电动汽车无线充电系统以及控制方法与流程

1.本发明涉及电动汽车无线充电技术领域，尤其涉及一种电动汽车无线充电系统以及控制方法。


背景技术：

2.电动汽车采用高能密度电池组作为动力源，但受限于电池组容量，电动汽车的行驶里程较短，同时其电池组充电时间长、充电站配置不完善，成为制约电动汽车快速发展的最大瓶颈。
3.为电动汽车电池组补充电能的方式一般有两种：有线充电和无线充电。有线充电采用线缆、充电插头与充电插座的金属连接为电池组补充电能，但同时也存在线路老化、接触不良等问题，大大降低供电的可靠性和安全性。无线充电是以交变磁场作为电能传输的媒介，能够规避有线充电存在的问题，另外，无线充电也符合电动汽车向智能化发展的趋势，有望成为电动汽车充电的主流方式。
4.目前，现有的无线充电系统中，发射侧有三级结构具有电压调节功能，分别是pfc、dc/dc和全桥逆变器，在控制上多采用pfc+dc/dc为主的电压调节，以满足不同耦合下的能量传输。然而，多级的能量传输不利于系统效率，同时还会增加系统成本和体积。因此，针对上述问题，有必要提出进一步地解决方案。


技术实现要素：

5.本发明旨在提供一种电动汽车无线充电系统以及控制方法，以克服现有技术中存在的不足。
6.为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
7.一种电动汽车无线充电系统，其包括：功率因数校正模块、逆变器、地端控制模块、发射线圈、接收线圈、车端控制模块以及整流器；
8.所述功率因数校正模块经所述逆变器与所述发射线圈相连接；
9.所述整流器与所述接收线圈相连接；
10.所述发射线圈与接收线圈相互耦合；
11.所述地端控制模块分别与所述功率因数校正模块、逆变器、发射线圈相连接，且所述地端控制模块与所述车端控制模块进行数据传输，并根据所述车端控制模块发送的数据，控制所述发射线圈中的电流以及逆变器输出电压电流的相位差；
12.所述车端控制模块根据所述地端控制模块反馈的数据，对所述整流器的驱动占空比进行调节，且当所述逆变器相角小于所述地端控制模块的预设值时，停止对所述整流器的驱动占空比进行调节，并增大发送给所述地端控制模块的需求电流。
13.作为本发明电动汽车无线充电系统的改进，所述逆变器为全桥逆变器，所述地端控制模块通过控制所述全桥逆变器的移相角控制所述发射线圈中的电流。
14.作为本发明电动汽车无线充电系统的改进，所述地端控制模块通过控制所述功率
因数校正模块的输出电压控制所述发射线圈中的电流。
15.作为本发明电动汽车无线充电系统的改进，所述地端控制模块首先通过控制所述全桥逆变器的移相角控制所述发射线圈中的电流，当所述全桥逆变器的相角调节至最小且无法达到所述车端控制模块需求的电流数据时，所述地端控制模块继续通过控制所述功率因数校正模块的输出电压控制所述发射线圈中的电流。
16.作为本发明电动汽车无线充电系统的改进，所述逆变器为全桥逆变器，所述全桥逆变器的相位差为全桥逆变器输出电流与全桥逆变器桥臂中点电压之间的相位差，所述地端控制模块通过控制所述全桥逆变器的移相角控制所述全桥逆变器的相位差。
17.作为本发明电动汽车无线充电系统的改进，所述地端控制模块具有预设的逆变器电压电流相角值，所述预设的逆变器电压电流相角值对应保证逆变器处于软开关状态的最低值，所述全桥逆变器电压电流相角值<预设的逆变器电压电流相角值时，所述地端控制模块通过控制所述全桥逆变器的移相角增大所述全桥逆变器的相位差。
18.作为本发明电动汽车无线充电系统的改进，所述地端控制模块反馈的数据包括：发射线圈的电流、发射线圈的电流是否达到接收线圈的需求电流、全桥逆变器的实时相角是否达到预设的逆变器电压电流相角值。
19.作为本发明电动汽车无线充电系统的改进，所述电动汽车无线充电系统还包括：地端补偿模块和车端补偿模块，所述地端补偿模块连接于所述逆变器和发射线圈之间，所述车端补偿单元连接于所述接收线圈和整流器之间。
