CN115986960B - 无线充电系统配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线充电系统配置方法为：预定系统可调频率范围为[f_a，f_b]；预定动力电池充电电压范围为[U_bmin，U_bmax]；根据发射端补偿电路的谐振频率，以及接收端补偿电路的谐振频率，获得发射端补偿电容的取值、还获得接收端补偿电容的取值；将多个取值的发射端补偿电容和接收端补偿电容组合，形成多个数据组，并获得每个数据组的动力电池充电电流与逆变器频率的关系，选取满足目标关系的数据组，作为最终数据组；在最终数据组中标定至少五个逆变器频率的频率值，并在这五个频率值内，调节逆变器频率。本发明的无线充电系统配置方法，可以快速高效适配多种用电设备，用于电动汽车无线充电时，还能满足低压供电的适配需求。

Description

无线充电系统配置方法

技术领域

本发明涉及无线充电领域，尤其涉及无线充电系统配置方法。

背景技术

随着无线充电技术的发展，越来越多的设备支持无线充电，小到手机、手表，大到轿车、卡车。

对于不同的充电需求，需要单独适配方案。尤其是对汽车主机厂的供应商来说，可能需要同时向多家主机厂的多种车型提供无线充电设备，这就需要针对多种不同需求，分别独立开发。这无疑增大了开发难度和开发成本。如果用在公共无线充电，如果发射端仅针对一款车型设计，就无法启动“公共充电”的作用，变成专用充电，这不符合发展需求。

另一方面，用电设备可能存在多种用电需求，以电动汽车无线充电为例，其除了基本的给动力电池充电外，还有其他用电需求，例如给动力电池预热、座椅预调温、空调预开启等等，现有技术这些用电需求都要使用车载低压电平供电，这种方法需要启动车辆才能执行，浪费低压电平的电能。

发明内容

本发明提供一种无线充电系统配置方法，可以快速高效适配多种用电设备，用于电动汽车无线充电时，还能满足低压供电的适配需求。

该无线充电系统配置方法为预定系统可调频率范围为[f_a，f_b]；预定动力电池充电电压范围为[U_bmin，U_bmax]；根据发射端补偿电路的谐振频率f₀₁，以及接收端补偿电路的谐振频率f₀₂，获得发射端补偿电容的取值C₁为：

还获得接收端补偿电容的取值C₂为：

其中，L₁为发射线圈的电感值，L₂为接收线圈的电感值，将多个取值的发射端补偿电容和接收端补偿电容组合，形成多个数据组，并获得每个数据组的动力电池充电电流与逆变器频率的关系，选取满足目标关系的数据组，作为最终数据组；在最终数据组中标定至少五个逆变器频率的频率值，并在这五个频率值内，调节逆变器频率。

优选的，所述目标关系为：

a.逆变器频率有频段满足0≤α≤π/4；α为发射端电流的相位角；

b.动力电池充电电流有≥P_e/U_bmax的状态存在；P_e为额定功率。

优选的，所述目标关系还包括：

c.在动力电池充电电压为U_bmax时，存在四个频率值，使动力电池充电电流满足额定最低电流，所述额定最低电流为P_e/U_bmax；

d.在动力电池充电电压为U_bmin时，存在四个频率值，使动力电池充电电流满足额定最高电流，所述额定最低电流为P_e/U_bmin。

优选的，所述目标关系还包括：

e.在动力电池充电电压为U_bmax时和动力电池充电电压为U_bmin时，存在一个频率值使动力电池充电电流均达到峰值；且该频率值是电流呈容性和感性的分隔点。

优选的，所述频率值的标定方法为：

第一频率值：动力电池充电电压为U_bmax时和动力电池充电电压为U_bmin时，动力电池充电电流为0；第二频率值：动力电池充电电压为U_bmax时和动力电池充电电压为U_bmin时，动力电池充电电流达到峰值；第三频率值：动力电池充电电压为U_bmax时和动力电池充电电压为U_bmin时，动力电池充电电流为0；第四频率值：动力电池充电电压为U_bmax时和动力电池充电电压为U_bmin时，动力电池充电电流达到次峰值；第五频率值：动力电池充电电压为U_bmax时和动力电池充电电压为U_bmin时，动力电池充电电流为0；从第一频率值到第五频率值的频率依次增大，且在所述预定系统可调频率范围内。

