CN114825661B - 一种电动汽车无线电能传输***优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电动汽车无线电能传输***优化设计方法。本发明采用磁耦合的方式测量初级线圈电流大小，相较于功率电阻取样的方式，磁耦合方式实现了测量电路与主功率电路的电气隔离。小线圈的自感，小线圈与初级线圈之间的互感相较于次级线圈而言可以忽略不计，对无线电能传输的效率影响很小。为所有无线传输应用提供了一种去反馈方案。该方案无需给***添加新的无线通信***，降低了***的复杂性。能够有效去掉基于LCC拓补的电动汽车无线电能传输过程中的所需的反馈***，利用无线电能传输过程中产生的漏磁场，将原本是损耗的漏磁作为表征初级线圈电流大小的依据，增加了***的效率。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种电动汽车无线电能传输***优化设计方法。
背景技术
在环境问题与能源危机愈发严峻的今天，以电动汽车为代表的新能源汽车以其安静、清洁、能源可再生等优点正在逐渐地取代传统汽车。电动汽车的充电方式可以分为有线充电与无线充电方式两种。在大功率传输电能的情况下，无线充电方式无需笨重且昂贵的充电插头，并且用户不需要直接处理高压电，从而降低了***的成本，提高了充电的安全性。无论无线充电还是有线充电，都需要对锂电池的充电过程做精准的控制以提高充电速度与锂电池的使用寿命，具体表现为让锂电池分步骤进行恒流与恒压充电，在这一方面无线充电相较于有线充电仍然存在着缺陷。现有的很多无线充电***中，采用的是DC-DC的来进行充电控制，但这样不可避免的增加了级联***的个数，降低了***的效率。
近几年有学者提出利用双侧LCC拓补两个谐振点不同的电特性来实现恒流与恒压充电***，这些***虽然较好的解决了无线充电的恒流恒压充电控制问题，但是也存在着较大的缺陷：这些***要求副线圈端不间断地发送充电状态信息给原线圈端来提示控制电路改变发射频率，这就导致了在电动汽车与充电***之间需要设计新的无线通信协议，而这将极大地限制无线充电方式的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动汽车无线电能传输***优化设计方法。
本发明的具体包括如下步骤：
步骤一、确定用于无线电能传输的原副线圈尺寸、大小以及匝数。
步骤二、依据线圈的尺寸、大小以及匝数信息，确定原副线圈之间的气隙长度。
步骤三、在给定线圈的尺寸、气隙的情况下，测量两个线圈的电感大小L1、L2以及两个线圈之间的互感系数M。
步骤四、在0-200kHz的范围内，选取LCC拓补的L1p、L1s、C1p、C2p、C1s、C2s的值。其中L1p、L1s分别为原副边LCC拓补的串联电感，C1p、C1s分别为原副边LCC拓补的串联电容，C2p、C2s分别为原副边LCC拓补的并联电容。LCC拓补恒流输出角频率点ωCC满足：
其中原边与副边的LCC拓补参数应保持一致：
对于恒压输出角频率ωCV而言，电路参数应该满足：
其中/>
通过上述计算，在确定LCC拓补各元器件值时提供大致参考，确保所选择LCC拓补能够让电路的两个频率点落在20-200KHz区间内。
步骤五、确定恒流、恒压输出角频率的大小。用方波逆变器激励初级LCC拓补，在次级线圈接一个70欧姆的纯阻性负载。将示波器一个通道接到负载两端观察负载两端的波形。从0开始增加逆变器的频率，当看到负载两端的电压相较于电源电压增益大于1dB时，记录此时频率大小。继续增加逆变器的频率，直到第二个频率点的出现。第一个角频率点为ωCC，为恒流充电角频率点，第二个角频率点为ωCV，为恒压充电角频率点。如果所得到的两个频率点不处于20-200kHz频率范围内，改变步骤四内LCC拓补的各个参数值，再重复步骤五，直到ωCC、ωCV大小满足设计要求为止。
在原线圈旁边等效出来的次级线圈的阻抗表示为：
其中RAC为负载交流等效阻抗。随着充电电压的升高，锂电池的等效负载也会随之增大。通过阻抗表示能够得出：接收端等效在初级线圈旁的阻抗也将增大，必然导致初级线圈的电流下降，从而使激发的磁场减小，这将作为无反馈无线电能传输的重要依据。
