CN209111950U - 一种电动汽车无线充电电路 - Google Patents

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Abstract

一种电动汽车无线充电电路，包括发射电路、接收电路和控制电路，控制电路输出端分别和发射电路的控制端和接收电路的控制端连接，控制电路输入端分别和发射电路的采样输出端和接收电路的采样输出端连接。发射电路包括依次连接的第一整流电路、逆变电路和谐振电路；接收电路包括线圈L2、电子电容电路、第二整流电路以及电池。本实用新型采用电子电容，可调节电容大小，实现充电效率最大化；采用PCB线圈，减少了线圈质量；采用UWB精确定位技术，提高电能无线传输效率；对电池、线圈进行温度监测，提高电池充电安全性。

Description

一种电动汽车无线充电电路
技术领域
本实用新型属于电动汽车充电领域，具体涉及一种电动汽车无线充电电路和充电控制方法。
背景技术
电动汽车充电现在市面上三种模式：传导式、感应式和电池更换式。传导式以电缆为传输介质，通过电缆和耦合器链接，进行直接的接触式电能传输，需要人工操作，连接部分为易损件，安全程度有一定的局限性；电池更换式需要通过全自动化或半自动机械设备进行快速的电池更换，成本高，标准化要求高；基于电磁感应原理的空间内电能无线传输技术，仍存在诸多缺陷。
目前，电动汽车无线充电设施缺乏保障充电过程电能高效传输的有效手段，缺乏对线圈、电池的温度控制，存在线圈、电池温度过高导致设备损坏、引起火灾事故的现象。
发明内容
本实用新型的目的是针对上述问题，提出了一种电动汽车无线充电电路和充电控制方法，采用UWB精确定位技术和电子电容，提高无线电能传输效率，监测线圈、电池温度，提高电动汽车充电安全性。
本实用新型的技术方案是一种电动汽车无线充电电路，包括发射电路、接收电路、第一控制电路、第二控制电路，所述发射电路控制端与第一控制电路连接，接收电路控制端与第二控制电路连接；第一控制电路与第二控制电路通讯连接。
发射电路包括依次连接的第一整流电路、逆变电路和谐振电路；接收电路包括线圈L2、电子电容电路、第二整流电路以及电池；第一控制电路包括第一微处理器和分别与第一微处理器连接的第一电压传感器、第一驱动电路、语音模块、多个UWB接收模块；第二控制电路包括第二微处理器和分别与第二微处理器连接的第二电压传感器、多个UWB发射模块、第二驱动电路；UWB接收模块与UWB发射模块通讯连接。
第一整流电路包括二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3、二极管VD4、电容C1；二极管VD1负极与二极管VD2负极连接，连接处作为端口AA，二极管VD3正极与二极管VD4正极连接，连接处作为端口AB；二极管VD1与二极管VD3连接之处与工频电源的一端连接，二极管VD2和二极管VD4连接之处与工频电源的另一端连接；电容C1的一端与二极管VD1的负极连接，电容C1的另一端与二极管VD3的正极连接。
逆变电路包括开关管VT1、开关管VT2、开关管VT3和开关管VT4，开关管VT1、开关管VT3的集电极分别与二极管VD1负极相连，开关管VT2、开关管VT4的发射极与二极管VD3正极相连；开关管VT1的发射极与VT2的集电极相连并与电容C2的一端连接，电容C2与线圈L1串联，线圈L1的另一端与开关管VT3发射极连接；开关管VT1基极、开关管VT2基极、开关管VT3基极、开关管VT4基极分别经第一驱动电路连接到第一微处理器。
谐振电路包括串联的电容C2和线圈L1；电容C2为常规陶瓷电容，线圈L1为PCB线圈。
电子电容电路包括开关管VT5、开关管VT6、开关管VT7、开关管VT8、二极管VD5、二极管VD6、二极管VD7、二极管VD8和电容C3；开关管VT5的集电极与开关管VT6的集电极连接，开关管VT7的发射极与开关管VT8的发射极连接；电容C3的一端与开关管VT5的集电极连接，电容C3的另一端与开关管VT7的发射极连接；二极管VD5的正极与开关管VT5的发射极连接，二极管VD5的负极与开关管VT5的集电极连接；二极管VD6的正极与开关管VT6的发射极连接，二极管VD6的负极与开关管VT6的集电极连接；二极管VD7的正极与开关管VT7的发射极连接，二极管VD7的负极与开关管VT7的集电极连接；二极管VD8的正极与开关管VT8的发射极连接，二极管VD8的负极与开关管VT8的集电极连接；开关管VT5基极、开关管VT6基极、开关管VT7基极、开关管VT8基极经第二驱动电路连接到第二微处理器。