20.作为本发明电动汽车无线充电系统的改进，所述整流器包括并联的两路，任一路中具有串联的二极管和mosfet，此时所述整流器的驱动占空比其中180度≤α≤360度，即0.5≤d≤1。
21.为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
22.一种电动汽车无线充电系统的控制方法，其包括：
23.s1、车端控制模块向地端控制模块发送发射线圈需求的电流值；
24.s2、所述地端控制模块根据所述车端控制模块发送的数据，控制发射线圈中的电流以及逆变器输出电压电流的相位差；
25.s3、所述地端控制模块将发射侧的状态反馈给所述车端控制模块；
26.s4、当逆变器输出电压电流的相位差大于等于预设值，以及发射线圈的电流达到接收线圈需求的电流值时，车端控制模块对整流器的驱动占空比进行调节，以改变输出功率，否则，执行步骤s5；
27.s5、所述车端控制模块停止对整流器的驱动占空比进行调节，并增大发送给接收线圈的需求电流值；
28.s6、当整流器驱动占空比在大于等于0.5时达到目标功率，则保持该状态；否则，执行步骤s5。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的电动汽车无线充电系统通过不设置dc/dc模块，由pfc和inv满足系统对电压的要求，有利于优化系统效率，降低系统成本和体积。同时，本发明的电动汽车无线充电系统在对发射线圈电流进行调节时，还能够保证逆变器处于软开关状态，进而有利于实现功率变换器件的高频化。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明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发明中记载的一些实施例，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。
31.图1为本发明电动汽车无线充电系统一实施例的模块示意图；
32.图2为本发明电动汽车无线充电系统一实施例的电路图；
33.图3为本发明电动汽车无线充电系统一实施例中，逆变器桥臂中点电压uab和输出电流iinv相角以及逆变器移相角示意图；
34.图4为本发明电动汽车无线充电系统一实施例中，整流器下管mosfet驱动波形、输入/输出电流波形和整流器桥臂中点电压uab波形；
35.图5为本发明电动汽车无线充电系统一实施例中，整流器输入阻抗zrec和地端补偿模块输入阻抗zin示意图；
36.图6为本发明电动汽车无线充电系统一实施例中，整流器输入阻抗zrec的实部和虚部随整流器下管mosfet驱动占空比d变化曲线；
37.图7为本发明电动汽车无线充电系统一实施例中，整流器下管mosfet驱动占空比d变化时对地端补偿模块输入阻抗的阻抗角的影响；
38.图8为本发明电动汽车无线充电系统的控制方法一实施例的方法流程示意图。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.如图1、2所示，本发明一实施例提供一种电动汽车无线充电系统，其包括：功率因数校正模块10、逆变器20、地端补偿模块30、发射线圈40、接收线圈50、车端补偿模块60、整流器70、地端控制模块80以及车端控制模块90。
41.功率因数校正模块(pfc)10经逆变器20与发射线圈40相连接。该功率因数校正模块10可连接外部电源，其能够提高系统的功率因数以减少交换功率的损失，并能将从外部电源输入的单相或三相电转变为可调直流电压输出。
42.进一步地，地端控制模块80可根据需要控制功率因数校正模块10输出电压，改变逆变器20输入电压大小。该功率因数校正模块10输出电压有一定的范围，例如600v～800v，并且功率因数校正模块10将输出电压范围的最低值作为起始值输出，在功率因数校正模块10未收到地端控制模块80调节电压指令前，总是以该起始值作为输出电压。
