一种无线充电系统偏移工况下的最优负载选择方法及装置

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，特别涉及一种无线充电系统偏移工况下的最优负载选择方法及装置。

背景技术

无线电能传输系统(Wireless Power Transfer System,WPTS)由于无电气接触，无需插拔，不会产生电火花，在电动汽车中有很好的发展前景。然而，电动汽车泊车过程中产生的原副边线圈错位，会导致互感减小，降低线圈之间的耦合程度，进而影响充电过程中的电能传输效率。

对于一个确定的无线充电磁耦合器，其线圈尺寸、自感、补偿电容、原副边线圈电阻和频率等参数都已经确定。根据效率公式，可以认为电动汽车在无线充电过程中，传输效率是互感和负载电阻的二元函数。

在绝大多数电动汽车无线充电应用场景中，一般采用静态充电，在充电过程中其互感不发生变化。但由于原副边线圈之间无电气接触，互感无法通过传统正接反接的方式来测量两线圈之间的互感。

另一方面，在充电过程中，电池等效电阻未知且无法直接测量，需要对负载电阻进行监测，作为MOSFET占空比的调节依据。

考虑到电动汽车的蓄电池本身就占用了车辆底部的大量空间，不适合在副边系统安装冗余的测量装置。原边系统安装在车位下方，空间较大，因此互感测量和负载监测都应尽量在原边进行。

综上，相关技术中难以方便测量无线充电系统偏移时的互感，从而无法获得最优负载，且在无线充电系统二次侧设计了复杂的测量环节，不利于充电效率的提高和实现电动汽车轻量化。

发明内容

本申请针对现有技术中无法通过正接反接的方式来测量两线圈之间的互感而无法获得最优负载，提供一种无线充电系统偏移工况下的最优负载选择方法及装置，通过原边线圈的电气量来测量互感进而得出最优负载，并通过原边设置的电气量采样环节，对电池等效负载电阻进行监测，作为电池等效电阻进行变换的调节依据，从而便于提升电能的传输效率，提升系统的抗偏移能力。

为实现上述技术目的，本申请的第一方面，提供一种无线充电系统偏移工况下的最优负载选择方法，包括：1)闭合开关1，读取原边电压U

可选的，步骤1)中包括：闭合开关1，使用低电压进行短时间通电，当相邻两个采样点电压变化|U

可选的，步骤2)中包括：互感M的计算公式为：

可选的，步骤6)中包括：电池等效电阻根据原边电气量的计算公式为：

可选的，步骤7)中包括：最优占空比的计算公式为：

作为本申请的第二方面，提供一种无线充电系统偏移工况下的最优负载选择装置，用以实现上述任意一项的一种无线充电系统偏移工况下的最优负载选择方法，包括：直流电源，用以提供装置所需电能；电子电力开关，用以实现互感测量电路以及Buck-Boost电路的切换；互感测量电路，用以实现互感测量；Buck-Boost电路，用以将负载电阻等效变化为最优负载；其中，电子电力开关分别包括开关1和开关2，当开关1闭合时，互感测量电路通电进行互感测量，当开关2闭合时，Buck-Boost电路通电进行等效替换。

可选的，互感测量电路包括：原边线圈电感、副边线圈电感、原边线圈补偿电容C

可选的，互感测量电路还包括滤波电容C

可选的，Buck-Boost电路包括：MOSFET模块以及充电电感L

可选的，Buck-Boost电路还包括：稳压电容C

本申请的有益效果：根据原边线圈的电气量测得互感，进而通过互感推导出最优负载，根据最优负载进行负载调节，从而提高充电效率。

附图说明

图1是本申请提出的一种无线充电系统偏移工况下的最优负载选择装置示意图。

图2是本申请提出的一种无线充电系统偏移工况下的最优负载选择方法示意图。

图3是本申请中不同偏移情况下互感测量值与真实值对比图。

图4是本申请中不同偏移情况下恒定负载和最优负载效率对比图。

图5是本申请中两线圈磁耦合器等效电路示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本申请作进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅是本申请的一种最佳实施例，仅用以解释本申请，并不限定本申请的保护范围，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，本申请提供一种无线充电系统偏移工况下的最优负载选择装置，包括：直流电源、电子电力开关、互感测量电路、Buck-Boost电路以及电池等效电阻R

