CN116154929A - 一种无线充电系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无线充电系统及其控制方法，属于新能源无线充电技术领域。控制方法包括：在无线充电系统的软启动过程中，控制发射线圈侧逆变器的移相角和接收线圈侧整流器的移相角逐渐减小至0；并且在减小过程中控制整流器的移相角＝m*逆变器的移相角，m＞1；所述逆变器的移相角为逆变器的一个控制周期内，同组导通的开关管的导通时间差，所述整流器的移相角为整流器的一个控制周期内，同组导通的开关管的导通时间差。本发明通过在软启动过程中，控制逆变器的移相角和整流器的移相角逐渐减小至0；并且在减小过程中控制整流器的移相角恒等于逆变器的移相角的m倍，降低了功率器件的温升，解决了功率器件过热的现象。

Description

一种无线充电系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种无线充电系统及其控制方法，属于新能源无线充电技术领域。
背景技术
随着充电技术的发展，目前小功率无线充电技术已经在生活中广泛应用，高端手机基本都配备无线充电，随着无线充电技术的发展，无线充电具有方便、安全等优势逐步被市场所接受，出现了配备有无线充电设备系统的汽车。
无线充电系统中，目前有多种拓扑:S-S、P-P、LCL-LCL、LCC-LCC。因LCC-LCC具有恒流源输出特性，输出电流不随输出电压变化而变化，兼顾S-S和P-P优点，选用LCC-LCC较优。双边LCC中副边控制方式分为有源控制和无源控制。有源控制相对于无源控制，副边可以独立控制，不需要依赖通讯，可以正常输出，控制性能较好，缺点是需要副边增加控制电路，控制方式较无源控制更为复杂一些。
基于有源控制的双边LCC的无线充电系统，经常出现当系统处于空载或者轻载时(空载为系统负载为0；轻载为系统负载较小，还没有达到满载)，经常出现某一侧(原边或者副边)的功率器件温升较高情况。
发明内容
本申请的目的在于提供一种无线充电系统及其控制方法，用以解决现有无线充电方式空载或者轻载时温升较高的问题。
为实现上述目的，本申请提出了一种无线充电系统的控制方法的技术方案，包括以下步骤：
在无线充电系统的软启动过程中，控制发射线圈侧逆变器的移相角和接收线圈侧整流器的移相角逐渐减小至0；并且在减小过程中控制整流器的移相角＝m*逆变器的移相角，m＞1；所述逆变器的移相角为逆变器的一个控制周期内，同组导通的开关管的导通时间差，所述整流器的移相角为整流器的一个控制周期内，同组导通的开关管的导通时间差。
另外，本申请还提出一种无线充电系统的技术方案，无线充电系统包括发射端、接收端和控制器，发射端包括逆变器和发射线圈，接收端包括接收线圈和整流器，逆变器的输入端用于连接直流母线，逆变器的输出端连接发射线圈；接收线圈连接整流器的输入端，整流器的输出端用于连接动力电池，逆变器和发射线圈之间、以及接收线圈和整流器之间均设置有谐振电路，控制器控制连接逆变器和整流器，控制器包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现上述的无线充电系统的控制方法。
本发明的无线充电系统及其控制方法的技术方案的有益效果是：基于对空载和轻载时功率器件温升较高的现象进行研究发现，温升高的原因在于功率器件的移相角控制的不合适，通过对无线充电系统进行仿真发现整流器的移相角为逆变器的移相角的设定倍数时，功率器件的温升较低，因此，本发明通过在软启动过程中，控制逆变器的移相角和整流器的移相角逐渐减小至0；并且在减小过程中控制整流器的移相角恒等于逆变器的移相角的m倍，降低了功率器件的温升，解决了功率器件过热的现象。