43.逆变器20用于将功率因数校正模块10输出的直流电变换为一定频率的交流电，再经地端补偿模块30补偿后输出给发射线圈40。一个实施方式中，逆变器20为全桥逆变器。该全桥逆变器包括并联的两路，任一路包括串联的两个mosfet。
44.发射线圈40、接收线圈50形成一耦合机构。发射线圈40将交流电能以交变磁场的形式发射出去，与之耦合的接收线圈50在交变磁场中感应出交流电，实现磁能到电能的转
变。
45.地端控制模块80可采发射线圈40电流i
p
、全桥逆变器输出电流i
inv
、逆变器20桥臂中点电压u
ab
。另外，地端控制模块80根据逆变器20桥臂中点电压u
ab
和输出电流i
inv
判断全桥逆变器是否处于软开关状态，并将发射侧当前状态通过无线通讯反馈给车端控制模块90，以便车端控制模块90实时调整下发给地端控制模块80的请求线圈电流值i
p
‑
re
和整流器70下管mosfet驱动占空比。
46.具体地，地端控制模块80分别与功率因数校正模块10、逆变器20、发射线圈40相连接。且地端控制模块80与车端控制模块90进行数据传输，并根据车端控制模块90反馈的数据，控制发射线圈40中的电流以及逆变器20输出电压电流的相位差。如此，本发明的电动汽车无线充电系统在对发射线圈40电流进行调节时，还能够保证逆变器20处于软开关状态，进而有利于实现功率变换器件的高频化。
47.针对控制发射线圈40中的电流。
48.耦合机构中发射线圈40电流i
p
与逆变器20输出电压有如下关系：因此可以通过控制功率因数校正模块10输出电压即逆变器20输入电压和逆变器20移相角改变发射线圈40电流i
p
。
49.从而，地端控制模块80可通过无线通讯接收车端控制模块90发送的需求线圈电流值i
p
‑
re
，并通过控制全桥逆变器移相或者改变功率因数校正模块10输出电压来调整桥臂中点电压u
ab
，以此达到车端控制模块90所需要的线圈电流值i
p
‑
re
。
50.一个实施方式中，逆变器20为全桥逆变器时，地端控制模块80通过控制全桥逆变器的移相角控制发射线圈40中的电流。同时，地端控制模块80通过控制功率因数校正模块10的输出电压控制发射线圈40中的电流。
51.此时，地端控制模块80首先通过控制全桥逆变器的相角控制发射线圈40中的电流，当全桥逆变器的相角调节至最小且无法达到车端控制模块90需求的电流数据时，地端控制模块80继续通过控制功率因数校正模块10的输出电压控制发射线圈40中的电流。
52.针对控制逆变器20输出电压电流的相位差。
53.考虑到地端控制模块80通过控制全桥逆变器移相或者改变功率因数校正模块10输出电压来调整桥臂中点电压uab时，需要保证逆变器20处于软开关状态。因此，地端控制模块80需要控制逆变器20输出电压电流的相位差以实现逆变器20的软开关。
54.具体地，地端控制模块80可采集发射线圈40电流i
p
、全桥逆变器输出电流i
inv
以及逆变器20桥臂中点电压u
ab
，并能根据采集的桥臂中点电压u
ab
和逆变电流i
inv
计算二者的相位关系。
55.如图3所示，为逆变器20桥臂中点电压u
ab
和输出电流i
inv
相角以及逆变器20移相角示意图。桥臂中点电压u
ab
和输出电流i
inv
相角指的是桥臂中点电压上升沿与逆变电流正过零点相位差，用表示。逆变器20移相角指的是逆变器20输出电压中负电压的下降沿与正电压的上升沿相位差，用θ表示。
56.考虑到逆变器20输出电压超前于输出电流是实现逆变器20软开关的重要条件，即相角为正是实现逆变器20软开关的重要条件，因此可以根据角判断逆变器20软开关状
态。
57.从而，地端控制模块80可以控制逆变器20移相角θ，以此控制逆变器20桥臂中点电压u
ab
和输出电流i
inv
相角同时还能改变逆变器20输出电压大小。其中，逆变器20移相角θ理论可调范围为180度～0度，在系统控制过程中该移相角θ为从大到小调节。
58.进一步地，地端控制模块80可以预设逆变器20电压电流相角值ψ，该预设相角ψ是保证逆变器20软开关的最低值。从而，地端控制模块80可将采集的逆变器20当前电压电流相角与预设相角ψ比较，当地端控制模块80则控制逆变器20移相角θ，增大相角以此保证逆变器20处于软开关状态，即保证逆变器20当前电压电流相角≥预设相角ψ。
