本发明公开了一种基于差分电感的电动汽车无线充电闭环控制系统，包括放置于地面的原边单元和车载的副边单元，原边单元包括逆变电路、补偿电路、原边谐振电容、原边功率线圈、差分电感线圈以及MCU；副边单元包括副边功率线圈、副边谐振电容和整流电路。其中，差分电感线圈可以实现非接触式测量副边功率线圈的电流相量，并且屏蔽原边带来的干扰；MCU对差分电感线圈输出电压和原边功率电流进行采样和计算，作为闭环控制的反馈量与给定量进行比较，经过PI调节器产生控制信号，控制补偿电路的开关占空比，进而实现改变补偿电路对原边的反射阻抗，在负载变化时，调整原边补偿网络实现阻抗匹配与自调谐，维持较高的无线充电的最大功率和效率。
1.一种基于差分电感的电动汽车无线充电闭环控制系统，包括放置于地面的原边单元和车载的副边单元，所述原边单元包括原边功率线圈和差分电感线圈，所述副边单元包括副边功率线圈，所述副边功率线圈与差分电感线圈以及原边功率线圈相互耦合；其特征在于：所述原边单元还包括逆变电路、补偿电路、原边谐振电容、互感线圈、AD采样电路以及MCU；其中，逆变电路的直流侧接直流源，原边功率线圈的一端与逆变电路交流侧的一端相连，原边功率线圈的另一端与原边谐振电容的一端相连，补偿电路通过互感线圈耦合连接于逆变电路交流侧的另一端与原边谐振电容的另一端之间，差分电感线圈与AD采样电路通过磁接口耦合，MCU与AD采样电路、补偿电路以及逆变电路相连；
所述副边单元还包括副边谐振电容和整流电路，副边功率线圈的一端与副边谐振电容的一端相连，副边谐振电容的另一端与整流电路交流侧的一端相连，副边功率线圈的另一端与整流电路交流侧的另一端相连，整流电路的直流侧与车载电池连接。
2.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电闭环控制系统，其特征在于：所述逆变电路受MCU控制产生高频正弦电流，该高频正弦电流经过互感线圈向原边功率线圈供电，使得原边谐振电容与原边功率线圈发生谐振，并在原边功率线圈上产生固定频率的高频电流，进而通过电磁感应引起副边功率线圈产生相同频率的感应电流，该感应电流经过整流电路后为车载电池充电。
3.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电闭环控制系统，其特征在于：所述差分电感线圈由两个接收线圈l1和l2组成，接收线圈l1和l2的一同名端相互连接，接收线圈l1和l2的另一同名端作为差分电感线圈的输出端口通过磁接口耦合的形式连接至AD采样电路；在移除副边功率线圈的情况下，接收线圈l1与原边功率线圈的互感为Mp1，接收线圈l2与原边功率线圈的互感为Mp2，且Mp1＝Mp2使得原边功率线圈在接收线圈l1和l2上产生的感应电压在差分电感线圈输出端口处相互抵消。
4.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电闭环控制系统，其特征在于：所述磁接口采用耦合电感或高频变压器实现，所述补偿电路采用半桥或全桥电路拓扑结构。
5.根据权利要求3所述的电动汽车无线充电闭环控制系统，其特征在于：所述副边功率线圈通过耦合使得差分电感线圈产生输出电压，该输出电压相量Uso的计算表达式如下：Uso＝I2·jω(Mr1-Mr2)
其中：I1为通电后原边功率线圈上的电流相量，I2为副边功率线圈上的感应电流相量，ω为通电后原边功率线圈上的电流角频率，j为虚数单位，M为原边功率线圈与副边功率线圈之间的互感，Mr1和Mr2分别为接收线圈l1和l2与副边功率线圈之间的互感且Mr1≠Mr2，RZ和LZ分别为副边功率线圈所连负载的阻抗和感抗。
6.根据权利要求3所述的电动汽车无线充电闭环控制系统，其特征在于：所述差分电感线圈的输出端口上并联有谐振电容，该谐振电容的电容值Cr＝1/ω2Ls，Ls为差分接收线圈的等效电感且Ls＝Ls1+Ls2-2Ms12；其中：Ls1和Ls2分别为接收线圈l1和l2的电感值，Ms12为接收线圈l1与l2的互感。
