CN115246330A - 电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制方法及系统 - Google Patents

电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制方法及系统，包括步骤：Step1：维持初始态，通过电流检测是否有电动进入充电区域；Step2：切换至LCC拓扑态，通过电流检测判定接收端的拓扑结构，如果接收端是P型结构，则切换为S拓扑态，按第一计价标准按时计费；如果接收端是LCC型结构，则维持LCC拓扑态，按第二计价标准按时计费；如果接收端是S型结构，则维持LCC拓扑态，按第三计价标准按时计费；Step3：检测电动汽车是否脱离充电状态，如果脱离，则充电结束；其效果是：既可用于静态无线充电，又可用于动态无线充电，能够适应不同副边拓扑结构的电动汽车，通过改变原边拓扑结构和计价方式，使得系统的兼容性和合理性更强。

Description

电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制方法及系统
技术领域
本申请涉及电动汽车无线充电技术领域，尤其涉及一种电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制方法及系统。
背景技术
无线充电系统(Wireless charging systems，WCSs)由于不需要电缆连接，自动化程度高，在电动汽车领域得到了广泛的应用。WCSs主要分为两种，静态无线充电系统和动态无线充电系统。然而，由于不同制造商设计的线圈和补偿网络结构不一致，不同补偿网络之间的兼容性和互操作性一直是一个关键问题。
电动汽车互操作性问题包括：不同功率等级之间、不同耦合机构之间、不同电路拓扑之间、相同发射端不同拾取端等等。针对电路补偿拓扑而言，文献X.Liu,X.Li,Z.Liu,etal..Interoperability Analysis and Improvement of Wireless Charging System forElectric Vehicle Application with Different Compensation Networks.2019,839-844.中分析了LCC/LCC和LCC/S补偿网络的原理，总结了其互操作性差的原因。在原有拓扑结构的基础上，增加了DC/DC变换器，提高了互操作性。
此外，在文献：电动汽车无线充电系统磁耦合机构线圈类型及补偿网络拓扑互操作性研究_张宏源[J]中，研究了在恒定负载时拓扑发生互操作时系统能否持续稳定输出，对系统输出功率变化幅度作定量分析，并对变负载条件下系统输出波形的恒压和恒流特性作定性分析，最后结合二者对补偿网络的互操作性进行综合评价。最后得出结论，S型和P型分别为原边和副边补偿网络中互操作性最强的拓扑类型。
现有技术中的研究成果大多仅仅停留在理论研究层面，在实际应用中，针对不同厂家系统拓扑不同导致兼容性不好，传输效率低，甚至计价不合理等问题，目前仍未得到很好的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制方法及系统，通过原边主动检测电动汽车拓扑架构，根据接收端不同的拓扑类型采用不同的原边拓扑结构进行匹配，且按照不同的计价标准进行按时计价，从而改善系统的兼容性和合理性。
具体而言，本发明所采用的技术方案如下：
一种电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制方法，其关键在于，包括以下步骤：
Step1：维持初始态，通过电流检测是否有电动进入充电区域；
Step2：切换至LCC拓扑态，通过电流检测判定接收端的拓扑结构，
如果接收端是P型结构，则切换为S拓扑态，按第一计价标准按时计费；
如果接收端是LCC型结构，则维持LCC拓扑态，按第二计价标准按时计费；
如果接收端是S型结构，则维持LCC拓扑态，按第三计价标准按时计费；
Step3：检测电动汽车是否脱离充电状态，如果脱离，则充电结束；
其中，电动汽车无线充电的原边电路中设置有直流电源、逆变器、电感L1p，发射线圈L1t，电容C1p，电容C2p以及第一开关S1、第二开关S2和第二开关S3；
在初始态，第二开关S2闭合，第一开关S1和第三开关S3断开，使得发射线圈L1t、电容C1p和电容C2p构成串联回路且与逆变器断开，通过检测发射线圈L1t上的感应电流判断是否有电动进入充电区域；
