CN110962633A - 低压大电流无线充电***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低压大电流无线充电***,包括直流电源、车载电池、无线能量发送装置、无线能量接收装置和DSP控制装置,无线能量发送装置与直流电源连接,无线能量接收装置与无线能量发送装置对应且与车载电池连接,DSP控制装置与无线能量发送装置、无线能量接收装置和车载电池连接。本发明的***不仅可以使***表现为恒流输出特性和单位功率因数输入的特性,而且其传输距离远、能量传输设备的相对位置具有一定的自由度、提高了能量的传输效率、前景广阔、使用方式更简捷、安全可靠。另外,本发明还公开了一种低压大电流无线充电方法。
Description
技术领域
本发明涉及电动车无线充电领域,尤其涉及一种低压大电流无线充电***及方法。
背景技术
AGV电动车是一种具备导引装置和电机控制***的移动机器人,可以精确地按照导引线路行驶。作为一种常见的物流电动车,AGV小车具有适应性强,工作效率高,导航路径设置容易,智能化程度高,调度分配方便等显著的优点,被广泛应用于自动化、智能化的物流管理***,有着巨大的应用前景。
AGV物流电动车以蓄电池为动力供电,目前主要有两种充电方式,传统插拔式充电和无线充电。插拔式充电方式的充电地点固定,随着插拔次数的增加,会出现安全隐患。无线充电方式方便快捷,充电方式灵活,具有良好的应用前景。
目前,常用的无线充电技术是电磁感应式无线充电技术,在电磁感应式无线充电技术中,能量传输线圈由初级线圈和次级线圈组成,初级线圈接入交流电时可产生磁场,次级线圈由于有交变磁场的存在而感应出交变电流。
然而,电磁感应式无线充电方式由于其能量传输距离较短、能量传递设备相对位置固定、充电效率较低且容易产生涡流,因而不适用于电动车无线充电***。
发明内容
本发明为解决上述现有技术中的问题,提出一种低压大电流无线充电***及方法,其不仅可以使***表现为恒流输出特性和单位功率因数输入的特性,而且其传输距离远、能量传输设备的相对位置具有一定的自由度、提高了能量的传输效率,前景广阔、使用方式更简捷、安全可靠。
为实现上述目的,本发明提供了一种低压大电流无线充电***,包括直流电源、车载电池、无线能量发送装置、无线能量接收装置和DSP控制装置,无线能量发送装置与所述直流电源连接且用于提供电能,无线能量接收装置与所述无线能量发送装置对应且与所述车载电池连接,用于为接收电能并为所述车载电池提供电能,DSP控制装置与所述无线能量发送装置、所述无线能量接收装置和所述车载电池连接,用于根据接收到的所述车载电池的实时电量与设定电量值的比较结果选择充电模式和对应的调节参数、基于所述调节参数通过具有PID补偿的无源控制算法计算出所述无线能量发送装置中的DC/DC电路的目标占空比并根据所述目标占空比生成PWM信号驱动所述DC/DC电路工作,为所述车载电池充电。
优选地,所述DSP控制装置还用于检测所述无线能量发送装置和所述无线能量接收装置是否异常和所述车载电池是否充满,并在所述无线能量发送装置和所述无线能量接收装置存在异常或所述车载电池充满时,结束充电过程。
优选地,所述具有PID补偿的无源控制算法为:
在式(a)中,d为所述DC/DC电路的目标占空比,v、Uin、r1、i分别为所述DC/DC电路的电容电压、输入电压、阻尼系数和电感电流,I*为电感电流的期望稳态值;在式(b)中,Kp、Ki、Kd分别为PID控制器的调节参数且Kp,Ki>0、Kd≥0。
优选地,所述无线能量发送装置包括依次连接的能量发射线圈、发送端谐振补偿电路、高频逆变电路和所述DC/DC电路,所述DC/DC电路与所述直流电源连接,所述能量发射线圈预先铺设在电动车行驶的道路上,所述无线能量接收装置包括依次连接的能量接收线圈、接收端谐振补偿电路和整流电路,所述能量接收线圈与所述能量发射线圈对应且安装在电动车的底盘上,所述整流电路与所述车载电池连接。
优选地,所述DC/DC电路用于将基础直流电压转变为所需等级的直流电压,所述高频逆变电路用于将所述所需等级的直流电压逆变为高频交流电,所述发送端谐振补偿电路用于使所述低压大电流无线充电***工作在谐振频率处并补偿所述能量发射线圈和所述能量接收线圈之间的漏感,所述能量发射线圈用于输出电能。
优选地,所述能量接收线圈用于接收电能,所述接收端谐振补偿电路用于使所述低压大电流无线充电***工作在谐振频率处并补偿所述能量接收线圈和所述能量发射线圈之间的漏感,所述整流电路用于将交流电能转换为直流电能。