进一步地，上述无线充电系统及其控制方法中，为了减小谐振电路的温升，软启动过程中，若整流器的输出电压达到电压设定值，检测发射线圈侧的谐振电流和逆变器的输出电压和/或接收线圈侧的谐振电流和整流器的输出电压；若任意一个谐振电流与其对应的输出电压的相位差超出设定范围，则调整整流器的导通角使得相位差控制在设定范围内，所述导通角为π-Φ,Φ为同一个控制周期内，逆变器和整流器的导通时间差。
进一步地，上述无线充电系统及其控制方法中，若任意一个谐振电流的相位超前其对应的输出电压的相位设定范围外，则控制整流器的导通角增大使得相位差控制在设定范围内；若任意一个谐振电流的相位滞后其对应的输出电压的相位设定范围外，则控制整流器的导通角减小使得相位差控制在设定范围内。
进一步地，上述无线充电系统及其控制方法中，为了保证系统正常运行，软启动之前还包括无线充电系统自检的步骤，若无线充电系统出现故障，则报警提示。
进一步地，上述无线充电系统及其控制方法中，m小于3。
进一步地，上述无线充电系统及其控制方法中，直流母线电压达到母线电压设定值，系统开始软启动。
进一步地，上述无线充电系统中，所述谐振电路为LCC谐振电路。
进一步地，上述无线充电系统中，还包括PFC功率矫正器，逆变器的输入端连接PFC功率矫正器的输出端，PFC功率矫正器的输入端连接三相电源。
进一步地，上述无线充电系统中，所述逆变器为全桥逆变器。
附图说明
图1是本发明无线充电系统的结构框图；
图2是本发明逆变器和整流器的电路原理图；
图3是本发明无线充电系统的控制方法的流程图；
图4是本发明逆变器的控制时序图；
图5是本发明整流器的控制时序图。
具体实施方式
无线充电系统实施例：
本发明的主要构思在于，基于软启动过程中开关器件发热的问题，经研究发现温升高的原因在于功率器件的移相角控制的不合适，通过对无线充电系统进行仿真发现整流器的移相角为逆变器的移相角的设定倍数时，功率器件的温升较低，因此本发明在软启动过程中，控制整流器的移相角为逆变器移相角的设定倍数，准确的控制移相角，改善发热的现象。
无线充电系统如图1、图2所示，采用双边LCC型的拓扑结构，无线充电系统包括发射端、接收端和控制器。
发射端包括PFC功率矫正器、逆变器和发射线圈，PFC功率矫正器的输入端连接三相电源，PFC功率矫正器的输出端连接逆变器的输入端，逆变器的输出端连接发射线圈L3，并且逆变器的输出端和发射线圈L3之间设置有第一谐振电路。
逆变器为全桥逆变器，包括第一滤波电路和第一全桥电路，第一滤波电路包括电容C1和电容C2；第一全桥电路包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4；开关管Q1和开关管Q4为同组导通的开关管；开关管Q2和开关管Q3为同组导通的开关管。第一谐振电路包括电感L1、电容C3和电容C4。
接收端包括接收线圈L4和整流器，接收线圈L4连接整流器的输入端，整流器的输出端用于连接动力电池，接收线圈L4和整流器之间设置有第二谐振电路。
整流器包括第二全桥电路和第二滤波电路，第二全桥电路包括开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7和开关管Q8；开关管Q5和开关管Q8为同组导通的开关管；开关管Q6和开关管Q7为同组导通的开关管；第二滤波电路包括电容C7和电容C8。第二谐振电路包括电容C5、电容C6和电感L2。
控制器控制连接逆变器和整流器，控制器包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现无线充电系统的控制方法。本发明的控制器可以为一个单独的控制器，也可以包括分别设置在整流器和逆变器内部的两个控制单元，这两个控制单元上均设置有无线通信模块，通过无线通信的方式进行通信以实现本发明的控制方法。本发明对控制器的具体结构并不做限制。
无线充电系统的控制方法如图3所示，包括以下步骤：
1)无线充电系统上电，系统进行自检。
自检包括检查开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7和开关管Q8的驱动波形是否正常，无果驱动有异常，排除异常情况。