在LCC拓扑态，第一开关S1和第二开关S2闭合，第三开关S3断开，使得电感L1p、电容C1p和电容C2p构成LCC补偿网络，且连接在逆变器和发射线圈L1t之间；
在S拓扑态，第三开关S3闭合，第一开关S1和第二开关S2断开，使得电容C1p、电容C2p和发射线圈L1t串联在逆变器的两个输出端之间。
可选地，在LCC拓扑态，通过检测直流侧的输出电流判定接收端的拓扑结构，系统预先设定参考阈值，当检测直流侧的输出电流值大于上限阈值iH，则认定接收端的拓扑为S型结构，当检测直流侧的输出电流值小于下限阈值iL，则认定接收端的拓扑为P型结构，当检测直流侧的输出电流值处于(iL，iH)之间，则认定接收端的拓扑为LCC型结构。
可选地，所述第一计价标准<所述第二计价标准<所述第三计价标准。
可选地，在电动汽车能量接收端设置有激活线圈，当电动汽车需要充电时，所述激活线圈通电工作发出激活信号，电动汽车无线充电的原边电路在初始态下，通过所述发射线圈L1t、电容C1p和电容C2p构成串联回路接收所述激活信号，通过检测发射线圈L1t上的感应电流从而确定否有电动进入充电区域。
可选地，当电动汽车当前电量值大于预设阈值时，电动汽车的能量接收端将能量接收线圈设置成开路状态，在Step3中，通过检测直流侧的输出电流的变化情况判断电动汽车是否脱离充电状态。
可选地，该方法用于电动汽车动态无线充电系统。
可选地，该方法用于电动汽车静态无线充电系统。
此外，本发明还提供一种电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制系统，在原边设置有电能变换模块，所述电能变换模块一边连接电网，另一边按照前文所述的电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制方法进行控制并实现电动汽车无线充电。
本发明的显著效果是：
本申请提供的一种电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制方法及系统，既可用于静态无线充电，又可用于动态无线充电，能够适应不同副边拓扑结构的电动汽车，通过改变原边拓扑结构和计价方式，使得系统的兼容性和合理性更强。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为电动汽车无线充电系统结构示意图；
图2为本发明具体实施例中原边控制电路的电路原理图；
图3为本发明具体实施例中的控制流程图；
图4为LCC-S型系统电路拓扑结构图；
图5为LCC-S拓扑结构发射端等效电路图；
图6为LCC-S拓扑结构互感等效电路图；
图7为LCC-P型系统电路拓扑结构图；
图8为LCC-P拓扑结构互感等效电路图；
图9为LCC-LCC型系统电路拓扑结构图；
图10为LCC-LCC拓扑结构互感等效电路图；
图11为在动态充电系统中不同拓扑结构移动时直流侧输出的电流变化曲线；
图12为在动态充电系统中不同拓扑结构移动时输出功率曲线；
图13为P型接收端接入时，发射端拓扑切换前后功率比较图。
具体实施方式
下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。
如图1所示，针对电动汽车无线充电而言，往往在汽车底盘上设置拾取装置，在充电车位或固定的专用充电车道上设置发射导轨，通过电能变换模块实现无线电能传输。
根据当前无线充电系统的研究成果，常见的接收端拓扑结构有S型、P型和LCC型，为了适应不同的型式的接收端，在能量发射端配置有图2所示的原边电路，其中包括直流电源、逆变器、电感L1p，发射线圈L1t，电容C1p，电容C2p以及第一开关S1、第二开关S2和第二开关S3；
结合上述结构，本实施例提供一种如图3所示的电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制方法，包括以下步骤：
Step1：维持初始态，通过电流检测是否有电动进入充电区域；
Step2：切换至LCC拓扑态，通过电流检测判定接收端的拓扑结构，
如果接收端是P型结构，则切换为S拓扑态，按第一计价标准按时计费；
如果接收端是LCC型结构，则维持LCC拓扑态，按第二计价标准按时计费；
如果接收端是S型结构，则维持LCC拓扑态，按第三计价标准按时计费；
Step3：检测电动汽车是否脱离充电状态，如果脱离，则充电结束；
在初始态，第二开关S2闭合，第一开关S1和第三开关S3断开，使得发射线圈L1t、电容C1p和电容C2p构成串联回路且与逆变器断开，通过检测发射线圈L1t上的感应电流判断是否有电动进入充电区域；
