一種適用于電動汽車的非接觸供電裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種適用于電動汽車的非接觸供電裝置，包括直流電源UH、全控橋式變換器、非接觸變壓器、副邊變換器、濾波電路、BOOST升壓電路、充電投切裝置、車載蓄電池Ubat、原邊控制器和副邊控制器。正向傳輸狀態(tài)，市電經過功率因數校正電路得到直流電，向車載蓄電池充電，太陽能電池也向車載蓄電池充電；反向傳輸狀態(tài)，太陽能電池向電源側返供電能，既節(jié)省了成本，又減小了體積和重量。在正向供電模式下使用極限環(huán)理論或Poincaré截面判斷全控橋式變換器的開關管S1~S6是否工作在軟開關狀態(tài)。在雨雪天氣，不需要插頭，安全性能較好。正向充電模式下使用三個非接觸變壓器，傳輸功率的范圍更大，本實用新型效率的最佳狀態(tài)可超過94%。
【專利說明】
一種適用于電動汽車的非接觸供電裝置
技術領域
[0001] 本實用新型涉及非接觸供電及自動控制的技術領域，具體涉及一種適用于電動汽 車的非接觸供電裝置。
【背景技術】
[0002] 電動汽車傳統(tǒng)的供電方式下，其充電管理是一個耗費心力的事情，充電前需要用 供電線纜將充電粧與汽車相連，如果忘記連接供電線纜，則影響下次出行。尤其是在雨雪天 氣，室外供電線纜的插頭潮濕，連接供電線纜還要冒著被電擊的危險。
[0003] 與此相比，非接觸充電技術的優(yōu)越性是顯而易見的。在停車位的地面下安裝供電 線圈，非接觸充電電路能夠根據無線反饋情況，自動確定是否向安裝在汽車底盤上的受電 線圈提供電能并向汽車電池充電。
[0004] 目前世界上有許多科研機構對電動汽車非接觸充電系統(tǒng)進行研究。電動汽車充電 系統(tǒng)將一組受電線圈裝置安裝在汽車的底盤上，將另一組供電線圈裝置安裝在地面，當電 動汽車停在停車位的供電線圈裝置上方時，供電線圈啟動供電，向受電線圈提供能量，對電 動汽車的蓄電池充電，充電完成后切斷供電線圈電源。
[0005] 已有學者分析了原、副邊線圈位置不對正的磁路原理。電動汽車非接觸充電技術 的前提是在停車過程中原、副邊線圈位置需要完全對正。眾所周知，線圈不對正會大幅影響 充電效率和傳輸功率，而電動汽車充電功率大，采用線圈自動移動位置對正的方法更經濟 合理。當電動汽車停在充電線圈上的車位時，非接觸供電系統(tǒng)的原、副邊線圈相對放置由自 動對正調節(jié)系統(tǒng)調節(jié)到水平方向X軸和y軸完全對正，且垂直方向也調整到相對距離最佳的 狀態(tài)。圖1為包括原、副邊線圈的供電線圈沿x、y、z三個坐標軸移動的示意圖。由于只考慮 原、副邊線圈位置完全對正的情況，開發(fā)非接觸充電系統(tǒng)的思路更清晰。
[0006] 電動汽車已為許多家庭所擁有，中國家庭常用的是單相電源，需要高效率的單相 非接觸充電系統(tǒng)。對正功能的水平移動裝置不是本實用新型闡述的內容。本實用新型的內 容是:調整線圈垂直方向的相對距離以改變非接觸變壓器的耦合系數，使原邊線圈和副邊 線圈達到諧振狀態(tài)，提出了依據混沌理論判斷效率達到最大值的依據。 【實用新型內容】
[0007] 為了解決上述技術問題，本實用新型提供了一種適用于電動汽車的非接觸供電裝 置，該系統(tǒng)采用正向供電電路與反向供電電路相結合的方法構建出來，正向傳輸狀態(tài)下，市 電經過功率因數校正電路得到310V直流電，由非接觸供電系統(tǒng)向蓄電池充電，太陽能電池 也可以向蓄電池充電;反向傳輸狀態(tài)下，太陽能電池向市電返供電能。