59.整流器70经车端补偿模块60与接收线圈50相连接。其中，车端补偿模块60对接收线圈50中的交流电进行补偿后输出给整流器70，由整流器70把交流电转换为直流电提供给负载。一个实施方式中，地端补偿模块30、车端补偿模块60采用的是对称lcc拓扑结构。整流器70指的是可控全桥整流器70，此时该全桥整流器70包括并联的两路，任一路中具有串联的二极管和mosfet。
60.车端控制模块90根据地端控制模块80反馈的数据，对整流器70的驱动占空比进行调节，且当逆变器20相角小于地端控制模块80的预设值时，停止对整流器70的驱动占空比进行调节，并增大发送给地端控制模块80的需求电流。如此，通过车端控制模块90的控制调节，可进一步保证逆变器20处于软开关状态。
61.具体地，地端控制模块80要在每个通讯周期，将发射侧当前状态通过无线通讯反馈给车端控制模块90，该当前状态包括但不限于当前发射线圈40电流i
p
、是否达到需求线圈电流值i
p
‑
re
、逆变器20当前电压电流相角是否达到预设相角ψ等。
62.车端控制模块90根据接收到的反馈信息，实时调整下发给地端控制模块80的需求线圈电流值i
p
‑
re
和整流器70下管mosfet驱动占空比。
63.如图4所示，本发明提供的可控整流器70下管mosfet驱动波形、输入/输出电流波形和整流器70桥臂中点电压u
ab
波形，整流器70下管mosfet驱动占空比用公式计算，其中180度≤α≤360度，即0.5≤d≤1。
64.如图5所示，本发明提供的可控整流器70输入阻抗z
rec
和地端补偿模块30输入阻抗z
in
示意图。利用基波分析法，可控整流器70输入电流超前于输入电压，即可控整流的输入阻抗z
rec
呈容性，计算公式为：
[0065][0066]
上式中，d为整流器70下管mosfet驱动占空比，rbat为等效负载阻抗。
[0067]
如图6所示，本发明提供的整流器70输入阻抗z
rec
的实部和虚部随整流器70下管mosfet驱动占空比d变化曲线。
[0068]
地端补偿模块30输入阻抗z
in
与接收侧反射到发射侧的反射阻抗密切相关，而接收侧反射到发射侧的反射阻抗又受整流器70输入阻抗z
rec
的影响，因此地端补偿模块30输入阻抗z
in
是关于整流器70下管mosfet驱动占空比d的函数，即z
in
＝f(d)；
[0069]
如图7所示，本发明提供的可控整流器70下管mosfet驱动占空比d变化时对地端补
偿模块30输入阻抗z
in
的阻抗角的影响。
[0070]
由于本发明申请中整流器70下管mosfet驱动占空比d是从大到小变化的，即d起始值为1，向0.5调节。由图8可知，整流器70下管mosfet驱动占空比d变小时，地端补偿模块30输入阻抗z
in
的阻抗角也会变小，相应地逆变器20电压电流相角就会变小，进而影响逆变器20的软开关状态。
[0071]
因此，发射侧逆变器20软开关的实现受逆变器20移相角θ和接收侧可控整流下管mosfet驱动占空比d影响。从而，需要地端控制模块80要在每个通讯周期，将发射侧当前状态通过无线通讯反馈给车端控制模块90，地端控制模块80与车端控制模块90配合可实现逆变器20软开关。
[0072]
基于相同的技术构思，本发明还提供一种电动汽车无线充电系统的控制方法，其包括：
[0073]
s1、车端控制模块向地端控制模块发送发射线圈需求的电流值；
[0074]
s2、所述地端控制模块根据所述车端控制模块发送的数据，控制发射线圈中的电流以及逆变器输出电压电流的相位差；
[0075]
s3、所述地端控制模块将发射侧的状态反馈给所述车端控制模块；
[0076]
s4、当逆变器输出电压电流的相位差大于等于预设值，以及发射线圈的电流达到接收线圈需求的电流值时，车端控制模块对整流器的驱动占空比进行调节，以改变输出功率，否则，执行步骤s5；