通常在电动汽车能量接收端设置有激活线圈，当电动汽车需要充电时，所述激活线圈通电工作发出激活信号，电动汽车无线充电的原边电路在初始态下，通过所述发射线圈L1t、电容C1p和电容C2p构成串联回路接收所述激活信号，通过检测发射线圈L1t上的感应电流从而确定否有电动进入充电区域。
在LCC拓扑态，第一开关S1和第二开关S2闭合，第三开关S3断开，使得电感L1p、电容C1p和电容C2p构成LCC补偿网络，且连接在逆变器和发射线圈L1t之间；
在S拓扑态，第三开关S3闭合，第一开关S1和第二开关S2断开，使得电容C1p、电容C2p和发射线圈L1t串联在逆变器的两个输出端之间。
按照上述方法进行控制，当原边为LCC补偿，副边为S型拓扑时，系统构成LCC-S型拓扑，如图4所示，其中US为电源电压；L1为发射电路补偿电感；L2、L3分别为发射和接收电路的谐振线圈电感；C1为发射电路并联补偿电容；C2、C3分别为发射电路串联补偿电容和接收电路串联补偿电容；R1为发射电路补偿电感内阻；R2、R3分别为发射和接收电路的谐振线圈等效内阻；I1、IL分别为发射和接收电路的电流；M为发射和接收线圈的互感；RL为接收电路等效负载。由电路理论知，LCC-S型系统发射电路处于谐振状态时，即满足式(1)，可实现输入阻抗角为零。
Figure BDA0003757004920000061
根据图4知，接收端电路的总阻抗为：
Figure BDA0003757004920000062
将接收端折射到发射端后的等效反射阻抗为：
Figure BDA0003757004920000063
此时，发射端等效电路为图5。
在图5中，Z11、Z22分别表示为：
Z11＝R1+jωL1 (4)
Figure BDA0003757004920000064
根据图5可列出KVL方程为：
Figure BDA0003757004920000071
联立上式可以得到电流I1、I2的值分别为：
I1＝(1+jωC1Z22)I2 (7)
Figure BDA0003757004920000072
由电流I2可得负载电流IL值为：
Figure BDA0003757004920000073
接收电路的负载功率即输出功率Pout为：
Figure BDA0003757004920000074
系统的输入功率Pin为：
Pin＝|I1US| (11)
LCC-S拓扑结构电路的传输效率η为：
Figure BDA0003757004920000075
建立LCC-S补偿拓扑结构互感等效电路，为计算方便，忽略电感等效电阻，得到图6所示，设URL为LCC-S拓扑结构电路接收电路的负载电压，当发射电路发生并联谐振时，发射电路的并联电路相当于开路，则电流I2有效值为：
Figure BDA0003757004920000076
当接收端发生串联谐振时，接收电路的串联电路相当于短路，负载电压URL有效值为：
URL＝ωMI2 (14)
互感M和耦合系数k的关系满足：
Figure BDA0003757004920000077
从上式中可以看出，负载电压的大小与两线圈的互感，电源电压成正比，而与发射端串联补偿电感成反比，与负载电阻无关，可实现系统的恒压充电。
当原边为LCC补偿，副边为P型拓扑时，系统构成LCC-P型拓扑，如图7所示，根据相似的分析过程，可以得出：
Figure BDA0003757004920000081
Figure BDA0003757004920000082
式中：
Figure BDA0003757004920000083
Figure BDA0003757004920000084
Z11＝R1+jωL1
Figure BDA0003757004920000085
建立LCC-P拓扑结构互感等效电路，忽略电感的等效电阻，得到图8所示。当发射电路发生并联谐振时，发射电路的并联电路相当于开路，电流I1、I2有效值为：
Figure BDA0003757004920000086
当接收端发生并联谐振时，接收电路的并联电路相当于开路，负载电流LI有效值为：
Figure BDA0003757004920000087
联立上面的式子得到：
Figure BDA0003757004920000088
从中可以看出，负载电流的大小与两线圈的互感，电源电压成正比。而与发射端串联补偿电感，接收端谐振线圈电感，谐振角频率成反比，与负载电阻无关，可实现系统的恒流充电。
当原边为LCC补偿，副边为LCC型拓扑时，系统构成LCC-LCC型拓扑，如图9所示，根据相似的分析过程，可以得出：