第二整流电路包括二极管VD9、二极管VD10、二极管VD11、二极管VD12和电容C4，二极管VD9负极与二极管VD10负极连接，连接处作为端口BA，二极管VD11正极与二极管VD12正极连接，连接处作为端口BB；电容C4一端与二极管VD10的负极连接，电容C4的另一端与二极管VD12正极连接；端口BA、端口BB作为充电输出端口。
所述第一控制电路还包括与第一微处理器连接的第一温度传感器，第一温度传感器用于监测线圈L1的温度。
所述第二控制电路还包括与第二微处理器连接的第二温度传感器；第二温度传感器用于监测线圈L2温度。
所述第二控制电路还包括与第二微处理器连接的第三温度传感器；第三温度传感器用于监测电池的温度。
所述第二控制电路还包括与第二微处理器连接的DTU模块。
本实用新型的有益效果：
1、非接触式充电方式减少了充电接头带来的安全隐患，充电方式简单、便捷、高效；
2、采用电子电容可调节电容大小，实现充电效率最大化；
3、采用PCB线圈，减少了线圈质量，PCB线圈成型时线圈形状、大小、电感值便于通过计算机设置；
4、采用UWB精确定位技术，使发射电路线圈与接收电路线圈能精确吻合，提高传输效率，减小了电能损耗；
5、对电池、线圈进行温度监测，避免温度过高引起的元器件损坏、火灾等。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1为电动汽车无线充电电路结构示意图。
图2为电动汽车无线充电基本原理简图。
图3为电池等效模型图。
图4为微处理器及其外围电路图。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种电动汽车无线充电电路，包括发射电路、接收电路、第一控制电路、第二控制电路，所述发射电路控制端与第一控制电路连接，接收电路控制端与第二控制电路连接；第一控制电路与第二控制电路通讯连接。
发射电路包括依次连接的第一整流电路、逆变电路和谐振电路；接收电路包括线圈L2、电子电容电路、第二整流电路以及锂电池；第一控制电路包括第一微处理器和分别与第一微处理器连接的第一电压传感器、第一驱动电路、语音模块、第一温度传感器、3个UWB接收模块；第二控制电路包括第二微处理器和分别与第二微处理器连接的第二电压传感器、2个UWB发射模块、第二温度传感器、第三温度传感器、DTU模块、第二驱动电路；UWB接收模块与UWB发射模块通讯连接；第一温度传感器用于监测线圈L1的温度。第二温度传感器用于监测线圈L2温度；第三温度传感器用于监测锂电池的温度。3个UWB接收模块分别布置在车位四周，2个UWB发射模块分别布置在车头和车尾。DTU模块与电动汽车车主手机通讯连接。
第一整流电路包括二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3、二极管VD4、电容C1；二极管VD1负极与二极管VD2负极连接，连接处作为端口AA，二极管VD3正极与二极管VD4正极连接，连接处作为端口AB；二极管VD1与二极管VD3连接之处与工频电源的一端连接，二极管VD2和二极管VD4连接之处与工频电源的另一端连接；电容C1的一端与二极管VD1的负极连接，电容C1的另一端与二极管VD3的正极连接；电容C1用于滤波。
逆变电路包括开关管VT1、开关管VT2、开关管VT3和开关管VT4，开关管VT1、开关管VT3的集电极分别与二极管VD1负极相连，开关管VT2、开关管VT4的发射极与二极管VD3正极相连；开关管VT1的发射极与VT2的集电极相连并与电容C2的一端连接，电容C2与线圈L1串联，线圈L1的另一端与开关管VT3发射极连接；开关管VT1基极、开关管VT4基极分别经第一驱动电路连接到第一微处理器；开关管VT2基极、开关管VT3基极分别经第一反相器、第一驱动电路连接到第一微处理器。
