CN110875635B - 一种用于提升电动汽车无线充电互操作性的发射线圈阵列控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于提升电动汽车无线充电互操作性的发射线圈阵列控制方法，属于电动汽车无线充电技术领域。所述方法包括步骤一：建立控制方法对应的控制***；步骤二：进行控制***的初始化；步骤三：负载判断；步骤四：参数处理；步骤五：DC‑DC调压电路调节。所述控制方法应用于电动汽车无线充电领域中，具有与不同类型接收线圈之间实现互操作性等特点。

Description

一种用于提升电动汽车无线充电互操作性的发射线圈阵列控 制方法

技术领域

本发明涉及一种用于提升电动汽车无线充电互操作性的发射线圈阵列控制方法，属于电动汽车无线充电技术领域。

背景技术

近年来，由于其便捷、安全、美观等特点，无线充电技术在电动汽车充电领域获得广泛应用。电动汽车无线充电***的结构及工作过程如下：发送端——逆变器通过DC-AC转换将直流电逆变为高频交变电,逆变器输出的交流电流通入安装在地面或地下的发射线圈中,在充电区域内产生高频电磁场；接收端——安装在汽车底盘的接收线圈感应到发射线圈的高频电磁场，产生高频电压，再经过整流电路转化为直流电，用以给车载电池充电。当发射端和接收端的电路均处于谐振状态时，能减小***的无功功率，提高***的传输功率和效率。

当发射端和接收端线圈、补偿拓扑不同时，充电***无法正常工作。不同类型线圈、拓扑无法兼容，不同厂家生产的产品不具备通用性，更关键的是目前国内没有制订互操作性相关标准，进一步阻碍了电动汽车无线充电产品的普及。

目前对于电动汽车无线充电互操作性问题虽然有少量研究，但现有的研究均出现机械控制结构复杂，相应速度慢，由于线圈中一般通有频率为上百kHz、幅值为几十安培的交流电流，很难应用合适的电子器件或机械结构实现其方法中提出的开关功能，欠缺工程实用性。

发明内容

本发明为了解决现有控制方法在发射端和接收端线圈、补偿拓扑不同时，控制方法对应的充电***无法正常工作，并且不同类型线圈、拓扑无法兼容控制的问题，提出了一种用于提升电动汽车无线充电互操作性的发射线圈阵列控制方法，所采取的技术方案如下：

一种用于提升电动汽车无线充电互操作性的发射线圈阵列控制方法，所述控制方法包括：

步骤一：建立控制方法对应的控制***，所述控制***包括两个发射端电路和PID控制器；每个所述发射端电路均包括直流电源、DC-DC调压电路、全桥逆变器、发射线圈、补偿网络、电压传感器和电流传感器；

步骤二：进行控制***的初始化，将PID控制器送往每个所述全桥逆变器的PWM信号设置为同步发生，即设置两个所述全桥逆变器之间的相位角为θ＝0°；

步骤三：所述PID控制器通过无线通信方式获取到负载端输出电压，所述PID控制器根据负载端输出电压对接收线圈进行判断：判断发射线圈对应的接收线圈类型是否为双极型线圈，如果所述接收线圈不是双极型线圈，直接进入参数处理步骤；如果所述接收线圈是双极型线圈，则将两个所述全桥逆变器之间的相位角设置为θ＝180°，然后进入参数计算处理步骤；

步骤四：参数处理，在控制***的发射线圈与所述发射线圈对应的接收线圈的位置不断变化时，所述PID控制器通过无线通信方式获取负载信息，并且所述电压传感器将采集到的输入电压发送至PID控制器中；所述电流传感器将采集到的发射线圈电流发送至PID控制器中；所述PID控制器利用负载信息、电压传感器采集到的输入电压和电流传感器采集到的发射线圈电流计算发射线圈与接收线圈之间的互感值，并确定发射线圈电流与互感值之间的满足条件；所述PID控制器通过发射线圈电流与互感值之间的满足条件，获取充电传输功率条件下适合的发射线圈电流取值作为PID控制器的PI调节目标值；

