一种无线充电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及无线充电系统，特别是一种无线充电系统及其控制方法。

背景技术

随着我国近年来在电动汽车领域的高速发展，如何实现电动汽车的安全、便捷和快速的充电意义重大。电动汽车充电的传统方案是通过充电桩从电网直接获取电能。然而电动汽车进行有线充电时，充电插座或者电缆线通常有裸露在外的部分，在大功率充电时，容易产生电火花和电弧，存在重大安全隐患；同时传统的有线充电需要用户进行手动操作，人为的疏忽和充电插座的频繁插拔产生的硬件磨损均容易造成接触不良的现象，导致发生大功率环境下的人身安全事件。

为解决以上问题，通常采用近距离无线输电技术来实现电动汽车无线充电。电动汽车无线充电技术，分为三个部件，分别为能量供给单元、发射端与接收端。能量供给单元为落地式或挂壁式安装，输入为交流市电，主要功能将交流电整流为直流电，并经过逆变产生高频电流；发射端安装在地面或地下，通过线缆与桩端连接，将桩端产生的高频电流转换为磁场能量并发射；接收端安装在汽车底部，接收磁场能量，将感生电流整流后为电动汽车电池充电。

在实际设计中，无线充电系统会采用LCC拓扑，在某些工况下，会出现能量供给单元逆变开关管与整流开关管出现硬开通与硬关断的情况。

发明内容

针对现有技术中，无线充电系统采用LCC拓扑，其逆变电路和整流电路中开关管会出现硬开通和硬关断的情况，本发明提出了一种无线充电系统及其控制方法。

本发明的技术方案为，提出了一种无线充电系统，包括用于接收交流电并将所述交流电转换为磁场能量的地端、以及接收所述磁场能量并生成感生电流以给车载电池充电的车端，

所述地端包括依次连接的逆变电路、第一补偿电路、发射线圈；

所述车端包括依次连接的接收线圈、第二补偿电路、整流电路；

其中，所述发射线圈与所述接收线圈构成一松耦合变压器；

所述第一补偿电路以及所述第二补偿电路中电感的感量和电容的容值根据所述发射线圈上的预设电流设置，以消除所述逆变电路和所述整流电路中的三次谐波，所述逆变电路和所述整流电路在全工作范围内实现零电流开关。

进一步，所述第一补偿电路包括：电容C1、电容C3、电容CF1、电感LF1；

所述电容C3的一端连接到所述逆变电路的第一输出端，所述电容C3的另一端依次串联所述电感LF1和所述电容C1后连接到所述发射线圈的第一端，所述发射线圈的第二端连接到所述逆变电路的第二输出端，所述电容CF1的一端连接到所述电感LF与所述电容C1之间，所述电容CF1的另一端连接到所述发射线圈的第二端与所述逆变电路的第二输出端之间。

进一步，所述电容C1、电容C3、电容CF1、电感LF1与所述预设电流满足：

其中，V

进一步，所述第二补偿电路包括：电容C2、电容C4、电容CF2、电感LF2；

所述电容C2的一端连接到所述发射线圈的第一端，所述电容C2的另一端依次串联所述电感LF2和电容C4后连接到所述整流电路的第一输入端，所述整流电路的第二输入端连接到所述发射线圈的第二端，所述电容CF2的一端连接到所述电容C2与所述电感LF2之间，所述电容CF2的另一端连接到所述发射线圈的第二端与所述整流电路的第二输入端之间。

