CN210416253U - 磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置 - Google Patents

磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开一种磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置，包括安装路面上的发射端和安装在电动汽车上的接收端，所述发射端包括工频电网、整流滤波模块A、高频逆变模块、补偿网络和发射线圈；所述接收端包括接收线圈、补偿网络、整流滤波模块B、DC/DC变换模块、车载电池、信息检测电路、控制器。本实用新型的磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置具有高效、安全、可靠，成本与维护费用低，操作简便，智能可控等优点，解决了电动汽车动态无线充电中接收端能量波动导致的能量损耗问题和电池寿命损害问题，实现了更高的能量利用率。

Description

磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置
技术领域
本实用新型涉及电动汽车无线技术领域，具体涉及磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置。
背景技术
随着全球气候变暖、空气污染及石化能源储量下降等问题日益严重，人们开始寻求可取代传统汽车的方式，解决环境污染等问题的有效方法。电动汽车作为一种新能源汽车具有着低碳、无污染、环保清洁等优点，作为新能源汽车未来的重要发展方向。目前，电动汽车存在容易造成电池污染、续航能力差、单次充电时间要求较长等问题，在充电过程中耗费大量时间，同时其充电过程中存在着一定的安全隐患。
电动汽车动态无线充电技术通过移动充电解决续航里程短、充电频繁、车载电池负载大等问题，然而由于电动汽车无线供电系统运行过程中车身位置和速度的动态变化性，引起的导轨自感变化、耦合线圈偏移等问题也给电动汽车无线供电系统的控制带来了困难，导致系统传输效率不高，大大增加了系统的损耗，降低了系统的能量有效供给，提高了应用推广成本。因此，迫切需要一套有效可行的控制方案来解决多种因素影响下的电动汽车无线供电系统所遇到的控制问题。
实用新型内容
本实用新型针对电动汽车无线供电系统在运行过程中，由于车身位置和速度的动态变化性，引起的导轨自感变化、耦合线圈偏移问题，功率波动造成电能损耗，导致系统充电效率降低，提出一种安全性高、漏磁小、电能损耗小、性能稳定的电动汽车动态无线充电车载控制系统，实现对系统资源的合理分配，提高系统传输效率，改善产品体验、安全性与可靠性，为实现电动公交车的高效率充电提供一种解决方案。
本实用新型通过下述技术方案得以解决：
一种磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置，包括安装路面上的发射端和安装在电动汽车上的接收端，所述发射端包括工频电网、整流滤波模块A、高频逆变模块、补偿网络和发射线圈；所述工频电网的输出端连接整流滤波模块A的输入端，所述整流滤波模块A的输出端连接高频逆变模块的输入端，所述高频逆变模块的输出端连接补偿网络的输入端，补偿网络的输出端连接发射线圈的输入端；
所述接收端包括接收线圈、补偿网络、整流滤波模块B、DC/DC变换模块、车载电池、信息检测电路、控制器；所述接收线圈的电源输出端经由补偿网络连接整流滤波模块B的输入端，所述整流滤波模块B的输出端连接DC/DC变换模块的输入端，所述DC/DC变换模块的输出端连接电动汽车的车载电池，所述信息检测电路连接车载电池，用于实时检测车载电池的电压，并传送至控制器作为输入变量，控制器发射相关控制信号控制DC/DC变换模块。
进一步地，所述接收线圈只有一个，安装在电动汽车的底部。
进一步地，所述发射线圈和接收线圈均为DDQ型平面线圈。
进一步地，所述控制器包括数据转换器、比较器、参考电压调节电路、积分器、微分器、处理器MCU、驱动电路、存储单元；所述数据转换器的输出端将作为比较器的一个输入端，所述比较器的输入端连接两路输出端，分别是数据转换器的输出端和参考电压调节电路的输出端，所述处理器MCU的输入端连接比较器的一路输出端、积分器的一路输入端、微分器的一路输出端，所述驱动电路输出端连接处理器MCU的信号输出端，所述驱动电路输出端连接DC/DC变换模块的输入端，所述存储单元的输入端连接比较器、积分器、微分器的输出端。