7.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电闭环控制系统，其特征在于：所述MCU通过AD采样电路获取差分电感线圈的输出电压，同时采集原边功率线圈上的电流，根据差分电感线圈输出电压计算出副边阻抗模值，并根据差分电感线圈输出电压与原边功率线圈电流的相位差实时计算出副边负载的阻抗比，进而控制补偿电路中开关器件的占空比，改变补偿电路在原边单元中的等效阻抗，从而调节原边输入阻抗，实现原副边阻抗匹配，实现功率最大化传输。
一种基于差分电感的电动汽车无线充电闭环控制系统
技术领域
[0001] 本发明属于电动汽车无线充电技术领域，具体涉及一种基于差分电感的电动汽车无线充电闭环控制系统。
背景技术
[0002] 随着化石能源危机和环境污染问题的不断加剧，电动汽车逐步替代传统燃油车的趋势也愈加明显，然而很多因素限制了电动汽车的进一步应用，例如电池体积大、价格高、续航时间短等。
[0003] 目前电动汽车普遍采用的插入式充电方式，但其存在接触口老化易出现电火花，输电线缆长度和拖曳阻碍限制了移动设备的灵活性，传输设备在高温高压等恶劣环境下耐受性差，维护成本高等问题。电动汽车想要大规模推广，需要采用一种新的充电方式；相比于传统的插入式充电系统，非接触式电能传输系统无需物理线路的连接，可以克服传统充电方法带来的易受电击、易受环境影响等不足，实现电能绿色、高效、安全地传输。
[0004] 目前实际应用的电动汽车无线充电技术主要为感应耦合型，即利用电磁感应原理，通过磁场在耦合线圈上产生的感应电动势来进行能量传导；一般原边功率线圈安装于地面传递能量，副边功率线圈安装于电动汽车底部接收能量。在实际应用中，需要原副边功率线圈和补偿网络工作于谐振点附近，并且要实现阻抗匹配，从而达到功率和传输效率的提高。然而，不同的待充电车辆和不同的停靠位置，会造成不同的副边电感和电路参数以及带来不同的原副边线圈的耦合情况，因此原副边的互感量是在不断变化的，这就要求位于原边和副边的谐振补偿电路需要提供不同的参数，以实时调节电路参数使得电路始终工作在谐振状态，这一问题给电动汽车无线充电技术的推广和商业应用带来了技术上的挑战。
[0005] 公开号为CN109256844A的中国专利提出了一种电动汽车无线充电电路和充电控制方法，该方法在无线充电的发送侧和接收侧都采用了全控型器件构成的全桥电路，并且通过在原副边分别设置一套控制系统来使得原副边变流电路的阻抗均可调节，以及采用UWB定位技术来保障充电时汽车线圈的偏移量不会太大；这样的方案需要在采用两套控制系统，以及保障两套系统的有效通信和同步，还需要添加UWB定位系统，增加了控制的复杂度和硬件的成本，且对于原副边电路失谐情况的补充能力有限。
发明内容
[0006] 鉴于上述，本发明提供了一种基于差分电感的电动汽车无线充电闭环控制系统，其采用了动态补偿网络的办法，经过闭环控制实现实时调节，从而实现阻抗匹配。
[0007] 一种基于差分电感的电动汽车无线充电闭环控制系统，包括放置于地面的原边单元和车载的副边单元；
[0008] 所述原边单元包括逆变电路、补偿电路、原边谐振电容、原边功率线圈、互感线圈、差分电感线圈、AD采样电路以及MCU；其中，逆变电路的直流侧接直流源，原边功率线圈的一端与逆变电路交流侧的一端相连，原边功率线圈的另一端与原边谐振电容的一端相连，补偿电路通过互感线圈耦合连接于逆变电路交流侧的另一端与原边谐振电容的另一端之间，差分电感线圈与AD采样电路通过磁接口耦合，MCU与AD采样电路、补偿电路以及逆变电路相连；
[0009] 所述副边单元包括副边功率线圈、副边谐振电容和整流电路，副边功率线圈与差分电感线圈以及原边功率线圈相互耦合；副边功率线圈的一端与副边谐振电容的一端相连，副边谐振电容的另一端与整流电路交流侧的一端相连，副边功率线圈的另一端与整流电路交流侧的另一端相连，整流电路的直流侧与车载电池连接。
