CN115230500A - 基于屏蔽板耦合电压检测位置的电动汽车无线充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体公开了一种基于屏蔽板耦合电压检测位置的电动汽车无线充电系统，包括能量传输电路和电压位置检测电路；能量传输电路设有能量收发线圈，能量发射线圈下方固定有原边屏蔽板，能量接收线圈上方固定有副边屏蔽板；电压位置检测电路包括直流电源、高频逆变电路、原边谐振补偿网络、原边屏蔽板，以及副边屏蔽板、副边谐振补偿网络、整流滤波电路和负载，还包括电压检测器以及控制器，电压检测器测量副边谐振补偿网络的输出电压，控制器根据该输出电压计算纵向偏移量。本发明借助于能量传输电路的原副边屏蔽板，构建了采用电场耦合方式的电压位置检测电路，通过检测副边输出电压，实现原、副边线圈的位置检测。

Description

基于屏蔽板耦合电压检测位置的电动汽车无线充电系统
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种基于屏蔽板耦合电压检测位置的电动汽车无线充电系统。
背景技术
随着电动汽车应用普及，而无线充电技术具有灵活、可靠、安全等优点，电动汽车无线充电技术应用越来越广泛。在电动汽车充电时，需要接收端线圈对发射端的线圈位置进行感知，以此来提高耦合机构的耦合系数，提高系统的效率。
而传统的通过磁场的感受方法容易受到外界金属异物或者金属屏蔽而导致效率低下，无法高效地使原、副边感知。此外，额外的感知线圈会与能量通道的线圈产生互感，使系统结构变得更加复杂，降低系统的效率。因此迫切需要一种不容易被影响的、高效的位置感知方法。
发明内容
本发明提供基于屏蔽板耦合电压检测位置的电动汽车无线充电系统，解决的技术问题：如何不容易被影响地、高效地感知副边的纵向偏移情况。
为解决以上技术问题，本发明提供一种基于屏蔽板耦合电压检测位置的电动汽车无线充电系统，包括能量传输电路和电压位置检测电路；
所述能量传输电路设有能量发射线圈和能量接收线圈，所述能量发射线圈下方固定有原边屏蔽板，所述能量接收线圈上方固定有副边屏蔽板；
所述电压位置检测电路包括顺序连接的直流电源、高频逆变电路、原边谐振补偿网络、所述原边屏蔽板，以及顺序连接的所述副边屏蔽板、副边谐振补偿网络、整流滤波电路和负载，还包括电压检测器以及控制器，所述电压检测器用于测量所述副边谐振补偿网络的输出电压，所述控制器用于根据所述副边谐振补偿网络的输出电压计算所述能量接收线圈相对于所述能量发射线圈的纵向偏移量。
优选的，所述原边屏蔽板包括横向排布的第一原边屏蔽板、第二原边屏蔽板，所述副边屏蔽板包括横向排布的第一副边屏蔽板、第二副边屏蔽板；所述第一原边屏蔽板与所述第一副边屏蔽板相对，之间的耦合电容为Cs1；所述第二原边屏蔽板与所述第二副边屏蔽板相对，之间的耦合电容为Cs2，四块屏蔽板等效为一个耦合电容Cs，且满足
Figure BDA0003761398040000021
优选的，所述第一原边屏蔽板、所述第二原边屏蔽板、所述第一副边屏蔽板、所述第二副边屏蔽板均采用边长为l的方形单电容极板。
优选的，所述原边谐振补偿网络采用第一LLC补偿网络，包括顺序连接在所述高频逆变电路的第一逆变输出端与所述第一原边屏蔽板之间的原边第一谐振电感L11和原边第二谐振电感L12，以及连接在L11、L12的公共端与所述第二原边屏蔽板之间的原边谐振电容C11；
所述副边谐振补偿网络采用第二LLC补偿网络，包括顺序连接在所述整流滤波电路的第一整流输入端与所述第一副边屏蔽板之间的副边第一谐振电感L21和副边第二谐振电感L22，以及连接在L21、L22的公共端与所述第二副边屏蔽板之间的副边谐振电容C21。
优选的，所述原边第二谐振电感L12采用串联的第一电感LT和第二电感LS，且满足关系
Figure BDA0003761398040000022
Figure BDA0003761398040000023
表示所述第一LLC补偿网络的输入电压，
Figure BDA0003761398040000024
表示所述第二LLC补偿网络的输出电压。
优选的，所述控制器根据所述副边谐振补偿网络的输出电压计算所述能量接收线圈相对于所述能量发射线圈的纵向偏移量，依照公式：
Figure BDA0003761398040000025