2)系统正常，供应三相电，启动PFC功率矫正器，通过PFC功率矫正器的输出电压Vin判断是否可以软启动。
PFC功率矫正器用于将三相电转换为直流电，PFC功率矫正器的输出电压Vin(也即直流母线电压Vin)输入逆变器中。
3)当PFC功率矫正器的输出电压Vin为直流母线电压设定值时，系统开始软启动。
4)在软启动过程中，控制逆变器的移相角和整流器的移相角从180°逐渐减小；并且在减小过程中整流器的移相角＝m*逆变器的移相角，m＞1。
逆变器的移相角为逆变器的一个控制周期内，同组导通的开关管的导通时间差，整流器的移相角为整流器的一个控制周期内，同组导通的开关管的导通时间差。
由于开关管Q1和开关管Q4为同组导通的开关管；开关管Q2和开关管Q3为同组导通的开关管；开关管Q5和开关管Q8为同组导通的开关管；开关管Q6和开关管Q7为同组导通的开关管。并且逆变器中一个控制周期中，开关管的导通顺序如图4所示为：开关管Q1、开关管Q4、开关管Q2、开关管Q3；整流器在一个控制周期中，开关管的导通顺序如图5所示为：开关管Q5、开关管Q8、开关管Q6、开关管Q7；因此，调整逆变器的移相角也即调整开关管Q3、开关管Q4的导通时间，调整整流器的移相角也即调整开关管Q7、开关管Q8的导通时间。
从图4中可以看出，逆变器的移相角为a，也即开关管Q4滞后开关管Q1时间段a导通，从图5可以看出，整流器的移相角为b，也即开关管Q8滞后开关管Q5时间段b导通。本发明中，软启动过程中，控制移相角a和移相角b从180°逐渐减小，并且a＝m*b，m＞1，针对不同的逆变器和整流器，m值的大小并不相同，但是1＜m＜3；对于本实施例中双边LCC的拓扑结构，通过试验得出，m＝1.5时，可以更好的解决发热问题。
在软启动过程中，整流器的输出电压Vout逐渐达到电压设定值，当整流器的输出电压Vout达到电压设定值时，检测发射线圈侧的谐振电流I0和逆变器的输出电压U0，判断逆变器的输出电压U0和谐振电流I0的相位差，通过相位差调整整流器的导通角θ(也即副边功率器件的导通角，整流器为原边功率器件)使得相位差处于设定范围内：
若谐振电流I0的相位超前逆变器的输出电压U0的相位设定范围外，则系统处于容性区，控制整流器的导通角θ增大使得相位差控制在设定范围内；
若谐振电流I0的相位滞后逆变器的输出电压U0的相位设定范围外，则系统处于感性区，控制整流器的导通角θ减小使得相位差控制在设定范围内。
通过调整导通角θ改善逆变器的输出电压U0和谐振电流I0的相位关系，减少谐振电流和线圈电流，降低谐振电感和线圈的温升。当逆变器的输出电压U0和谐振电流I0的相位差在设定范围内时，系统处于谐振状态，电流最小，无功功率也最小。
基于发射线圈侧的谐振电流I0、逆变器的输出电压U0与接收线圈侧的谐振电流I1、整流器的输出电压U1(Vout和U1在数值上不相同，但均是整流器的输出电压，Vout在U1的基础上又经过了两个并联的电容C7、C8)为同步变化的，因此也可以检测接收线圈侧的谐振电流I1和整流器的输出电压U1进行导通角的调整，或者同时检测两侧的输出电压和谐振电流，只要有一侧的相位差超出设定范围，即进行导通角的调整，调整过程相同，这里不做赘述。整流器的导通角θ为π-Φ,实际过程中调整导通角θ是通过改变控制角Φ实现的，如图5所示，控制角Φ为同一个控制周期内，逆变器和整流器的导通时间差，也即开关管Q1和开关管Q5的导通时间差，使得开关管Q5的导通时间滞后开关管Q1时间段Φ。
5)随着负载的增加，逆变器的移相角a和整流器的移相角b减少至0，启动完成，满载充电。
本步骤中，虽然逆变器的移相角a和整流器的移相角b为倍数关系，但是在实际调整过程中，逆变器的移相角a首先降为0，接着还可以单独调节整流器的移相角b，以控制电流输出的大小，当逆变器的移相角当移相角均为0时，还需要升高直流母线电压Vin，提高带载能力，最终达到系统平衡。