进一步地，所述处理器MCU为基于代码兼容的C28x内核的新型高性能32 位定点数字信号处理器MCU。
进一步地，所述DC/DC变换电路中采用两个开关组合实现三种模式的切换，每个开关为一个单刀单掷开关。
进一步地，所述开关采用绝缘栅双极型晶体管。
进一步地，第一种模式如下：当负载电池电压误差低于反向泄环值大小时，处理器给予驱动电压驱动DC/DC变换模块升压信号，开关组合成一开一关状态，执行第一种模式。
进一步地，第二种模式如下：当负载电池电压误差高于正向泄环值大小时，处理器给予驱动电压驱动DC/DC变换模块升压信号，开关组合成一关一开状态，执行第二种模式。
进一步地，第三种模式如下：当负载电池电压误差处在反向泄环值大小与正向泄环值大小范围之间，处理器给予驱动电压驱动DC/DC变换模块保持当前状态信号，开关组合成前一次调节状态，一开一关状态或一关一开状态，执行第三种模式。
本实用新型具有的优点在于：
(1)本实用新型采用磁耦合谐振无线电能传输技术，使得车辆无需行程到专用充电站进行停车充电，而只要正常行驶在铺设有发射线圈的路面上即可实现对移动的电动汽车进行动态无线充电；
(2))本实用新型的控制器的参数调节可以适应接收端不同负载，且能快速调节；
(3))本实用新型采用两个开关组合实现三种模式的切换，可避免使得控制系统因高开关频率的自激振荡导致过大的开关损耗、电感损耗，以及电磁干扰等问题；
(4))本实用新型接收端的功率调节使得负载在偏移情况下仍能够保持传输功率，提高了整体功率传输。
(5)本实用新型解决了电动汽车动态无线充电中接收端能量波动导致的能量损耗问题和电池寿命损害问题，实现了更高的能量利用率。
(6)本实用新型的磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置具有高效、安全、可靠，成本与维护费用低，操作简便，智能可控等优点，可大力推广应用。
附图说明
图1为本实用新型的磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置结构示意图；
图2为本实用新型的磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置接收端的控制器结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
参见图1，磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置，包括安装路面上的发射端和安装在电动汽车上的接收端。
发射端包括工频电网、整流滤波模块A、高频逆变模块、补偿网络和发射线圈。工频电网的输出端连接整流滤波模块A的输入端，整流滤波模块A的输出端连接高频逆变模块的输入端，高频逆变模块的输出端连接补偿网络的输入端，补偿网络的输出端连接发射线圈的输入端。
整流滤波模块A用于将工频电网接入的交流电转换为直流电。所得直流电不能直接给发射线圈供电，需要通过高频逆变模块转换为高频交流电，再与补偿网络配合实现发射端和接收端的谐振。
接收端包括接收线圈、补偿网络、整流滤波模块B、DC/DC变换模块、车载电池、信息检测电路、控制器。电动汽车车载接收线圈只有一个，且安装在电动汽车的底部。接收线圈的电源输出端经由补偿网络连接整流滤波模块B的输入端，整流滤波模块B的输出端连接DC/DC变换模块的输入端，DC/DC变换模块的输出端连接电动汽车的车载电池，车载电池将对车载用电设备进行供电，信息检测电路连接负载电池的一端。
发射线圈和接收线圈作为发射端和接收端电能传输的关键部件，通过磁耦合谐振方式实现电能无线传输。在本实用新型中，发射线圈和接收线圈均为多匝平面螺旋线圈，其线圈所缠绕的形状由具体设计需求所决定，相比于圆形和矩形等基本形状，DDQ型线圈具有更可靠的耦合谐振效果，在本实用新型实施例中，发射线圈和接收线圈均为DDQ型平面线圈，且发射线圈和接收线圈的大小、尺寸和形状均完全相同。
整流滤波模块B将接收线圈从发射端接收到的电能进行整流滤波处理，将高频交流电转换为直流电给电动汽车供电。当接收端电能经过整流滤波后，并不满足电池适合的直流电，需要进一步将直流电转化为满足电动汽车充电的电能， DC/DC变换模块是对整流后的电能转化为电池充电所需的直流电压电流量，供电给电动汽车的车载电池。信息检测电路连接车载电池，用于实时检测车载电池的电压，并传送至控制器作为输入变量，控制器发射相关控制信号控制DC/DC 变换模块。