其中，ε是介电常数，ω是系统的工作角频率，d1是所述原边屏蔽板与所述副边屏蔽板之间的距离，d为纵向偏移量。
优选的，所述高频逆变电路采用由4个MOS管搭建的全桥逆变器。
优选的，所述整流滤波电路采用由4个二极管搭建的全桥整流器。
本发明提供的一种基于屏蔽板耦合电压检测位置的电动汽车无线充电系统，借助于能量传输电路的原副边屏蔽板，构建了采用电场耦合方式的电压位置检测电路，通过检测副边输出电压，并根据电压与纵向偏移量之间的关系确定能量传输电路中副边线圈的纵向偏移量，实现原、副边线圈的位置检测。
附图说明
图1是本发明实施例提供的电压位置检测电路的电路原理图；
图2是本发明实施例提供的原边屏蔽板和副边屏蔽板的示意图；
图3是本发明实施例提供的耦合电容的等效示意图；
图4是本发明实施例提供的图1的等效示意图；
图5是本发明实施例提供的Cs随d的线性变化图；
图6是本发明实施例提供的
Figure BDA0003761398040000031
的有效值随d的变化图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
本发明实施例提供一种基于屏蔽板耦合电压检测位置的电动汽车无线充电系统，如图1所示，包括能量传输电路和电压位置检测电路。能量传输电路设有能量发射线圈和能量接收线圈，能量发射线圈下方固定有原边屏蔽板，能量接收线圈上方固定有副边屏蔽板。
电压位置检测电路包括顺序连接的直流电源、高频逆变电路、原边谐振补偿网络、原边屏蔽板，以及顺序连接的副边屏蔽板、副边谐振补偿网络、整流滤波电路和负载，还包括电压检测器以及控制器，电压检测器用于测量副边谐振补偿网络的输出电压，控制器用于根据副边谐振补偿网络的输出电压计算能量接收线圈相对于能量发射线圈的纵向偏移量。其中原边屏蔽板与副边屏蔽板共同构成电场耦合机构。
可以看到，原边谐振补偿网络采用第一LLC补偿网络，包括顺序连接在高频逆变电路的第一逆变输出端与第一原边屏蔽板之间的原边第一谐振电感L11和原边第二谐振电感L12，以及连接在L11、L12的公共端与第二原边屏蔽板之间的原边谐振电容C11。副边谐振补偿网络采用第二LLC补偿网络，包括顺序连接在整流滤波电路的第一整流输入端与第一副边屏蔽板之间的副边第一谐振电感L21和副边第二谐振电感L22，以及连接在L21、L22的公共端与第二副边屏蔽板之间的副边谐振电容C21。高频逆变电路采用4个MOS管搭建的全桥逆变器。整流滤波电路采用4个二极管搭建的全桥整流器。
如图2所示，原边屏蔽板包括横向排布的第一原边屏蔽板即P1、第二原边屏蔽板即P2。副边屏蔽板包括横向排布的第一副边屏蔽板即P3、第二副边屏蔽即P4。第一原边屏蔽板与第一副边屏蔽板相对，之间的耦合电容为Cs1。第二原边屏蔽板与第二副边屏蔽板相对，之间的耦合电容为Cs2。四块屏蔽板等效为一个耦合电容Cs，如图3所示，且满足
Figure BDA0003761398040000041
本实施例优选的，第一原边屏蔽板、第二原边屏蔽板、第一副边屏蔽板、第二副边屏蔽板均采用边长为l的方形单电容极板。
如图4所示，原边第二谐振电感L12采用串联的第一电感LT和第二电感LS，且满足关系
Figure BDA0003761398040000042
Figure BDA0003761398040000043
表示第一LLC补偿网络的输入电压，
Figure BDA0003761398040000044
表示第二LLC补偿网络的输出电压。
根据系统谐振关系式以及上述两式，可得：
Figure BDA0003761398040000045
其中ε是介电常数，ω＝2πf是系统的工作角频率(f为工作频率)，d1是原边屏蔽板与副边屏蔽板之间的距离，d为纵向偏移量。从而控制器可直接根据测量得到的电压值计算得出对应的纵向偏移量。
当极板沿Y方向偏移时，Cs会随着其变化而变化。在仿真中，其变化趋势如下图5所示。可以看出，Cs随d是线性变化的。选择系统参数如下表1所示：
表1
Figure BDA0003761398040000051
输出电压
Figure BDA0003761398040000052
的有效值随偏移量d的变化曲线如图6所示。
可以根据此曲线中的输出电压值来确定极板偏移的距离，以此来确定两个极板间也即原副边两个线圈间的相对位置。