优选地,所述DSP控制装置包括:
采样单元,用于检测所述DC/DC电路的输出电压和电感电流;
温度检测单元,用于检测所述能量发射线圈、所述能量接收线圈、所述DC/DC电路和所述高频逆变电路的温度;
PWM单元,与所述DC/DC电路连接和所述高频逆变电路连接,用于产生高频逆变驱动信号驱动所述高频逆变电路工作,并根据所述DC/DC电路的目标占空比,产生PWM信号驱动所述DC/DC电路工作,为所述车载电池充电;
CAN通信单元,通过CAN-wifi通信模块与所述车载电池连接,用于实时传输所述车载电池的电量信息;
控制器单元,与所述采样单元、所述温度检测单元、所述PWM单元和所述CAN通信单元连接,用于控制PWM单元产生高频逆变驱动信号,并将从所述CAN通信单元接收到的实时传输的所述车载电池的电量信息与设定电量值进行比较,根据比较结果选择充电模式和对应的所述调节参数,基于所述调节参数通过具有PID补偿的无源控制算法计算出所述DC/DC电路的目标占空比并控制所述PWM单元产生PWM信号,且用于根据所述采样单元检测的所述DC/DC电路的输出电压和电感电流、所述温度检测单元检测的所述能量发射线圈、所述能量接收线圈、所述DC/DC电路和所述高频逆变电路的温度以及所述CAN通信单元传输的所述车载电池的电量信息,判断所述DC/DC电路、所述能量发射线圈、所述能量接收线圈和所述高频逆变电路是否异常或者所述车载电池是否充满,并在所述无线能量发送装置和所述无线能量接收装置存在异常或所述车载电池充满时,结束充电过程。
优选地,所述低压大电流无线充电***的充电功率为:
在式(c)中,P为充电功率,M为所述能量发射线圈和所述能量接收线圈之间的互感量,ω0为所述高频逆变电路的工作频率,Lf1为所述发射端谐振补偿电路的电感量,Lf2为所述发射端谐振补偿电路的电感量,UAB为所述发射端谐振补偿电路的输入方波电压的基波有效值,Uab为所述接收端谐振补偿电路的输出方波电压的基波有效值。
另外,本发明还提供了一种低压大电流无线充电方法,包括如下步骤:
将接收到的车载电池的实时电量与设定电量值进行比较,并根据比较结果选择充电模式和对应的调节参数;
根据选择的所述充电模式及其对应的调节参数,采用具有PID补偿的无源控制算法计算出DC/DC电路的目标占空比;
根据所述DC/DC电路的目标占空比生成PWM信号,驱动所述DC/DC电路工作,为所述车载电池充电。
优选地,所述方法还包括如下步骤:检测为所述车载电池充电的低压大电流无线充电是否异常和所述车载电池是否充满,并在所述***出现异常或所述车载电池充满时,结束充电过程。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是:
由于采用双边LCC谐振网络及电磁耦合方式,本发明可以使***表现为恒流输出特性和单位功率因数输入特性,而且其能量传输设备的相对位置具有一定的自由度,耦合距离更远,能量的传输效率更高,同时线圈中间非磁性障碍物不会影响到***的正常工作,是一种应用前景更广阔、使用方式更简捷、安全可靠的新型无线能量传输技术。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,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。
图1为本发明实施例提供的低压大电流无线充电***的结构示意图;
图2为本发明实施例直流电源、能量发送装置、能量接收装置和车载电池连接时的拓扑结构图;
图3为本发明实施例的DSP控制装置与DC/DC电路、高频逆变电路以及车载电池连接的结构示意图;
图4为本发明实施例提供的低压大电流无线充电方法的工作流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,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作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种低压大电流无线充电***,参见图1-3,该***包括提供电能的直流电源10、为电动车提供电能的车载电池20、无线能量发送装置30、无线能量接收装置40和DSP控制装置50。在本实例中,电动车是物流电动车,如AGV电动车等。车载电池20的电压通常为24V、48V和60V三个电压等级,当***的功率一定而车载电池的电压不高时,***的输出电流就会很高,也就是所谓的低压大电流。
