CN114024374B - 二轮电动车无线充电系统及异物检测和功率调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了二轮电动车无线充电系统及异物检测和功率调节方法，包括单相整流电路D₁‑D₄、PFC电路D_F1‑L_F1‑G_F1、半桥逆变电路S₁‑S₂、LC补偿电路C₁‑L₂‑C₂‑L₂、整流电路D_r1‑D_r4、发射端控制器和接收端控制器，所述发射端控制器还包括发射端MCU处理器、驱动电路模块和发射端通讯基站，所述接收端控制器还包括包括接收端MCU处理器和接收端通讯基站。本发明中，采用无线充电代替有线充电，系统包括单相整流电路D₁‑D₄、PFC电路D_F1‑L_F1‑G_F1、半桥逆变电路S₁‑S₂、LC补偿电路C₁‑L₂‑C₂‑L₂、整流电路D_r1‑D_r4、发射端控制器和接收端控制器，发射端控制器根据检测到的车载电池U_b状态信息，采用恒压和恒流充电模式，发射端控制器通过调节系统的工作频率，实现系统传输功率的调节，为二轮电动车充电。

Description

二轮电动车无线充电系统及异物检测和功率调节方法

技术领域

本发明涉及二轮电动车充电技术领域，尤其涉及二轮电动车无线充电系统及异物检测和功率调节方法。

背景技术

我国电动自行车保有量达到了3亿的规模，每天有高达1亿次的充电次数，但是由于多数老旧小区都没有充电棚或充电桩等充电设施，居民私拉电线给电动自行车充电的现象非常普遍，然而，私拉电线存在很大的安全隐患，居民私拉的电线没有加装防护设施，电线在悬空状态下极易与墙体摩擦导致线体磨损，引发漏电事故，且私拉的电线还容易短路，引发火灾。

无论是广大二轮电动车用户的迫切需求，还是促进国家生态经济发展，无线充电系统的发展都将使我们的生活变得更加安全智慧，更加现代化，更加便捷，因此，本发明提供一种二轮电动车无线充电系统及异物检测和功率调节方法。

发明内容

为了解决上述背景技术中所提到的技术问题，而提出的二轮电动车无线充电系统及异物检测和功率调节方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

二轮电动车无线充电系统，包括单相整流电路D₁-D₄、PFC电路D_F1-L_F1-G_F1、半桥逆变电路S₁-S₂、LC补偿电路C₁-L₂-C₂-L₂、整流电路D_r1-D_r4、发射端控制器和接收端控制器，所述发射端控制器和接收端控制器均包括温度检测模块、电压采样模块、电流采样模块，所述发射端控制器还包括发射端MCU处理器、驱动电路模块和发射端通讯基站，所述接收端控制器还包括接收端MCU处理器和接收端通讯基站；

所述发射端控制器通过发射端MCU处理器控制驱动电路模块产生不同工作频率的驱动信号，驱动半桥逆变电路S₁-S₂工作在不同的频率，从而实现系统传输功率的调节。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述发射端MCU处理器中存储有车载电池充电特性曲线，且车载电池充电特性曲线包括恒流充电模式和恒压充电模式，当车载电池U_b电压小于恒压电压时，进入恒流充电模式，当车载电池U_b电压大于恒压充电电压时，进入恒压充电模式，当车载电池U_b电压大于电池充满电压时，车载电池U_b充满。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述单相整流电路D₁-D₄输入端外接220V交流电，所述PFC电路D_F1-L_F1-G_F1输入端与单相整流电路D₁-D₄输出端相连，所述半桥逆变电路S₁-S₂输入端与PFC电路D_F1-L_F1-G_F1输出端相连，所述LC补偿电路C₁-L₂-C₂-L₂的输入端与半桥逆变电路S₁-S₂输出端相连，所述整流电路D_r1-D_r4输入端与LC补偿电路C₁-L₂-C₂-L₂输出端相连，所述整流电路D_r1-D_r4输出端与车载电池U_b相连。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述LC补偿电路C₁-L₂-C₂-L₂由发射端LC补偿电路C₁、发射线圈L₁、接收线圈L₂和接收端LC补偿电路C₂组成，所述发射线圈L₁安装在二轮电动车充电停放的地上或者墙面上，接收线圈L₂安装在二轮电动车的底盘、车篮正面或者前轮减震器的一侧。