当互感已知时，无线充电系统的效率变成了负载电阻的一元函数。但在实际充电场景中，负载电阻的大小受到电池特性的影响，未知且无法随意调节。本申请首先依据测得的互感推导出最优负载，然后通过Buck-Boost电路调节负载电阻两端的电压，进而实现在整流器交流侧的等效负载变换。通过调整负载电阻的大小来提升传输效率，本质上是使原副边的电流合理地分配，降低电路中总的铜损。当电流更合理地分配后，不会出现原边或副边线圈电流过大的情况。有利于磁耦合器参数的合理选择，并提升系统的抗偏移能力。

作为具体的方案，互感测量电路包括原边线圈电感、副边线圈电感、原边线圈补偿电容C

具体的，Buck-Boost电路包括MOSFET模块、充电电感L

进一步，如图2所示，本申请还提供一种无线充电系统偏移工况下的最优负载选择方法，包括：

闭合开关1，当相邻两个采样点电压变化|U

断开开关1，根据原边电压U

判断互感M是否小于设定的最大偏移互感M

闭合开关2，根据互感M获得最优负载R

将MOSFET模块的初始占空比设定为0.5；

根据原边电压、电流和当前占空比，计算出电池等效电阻R

根据最优负载R

根据最优负载R

将D

采用SS补偿的无线充电系统，谐振情况下互感与原边电压电流的关系如式(1)所示：

记

式中，U

采用SS拓扑的两线圈无线充电系统效率公式如式(3)所示。在M已知的情况下，令效率对负载电阻的导数等于0，可以得到最优负载R

其中D为MOSFET模块的占空比。R

根据式(2)可以得到基于互感和原边电压、电流得到的整流器交流侧等效负载电阻计算公式，如式(6)所示：

根据式(5)和式(6)，可以得到电池等效电阻的计算公式，如式(7)所示：

根据式(5)和(7)，令R

由于0＜Dopt＜1，可以得到最优占空比的唯一值。

当测得互感M＜M

具体的，步骤1)中包括：

闭合开关1，使用低电压进行短时间通电，当相邻两个采样点电压变化|U

其中，U

为了验证装置和控制方法的有效性，并介绍其控制流程，设计研制了一台3kW样机，具体参数如表1所示。采用600×600mm线圈，20匝，Litz直径为6.5mm。

表1样机参数

具体控制流程如图2所示，开关1闭合，进入互感测量环节，互感测试电阻R

在实验室条件下，通过正接反接根据公式(9)得到互感的真实值。互感测量值与真实值对比如图3所示。由图可以看出，在横向偏移50mm时误差达到最大，为7.79％。

开关2闭合进入最优负载选择环节，依据测得的互感和式(4)计算出最优负载。依据式(6)计算出偏移情况下对应的最优占空比Dopt。并将Dopt作为MOSFET模块的输入，以实现负载电阻在逆变器交流模块的等效变换。

得到采用恒定负载和最优负载的效率对比如图4所示。由图4可知，随着偏移距离的增加，采用最优负载对效率的提升效果逐渐增高，在横向偏移200mm时，效率提升了2.67％。

图5为本发明中无线电能传输系统等效电路图，在进行互感测量公式和最优负载公式推导时，采用图5所示的简化电路。不计及整流器的直流侧，而将其等效为投影到交流侧的电阻，可以极大地简化公式的推导。

实验结果验证了本发明所提出的互感测量方法的准确性和无线充电系统在偏移工况下采用最优负载选择方法对效率提升的有效性。结果表明，本发明所提出的一种无线充电系统偏移工况下的最优负载选择方法及装置能提升电动汽车在无线充电过程中的抗偏移能力。

以上之具体实施方式为本申请一种无线充电系统偏移工况下的最优负载选择装置及方法的较佳实施方式，并非以此限定本申请的具体实施范围，本申请的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本申请之形状、结构所作的等效变化均在本申请的保护范围内。