具体地,无线能量发送装置30包括DC/DC电路31、高频逆变电路32、发送端谐振补偿电路33和能量发射线圈34(L1)。DC/DC电路31与直流电源10连接,用于将基础直流电压转变为所需等级的直流电压。高频逆变电路32与DC/DC电路31连接且用于将所需等级的直流电压逆变为高频交流电。发送端谐振补偿电路33与高频逆变电路32连接且用于使低压大电流无线充电***工作在谐振频率处并补偿能量发射线圈34和能量接收线圈41之间的漏感。能量发射线圈34预先铺设在电动车行驶的道路上且用于输出电能。详细地,DC/DC电路31包括两个电容Cf和C、电感Lf、二极管D和MOSFET管S,高频逆变电路32包括四个MOSFET管S1-S4,发送端谐振补偿电路33包括谐振电感Lf1、并联谐振电容Cf1和串联补偿电容Cp1。
无线能量接收装置40包括能量接收线圈41(L2)、接收端谐振补偿电路42和整流电路43。能量接收线圈41与能量发射线圈34对应且安装在电动车的底盘上,用于接收来自能量发射线圈34的电能。接收端谐振补偿电路42与能量接收线圈41连接且用于使低压大电流无线充电***工作在谐振频率处并补偿所述能量接收线圈41和能量发射线圈34之间的漏感。整流电路43与接收端谐振补偿电路42连接且用于将交流电能转换为直流电能。整流电路43与车载电池20连接。详细地,接收端谐振补偿电路42包括谐振电感Lf2、并联谐振电容Cf2和串联补充电容Cp2。整流电路43包括四个整流二极管D1-D4,由于使用MOSFET代替普通二极管并采用了同步整流电路,因而可减小整流二极管上的开关损耗,提高整个***的能量传递效率。
上述谐振补偿电路工作在谐振条件下,满足以下公式,
其中,ω0为高频逆变电路32的工作频率,L1和L2分别为能量发射线圈34和能量接收线圈41的感量,Cf1和Cf2分别为发送端并联谐振电容和接收端并联谐振电容的容值,Cp1和Cp2分别为发射端串联补偿电容和接收端串联补偿电容的容值,Lf1和Lf2分别为发送端谐振线圈和接收端谐振线圈的感量。
可理解地,根据充电***的功率等级、能量发射线圈34和能量接收线圈41的尺寸和形状以及能量传输距离,选择合适的能量发射线圈34和能量接收线圈41的自感参数,能实现所述低压大电流的无线充电***的能量高效传输。
DSP控制装置50包括采样单元51、温度检测单元52、PWM单元53、CAN通信单元54和控制器单元55。采样单元51包括电压采样单元511和电流采样单元512,电压采样单元511和电流采样单元512均与控制器单元55连接,分别用于实时检测DC/DC电路31的输出电压和流过电感的电流。温度检测单元52与能量发射线圈34、能量接收线圈41、DC/DC电路31和高频逆变电路32均连接且用于检测能量发射线圈34、能量接收线圈41、DC/DC电路31和高频逆变电路32的温度。PWM单元53与DC/DC电路31连接和高频逆变电路32连接且用于产生高频逆变驱动信号驱动高频逆变电路32工作,并根据DC/DC电路31的目标占空比,产生PWM信号驱动DC/DC电路31工作。CAN通信单元54通过CAN-wifi通信模块60与车载电池20连接且用于实时传输车载电池20的电量信息。控制器单元55与电压采样单元511、电流采样单元512、温度检测单元52、PWM单元53和CAN通信单元54均连接,且用于控制PWM单元53产生高频逆变驱动信号,以驱动高频逆变电路32工作、将从CAN通信单元54接收到的实时传输的车载电池20的电量信息与设定电量值进行比较并根据比较结果选择充电模式和对应的调节参数、基于所述调节参数通过具有PID补偿的无源控制算法计算出所述DC/DC电路的目标占空比和控制PWM单元53产生PWM信号(即IGBT驱动信号)。同时,控制器单元55还用于根据从电压采样单元511和电流采样单元512接收到的DC/DC电路31的输出电压和电感电流判断是否出现电压过大或电流过大的异常状态而生成的错误信号,以及根据从温度检测单元52接收到的能量发射线圈34、能量接收线圈41、DC/DC电路31和高频逆变电路32的温度判断是否出现温度过高的异常状态而生成的错误信号和从CAN通信单元54接收到的车载电池20的电量信息判断车载电池20是否充满而生成的反馈信号,结束充电过程。
