轨以高频交变磁场的形式，能够将电能传输给运行在地面上一定范围内的车辆接收端电能拾取机构，进而给车载储能设备供电，这种无线充电方式更加便捷和安全。
电动汽车无线充电的本质是电能的变换与控制，可靠、高效、安全是其基本要求。无线充电技术基于电力电子拓扑结构优化与协调控制、电磁能量传递生物安全和多源能量双向耦合管理三个科学问题，依托电路设计与参数匹配优化、EMC与辐射安全防护、非线性系统分析与控制、车辆相关技术等技术支撑，形成了电力电子、电磁场、车辆相关理论、电化学、非线性系统控制、数据通信等多学科交叉，相互影响、深度耦合的技术体系。无线充电摆脱了充电电缆的限制，充电过程中能量发射机构与能量拾取机构可产生相对运动，因此可以满足电动汽车的静态无限高效充电甚至动态充电。
尽管电动汽车无线充电的前景十分美好，但如何实现快速高效的无线充电，以满足电动汽车的使用需求，是当前亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种大功率无线充电系统及其充电控制方法，以能够对电动汽车蓄电池进行快速高效充电。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种大功率无线充电系统，包括依次连接的PFC(Power Factor Correcter，功率因数校正)整流模块、高频逆变器、谐振单元和高频整流器，所述PFC整流模块与电网相连接，所述高频整流器与车辆蓄电池连接，所述PFC整流模块和高频逆变器分别与地端控制模块连接，所述地端控制模块连接有车端信息采集模块，所述车端信息采集模块用于采集车端电流、车端电压以及BMS(BatteryManagement System，电池管理系统)数据，所述地端控制模块用于分别控制PFC整流模块以及高频逆变器的工作状态，以实现恒流、恒功率和恒压的三段式充电。
进一步地，所述地端控制模块包括分别与PFC控制器、电流控制器相连接的充电控制器，所述PFC控制器与PFC整流模块连接，所述电流控制器与高频逆变器连接。
进一步地，所述高频整流器与车辆蓄电池之间连接有DC/DC变换器。
进一步地，所述地端控制模块包括分别与PFC控制器、电流控制器性连接的寻优控制器，所述PFC控制器与PFC整流模块连接，所述电流控制器与高频逆变器连接。
进一步地，所述车端信息采集模块通过无线通讯方式与地端控制模块相连接。
进一步地，所述BMS数据包括电池SOC状态、BMS信息、故障信息以及车辆身份信息。
进一步地，所述PFC整流模块具体为三相全桥整流模块，所述高频逆变器具体为全桥逆变器。
进一步地，所述谐振单元采用S-S拓扑结构。
一种大功率无线充电控制方法，针对PFC集中式供电方式，由所述充电控制器根据当前充电状态，输出对应电流参考信号给电流控制器，使高频逆变器通过移相改变工作状态；
针对PFC分散供电方式，由所述充电控制器根据当前充电状态，输出对应电压参考信号给PFC控制器，此时高频逆变器采用谐振频率下满占空比运行方式，当PFC直流母线电压达到设定的下限值时，充电控制器根据当前充电状态，输出对应电流参考信号给电流控制器，使高频逆变器通过移相改变工作状态。
一种大功率无线充电控制方法，针对PFC集中式供电方式，由所述寻优控制器根据当前PFC整流模块输出的电压和电流，输出对应于效率最优的电流参考信号给电流控制器，使高频逆变器通过移相改变工作状态；
针对PFC分散供电方式，由所述寻优控制器根据当前PFC整流模块输出的电压和电流，输出对应于效率最优的电压参考信号给PFC控制器，此时高频逆变器采用谐振频率下满占空比运行方式，当PFC直流母线电压达到设定的下限值时，寻优控制器根据当前PFC整流模块输出的电压和电流，输出对应电流参考信号给电流控制器，使高频逆变器通过移相改变工作状态。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过设置依次连接的PFC整流模块、高频逆变器、谐振单元和高频整流器，并将PFC整流模块和高频逆变器分别与地端控制模块连接，地端控制模块连接有车端信息采集模块，利用地端控制模块分别控制PFC整流模块以及高频逆变器的工作状态，使得地端控制模块能够根据当前的充电状态或PFC整流输出值，相应输出控制信号给PFC整流模块和高频逆变器，由此能够实现恒流、恒功率和恒压的三段式充电，从而保证充电的速度和效率；
