CN205632155U - 一种适用于电动汽车的非接触供电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于电动汽车的非接触供电装置，包括直流电源U _H、全控桥式变换器、非接触变压器、副边变换器、滤波电路、BOOST升压电路、充电投切装置、车载蓄电池U _bat、原边控制器和副边控制器。正向传输状态，市电经过功率因数校正电路得到直流电，向车载蓄电池充电，太阳能电池也向车载蓄电池充电；反向传输状态，太阳能电池向电源侧返供电能，既节省了成本，又减小了体积和重量。在正向供电模式下使用极限环理论或Poincaré截面判断全控桥式变换器的开关管S₁~S₆是否工作在软开关状态。在雨雪天气，不需要插头，安全性能较好。正向充电模式下使用三个非接触变压器，传输功率的范围更大，本实用新型效率的最佳状态可超过94%。

Description

一种适用于电动汽车的非接触供电装置

技术领域

本实用新型涉及非接触供电及自动控制的技术领域，具体涉及一种适用于电动汽车的非接触供电装置。

背景技术

电动汽车传统的供电方式下，其充电管理是一个耗费心力的事情，充电前需要用供电线缆将充电桩与汽车相连，如果忘记连接供电线缆，则影响下次出行。尤其是在雨雪天气，室外供电线缆的插头潮湿，连接供电线缆还要冒着被电击的危险。

与此相比，非接触充电技术的优越性是显而易见的。在停车位的地面下安装供电线圈，非接触充电电路能够根据无线反馈情况，自动确定是否向安装在汽车底盘上的受电线圈提供电能并向汽车电池充电。

目前世界上有许多科研机构对电动汽车非接触充电系统进行研究。电动汽车充电系统将一组受电线圈装置安装在汽车的底盘上，将另一组供电线圈装置安装在地面，当电动汽车停在停车位的供电线圈装置上方时，供电线圈启动供电，向受电线圈提供能量，对电动汽车的蓄电池充电，充电完成后切断供电线圈电源。

已有学者分析了原、副边线圈位置不对正的磁路原理。电动汽车非接触充电技术的前提是在停车过程中原、副边线圈位置需要完全对正。众所周知，线圈不对正会大幅影响充电效率和传输功率，而电动汽车充电功率大，采用线圈自动移动位置对正的方法更经济合理。当电动汽车停在充电线圈上的车位时，非接触供电系统的原、副边线圈相对放置由自动对正调节系统调节到水平方向x轴和y轴完全对正，且垂直方向也调整到相对距离最佳的状态。图1为包括原、副边线圈的供电线圈沿x、y、z三个坐标轴移动的示意图。由于只考虑原、副边线圈位置完全对正的情况，开发非接触充电系统的思路更清晰。

电动汽车已为许多家庭所拥有，中国家庭常用的是单相电源，需要高效率的单相非接触充电系统。对正功能的水平移动装置不是本实用新型阐述的内容。本实用新型的内容是：调整线圈垂直方向的相对距离以改变非接触变压器的耦合系数，使原边线圈和副边线圈达到谐振状态，提出了依据混沌理论判断效率达到最大值的依据。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种适用于电动汽车的非接触供电装置，该系统采用正向供电电路与反向供电电路相结合的方法构建出来，正向传输状态下，市电经过功率因数校正电路得到310V直流电，由非接触供电系统向蓄电池充电，太阳能电池也可以向蓄电池充电；反向传输状态下，太阳能电池向市电返供电能。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是：一种适用于电动汽车的非接触供电装置，其特征在于，包括直流电源U _H、全控桥式变换器、非接触变压器、副边变换器、滤波电路、BOOST升压电路、充电投切装置、车载蓄电池U _bat、原边控制器和副边控制器，所述直流电源U _H与电容C _H相连接，全控桥式变换器与电容C _H并联连接，全控桥式变换器通过谐振电路与非接触变压器相连接，非接触变压器分别与副边变换器相连接，副边变换器通过滤波电路与BOOST升压电路相连接，BOOST升压电路与车载蓄电池U _bat并联连接，车载蓄电池U _bat与充电投切装置串联连接；所述原边控制器与电源电压检测模块、电源电流检测模块、原边线圈电压检测模块、原边驱动电路相连接，电源电压检测模块和电源电流检测模块设置在直流电源U _H上，原边驱动电路与全控桥式变换器相连接，原边控制器通过无线通信与副边控制器相连接；所述副边控制器与副边线圈电流检测模块、副边驱动电路、BOOST升压电路、太阳能电池电流检测模块、负载电流检测模块、负载电压检测模块、充电投切装置相连接，副边驱动电路与副边变换器相连接，太阳能电池电流检测模块与BOOST升压电路相连接，负载电流检测模块、负载电压检测模块与车载蓄电池U _bat相连接。

