CN104734300A - 一种电动车无线充电电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了无线充电领域内的一种电动车无线充电电路及其控制方法，所述主电路包括耦合连接的发射端主电路和接收端主电路，所述发射端主电路包括顺序连接的低压直流电源、高频逆变电路以及初次侧谐振电路，所述接收端主电路包括顺序连接的二次侧谐振电路、全桥整流电路以及功率匹配变换电路；所述控制电路包括发射端控制电路和接收端控制电路，控制方法包括检测状态和工作状态，本发明利用电磁感应和负载检测电路的原理，实现了对二次侧有无负载的检测，根据有无负载来适时的进入工作状态和检测状态，避免了过大的电流，提高了电路的安全性能，可用于无线充电中。
Description
技术领域
本发明涉及一种充电电路，特别涉及一种无线充电电路。
背景技术
所谓无线充电，即在没有电缆的情况下，靠电磁场或其他的物质进行耦合，实现电能的无线传输，无线传输电能包括：电磁感应式、电磁共振式和电磁辐射式，这三种常见的无线充电方式中，其中电磁感应式结构简单，易于实现，被广泛应用到无线重点产业的各个领域。
发明内容
本发明的目的是提供一种电动车无线充电电路，提高电路工作的安全性和能量的传输效率。
本发明的目的是这样实现的：一种电动车无线充电电路及其控制方法，所述充电电路包括主电路和控制电路：
所述主电路包括耦合连接的发射端主电路和接收端主电路，所述发射端主电路包括顺序连接的低压直流电源、高频逆变电路以及初次侧谐振电路，所述接收端主电路包括顺序连接的二次侧谐振电路、全桥整流电路以及功率匹配变换电路；
所述控制电路包括发射端控制电路和接收端控制电路，发射端控制电路包括连接在发射端数字信号处理器上的PWM驱动电路、电流采样电路，所述电流采样电路连接在初次侧谐振电路上；所述接收端控制电路包括连接在接收端数字信号处理器上的PWM驱动电路和电压采样电路，所述电压采样电路连接在全桥整流电路的输出端；
所述控制方法包括以下包括两个工作状态：
1）检测状态：通过检测初次侧谐振电路的电流变化判定负载的接入；
2）工作状态：若发射端检测到有负载接入后，发射端数字信号处理器发出充电指令，电路进入工作状态，通过PWM驱动电路控制高频逆变电路输出交流电，经过全桥整流电路以及功率匹配变换电路后，对负载进行充电，若发射端检测到负载退出后或者负载电量充满后，发射端数字信号处理器发出停止充电的指令，并将控制电路回归检测状态。
作为本发明的改进，所述功率匹配变换电路包括第三电感L3、第五功率MOS开关管S5、第五二极管VD5以及第三电容C3，所述全桥整流电路的正极M与车载电池接口正极P之间串接第三电感C3和第五二极管VD5，所述第五功率MOS开关管S5的正极接第三电感C3和第五二极管VD5之间的电极点I，第五功率MOS开关管的负极接全桥整流电路的负极N，车载电池接口的正极P与负极Q之间串接第三电容C3。
作为本发明的改进，所述高频逆变电路包括四个功率MOS开关管，发射端数字信号处理器通过PWM驱动电路控制所述四个功率MOS开关管动作，接收端数字信号处理器通过PWM驱动电路控制功率变换电路内的一个功率MOS开关管动作。
作为本发明的改进，所述数字信号处理电路是由dsPIC33FJ64GS606芯片及其外围电路组成的
作为本发明的改进，步骤1）中负载检测的具体方法为：电路开始初始化时，电路处于检测状态，每1s运行2ms，在每个PWM波的中点对初次侧电感上的电流进行采样，通过和前一次采样值相比较来决定电路的工作状态，若电流采样值比前一次采样值减小，则证明二次侧有负载接入，电路进入正常工作状态，每1s运行1s，正常工作后，若检测到的电流采样值比前一次采样值增大，则证明二次侧负载退出，电路转变回检测状态继续工作，每1s运行2ms，若电流采样值与前一次采样值相等，则证明二次侧无动作，电路维持之前的工作模式。
