一種電動汽車無線充電系統及無線充電的控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種電動汽車無線充電系統及無線充電的控制方法，所述無線充電系統包括直流電源、逆變板、松耦合變壓器、整流濾波單元、dSPACE控制器，所述dSPACE控制器連接在逆變板和整流濾波單元之間，通過DS2003模塊采樣得到負載端的電流信號，再經過邏輯運算模塊得到占空比和頻率信號，并將其輸入到DS5101模塊，使之輸出兩路PWM控制信號。dSPACE控制器能夠快速掃頻使無線充電系統達到諧振狀態，使得傳輸系統的功率因數與傳輸特性達到最佳，并且可以通過PWM控制來調節高頻方波電壓源的占空比，實現無線充電系統的恒流輸出。
【專利說明】
一種電動汽車無線充電系統及無線充電的控制方法
技術領域
[0001]本發明涉及了一種充電系統及無線充電方法，且特別涉及一種電動汽車無線充電系統及無線充電的控制方法，屬于無線充電領域。
【背景技術】
[0002]電動汽車充電的方式有充電粧式接觸式充電和無線式非接觸式充電。現階段，最常用的還是充電粧式接觸式充電。但是非接觸式充電具有操作方便，安全，簡單，無接觸磨損、無直接電氣連接等優點。此外，無線充電的智能控制，無需人工操作，可以有效避免人員操作。相對的，接觸式充電的劣勢非常明顯。因此，無線充電對于未來的發展具有重大的意義，也是一個非常有競爭力的熱點。
[0003]目前，電動汽車無線充電的控制方法方面，較為常見的有變頻控制、移相控制等，這些無線充電的控制方法都有各自的局限性:移相控制要求諧振電路處于準諧振狀態，失諧狀態下電壓會出現諧波，產生畸變，影響系統傳輸;而變頻控制會出現失控現象。因此，本發明提出了一種新思路，能夠有效解決上述問題。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種高輸出功率因數，同時輸出穩定電流的無線充電系統，同時給出了一種能達到該目的的無線充電的控制方法。
[0005]為實現前述目的，本發明采用如下技術方案:一種電動汽車無線充電系統，其包括直流電源、逆變板、松耦合變壓器、整流濾波單元、dSPACE控制器，所述直流電源連接逆變板提供直流輸入電壓，所述逆變板經兩路PWM信號觸發產生高頻方波電壓，連接松耦合變壓器提供交流電源信號，所述整流濾波單元將松耦合變壓器輸出端的電流整流濾波得到直流電流信號用于電動汽車電池充電，所述無線充電系統還包括dSPACE控制器，所述dSPACE控制器的輸入端連接在整流濾波單元的輸出端，輸出端連接到逆變板的PWM信號輸入端，所述的dSPACE控制器包括DS2003模塊、邏輯運算模塊和DS5101模塊，DS2003模塊作為dSPACE控制器的輸入端連接到邏輯運算模塊，邏輯運算模塊與DS5101模塊連接，DS5101模塊為dSPACE控制器的輸出端。
[0006]進一步的，所述dSPACE控制器通過DS2003模塊采樣得到負載端的電流信號，再經過邏輯運算模塊得到占空比和頻率信號，并將其輸入到DS5101模塊，使之輸出兩路PffM控制信號。所述dSPACE控制器能夠快速掃頻，跟蹤到輸出電流峰值所對應的頻率值，使無線充電系統達到諧振狀態，使得整體系統的功率因數與傳輸特性達到最佳，并且可以通過PWM控制來調節高頻方波電壓源的占空比，實現無線充電系統的恒流輸出。
[0007]進一步的，所述dSPACE控制器的邏輯運算模塊包括頻率跟蹤單元和占空比調節單
J L ο
[0008]進一步的，所述的松耦合變壓器包括磁芯、發射線圈、接收線圈，所述發射線圈和接收線圈分別繞在兩塊磁芯上，所述兩塊磁芯相對而置。所述磁芯采用“W”型結構，可以有效對磁力線進行定向，提高傳輸效率。所述發射線圈和接收線圈均采用利茲線，可以減弱集膚效應并增大耐受電流。所述發射線圈和接收線圈還采用從外向內繞線的方式，用以提高松耦合變壓器的耦合系數。
[0009]本發明還提供了一種電動汽車無線充電系統的控制方法，所述的一種電動汽車無線充電系統的控制方法包括依次進行的頻率跟蹤環節和占空比調節環節；
[0010]所述的頻率跟蹤環節包括以下步驟:
[0011 ]第一步驟，設定最高充電頻率，初始化最大電流值為O，工作頻率為最大值；
[0012]第二步驟，邏輯運算模塊讀取DS2003模塊采樣的負載電流信號，將所得負載電流信號與最大電流值進行比較；
[0013]第三步驟，當負載電流信號值大于最大電流值時，該值覆蓋最大電流值，同時將充電頻率值調低并回到第二步驟；
[0014]第四步驟，當負載電流信號值小于最大電流值時，將充電頻率值調高，調高后的充電頻率值保持不變并進入第五步驟，