步骤五：所述PID控制器根据PI调节目标值对DC-DC调压电路进行调节，并通过调节DC-DC调压电路对发射线圈电流进行控制，以实现发射线圈和接收线圈位置变化时自适应功率控制。

进一步地，每个所述发射端电路的电流传感器和电压传感器的采集信号输出端均与PID控制器的采集信号输入端相连；所述PID控制器的控制信号输出端分别与每个所述发射端电路的DC-DC调压电路的控制信号输入端相连；所述PID控制器的PWM信号端分别与全桥逆变器的个开关管的驱动端相连。

进一步地，所述补偿网络采用LCL拓扑结构，全桥逆变器后级经LCL拓扑结构与发射线圈相连接，所述LCL结构中相关参数满足如下关系：

其中，f为***工作频率；L_fa和L_fb分别表示LCL结构中的串联电感；C_f表示LCL结构中的并联电容；C_pa和C_pb分别表示LCL结构中的串联电容；L_p表示发射线圈L1或L2的感值。

进一步地，所述发射端线圈阵列包括两个所述发射端电路中的发射线圈；两个所述发射线圈的尺寸、形状和匝数完全相同；两个所述发射线圈相互重叠，重叠面积为一个发射线圈所围面积的1/2；

如果两个所述发射线圈中的电流相位相同时，两个发射线圈的发射垂直方向磁通，此时发射线圈用于给圆形接收线圈进行充电；

如果两个所述发射线圈中的电流相位相差180°时，两个发射线圈的发射水平方向磁通，此时发射线圈用于给双极型接收线圈进行充电。

进一步地，步骤三所述PID控制器根据负载端输出电压对接收线圈进行判断的具体过程为：

第一步：所述电压传感器将采集到的输入电压发送至PID控制器中；所述电流传感器将采集到的发射线圈电流发送至PID控制器中；

第二步：控制***发布开始充电指令后，分别向所述全桥逆变器加入测试用弱电压；

第三步：所述PID控制器通过无线通信方式获取到负载端输出电压，并对所述负载端输出电压进行判断；如果所述负载端输出电压处于正常范围，则开始正常充电过程；

第四步：如果所述负载端输出电压低于正常范围，则将PID控制器的PWM信号发生时间调节为：一个全桥逆变器的PWM信号发生时间滞后另一个全桥逆变器的PWM信号发生时间的1/2个周期发生；

第五步：重复第一步至第四步的过程直至所述负载端输出电压处于正常范围，如果所述负载端输出电压始终低于正常范围，则停止充电过程。

进一步地，步骤四所述参数处理的具体过程为：

第1步：在控制***的发射线圈与所述发射线圈对应的接收线圈的位置不断变化时，所述PID控制器通过无线通信方式获取负载信息；

第2步：所述电压传感器实时采集发射线圈和接收线圈位置变化后的输入电压，并将采集到的输入电压发送至PID控制器中；

第3步：所述电流传感器实时采集发射线圈和接收线圈位置变化后的发射线圈电流，并将采集到的发射线圈电流发送至PID控制器中；

第4步：所述PID控制器根据发射线圈电流和输入电压计算两个发射线圈与各自对应的接收线圈之间的互感值：

其中，M1、M2分别表示两个发射线圈与各自对应的接收线圈之间的互感值；U_p1和U_p2分别表示两个全桥逆变器输入电压；R_L表示负载电阻；ω表示工作频率；I_p1和I_p2分别表示为两个发射线圈中电流值；

第5步：根据两个全桥逆变器的占空比使I_p1和I_p2满足如下条件：

U_s＝jωM₁I_p1+jωM₂I_p2

其中，U_s表示接收线圈感应电压；

第6步：PID控制器根据以第5步所述条件计算得到相应传输功率条件下合适的I_p1和I_p2取值，作为PI调节的目标值，通过调节DC-DC调压电路对发射线圈电流进行控制，实现线圈位置变化时自适应功率控制。