[0008] 為了達到上述目的，本實用新型的技術方案是：一種適用于電動汽車的非接觸供 電裝置，其特征在于，包括直流電源ft、全控橋式變換器、非接觸變壓器、副邊變換器、濾波 電路、BOOST升壓電路、充電投切裝置、車載蓄電池 ftat、原邊控制器和副邊控制器，所述直流 電源ft與電容CH相連接，全控橋式變換器與電容ft并聯連接，全控橋式變換器通過諧振電路 與非接觸變壓器相連接，非接觸變壓器分別與副邊變換器相連接，副邊變換器通過濾波電 路與BOOST升壓電路相連接，BOOST升壓電路與車載蓄電池 ftat并聯連接，車載蓄電池 ftat與 充電投切裝置串聯連接;所述原邊控制器與電源電壓檢測模塊、電源電流檢測模塊、原邊線 圈電壓檢測模塊、原邊驅動電路相連接，電源電壓檢測模塊和電源電流檢測模塊設置在直 流電源洗上，原邊驅動電路與全控橋式變換器相連接，原邊控制器通過無線通信與副邊控 制器相連接;所述副邊控制器與副邊線圈電流檢測模塊、副邊驅動電路、BOOST升壓電路、太 陽能電池電流檢測模塊、負載電流檢測模塊、負載電壓檢測模塊、充電投切裝置相連接，副 邊驅動電路與副邊變換器相連接，太陽能電池電流檢測模塊與BOOST升壓電路相連接，負載 電流檢測模塊、負載電壓檢測模塊與車載蓄電池相連接。
[0009] 所述全控橋式變換器包括二極管Di~D6，二極管Di~D6上分別反并聯有開關管Si~S6， 開關管Sl~S6均與原邊驅動電路相連接;所述非接觸變壓器包括第一非接觸變壓器、第二非 接觸變壓器和第三非接觸變壓器，副邊變換器包括第一副邊變換器、第二副邊變換器和第 三副邊變換器，第一非接觸變壓器、第二非接觸變壓器和第三非接觸變壓器的原邊線圈均 與全控橋式變換器相連接，第一非接觸變壓器的副邊線圈與第一副邊變換器相連接，第二 非接觸變壓器的副邊線圈與第二副邊變換器，第三非接觸變壓器的副邊線圈與第三副邊變 換器相連接，第一副邊變換器、第二副邊變換器和第三副邊變換器并聯連接后與濾波電路 相連接。
[0010] 所述第一副邊變換器包括橋式連接的二極管D7、二極管D8和電容G、電容C2,二極 管D7上反并聯有開關管S7,二極管D8上反并聯有開關管S8,開關管S7和開關管S8均與副邊驅 動電路相連接;所述第二副邊變換器包括橋式連接的二極管D9、二極管D 1Q和電容C3、電容C4 ; 第三副邊變換器包括橋式連接的二極管Dn、二極管D12和電容電容G、電容ft。
[0011] 所述第一非接觸變壓器、第二非接觸變壓器和第三非接觸變壓器的原邊線圈為三 角形連接。
[0012] 所述BOOST升壓電路包括開關管Sl3、電感Zl3、二極管Dl3和二極管Dl4,電感Zl3與太 陽能電池串聯連接后與二極管D13并聯連接，二極管D13上反并聯有開關管S13,太陽能電池、 電感Z 13、二極管D13構成的串并聯電路與二極管Dw串聯連接，開關管S13與副邊驅動電路相連 接。
[0013] 所述車載蓄電池 ftat和充電投切裝置串聯后的兩端并聯有電動機#【，電動機履與 開關K串聯連接，充電投切裝置上反并聯有二極管A 5。
[0014] 本實用新型的有益效果:首先，該系統(tǒng)具有雙向供電功能，控制器和大多數元器件 既可以在正向供電模式工作，也可以在反向供電模式工作。這樣的電路高效實用，既節(jié)省了 成本，又減小了的體積和重量。對于安裝太陽能電池的電動汽車，該系統(tǒng)可由非接觸充電粧 與車載太陽能電池同時或單獨對車載蓄電池充電，也可在汽車行駛途中由太陽能電池與電 動汽車蓄電池同時或單獨對電動機智能供電。當太陽能富余時，還可向市電電網返供。在雨 雪天氣，室外非接觸充電系統(tǒng)不需要插頭，其安全性能優(yōu)于需要線纜的充電粧。此外，該系 統(tǒng)正向充電模式下使用三個非接觸變壓器，比單個非接觸變壓器傳輸的功率范圍更大。本 實用新型的電路系統(tǒng)，其效率的最佳狀態(tài)可超過94%。
【附圖說明】