谐振电路包括串联的电容C2和线圈L1；电容C2为常规陶瓷电容，线圈L1为PCB线圈。
电子电容电路包括开关管VT5、开关管VT6、开关管VT7、开关管VT8、二极管VD5、二极管VD6、二极管VD7、二极管VD8和电容C3；开关管VT5的集电极与开关管VT6的集电极连接，开关管VT7的发射极与开关管VT8的发射极连接；电容C3的一端与开关管VT5的集电极连接，电容C3的另一端与开关管VT7的发射极连接；二极管VD5的正极与开关管VT5的发射极连接，二极管VD5的负极与开关管VT5的集电极连接；二极管VD6的正极与开关管VT6的发射极连接，二极管VD6的负极与开关管VT6的集电极连接；二极管VD7的正极与开关管VT7的发射极连接，二极管VD7的负极与开关管VT7的集电极连接；二极管VD8的正极与开关管VT8的发射极连接，二极管VD8的负极与开关管VT8的集电极连接；开关管VT5基极、开关管VT8基极经第二驱动电路连接到第二微处理器；开关管VT6基极、开关管VT7基极分别经第二反相器、第二驱动电路连接到第二微处理器。
第二整流电路包括二极管VD9、二极管VD10、二极管VD11、二极管VD12和电容C4，二极管VD9负极与二极管VD10负极连接，连接处作为端口BA，二极管VD11正极与二极管VD12正极连接，连接处作为端口BB；电容C4一端与二极管VD10的负极连接，电容C4的另一端与二极管VD12正极连接；端口BA、端口BB作为充电输出端口；电容C4用于滤波。
开关管VT1、开关管VT2、开关管VT3、开关管VT4、开关管VT5、开关管VT6、开关管VT7、开关管VT8分别为IGBT。
线圈L1与线圈L2分别采用PCB板制作。制作方式为将螺线圈导线绘制在PCB板上，PCB板厚度为毫米级，通过计算机设置线圈L1与线圈L2宽度、圈数，根据实际车位大小形状调整线圈L1形状与线圈L2形状。
电容C2为陶瓷电容。
第一电压传感器、第二电压传感器分别采用VSM025A霍尔电压传感器。
第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器分别采用PT100温度传感器。
UWB发射模块、UWB接收模块分别采用DWM1000模块；
DTU模块采用华为ME906E LTE模块；
语音模块采用M-LD3320模块；
第一驱动电路、第二驱动电路分别采用IR2110芯片；
第一微处理器、第二微处理器分别采用STM32F103RCT6芯片；
第一微处理器的外围电路、第二微处理器的外围电路分别参照图4所示的电路。
3个UWB接收模块根据2个UWB发射模块的信号，采用TDOA算法，分别得到2个UWB发射模块的精确坐标数据。将线圈L1与线圈L2精确吻合时的2个UWB发射模块的坐标定为目标坐标，将2个UWB发射模块的实时坐标与目标坐标的偏离情况通过语音模块提示车主，对电动汽车的停放位置进行纠正以提高充电效率。
第一电压传感器检测第一整流电路的输出电压；第二电压传感器检测接收电路的输出电压；第一温度传感器监测线圈L1的温度，第二温度传感器监测线圈L2的温度，第三温度传感器监测锂电池的温度；上述电压与温度数据传输到第二微处理器，经过DTU模块发送到车主手机；车主用手机发送发射电路工作或关断的控制指令，经DTU模块接收，经第二微处理器、UWB发射模块、UWB接收模块传输至第一微处理器，第一处理器输出控制信号，控制开关管VT1、开关管VT2、开关管VT3、开关管VT4导通或关断，进行控制发射电路工作或关断。
工频电源交流电通过由二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3、二极管VD4构成的整流桥转换为直流电。第一整流电路输出的直流电经过逆变电路产生高频交流电。第一微处理器控制逆变电路的开关管VT1、开关管VT2、开关管VT3、开关管VT4的导通或关断。
线圈L2两端感应产生交流电，经过电子电容，再经第二整流电路整流输出到锂电池。第二微处理器控制开关管VT5、开关管VT6、开关管VT7、开关管VT8的导通或关断。