优选的，在无线充电时，配置频率范围在第二频率值和第三频率值之间，且含第二频率值和第三频率值。

优选的，在低压供电时，配置频率在第四频率值正负10%的偏差内。

本发明的无线充电系统配置方法，可以快速高效适配多种用电设备，用于电动汽车无线充电时，还能满足低压供电的适配需求。尤其在待充电设备种类较多时，该方法可以快速配置，以满足不同设备的要求。

附图说明

图1为本发明无线充电系统配置方法对应的结构示意图；

图2为本发明无线充电系统配置方法中I_b-f_s关系图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

一种无线充电系统配置方法，能够快速适配多种型号的用电设备，当然这里是指同一大类的用电设备，例如A汽车和B汽车的充电需求不同，本申请则可以根据这两款车辆搭载硬件以及软件的要求，调整无线充电输出参数，从而对两款车辆分别生成一套方案。更具体的来说，是通过配置不同的频率，就可以满足多种型号的车辆。这里主要是发射端通过配置不同的频率，能够给多种车辆无线充电。

当然，除了电动汽车，其他用电设备不排除在本申请的使用范围。当然本方案最主要的受众还是电动汽车。

为了方便理解，先参见图1，示出了无线充电系统的基础结构。分为发射端和接收端，发射端也称地端，接收端也称车端。

发射端包括依次连接的发射端整流器1、发射端逆变器2、发射端补偿电路和发射线圈L1，还包括诸如发射端控制器、发射端通信器6等。发射端补偿电路具有发射端补偿电容C₁。发射端整流器1与电源连接，例如可以是市电的供电网络。

接收端包括接收线圈L2，接收端补偿电路、接收端整流器3、滤波电路4、电源分配单元5，以及负载等。还包括诸如接收端采样器、接收端控制器、接收端通信器7等。接收端补偿电路具有接收端补偿电容C₂。负载包括了动力电池，和低压用电设备等。电源分配单元5，也称PDU，（Power Distribution Unit），其目的是分配无线充电获得电能适用于给动力电池充电，还是用于低压供电。例如在动力电池启动前通过PDU进行汽车启动前预供电，包括给动力电池和低压蓄电池预加热、空调和座椅调温等。

该方案具体的配置方法如下。

首先预定系统可调频率范围和动力电池充电的电压范围为[f_a，f_b]，这两个范围是根据需求设定的。例如本申请主要用于电动汽车无线充电领域中，预定系统可调频率范围一般是在50KHz到500KHz之间（含端点值）。预定动力电池充电的电压范围为[U_bmin，U_bmax]，一般是在300V-900V之间（含端点值）。就目前电动汽车发展来看，不会有车辆的需求超出这两个范围。

为了方便描述，系统可调频率范围为[f_a，f_b]；预定动力电池充电的电压范围为[U_bmax，U_bmin]。

然后根据发射端补偿电路的谐振频率f₀₁，获得发射端补偿电容的取值C₁；以及接收端补偿电路的谐振频率f₀₂，获得接收端补偿电容的取值C₂。这里的发射端补偿电路的谐振频率f₀₁和接收端补偿电路的谐振频率f₀₂是是可以知晓的，该谐振频率是在系统可调频率范围内的，并且二者是可以相等的，当然也包括二者不同的情形，例如充电站的发射端是共用的，就有可能导致二者并不一定相等。根据不同车型不同，接收端补偿电路的谐振频率f₀₂也并非固定值。

发射端补偿电容的取值C₁为：

接收端补偿电容的取值C₂为：

其中，L₁为发射线圈的电感值（自感值），L₂为接收线圈的电感值（自感值）。这两个电感的值是已知的。

本发明的方法，是通过预先划定了接收端补偿电路的谐振频率f₀₂、发射端补偿电路的谐振频率f₀₁、发射线圈的电感值L₁和接收线圈的电感值L₂，通过预定的这四个参数，来获取发射端补偿电容的取值C₁和接收端补偿电容的取值C₂。

需要注意的是，上述预定的这四个参数并一个固定的值，它们都可以是范围值。从而可以理解，发射端补偿电容的取值C₁和接收端补偿电容的取值C₂也均为范围值，如果将发射端补偿电容C₁和接收端补偿电容C₂，以电容值的形式组合，那么会形成多个数据组。例如发射端补偿电容C₁和接收端补偿电容C₂分别有10个取值，那么会形成100个数据组。

数据组的数量与电容值的取值精度有关，具体精度可以根据实际情况确定。

在多个数据组中，选取满足目标关系的数据组，作为最终数据组。该最终数据组的数量至少为一个。在有多个数据组的情况下，可以指定其中一组。在最终数据组中标定至少五个逆变器频率的频率值，并在这五个频率值内，调节逆变器频率。当然，通过最终数据组还可以确定发射端补偿电容的取值C₁和接收端补偿电容的取值C₂。