Figure BDA0003757004920000091
Figure BDA0003757004920000092
式中：
Figure BDA0003757004920000093
Figure BDA0003757004920000094
Z11＝R1+jωL1
Figure BDA0003757004920000095
建立LCC-LCC拓扑结构互感等效电路，忽略电感的等效电阻，得到图10所示。
当接收电路发生并联谐振时，接收电路的并联电路开路，接收电路等效阻抗ZS为：
Figure BDA0003757004920000096
当发射电路发生并联谐振时，发射电路的并联电路开路，电流I2有效值为：
Figure BDA0003757004920000097
接收电路电流I3有效值为：
Figure BDA0003757004920000098
由上式得到负载电流IL有效值为：
Figure BDA0003757004920000099
从式中可以看出，负载电压的大小与两线圈的互感，电源电压成正比，而与发射端串联补偿电感，接收端串联补偿电感，谐振角频率成反比，与负载电阻无关，可实现系统的恒流充电。
通过上述分析发现：
(1)当拾取端为S型拓扑结构时，系统按照设定的值，输出额定功率。此时系统正常工作。
(2)当拾取端为P型拓扑结构时，根据LCC-P系统的输出电压，可以看出此时系统的输出功率极低。
(3)当拾取端为LCC型拓扑结构时,根据此时系统的输出电压，可以大致估计出此时系统的输出功率远小于S型拓扑的输出功率，但又远大于P型拓扑时系统的输出功率。
因此，针对相同的发射端，不同的拾取端匹配会使系统的输出功率出现极大的差异，在具体实施时，可以在LCC拓扑态，通过检测直流侧的输出电流判定接收端的拓扑结构，系统预先设定参考阈值，当检测直流侧的输出电流值大于上限阈值iH，则认定接收端的拓扑为S型结构，当检测直流侧的输出电流值小于下限阈值iL，则认定接收端的拓扑为P型结构，当检测直流侧的输出电流值处于(iL，iH)之间，则认定接收端的拓扑为LCC型结构，从而实现对副边拓扑结构的识别，同时，由于不同拓扑结构的接收端接入，其传输的功率和效率也明显不同，按照传统的统一计价方式也存在明显的不合理性，因此本发明设定所述第一计价标准<所述第二计价标准<所述第三计价标准。
在具体实施时，当电动汽车当前电量值大于预设阈值时，电动汽车的能量接收端将能量接收线圈设置成开路状态，在Step3中，通过检测直流侧的输出电流的变化情况判断电动汽车是否脱离充电状态。
本发明提出的电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制方法，既可以应用在电动汽车静态无线充电系统中，又可以应用于电动汽车动态无线充电系统中，为了进一步验证上述方法及系统的有效性和可行性，下面以动态无线充电系统为例设计仿真实验予以验证。
实验中原边的发射线圈为并行排列的多个矩形线圈，副边的接收线圈也为矩形线圈，耦合机构的参数按照表1进行设置，发射端LCC补偿网络参数按照表2进行设置，拾取端不同形式的拓扑结构相关的参数按照表3进行设置，图11示出了拾取端在移动过程中，LCC-S、LCC-P、LCC-LCC三种拾取端拓扑时系统发射端直流侧的电流情况，从图11中可以看出，当拾取端为不同拓扑结构时，发射端直流侧输出电流差异明显，其中LCC-S和LCC-LCC的发射端输出电流波形呈现为抛物线趋势，而LCC-P的发射端输出电流波形呈现直线趋势。因此，我们能够将此作为特征，辨识出拾取端的拓扑结构。
同时，图12为系统对应为LCC-S、LCC-P、LCC-LCC三种拾取端拓扑时，系统的输出功率情况，结合图12可以看出，可以看出拾取端不同补偿网络输出功率等级分别为S型>LCC型>P型，并且P型补偿网络的输出功率极小远低于电动汽车所需功率标准，故其不适用于电动汽车动态无线充电中，需要因此需要对发射端的拓扑进行自适应调整。
表1耦合机构参数表
Figure BDA0003757004920000111
表2发射端LCC补偿网络参数表
Figure BDA0003757004920000112
表3拾取端S型、P型、LCC型补偿网络参数表
Figure BDA0003757004920000121
结合前文的描述，当系统辨识到拾取端为P型拓扑时，需要进行切换，切换拓扑为S-P，切换后的系统拓扑参数按照表4进行设置，图13为切换拓扑前后，S-P和LCC-P拓扑系统输出功率的比较，从图13可以看出，此时S-P的输出功率大于LCC-P的输出功率。输出功率虽然不平稳，但输出功率较大能够为系统实现一定的充电，增强了系统的互操作性。