参见图2，控制器包括数据转换器、比较器、参考电压调节电路、积分器、微分器、处理器MCU、驱动电路、存储单元。
数据转换器输入端连接信息检测电路，用于将信息检测电路检测到的负载电池电压进行模数转换，得出负载电池电压值，数据转换器的输出端将作为比较器的一个输入端。
参考电压调节电路具备编码控制功能，可以由外部编码更改参考电压值或者由处理器MCU进行编码控制参考电压值大小，参考电压值的大小由负载电池所需的适合电压决定，参考电压调节电路输出端将作为比较器的另一个输入端。
比较器的输入端连接两路输出端，分别是数据转换器的输出端和参考电压调节电路的输出端，比较器将采集到的负载电池电压与所设置的参考电压进行比较，得到负载电压误差，而后分成四路传送，一路作为处理器MCU的输入参数之一传送至处理器MCU，两路传送至积分器和微分器进行二次运算，一路传送至存储单元进行存储。
积分器和微分器均输入端连接比较器的输出端，将比较器得出的负载电压误差进行积分运算和微分运算，得到相应的负载电压误差积分值和微分值，而后均分成两路传送，一路作为处理器MCU的输入参数之一传送至处理器MCU，另一路传送至存储单元进行存储。
处理器MCU优选基于代码兼容的C28x内核的新型高性能32位定点数字信号处理器MCU，具备卓越的数据处理能力的同时，又具有适于控制的片内外设及接口，适用于低功耗、高性能的控制系统。处理器MCU的输入端连接比较器的一路输出端、积分器的一路输入端、微分器的一路输出端，以电压误差值、电压误差值的积分值和微分值作为处理器MCU的三个输入变量。根据控制对象 DC/DC变换模块可得到相应的状态方程，将根据该方程得出控制律。
理想情况下，DC/DC变换电路工作在无穷大频率，调节不会出现任何偏差，实际上，由于开关的不完美性，如开关时间常数和延时的存在，实现不了理想状态，不连续的反馈控制造成控制抖振，由于抖振的动态特性与开关频率有关，将使得控制系统因为DC/DC变换电路发生极高开关频率的自激振荡，进而导致过大的开关损耗、电感损耗，以及电磁干扰等问题。因此确定本实用新型设置控制律为三种控制模式，分别为升压、降压、保持当前状态。设置有较小且满足负载电池正常使用允许的误差值范围内的泄环值，用于控制工作频率，减轻抖振带来的影响。当负载电池电压误差低于反向泄环值大小时，处理器MCU给予驱动电压驱动DC/DC变换模块升压信号，当负载电池电压误差高于正向泄环值大小时，处理器MCU给予驱动电压驱动DC/DC变换模块升压信号，当负载电池电压误差处在反向泄环值大小与正向泄环值大小范围之间，处理器MCU给予驱动电压驱动DC/DC变换模块保持当前状态信号，无论是升压或是降压。通过引入不发生动作的区域，控制器的最大开关频率得到控制，缓解了抖振效应。此外，通过改变引入的泄环值大小可以控制工作频率。
驱动电路输出端连接处理器MCU的信号输出端，输出端连接DC/DC变换模块的输入端，驱动电路将控制器的信号转换成DC/DC变换模块的控制占空比驱动。
存储单元的输入端连接比较器、积分器、微分器的输出端，用于不断存储电压误差值、电压误差值的积分值和微分值数据，方便处理器MCU调用读取存储单元的各种数据，生成控制器输入参数曲线或参考。
DC/DC变换电路中采用两个开关组合实现三种模式的切换，每个开关为一个单刀单掷开关，为了能够保证模式的快速的切换，开关采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。当负载电池电压误差低于反向泄环值大小时，处理器给予驱动电压驱动DC/DC变换模块升压信号，开关组合成一开一关状态，执行第一种模式，实现DC/DC变换模块的升压调节。当负载电池电压误差高于正向泄环值大小时，处理器给予驱动电压驱动DC/DC变换模块升压信号，开关组合成一关一开状态，执行第二种模式，实现DC/DC变换模块的降压调节。当负载电池电压误差处在反向泄环值大小与正向泄环值大小范围之间，处理器给予驱动电压驱动DC/DC 变换模块保持当前状态信号，开关组合成前一次调节状态，一开一关状态或一关一开状态，执行第三种模式，DC/DC变换模块执行前一种模式的调节作用，直至溢出，即到达第一种模式或者第二种模式的阈值大小。