[0077]
s5、所述车端控制模块停止对整流器的驱动占空比进行调节，并增大发送给接收线圈的需求电流值；
[0078]
s6、当整流器驱动占空比在大于等于0.5时达到目标功率，则保持该状态；否则，执行步骤s5。
[0079]
下面结合一具体的实施例，对上述电动汽车无线充电系统的控制方法的技术方案进行举例说明。
[0080]
如图8所示，本实施例的电动汽车无线充电系统的控制方法包括如下步骤：
[0081]
s1、车端控制模块向地端控制模块发送需求线圈电流值i
p
‑
re
。
[0082]
s2、地端控制模块通过控制全桥逆变器移相角θ和功率因数校正模块输出电压将发射线圈电流向需求线圈电流值i
p
‑
re
调节；
[0083]
其中，全桥逆变器移相角θ指的是逆变器输出电压中负电压的下降沿与正电压的上升沿相位差，理论可调范围为180度～0度，在系统控制过程中该移相角θ是从大到小调节的。
[0084]
在通过调节全桥逆变器移相角θ以使发射线圈电流达到需求线圈电流值i
p
‑
re
的过程中，逆变器电压电流相角是增大的，有助于逆变器实现软开关；
[0085]
地端控制模块通过控制功率因数校正模块输出电压和全桥逆变器移相角θ调节发射线圈电流i
p
时，优先调节全桥逆变器移相角θ，只有当全桥逆变器移相角θ无法调节时，即移相角θ达到可调最小值，才会调节功率因数校正模块输出电压；
[0086]
该功率因数校正模块输出电压有一定的范围，例如600v～800v，并且功率因数校正模块将输出电压范围的最低值作为起始值输出，在功率因数校正模块未收到地端控制模块调节电压指令前，总是以该起始值作为输出电压；
[0087]
s3、地端控制模块采集逆变器电压电流相角和当前发射线圈电流i
p
，并将发射侧当前状态反馈给车端控制模块。
[0088]
其中，逆变器电压电流相角指的是逆变器桥臂中点电压上升沿与逆变电流正过零点相位差；
[0089]
该发射侧当前状态包括但不限于：当前发射线圈电流i
p
、是否达到需求线圈电流值i
p
‑
re
、逆变器当前电压电流相角是否达到预设相角ψ。
[0090]
发射线圈电流i
p
达到车端控制模块需求值，同时满足逆变器软开关要求，即满足判断条件：
[0091]
s4、当满足上述判断条件时，车端控制模块就会调整整流器下管mosfet驱动占空比d，改变输出功率。
[0092]
其中，整流器下管mosfet驱动占空比d是从大到小变化的，其调节范围为[0.5,1]。
[0093]
由图8可知，整流器下管mosfet驱动占空比d变小时，地端补偿模块输入阻抗z
in
的阻抗角也会变小，相应地逆变器电压电流相角就会变小，进而影响逆变器软开关，因此地端控制模块要实时采集逆变器电压电流相角并把信息反馈给车端控制模块。
[0094]
s5、一旦调整整流器下管mofet驱动占空比使逆变器电压电流相角小于预设相角ψ，则停止调整整流器驱动占空比d，同时增大发送给地端控制模块的需求线圈电流值i
p
‑
re
，从而使逆变器减小移相角θ，增大逆变器电压电流相角
[0095]
当整流器下管mofet驱动占空比d达到可调最小值时，且系统还没有达到输出要求，同样会执行步骤s5：停止调整整流器驱动占空比d，同时增大发送给地端控制模块的需求线圈电流值i
p
‑
re
，以此增大输出功率；
[0096]
s6、当满足判断条件d≥0.5&达到目标功率时，则保持该状态，满足系统输出要求。
[0097]
综上所述，本发明的电动汽车无线充电系统通过不设置dc/dc模块，由pfc和inv满足系统对电压的要求，有利于优化系统效率，降低系统成本和体积。同时，本发明的电动汽车无线充电系统在对发射线圈电流进行调节时，还能够保证逆变器处于软开关状态，进而有利于实现功率变换器件的高频化。
[0098]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0099]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。