所述全控桥式变换器包括二极管D₁~D₆，二极管D₁~D₆上分别反并联有开关管S₁~S₆，开关管S₁~S₆均与原边驱动电路相连接；所述非接触变压器包括第一非接触变压器、第二非接触变压器和第三非接触变压器，副边变换器包括第一副边变换器、第二副边变换器和第三副边变换器，第一非接触变压器、第二非接触变压器和第三非接触变压器的原边线圈均与全控桥式变换器相连接，第一非接触变压器的副边线圈与第一副边变换器相连接，第二非接触变压器的副边线圈与第二副边变换器，第三非接触变压器的副边线圈与第三副边变换器相连接，第一副边变换器、第二副边变换器和第三副边变换器并联连接后与滤波电路相连接。

所述第一副边变换器包括桥式连接的二极管D₇、二极管D₈和电容C ₁、电容C ₂，二极管D₇上反并联有开关管S₇，二极管D₈上反并联有开关管S₈，开关管S₇和开关管S₈均与副边驱动电路相连接；所述第二副边变换器包括桥式连接的二极管D₉、二极管D₁₀和电容C ₃、电容C ₄；第三副边变换器包括桥式连接的二极管D₁₁、二极管D₁₂和电容电容C ₅、电容C ₆。

所述第一非接触变压器、第二非接触变压器和第三非接触变压器的原边线圈为三角形连接。

所述BOOST升压电路包括开关管S₁₃、电感L ₁₃、二极管D₁₃和二极管D₁₄，电感L ₁₃与太阳能电池串联连接后与二极管D₁₃并联连接，二极管D₁₃上反并联有开关管S₁₃，太阳能电池、电感L ₁₃、二极管D₁₃构成的串并联电路与二极管D₁₄串联连接，开关管S₁₃与副边驱动电路相连接。

所述车载蓄电池U _bat和充电投切装置串联后的两端并联有电动机M _L，电动机M _L与开关K串联连接，充电投切装置上反并联有二极管D ₁₅。

本实用新型的有益效果：首先，该系统具有双向供电功能，控制器和大多数元器件既可以在正向供电模式工作，也可以在反向供电模式工作。这样的电路高效实用，既节省了成本，又减小了的体积和重量。对于安装太阳能电池的电动汽车，该系统可由非接触充电桩与车载太阳能电池同时或单独对车载蓄电池充电，也可在汽车行驶途中由太阳能电池与电动汽车蓄电池同时或单独对电动机智能供电。当太阳能富余时，还可向市电电网返供。在雨雪天气，室外非接触充电系统不需要插头，其安全性能优于需要线缆的充电桩。此外，该系统正向充电模式下使用三个非接触变压器，比单个非接触变压器传输的功率范围更大。本实用新型的电路系统，其效率的最佳状态可超过94%。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为供电线圈移动示意图。

图2为本实用新型的电路原理图。

图3为本实用新型正向充电模式下全控桥式变换器的电流仿真波形。

图4为本实用新型反向供电模式下非接触变压器第一个导通阶段的等效电路。

图5为本实用新型反向供电模式下非接触变压器第二导通阶段的等效电路

图6为本实用新型的五阶等效电路。

图7为本实用新型的等效非线性元件N _R2的伏安特性。

图8为本实用新型的正向充电模式下的非接触供电原边线圈与副边线圈相对距离为1cm时，原边线圈电压与副边线圈电流的时域波形图。

图9为本实用新型的正向充电模式下的非接触供电原边线圈与副边线圈相对距离为1cm时，原边线圈电压与副边线圈电流的相图。

图10为本实用新型的正向充电模式下的非接触供电原边线圈与副边线圈相对距离为3cm时，原边线圈电压与副边线圈电流的时域波形图。

图11为本实用新型的正向充电模式下的非接触供电原边线圈与副边线圈相对距离为3cm时，原边线圈电压与副边线圈电流的相图。

图12为本实用新型的反向供电硬开关条件下第一非接触变压器的原边线圈与副边线圈的时域波形。

图13为本实用新型的反向供电软开关条件下第一非接触变压器的原边线圈与副边线圈的时域波形。

图14为本实用新型的反向供电硬开关条件下第一非接触变压器的原边线圈的电压与副边线圈的电流的相图。

图15为本实用新型的反向供电软开关条件下第一非接触变压器的原边线圈的电压与副边线圈的电流的相图。

图16为本实用新型正向充电模式下的实验结果。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种适用于电动汽车的非接触供电装置，如图2所示，包括直流电源U _H、全控桥式变换器1、非接触变压器、副边变换器、滤波电路7、BOOST升压电路6、充电投切装置4、车载蓄电池U _bat、原边控制器和副边控制器。直流电源U _H是市电经过功率因数校正电路得到的310V直流电，功率因数校正电路不在本实用新型的范围内。直流电源U _H与电容C _H相连接，电容C _H起到滤除的直流电源U _H的谐波的作用，全控桥式变换器1与电容C _H并联连接。全控桥式变换器1通过谐振电路与非接触变压器相连接，非接触变压器分别与副边变换器相连接，副边变换器通过滤波电路7与BOOST升压电路6相连接，BOOST升压电路6与车载蓄电池U _bat并联连接，车载蓄电池U _bat与充电投切装置4串联连接。原边控制器与电源电压检测模块、电源电流检测模块、原边线圈电压检测模块、原边驱动电路相连接，电源电压检测模块和电源电流检测模块设置在直流电源U _H上，原边驱动电路与全控桥式变换器1相连接，原边控制器通过无线通信与副边控制器相连接。副边控制器与副边线圈电流检测模块、副边驱动电路、BOOST升压电路6、太阳能电池电流检测模块、负载电流检测模块、负载电压检测模块、充电投切装置4相连接，副边驱动电路与副边变换器相连接，太阳能电池电流检测模块与BOOST升压电路6相连接，负载电流检测模块、负载电压检测模块与车载蓄电池U _bat相连接。

