一种电动汽车无线电能传输系统及其控制方法

1.本发明属于mcr-wpt(magnetic coupled resonant wireless power transfer,磁耦合谐振式无线电能传输)技术领域，涉及一种电动汽车无线电能传输系统及其控制方法。


背景技术：

2.随着能源的短缺和环境的恶化，新能源技术的开发和利用已然成为研究热点。新能源技术在交通领域的应用，尤其是新能源电动汽车，其节能、环保等优点越来越受人们的关注。目前电动汽车可以分为四种：电池电动汽车、混合动力电动汽车、插入式混合电动汽车和燃料电池电动汽车。其中电池电动汽车实用性以及其纯电动性相对于其它三种新能源汽车占据重要优势，电池电动汽车的电池目前大多采用的是锂离子电池，锂离子电池具有能量密度高、输出功率大、自放电小，循环性能优越等优点，但是续航能力不足，因此为了解决电动汽车的续航能力，需要对电动汽车经常充电。其中动力电池充电技术作为新能源电动汽车开发的关键技术，对新能源电动汽车的发展和推广有着至关重要的作用。传统有线充电(插电式)通过将连接器插入电动汽车车身的插头来进行的，这些电动汽车充电器可以安装在住宅地点或停车场，使电动汽车可以在车主在家或工作时充电。另外专设的充电站通常位于路边设施附近，允许司机在半小时内以120kw的功率为电动汽车充电，并可增加续航里程。
3.电动汽车充电现存在的问题有：行驶路程有限，目前大多数的电动汽车远距离行驶则需要到指定充电点进行充电，无疑对生活带来了不便，同时很大程度上限制了新能源电动汽车的大面积推广。另外，在一些潮湿或多雪的气候中，基于触点的充电可能会由于操作电池组电压较高而造成严重的安全问题或触电危险。无线电能传输(wireless power transfer，简称wpt)是一种在不需要直接接触的情况下通过气隙无线传输电能的方法。无线电能传输技术的应用前景非常广泛，它可用于医学上为人体内带电器件可进行体外经皮无线充电，对移动设备例如手机等电子产品进行无线充电，简洁方便，因此无线充电技术前景可观，为智能化用电带来巨大方便。如果将这种技术应用于电动汽车，它们可以在不需要繁琐的插头和连接器的情况下进行充电。
4.电动汽车无线充电技术可分为静态充电技术与动态充电技术，电动汽车静态无线充电技术是指车辆停在某个特定的区域才能给车辆充电工作，这种充电方式只是在一定程度上缓解了汽车充电不方便的问题，但受制于无线电能传输功率级别以及电池充电技术本身的问题，每次车辆进行充电，其补充的能量还不足以支持电动汽车行驶较长距离，因此电动汽车仍需要配备较大的电池容量。相较而言，电动汽车动态无线充电技术可以在电动汽车行驶的过程中为车辆连续充电，实现“边跑边冲”，这样电动汽车只需装配较少的充电电池即可获得较长的续航能力要求，而且由于车辆的连续充电，也无需给充电设施提供很高的充电功率，这也降低了对充电设施的要求，因此电动汽车动态无线充电过程更加安全便捷。
5.电动汽车动态无线充电技术可根据发射线圈分布方式分为集中式无线充电与分段式无线充电，集中式无线充电发射线圈只需一个长度足够长的发射导轨便可以使得整条道路为电动汽车进行供电，但是这种方式的发射线圈由于长度太长，其自身的自感和电阻都很大，工作时整个系统的电磁辐射较大，一旦系统某一处发生故障，整条发射线圈充电道路都将停止供电，进而导致系统充电时电压波动，使系统不稳定运行。通常采用的是分段式无线充电，其发射线圈时是将集中式发射线圈分为若干个发射线圈，当电动汽车行驶至每一段发射线圈上，通常只需打开相对应的发射线圈，由耦合装置经过电磁感应对电动汽车进行能量的供给，采取分段供电的方式，在正常工作时只对车身正对下方的线圈进行供电，这种分段式供电方式不仅可以减小系统损耗，而且还可以有效降低电磁泄露，大大提高系统的工作效率，还有利于系统稳定工作。