作为本发明的改进，控制方法还包括谐波点追踪控制，具体方法为：在每个PWM上升沿对初次侧电感上的电流进行采样，若采样值大于传感器电路零偏值，则调大逆变器输出频率；若采样值小于传感器电路零偏值，则调小逆变器输出频率；若采样值等于零偏值，因此逆变器的输出频率不变。
作为本发明的改进，步骤2）中在对负载进行充电时，对功率匹配变换电路的输入电压进行控制，具体方法为：对功率匹配变换电路的输入电压进行采样，与设定值进行比较，经过数字信号处理器进行PI运算，得出一个新的PWM占空比，将该占空比输出给功率匹配变换电路，从而控制功率匹配变换电路的输入电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明利用电磁感应和负载检测电路的原理，实现了对二次侧有无负载的检测，根据有无负载来适时的进入工作状态和检测状态，避免了过大的电流，提高了电路的安全性能；本发明通过对系统谐振频率进行追踪，使得逆变器的输出频率与谐振网络的谐振频率一致，提高了系统能量的传输效率；本发明通过对负载功率匹配电路的输入电压进行闭环控制，实现了对输出功率的控制，实现不同功率等级的充电，扩大了其应用范围。本发明可用于无线充电中。
附图说明
图1为本发明主电路原理图。
图2为本发明中发射端控制电路原理图。
图3为本发明中接收端控制电路原理图。
图4为本发明中功率功率匹配闭环电路输入电压控制逻辑原理图。
具体实施方式
如图1-3所示的一种电动车无线充电电路，包括主电路和控制电路：所述主电路包括耦合连接的发射端主电路和接收端主电路，所述发射端主电路包括顺序连接的低压直流电源、高频逆变电路以及初次侧谐振电路，所述接收端主电路包括顺序连接的二次侧谐振电路、全桥整流电路以及功率匹配变换电路；所述控制电路包括发射端控制电路和接收端控制电路，发射端控制电路包括连接在发射端数字信号处理器上的PWM驱动电路、电流采样电路，所述电流采样电路连接在初次侧谐振电路上；所述接收端控制电路包括连接在接收端数字信号处理器上的PWM驱动电路和电压采样电路，所述电压采样电路连接在全桥整流电路的输出端，数字信号处理电路是由dsPIC33FJ64GS606芯片及其外围电路组成的；
高频逆变电路包括第一功率MOS开关管S1、第二功率MOS开关管S2、第三功率MOS开关管S3、第四功率MOS开关管S4；第一功率MOS开关管S1的漏极、第三功率MOS开关管S3的漏极与低压直流电源的正极A相连，第一功率MOS开关管的源极与第二功率MOS开关管S2的漏极相连，第三功率MOS开关管S3的源极与第四功率MOS开关管S4的漏极相连，第二功率MOS开关管S2的源极、第四功率MOS开关管S4的源极与低压直流电源负极B连接。
本发明电路中高频逆变电路对电极点A、B间电压进行逆变，产生高频交流电，高频交流电经过初次侧谐振电路，初次侧谐振电路包括串联连接的第一电容C1和初次侧耦合电感L1；电动自行车通过二次侧耦合电感L2和第二电容C2接受固定电路传输回来的电能，经过全桥整流电路和负载功率匹配变换电路后给车载电池供电，全桥整流电路包括第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3、第四二极管VD4；全桥整流电路对二次侧谐振电路的电压进行整流，端子CD两端电压用于检测功率匹配变换其的输入电压大小，实现闭环控制；端子CD与电压采样电路连接；所述功率匹配变换电路包括第三电感L3、第五功率MOS开关管S5、第五二极管VD5以及第三电容C3，所述全桥整流电路的正极M与车载电池接口正极P之间串接第三电感C3和第五二极管VD5，所述第五功率MOS开关管S5的正极接第三电感C3和第五二极管VD5之间的电极点I，第五功率MOS开关管的负极接全桥整流电路的负极N，车载电池接口的正极P与负极Q之间串接第三电容C3，功率匹配变换电路对二次侧全桥整流电路MN端输出电压进行转换，使得输出电压等级满足车载电池的电压等级，同时满足输入电压电流的持续性，输出经第三电容C3，得到的电压给车载电池供电；PWM驱动电路接收来自数字信号处理器来的信号，驱动上述五个功率MOS开关管动作。