上述实施例中，控制逆变器的移相角a和整流器的移相角b为倍数关系除了能够减小功率器件的发热现象，还可以起到减小发射线圈侧的谐振电流I0和逆变器的输出电压U0的相位差的作用，因此只有在移相角调整过程中，相位差仍然较大，超出设定范围的情况下，才进行导通角θ的调节，因此，导通角θ的调节一般在软启动的后期进行，基本上相位差调整在设定范围内也即软启动结束。
本发明的控制方法不仅仅局限于双边LCC拓扑结构的无线充电系统，还适用于双边LCL等拓扑结构的无线充电系统，适用范围广泛。
关于逆变器、整流器的具体结构本发明并不做限制，只要能够采用本发明的控制方法，实现相应的效果即可。
本发明通过控制整流器的移相角为逆变器的移相角的设定倍数，既能解决频繁调节移相角带来的系统震荡，又可减少电压电流相位差，降低轻载时功率器件的温升，减少功率器件的损耗，优化无线充电系统的工作状态。
无线充电系统的控制方法实施例：
无线充电系统的控制方法的具体实施过程以及效果在上述无线充电系统实施例中已经介绍，这里不做赘述。

Claims (10)

1.一种无线充电系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
在无线充电系统的软启动过程中，控制发射线圈侧逆变器的移相角和接收线圈侧整流器的移相角逐渐减小至0；并且在减小过程中控制整流器的移相角＝m*逆变器的移相角，m＞1；所述逆变器的移相角为逆变器的一个控制周期内，同组导通的开关管的导通时间差，所述整流器的移相角为整流器的一个控制周期内，同组导通的开关管的导通时间差。
2.根据权利要求1所述的无线充电系统的控制方法，其特征在于，软启动过程中，若整流器的输出电压达到电压设定值，检测发射线圈侧的谐振电流和逆变器的输出电压和/或接收线圈侧的谐振电流和整流器的输出电压；若任意一个谐振电流与其对应的输出电压的相位差超出设定范围，则调整整流器的导通角使得相位差控制在设定范围内，所述导通角为π-Φ,Φ为同一个控制周期内，逆变器和整流器的导通时间差。
3.根据权利要求2所述的无线充电系统的控制方法，其特征在于，若任意一个谐振电流的相位超前其对应的输出电压的相位设定范围外，则控制整流器的导通角增大使得相位差控制在设定范围内；若任意一个谐振电流的相位滞后其对应的输出电压的相位设定范围外，则控制整流器的导通角减小使得相位差控制在设定范围内。
4.根据权利要求1所述的无线充电系统的控制方法，其特征在于，软启动之前还包括无线充电系统自检的步骤，若无线充电系统出现故障，则报警提示。
5.根据权利要求1所述的无线充电系统的控制方法，其特征在于，m小于3。
6.根据权利要求1所述的无线充电系统的控制方法，其特征在于，直流母线电压达到母线电压设定值，系统开始软启动。
7.一种无线充电系统，其特征在于，包括发射端、接收端和控制器，发射端包括逆变器和发射线圈，接收端包括接收线圈和整流器，逆变器的输入端用于连接直流母线，逆变器的输出端连接发射线圈；接收线圈连接整流器的输入端，整流器的输出端用于连接动力电池，逆变器和发射线圈之间、以及接收线圈和整流器之间均设置有谐振电路，控制器控制连接逆变器和整流器，控制器包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6中任一项所述的无线充电系统的控制方法。
8.根据权利要求7所述的无线充电系统，其特征在于，所述谐振电路为LCC谐振电路。
9.根据权利要求7所述的无线充电系统，其特征在于，还包括PFC功率矫正器，逆变器的输入端连接PFC功率矫正器的输出端，PFC功率矫正器的输入端连接三相电源。
10.根据权利要求7所述的无线充电系统，其特征在于，所述逆变器为全桥逆变器。
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