步骤六、设计与安装小线圈接收电路。将一个小线圈安装在初级发射线圈的旁边，并给线圈并联一个电容，使线圈与电容的谐振频率处于ωCC处。同时添加切换开关，用于实现小线圈LC电路谐振频率的切换，使其也能够拾取频率为ωCV的信号。随后，将LC谐振回路输出的电压进行整流、滤波、运算后提供给下一级电路。将设计好的线圈固定在初级线圈的同一平面上，固定的位置应该满足初级线圈与小线圈之间的耦合系数位于0.05-0.08之间，具体大小视应用中电源电压大小而确定。
步骤七、设定频率切换阈值电压。在小线圈内激发的电流大小只跟初级线圈两端的电压大小有关，而线圈两端的电压大小将随着负载的增加而增加。在小线圈内激发的电流大小可以作为表征初级电压大小的依据，又由于初级电压的大小是与负载电阻相关的，所以初级线圈两端地电压大小可以表征次级负载大小。在实际应用过程中，根据锂电池的电气特征，设定跳变沿产生时机所处电压的阈值大小。
步骤八、设计单片机控制***。单片机***用于接收步骤七设计的小线圈电路输出的跳变沿，并根据跳变沿改变发射频率。
本发明具有的有益效果是：
1、能够有效去掉基于LCC拓补的电动汽车无线电能传输过程中的所需的反馈***，为所有无线传输应用提供了一种去反馈方案。该方案无需给***添加新的无线通信***，降低了***的复杂性。
2、该***利用无线电能传输过程中产生的漏磁场，将原本是损耗的漏磁作为表征初级线圈电流大小的依据，增加了***的效率。
3、本***采用磁耦合的方式测量初级线圈电流大小，相较于功率电阻取样的方式，磁耦合方式实现了测量电路与主功率电路的电气隔离。小线圈的自感，小线圈与初级线圈之间的互感相较于次级线圈而言可以忽略不计，对无线电能传输的效率影响很小。
附图说明
图1为双侧LCC拓补无线电能传输***简化电路图；
图2为双侧LCC拓补去反馈***简化电路图；
图3为LCC拓补50KHz次级线圈输出电压波形；
图4为LCC拓补20KHz次级线圈输出电压波形；
图5为小线圈20KHz输出电压波形；
图6为小线圈输出电压处理电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本***作进一步说明。
如图1所示，一种电动汽车无线电能传输***包括全桥逆变电路、初级与副级LCC拓补电路、发射线圈与接收线圈、整流电路、滤波电路以及负载。本***采用大功率MOSFET全桥逆变电路，所选择的MOSFET为XXX公司生产的型号为FDA50N50的MOSFET，为N沟道MOSFET，VDSS大小为500V，ID大小为48A。***采用意法半导体公司的STM32F103C8T6单片机作为主控制器。***采用大功率直流电源供电，电源电压设置为200V。本***采用GDT的方式驱动MOSFET，实现了驱动电路与功率电源之间的电气隔离。拓补电容采用聚乙烯电容，耐压值为600V。拓补电感为螺形线圈，采用空气磁芯，在大电流情况下不容易达到磁饱和情况。发射线圈采用1mm，20股Litz线绕制，线圈为圆形平面螺形线圈，线圈直径为50CM，线圈匝数为30匝。整流桥采用XXX公司生产的型号为GBJ3510的整流桥，最大可处理35A的电流。滤波电容采用22uF聚合物电容，耐压值为500V。负载采用100W 70欧姆负载电阻。
如图2所示，本发明给初级线圈和次级线圈添加一个耦合电感，用于实现去反馈功能；该耦合电感跟次级线圈之间的耦合系数能够忽略不计，为了分析简单，本***假设小线圈与次级线圈之间的耦合系数为0。在本***中，小线圈采用平面螺形线圈结构，线圈匝数为6匝，线圈直径为6CM，线圈的底部有铁氧体作为屏蔽。与小线圈并联的电容，使用继电器作为谐振电容切换开关。能够实现LC并联谐振回路在两个频率点之间切换，从而处理不同的传输频率。
一种电动汽车无线电能传输***优化设计方法，具体步骤如下：
步骤一、确定用于无线电能传输的原副线圈尺寸、大小以及匝数。在充电功率大小，汽车底盘距离地面高度等信息已经确定的情况下，能大致确定流过线圈的电流大小，所选取的电源电压等信息，从而确定线圈的线径大小，线圈直径等信息。电动汽车的无线电能传输频率在20-200KHz范围内，传输功率大于1KW，根据导体趋肤深度：