表4 S-P参数表
Figure BDA0003757004920000122
综上可以看出，本发明提出的电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制方法及系统，在不需要增加原副边额外通信的情况下，可以自动检测副边的拓扑结构，且对原边拓扑进行自适应的改变，同时按不同的结构进行区别性计费，提高了系统的互操作性和适应性，同时也更加的适应市场化运作的需求。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (8)

1.一种电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
Step1：维持初始态，通过电流检测是否有电动进入充电区域；
Step2：切换至LCC拓扑态，通过电流检测判定接收端的拓扑结构，
如果接收端是P型结构，则切换为S拓扑态，按第一计价标准按时计费；
如果接收端是LCC型结构，则维持LCC拓扑态，按第二计价标准按时计费；
如果接收端是S型结构，则维持LCC拓扑态，按第三计价标准按时计费；
Step3：检测电动汽车是否脱离充电状态，如果脱离，则充电结束；
其中，电动汽车无线充电的原边电路中设置有直流电源、逆变器、电感L1p，发射线圈L1t，电容C1p，电容C2p以及第一开关S1、第二开关S2和第二开关S3；
在初始态，第二开关S2闭合，第一开关S1和第三开关S3断开，使得发射线圈L1t、电容C1p和电容C2p构成串联回路且与逆变器断开，通过检测发射线圈L1t上的感应电流判断是否有电动进入充电区域；
在LCC拓扑态，第一开关S1和第二开关S2闭合，第三开关S3断开，使得电感L1p、电容C1p和电容C2p构成LCC补偿网络，且连接在逆变器和发射线圈L1t之间；
在S拓扑态，第三开关S3闭合，第一开关S1和第二开关S2断开，使得电容C1p、电容C2p和发射线圈L1t串联在逆变器的两个输出端之间。
2.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制方法，其特征在于，在LCC拓扑态，通过检测直流侧的输出电流判定接收端的拓扑结构，系统预先设定参考阈值，当检测直流侧的输出电流值大于上限阈值iH，则认定接收端的拓扑为S型结构，当检测直流侧的输出电流值小于下限阈值iL，则认定接收端的拓扑为P型结构，当检测直流侧的输出电流值处于(iL，iH)之间，则认定接收端的拓扑为LCC型结构。
3.根据权利要求1或2所述的电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制方法，其特征在于，所述第一计价标准<所述第二计价标准<所述第三计价标准。
4.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制方法，其特征在于，在电动汽车能量接收端设置有激活线圈，当电动汽车需要充电时，所述激活线圈通电工作发出激活信号，电动汽车无线充电的原边电路在初始态下，通过所述发射线圈L1t、电容C1p和电容C2p构成串联回路接收所述激活信号，通过检测发射线圈L1t上的感应电流从而确定否有电动进入充电区域。
5.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制方法，其特征在于，当电动汽车当前电量值大于预设阈值时，电动汽车的能量接收端将能量接收线圈设置成开路状态，在Step3中，通过检测直流侧的输出电流的变化情况判断电动汽车是否脱离充电状态。
6.根据权利要求1-5任一所述的电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制方法，其特征在于，该方法用于电动汽车动态无线充电系统。
7.根据权利要求1-5任一所述的电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制方法，其特征在于，该方法用于电动汽车静态无线充电系统。
8.一种电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制系统，其特征在于：在原边设置有电能变换模块，所述电能变换模块一边连接电网，另一边按照权利要求1-7任一所述的电动汽车无线充电原边拓扑自适应控制方法进行控制并实现电动汽车无线充电。
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