本电路的工作状态分为两种，分别为检测状态和工作状态，当电路处于初始状态时，电路每1s只运行2ms，在发射端PWM驱动电路输出的每个PWM波的中点对初次侧电感（即电极点F）的电流进行采样，通过和前一次采样值相比较来决定电路的工作状态，由于有负载接入的时候，二次侧的电感线圈会在一次侧产生一个互感阻抗，使得原边的电流产生1.8-2.2安培幅值的减小，因此若电流采样值比前一次采样值减小，则证明二次侧有负载接入，发射端数字信号处理器发出充电指令，电路进入工作状态，每1s运行1s，通过PWM驱动电路控制高频逆变电路输出交流电，经过全桥整流电路以及功率匹配变换电路后，对负载进行充电，正常工作时，由于负载退出的时候，二次侧的电感线圈会在消除在一次侧产生的互感阻抗，使得原边电流变大，若此时检测到的电流采样值比前一次采样值增大，则证明二次侧负载退出，发射端数字信号处理器发出停止充电的指令，电路转变回检测状态继续工作，每1s运行2ms，若电流采样值与前一次采样值相等，则证明二次侧无动作，电路维持之前的工作模式。
在电路工作过程中，为了使电路始终处于最大功率和做大效率运行，节省了能源，还会进行谐振点追踪，在初次侧电容与电感串联的谐振网络中，通过比较谐振网络的电流和逆变器输出电压之间的相位差，可以得出电路是否处于谐振点工作，因此在每个PWM上升沿对F点的电流进行采样，若采样值大于零，则证明谐振网络的电流超前逆变器的输出电压，电路呈现容性，则逆变器输出频率调大；若采样值小于零，则证明谐振网络的电流滞后逆变器的输出电压，电路呈现感性，则逆变器输出频率调小；若采样值等于零，则证明谐振网络的电流与逆变器的输出电压同相位，电路处于谐振点运行，因此逆变器的输出频率不变。
为了扩大本发明的应用范围，实现电路对不同功率等级的充电，本发明的控制过程还进行功率匹配变换电路输入电压的控制，系统中的功率匹配闭环电路实际上相当于一个模拟的可调负载，而由于功率匹配闭环电路的输出为电动车电池，电压为定值，因此本系统对功率匹配闭环电路的输入电压进行控制，控制对象为占空比对输入电压的传递函数，选取了零极相消的PI控制器对其进行输入电压控制，首先，对功率匹配闭环电路的输入电压即M点与N点之间的电压进行采样，与设定值比较，经过数字信号处理器进行PI运算，得出一个新的PWM占空比，输出给功率匹配闭环电路，从而控制匹配变化器的输入电压，通过对功率匹配闭环电路的输入电压控制，控制了模拟负载的值，从而控制了传输功率，如图4所示，为功率匹配变换器输入电压控制原理图，CV为电压控制器，GV为利用小信号分析法得出的控制占空比到输出电压VMN的传递函数，HV为输出电压采样电路的传递函数，此控制系统旨在控制功率匹配变换器输入电压，以达到控制输出功率，实现不同功率等级的无线充电，具体控制方法如下：
C（s）为零极相消的PI控制器，
其中ω z =8.79×104 rad/s，ω p =π×104 rad/s，K=1000；
G（s）为控制对象，即boost输入电压对占空比的传递函数：
其中参数具体数值如下：
；
H（s）为反馈传递函数：
。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1. 一种电动车无线充电电路，其特征在于，包括主电路和控制电路：