[0015]第五步驟，輸出固定的無線充電頻率；
[0016]所述的占空比調節環節包括以下步驟:
[0017]I)設定恒流輸出電流值與誤差范圍，初始化占空比；
[0018]2)邏輯運算模塊讀取DS2003模塊采樣的負載電流信號，將所得負載電流信號與原設定恒流輸出電流值進行比較；
[0019]3)當負載電流信號值大于恒流輸出電流設定范圍的最大值時，將占空比調低，當負載電流信號值小于恒流輸出電流設定范圍的最小值時，將占空比調高，當負載電流信號值在給定電流值允許誤差范圍內時，保持占空比不變。
[0020]4)循環步驟2)和3)。
[0021]進一步的，所述的一種電動汽車無線充電系統的控制方法還包括將所述的固定的無線充電頻率和占空比輸入到DS5101模塊，使之輸出兩路PffM控制信號的步驟。
[0022]本發明與現有技術相比的有益效果是:
[0023]I)提高電動汽車無線充電系統松耦合變壓器的耦合系數；
[0024]2)電動汽車無線充電系統的控制方法的頻率跟蹤環節能降低輸電側的無功分量，提高傳輸特性，輸出高功率因數；
[0025]3)電動汽車無線充電系統的控制方法的占空比調節環節能實現無線充電的恒流輸出；
[0026]4)電動汽車無線充電系統的控制方法控制穩定性好，能有效避免失諧現象。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發明無線充電系統的示意圖；
[0028]圖2為本發明松耦合變壓器的示意圖，其中(a)為正視圖，(b)為俯視圖，圖中所示尺寸的單位均為mm ；
[0029]圖3為本發明無線充電的控制方法的過程示意圖；
[0030]圖4為本發明頻率跟蹤單元的過程示意圖；
[0031]圖5為本發明占空比調節單元的過程示意圖；
[0032]圖6為本發明無線充電的控制方法一實施例的仿真結果。
【具體實施方式】
[0033]下面結合說明書附圖對本發明進行詳細說明。
[0034]圖1為本發明無線充電系統的示意圖。如圖1所示，無線充電裝置包括直流電源1、逆變板2、松耦合變壓器3、整流濾波單元4、dSPACE控制器5。
[0035]直流電源I連接逆變板2提供直流輸入電壓，逆變板2經兩路PffM信號觸發產生高頻交變電壓，傳輸給松耦合變壓器3，提供高頻交流信號，經松耦合變壓器傳輸得到的輸出端電流信號通過整流濾波單元4整理濾波得到直流電流信號，該直流電流信號作用于負載，為電動汽車電池6充電。同時，直流電流信號輸入到dSPACE控制器5中，調節無線充電的頻率和高頻方波電壓的占空比。
[0036]dSPACE控制器5還包括DS2003模塊51、邏輯運算模塊52、DS5101模塊53。dSPACE控制器5通過DS2003模塊51采樣得到負載端的電流信號，再經過邏輯運算模塊52得到占空比和頻率信號，并將其輸入到DS5101模塊53，使之輸出兩路PffM控制信號。dSPACE控制器5能夠快速掃頻使無線充電系統達到諧振狀態，使得整體系統的功率因數與傳輸特性達到最佳，并且可以通過PWM控制來調節高頻方波電壓源的占空比，實現無線充電系統的恒流輸出。
[0037]進一步的，所述邏輯運算模塊52包括依次進行的頻率跟蹤單元和占空比調節單
J L ο
[0038]進一步的，如圖2所示，所述松耦合變壓器3包括兩塊磁芯31、一發射線圈32、一接收線圈33。
[0039]進一步的，所述的磁芯31的形狀為“W”型，兩塊磁芯相對而置，在空間高度上距離100mm。發射線圈32和接收線圈33均采用0.lmm*600股利茲線，由外向內繞制而成。
[0040]本發明還提供了一種電動汽車無線充電系統的控制方法，所述無線充電系統的控制方法包括頻率跟蹤環節和占空比調節環節，分別實現尋找諧振頻率和恒流輸出。頻率跟蹤環節和占空比調節環節是依次進行的。如圖3所示，第一步驟為頻率跟蹤環節，第二步驟為占空比調節環節。
[0041]具體的如圖4所示，所述頻率跟蹤環節包括:
[0042]第一步驟，設定最高充電頻率，初始化最大電流值為O，工作頻率為最大值；
[0043]第二步驟，邏輯運算模塊讀取DS2003模塊采樣的負載電流信號，將所得負載電流信號與最大電流值進行比較；
[0044]第三步驟，當負載電流信號值大于最大電流值時，該值覆蓋最大電流值，同時將充電頻率值調低并回到第二步驟；
[0045]第四步驟，當負載電流信號值小于最大電流值時，將充電頻率值調高，調高后的充電頻率值保持不變并進入第五步驟，
[0046]第五步驟，輸出固定的無線充電頻率。
[0047]進一步的，所述占空比調節環節包括:
[0048]第一步驟，設定恒流輸出電流值與誤差范圍，初始化占空比；