电子电容电路的工作原理：处于线圈L2的交流电正半周时，控制开关管VT6、开关管VT7导通，电容C3接入接收电路，然后控制开关管VT6关断，接收电路的电流经过二极管VD8续流，电容C3从接收电路中断开；处于线圈L2的交流电负半周时，控制开关管VT5、开关管VT8导通，电容C3接入接收电路，然后控制开关管VT5关断，接收电路的电流经过二极管VD7续流，电容C3从接收电路中断开；通过控制开关管VT5、开关管VT6、开关管VT7、开关管VT8的导通时间即占空比，控制电容C3接入接收电路的时间，对接收电路而言等效电容值与占空比相关，实现等效电容从0到其固有容值可调，即电子电容。
锂电池的充电控制方法，具体包括以下步骤，
步骤1：采用无迹卡尔曼滤波电量算法估测电池电量；
步骤2：判断电池电量的范围，选择充电模式；
步骤2.1：如果电池电量大于80％电池额定容量，选择恒电压充电模式；
步骤2.2：如果电池电量小于20％电池额定容量，选择涓流充电模式；
步骤2.3：如果电池电量不小于20％电池额定容量，也不大于80％电池额定容量，选择恒电流充电模式；
步骤3：依据步骤2选择的充电模式和电池的温度，调整电池的充电电压或充电电流；
步骤3.1：如果是恒电压充电模式，保持充电电压Ul在充电期间不变；
步骤3.2：如果是涓流充电模式或恒电流充电模式，保护充电电流Il在充电期间不变；
步骤4：依据步骤3选择的充电电压或充电电流以及线圈L1、线圈L2的温度，选择合理的电子电容的等效电容数值，并依据等效电容值生成电子电容电路开关管的控制信号；
步骤5：依据步骤3选择的充电电压或充电电流和线圈L1、线圈L2的温度，以及线圈L1、线圈L2的吻合情况，调整发射电路输出电压U1，并根据发射电路输出电压U1、频率和第一整流电路的输出电压，生成逆变电路开关管的控制信号。
发射电路输出电压U1＝0.9Uaccos(π-α)，Uac为工频电源电压，α为逆变电路开关管导通角。
所述步骤5中，线圈L1、线圈L2的吻合情况根据UWB发射模块的坐标与UWB发射模块的目标坐标的偏差计算；所述UWB发射模块的目标坐标为线圈L1、线圈L2相对位置最佳时的UWB发射模块的坐标。
如图3所示，步骤1的无迹卡尔曼滤波电量算法中，锂电池的等效电路模型包括膜层电阻Rp、电荷转移电阻RS、电池内阻R、膜层电容CP，电荷转移电容CS；电容CP与电阻RP并联，电容CS与电阻RS并联，电阻R、电阻RP、电阻RS依次串联，i为锂电池的等效电路的电流，up为电阻Rp两端的电压，us为电阻Rs两端的电压；U(t)为开路电压法测得电池t时刻的输出电压，定义估算电压E(t)为电池的实际开路电压，函数F(x)为电池电压和电池电量的关系函数，SOC(t)表示t时刻电池的电量，建立方程
按照安时积分法定义当前时刻t的电池电量估算模型
式中t’为电池开始工作时刻，ki指充放电倍率补偿系数，kt为温度补偿系数，kc为循环次数补偿系数，CN为电池实际可用容量。联立式(1)和式(2)，并作非线性离散化变换，建立状态方程和观测方程
Uk＝F(SOCk)-IkR-Us,k-Up,k+u(k) (4)
式中T为离散周期，ωsoc(k)、ωs(k)、ωp(k)分别为状态量SOCk、us,k、up,k的噪声因子，u(k)为观测量Uk的噪声因子，as、ap和bs、bp为修正因子，
根据式(3)和式(4)作如下定义
Xk为粒子点状态矩阵，Ψk为观测量矩阵，根据式(6)进行系统初始化、状态扩维，并选取采样点，得到状态估计及均方误差方程分别如下：
式中L是状态方程扩展的维数，为状态估计，为粒子点状态估计，Px,k|k-1为均方误差，zi (m)和zi (c)分别是粒子点均值和方差的加权值，Ak-1和Bk-1为常系数，Xx k-1,i和Xω k-1,i为粒子点扩维的状态矩阵。系统输出的先验估计值为：
式中Xu k-1,i为粒子点扩维的状态矩阵，yk|k-1为测量输出残差，式中函数h对应式(4)观测方程中的观测函数Uk。最后可得到系统的状态最优估计和均方误差估计方程如下，式中Lk是滤波增益矩阵，yk指系统输出的实际值。