全控桥式变换器1包括二极管D₁~D₆，二极管D₁~D₆上分别反并联有开关管S₁~S₆。二极管D₁和二极管D₂串联，二极管D₃和二极管D₄串联，二极管D₅和二极管D₆串联，然后3个支路并联连接。开关管S₁~S₆构成全控桥式变换器电路，正向充电时，全控桥式变换器1所包含的开关管S₁~S₆交替斩波，其中S₁、S₂、S₃互错120°，即分别为0°、120°、120°，S₁与S₂交替斩波，互错180°。反向供电时，二极管D₁~D₄（开关管S₁~S₄完全断开不工作）或开关管S₁~S₄（二极管D₁~D₄与S₁~S₄等效成BOOST电路，其他两个开关管S₅、S₆完全断开不工作）整流。开关管S₁~S₆均与原边驱动电路相连接，原边控制器通过原边驱动电路控制开关管S₁~S₆的工作状态，从而控制全控桥式变换器1的输出功率。

非接触变压器包括第一非接触变压器21、第二非接触变压器22和第三非接触变压器23，副边变换器包括第一副边变换器31、第二副边变换器32和第三副边变换器33。第一非接触变压器21、第二非接触变压器22和第三非接触变压器23的原边线圈均与全控桥式变换器1相连接，第一非接触变压器21的副边线圈与第一副边变换器31相连接，第二非接触变压器22的副边线圈与第二副边变换器32相连接，第三非接触变压器23的副边线圈与第三副边变换器33相连接。第一非接触变压器21包括原边线圈L _P1和副边线圈L _S1，第二非接触变压器22包括原边线圈L _P2和副边线圈L _S2，第三非接触变压器23包括原边线圈L _P3和副边线圈L _S3。第一非接触变压器21、第二非接触变压器22和第三非接触变压器23的原边线圈为三角形接线，原边线圈的三角形接线比星形接线的带负载能力强。

原边线圈L _P1通过电感L ₁和电容C _P1组成的谐振电路与全控桥式变换器1的二极管D₁和二极管D₂的中间点相连接。原边线圈L _P2通过电感L ₂和电容C _P2组成的谐振电路与全控桥式变换器1的二极管D₃和二极管D₄的中间点相连接。原边线圈L _P3通过电感L ₃和电容C _P3组成的谐振电路与全控桥式变换器1的二极管D₅和二极管D₆的中间点相连接。原边线圈L _P1、原边线圈L _P2和原边线圈L _P3首尾相连构成三角形接线，电容C _P1并联在L _P1两端、电容C _P2并联在L _P2两端、电容C _P3并联在L _P3两端。第一非接触变压器21的副边线圈L _S1通过电容C _S1与第一副边变换器31相连接，第二非接触变压器22的副边线圈L _S2通过电容C _S2与第二副边变换器32相连接，第三非接触变压器23的副边线圈L _S3通过电容C _S3与第三副边变换器33相连接。第一副边变换器31、第二副边变换器32和第三副边变换器33并联连接后与滤波电路7相连接。电容C _S2、电容C _S2、电容C _S3与副边线圈L _S1、副边线圈L _S2、副边线圈L _S3并联具有分别补偿第一非接触变压器21、第二非接触变压器22和第三非接触变压器23功率因数的作用。

第一副边变换器31包括桥式连接的二极管D₇、二极管D₈和电容C ₁、电容C ₂，二极管D₇上反并联有开关管S₇，二极管D₈上反并联有开关管S₈，开关管S₇和开关管S₈均与副边驱动电路相连接。副边控制器通过副边驱动电路可以控制开关管S₇和开关管S₈工作在软开关状态或硬开关状态。第二副边变换器32包括桥式连接的二极管D₉、二极管D₁₀和电容C ₃、电容C ₄。第三副边变换器33包括桥式连接的二极管D₁₁、二极管D₁₂和电容电容C ₅、电容C ₆。

滤波电路7与BOOST升压电路6相连接，滤波电路7包括电感L _D和电容C _D，电感L _D与第一副边变换器31、第二副边变换器32和第三副边变换器33并联后的电路串联，电容C _D与电感L _D并联连接，实现供电电流的滤波。BOOST升压电路6与车载蓄电池U _bat并联连接，车载蓄电池U _bat与充电投切装置4串联连接，充电投切装置4用于是否向车载蓄电池U _bat的充电。