6.然而在电动汽车行驶过程中，分段式无线充电的发射线圈并不是所有的线圈都要打开给车辆进行电能的供给，而是电动汽车行驶到哪一段发射线圈上方或者接近发射线圈时，该发射线圈的控制开关才打开，进而给电动汽车充电，当电动汽车驶离后，控制开关断开，该发射线圈关闭。由于在开关切换过程中发射线圈和接收线圈之间的耦合系数会发生较大的变化，会大大地降低系统的传输功率和效率。耦合系数的大范围变化，还会导致系统的传输功率产生巨大的波动，降低系统的可靠性
7.现阶段实现控制相应的分段发射线圈闭合与断开，主要通过在分段发射线圈之间安装位置传感器、位置检测线圈等来实现，但是不管哪种实现方式，基本都需要在原边侧安装一些精良的检测设备来检测车辆的位置信息，但由于此类设备安装在路面下方，长时间的使用会导致设备老化、精度不准确等问题，这会使得车辆系统在接收侧输出电压以及功率会有很大的波动，造成系统不稳定。


技术实现要素：

8.本发明的主要目的是针对现有的电动汽车动态无线充电技术，提出一种电动汽车无线电能传输系统及其控制方法，控制原边侧发射线圈有序的通与断，降低系统接收侧功率的波动，提高系统的稳定性。
9.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
10.一种电动汽车无线电能传输系统，包括直流激励源、单个全桥逆变网络、控制器、双原边侧补偿网络、耦合装置和单副边侧补偿网络以及整流滤波装置和负载装置。其中直流激励源为全桥逆变网络提供直流源，经全桥逆变网络将直流源逆变成系统所需的高频交流电，由原边侧补偿电路中发射线圈将交流电转变成交变磁场，再由副边侧补偿电路接收线圈接收将交变的磁场转变为交流电，实现无接触的能量传输，其交变磁场的转换通过耦合装置进行交换传输，副边侧交流电经过整流滤波不可控电路整流成直流电并为负载装置稳定充电提供一个稳定的环境。
11.上述方案中，单个全桥逆变网络由四个igbt元件组成，分别为igbt1、igbt2、igbt3、igbt4,其中igbt1与igbt4对角组合，igbt2与igbt3对角组合，两组元件经由单片机给出pwm驱动信号交替打开；一组控制器包括两个供电开关；双原边侧补偿网络由原边发射线圈电感lf、原边发射线圈自感l
p
、以及谐振电容cf，原边发射线圈电感lf与原边发射线圈自感l
p
分别与谐振电容cf产生谐振，谐振频率即系统所需频率，其频率为
使得原边系统传输损耗降至最低；副边侧补偿网络包括副边接收线圈ls与串联电容cs，副边谐振频率为耦合装置包括原边发射线圈与副边发射线圈；整流滤波装置包含由四个单向不可控二极管组成(d1、d2、d3、d4)以及滤波电容c
l
，其中d1、d4一组，d2、d3一组；
12.上述方案中在双原边侧补偿网络中的原边发射线圈补偿电感lf一侧分别安置添加有交流电流采样检测装置以及相应的控制器，其中电流采样检测装置用来采集电流并且记录采样的电流值，每连续采样三个电流值做一次比较，并且不断更新，直至比较值中间相最大为止，其作用是为控制器提供一个具有通断功能的开关信号，进而控制原边系统电路；控制器连接供电开关，供电开关类型属于单控单联开关，控制器接收来自电流采样装置的信号后，控制供电开关开始动作，即电流采样装置采样记录的电流连续比较三次电流值，只有中间相电流值最大，此时供电开关应闭合，原边系统开始充电工作。
13.上述方案中，所述控制器安装位置是在全桥逆变网络与双原边侧补偿电路之间，每一组控制器包含两个供电开关，每个供电开关各自连接一个原边侧补偿网络与全桥逆变网络，控制器接收来自检测原边发射线圈补偿电感电流检测信号并判断供电开关是否断开或者闭合。