作为上述技术方案的进一步描述：

二轮电动车无线充电系统的异物检测方法，包括以下步骤：

S1、通过发射端控制器和接收端控制器采集的电流和电压数据，分别计算系统的输入、输出功率和工作效率η，当η_异物＜η_正常时，判断发射线圈L₁存在金属异物：

其中，η_正常为不存在金属异物时系统的工作效率，η_异物存在金属异物时系统的工作效率，P_out和P_in分别为系统的输出和输入功率，P_loss为金属异物上的功率损耗；

S2、通过发射端控制器检测半桥逆变电路S₁-S₂的输出电压和电流的相位差α_测，当α_测＞α_正常时，判断发射线圈L₁存在金属异物；

其中，α_正常为不存在金属异物时电压和电流的相位差，α_测为测量得到的电压和电流的相位差，以输出电压的相位为零基准相位，输出电流的相位滞后于输出电压的相位；

步骤S1或者S2判断存在金属异物，则证明发射线圈L₁上存在金属异物，当且仅当两个步骤都判断不存在金属异物时，则证明发射线圈L₁上不存在金属异物。

作为上述技术方案的进一步描述：

二轮电动车无线充电系统的功率调节方法，包括以下步骤：

S11、系统开始工作时，发射端控制通电处于工作状态，接收端控制器没有电源供电处于关闭状态，当发射端控制器通过系统自检后，等待二轮电动车充电；

S12、二轮电动车上的接收线圈L₂置于发射线圈L₁上方时，发射线圈L₁传递周期小功率能量，激活接收端控制器工作，并建立接收端通讯基站和发射端通讯基站之间的无线通讯；

S13、接收端控制器将实时采集的车载电池U_b两端的电压和充电电流通过无线通讯方式传递给发射端控制器，发射端控制器根据车载电池U_b两端的电压和充电电流的信息，判断车载电池U_b当前的充电状态，得到充电需求电流；

S14、当发射端控制器检测到充电电流大于充电需求电流时，通过发射端MCU处理器增大半桥逆变电路S₁-S₂的工作频率，以降低车载电池U_b的充电电流，当发射端控制器检测到充电电流小于充电需求电流时，通过发射端MCU处理器降低半桥逆变电路S₁-S₂的工作频率，以增大车载电池U_b的充电电流，将车载电池U_b的充电电流调节为充电需求电流大小，实现系统的功率调节。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，采用无线充电代替有线充电，系统包括单相整流电路D₁-D₄、PFC电路D_F1-L_F1-G_F1、半桥逆变电路S₁-S₂、LC补偿电路C₁-L₂-C₂-L₂、整流电路D_r1-D_r4、发射端控制器和接收端控制器，发射线圈L₁预先安装在二轮电动车充电停放的地上或者墙面上，接收线圈L₂安装在二轮电动车的底盘、车篮正面或者前轮减震器的某一侧，根据检测到的车载电池U_b状态信息，采用恒压和恒流充电模式，发射端控制器通过调节系统的工作频率，实现系统传输功率的调节，为二轮电动车充电。

2、本发明中，通过发射端MCU处理器增大半桥逆变电路S₁-S₂的工作频率，在当前工作频率上增加Δ，以降低车载电池U_b的充电电流，当发射端控制器检测到充电电流小于充电需求电流时，通过发射端MCU处理器降低半桥逆变电路S₁-S₂的工作频率，在当前工作频率上减小Δ，以增大车载电池U_b的充电电流，将车载电池U_b的充电电流调节为充电需求电流大小，实现系统的功率调节，以避免在无线充电过程中，发射线圈L₁和接收线圈L₂的相对位置以及车载电池U_b的电压发生变化，给充电系统带来干扰，导致充电电流发生变化。

3、本发明中，发射端MCU处理器中存储有车载电池充电特性曲线，且车载电池充电特性曲线包括恒流充电模式和恒压充电模式，当车载电池U_b电压小于恒压电压时，进入恒流充电模式，当车载电池U_b电压大于恒压充电电压时，进入恒压充电模式，当车载电池U_b电压大于电池充满电压时，车载电池U_b充满。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例提供的二轮电动车无线充电系统的拓扑结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例提供的二轮电动车无线充电系统的半桥逆变电路的输出电压和电流示意图；