Claims (6)

1.一种电动汽车无线充电电路，包括发射电路、接收电路，其特征在于，还包括第一控制电路、第二控制电路，所述发射电路控制端与第一控制电路连接，接收电路控制端与第二控制电路连接；第一控制电路与第二控制电路通讯连接；发射电路包括依次连接的第一整流电路、逆变电路和谐振电路；接收电路包括线圈L2、电子电容电路、第二整流电路以及电池；第一控制电路包括第一微处理器和分别与第一微处理器连接的第一电压传感器、第一驱动电路、语音模块、多个UWB接收模块；第二控制电路包括第二微处理器和分别与第二微处理器连接的第二电压传感器、多个UWB发射模块、第二驱动电路；UWB接收模块与UWB发射模块通讯连接；所述电池为充电电池。
2.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电电路，其特征在于，第一整流电路包括二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3、二极管VD4、电容C1；二极管VD1负极与二极管VD2负极连接，连接处作为端口AA，二极管VD3正极与二极管VD4正极连接，连接处作为端口AB；二极管VD1与二极管VD3连接之处与工频电源的一端连接，二极管VD2和二极管VD4连接之处与工频电源的另一端连接；电容C1的一端与二极管VD1的负极连接，电容C1的另一端与二极管VD3的正极连接；
逆变电路包括开关管VT1、开关管VT2、开关管VT3和开关管VT4，开关管VT1、开关管VT3的集电极分别与二极管VD1负极相连，开关管VT2、开关管VT4的发射极与二极管VD3正极相连；开关管VT1的发射极与VT2的集电极相连并与电容C2的一端连接，电容C2与线圈L1串联，线圈L1的另一端与开关管VT3发射极连接；开关管VT1基极、开关管VT2基极、开关管VT3基极、开关管VT4基极分别经第一驱动电路连接到第一微处理器；
谐振电路包括串联的电容C2和线圈L1；
电子电容电路包括开关管VT5、开关管VT6、开关管VT7、开关管VT8、二极管VD5、二极管VD6、二极管VD7、二极管VD8和电容C3；开关管VT5的集电极与开关管VT6的集电极连接，开关管VT7的发射极与开关管VT8的发射极连接；电容C3的一端与开关管VT5的集电极连接，电容C3的另一端与开关管VT7的发射极连接；二极管VD5的正极与开关管VT5的发射极连接，二极管VD5的负极与开关管VT5的集电极连接；二极管VD6的正极与开关管VT6的发射极连接，二极管VD6的负极与开关管VT6的集电极连接；二极管VD7的正极与开关管VT7的发射极连接，二极管VD7的负极与开关管VT7的集电极连接；二极管VD8的正极与开关管VT8的发射极连接，二极管VD8的负极与开关管VT8的集电极连接；开关管VT5基极、开关管VT6基极、开关管VT7基极、开关管VT8基极经第二驱动电路连接到第二微处理器；
第二整流电路包括二极管VD9、二极管VD10、二极管VD11、二极管VD12和电容C4，二极管VD9负极与二极管VD10负极连接，连接处作为端口BA，二极管VD11正极与二极管VD12正极连接，连接处作为端口BB；电容C4一端与二极管VD10的负极连接，电容C4的另一端与二极管VD12正极连接；端口BA、端口BB作为充电输出端口。
3.根据权利要求2所述的电动汽车无线充电电路，其特征在于，第一控制电路还包括与第一微处理器连接的第一温度传感器，第一温度传感器用于监测线圈L1的温度。
4.根据权利要求2或3所述的电动汽车无线充电电路，其特征在于，第二控制电路还包括与第二微处理器连接的第二温度传感器；第二温度传感器用于监测线圈L2温度。
5.根据权利要求4所述的电动汽车无线充电电路，其特征在于，第二控制电路还包括与第二微处理器连接的第三温度传感器；第三温度传感器用于监测电池的温度。
6.根据权利要求5所述的电动汽车无线充电电路，其特征在于，第二控制电路还包括与第二微处理器连接的DTU模块。
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