其中ρ为电阻率，ω为工作角频率，μ为磁导率。在20℃、100KHz工作频率下，铜的趋肤深度约为0.209mm，所以在选择litz线时，选择小股导线线径小于0.2mm的Litz线有利于降低线圈内阻，提高线圈效率。在1KW以上传输功率工作下，线圈内的电流在5A以上，应选择直径在1mm以上的litz线来绕制线圈。
步骤二、依据线圈的尺寸、大小以及匝数信息，确定原副线圈之间的气隙长度。根据应用车辆的底盘高度，以及线圈的尺寸、传输功率的大小确定原副线圈之间的气隙长度。
步骤三、在给定线圈的尺寸、气隙的情况下，测量两个线圈的电感大小L1、L2以及两个线圈之间的互感系数M。给上述步骤安装好的线圈接上SMA头，利用矢量网络分析仪测量两线圈之间的互感系数以及各自的电感大小L1、L2。
步骤四、在0-200kHz的范围内，选取LCC拓补的L1p、L1s、C1p、C2p、C1s、C2s的值，其中L1p、L1s分别为原副边LCC拓补的串联电感，C1p、C1s分别为原副边LCC拓补的串联电容，C2p、C2s分别为原副边LCC拓补的并联电容。初级和次级LCC拓补的值应该保持一致，也就是满足：
LCC拓补恒流输出的角频率大小ωCC表示为：
LCC拓补的电感选择为空芯螺形电感，电感量的大小其中，d为螺形线圈直径，n为螺形线圈匝数。
空芯电感很难因为电流过大而发生磁饱和现象。在本实施例中，将螺形线圈绕制在直径为10CM的纸筒上，线圈的长度为11mm，匝数为12匝，计算得到的电感值为49.7uH。本***选择的拓补电容大小为C1p＝C1s＝47nF，C2p＝C2s＝100nF。将所有的元器件、线圈通过litz线连接起来。
对于恒压输出角频率ωCV而言，电路参数应该满足：
其中/>
通过上述计算，在确定LCC拓补各元器件值时提供大致参考，确保所选择LCC拓补能够让电路的两个频率点落在20-200KHz区间内。Z1、Z2、Z3、ZM无具体含义，仅指代中间量使用。
步骤五、确定恒流、恒压输出角频率的大小。将原副线圈按照气隙长度固定好，并保证原副线圈的圆心相互重合。副边LCC拓补输出接70欧姆电阻负载。利用方波逆变器激励原边线圈电路，改变逆变器发射频率，在负载两端利用示波器测量输出电压大小，当输出电压相对于电源电压的增益大于1dB时，此时的频率点即可确定为谐振频率点。本实施例中，两个谐振频率点的位置为20KHz和50KHz，其中20KHz为恒流输出角频率，50KHz为恒压输出角频率。得到的输出波形如图3和图4所示。
步骤六、设计与安装小线圈接收电路。确定小线圈的安装位置使其与原线圈的耦合系数处于0.05-0.08的范围内，根据应用场景选择在此范围内的耦合系数。本实施例的耦合系数为0.06。在电源电压为200V，负载为70欧姆的情况下，小线圈内的电压大小为12V左右。12V左右的激发电压相较于单片机***而言还是太高了，还需要对小线圈的输出电压进行处理。小线圈输出电压处理电路图如图6所示。为了能够让线圈能够同时接收两个谐振频率点所激发的电磁场，必须要改变与线圈并联的电容大小，改变LC谐振电路的谐振频率值。本实施例采用双通道继电器作为选择开关，用于选择并联谐振电路。在50KHz谐振频率点，与线圈并联的电容大小为367nF，在20KHz谐振频率点，与线圈并联的电容大小为430nF。小线圈输出电压波形如图5所示。将谐振回路输出电压滤波整流后得到直流电压，整流二极管使用IN4007，滤波电容使用220nF电容。将整流滤波得到的电压分压后输入到LM393电压比较器的同向输入端，比较器的反向输入端为电位器分压器的电压。
步骤七、设定频率切换阈值电压。通过改变反向输入端的电压值，设定频率切换的初级线圈电压阈值。
测量初级线圈与小线圈之间的互感系数MPS，推导出小线圈并联谐振回路内，小线圈内激发的电流
同理，在恒压充电阶段，改变与小线圈并联的电容大小，使LC回路的谐振频点位于ωCV。此时并联谐振回路开路电压大小为：其中Iin为输入电流大小，ZR为次级线圈在初级线圈旁边等效的阻抗大小，M为原线圈与小线圈之间的互感系数。ZR与Iin随着负载的增加都呈现出线性增加的趋势，在电路参数都不变的情况下，小线圈内激发的电流大小将随着负载电阻的增加而线性增加。