在确定是否满足目标关系时，可以通过获得每个数据组的动力电池充电电流与逆变器频率的关系（I_b-f_s关系）来确定，即图2中I_b-f_s图，I_b即为动力电池充电电流，单位安培（A），f_s为逆变器频率，单位千赫兹（KHz）。

上述目标关系有至少两个条件，满足目标条件需要同时满足下面a、b这两个条件。

a.逆变器频率有频段满足0≤α≤π/4；α为发射端电流的相位角。这里的要求是“有频段满足”，而非全部满足，即只要逆变器频率又频段在该范围即为满足条件a。在满足0≤α≤π/4时，整体呈感性。

其中，，Im（I₁）指发射端电流的虚部，Rm（I₁）指发射端电流的实部。发射端电流可以是测量发射线圈获取的，也可以通过理论计算直接得到。

b.动力电池充电电流有≥P_e/U_bmax的状态存在；P_e为额定功率。与上述类似，要求是“有≥P_e/U_bmax的状态存在”，而非全部在该范围内。简单描述来说动力电池充电电流存在大于等于最小电流要求的状态。最小电流要求即为P_e/U_bmax，通过其表达也可以知晓，额定功率除以动力电池充电电压的最大值，即为最小电流要求（额定最低电流）。

满足以上两个条件的数据组，可以作为最终数据组。在一些优选的实施方式中，可以进一步缩小最终数据组的范围，也就是使结果更精准，该实施例中，所述目标关系还可以包括下面的c和d两条。

c.在动力电池充电电压为U_bmax时，存在四个频率值，使动力电池充电电流满足额定最低电流，所述额定最低电流为P_e/U_bmax。

d.在动力电池充电电压为U_bmin时，存在四个频率值，使动力电池充电电流满足额定最高电流，所述额定最高电流为P_e/U_bmin。

更优选的，目标关系还可以包括：e.在动力电池充电电压为U_bmax时和动力电池充电电压为U_bmin时，存在一个频率值使动力电池充电电流均达到峰值；且该频率值是电流呈容性和感性的分隔点。

在选定最终数据组后，标定五个频率值，该频率值，可以在I_b-f_s图中更清晰的获取并理解。

参见图2，这个五个频率值分为：

第一频率值f₁：动力电池充电电压为U_bmax时和动力电池充电电压为U_bmin时，动力电池充电电流为0。

第二频率值f₂：动力电池充电电压为U_bmax时和动力电池充电电压为U_bmin时，动力电池充电电流达到峰值。这里峰值数值并不要求相等，只要在该第二频率值f₂时均为对应的最大值即可。

第三频率值f₃：动力电池充电电压为U_bmax时和动力电池充电电压为U_bmin时，动力电池充电电流为0。

第四频率值f₄：动力电池充电电压为U_bmax时和动力电池充电电压为U_bmin时，动力电池充电电流达到次峰值；上述类似，分别达到对应的次峰值即可，不要求二者次放置相同。次峰值是指在[f_a，f_b]范围内，除峰值外的第二大电流值。

第五频率值f₅：动力电池充电电压为U_bmax时和动力电池充电电压为U_bmin时，动力电池充电电流为0。

从第一频率值到第五频率值的频率依次增大，且在所述预定系统可调频率范围内。

在无线充电时，配置频率范围在第二频率值和第三频率值之间，且含第二频率值和第三频率值。在低压供电时，配置频率在第四频率值正负10%的偏差内。

上述的五个频率值满足f_a≤f₁＜f₂＜f₃＜f₄＜f₅≤f_b。逆变器频率f_s主要是在这五个频率值的范围内调节，优选是在（f₂，f₅]这个范围内。这里调节是指在使用中，可以在这五个频率值的范围内改变，而非从这五个频率值的范围内选取一个固定值，使逆变器只以这一个值工作。

在f₁≤f_s≤f₂时，发射端电流I₁呈容性，f₂<f_s≤f₅时，发射端电流I₁呈感性。为使逆变器的开关管工作在软开关下，必须使系统工作在f₂＜f_s≤f₅的频率段。其中在第二频率值f₂和第四频率值f₄附近，无线充电系统系统的输出特性呈电压源特性，除上述两个频率值附近外，无线充电系统的输出特性呈电流源特性。