BOOST升压电路6包括开关管S₁₃、电感L ₁₃、二极管D₁₃和二极管D₁₄。太阳能电池5与电感L ₁₃串联连接后与二极管D₁₃并联连接，二极管D₁₃上反并联有开关管S₁₃，太阳能电池5、电感L ₁₃、二极管D₁₃构成的串并联电路与二极管D₁₄串联连接。开关管S₁₃与副边控制器相连接，副边控制器控制开关管S₁₃的导通与关断。其工作原理如下：当开关管S₁₃导通时，电感L ₁₃存储太阳能电池5的能量，当开关管S₁₃断开时，电感L ₁₃与太阳能电池5一起释放能量，其叠加的输出电压高于太阳能电池5的电压，该电能经二极管D₁₄向外部电路释放。如此反复循环，构成BOOST升压电路6。BOOST升压电路6仅在太阳能电池5反向供电的状态下工作。正常状态下二极管D₁₃两端没有电流流过，在特殊情况下，当出现反向瞬时冲击电压时，二极管D₁₃和二极管D₁₄同时导通起到释放反向瞬时电压的作用。

车载蓄电池U _bat和充电投切装置4串联后的两端并联有电动机M _L，电动机M _L与开关K串联连接，开关K控制电动机M _L的工作与否。充电投切装置4上反并联有二极管D₁₅，用于抑制充电投切装置4的反向冲击电压。

正向充电的工作过程为：市电经过功率因数校正电路（功率因数校正电路不在本实用新型的范围内)得到310V直流电，由全控桥式变换器1斩波控制开关管S₁~S₆得到三相高频交流电，经三路谐振电路分别输出到第一非接触变压器21、第二非接触变压器22和第三非接触变压器23，第一非接触变压器21、第二非接触变压器22和第三非接触变压器23的副边线圈均通过电磁耦合得到三相高频交流电，对该交流电分别用第一副边变换器31、第二副边变换器32和第三副边变换器33进行整流。第一副边变换器31、第二副边变换器32和第三副边变换器33整流后经滤波电路7向车载蓄电池U _bat和电动机M _L供电。其中第一副边变换器31工作在不控整流模式，开关管S₇~S₈不工作。副边线圈电流检测模块检测第一非接触变压器21、第二非接触变压器22和第三非接触变压器23的副边线圈电流i _LS1、i _LS2、i _LS3，负载电压检测模块和负载电流检测模块分别检测负载侧的电压U _L和负载侧的电流I _L，副边控制器将上述三个模块检测到的数据传送至原边控制器。原边线圈电压检测模块检测原边线圈的电压u _LP1、u _LP2、u _LP3，电源电压检测模块和电源电流检测模块分别检测直流电源侧的电压U _H和直流电源侧的电流I _H，原边控制器根据输入端电源侧的电流电压和输出段负载侧的电流电压的值判断输出功率是否偏离期望值，通过原边驱动电路调节开关管S₁~S₆的斩波占空比，实现输出功率大小的调节。第一非接触变压器21的电流i _LS1与电压u _LP1、第二非接触变压器22的电流i _LS2与电压u _LP2、第三非接触变压器23的电流i _LS3与电压u _LP3分别构成相应的对应相图关系。原边控制器分别对这三个相图关系应用极限环理论判断开关管S₁~S₆是否工作于软开关状态。或者通过对这三个相图关系应用Poincaré截面来确定电路是否处于软开关状态。当电路处于硬开关状态时，在固定频率的条件下，通过调节第一非接触变压器21、第二非接触变压器22和第三非接触变压器23的原边线圈与副边线圈的相对距离以改变非接触变压器的耦合系数，直到开关管S₁~S₆进入软开关状态后再停止这种调节过程，使开关管S₁~S₆稳定的处于软开关状态下运行。该控制方法适用于对电动汽车等移动负载的非接触充电。

滤波电感L _D、滤波电容C _D、车载蓄电池U _bat和电动机M _L（通常情况下，充电过程中，电动机不工作）合起来等效为负载R _O。为了适应负载的功率变化，采用无线反馈方式调节输出能量。负载电流检测模块检测负载R _O的电压U _L，负载电压检测模块检测负载R _O的电流i _L，副边控制器将检测到的电压和电流信号转换为数字信号，通过无线通信将信号传递到原边控制器。由于采用非接触变压器线圈自动对正技术，且其相对距离也调整到最佳位置。开关管S₁~S₆的占空比相同，开关管S₁与开关管S₄、开关管S₂与开关管S₅、开关管S₃与开关管S₆的开通时间互错180°。开关管S₁、开关管S₃、开关管S₅的开通时间互错120°。原边控制器采用固定频率统一调节开关管S₁~S₆占空比，使控制策略得到较显著的简化。通过混沌技术判断开关管S₁~S₆的开关损耗保持在较低水平的同时，选择合适的频率和合适的电路参数使非接触变压器也处于谐振状态，改变开关管S₁~S₆的占空比调节输出功率。本实用新型正向充电模式下全控桥式变换器的电流仿真波形如图3所示。其中：电流i _CH是电容C _H的电流波形；电流i _S1~i _S6分别是开关管S₁~S₆的电流波形。