[0049]第二步驟，邏輯運算模塊讀取DS2003模塊采樣的負載電流信號，將所得負載電流信號與原設定恒流輸出電流值進行比較；
[0050]第三步驟，當負載電流信號值大于恒流輸出電流設定范圍的最大值時，將占空比調低，當負載電流信號值小于恒流輸出電流設定范圍的最小值時，將占空比調高，當負載電流信號值在給定電流值允許誤差范圍內時，保持占空比不變。
[0051]第四步驟，循環第二步驟和第三步驟。
[0052]本發明實施例對所述的一種電動汽車無線充電系統的控制方法進行了仿真驗證。該實施例搭建的仿真系統如下所述:
[0053 ]直流電源為20V，逆變板采用MOSFET全橋逆變，發射端和接收端的諧振電容均采用55nF，線圈自感均為59μΗ，內阻均為0.5Ω，互感為5μΗ。整流濾波單元采用不控整流，LC濾波，濾波電感為ImH，濾波電容為ImF，負載設置為40 Ω等效電阻代替電動汽車電池。
[0054]在該實施例中，所述的一種電動汽車無線充電系統的控制方法具體為:設定的最高頻率為90kHZ，初始占空比為0.35，設定恒流輸出電流值為IA，誤差范圍為3%。
[0055]得到的仿真結果為諧振頻率為86kHZ，占空比為0.37，輸出的負載電流波形如圖6所不，所得負載電流最后為丨旦定值1.0lA，在誤差范圍內。
[0056]以上所述，僅為本發明的較佳實施例，并非用于限定本發明的保護范圍。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
【主權項】
1.一種電動汽車無線充電系統，其特征在于包括直流電源、逆變板、松耦合變壓器、整流濾波單元、dSPACE控制器，所述直流電源連接逆變板提供直流輸入電壓，所述逆變板經兩路PffM信號觸發產生高頻方波電壓，連接松耦合變壓器提供交流電源信號，所述整流濾波單元將松耦合變壓器輸出端的電流整流濾波得到直流電流信號用于電動汽車電池充電，所述無線充電系統還包括dSPACE控制器，所述dSPACE控制器的輸入端連接在整流濾波單元的輸出端，輸出端連接到逆變板的PWM信號輸入端，所述的dSPACE控制器包括DS2003模塊、邏輯運算模塊和DS5101模塊，DS2003模塊作為dSPACE控制器的輸入端連接到邏輯運算模塊，邏輯運算模塊與DS5101模塊連接，DS5101模塊為dSPACE控制器的輸出端。2.根據權利要求1所述的無線充電系統，其特征在于:所述dSPACE控制器的邏輯運算模塊包括頻率跟蹤單元和占空比調節單元。3.根據權利要求1所述的無線充電系統，其特征在于:所述的松耦合變壓器包括磁芯、發射線圈、接收線圈，所述發射線圈和接收線圈分別繞在兩塊磁芯上，所述兩塊磁芯相對而置。4.根據權利要求3所述的無線充電系統，其特征在于:所述磁芯采用“W”型結構。5.根據權利要求3所述的無線充電系統，其特征在于:所述發射線圈和接收線圈均采用利茲線，并采用從外向內繞線的方式，用以提高松耦合變壓器的耦合系數。6.—種如權利要求1所述電動汽車無線充電系統的無線充電控制方法，其特征在于:包括依次進行的頻率跟蹤環節和占空比調節環節； 所述的頻率跟蹤環節包括以下步驟: 第一步驟，設定最高充電頻率，初始化最大電流值為O，工作頻率為最大值； 第二步驟，邏輯運算模塊讀取DS2003模塊采樣的負載電流信號，將所得負載電流信號與最大電流值進行比較； 第三步驟，當負載電流信號值大于最大電流值時，該值覆蓋最大電流值，同時將充電頻率值調低并回到第二步驟； 第四步驟，當負載電流信號值小于最大電流值時，將充電頻率值調高，調高后的充電頻率值保持不變并進入第五步驟， 第五步驟，輸出固定的無線充電頻率； 所述的占空比調節環節包括以下步驟: 1)設定恒流輸出電流值與誤差范圍，初始化占空比； 2)邏輯運算模塊讀取DS2003模塊采樣的負載電流信號，將所得負載電流信號與原設定恒流輸出電流值進行比較； 3)當負載電流信號值大于恒流輸出電流設定范圍的最大值時，將占空比調低，當負載電流信號值小于恒流輸出電流設定范圍的最小值時，將占空比調高，當負載電流信號值在給定電流值允許誤差范圍內時，保持占空比不變。 4)循環步驟2)和3)。7.根據權利要求6所述的控制方法，其特征在于在所述占空比調節環節后還包括將所述的固定的無線充電頻率和占空比輸入到DS5101模塊，使之輸出兩路PffM控制信號的步驟。
【文檔編號】H02J50/12GK105826996SQ201610285900
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月29日
【發明人】周晶, 方攸同, 周晨曦, 高玉青, 黃曉艷, 馬吉恩, 張健
【申請人】浙江大學