[0010] 进一步地，所述逆变电路受MCU控制产生高频正弦电流，该高频正弦电流经过互感线圈向原边功率线圈供电，使得原边谐振电容与原边功率线圈发生谐振，并在原边功率线圈上产生固定频率的高频电流，进而通过电磁感应引起副边功率线圈产生相同频率的感应电流，该感应电流经过整流电路后为车载电池充电。
[0011] 进一步地，所述差分电感线圈由两个接收线圈l1和l2组成，接收线圈l1和l2的一同名端相互连接，接收线圈l1和l2的另一同名端作为差分电感线圈的输出端口通过磁接口耦合的形式连接至AD采样电路；在移除副边功率线圈的情况下，接收线圈l1与原边功率线圈的互感为Mp1，接收线圈l2与原边功率线圈的互感为Mp2，且Mp1＝Mp2使得原边功率线圈在接收线圈l1和l2上产生的感应电压在差分电感线圈输出端口处相互抵消。
[0012] 进一步地，所述磁接口采用耦合电感或高频变压器实现，所述补偿电路采用半桥或全桥电路拓扑结构。
[0013] 进一步地，所述副边功率线圈通过耦合使得差分电感线圈产生输出电压，该输出电压相量Uso的计算表达式如下：
[0014] Uso＝I2·jω(Mr1-Mr2)
[0015]
[0016] 其中：I1为通电后原边功率线圈上的电流相量，I2为副边功率线圈上的感应电流相量，ω为通电后原边功率线圈上的电流角频率，j为虚数单位，M为原边功率线圈与副边功率线圈之间的互感，Mr1和Mr2分别为接收线圈l1和l2与副边功率线圈之间的互感且Mr1≠Mr2，RZ和LZ分别为副边功率线圈所连负载(包括车载电池和副边整流电路在内的等效负载)的阻抗和感抗。
[0017] 优选地，所述差分电感线圈的输出端口上并联有谐振电容，该谐振电容的电容值2
Cr＝1/ωLs，Ls为差分接收线圈的等效电感且Ls＝Ls1+Ls2-2Ms12；其中：Ls1和Ls2分别为接收线圈l1和l2的电感值，Ms12为接收线圈l1与l2的互感。并联谐振电容能够提高差分电感线圈输出电压信号的幅度。
[0018] 进一步地，所述MCU通过AD采样电路获取差分电感线圈的输出电压，同时采集原边功率线圈上的电流，根据差分电感线圈输出电压计算出副边阻抗模值，并根据差分电感线圈输出电压与原边功率线圈电流的相位差实时计算出副边负载的阻抗比，进而控制补偿电路中开关器件的占空比，改变补偿电路在原边单元中的等效阻抗，从而调节原边输入阻抗，实现原副边阻抗匹配，实现功率最大化传输。
[0019] 本发明系统中差分电感线圈可以屏蔽原边功率线圈的干扰，对副边功率线圈的电流相量实现非接触式测量；MCU通过AD采样电路读取差分电感线圈的输出电压值和原边功率线圈的电流值，根据差分电感线圈输出电压幅值的变化可以计算副边阻抗模值的变化百分比，通过计算差分电感线圈输出电压和原边电流的相位差可以实时计算出副边负载的阻抗比。在被充电的电动汽车车辆本体发生变化或者同一辆车的位置变化时，无线充电系统负载的阻抗会发生变化，使得原副边阻抗不匹配，充电功率和效率受到影响而大大降低；此时，MCU通过检测到的差分电感线圈的输出电压和原边功率线圈的电流计算出副边阻抗模值和阻抗比的变化，控制原边补偿电路的开关器件的占空比变化，改变原边输入阻抗，实现原边与副边阻抗匹配，实现功率或效率最大化传输。
[0020] 本发明的有益技术效果在于：
[0021] 1.系统采用差分电感检测副边电流相量值，可以屏蔽原边功率线圈的影响，提高了反馈信号的准确性。
[0022] 2.系统采用相位差(即阻抗比)和阻抗模值为控制量，以补偿网络的桥式电路作为控制作用对象，可以在副边侧负载变化时，通过MCU控制补偿网络桥式电路的各个开关器件的占空比，改变补偿电路在原边功率电路中的等效阻抗，从而调节输入阻抗，与副边负载实现阻抗匹配，达到功率或效率最大化的控制目标。
附图说明
[0023] 图1为差分电感线圈的安装位置示意图。
[0024] 图2为差分电感线圈与原副边功率线圈的耦合关系示意图。
[0025] 图3为差分电感线圈与AD采样电路的耦合接口示意图。