[0015]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例 或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅 是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提 下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0016]圖1為供電線圈移動不意圖。
[0017] 圖2為本實用新型的電路原理圖。
[0018] 圖3為本實用新型正向充電模式下全控橋式變換器的電流仿真波形。
[0019] 圖4為本實用新型反向供電模式下非接觸變壓器第一個導通階段的等效電路。
[0020] 圖5為本實用新型反向供電模式下非接觸變壓器第二導通階段的等效電路
[0021] 圖6為本實用新型的五階等效電路。
[0022]圖7為本實用新型的等效非線性元件Afe的伏安特性。
[0023]圖8為本實用新型的正向充電模式下的非接觸供電原邊線圈與副邊線圈相對距離 為lcm時，原邊線圈電壓與副邊線圈電流的時域波形圖。
[0024]圖9為本實用新型的正向充電模式下的非接觸供電原邊線圈與副邊線圈相對距離 為lcm時，原邊線圈電壓與副邊線圈電流的相圖。
[0025]圖10為本實用新型的正向充電模式下的非接觸供電原邊線圈與副邊線圈相對距 離為3cm時，原邊線圈電壓與副邊線圈電流的時域波形圖。
[0026]圖11為本實用新型的正向充電模式下的非接觸供電原邊線圈與副邊線圈相對距 離為3cm時，原邊線圈電壓與副邊線圈電流的相圖。
[0027] 圖12為本實用新型的反向供電硬開關條件下第一非接觸變壓器的原邊線圈與副 邊線圈的時域波形。
[0028] 圖13為本實用新型的反向供電軟開關條件下第一非接觸變壓器的原邊線圈與副 邊線圈的時域波形。
[0029] 圖14為本實用新型的反向供電硬開關條件下第一非接觸變壓器的原邊線圈的電 壓與副邊線圈的電流的相圖。
[0030] 圖15為本實用新型的反向供電軟開關條件下第一非接觸變壓器的原邊線圈的電 壓與副邊線圈的電流的相圖。
[0031] 圖16為本實用新型正向充電模式下的實驗結果。
【具體實施方式】
[0032] 下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行 清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的 實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動前提下 所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0033] 一種適用于電動汽車的非接觸供電裝置，如圖2所示，包括直流電源ft、全控橋式 變換器1、非接觸變壓器、副邊變換器、濾波電路7、BOOST升壓電路6、充電投切裝置4、車載蓄 電池 ttat、原邊控制器和副邊控制器。直流電源ft是市電經過功率因數校正電路得到的310V 直流電，功率因數校正電路不在本實用新型的范圍內。直流電源ft與電容a相連接，電容cH 起到濾除的直流電源ft的諧波的作用，全控橋式變換器1與電容a并聯連接。全控橋式變換 器1通過諧振電路與非接觸變壓器相連接，非接觸變壓器分別與副邊變換器相連接，副邊變 換器通過濾波電路7與BOOST升壓電路6相連接，BOOST升壓電路6與車載蓄電池 ftat并聯連 接，車載蓄電池 ttat與充電投切裝置4串聯連接。原邊控制器與電源電壓檢測模塊、電源電流 檢測模塊、原邊線圈電壓檢測模塊、原邊驅動電路相連接，電源電壓檢測模塊和電源電流檢 測模塊設置在直流電源上，原邊驅動電路與全控橋式變換器1相連接，原邊控制器通過無 線通信與副邊控制器相連接。副邊控制器與副邊線圈電流檢測模塊、副邊驅動電路、BOOST 升壓電路6、太陽能電池電流檢測模塊、負載電流檢測模塊、負載電壓檢測模塊、充電投切裝 置4相連接，副邊驅動電路與副邊變換器相連接，太陽能電池電流檢測模塊與BOOST升壓電 路6相連接，負載電流檢測模塊、負載電壓檢測模塊與車載蓄電池相連接。