进一步，所述电容C2、电容C4、电容CF2、电感LF2与所述预设电流满足：

其中，w

本发明还提出了一种无线充电系统的控制方法，所述无线充电系统采用上述无线充电系统，所述控制方法包括：

所述控制方法包括：

采样所述无线充电系统的输出电流；

根据所述无线充电系统的输出电流以及设定电流计算所述逆变电路的输出电压的实际占空比；

根据所述实际占空调节所述无线充电系统的工作状态，以使所述整流电路的输入电压和逆变电路的输出电压在开关处的电流为零；

其中，所述设定电流为所述无线充电系统预先设定的输出电流。

进一步，在根据所述无线充电系统的输出电流以及设定电流计算所述逆变电路的输出电压的实际占空比之前，还包括：

根据所述无线充电系统的输出电流以及所述设定电流计算输出电流误差，所述输出电流误差满足：Ierror＝Iset-Iout；

其中，Ierror表示为所述输出电流误差、Iset表示为所述设定电流、Iout表示为所述无线充电系统的输出电流。

进一步，所述实际占空比与所述输出电流误差满足：D

其中，K

进一步，在根据所述无线充电系统的输出电流以及设定电流计算所述逆变电路的输出电压的实际占空比后，以及在根据所述实际占空调节所述无线充电系统的工作状态之前，所述控制方法还包括：

检测所述设定电流与所述输出电流是否相等；

若是，则维持所述无线充电系统当前的输出功率；

若否，则重新计算所述输出电流误差以及所述实际占空比。

进一步，所述根据所述无线充电系统的输出电流以及所述设定电流计算输出电流误差之前，还包括：

设定一初始占空比，并使所述逆变电路的输出电压工作于所述初始占空比；

检测第二补偿电路中电感电流的相位；

控制所述整流电路的输入电压与所述电感电流的相位相同。

与现有技术相比，本发明通过调整电容C3和电容C4的容值，消除了三次谐波，同时保证了无线充电系统在正常工作中，输入电流和输出电流只存在基波电流，能实现全范围ZCS，消除了逆变电路和整流电路中开关管的开关损耗，提升了工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种无线充电系统的的电路拓扑图；

图2为本发明提供的无线充电系统输入电流经过补偿后的波形对比图；

图3为本发明提供的无线充电系统的控制方法的流程图；

图4为本发明提供的无线充电系统中整流电路的输入电压与电感LF2上电流的相位关系图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本发明的一个实施方式的其中一个特征，而不是暗示本发明的每个实施方式必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。

下面结合附图以及实施例对本发明的原理及结构进行详细说明。

在实际设计中，无线充电系统会采用LCC拓扑，在某些工况下，会出现逆变电路和整流电路中开关管出现硬开通与硬关断的情况，本发明提出一种新型匹配阻抗策略，能够实现全范围ZCS，消除逆变开关管与整流开关管的开关损耗，提升效率。

请参见图1，本发明提出的无线充电系统，包括有地端和车端，其中地端作为发射端，一般安装在地面或者地下，通过线缆与桩端连接，用于将桩端产生的高频交流电转换为磁场能量并发射出去；

车端作为接收端，一般安装在汽车底部，用于接收地端发出的磁场能量，并产生感生电流为电动汽车的车载电池充电。

如图1中，地端包括依次连接的逆变电路、第一补偿电路、以及发射线圈；

其中，逆变电路通过线缆连接到桩端，用于获取桩端发出的直流电，并将该直流电转换为高频交流电；

第一补偿电路连接到逆变电路的输出端，用于对逆变电路输出的高频交流电进行功率补偿，以满足后续工作需要；

发射线圈连接到第一补偿电路的输出端，用于获取经过补偿后的高频交流电，其与车端中的接收线圈相互耦合，能够将高频交流电通过磁场能量发射给接收线圈。

其第一补偿电路包括：电容C1、电容C3、电容CF1、电感LF1；

电容C3的一端连接到逆变电路的第一输出端，电容C3的另一端依次串联电感LF1和电容C1后连接到发射线圈的第一端，发射线圈的第二端连接到逆变电路的第二输出端，电容CF1的一端连接到电感LF与电容C1之间，电容CF1的另一端连接到发射线圈的第二端与逆变电路的第二输出端之间。

进一步的，车端包括依次连接的接收线圈、第二补偿电路、以及整流电路；

其中，接收线圈安装在汽车底部，与发射线圈相互磁耦合，用于接收发射线圈发出的磁场能量，并将该磁场能量转换为感生电流传递给后续电路；

第二补偿电路连接到接收线圈的输出端，用于对接收线圈输出的感生电流进行功率补偿，并将功率补偿后的感生电流发送给整流电路；

整流电路连接到第二补偿电路的输出端与车载电池之间，用于对第二补偿电路的输出进行整流，将其转换为直流电，并传输给车载电池，为车载电池充电。

其第二补偿电路包括：电容C2、电容C4、电容CF2、电感LF2；

电容C2的一端连接到发射线圈的第一端，电容C2的另一端依次串联电感LF2和电容C4后连接到整流电路的第一输入端，整流电路的第二输入端连接到发射线圈的第二端，电容CF2的一端连接到电容C2与电感LF2之间，电容CF2的另一端连接到发射线圈的第二端与整流电路的第二输入端之间。