反向供电的工作过程为：当太阳能电池5的电量富余时，太阳能电池5将太阳能转化为电能，经BOOST升压电路6、滤波电路7向第一副边变换器31供电。第一副边变换器31构成半桥变换器，其中的开关管S₇和开关管S₈将太阳能电池5产生的直流电斩波得到单相高频交流电，经过第一非接触变压器21(其余非接触变压器不工作)传输能量到原边线圈L _P1，然后经二极管D₁~D₄（开关管S₁~S₄完全断开不工作）或开关管S₁~S₄（二极管D₁~D₄与S₁~S₄等效成BOOST电路，其他两个开关管S₅、S₆完全断开不工作）整流转换成直流电传送至直流电源U _H。副边线圈电流检测模块、太阳能电流检测模块分别检测副边线圈L _S1的电流信号i _LS1、太阳能电池的电流信号i _sun，并传送至副边控制器，副边控制器用工无线通信将太阳能电池5的电流信号i _LS1传送至原边控制器。原边控制器将原边线圈电压检测模块、电源电压检测模块和电源电流检测模块分别检测到的原边线圈L _P1的电压u _LP1、直流电源侧的电压U _H和直流电源侧的电流I _H传送至副边控制器。副边控制器通过副边驱动电路调节开关管S₁₃的斩波占空比实现对负载的电压U _L的调节；通过副边驱动电路调节第一副边变换器31的开关管S₇、S₈的斩波占空比实现输出功率大小的调节。原边线圈L _P1的电流i _LS1与电压u _LP1构成相应的相图关系，原边控制器对这相图关系应用极限环理论判断电路的开关管S₇和开关管S₈是否工作于软开关状态；或者通过对相图关系应用Poincaré截面来确定开关管S₇和开关管S₈是否处于软开关状态。当开关管S₇和开关管S₈处于硬开关状态时，在固定频率的条件下，通过调节第一非接触变压器21的原边线圈与副边线圈的相对距离改变第一非接触变压器21的耦合系数，直到开关管S₇和开关管S₈进入软开关状态后再停止这种调节过程，使开关管S₇和开关管S₈电路稳定的处于软开关状态下运行。该控制方法适用于太阳能电池对电源侧的非接触供电。

本实用新型具有双向供电功能，控制器和大多数元器件既可以在正向供电模式工作，也可以在反向供电模式工作。这样的电路高效实用，既节省了成本，又减小了的体积和重量。

为了减少传递过程中的能量损失，反向工作模式下第二非接触变压器32和第三路非接触变压器33处于不工作的状态。太阳能电池5的能量由BOOST升压电路6经滤波电路7的滤波电感L _D、滤波电容C _D滤波，第一个导通阶段如图4所示，由开关管S₇、副边线圈L _S1、电容C ₂到BOOST升压电路6的负极，并向电容C ₂充电。第二个导通阶段如图5所示，太阳能电池5的能量由BOOST升压电路6经滤波电路7的滤波电感L _D、滤波电容C _D滤波，经电容C ₁、副边线圈L _S1、开关管S₈到BOOST升压电路的负极，并向电容C ₁充电。在两个导通阶段之间分别由二极管D₇和二极管D₈续流。第一负边变换器31组成的半桥变换器电路的开关管S₇~S₈将直流电斩波得到单相高频交流电，经过第一非接触变压器21的副边线圈L _S1和原边线圈L _P1传输能量到直流电源侧。原边控制器和副边控制器选用ARM微处理器(STM32F103)，采用电压电流双闭环无线反馈方式稳定输出电压。

在非接触电路中，非线性与混沌现象在具有普遍性，研究发现特定端口的混沌现象得到抑制，可以使电路的效率明显提高。在电路中，原边线圈L _P1、副边线圈L _S1构成第一非接触变压器21，原边线圈L _P2、副边线圈L _S2构成第二非接触变压器22，原边线圈L _P3、副边线圈L _S3构成第三非接触变压器23，本实用新型只考虑三个非接触变压器参数完全均衡的情况，因而可以通过分析其中一路非接触变压器的状态判断三路非接触变压器的全部状态。

为了分析电路的原理，首先阐述第一非接触变压器21及其关联的电路（第二非接触变压器22和第三非接触变压器23及其关联的电路也具有相同的工作原理）。将全控桥式变换器1之前的所有电路等效为一个非线性元件N _R1；将副边电路的整流器件之后的所有负载电路等效为一个非线性元件N _R2，得到一个五阶电路如图6所示。