本发明有益效果：

相比于现有研究提出的利用高频开关实现发射线圈电流方向切换的方案，本发明提出的控制方法具备的优势如下：

1、本发明所述控制方法，其在发射线圈中不需要加入任何额外复杂的机械切换结构；只需要通过控制器简单编程就可以实现发射磁场特性的改变，极大程度上简化了控制流程以及控制方法对应的控制***的结构，与现有的机械切换结构相比没有额外功率损耗，有效提高了电能传输效率；

2、由于线圈中通有高频大电流，现有研究提出方案中的机械开关一般难以实现，只是一种理论化的解决方案，而且必然会引入更复杂的控制结构，不具备工程实践性；本发明提出的控制方法通过弱电侧的控制实现强电侧的控制，结构简单，具备工程实践性。

3、本发明提出控制方法用于相控发射线圈阵列的自适应相位、功率同步控制，不受接收线圈类型和补偿网络结构的限制，实现了与不同类型接收线圈具备互操作性，同时在接收线圈位置变化时具备传输功率自适应稳定控制功能，在实际充电过程中具备广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明所述控制方法流程图；

图2为本发明所述控制方法对应的控制***结构图；

图3为本发明所述发射线圈阵列结构图；

图4为本发明所述补充网络的拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1：

一种用于提升电动汽车无线充电互操作性的发射线圈阵列控制方法，如图1所示，所述控制方法包括：

步骤一：建立控制方法对应的控制***，如图2所示，所述控制***包括第一发射端电路、第二和PID控制器；其中，第一发射端电路包括：直流电源1B1、DC-DC调压电路1、全桥逆变器1H1、发射线圈1L1、补偿网络1、电压传感器1V1、电流传感器1I1依次相连；第二发射端电路的组成是：直流电源2B2、DC-DC调压电路2、全桥逆变器2H2、发射线圈2L2、补偿网络2、电压传感器2V2、电流传感器2I2依次相连；控制器具有无线通信功能；

每个所述发射端电路的电流传感器和电压传感器的采集信号输出端均与PID控制器的采集信号输入端相连；所述PID控制器的控制信号输出端分别与每个所述发射端电路的DC-DC调压电路的控制信号输入端相连；所述PID控制器的PWM信号端分别与全桥逆变器的个开关管的驱动端相连。其中，所述全桥逆变器采用buck变换器结构。

所述发射端线圈阵列包括两个所述发射端电路中的发射线圈；两个所述发射线圈的尺寸、形状和匝数完全相同；两个所述发射线圈相互重叠，重叠面积为一个发射线圈所围面积的1/2；

如果两个所述发射线圈中的电流相位相同时，两个发射线圈的发射垂直方向磁通，此时发射线圈用于给圆形接收线圈进行充电；

如果两个所述发射线圈中的电流相位相差180°时，两个发射线圈的发射水平方向磁通，此时发射线圈用于给双极型接收线圈进行充电。

相比于现有的圆形或双极型发射线圈，本实施例提出的发射线圈阵列具有明显的优点：传统线圈只能发射水平或垂直其中一个方向的磁通，因此不能同时给圆形和双极型两种线圈充电；通过控制相控线圈中电流相位，发射线圈磁通方向可控，与圆形和双极型两种接收线圈同时具有互操作性；

本实施例提出的线圈阵列中各个发射线圈间存在一定程度的交叉耦合现象，影响***谐振状态；通过偏移重叠放置，各线圈在其他线圈中产生的磁通被自身磁通抵消，没有互感，实现了线圈间的解耦，消除了线圈间的无功功率，提高***功率输出能力；相比于单发射线圈，本实施例提出的线圈阵列在2个发射线圈发射磁场叠加后，产生更均匀分布的发射磁场，磁场分布范围更广，发射线圈与接收线圈发生相对偏移时***输出更加平稳，***抗偏移能力获得大幅提升。