所述主电路包括耦合连接的发射端主电路和接收端主电路，所述发射端主电路包括顺序连接的低压直流电源、高频逆变电路以及初次侧谐振电路，所述接收端主电路包括顺序连接的二次侧谐振电路、全桥整流电路以及功率匹配变换电路；
所述控制电路包括发射端控制电路和接收端控制电路，发射端控制电路包括连接在发射端数字信号处理器上的PWM驱动电路、电流采样电路，所述电流采样电路连接在初次侧谐振电路上；所述接收端控制电路包括连接在接收端数字信号处理器上的PWM驱动电路和电压采样电路，所述电压采样电路连接在全桥整流电路的输出端。
2. 根据权利要求1所述的一种电动车无线充电电路，其特征在于，所述功率匹配变换电路包括第三电感L3、第五功率MOS开关管S5、第五二极管VD5以及第三电容C3，所述全桥整流电路的正极M与车载电池接口正极P之间串接第三电感C3和第五二极管VD5，所述第五功率MOS开关管S5的正极接第三电感C3和第五二极管VD5之间的电极点I，第五功率MOS开关管的负极接全桥整流电路的负极N，车载电池接口的正极P与负极Q之间串接第三电容C3。
3. 根据权利要求2所述的一种电动车无线充电电路，其特征在于，所述高频逆变电路包括四个功率MOS开关管，发射端数字信号处理器通过PWM驱动电路控制所述四个功率MOS开关管动作，接收端数字信号处理器通过PWM驱动电路控制功率变换电路内的一个功率MOS开关管动作。
4. 根据权利要求1-3中任一项所述的一种电动车无线充电电路，其特征在于，所述数字信号处理电路是由dsPIC33FJ64GS606芯片及其外围电路组成的。
5. 一种如权利要求1-4所述无线充电电路的控制方法，其特征在于，包括两个工作状态：
1）检测状态：通过检测初次侧谐振电路的电流变化判定负载的接入；
2）工作状态：若发射端检测到有负载接入后，发射端数字信号处理器发出充电指令，电路进入工作状态，通过PWM驱动电路控制高频逆变电路输出交流电，经过全桥整流电路以及功率匹配变换电路后，对负载进行充电，若发射端检测到负载退出后或者负载电量充满后，发射端数字信号处理器发出停止充电的指令，并将控制电路回归检测状态。
6. 根据权利要求4所述的一种无线充电电路的控制方法，其特征在于，步骤1）中负载检测的具体方法为：电路开始初始化时，电路处于检测状态，每1s运行2ms，在每个PWM波的中点对初次侧电感上的电流进行采样，通过和前一次采样值相比较来决定电路的工作状态，若电流采样值比前一次采样值减小，则证明二次侧有负载接入，电路进入正常工作状态，每1s运行1s，正常工作后，若检测到的电流采样值比前一次采样值增大，则证明二次侧负载退出，电路转变回检测状态继续工作，每1s运行2ms，若电流采样值与前一次采样值相等，则证明二次侧无动作，电路维持之前的工作模式。
7. 根据权利要求4所述的一种无线充电电路的控制方法，其特征在于，控制方法还包括谐波点追踪控制，具体方法为：在每个PWM上升沿对初次侧电感上的电流进行采样，若采样值大于传感器电路零偏值，则调大逆变器输出频率；若采样值小于传感器电路零偏值，则调小逆变器输出频率；若采样值等于零偏值，因此逆变器的输出频率不变。
8. 根据权利要求4所述的一种无线充电电路的控制方法，其特征在于，步骤2）中在对负载进行充电时，对功率匹配变换电路的输入电压进行控制，具体方法为：对功率匹配变换电路的输入电压进行采样，与设定值进行比较，经过数字信号处理器进行PI运算，得出一个新的PWM占空比，将该占空比输出给功率匹配变换电路，从而控制功率匹配变换电路的输入电压。
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