依据图7得到的等效电路推导出状态方程：

。

对于这样的五阶电路，我们需要描述非线性元件N _R2的伏安特性。通过仿真与实验得出：当开关管S₁~S₄处于软开关状态时，负载N _R2的伏安特性为一个环形，如图7所示。经过大量实验、仿真与理论分析发现，当电路中的关键参数改变时，电路的效率、带负载能力等重要指标会随之而变化；特定端口的混沌现象得到抑制，可以使电路的效率明显提高。其中一个重要发现是当电路的开关频率及元件参数固定时，非接触供电线圈的相对距离（耦合系数k）变化会改变电路的传输效率。这一距离过近或过远均会使电路效率降低，只有该距离恰好合适的时候（即在频率固定的情况下，耦合系数k为某一个固定值，且随着频率改变而改变），开关管S₁~S₄才能工作在软开关状态。且该条件下的电路对于负载变化具有较好的鲁棒性。

理论上说，选择恰当的参数，可以使电路的传输功率处于匹配状态，电路的传输功率达到最大值。但是这与传输效率达到最大值有所不同，同一个电路传输效率达到最大值的时候，其传输功率的能力可能相对较小。

本实用新型的电路如果工作在混沌状态，对应于电路的开关管工作在硬开关状态，为了防止电路损坏，本实用新型的电路对应的混沌现象与混沌控制的实验，其供电电压为24V，工作频率为45kHz，图7为正向充电模式下的电路实验波形。图8与图9分别为非接触供电原边线圈与副边线圈相对距离为1cm时，原边线圈的电压u _LP1与副边线圈的电流i _LS1的时域波形图与相图，由此得到该电路处于硬开关状态，该电路的测试效率为79%（不考虑辅助电源功耗)。图10与图11分别为非接触供电原边线圈与副边线圈相对距离为3cm时，原边线圈的电压u _LP1与副边线圈的电流i _LS1的时域波形图与相图，该电路的测试效率为89%（不考虑辅助电源功耗）。由图8-11可以看出，开关管S₁~S₄频率一定时，只有线圈的相对距离（耦合系数k）合适才能得到最大传输效率。随着非接触供电电路的原边线圈与副边线圈的相对距离增大或减小，电路的传输效率均会减小。

图12为硬开关条件下第一非接触变压器21的原边线圈与副边线圈的相图，第一非接触变压器21的原边线圈L _P1和副边线圈L _S1之间的距离为1cm。由对应的仿真结果可知，其流形为不稳定流形。不稳定流形暗示着电路处于硬开关工作状态，该状态下开关器件功耗较大，发热严重。

图13为软开关条件下第一非接触变压器21的原边线圈与副边线圈的相图，非接触变压器的原边线圈L _P1和副边线圈L _S1之间的距离为3cm。由对应的仿真结果可知，其流形为稳定的极限环。依据极限环的定义，当极限环内部或外部的轨线在t→∞时，均趋近于极限环。稳定的极限环暗示着电路处于软开关工作状态，该状态下开关器件功耗较小，发热量低；而偏离极限环则意味着电路处于硬开关工作状态。当相图平面的轨线（流形）在外界干扰偏离极限环时，通过反馈系统的作用可以自动回到极限环区域，则该极限环是一个稳定的极限环。

图14和图15分别是通过Poincaré截面得到第一非接触变压器21的原边线圈的电压u _LP1与副边线圈的电流i _LS1的时域波形图与相图。可以直观地看出，实验得到的图12的流形与仿真得到的图14的流形是拓扑等价的。同理图13与图15的流形也是拓扑等价的。由于Pspice仿真用的所有元件均是集总元件，而实验电路存在分布参数，两者得到的图形有一些偏差，但是其流形存在一种映射关系。简单的说可以通过一种映射变换使它们相互转化。

原边控制器利用极限环理论判断开关管S₁~S₆是否工作于软开关状态的方法是：在开关管S₁~S₄工作在软开关下的第一非接触变压器21的原边线圈电压u _LP1与副边线圈电流i _LS1的相图中选取Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ八条直线，八条直线围成的环形区域能包含极限环的全部运行范围；四条直线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ互相平行，四条直线Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ互相平行，八条直线的表达式分别为：

Ⅰ：u _LP1 = k ₁ ∙ i _LS1+m₁

Ⅱ：u _LP1 = k ₁ ∙ i _LS1+m₂

Ⅲ：u _LP1 = k ₁ ∙ i _LS1+m₃

Ⅳ：u _LP1 = k ₁ ∙ i _LS1+m₄

Ⅴ：u _LP1 = k ₂∙ i _LS1+m₅

Ⅵ：u _LP1 = k ₂∙ i _LS1+m₆

Ⅶ：u _LP1 = k ₂∙ i _LS1+m₇

Ⅷ：u _LP1 = k ₂∙ i _LS1+m₈

其中，比例系数为k ₁、k ₂，m₁~m₈为常数项；根据实时获取的原边线圈电压u _LP1与副边线圈电流i _LS1的峰值大小，由原边控制器按原边线圈的电压u _LP1与副边线圈的电流i _LS1的峰值取一定的比例设定比例系数k ₁、k ₂和常数项m₁~m₈的大小得到8条直线Ⅰ~Ⅷ。如图13所示，当原边线圈的电压u _LP1与副边线圈的电流i _LS11的流形（通过实时采集电压u _LP1与电流i _LS11的信号值，得到的电压u _LP1与电流i _LS11的相图，相图中的曲线可以称之为流形）的任意一点或一部分均落在直线Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅶ包围的四边形以外，且落在直线Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅷ包围的四边形以内时，可以判定全控桥式变换器1的开关管S₁~S₄工作在软开关状态。如图12所示，当原边线圈的电压u _LP1与副边线圈的电流i _LS11的流形有任意一点或一部分落在直线Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅶ包围的四边形以内时，或者落在直线Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅷ包围的四边形以外时，可以判定全控桥式变换器1的开关管S₁~S₄工作在硬开关状态。