所述补偿网络采用LCL拓扑结构，全桥逆变器后级经LCL拓扑结构与发射线圈相连接，所述LCL结构中相关参数满足如下关系：

其中，f为***工作频率；L_fa和L_fb分别表示LCL结构中的串联电感；C_f表示LCL结构中的并联电容；C_pa和C_pb分别表示LCL结构中的串联电容；L_p表示发射线圈L1或L2的感值。

本实施例提出的补偿网络的拓扑结构解决了目前发射端常用的补偿拓扑无法与不同厂家采用的不同接收端补偿拓扑实现互操作性的问题。本实施例提出的补偿网络的拓扑结构通过补偿拓扑元件和结构的设计，可以实现用同一套补偿拓扑适应不同功率等级负载的需求。

步骤二：进行控制***的初始化，将PID控制器送往每个所述全桥逆变器的PWM信号设置为同步发生，即设置两个所述全桥逆变器之间的相位角为θ＝0°；

步骤三：所述PID控制器通过无线通信方式获取到负载端输出电压，所述PID控制器根据负载端输出电压对接收线圈进行判断：判断发射线圈对应的接收线圈类型是否为双极型线圈，如果所述接收线圈不是双极型线圈，直接进入参数处理步骤；如果所述接收线圈是双极型线圈，则将两个所述全桥逆变器之间的相位角设置为θ＝180°，然后进入参数计算处理步骤；以上步骤可保证接收线圈类型不同时互操作性的实现；

步骤四：参数处理，在控制***的发射线圈与所述发射线圈对应的接收线圈的位置不断变化时，所述PID控制器通过无线通信方式获取负载信息，并且所述电压传感器将采集到的输入电压发送至PID控制器中；所述电流传感器将采集到的发射线圈电流发送至PID控制器中；所述PID控制器利用负载信息、电压传感器采集到的输入电压和电流传感器采集到的发射线圈电流计算发射线圈与接收线圈之间的互感值，并确定发射线圈电流与互感值之间的满足条件；所述PID控制器通过发射线圈电流与互感值之间的满足条件，获取充电传输功率条件下适合的发射线圈电流取值作为PID控制器的PI调节目标值；

步骤五：所述PID控制器根据PI调节目标值对DC-DC调压电路进行调节，并通过调节DC-DC调压电路对发射线圈电流进行控制，以实现发射线圈和接收线圈位置变化时自适应功率控制。

其中，步骤三所述PID控制器根据负载端输出电压对接收线圈进行判断的具体过程为：

第一步：所述电压传感器将采集到的输入电压发送至PID控制器中；所述电流传感器将采集到的发射线圈电流发送至PID控制器中；

第二步：控制***发布开始充电指令后，分别向所述全桥逆变器加入测试用弱电压；

第三步：所述PID控制器通过无线通信方式获取到负载端输出电压，并对所述负载端输出电压进行判断；如果所述负载端输出电压处于正常范围，则开始正常充电过程；

第四步：如果所述负载端输出电压低于正常范围，则将PID控制器的PWM信号发生时间调节为：一个全桥逆变器的PWM信号发生时间滞后另一个全桥逆变器的PWM信号发生时间的1/2个周期发生；

第五步：重复第一步至第四步的过程直至所述负载端输出电压处于正常范围，如果所述负载端输出电压始终低于正常范围，则停止充电过程。

步骤四所述参数处理的具体过程为：

第1步：在控制***的发射线圈与所述发射线圈对应的接收线圈的位置不断变化时，所述PID控制器通过无线通信方式获取负载信息；

第2步：所述电压传感器实时采集发射线圈和接收线圈位置变化后的输入电压，并将采集到的输入电压发送至PID控制器中；

第3步：所述电流传感器实时采集发射线圈和接收线圈位置变化后的发射线圈电流，并将采集到的发射线圈电流发送至PID控制器中；

第4步：所述PID控制器根据发射线圈电流和输入电压计算两个发射线圈与各自对应的接收线圈之间的互感值：

其中，M1、M2分别表示两个发射线圈与各自对应的接收线圈之间的互感值；U_p1和U_p2分别表示两个全桥逆变器输入电压；R_L表示负载电阻；ω表示工作频率；I_p1和I_p2分别表示为两个发射线圈中电流值；