[0034]全控橋式變換器1包括二極管Di~D6,二極管Di~D6上分別反并聯有開關管Si~S6。二 極管Di和二極管D2串聯，二極管D3和二極管D4串聯，二極管Ds和二極管D 6串聯，然后3個支路 并聯連接。開關管Sl~S6構成全控橋式變換器電路，正向充電時，全控橋式變換器1所包含的 開關管SrS 6交替斬波，其中互錯120°，即分別為0°、120°、120°義與&交替斬波，互 錯180°。反向供電時，二極管Di~D4(開關管Si~S4完全斷開不工作)或開關管Si~S4(二極管Di~ D4與SrS4等效成BOOST電路，其他兩個開關管S5、S6完全斷開不工作)整流。開關管SrS 6均與 原邊驅動電路相連接，原邊控制器通過原邊驅動電路控制開關管SpS6的工作狀態(tài)，從而控 制全控橋式變換器1的輸出功率。
[0035]非接觸變壓器包括第一非接觸變壓器21、第二非接觸變壓器22和第三非接觸變壓 器23,副邊變換器包括第一副邊變換器31、第二副邊變換器32和第三副邊變換器33。第一非 接觸變壓器21、第二非接觸變壓器22和第三非接觸變壓器23的原邊線圈均與全控橋式變換 器1相連接，第一非接觸變壓器21的副邊線圈與第一副邊變換器31相連接，第二非接觸變壓 器22的副邊線圈與第二副邊變換器32相連接，第三非接觸變壓器23的副邊線圈與第三副邊 變換器33相連接。第一非接觸變壓器21包括原邊線圈Z P1和副邊線圈ZS1，第二非接觸變壓器 22包括原邊線圈ZP2和副邊線圈Z S2,第三非接觸變壓器23包括原邊線圈ZP3和副邊線圈ZS3。第 一非接觸變壓器21、第二非接觸變壓器22和第三非接觸變壓器23的原邊線圈為三角形接 線，原邊線圈的三角形接線比星形接線的帶負載能力強。
[0036]原邊線圈Zpi通過電感Zi和電容tti組成的諧振電路與全控橋式變換器1的二極管Di 和二極管D2的中間點相連接。原邊線圈ZP2通過電感Z2和電容0>2組成的諧振電路與全控橋式 變換器1的二極管D3和二極管D4的中間點相連接。原邊線圈ZP3通過電感Z3和電容CP3組成的 諧振電路與全控橋式變換器1的二極管他和二極管D 6的中間點相連接。原邊線圈ZP1、原邊線 圈辦2和原邊線圈ZP3首尾相連構成三角形接線，電容C P1并聯在ZP1兩端、電容CP2并聯在ZP2兩 端、電容并聯在辦3兩端。第一非接觸變壓器21的副邊線圈/^通過電容&與第一副邊變換 器31相連接，第二非接觸變壓器22的副邊線圈Z S2通過電容CS2與第二副邊變換器32相連接， 第三非接觸變壓器23的副邊線圈ZS3通過電容C S3與第三副邊變換器33相連接。第一副邊變 換器31、第二副邊變換器32和第三副邊變換器33并聯連接后與濾波電路7相連接。電容C S2、 電容fe、電容CS3與副邊線圈ZS1、副邊線圈ZS2、副邊線圈Z S3并聯具有分別補償第一非接觸變 壓器21、第二非接觸變壓器22和第三非接觸變壓器23功率因數的作用。
[0037]第一副邊變換器31包括橋式連接的二極管D7、二極管Ds和電容G、電容C2,二極管D7 上反并聯有開關管S7,二極管D8上反并聯有開關管S8,開關管S7和開關管S8均與副邊驅動電 路相連接。副邊控制器通過副邊驅動電路可以控制開關管S7和開關管S8工作在軟開關狀態(tài) 或硬開關狀態(tài)。第二副邊變換器32包括橋式連接的二極管D9、二極管D1Q和電容C3、電容C4。第 三副邊變換器33包括橋式連接的二極管Dn、二極管D 12和電容電容G、電容ft。