14.上述方案中，所述耦合装置是由双原边侧发射线圈与单副边侧发射线圈构成，原边侧发射线圈与副边侧发射线圈均采用矩形线圈，矩形发射线圈通电产生的磁场较均匀，原边侧矩形线圈埋设在道路下方并且依次排列，每个矩形线圈之间相隔一定距离，避免线圈之间产生不必要的耦合，导致系统接收功率不足。副边侧矩形线圈安装在电动汽车车辆底盘下方，与原边发射线圈尺寸、结构、匝数等参数相等，用于接收来自原边发射线圈产生的电能，为负载装置提供电能。
15.一种电动汽车无线电能传输系统控制方法，其开关动作包括以下步骤：
16.(1)系统前两个发射线圈保持待机状态，当电动汽车运行至发射线圈1与发射线圈2之间并且没有到达发射线圈2正上方时，此时系统控制器控制供电开关状态是s1与s2都闭合，逆变网络1同时给发射线圈1与发射线圈2将直流激励源的直流电逆变成系统所需的交流电，电动汽车处于边运行边充电状态；当车辆继续向前行驶时，由于会经过发射线圈2的正上方，发射线圈2与接收线圈正对，此时产生较强的耦合，会在原边发射线圈补偿电感支路上产生较大的电流，经过电流采样装置采样电流记录比较，得出最大值，将这个信号传递给控制器，此时系统控制器控制供电开关状态为s1断开、s2闭合、s3闭合，电动汽车充电将由发射线圈2与发射线圈3进行供电，并且逆变网络2参与工作，车辆继续行驶至发射线圈3的正上方时，此时控制器控制供电开关状态为s2断开、s3保持闭合、s4闭合，系统始终保持双发射线圈参与供电，随着汽车向前行驶，接下来的开关状态以此类推。
17.(2)上述步骤1中发射线圈自感与发射线圈电感各支路的电流为:
[0018][0019]
公式(1)中的原边补偿线圈电感电流对应的最大值可整理为：
[0020][0021]
其中，m
imax
为原边发射线圈与接收线圈之间互感最大值，m为相邻两个发射线圈互感拟合值，所述发射线圈补偿电感lf与并联电容cf和发射线圈自感l
p
与并联电容cf处于谐振状态，副边接收线圈自感ls与串联电容cs处于谐振状态，逆变器工作频率与谐振频率相同均为w，有l
p
＝l1＝l2,cf＝c
f1
＝c
f2
,lf＝l
f1
＝l
f2
。
[0022]
(3)系统一旦检测到原边发射线圈电流最大值，开关状态将重复步骤(1)。
[0023]
本发明的有益效果：
[0024]
(1)与常规补偿网络(ss、sp、ps、pp)相比，原边采用lcl补偿拓扑结构，通过拓扑结构参数配置和工作频率设置可以实现恒压输出特性，与电池的恒流充电特性，且易于实现零电压开关，从而降低开关损耗；考虑到副边绕组并联补偿会产生频率漂移现象，为了降低系统的复杂度，副边采用s型拓扑结构，有利于减少副边元器件数量、降低车载设备重量。
[0025]
(2)相较于在发射线圈之间安装传感器等精度较高的仪器措施，检测原边串联电感电流作为控制信号，减少了系统的设备成本，同时减少原边与副边之间的通信。
[0026]
(3)电动汽车动态无线充电在行驶过程中，双发射线圈系统使得受电体拥有更大的无线充电区域面积，以减小系统接收功率的波动，提高系统的稳定性。
附图说明
[0027]
图1是双发射单元无线电能传输系统电路拓扑图
[0028]
图2是双发射单元无线电能传输等效电路图
[0029]
图3是双发射线圈下接收线圈偏移量与互感关系图
[0030]
图4是电流采样结构图
[0031]
图5是电流采样流程图
[0032]
图6是双发射线圈系统结构示意图
[0033]
图7是电流仿真波形图
具体实施方式
[0034]
