一种市电至车载电池包的无线电能传输系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电动汽车车载无线电能传输应用领域，尤其是涉及一种市电至车载电池包的无线电能传输系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]传统电动汽车充电系统依靠有线电缆实现市电至车载动力电池包的充电过程，然而该方法不能实现自动充电，违背电动汽车使用者对便捷性的要求，同时充电过程会对操作者产生高压电击危险。无线电能传输技术恰好可以解决上述问题，用一对磁能发射及接收模块代替传统有线电缆，将电能先变为磁能，在接收并转换为电能，然后充入动力电池中。无线电能传输技术可以实现安全、便捷、全自动的充电过程，并对恶劣应用环境具有较强的适应性。
[0003]无线电能传输技术一般依靠H桥逆变电路将直流电斩波为高频交流电，以激励源边磁能发射机构。对于实际应用，输入功率源一般为220V市电，因此在220V市电及H桥逆变电路之间需要一个有源功率因数校正环节，以降低H桥逆变电路对220V市电的谐波污染。传统有源功率因数校正电路一般为BOOST升压电路，因其输出为直流，故需要一个大容值的直流滤波电容，并且需要额外的一个功率开关管进行独立的控制。对于无线电能传输系统来说，其磁能发射接收端具有谐振特性，因此有源功率因数校正环节之后的电压不需要一直维持直流状态。对于该种特殊应用，选用合适的拓扑结构及相应控制策略，实现有源功率因数校正功能及动力电池充电电流调节功能是具有重要实际意义的。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、节省成本、节省斩波环节、提高效率、节省采样电路、降低控制复杂性、控制方式多样的市电至车载电池包的无线电能传输系统及其控制方法。
[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0006]一种市电至车载电池包的无线电能传输系统，所述的无线电能传输系统包括相互连接的能量传递装置和控制装置，所述的能量传递装置包括依次连接的交流源、准阻抗源模块、H桥逆变模块、磁能发射模块、磁能接收模块、整流滤波模块和高压动力电池模块，所述的磁能发射模块与磁能接收模块通过磁耦合的方式连接，所述的准阻抗源模块、H桥逆变模块、磁能发射模块、磁能接收模块和高压动力电池模块分别与控制装置连接。
[0007]所述的控制装置包括相位失谐检测模块、发射端数据采集模块、开关驱动模块以及依次连接的接收端数据采集模块、无线数据发射模块、无线数据接收模块和控制器模块，所述的相位失谐检测模块分别与H桥逆变模块和控制器模块连接，所述的发射端数据采集模块分别与准阻抗源模块和控制器模块连接，所述的开关驱动模块分别与准阻抗源模块、H桥逆变模块和控制器模块连接，所述的接收端数据采集模块分别与磁能接收模块和高压动力电池模块连接。
[0008]所述的交流源包括相互连接220V/50HZ的市电电源和单向半波整流桥。
[0009]所述的准阻抗源模块包括第一电容C1、第二电容C2以及依次串联的第一电感L P开关单元和第二电感L2，所述的第二电感1^2与H桥逆变模块连接，所述的第二电容C2—端连接到第一电感LjP开关单元之间，另一端与H桥逆变模块连接，所述的第一电容C i 一端连接到开关单元和第二电感L2之间，另一端与交流源连接，所述的开关单元为二极管D 1或三极管S。
[0010]所述的无线数据发射模块和接收端数据采集模块采用Zigbee或者DSRC进行数据的无线传输，所述的控制器模块为强时序控制芯片，包括CPLD、FPGA或高速MCU，所述的开关驱动模块为四路或五路独立电气隔离驱动芯片，所述的相位失谐检测模块包括鉴相器芯片。
[0011 ] 所述的磁能发射模块和磁能接收模块均由谐振网络构成，包括LCL拓扑及LC串联拓扑，并且谐振频率与H桥逆变模块的工作频率相同，所述的高压动力电池模块为动力电池包。
[0012]所述的开关单元为功率MOS管、功率三极管或IGBT。
[0013]一种市电至车载电池包的无线电能传输系统的控制方法，包括以下步骤:
[0014]I)系统上电后，控制器模块通过H桥逆变模块对磁能发射模块产生激励，通过接收端数据采集模块测量相应系统响应，以多次测量求平均值的方式在线估计磁能发射模块与磁能接收模块之间的互感M的大小，并制定充电策略；
[0015]2)根据制定的充电策略，控制器模块通过相应的控制方式控制H桥逆变模块工作，通过设定H桥逆变模块中的同桥臂直通时间和非直通时间之比来控制准阻抗源模块中输入电感LI的电流波形，使其跟踪市电整流后的半波电压波形，并同时将电量充入高压动力电池模块中；
[0016]3)系统正常工作时，发射端数据采集模块和接收端数据采集模块分别对磁能发射模块和磁能接收模块中的谐振电容电压进行采样，确保其未超过谐振电容最大耐压值，并可根据采样的谐振电容电压计算谐振腔中谐振电流大小；
[0017]4)当高压动力电池模块所需充电电流变化时，控制器模块通过开关驱动模块调节H桥逆变模块，提高或者降低准阻抗源模块中输入电感LI中锯齿波电流包络线幅值，以满足高压动力电池模块充电需求；
[0018]5)控制器模块通过相位失谐检测模块检测H桥逆变模块的输出方波电压及正弦波电流波形，判断是否出现相位失谐现象，若是，则提高或者降低系统工作频率直至相位失谐现象消失。
[0019]所述的步骤2)中的相应的控制方式包括基本控制方式和移相直通自由谐振控制方式，所述的基本控制方式包括移相控制和直通控制，所述的移相直通自由谐振控制方式为在基本控制方式中加入自由谐振控制，所述的移相控制与传统移相控制方式相同，用于实现前桥臂开关管的软开关状态，所述的直通控制由同桥臂开关管同时导通或前后桥臂开关管同时导通实现。
[0020]所述的基本控制方式中的时序状态为:
[0021]t0?tl时刻:开关SI关断，此时开关S3仍处于导通状态，磁能发射模块4中谐振拓扑迫使电流在开关S3与开关S2的体二极管中形成环流；
[0022]tl?t2时刻:开关S2体二极管中流过电流，此时S2打开，实现了零电压导通；
[0023]t2?t3时刻:开关S4导通，此时开关S3与开关S4同时导通，实现直通控制，准阻抗源模块2中电容Cl通过S3与S4向电感L2充电，电容C2和交流源I通过S3和S4向电感LI充电；
[0024]t3?t4时刻:开关S3关断，直通控制结束，H桥逆变模块3输出负方波功率信号，准阻抗源模块2中电感L1、电容C2、交流源，电容Cl和电感L2 —同向H桥电路供电，起到升压作用；
[0025]t4?t5时刻:开关S2关断，H桥逆变模块3输出电压为0，一直持续到t5时刻半个谐振周期结束；
[0026]t5?t7时刻:工作过程与t0至t2段工作过程相同。
[0027]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0028]一、结构简单、节省成本:本发明的车载无线电能传输系统有源功率因数校正功能由准阻抗源模块实现，相比于传统的BOOST有源功率因数校正电路，可以省去一个大容值滤波电容、一个功率开关或者一个功率二极管，降低了系统体积，节约了系统成本，当选用功率二极管时，作为功率因数校正环节的准阻抗源模块只由无源器件构成，不需要独立控制。
[0029]二、节省斩波环节、提高效率:本发明的车载无线电能传输系统将动力电池包充电电