以大功率锂电池为例，当锂电池等效负载由30Ω增加到90Ω时，初级线圈两端的电压将会增加到原来的3倍，在小线圈激发的电压大小将会下降，当下降到设定的阈值电压时，比较器输出电平将会变化，用于提醒逆变器改变发射频率。
步骤八、设计单片机控制***。当小线圈激励的电压整流滤波分压后大于反向输入端的电压时，比较器输出电压由高变低。在充电过程中，锂电池先以恒流模式进行充电，当锂电池两端的电压达到一定值以后再进行恒压充电，在这个过程中，锂电池电压越来越高，对外等效的电阻越来越大。在微控制器内应先设置PWM输出频率为20KHz，等到切换时机到来时再切换为50KHz。微控制器可以使用外部中断的形式，捕捉比较器的下降沿，在中断服务函数内改变线圈发射频率，并且切换继电器的选择通道，改变与小线圈并联的电容大小，改变LC回路的谐振频率。
Claims (1)
1.一种电动汽车无线电能传输***优化设计方法，其特征在于：
具体包括如下步骤：
步骤一、确定用于无线电能传输的原副线圈尺寸、大小以及匝数；
步骤二、依据线圈的尺寸、大小以及匝数信息，确定原副线圈之间的气隙长度；
步骤三、在给定线圈的尺寸、气隙的情况下，测量两个线圈的电感大小L1、L2以及两个线圈之间的互感系数M；
步骤四、在0-200kHz的范围内，选取LCC拓补的L1p、L1s、C1p、C2p、C1s、C2s的值；其中L1p、L1s分别为原副边LCC拓补的串联电感，C1p、C1s分别为原副边LCC拓补的串联电容，C2p、C2s分别为原副边LCC拓补的并联电容；LCC拓补恒流输出角频率点ωCC满足：
其中原边与副边的LCC拓补参数应保持一致：
对于恒压输出角频率ωCV而言，电路参数应该满足：
其中/>
通过上述计算，在确定LCC拓补各元器件值时提供大致参考，确保所选择LCC拓补能够让电路的两个频率点落在20-200KHz区间内；
步骤五、确定恒流、恒压输出角频率的大小；用方波逆变器激励初级LCC拓补，在次级线圈接一个70欧姆的纯阻性负载；将示波器一个通道接到负载两端观察负载两端的波形；从0开始增加逆变器的频率，当看到负载两端的电压相较于电源电压增益大于1dB时，记录此时频率大小；继续增加逆变器的频率，直到第二个频率点的出现；第一个角频率点为ωCC，为恒流充电角频率点，第二个角频率点为ωCV，为恒压充电角频率点；如果所得到的两个频率点不处于20-200kHz频率范围内，改变步骤四内LCC拓补的各个参数值，再重复步骤五，直到ωCC、ωCV大小满足设计要求为止；
在原线圈旁边等效出来的次级线圈的阻抗表示为：
其中RAC为负载交流等效阻抗；随着充电电压的升高，锂电池的等效负载也会随之增大；通过阻抗表示能够得出：接收端等效在初级线圈旁的阻抗也将增大，必然导致初级线圈的电流下降，从而使激发的磁场减小；
步骤六、设计与安装小线圈接收电路；将一个小线圈安装在初级发射线圈的旁边，并给线圈并联一个电容，使线圈与电容的谐振频率处于ωCC处；同时添加切换开关，用于实现小线圈LC电路谐振频率的切换，使其也能够拾取频率为ωCV的信号；随后，将LC谐振回路输出的电压进行整流、滤波、运算后提供给下一级电路；将设计好的线圈固定在初级线圈的同一平面上，固定的位置应该满足初级线圈与小线圈之间的耦合系数位于0.05-0.08之间；
步骤七、设定频率切换阈值电压；在小线圈内激发的电流大小只跟初级线圈两端的电压大小有关，而线圈两端的电压大小将随着负载的增加而增加；在小线圈内激发的电流大小可以作为表征初级电压大小的依据，又由于初级电压的大小是与负载电阻相关的，所以初级线圈两端地电压大小能够表征次级负载大小；根据锂电池的电气特征，设定跳变沿产生时机所处电压的阈值大小；
步骤八、设计单片机控制***；单片机***用于接收步骤七设计的小线圈电路输出的跳变沿，并根据跳变沿改变发射频率。
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|---|---|
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