本發(fā)明涉及電動汽車領域，特別涉及一種電動汽車無線充電電路及其控制方法。

背景技術：

近年來，隨著全球電動汽車保有量的迅速增加，充電樁、充電站等電動汽車充電設備的需求也越來越大，目前電動汽車的充電方式主要是有線充電方式，然而常規(guī)的有線充電方式存在很多不足：充電設備引線過長；占地面積和占用空間大；人工操作繁瑣，操作過程中會帶來設備的過度磨損以及不安全性問題。電動汽車無線充電技術可以很好地解決上述問題，從而得到了廣泛關注。

所謂無線充電，即在沒有電纜的情況下，靠電磁場合其他的物質進行耦合，實現(xiàn)電能的無線傳輸。目前常見的電動汽車無線充電方案主要包括磁感應式無線充電和磁共振式無線充電。其中，磁感應式無線充電技術線圈間互感較大，近距離傳輸效率高，但整個系統(tǒng)對線圈的相對水平位移非常敏感，不適合用于遠距離的無線充電。相比于磁感應式，磁共振式無線傳輸?shù)碾娐吠負渚哂姓{諧網(wǎng)絡，能夠實現(xiàn)互感補償和頻率調諧，可以實現(xiàn)中等距離電能傳輸。

因此，近幾年磁共振式無線充電成為電動汽車無線充電領域的研究熱點。同時，磁共振式無線傳輸在充電效率上的提高，一直是科研工作者們研究的一種重點方向。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服常規(guī)有線充電技術的缺陷，提出一種電動汽車無線充電電路，旨在提高電動汽車無線充電系統(tǒng)的傳輸效率和控制性能。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種電動汽車無線充電電路的控制方法。

本發(fā)明的目的通過以下的技術方案實現(xiàn)：

一種電動汽車無線充電電路，包括基建側和車載側，所述基建側包含第一整流濾波電路、高頻逆變電路和第一串聯(lián)諧振電路；車載側包含第二串聯(lián)諧振電路、第二整流濾波電路和DC-DC變換器；其中

所述第一整流濾波電路的輸入端連接至電網(wǎng)，用于將電網(wǎng)電壓整流成直流電壓；

所述高頻逆變電路的輸入端連接至所述第一整流濾波電路的輸出端，用于將所述第一整流濾波電路輸出的直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓方波；

所述第一串聯(lián)諧振電路的輸入端連接至所述高頻逆變電路的輸出端；

所述第二串聯(lián)諧振電路的輸出端連接至所述第二整流濾波電路的輸入端；

所述第二整流濾波電路的輸入端連接至所述第二串聯(lián)諧振電路的輸出端，用于將所述第二串聯(lián)諧振電路輸出的交流電壓整流成直流電壓；

所述DC-DC變換器的輸入端連接至所述第二整流濾波電路，用于將所述第二整流濾波電路的直流輸出電壓變換成車載動力電池充電所需的額定電壓；

所述第一串聯(lián)諧振電路與第二串聯(lián)諧振電路對稱設置，通過耦合實現(xiàn)電能的無線傳輸。

所述第一串聯(lián)諧振電路包括依次串聯(lián)連接的發(fā)射線圈L₁和第一電子電容電路，連接至高頻逆變電路的輸出端；所述第二串聯(lián)諧振電路包括依次串聯(lián)連接的接收線圈L₂和第二電子電容電路，連接至第二整流濾波電路的輸入端；所述發(fā)射線圈L₁與所述接收線圈L₂通過高頻磁共振方式，電能從發(fā)射線圈L₁傳遞到接收線圈L₂，所述發(fā)射線圈L₁與接收線圈L₂對稱設置，通過耦合實現(xiàn)電能的無線傳輸。

所述第一電子電容電路包括第一MOSFET開關管、第二MOSFET開關管、第三MOSFET開關管、第四MOSFET開關管和第一直流電容C₁；其中，第一MOSFET開關管的漏極與第一直流電容C₁的正極相連，第一MOSFET開關管的源極與第三MOSFET開關管的漏極相連；第二MOSFET開關管的漏極與第一直流電容C₁的正極相連，第二MOSFET開關管的源極與第四MOSFET開關管的漏極相連；第三MOSFET開關管的源極與第一直流電容C₁的負極相連；第四MOSFET開關管的源極與第一直流電容C₁的負極相連；第一電子電容電路的兩端分別從第一MOSFET開關管的源極和第二MOSFET開關管的源極引出。