综上，本发明实施例提供的一种基于屏蔽板耦合电压检测位置的电动汽车无线充电系统，借助于能量传输电路的原副边屏蔽板，构建了采用电场耦合方式的电压位置检测电路，通过检测副边输出电压，并根据电压与纵向偏移量之间的关系确定能量传输电路中副边线圈的纵向偏移量，实现原、副边线圈的位置检测。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于屏蔽板耦合电压检测位置的电动汽车无线充电系统，其特征在于，包括能量传输电路和电压位置检测电路；
所述能量传输电路设有能量发射线圈和能量接收线圈，所述能量发射线圈下方固定有原边屏蔽板，所述能量接收线圈上方固定有副边屏蔽板；
所述电压位置检测电路包括顺序连接的直流电源、高频逆变电路、原边谐振补偿网络、所述原边屏蔽板，以及顺序连接的所述副边屏蔽板、副边谐振补偿网络、整流滤波电路和负载，还包括电压检测器以及控制器，所述电压检测器用于测量所述副边谐振补偿网络的输出电压，所述控制器用于根据所述副边谐振补偿网络的输出电压计算所述能量接收线圈相对于所述能量发射线圈的纵向偏移量。
2.根据权利要求1所述的基于屏蔽板耦合电压检测位置的电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述原边屏蔽板包括横向排布的第一原边屏蔽板、第二原边屏蔽板，所述副边屏蔽板包括横向排布的第一副边屏蔽板、第二副边屏蔽板；所述第一原边屏蔽板与所述第一副边屏蔽板相对，之间的耦合电容为Cs1；所述第二原边屏蔽板与所述第二副边屏蔽板相对，之间的耦合电容为Cs2，四块屏蔽板等效为一个耦合电容Cs，且满足
Figure FDA0003761398030000011
3.根据权利要求2所述的基于屏蔽板耦合电压检测位置的电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述第一原边屏蔽板、所述第二原边屏蔽板、所述第一副边屏蔽板、所述第二副边屏蔽板均采用边长为l的方形单电容极板。
4.根据权利要求3所述的基于屏蔽板耦合电压检测位置的电动汽车无线充电系统，其特征在于：
所述原边谐振补偿网络采用第一LLC补偿网络，包括顺序连接在所述高频逆变电路的第一逆变输出端与所述第一原边屏蔽板之间的原边第一谐振电感L11和原边第二谐振电感L12，以及连接在L11、L12的公共端与所述第二原边屏蔽板之间的原边谐振电容C11；
所述副边谐振补偿网络采用第二LLC补偿网络，包括顺序连接在所述整流滤波电路的第一整流输入端与所述第一副边屏蔽板之间的副边第一谐振电感L21和副边第二谐振电感L22，以及连接在L21、L22的公共端与所述第二副边屏蔽板之间的副边谐振电容C21。
5.根据权利要求4所述的基于屏蔽板耦合电压检测位置的电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述原边第二谐振电感L12采用串联的第一电感LT和第二电感LS，且满足关系
Figure FDA0003761398030000021
Figure FDA0003761398030000022
表示所述第一LLC补偿网络的输入电压，
Figure FDA0003761398030000023
表示所述第二LLC补偿网络的输出电压。
6.根据权利要求5所述的基于屏蔽板耦合电压检测位置的电动汽车无线充电系统，其特征在于，所述控制器根据所述副边谐振补偿网络的输出电压计算所述能量接收线圈相对于所述能量发射线圈的纵向偏移量，依照公式：
Figure FDA0003761398030000024
其中，ε是介电常数，ω是系统的工作角频率，d1是所述原边屏蔽板与所述副边屏蔽板之间的距离，d为纵向偏移量。
7.根据权利要求1～6任一项所述的基于屏蔽板耦合电压检测位置的电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述高频逆变电路采用由4个MOS管搭建的全桥逆变器。
8.根据权利要求1～6任一项所述的基于屏蔽板耦合电压检测位置的电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述整流滤波电路采用由4个二极管搭建的全桥整流器。
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