[0026] 图4为本发明闭环控制系统的结构示意图。
具体实施方式
[0027] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0028] 如图4所示，本发明基于差分电感的电动汽车无线充电闭环控制系统，包括放置于地面的原边单元和车载的副边单元，原边单元包括原边逆变电路、补偿电路、原边谐振电容C1、原边功率线圈、差分电感线圈、AD采样电路以及MCU，差分电感线圈与AD采样电路通过磁接口耦合，补偿电路与原边功率线圈进线通过磁接口耦合；副边单元包括副边功率线圈、副边谐振电容C2和副边整流电路，副边功率线圈与位于原边的差分电感线圈和原边功率线圈磁耦合。
[0029] 原边逆变电路产生高频正弦电流，经过补偿电路耦合的电感后向原边功率线圈供电，原边谐振电容C1和原边功率线圈在工作频率下谐振，在原边功率线圈上产生固定频率、幅值较大的高频电流，并通过电磁感应引起副边功率线圈产生相同频率的高频感应电流，从而为电动汽车充电。
[0030] 如图2所示，差分电感线圈由接收线圈l1和l2两部分构成，接收线圈l1和l2的一组同名端相互连接，另一组同名端作为输出端口；假定原边功率线圈与接收线圈l1之间的互感为Mp1，原边功率线圈与接收线圈l2之间的互感为Mp2，接收线圈l1和接收线圈l2基于原边功率线圈镜像位置安装，如图1所示。在移除被测的副边功率线圈后，Mp1与Mp2相等，因此原边功率线圈在接收线圈l1和接收线圈l2上的感应电动势大小相等、相位相反，在输出端口处相互抵消，保证了原边功率线圈对差分电感的输出电压没有任何影响。这种放置方式同时保证了副边功率线圈与接收线圈l1和l2之间的互感Mr1和Mr2不相等，差分电感的输出电压可以反映出副边功率线圈电流的相位信息，差分电感的输出电压相位与原副边功率线圈电流相位的关系如下：
[0031]
[0032]
[0033]
[0034] 其中： 分别为原边电流、副边电流和差分电感输出电压的相位，R，X为副边回路的等效电阻和等效电抗；在检测到 和 之后，可以计算得到副边阻抗的阻抗比。
[0035] 如图3所示，差分电感线圈输出端口并联谐振电容后与耦合线圈原边相连，耦合线2
圈副边接AD采样电路，该谐振电容的电容值Cr＝1/ωLs，Ls为差分接收线圈的等效电感且Ls＝Ls1+Ls2-2Ms12；其中：Ls1和Ls2分别为接收线圈l1和l2的电感值，Ms12为接收线圈l1与l2的互感，并联谐振电容能够提高差分电感线圈输出电压信号的幅度。
[0036] 差分电感线圈、谐振电容、耦合线圈原边构成的串联回路通过谐振放大差分电感线圈输出的电压信号，耦合到副边后由AD采样电路采样，该输出电压相量Uso如下：
[0037] Uso＝I2·jω(Mr1-Mr2)
[0038]
[0039] 其中：I1为通电后原边功率线圈上的电流相量，I2为副边功率线圈上的感应电流相量，ω为通电后原边功率线圈上的电流角频率，j为虚数单位，M为原边功率线圈与副边功率线圈之间的互感，Mr1和Mr2分别为接收线圈l1和l2与副边功率线圈之间的互感且Mr1≠Mr2，RZ和LZ分别为副边功率线圈所连负载的阻抗和感抗。
[0040] 本发明闭环控制系统的给定参考值为某一固定的相角差值，反馈量为实时的副边回路电压与电流的相角差值(即计入原边反射阻抗后的副边等效阻抗的阻抗比)，给定值与反馈量的差值经过PI调节器的作用，与载波比较产生PWM信号，PI调节器与PWM信号的生成均由MCU软件编程实现。PWM信号经过隔离和驱动电路控制桥式电路的开关器件，使得桥式电路之后的LC网络在每个开关周期接入的占空比改变，从而改变了原边补偿网络的等效阻抗的模值和相角，调整了原边和副边的等效阻抗，使得原副边的等效LC值恢复到谐振点附近，实现自动调谐的功能，从而提高了传输功率和传输效率。
[0041] 上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