进一步的，发射线圈与接收线圈形成一松耦合变压器，其互感满足：

/>

其中，L

请参见图1，V

V

根据傅里叶分解，可以推导出：

上述器件中，阻抗关系如下所示；

通过上述公式，可以计算出电容C3和电容C4的容值，然后通过调整电容C3的容值，得出输入电流，即电流I

同样，通过调整C4的容值，得出输出电流，即电流I

在传统的LCC拓扑中，正常工作时，输入电流与输出电流主要由基波与三次谐波组成，由于三次谐波的存在而增加了整流开关管与逆变开关管的开通损耗与关断损耗。通过调整电容C3、电容C4的容值，可以消除三次谐波，也保证了在正常工作中，输入电流与输出电流只存在基波电流，如图2所示，展示了LCC初始输入电流波形与补偿后的CLCC输入电流波形，其上面波形为初始输入电流波形，下面波形为经过补偿后的输入电流波形。本发明通过该设计策略，能够更好的实现全范围ZCS，消除逆变电路和整流电路中开关管的开关损耗，提升效率。

具体的，在本发明的设计中，工作频率f为85kHz，谐振角频率w

其电容C1、电容C3、电容CF1、电感LF1与预设电流满足：

其中，V

其电容C2、电容C4、电容CF2、电感LF2与预设电流满足：

其中，w

通过上述公式可以计算出L

消除了三次谐波，保证了整个从工作中，输入电流和输出电流只存在基波电流。

谐振角频率为w

/>

进一步的，为保证给输入电流与输出电流完成零电流开通与零电流关断，本发明还提出了一种控制方法，其包括：

采样无线充电系统的输出电流；

根据无线充电系统的输出电流以及设定电流计算逆变电路的输出电压的实际占空比；

根据实际占空调节无线充电系统的工作状态，以使整流电路的输入电压和逆变电路的输出电压在开关处的电流为零；

其中，设定电流为无线充电系统预先设定的输出电流。

具体的，根据公式：

可以看出通过控制电压VAB的占空比D

在计算实际占空比时，需要先计算输出电流误差，其满足：

Ierror＝Iset-Iout；

其中，Ierror表示为输出电流误差、Iset表示为设定电流、Iout表示为输出电流。在本发明中设置设定电流(无线充电系统的输出电流的设定值)Iset为10A。

计算出输出电流误差后，即可计算上述实际占空比，其满足：

其中，K

在根据无线充电系统的输出电流以及设定电流计算逆变电路的输出电压的实际占空比后，以及在根据实际占空调节无线充电系统的工作状态之前，控制方法还包括：

检测设定电流与输出电流是否相等；

若是，则维持无线充电系统当前的输出功率；

若否，则重新计算输出电流误差以及实际占空比。

在根据无线充电系统的输出电流以及设定电流计算输出电流误差之前，还需要保持整流电路的输入电压与电感电流的相位一致，其包括：

设定一初始占空比，并使逆变电路的输出电压工作于初始占空比；

检测第二补偿电路中电感电流的相位；

控制整流电路的输入电压于电感电流的相位一致。

具体的，初始占空比为D

请参见图3，本发明整体的工作流程为：

先设定初始占空比，并采集电感LF2上电流I

请参见图4，其为本发明最终的效果图，整流电路的输入电压在逆变电路的输出电压开关处的电流为零，实现了全范围的ZCS开通与关断，提升了系统效率。

与现有技术相比，本发明通过调整电容C3和电容C4的容值，消除了三次谐波，同时保证了无线充电系统在正常工作中，输入电流和输出电流只存在基波电流，能实现全范围ZCS，消除了逆变电路和整流电路中开关管的开关损耗，提升了工作效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。