通过以下特定的具体实例方式，本领域技术人员可由本说明书阐述的内容了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过其他不同的具体实施方式加以应用，本说明书中各细节观点也可以应用于其他不同的模式。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0035]
下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
[0036]
图1为本发明双发射单元无线电能传输系统，包括依次连接的直流激励源1、全桥逆变网络2、控制器3、原边侧补偿电路4、原副边耦合装置5、整流滤波电路6、负载装置7。直流激励源1连接到全桥逆变网络2并产生系统所需频率的交流电，在与开关控制器3连接，每一个控制器3包括两个供电开关，供电开关1与供电开关2用于原边系统的通断功能，控制器3中的供电开关再与原边侧补偿电路连接，从而输出稳定的交流电，通过原边侧与副边侧耦合装置5产生高频交变磁场进而实现非接触式电能的传输，经过整流滤波装置6将交流电整流成负载装置7所需的直流电。在原边侧用全桥逆变的方法把直流电u
dc
逆变成系统需要频率的交流电u
p
，然后流过原边串联电感l
f1
、l
f2
。根据谐振定律推出在电路中为了减小无功功率、降低损耗、提高系统的传输效率，应使输入阻抗的虚部为零。在整个电路中，串联电感l
f1
、l
f2
分别与并联电容c
f1
、c
f2
构成原边串联谐振腔，其谐振角频率分别为w1、w2，并联电容c
f1
、c
f2
分别与发射线圈等效电感l1、l2构成原边并联谐振腔，其谐振角频率为w3、w4。
[0037]
图1系统结构电路的等效电路如图2所示，图2(a)是原边等效电路图，图2(b)是副边等效电路图，为了更好的分析电路，忽略了图1中直流激励源1与全桥逆变网络电路结构2，用r0、r
l
分别代替整流滤波电路6与负载装置7的阻值。在副边侧补偿电路中接收线圈等效电感ls与串联电容cs构成副边串联谐振腔，其谐振角频率为w5，其谐振频率应满足w＝w1＝w2＝w3＝w4＝w5。
[0038]
图2根据基尔霍夫电压定律可得方程组为：
[0039][0040]
式中：w＝2πf，f为系统收发端谐振频率；分别为谐振电容上的电压；分别为谐振电容上的电压；分别为流过发射线圈1和发射线圈2上的电流；分别为流过发射线圈1与2补偿电感电流；为流过副边接收线圈电流；r
f1
、r
f2
分别为流过发射线圈补偿电感内阻；r1、r2分别为发射线圈1、2的内阻；rs为接收线圈的内阻；逆变器的输出电压u
p1
、u
p2
可以由逆变器以直流电压u
dc
的50％占空比进行调节，一次谐波分量的输出电压基波有效值为req
为电路中整流部分与负载电阻r
l
的等效负载，满足m1、m2分别为发射线圈l1、l2与接收线圈ls之间的互感；m
12
为发射线圈1与发射线圈2之间的互感，m为系统总互感。
[0041]
同时为了电路简化分析，设置双发射单元具有对称性且发射端各参数以及运行状态均相同，并且忽略发射线圈之间的互感，则各参数将设定为u
p1
＝u
p2
＝u
p
，l
f1
＝l
f2
＝lf,c
f1
＝c
f2
＝cf,l1＝l2＝l
p
,m
12
＝0,定义双发射线圈系统的总互感为m，满足m＝m1+m2。
[0042]
系统将达到电能传输的最佳状态，系统的谐振频率w满足：
[0043][0044]
将公式(4)带入公式(3)中，其各支路电流可以表示为：
[0045][0046]
接收端在两个发射线圈的反射阻抗分别为：
[0047][0048]
当系统达到谐振条件时，系统的输出功率可表示为：
[0049][0050]