原边控制器利用Poincaré截面判断开关管S₁~S₄是否工作于软开关状态的方法是：用无量纲变量x表示原边线圈的电压u _LP1，用y表示副边线圈的电流i _LS1，在Poincaré截面的相图中取不切线：

式中，R²表示二维实数空间，x、y表示横坐标与纵坐标。通过Poincaré截面判断极限环的稳定性可以轻而易举的用ARM芯片(本电路使用STM32)编程实现。

原边控制器依据不切线Σ，参考图15中的流形，当副边线圈的电流i _LS1过零时，原边线圈的电压u _LP1接近于峰值（至少大于0.9倍峰值），且在一个电路周期之内副边线圈的电流i _LS1过零两次，两次检测到对应的原边线圈的电压u _LP1，原边控制器判定全控桥式变换器1的开关管S₁~S₄工作在软开关状态；如果在一个电路周期之内副边线圈的电流i _LS1过零次数多余或少于两次，或者当副边线圈的电流i _LS1过零时u _LP1没有接近于峰值(小于0.9倍峰值)，原边控制器判定全控桥式变换器1的开关管S₁~S₄工作在硬开关状态。

图13和图15是当开关管S₁~S₄进入软开关状态时原边线圈的电压u _LP1与负边线圈的电流i _LS11的相图，利用软开关状态的相图判断开关管S₁~S₄是否处于软开关状态，用于非接触供电起始阶段时对非接触变压器的原边线圈L _P1和副边线圈L _S1之间的距离和相对水平位置的调节。经过大量实验分析发现，当电路的开关频率及元件参数固定时，非接触供电线圈的相对距离和相对水平位置（耦合系数k）变化会改变电路的传输效率。其中一个重要发现是这一距离过近或过远均会使电路效率降低，只有该距离恰好合适的时（即在频率固定的情况下，耦合系数k为某一个固定值，且随着频率改变而改变）开关管S₁~S₄才能工作在软开关状态。且该条件下的电路对于负载变化具有较好的鲁棒性。当电路中的负载大小改变时，电路的效率变化较小；特定端口的混沌现象得到抑制，可以使电路的效率明显提高。用混沌方法判断一次开关管S₁~S₄是否进入软开关状态，其检测与反馈控制的调节时间在几个周期（开关管频率通常为几十kHz，几个周期大概为0.1ms左右）以内即可完成，对非接触变压器的原边线圈L _P1和副边线圈L _S1之间的距离和相对水平位置的调节时间取决于调节电动机构的反应时间。采用伺服电机电动机构，其总体时间可以控制在1~2秒钟以内，在此期间适当降低电压或开关管S₁~S₄的占空比以减小调节过程中的损耗。

当采用上述方法调节第一非接触变压器21的原边线圈L _P1、副边线圈L _S1之间的距离和相对水平位置之后，再用用同样方法调节第二非接触变压器22的原边线圈L _P2、副边线圈L _S2之间的距离和相对水平位置使开关管S₃~S₆进入软开关状态，再用用同样方法调节第三非接触变压器23的原边线圈L _P3、副边线圈L _S3之间的距离和相对水平位置使开关管S₁~S₂、S₅~S₆进入软开关状态。本实用新型只考虑三路非接触变压器参数完全均衡且的情况，因而可以通过分析其中一路变压器的状态判断三路变压器的全部状态。通常用于电动汽车的非接触充电系统，其原边线圈在地面下安装，为了减小车载副边电路的体积，将调节电动机构安装在地面下，用于调节原边线圈的位置使对应的开关管进入软开关状态。

非接触供电电路是非线性电路，其中广泛存在着混沌现象。随着电路参数的变化可能出现混沌状态。本实用新型通过对关键参数的状态相图的分析，发现某些特定相图中的混沌现象暗示着电路处于硬开关状态，而脱离混沌状态则表明电路处于软开关状态。此外，在不同开关频率及非接触线圈耦合系数的条件下(在一定范围内)，通过调节非接触线圈的相对距离可以使电路进入软开关状态。基于这种发现，给出了简单的判断方法，并将这种判断方法应用于反馈控制，得到了良好的效果。

经过实际测量，对于应用该方案的310V直流供电的非接触系统，在1KW负载情况下，可以得到91~93%的最高效率。本实用新型研究混沌现象产生的原因以及主要特征，用这些特征实现自动控制，设计出高效实用的非接触供电系统。