其中,充电模式包括快充模式和慢充模式。CAN-wifi通信模块60经由车载电池20的电池管理***(BMS)与车载电池20连接,从而通过车载电池的BMS的信息获得车载电池20的电量状况。具体地,车载电池20的电量状况信息通过WiFi信号实时发送给CAN-wifi通信模块60,CAN-wifi通信模块60与CAN通信单元54相连,CAN通信单元54将接收到的WiFi信号转变为CAN信号,进而将车载电池20的电量状况信息实时传输给控制器单元55。具有PID补偿的无源控制算法为:
在式(a)中,d为所述DC/DC电路的目标占空比,v、Uin、r1、i分别为所述DC/DC电路的电容电压、输入电压、阻尼系数和电感电流,I*为电感电流的期望稳态值;在式(b)中,Kp、Ki、Kd分别为PID控制器的调节参数且Kp,Ki>0、Kd≥0。
详细地,具有PID补偿的无源控制算法所基于的具有PID补偿的无源控制器的构造方法如下:
建立DC/DC电路的状态空间模型,并设计无源控制器,DC/DC状态空间模型可以表示为:
由式(1),DC/DC升压变换器可以写成PCHS形式为:
其中,J(x)表示***的互联矩阵,满足J(x)=-J(x);R(x)表示***的耗散矩阵,满足R(x)=RT(x);ζ=[Uin,0]T表示***的输入电压;u表示***的控制信号;y表示***的输出信号;
进一步地,假设存在控制率u=β(x),使得***可以被映射成PCHS的形式,该目标***可以表示为:
进一步地,设期望能量函数定义如下:
取Jd(x)=0和Rd(x)=diag(r1,1/r2),其中diag(·)表示对角矩阵,r1和r2表示注入的虚拟阻抗。由(2)和(3)可得:
因此,可以得到:
其中I*和V*分别表示i和vo的期望稳态值,由式(7)可得,无源控制器可以表示为:
进一步地,PID控制器可以表示为:
其中Kp,Ki,Kd是PID控制器的调节参数,满足Kp,Ki>0,Kd≥0。
进一步地,将PID控制器(9)和无源控制器(8)相结合,构成具有PID补偿的无源控制器。DC/DC电路31的输出电压控制目标量作为PID控制器的输入,DC/DC电路31的输出电压的采样值作为PID控制器的反馈值,PID控制器的输出作为无源控制器(8)的输入值I*,无源控制器(8)的输出d送到控制器单元55,控制器单元55控制PWM单元53产生相应的占空比的PWM信号,由此得到相应的DC/DC电路31的输出电压,进而得到相应的充电功率。所述低压大电流无线充电***的充电功率为:
在式(c)中,P为充电功率,M为所述能量发射线圈和所述能量接收线圈之间的互感量,ω0为所述高频逆变电路的工作频率,Lf1为所述发射端谐振补偿电路的电感量,Lf2为所述接收端谐振补偿电路的电感量,UAB为所述发射端谐振补偿电路的输入方波电压的基波有效值,Uab为所述接收端谐振补偿电路的输出方波电压的基波有效值。
另外,参考图4,本发明还提供了一种低压大电流无线充电方法的实施例,包括如下步骤:
检测车辆是否到来并在整个充电过程中实时判断DC/DC电路31的输出电压和电感电流是否出现电压过大或电流过大的异常状态,以及能量发射线圈34、能量接收线圈41、DC/DC电路31和高频逆变电路32的温度是否出现温度过高的异常状态或者车载电池20是否充满,若检测到异常状态或车载电池20已充满,则结束充电过程,车辆驶向下一个停靠点,否则,进行下一步;
当检测到有车辆到来时,将从CAN-wifi通信模块60接收到的车载电池20的实时电量与设定电量值进行比较,如果车载电池的电量较低,则选择快充模式和快充模式对应的调节参数,否则选择慢充模式和慢充模式对应的调节参数;
根据所选择的快充模式或快充模式及其对应的调节参数,采用具有PID补偿的无源控制算法计算出DC/DC电路31的目标占空比;
根据DC/DC电路31的目标占空比,生成PWM信号,驱动DC/DC电路31工作,同时,还生成高频逆变驱动信号驱动高频逆变电路32工作,为车载电池20充电。
本发明实施例带来的有益效果是:
本发明可以使***表现为恒流输出特性和单位功率因数输入特性,而且其耦合距离更远,能量传递设备的相对位置具有一定的自由度,能量的传输效率更高,同时线圈中间非磁性障碍物不会影响到***的正常工作,是一种应用前景更广阔、使用方式更简捷、安全可靠的新型无线能量传输技术。
以上仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低压大电流无线充电***,包括直流电源和车载电池,其特征在于,还包括:
无线能量发送装置,与所述直流电源连接,用于提供电能;