可将原边发射线圈电感最大值表示为：
[0051][0052]
在实际系统搭建完成后，其原边发射线圈自感值l
p
、等效负载r0都是定值，根据公式(5)可知，在系统给定输入电压u
p
，流经原边发射线圈补偿电感的电流与系统总互感和线圈之间各自互感m1与m2成正比。由原边发射线圈电感电流最大值式(8)可知，只有在发射线圈与接收线圈正对时，此时产生的互感是最大的。其电流值的大小由安装在原边的电流采样装置进行连续采样并且记录采样电流值，每采样三次电流值就进行一次比较，并且不断更新，直至比较相中中间值最大，也就是线圈正对时互感值达到最大所对应的值。
[0053]
在maxwell仿真软件中设置原边与副边矩形线圈的匝数为n＝9,导线直径d＝0.003m，导线间距g＝0.01m，原边发射线圈与副边接收线圈之间的传输高度设置为h＝0.1m。通过设置原边与副边线圈参数，仿真得到双发射线圈下接收线圈偏移量与系统互感关系图如图3所示，图中m1与m2分别是接收线圈经过发射线圈时产生的互感，当原边线圈与副边线圈正对时，其耦合程度最高，即互感会达到最大值，随着横向失准量的不断增加，互感值将出现负值并接近零，直至原边发射线圈与副边接收线圈无耦合关系，互感值等于零。将两个原边发射线圈互感值进行数值上的叠加，可以得到(m1+m2)曲线图，此曲线可以理解为系统处于双发射线圈进行供电，可以从图3中看出，双发射线圈从两个发射线圈中心点来看具有较宽范围互感，即此段互感值一直保持常数值，若电动汽车稳定行驶在这一阶段，由于此过程互感值保持不变，那么系统的稳定性是可以保证的。
[0054]
图4是电流采样原理图，结合图3中互感曲线图(m1+m2)稳定区以及公式(8)可以看出，当汽车在运行状态时，保证系统总互感(m1+m2)稳定的情况下，原边发射线圈补偿电感电流达到最大值，即其互感值也达到最大，这个时候就找到系统分段线圈的控制点，如图4中标注的a点。通过检测原边发射线圈补偿电感电流，其检测信号传递给控制器的两个发射线圈供电开关做出判断，分别对各自供电开关做出相应的判断，分别对各自的供电开关进行有序的断开与闭合。
[0055]
图5是电流采样流程图，系统在原边发射线圈补偿电感上连续检测t、t+1、t+2时刻的电流值，并且采样值不断更新，当且只有t+1时刻电流值比采样的t、t+2时刻的电流值大时，此时t+1时刻电流值达到最大值，系统就找到该控制点a点，结合图6所示，当电动汽车行驶至发射线圈1、2中间时，此时控制器单元里的两个供电开关状态应是s1与s2处于闭合状态，原边线圈工作为车辆进行电能的传输，电动汽车继续行驶至发射线圈2上方时，系统检测原边发射线圈补偿电感电流值，当检测到电流最大值时，此时车辆处于发射线圈2的正上方，检测信号传递给供电开关，控制器单元供电开关状态是s1断开、s3闭合并且s2开关状态保持不变。车辆继续行驶至发射线圈3的正上方，此时控制器单元内的供电开关的状态应是s2断开、s4闭合，s3状态保持不变，以此类推。
[0056]
通过在simulink中搭建双发射单元wpt仿真系统，系统参数设置如下：u
ac
＝20v、lf＝40μh、cf＝63nf、l
p
＝40μh、ls＝53μh、cs＝47nf，其电流切换仿真波形图如图7所示，从图中可以看出，电动汽车经过两个发射线圈间隔时，原边流过发射线圈电流顺利切换，并且在切换过程中没有谐波出现，波形呈现正弦波。
[0057]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技术所创的等效方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。