所述第二電子電容電路包括第五MOSFET開關管、第六MOSFET開關管、第七MOSFET開關管、第八MOSFET開關管和第二直流電容C₂；其中，第五MOSFET開關管的漏極與第二直流電容C₂的正極相連，第五MOSFET開關管的源極與第七MOSFET開關管的漏極相連；第六MOSFET開關管的漏極與第二直流電容C₂的正極相連，第六MOSFET開關管的源極與第八MOSFET開關管的漏極相連；第七MOSFET開關管的源極與第二直流電容C₂的負極相連；第八MOSFET開關管的源極與第二直流電容C₂的負極相連；第二電子電容電路的兩端分別從第五MOSFET開關管的源極和第六MOSFET開關管的源極引出。

本發(fā)明的另一目的通過以下的技術方案實現(xiàn)：

一種電動汽車無線充電電路的控制方法，包括下述步驟：

S1、設置高頻逆變電路的工作角頻率初始值ω₀,依次調節(jié)第一電子電容電路和第二電子電容電路，使得第一串聯(lián)諧振電路和第二串聯(lián)諧振電路工作在磁共振狀態(tài)，測得發(fā)射線圈L₁和接收線圈L₂之間的互感M；

S2、調節(jié)高頻逆變電路的輸出角頻率其中，R₁、R₂、R_eq分別為第一串聯(lián)諧振電路等效寄生電阻、第二串聯(lián)諧振電路等效寄生電阻、車載側第二串聯(lián)諧振電路后級的等效阻抗；

S3、依次調節(jié)第一電子電容電路和第二電子電容電路，使得第一串聯(lián)諧振電路和第二串聯(lián)諧振電路工作在磁共振狀態(tài)。

步驟S1和S3中，所述第一電子電容電路和第二電子電容電路的調節(jié)方法均采用移相角控制法，具體步驟為：

對于第一電子電容電路：

(1)根據(jù)諧振角頻率獲得諧振工作點的第一電子電容電路的等效電容值C_eq1；其中在步驟S1中，ω＝ω₀；在步驟S3中，ω＝ω₁；

(2)根據(jù)獲得控制關閉角α₁，其中，C₁為第一直流電容；

(3)由鎖相環(huán)測得電壓相位，采用移相角控制法控制所述第一電子電容電路，控制關閉角為；

對于第二電子電容電路：

(1)根據(jù)諧振角頻率獲得諧振工作點的第二電子電容電路的等效電容值C_eq2；其中在步驟S1中，ω＝ω₀；在步驟S3中，ω＝ω₁；

(2)根據(jù)獲得控制關閉角α₂，其中，C₂為第二直流電容；

(3)由鎖相環(huán)測得電壓相位，采用移相角控制法控制所述第二電子電容電路，控制關閉角為α₂。

步驟S1中，所述初始值ω₀為100KHZ。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術效果：

本發(fā)明基于電磁共振和電子電容電路的等效原理，將電子電容電路等效為一個可變電容，通過計算不同車況下達到最大傳輸效率時的最優(yōu)諧振頻率，調節(jié)第一電子電容電路和第二電子電容電路，使第一串聯(lián)諧振電路和第二串聯(lián)諧振電路工作在磁共振狀態(tài)，因此，本發(fā)明的電動汽車無線充電電路及其控制方法可以實現(xiàn)無線傳輸?shù)碾p側補償，大大提高無線傳輸效率，具有良好的市場前景和經濟效益。

附圖說明

圖1是電動汽車無線充電電路的建設方案圖；

圖2是電動汽車無線充電的總體結構圖；

圖3是電子電容電路的控制圖；

圖4是整個無線充電系統(tǒng)的控制框圖；

圖5-1是無線傳輸一次側高頻逆變電路輸出電壓電流的仿真波形圖；

圖5-2是無線傳輸二次側第二串聯(lián)諧振電路輸出電壓電流的仿真波形圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實例對本發(fā)明的具體實施方式作詳細說明。