图3示出了根据本发明实施例提供的二轮电动车无线充电系统的发射端控制器的工作流程示意图；

图4示出了根据本发明实施例提供的二轮电动车无线充电系统的接收端控制器的工作流程示意图；

图5示出了根据本发明实施例提供的二轮充电系统的车载电池充电特性曲线图。

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。

实施例一

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：二轮电动车无线充电系统，包括单相整流电路D₁-D₄、PFC电路D_F1-L_F1-G_F1、半桥逆变电路S₁-S₂、LC补偿电路C₁-L₂-C₂-L₂、整流电路D_r1-D_r4、发射端控制器和接收端控制器，发射端控制器和接收端控制器均包括温度检测模块、电压采样模块、电流采样模块，发射端控制器还包括发射端MCU处理器、驱动电路模块和发射端通讯基站，接收端控制器还包括接收端MCU处理器和接收端通讯基站，发射端控制器通过发射端MCU处理器控制驱动电路模块产生不同工作频率的驱动信号，驱动半桥逆变电路S₁-S₂工作在不同的频率，从而实现系统传输功率的调节；

单相整流电路D₁-D₄输入端外接220V交流电，PFC电路D_F1-L_F1-G_F1输入端与单相整流电路D₁-D₄输出端相连，半桥逆变电路S₁-S₂输入端与PFC电路D_F1-L_F1-G_F1输出端相连，LC补偿电路C₁-L₂-C₂-L₂的输入端与半桥逆变电路S₁-S₂输出端相连，整流电路D_r1-D_r4输入端与LC补偿电路C₁-L₂-C₂-L₂输出端相连，整流电路D_r1-D_r4输出端与车载电池U_b相连；

LC补偿电路C₁-L₂-C₂-L₂由发射端LC补偿电路C₁、发射线圈L₁、接收线圈L₂和接收端LC补偿电路C₂组成，发射线圈L₁安装在二轮电动车充电停放的地上或者墙面上，接收线圈L₂安装在二轮电动车的底盘、车篮正面或者前轮减震器的一侧；

LC补偿电路C₁-L₂-C₂-L₂工作在谐振条件下，满足以下公式：

其中，f₀为半桥逆变电路S₁-S₂的工作频率，本实施例一中，f₀的工作范围为80～90kHz，L₁和L₂分别为发射线圈和接收线圈的感量，C₁和C₂分别为发送端和接收端串联谐振电容的容值；

发射端MCU处理器和接收端MCU处理器可以为DSP处理器、ARM处理器或者是51处理器等任何满足运算能力的处理芯片，半桥逆变电路S₁-S₂具体为两个MOS管或IGBT或MOS管并联或IGBT并联组成，驱动电路模块模块具体为SG3525或UC3875或IR2111SPBF或LM5025或KA3511或SM8015或IR2109STRPBF或TC428EOA。

请参阅图2，发射端MCU处理器中存储有车载电池充电特性曲线，且车载电池充电特性曲线包括恒流充电模式和恒压充电模式，通过判断车载电池U_b的电压，进行充电模式的切换和判断车载电池U_b是否充满，当车载电池U_b电压小于恒压电压54.6V时，进入恒流充电模式，充电电流为5A，当车载电池U_b电压大于恒压充电电压54.6V时，进入恒压充电模式，此时，充电电流随着车载电池U_b电压的升高逐渐减小，当车载电池U_b电压大于电池充满电压56V时，车载电池U_b充满，二轮电动车的车载电池U_b电压为48V。

具体的，二轮电动车无线充电系统的异物检测方法，包括以下步骤：

S1、通过发射端控制器和接收端控制器采集的电流和电压数据，分别计算系统的输入、输出功率和工作效率η，当η_异物＜η_正常时，判断发射线圈L₁存在金属异物：

其中，η_正常为不存在金属异物时系统的工作效率，η_异物存在金属异物时系统的工作效率，P_out和P_in分别为系统的输出和输入功率，P_loss为金属异物上的功率损耗；