无线能量接收装置,与所述无线能量发送装置对应且与所述车载电池连接,用于为接收电能并为所述车载电池提供电能;
DSP控制装置,与所述无线能量发送装置、所述无线能量接收装置和所述车载电池连接,用于根据接收到的所述车载电池的实时电量与设定电量值的比较结果选择充电模式和对应的调节参数、基于所述调节参数通过具有PID补偿的无源控制算法计算出所述无线能量发送装置中的DC/DC电路的目标占空比并根据所述目标占空比生成PWM信号驱动所述DC/DC电路工作,为所述车载电池充电。
2.如权利要求1所述的低压大电流无线充电***,其特征在于,所述DSP控制装置还用于检测所述无线能量发送装置和所述无线能量接收装置是否异常和所述车载电池是否充满,并在所述无线能量发送装置和所述无线能量接收装置存在异常或所述车载电池充满时,结束充电过程。
4.如权利要求3所述的低压大电流无线充电***,其特征在于,所述无线能量发送装置包括依次连接的能量发射线圈、发送端谐振补偿电路、高频逆变电路和所述DC/DC电路,所述DC/DC电路与所述直流电源连接,所述能量发射线圈预先铺设在电动车行驶的道路上,所述无线能量接收装置包括依次连接的能量接收线圈、接收端谐振补偿电路和整流电路,所述能量接收线圈与所述能量发射线圈对应且安装在电动车的底盘上,所述整流电路与所述车载电池连接。
5.如权利要求4所述的低压大电流无线充电***,其特征在于,所述DC/DC电路用于将基础直流电压转变为所需等级的直流电压,所述高频逆变电路用于将所述所需等级的直流电压逆变为高频交流电,所述发送端谐振补偿电路用于使所述低压大电流无线充电***工作在谐振频率处并补偿所述能量发射线圈和所述能量接收线圈之间的漏感,所述能量发射线圈用于输出电能。
6.如权利要求4所述的低压大电流无线充电***,其特征在于,所述能量接收线圈用于接收电能,所述接收端谐振补偿电路用于使所述低压大电流无线充电***工作在谐振频率处并补偿所述能量接收线圈和所述能量发射线圈之间的漏感,所述整流电路用于将交流电能转换为直流电能。
7.如权利要求4所述的低压大电流无线充电***,其特征在于,所述DSP控制装置包括:
采样单元,用于检测所述DC/DC电路的输出电压和电感电流;
温度检测单元,用于检测所述能量发射线圈、所述能量接收线圈、所述DC/DC电路和所述高频逆变电路的温度;
PWM单元,与所述DC/DC电路连接和所述高频逆变电路连接,用于产生高频逆变驱动信号驱动所述高频逆变电路工作,并根据所述DC/DC电路的目标占空比,产生PWM信号驱动所述DC/DC电路工作,为所述车载电池充电;
CAN通信单元,通过CAN-wifi通信模块与所述车载电池连接,用于实时传输所述车载电池的电量信息;
控制器单元,与所述采样单元、所述温度检测单元、所述PWM单元和所述CAN通信单元连接,用于控制PWM单元产生高频逆变驱动信号,并将从所述CAN通信单元接收到的实时传输的所述车载电池的电量信息与设定电量值进行比较,根据比较结果选择充电模式和对应的所述调节参数,基于所述调节参数通过具有PID补偿的无源控制算法计算出所述DC/DC电路的目标占空比并控制所述PWM单元产生PWM信号,且用于根据所述采样单元检测的所述DC/DC电路的输出电压和电感电流、所述温度检测单元检测的所述能量发射线圈、所述能量接收线圈、所述DC/DC电路和所述高频逆变电路的温度以及所述CAN通信单元传输的所述车载电池的电量信息,判断所述DC/DC电路、所述能量发射线圈、所述能量接收线圈和所述高频逆变电路是否异常或者所述车载电池是否充满,并在所述无线能量发送装置和所述无线能量接收装置存在异常或所述车载电池充满时,结束充电过程。
9.一种低压大电流无线充电方法,其特征在于,包括如下步骤:
将接收到的车载电池的实时电量与设定电量值进行比较,并根据比较结果选择充电模式和对应的调节参数;
根据选择的所述充电模式及其对应的调节参数,采用具有PID补偿的无源控制算法计算出DC/DC电路的目标占空比;
根据所述DC/DC电路的目标占空比生成PWM信号,驱动所述DC/DC电路工作,为所述车载电池充电。
10.如权利要求9所述的低压大电流无线充电方法,其特征在于,还包括如下步骤:
检测为所述车载电池充电的低压大电流无线充电***是否异常和所述车载电池是否充满,并在所述***出现异常或所述车载电池充满时,结束充电过程。
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