非接触充电系统采用定制的感应耦合线圈，原边控制器和副边控制器选用高性能低功耗的ARM微处理器(STM32F103)。本实用新型的参数为：直流输入电压U _H=310 V，工作频率f _s=45kHz，L _H=200uH，C _H=24μF，P _out≤1.1 kW。反向太阳能供电模式下的变换器系统的参数为：电压U _L=380V，f _s=45kHz，U _H=310 V，P _out≤0.3kW。正向充电模式下的实验结果如图16所示，三个副边变换器可以等效为电流泵电路，其输出电流i _o1 、 i _o2 、 i _o3的幅值相同，相位互错120°。用本实用新型的拓扑结构构建的电路，当输入电压为直流310V(~220V交流整流得到)且输出功率达到1KVA时，效率的最佳状态可超过94%。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于电动汽车的非接触供电装置，其特征在于，包括直流电源U _H、全控桥式变换器（1）、非接触变压器、副边变换器、滤波电路（7）、BOOST升压电路（6）、充电投切装置（4）、车载蓄电池U _bat、原边控制器和副边控制器，所述直流电源U _H与电容C _H相连接，全控桥式变换器（1）与电容C _H并联连接，全控桥式变换器（1）通过谐振电路与非接触变压器相连接，非接触变压器分别与副边变换器相连接，副边变换器通过滤波电路（7）与BOOST升压电路（6）相连接，BOOST升压电路（6）与车载蓄电池U _bat并联连接，车载蓄电池U _bat与充电投切装置（4）串联连接；所述原边控制器与电源电压检测模块、电源电流检测模块、原边线圈电压检测模块、原边驱动电路相连接，电源电压检测模块和电源电流检测模块设置在直流电源U _H上，原边驱动电路与全控桥式变换器（1）相连接，原边控制器通过无线通信与副边控制器相连接；所述副边控制器与副边线圈电流检测模块、副边驱动电路、BOOST升压电路（6）、太阳能电池电流检测模块、负载电流检测模块、负载电压检测模块、充电投切装置（4）相连接，副边驱动电路与副边变换器相连接，太阳能电池电流检测模块与BOOST升压电路（6）相连接，负载电流检测模块、负载电压检测模块与车载蓄电池U _bat相连接。

2.根据权利要求1所述的适用于电动汽车的非接触供电装置，其特征在于，所述全控桥式变换器（1）包括二极管D₁~D₆，二极管D₁~D₆上分别反并联有开关管S₁~S₆，开关管S₁~S₆均与原边驱动电路相连接；所述非接触变压器包括第一非接触变压器（21）、第二非接触变压器（22）和第三非接触变压器（23），副边变换器包括第一副边变换器（31）、第二副边变换器（32）和第三副边变换器（33），第一非接触变压器（21）、第二非接触变压器（22）和第三非接触变压器（23）的原边线圈均与全控桥式变换器（1）相连接，第一非接触变压器（21）的副边线圈与第一副边变换器（31）相连接，第二非接触变压器（22）的副边线圈与第二副边变换器（32）相连接，第三非接触变压器（23）的副边线圈与第三副边变换器（33）相连接，第一副边变换器（31）、第二副边变换器（32）和第三副边变换器（33）并联连接后与滤波电路（7）相连接。

3.根据权利要求2所述的适用于电动汽车的非接触供电装置，其特征在于，所述第一副边变换器（31）包括桥式连接的二极管D₇、二极管D₈和电容C ₁、电容C ₂，二极管D₇上反并联有开关管S₇，二极管D₈上反并联有开关管S₈，开关管S₇和开关管S₈均与副边驱动电路相连接；所述第二副边变换器（32）包括桥式连接的二极管D₉、二极管D₁₀和电容C ₃、电容C ₄；第三副边变换器（33）包括桥式连接的二极管D₁₁、二极管D₁₂和电容C ₅、电容C ₆。

4.根据权利要求2所述的适用于电动汽车的非接触供电装置，其特征在于，所述第一非接触变压器（21）、第二非接触变压器（22）和第三非接触变压器（23）的原边线圈为三角形连接。

5.根据权利要求1或2所述的适用于电动汽车的非接触供电装置，其特征在于，所述BOOST升压电路（6）包括开关管S₁₃、电感L ₁₃、二极管D₁₃和二极管D₁₄，电感L ₁₃与太阳能电池（5）串联连接后与二极管D₁₃并联连接，二极管D₁₃上反并联有开关管S₁₃，太阳能电池（5）、电感L ₁₃、二极管D₁₃构成的串并联电路与二极管D₁₄串联连接，开关管S₁₃与副边驱动电路相连接。

6.根据权利要求5所述的适用于电动汽车的非接触供电装置，其特征在于，所述车载蓄电池U _bat和充电投切装置（4）串联后的两端并联有电动机M _L，电动机M _L与开关K串联连接，充电投切装置（4）上反并联有二极管D ₁₅。