S2、通过发射端控制器检测半桥逆变电路S₁-S₂的输出电压和电流的相位差α_测，当α_测＞α_正常时，判断发射线圈L₁存在金属异物；

其中，α_正常为不存在金属异物时电压和电流的相位差，α_测为测量得到的电压和电流的相位差，以输出电压的相位为零基准相位，输出电流的相位滞后于输出电压的相位；

步骤S1或者S2判断存在金属异物，则证明发射线圈L₁上存在金属异物，当且仅当两个步骤都判断不存在金属异物时，则证明发射线圈L₁上不存在金属异物；

当金属异物进入发射线圈L₁及接收线圈L₂之间的磁场区域时，一方面，金属异物会因涡流损耗而迅速升温，若此时接触可燃性物体，极易引发火灾，造成安全隐患,另一方面，金属异物的介入会影响无线充电系统的传输功率与传输效率，使耦合机构的某些参数发生改变，导致系统无法进行正常工作，严重时还会使系统完全停止运行，因此，需要对无线充电系统进行相应的金属异物以及生物体异物检测，高效、准确的异物检测技术对于无线充电系统运行的稳定性与安全性具有至关重要的保障作用。

请参阅图3和图4，二轮电动车无线充电系统的功率调节方法，包括以下步骤：

S11、系统开始工作时，发射端控制通电处于工作状态，接收端控制器没有电源供电处于关闭状态，当发射端控制器通过系统自检后，发射端控制器自检包括过压、过流监测，温度监测和金属异物检测，等待二轮电动车充电；

为了避免二轮电动车无线充电系统接收端设备在非充电工作模式下消耗车载电池U_b的能量，进一步降低无线充电系统接收端设备的工作时间，接收端控制器没有电源供电处于关闭状态，当无线充电系统开始工作时，发射端控制器通电处于工作状态，只有当接收线圈L₂放置在发射线圈L₁上方时，接收线圈L₂接收到发射线圈L₁传递周期性小功率能量时，接收端控制器才被激活工作；

S12、二轮电动车上的接收线圈L₂置于发射线圈L₁上方时，发射线圈L₁传递周期小功率能量，激活接收端控制器工作，并建立接收端通讯基站和发射端通讯基站之间的无线通讯；

S13、接收端控制器将实时采集的车载电池U_b两端的电压和充电电流通过无线通讯方式传递给发射端控制器，发射端控制器分析接收端控制器发送的数据，包括是否请求充电信号、车载电池U_b两端电压和充电电流，当接收到接收端控制器的充电请求信号后，发射端控制器根据车载电池U_b两端的电压、充电电流和车载电池U_b充电特性曲线，判断车载电池U_b当前的充电状态，得到充电需求电流；

S14、当发射端控制器检测到充电电流大于充电需求电流时，通过发射端MCU处理器增大半桥逆变电路S₁-S₂的工作频率，在当前工作频率上增加Δ，以降低车载电池U_b的充电电流，当发射端控制器检测到充电电流小于充电需求电流时，通过发射端MCU处理器降低半桥逆变电路S₁-S₂的工作频率，在当前工作频率上减小Δ，以增大车载电池U_b的充电电流，将车载电池U_b的充电电流调节为充电需求电流大小，实现系统的功率调节，以避免在无线充电过程中，发射线圈L₁和接收线圈L₂的相对位置以及车载电池U_b的电压发生变化，给充电系统带来干扰，导致充电电流发生变化，本发明中提到的干扰为比较常见的情景，本发明所提出的抗干扰的功率调节方法，可以应对任何对无线充电系统的充电电流产生扰动的干扰，实现稳定的充电电流和充电功率调节；

其中，当Δ越大时，越能更快的到达需求的充电电流，但是同时会导致越大的充电电流波动，当Δ越小时，充电系统越能更加平稳的的到达需求的充电电流，但是同时会导致调节时间越长，Δ的大小根据充电系统的实际情况进行选择，通过选定合适的Δ，在充电过程中反复调整半桥逆变器的工作频率，即使在系统存在干扰的情况下，也能将车载电池的充电电流调节稳定为充电需求电流大小，实现系统功率的调节。

请参阅图4，首先，为了保证本发明提出的二轮电动车无线充电系统地安全工作，在上述工作流程中，实时的会进行发射端控制器和接收端控制器的自检程序，当检测到过压、过流或者过温信号，或者收到接收端异常信号时，无线充电系统会立刻停止工作，结束充电，并发出相关异常报警信号，其次，在本发明提出的无线充电系统中，接收端控制器和发射端控制器相互配合工作，接收端控制器的工作流程图如图4所示，由于在接收发射端控制器的工作流程时，已经涵盖了发射端控制器的相关工作流程，因此，这里不再赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.二轮电动车无线充电系统，其特征在于，包括单相整流电路D₁-D₄、PFC电路D_F1-L_F1-G_F1、半桥逆变电路S₁-S₂、LC补偿电路C₁-L₂-C₂-L₂、整流电路D_r1-D_r4、发射端控制器和接收端控制器，所述发射端控制器和接收端控制器均包括温度检测模块、电压采样模块、电流采样模块，所述发射端控制器还包括发射端MCU处理器、驱动电路模块和发射端通讯基站，所述接收端控制器还包括接收端MCU处理器和接收端通讯基站；