圖1給出了本發(fā)明的電動汽車磁共振式無線充電電路的建設方案圖，其中，基建側和車載側分離，基建側安裝在地面下方，發(fā)射線圈L₁靠近地面，當車載側的接收線圈L₂處于發(fā)射線圈L₁上方時，可進行無線充電。

圖2給出了電動汽車磁共振式無線充電的總體結構圖，基建側包含第一整流濾波電路、高頻逆變電路和第一串聯(lián)諧振電路；車載側包含第二串聯(lián)諧振電路、第二整流濾波電路和DC-DC變換器；

其中，所述第一整流濾波電路的輸入端連接至電網(wǎng)，用于將電網(wǎng)電壓整流成直流電壓；

其中，所述高頻逆變電路的輸入端連接至所述第一整流濾波電路的輸出端，用于將所述第一整流濾波電路輸出的直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓方波；

其中，所述第一串聯(lián)諧振電路的輸入端連接至所述高頻逆變電路的輸出端；

其中，所述第二串聯(lián)諧振電路的輸出端連接至所述第二整流濾波電路的輸入端；

其中，所述第二整流濾波電路的輸入端連接至所述第二串聯(lián)諧振電路的輸出端，用于將所述第二串聯(lián)諧振電路輸出的交流電壓整流成直流電壓；

其中，所述DC-DC變換器的輸入端連接至所述第二整流濾波電路，用于將所述第二整流濾波電路的直流輸出電壓變換成車載動力電池充電所需的額定電壓。

其中，所述第一串聯(lián)諧振電路包括依次串聯(lián)連接的發(fā)射線圈L₁和第一電子電容電路；所述發(fā)射線圈L₁不與第一電子電容相連的一端與高頻逆變電路輸出端的負極相連，所述第一電子電容電路不與發(fā)射線圈L₁相連的一端與高頻逆變電路輸出端的正極相連。所述第二串聯(lián)諧振電路包括依次串聯(lián)連接的接收線圈L₂和第二電子電容電路；所述發(fā)射線圈L₂不與第二電子電容相連的一端與第二整流濾波電路的正輸入端相連，所述第二電子電容電路不與接收線圈L₂相連的一端與第二整流濾波電路的負輸入端相連；所述發(fā)射線圈L₁與所述接收線圈L₂通過高頻磁共振方式，電能從發(fā)射線圈L₁傳遞到接收線圈L₂。

其中，所述第一電子電容包括第一MOSFET開關管Q₁、第二MOSFET開關管Q₂、第三MOSFET開關管Q₃、第四MOSFET開關管Q₄和第一直流電容C₁；其中，第一MOSFET開關管的漏極與第一直流電容C₁的正極相連，第一MOSFET開關管的源極與第三MOSFET開關管的漏極相連；第二MOSFET開關管的漏極與第一直流電容C₁的正極相連，第二MOSFET開關管的源極與第四MOSFET開關管的漏極相連；第三MOSFET開關管的源極與第一直流電容C₁的負極相連；第四MOSFET開關管的源極與第一直流電容C₁的負極相連；第一MOSFET開關管的源極與高頻逆變電路輸出端的正極相連，第二MOSFET開關管的源極與發(fā)射線圈L₁一端相連。

其中，所述第二電子電容包括第五MOSFET開關管Q₅、第六MOSFET開關管Q₆、第七MOSFET開關管Q₇、第八MOSFET開關管Q₈和第二直流電容C₂；其中，第五MOSFET開關管的漏極與第二直流電容C₂的正極相連，第五MOSFET開關管的源極與第七MOSFET開關管的漏極相連；第六MOSFET開關管的漏極與第二直流電容C₂的正極相連，第六MOSFET開關管的源極與第八MOSFET開關管的漏極相連；第七MOSFET開關管的源極與第二直流電容C₂的負極相連；第八MOSFET開關管的源極與第二直流電容C₂的負極相連；第五MOSFET開關管的源極與接收線圈的一端相連，第六MOSFET開關管的源極與第二整流濾波電路的負輸入端相連。

本發(fā)明電路的整個工作過程為：市電首先經過第一整流濾波電路將交流AC轉化為直流電壓，接著經過高頻逆變電路輸出高頻電壓方波，然后通過第一串聯(lián)諧振電路第二串聯(lián)諧振電路的磁共振將的一次側的電能傳輸?shù)蕉蝹龋詈笸ㄟ^第二整流濾波電路和DC-DC變換器得到車載動力電池充電所需的充電電壓進而給車載動力電池充電。