本发明考虑车端不设DC/DC变换器和设置DC/DC变换器的情况，并针对PFC集中供电方式和PFC分散供电方式，分别提出对应的充电控制方法，以实现通过PWM信号控制PFC整流模块、通过移相角度信号控制高频逆变器的目的，进一步保证无线充电的可靠性。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的电路拓扑示意图；
图3为蓄电池充电电压电流随等效负载电阻变化曲线；
图4为蓄电池充电功率随等效负载电阻变化曲线；
图5为高频逆变器移相控制方式-充电功能闭环控制框图；
图6为PFC PWM控制方式-充电功能闭环控制框图；
图7为高频逆变器移相控制方式-效率寻优功能闭环控制框图；
图8为PFC PWM控制方式-效率寻优闭环控制框图；
图9为DC/DC变换器-充电功能闭环控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1和图2所示，一种大功率无线充电系统，包括依次连接的PFC、整流模块、高频逆变器、谐振单元和高频整流器，PFC整流模块与电网相连接，高频整流器与车辆蓄电池连接，PFC整流模块和高频逆变器分别与地端控制模块连接，地端控制模块连接有车端信息采集模块，车端信息采集模块用于采集车端电流、车端电压以及BMS数据(包括电池SOC状态、BMS信息、故障信息以及车辆身份信息)，地端控制模块用于分别控制PFC整流模块以及高频逆变器的工作状态，以实现恒流、恒功率和恒压的三段式充电，本实施例中，车端信息采集模块通过无线通讯方式与地端控制模块相连接；PFC整流模块具体为三相全桥整流模块，高频逆变器具体为全桥逆变器；谐振单元采用S-S拓扑结构。
当车端没有设DC/DC变换器时，地端控制模块包括分别与PFC控制器、电流控制器相连接的充电控制器，PFC控制器与PFC整流模块连接，电流控制器与高频逆变器连接。对应的充电控制方法为：针对PFC集中式供电方式，由充电控制器根据当前充电状态，输出对应电流参考信号给电流控制器，使高频逆变器通过移相改变工作状态；
针对PFC分散供电方式，由充电控制器根据当前充电状态，输出对应电压参考信号给PFC控制器，此时高频逆变器采用谐振频率下满占空比运行方式，当PFC直流母线电压达到设定的下限值时，充电控制器根据当前充电状态，输出对应电流参考信号给电流控制器，使高频逆变器通过移相改变工作状态。
当车端设有DC/DC变换器时，即高频整流器与车辆蓄电池之间连接有DC/DC变换器，则地端控制模块包括分别与PFC控制器、电流控制器性连接的寻优控制器，实际应用中，在具备相应硬件电路前提下，可通过调整负载电阻折算偶合机构侧的阻值实现效率寻优控制，PFC控制器与PFC整流模块连接，电流控制器与高频逆变器连接，对应的充电控制方法为：针对PFC集中式供电方式，由寻优控制器根据当前PFC整流模块输出的电压和电流，输出对应于效率最优的电流参考信号给电流控制器，使高频逆变器通过移相改变工作状态；
针对PFC分散供电方式，由寻优控制器根据当前PFC整流模块输出的电压和电流，输出对应于效率最优的电压参考信号给PFC控制器，此时高频逆变器采用谐振频率下满占空比运行方式，当PFC直流母线电压达到设定的下限值时，寻优控制器根据当前PFC整流模块输出的电压和电流，输出对应电流参考信号给电流控制器，使高频逆变器通过移相改变工作状态。
本实施例中，电网输入电压的范围为380VDC±15％；三相全桥整流模块实现三相全桥整流电路实现对电网电压的PFC整流，输出600-800VDC，最大效率不小于99％；全桥逆变器将整流后的直流电压逆变成85kHz的高频交流电，逆变桥的输出电压范围0-720V，效率达到99％以上；谐振单元采用S-S拓扑结构，频率为85kHz，最大效率达到95％以上；车端设备的单相全桥二极管整流将谐振单元输出的高频交流电整流成直流电，效率达到99％以上；车端设备的DC/DC变换器为可选电路，效率达到99％以上；无线充电的输出电压范围为400-700VDC，最大电流为50A，负载为蓄电池。
本技术方案采用三段式充电方案，结合图3、图4可知，A点为恒流充电起点，B点为恒流与恒功率充电交接点，C点为恒功率与恒压浮充的阶段交接点，D点为充电终点，从图中可看出B点输出功率最高且输出电流最大，C点输出功率最高且输出电压最高。随着充电的进行，充电电压逐渐升高，电流逐渐减小，等效直流电阻逐渐增大。