所述发射端控制器通过发射端MCU处理器控制驱动电路模块产生不同工作频率的驱动信号，驱动半桥逆变电路S₁-S₂工作在不同的频率，从而实现系统传输功率的调节；

所述单相整流电路D₁-D₄输入端外接220V交流电，所述PFC电路D_F1-L_F1-G_F1输入端与单相整流电路D₁-D₄输出端相连，所述半桥逆变电路S₁-S₂输入端与PFC电路D_F1-L_F1-G_F1输出端相连，所述LC补偿电路C₁-L₂-C₂-L₂的输入端与半桥逆变电路S₁-S₂输出端相连，所述整流电路D_r1-D_r4输入端与LC补偿电路C₁-L₂-C₂-L₂输出端相连，所述整流电路D_r1-D_r4输出端与车载电池U_b相连；

二轮电动车无线充电系统的功率调节方法，包括以下步骤：

S11、系统开始工作时，发射端控制通电处于工作状态，接收端控制器没有电源供电处于关闭状态，当发射端控制器通过系统自检后，等待二轮电动车充电；

S12、二轮电动车上的接收线圈L₂置于发射线圈L₁上方时，发射线圈L₁传递周期小功率能量，激活接收端控制器工作，并建立接收端通讯基站和发射端通讯基站之间的无线通讯；

S13、接收端控制器将实时采集的车载电池U_b两端的电压和充电电流通过无线通讯方式传递给发射端控制器，发射端控制器根据车载电池U_b两端的电压和充电电流的信息，判断车载电池U_b当前的充电状态，得到充电需求电流；

S14、当发射端控制器检测到充电电流大于充电需求电流时，通过发射端MCU处理器增大半桥逆变电路S₁-S₂的工作频率，以降低车载电池U_b的充电电流，当发射端控制器检测到充电电流小于充电需求电流时，通过发射端MCU处理器降低半桥逆变电路S₁-S₂的工作频率，以增大车载电池U_b的充电电流，将车载电池U_b的充电电流调节为充电需求电流大小，实现系统的功率调节。

2.根据权利要求1所述的二轮电动车无线充电系统，其特征在于，所述发射端MCU处理器中存储有车载电池充电特性曲线，且车载电池充电特性曲线包括恒流充电模式和恒压充电模式，当车载电池U_b电压小于恒压电压时，进入恒流充电模式，当车载电池U_b电压大于恒压充电电压时，进入恒压充电模式，当车载电池U_b电压大于电池充满电压时，车载电池U_b充满。

3.根据权利要求1所述的二轮电动车无线充电系统，其特征在于，所述LC补偿电路C₁-L₂-C₂-L₂由发射端LC补偿电路C₁、发射线圈L₁、接收线圈L₂和接收端LC补偿电路C₂组成，所述发射线圈L₁安装在二轮电动车充电停放的地上或者墙面上，接收线圈L₂安装在二轮电动车的底盘、车篮正面或者前轮减震器的一侧。

4.根据权利要求1所述的二轮电动车无线充电系统的异物检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过发射端控制器和接收端控制器采集的电流和电压数据，分别计算系统的输入、输出功率和工作效率η，当η_异物＜η_正常时，判断发射线圈L₁存在金属异物：

其中，η_正常为不存在金属异物时系统的工作效率，η_异物存在金属异物时系统的工作效率，P_out和P_in分别为系统的输出和输入功率，P_loss为金属异物上的功率损耗；

S2、通过发射端控制器检测半桥逆变电路S₁-S₂的输出电压和电流的相位差α_测，当α_测＞α_正常时，判断发射线圈L₁存在金属异物；

其中，α_正常为不存在金属异物时电压和电流的相位差，α_测为测量得到的电压和电流的相位差，以输出电压的相位为零基准相位，输出电流的相位滞后于输出电压的相位；

步骤S1或者S2判断存在金属异物，则证明发射线圈L₁上存在金属异物，当且仅当两个步骤都判断不存在金属异物时，则证明发射线圈L₁上不存在金属异物。