需要说明的是，尽管以上本实用新型所述的实施例是说明性的，但这并非是对本实用新型的限制，因此本实用新型并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本实用新型原理的情况下，凡是本领域技术人员在本实用新型的启示下获得的其它实施方式，均视为在本实用新型的保护之内。

Claims (10)

1.一种磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置，包括安装路面上的发射端和安装在电动汽车上的接收端，其特征在于：
所述发射端包括工频电网、整流滤波模块A、高频逆变模块、补偿网络和发射线圈；所述工频电网的输出端连接整流滤波模块A的输入端，所述整流滤波模块A的输出端连接高频逆变模块的输入端，所述高频逆变模块的输出端连接补偿网络的输入端，补偿网络的输出端连接发射线圈的输入端；
所述接收端包括接收线圈、补偿网络、整流滤波模块B、DC/DC变换模块、车载电池、信息检测电路、控制器；所述接收线圈的电源输出端经由补偿网络连接整流滤波模块B的输入端，所述整流滤波模块B的输出端连接DC/DC变换模块的输入端，所述DC/DC变换模块的输出端连接电动汽车的车载电池，所述信息检测电路连接车载电池，用于实时检测车载电池的电压，并传送至控制器作为输入变量，控制器发射相关控制信号控制DC/DC变换模块。
2.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置，其特征在于：所述接收线圈只有一个，安装在电动汽车的底部。
3.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置，其特征在于：所述发射线圈和接收线圈均为DDQ型平面线圈。
4.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置，其特征在于：所述控制器包括数据转换器、比较器、参考电压调节电路、积分器、微分器、处理器MCU、驱动电路、存储单元；所述数据转换器的输出端将作为比较器的一个输入端，所述比较器的输入端连接两路输出端，分别是数据转换器的输出端和参考电压调节电路的输出端，所述处理器MCU的输入端连接比较器的一路输出端、积分器的一路输入端、微分器的一路输出端，所述驱动电路输出端连接处理器MCU的信号输出端，所述驱动电路输出端连接DC/DC变换模块的输入端，所述存储单元的输入端连接比较器、积分器、微分器的输出端。
5.根据权利要求4所述的磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置，其特征在于：所述处理器MCU为基于代码兼容的C28x内核的新型高性能32位定点数字信号处理器MCU。
6.根据权利要求1或4所述的磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置，其特征在于：所述DC/DC变换电路中采用两个开关组合实现三种模式的切换，每个开关为一个单刀单掷开关。
7.根据权利要求6所述的磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置，其特征在于：所述开关采用绝缘栅双极型晶体管。
8.根据权利要求6所述的磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置，其特征在于，第一种模式如下：当负载电池电压误差低于反向泄环值大小时，处理器给予驱动电压驱动DC/DC变换模块升压信号，开关组合成一开一关状态，执行第一种模式。
9.根据权利要求6所述的磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置，其特征在于，第二种模式如下：当负载电池电压误差高于正向泄环值大小时，处理器给予驱动电压驱动DC/DC变换模块升压信号，开关组合成一关一开状态，执行第二种模式。
10.根据权利要求6所述的磁耦合谐振式电动汽车动态无线充电车载控制装置，其特征在于，第三种模式如下：当负载电池电压误差处在反向泄环值大小与正向泄环值大小范围之间，处理器给予驱动电压驱动DC/DC变换模块保持当前状态信号，开关组合成前一次调节状态，一开一关状态或一关一开状态，执行第三种模式。
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