当f₂≤f_s≤f₃时，无线充电系统的输出特性为电流源特性，均能通过控制f_s满足[f₂,f₃]以内的任意一频率使输出负载单调递减为零，并在其中有一个频率值能够满足额定功率输出，且在[f₂,f₃]全段范围内，发射端电流I₁为感性，感性能够实现逆变器的开关管软开关，且逆变器的开关管同时满足ZVS的条件下还能使损耗限定在较小阈值以内。

为将发射端补偿电路切换至电压源模式时，可以给其他车载设备供电，即上述的低压供电。只需将逆变器控制频率切换至第二频率值f₂和第四频率值f₄附近时即可实现电压源输出特性，但第二频率值f₂附近发射端电流I₁呈容性或者近容性，不利于逆变器软开关的实现，因此选择第四频率值f₄附近，且通过快速通信反馈通过调节逆变器的输入电压即可实现恒压输出，输出电压范围满足PDU的供电要求，以指定功率给低压设备供电。

本发明适用于多种发射端补偿电路的形式，例如图中发射端补偿电路采用SS拓扑。

本发明的方案，通过调整发射端的逆变器频率，就可以给多种车型无线充电，还能够满足车辆低压用电的需求。利于集成化和智能化设计。

进一步实现了宽电压范围下额定满功率输出，且全工况逆变器开关管工作在软开关下且开通关断电流均较小，使单管损耗实现了在极小的阈值范围内，利于无线充电系统的低损耗、高效率、小体积设计。

还使得无线充电系统电压源特性和电流源特性输出均可通过调频（即逆变器频率）和简单调压实现，且调频对功率具有单调性，极大的简单了控制算法又实现了复用控制。由于控制上采用调整频率特性策略，且输出特性具有较宽的频率段可调整，因此对补偿电路元件的容差要求低，只需要满足工业生产水平的最低精度即可，极大的节省了补偿电路的元件的成本。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种无线充电系统配置方法，其特征在于，

预定系统可调频率范围为[f_a，f_b]；预定动力电池充电电压范围为[U_bmin，U_bmax]；

根据发射端补偿电路的谐振频率f₀₁，以及接收端补偿电路的谐振频率f₀₂，获得发射端补偿电容的取值C₁为：；还获得接收端补偿电容的取值C₂为：/>；其中，L₁为发射线圈的电感值，L₂为接收线圈的电感值，将多个取值的发射端补偿电容和接收端补偿电容组合，形成多个数据组，并获得每个数据组的动力电池充电电流与逆变器频率的关系，选取满足目标关系的数据组，作为最终数据组；

在最终数据组中标定五个逆变器频率的频率值，并在这五个频率值内，调节逆变器频率；

所述频率值的标定方法为：

第一频率值：动力电池充电电压为U_bmax时和动力电池充电电压为U_bmin时，动力电池充电电流为0；

第二频率值：动力电池充电电压为U_bmax时和动力电池充电电压为U_bmin时，动力电池充电电流达到峰值；

第三频率值：动力电池充电电压为U_bmax时和动力电池充电电压为U_bmin时，动力电池充电电流为0；

第四频率值：动力电池充电电压为U_bmax时和动力电池充电电压为U_bmin时，动力电池充电电流达到次峰值；

第五频率值：动力电池充电电压为U_bmax时和动力电池充电电压为U_bmin时，动力电池充电电流为0；

从第一频率值到第五频率值的频率依次增大，且在所述预定系统可调频率范围内；

在无线充电时，配置频率范围在第二频率值和第三频率值之间，且含第二频率值和第三频率值；在低压供电时，配置频率在第四频率值正负10%的偏差内。

2.根据权利要求1所述的无线充电系统配置方法，其特征在于，

所述目标关系为：

a.逆变器频率有频段满足0≤α≤π/4；α为发射端电流的相位角；

b.动力电池充电电流有≥P_e/U_bmax的状态存在；P_e为额定功率。

3.根据权利要求2所述的无线充电系统配置方法，其特征在于，

所述目标关系还包括：

c.在动力电池充电电压为U_bmax时，存在四个频率值，使动力电池充电电流满足额定最低电流，所述额定最低电流为P_e/U_bmax；

d.在动力电池充电电压为U_bmin时，存在四个频率值，使动力电池充电电流满足额定最高电流，所述额定最低电流为P_e/U_bmin。

4.根据权利要求2所述的无线充电系统配置方法，其特征在于，

所述目标关系还包括：

e.在动力电池充电电压为U_bmax时和动力电池充电电压为U_bmin时，存在一个频率值使动力电池充电电流均达到峰值；且该频率值是电流呈容性和感性的分隔点。