在具体的充电控制过程中，如图5和图6所示，对于车端不含DC/DC环节，控制实现充电功能，车端电压、电流采样，BMS系统传输数据(包括电池SOC、BMS信息、故障信息、身份信息)通过无线通讯传输至地端。
PFC集中式供电系统，充电控制器输出作为高频逆变器电流控制器内环指令，高频逆变器通过移相来控制实现充电控制功能；PFC分散式供电系统，充电控制器输出作为PFC系统控制器电压指令由PFC整流器控制实现，该阶段高频逆变器采用谐振频率下满占空比运行，在充电末端PFC直流母线电压到达其下限值后，充电控制器输出切换作为高频逆变器电流环指令实现控制功能。
如图7、8、9所示，对于车端包含DC/DC环节，控制实现充电功能及效率寻优功能，BMS系统传输数据(包括电池SOC、BMS信息、故障信息、身份信息)通过无线通讯传输至地端。
含DC/DC系统中，充电功能由DC/DC变换器控制实现，寻优控制器通过改变输出电量指令值，寻找逆变器输入功率最小点，实现效率寻优。PFC集中式供电系统，寻优控制器输出作为高频逆变器电流控制器内环指令，高频逆变器通过移相来控制实现充电控制功能；PFC分散式供电系统，寻优控制器输出作为PFC系统控制器电压指令由PFC整流器控制实现，该阶段高频逆变器采用谐振频率下满占空比运行。在充电末端PFC直流母线电压到达其下限值后，寻优控制器输出切换作为高频逆变器电流环指令实现控制功能。
综上可知，本发明采用了恒流(CC)、恒功率(CP)和恒压(CV)的三段式充电方案，可以在充电机的最大输出功率一定的情况下，尽可能提高蓄电池恒流充电的电流大小和恒压充电的电压大小，从而实现蓄电池的快速充电；同时考虑拥有多个充电车位充电站采用PFC集中供电模式，对于充电车位比较单一场合采用PFC分散供电模式，由此针对车端不含DC/DC环节与车端含DC/DC环节，分别设计高频逆变器移相控制方式与PFC-PWM控制方式，由此保证无线充电的全面性以及高效性。

Claims (6)

1.一种充电控制方法，应用于一种大功率无线充电系统，其特征在于，该系统包括依次连接的PFC整流模块、高频逆变器、谐振单元和高频整流器，所述PFC整流模块与电网相连接，所述高频整流器与车辆蓄电池连接，所述PFC整流模块和高频逆变器分别与地端控制模块连接，所述地端控制模块连接有车端信息采集模块，所述车端信息采集模块用于采集车端电流、车端电压以及BMS数据，所述地端控制模块用于分别控制PFC整流模块以及高频逆变器的工作状态，以实现恒流、恒功率和恒压的三段式充电；
所述高频整流器与车辆蓄电池之间连接有DC/DC变换器，所述地端控制模块包括分别与PFC控制器、电流控制器性连接的寻优控制器，所述PFC控制器与PFC整流模块连接，所述电流控制器与高频逆变器连接；
该充电控制方法，针对PFC集中式供电方式，由所述寻优控制器根据当前PFC整流模块输出的电压和电流，输出对应于效率最优的电流参考信号给电流控制器，使高频逆变器通过移相改变工作状态；
针对PFC分散供电方式，由所述寻优控制器根据当前PFC整流模块输出的电压和电流，输出对应于效率最优的电压参考信号给PFC控制器，此时高频逆变器采用谐振频率下满占空比运行方式，当PFC直流母线电压达到设定的下限值时，寻优控制器根据当前PFC整流模块输出的电压和电流，输出对应电流参考信号给电流控制器，使高频逆变器通过移相改变工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种充电控制方法，其特征在于，所述地端控制模块包括分别与PFC控制器、电流控制器相连接的充电控制器，所述PFC控制器与PFC整流模块连接，所述电流控制器与高频逆变器连接。
3.根据权利要求1所述的一种充电控制方法，其特征在于，所述车端信息采集模块通过无线通讯方式与地端控制模块相连接。
4.根据权利要求1所述的一种充电控制方法，其特征在于，所述BMS数据包括电池SOC状态、BMS信息、故障信息以及车辆身份信息。
5.根据权利要求1所述的一种充电控制方法，其特征在于，所述PFC整流模块具体为三相全桥整流模块，所述高频逆变器具体为全桥逆变器。
6.根据权利要求1所述的一种充电控制方法，其特征在于，所述谐振单元采用S-S拓扑结构。
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