本發(fā)明控制方法的具體實施過程如下：

一種電動汽車無線充電電路的控制方法，包括下述步驟：

S1、設置高頻逆變電路的工作角頻率初始值ω₀,依次調節(jié)第一電子電容電路和第二電子電容電路，使得第一串聯(lián)諧振電路和第二串聯(lián)諧振電路工作在磁共振狀態(tài)，測得發(fā)射線圈L₁和接收線圈L₂之間的互感M；

S2、調節(jié)高頻逆變電路的輸出角頻率其中，R₁、R₂、R_eq分別為第一串聯(lián)諧振電路等效寄生電阻、第二串聯(lián)諧振電路等效寄生電阻、車載側第二串聯(lián)諧振電路后級的等效阻抗；

S3、依次調節(jié)第一電子電容電路和第二電子電容電路，使得第一串聯(lián)諧振電路和第二串聯(lián)諧振電路工作在磁共振狀態(tài)。

步驟S1和S3中，所述第一電子電容電路和第二電子電容電路的調節(jié)方法均采用移相角控制法，具體步驟為：

對于第一電子電容電路：

(1)根據(jù)諧振角頻率獲得諧振工作點的第一電子電容電路的等效電容值C_eq1；其中在步驟S1中，ω＝ω₀；在步驟S3中，ω＝ω₁；

(2)根據(jù)獲得控制關閉角α₁，其中，C₁為第一直流電容；

(3)由鎖相環(huán)測得電壓相位，采用移相角控制法控制所述第一電子電容電路，控制關閉角為；

對于第二電子電容電路：

(1)根據(jù)諧振角頻率獲得諧振工作點的第二電子電容電路的等效電容值C_eq2；其中在步驟S1中，ω＝ω₀；在步驟S3中，ω＝ω₁；

(2)根據(jù)獲得控制關閉角α₂，其中，C₂為第二直流電容；

(3)由鎖相環(huán)測得電壓相位，采用移相角控制法控制所述第二電子電容電路，控制關閉角為α₂。

步驟S1中，所述初始值ω₀為100KHZ。

上述中第一電子電容電路和第二電子電容電路的控制方法相同，控制圖如圖3所示，由鎖相環(huán)獲得所在諧振電路的相位角，根據(jù)電子電容電路等效電容值C_eq和移相關閉角α的數(shù)學對應關系直流電容C_dc為C₁或C₂，控制電子電容電路的四個MOSFET開關管。

圖4是整個無線充電系統(tǒng)的控制框圖，首先檢測是否有電動汽車停靠并且請求充電，若無，則不工作，若有則系統(tǒng)開始工作，首先設置初始諧振頻率為100KHz并調節(jié)實現(xiàn)無線傳輸?shù)碾p側諧振，在此狀態(tài)下，測量發(fā)射線圈L₁和接收線圈L₂的互感值M和第二串聯(lián)諧振后級的等效阻抗值R_eq，接著計算最大效率時的最優(yōu)諧振頻率并調節(jié)高頻逆變電路的輸出頻率值，最后調節(jié)第一電子電容電路和第二電子電容電路，使第一串聯(lián)諧振電路和第二串聯(lián)諧振電路均在該頻率下諧振，可實現(xiàn)電能高效地無線傳輸。在無線充電過程中，間斷檢測車載動力電池是否已經充滿電或者請求停止充電，若是，則關閉無線充電系統(tǒng)，否則繼續(xù)。與此同時，檢測發(fā)射線圈L₁和接收線圈L₂的互感值M和第二串聯(lián)諧振后級的等效阻抗值R_eq是否發(fā)生變換，若是，則重新測量并設置和調節(jié)無線充電系統(tǒng)，使其工作在最優(yōu)控制狀態(tài)下。

圖5-1是本發(fā)明無線傳輸一次側高頻逆變電路輸出電壓電流的仿真波形圖，圖5-2是無線傳輸二次側第二串聯(lián)諧振電路輸出電壓電流的仿真波形圖，仿真結果：一次側電路和二次側電路基本處于諧振狀態(tài)，且實現(xiàn)了電壓電流同相位，充分證明了本發(fā)明的可行性。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。