第5步：根据两个全桥逆变器的占空比使I_p1和I_p2满足如下条件：

U_s＝jωM₁I_p1+jωM₂I_p2

其中，U_s表示接收线圈感应电压；

第6步：PID控制器根据以第5步所述条件计算得到相应传输功率条件下合适的I_p1和I_p2取值，作为PI调节的目标值，通过调节DC-DC调压电路对发射线圈电流进行控制，实现线圈位置变化时自适应功率控制。

本实施例所述控制方法，其在发射线圈中不需要加入任何额外复杂的机械切换结构；只需要通过控制器简单编程就可以实现发射磁场特性的改变，极大程度上简化了控制流程以及控制方法对应的控制***的结构，与现有的机械切换结构相比没有额外功率损耗，有效提高了电能传输效率；

由于线圈中通有高频大电流，现有研究提出方案中的机械开关一般难以实现，只是一种理论化的解决方案，而且必然会引入更复杂的控制结构，不具备工程实践性；本实施例提出的控制方法通过弱电侧的控制实现强电侧的控制，结构简单，具备工程实践性。

本实施例提出控制方法用于相控发射线圈阵列的自适应相位、功率同步控制，不受接收线圈类型和补偿网络结构的限制，实现了与不同类型接收线圈具备互操作性，同时在接收线圈位置变化时具备传输功率自适应稳定控制功能，在实际充电过程中具备广泛的应用前景。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (5)

1.一种用于提升电动汽车无线充电互操作性的发射线圈阵列控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

步骤一：建立控制方法对应的控制***，所述控制***包括两个发射端电路和PID控制器；每个所述发射端电路均包括直流电源、DC-DC调压电路、全桥逆变器、发射线圈、补偿网络、电压传感器和电流传感器；

步骤二：进行控制***的初始化，将PID控制器送往每个所述全桥逆变器的PWM信号设置为同步发生，即设置两个所述全桥逆变器之间的相位角为θ＝0°；

步骤三：所述PID控制器通过无线通信方式获取到负载端输出电压，所述PID控制器根据负载端输出电压对接收线圈进行判断：判断发射线圈对应的接收线圈类型是否为双极型线圈，如果所述接收线圈不是双极型线圈，直接进入参数处理步骤；如果所述接收线圈是双极型线圈，则将两个所述全桥逆变器之间的相位角设置为θ＝180°，然后进入参数处理步骤；

步骤四：参数处理，在控制***的发射线圈与所述发射线圈对应的接收线圈的位置不断变化时，所述PID控制器通过无线通信方式获取负载信息，并且所述电压传感器将采集到的输入电压发送至PID控制器中；所述电流传感器将采集到的发射线圈电流发送至PID控制器中；所述PID控制器利用负载信息、电压传感器采集到的输入电压和电流传感器采集到的发射线圈电流计算发射线圈与接收线圈之间的互感值，并确定发射线圈电流与互感值之间的满足条件；所述PID控制器通过发射线圈电流与互感值之间的满足条件，获取充电传输功率条件下适合的发射线圈电流取值作为PID控制器的PI调节目标值；

步骤五：所述PID控制器根据PI调节目标值对DC-DC调压电路进行调节，并通过调节DC-DC调压电路对发射线圈电流进行控制，以实现发射线圈和接收线圈位置变化时自适应功率控制；

步骤四所述参数处理的具体过程为：

第1步：在控制***的发射线圈与所述发射线圈对应的接收线圈的位置不断变化时，所述PID控制器通过无线通信方式获取负载信息；

第2步：所述电压传感器实时采集发射线圈和接收线圈位置变化后的输入电压，并将采集到的输入电压发送至PID控制器中；

第3步：所述电流传感器实时采集发射线圈和接收线圈位置变化后的发射线圈电流，并将采集到的发射线圈电流发送至PID控制器中；

第4步：所述PID控制器根据发射线圈电流和输入电压计算两个发射线圈与各自对应的接收线圈之间的互感值：

其中，M1、M2分别表示两个发射线圈与各自对应的接收线圈之间的互感值；U_p1和U_p2分别表示两个全桥逆变器输入电压；R_L表示负载电阻；ω表示工作频率；I_p1和I_p2分别表示为两个发射线圈中电流值；

第5步：根据两个全桥逆变器的占空比使I_p1和I_p2满足如下条件：

U_s＝jωM₁I_p1+jωM₂I_p2

其中，U_s表示接收线圈感应电压；

第6步：PID控制器根据以第5步所述条件计算得到相应传输功率条件下合适的I_p1和I_p2取值，作为PI调节的目标值，通过调节DC-DC调压电路对发射线圈电流进行控制，实现线圈位置变化时自适应功率控制。

2.根据权利要求1所述发射线圈阵列控制方法，其特征在于，每个所述发射端电路的电流传感器和电压传感器的采集信号输出端均与PID控制器的采集信号输入端相连；所述PID控制器的控制信号输出端分别与每个所述发射端电路的DC-DC调压电路的控制信号输入端相连；所述PID控制器的PWM信号端分别与全桥逆变器的个开关管的驱动端相连。

3.根据权利要求1所述发射线圈阵列控制方法，其特征在于，所述补偿网络采用由两电感、三电容串并联构成的LCL拓扑结构，全桥逆变器后级经LCL拓扑结构与发射线圈相连接，所述LCL结构中相关参数满足如下关系：

其中，f为***工作频率；L_fa和L_fb分别表示LCL结构中的串联电感；C_f表示LCL结构中的并联电容；C_pa和C_pb分别表示LCL结构中的串联电容；L_p表示发射线圈L1或L2的感值。

4.根据权利要求1所述发射线圈阵列控制方法，其特征在于，所述发射端线圈阵列包括两个所述发射端电路中的发射线圈；两个所述发射线圈的尺寸、形状和匝数完全相同；两个所述发射线圈相互重叠，重叠面积为一个发射线圈所围面积的1/2；

如果两个所述发射线圈中的电流相位相同时，两个发射线圈的发射垂直方向磁通，此时发射线圈用于给圆形接收线圈进行充电；

如果两个所述发射线圈中的电流相位相差180°时，两个发射线圈的发射水平方向磁通，此时发射线圈用于给双极型接收线圈进行充电。

5.根据权利要求1所述发射线圈阵列控制方法，其特征在于，步骤三所述PID控制器根据负载端输出电压对接收线圈进行判断的具体过程为：

第一步：所述电压传感器将采集到的输入电压发送至PID控制器中；所述电流传感器将采集到的发射线圈电流发送至PID控制器中；

第二步：控制***发布开始充电指令后，分别向所述全桥逆变器加入测试用弱电压；

第三步：所述PID控制器通过无线通信方式获取到负载端输出电压，并对所述负载端输出电压进行判断；如果所述负载端输出电压处于正常范围，则开始正常充电过程；

第四步：如果所述负载端输出电压低于正常范围，则将PID控制器的PWM信号发生时间调节为：一个全桥逆变器的PWM信号发生时间滞后另一个全桥逆变器的PWM信号发生时间的1/2个周期发生；

第五步：重复第一步至第四步的过程直至所述负载端输出电压处于正常范围，如果所述负载端输出电压始终低于正常范围，则停止充电过程。

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