[0038] 濾波電路7與BOOST升壓電路6相連接，濾波電路7包括電感ZD和電容0)，電感ZD與第 一副邊變換器31、第二副邊變換器32和第三副邊變換器33并聯后的電路串聯，電容CD與電 感辦并聯連接，實現供電電流的濾波。BOOST升壓電路6與車載蓄電池 ftat并聯連接，車載蓄 電池 ttat與充電投切裝置4串聯連接，充電投切裝置4用于是否向車載蓄電池 ttat的充電。
[0039] BOOST升壓電路6包括開關管Si3、電感Zi3、二極管Di3和二極管Di4。太陽能電池5與電 感心3串聯連接后與二極管D 13并聯連接，二極管D13上反并聯有開關管S13，太陽能電池5、電感 心 3、二極管D13構成的串并聯電路與二極管D14串聯連接。開關管S13與副邊控制器相連接，副 邊控制器控制開關管S 13的導通與關斷。其工作原理如下：當開關管S13導通時，電感Z13存儲 太陽能電池5的能量，當開關管Si3斷開時，電感Zi3與太陽能電池5-起釋放能量，其疊加的 輸出電壓高于太陽能電池5的電壓，該電能經二極管D 14向外部電路釋放。如此反復循環(huán)，構 成BOOST升壓電路6 300ST升壓電路6僅在太陽能電池5反向供電的狀態(tài)下工作。正常狀態(tài)下 二極管D13兩端沒有電流流過，在特殊情況下，當出現反向瞬時沖擊電壓時，二極管D 13和二 極管D14同時導通起到釋放反向瞬時電壓的作用。
[0040] 車載蓄電池 ftat和充電投切裝置4串聯后的兩端并聯有電動機規(guī)，電動機規(guī)與開關 K串聯連接，開關K控制電動機規(guī)的工作與否。充電投切裝置4上反并聯有二極管D15，用于抑 制充電投切裝置4的反向沖擊電壓。
[00411正向充電的工作過程為：市電經過功率因數校正電路(功率因數校正電路不在本 實用新型的范圍內）得到310V直流電，由全控橋式變換器1斬波控制開關管SpS6得到三相高 頻交流電，經三路諧振電路分別輸出到第一非接觸變壓器21、第二非接觸變壓器22和第三 非接觸變壓器23,第一非接觸變壓器21、第二非接觸變壓器22和第三非接觸變壓器23的副 邊線圈均通過電磁耦合得到三相高頻交流電，對該交流電分別用第一副邊變換器31、第二 副邊變換器32和第三副邊變換器33進行整流。第一副邊變換器31、第二副邊變換器32和第 三副邊變換器33整流后經濾波電路7向車載蓄電池 ttat和電動機規(guī)供電。其中第一副邊變換 器31工作在不控整流模式，開關管S7~S 8不工作。副邊線圈電流檢測模塊檢測第一非接觸變 壓器21、第二非接觸變壓器22和第三非接觸變壓器23的副邊線圈電流i LS1、iLS2、iLS3，負載電 壓檢測模塊和負載電流檢測模塊分別檢測負載側的電壓ft和負載側的電流A，副邊控制器 將上述三個模塊檢測到的數據傳送至原邊控制器。原邊線圈電壓檢測模塊檢測原邊線圈的 電壓ULP1、財2、ULP3，電源電壓檢測模塊和電源電流檢測模塊分別檢測直流電源側的電壓ft 和直流電源側的電流iH，原邊控制器根據輸入端電源側的電流電壓和輸出段負載側的電流 電壓的值判斷輸出功率是否偏離期望值，通過原邊驅動電路調節(jié)開關管Si~S 6的斬波占空 比，實現輸出功率大小的調節(jié)。第一非接觸變壓器21的電流iLS1與電壓a P1、第二非接觸變壓 器22的電流iLS2與電壓ULP2、第三非接觸變壓器23的電流iLS3與電壓ULP3分別構成相應的對應 相圖關系。原邊控制器分別對這三個相圖關系應用極限環(huán)理論判斷開關管Si~S 6是否工作于 軟開關狀態(tài)?；蛘咄ㄟ^對這三個相圖關系應用Poincare截面來確定電路是否處于軟開關狀 態(tài)。當電路處于硬開關狀態(tài)時，在固定頻率的條件下，通過調節(jié)第一非接觸變壓器21、第二 非接觸變壓器22和第三非接觸變壓器23的原邊線圈與副邊線圈的相對距離以改變非接觸 變壓器的耦合系數，直到開關管SpS6進入軟開關狀態(tài)后再停止這種調節(jié)過程，使開關管Sp S6穩(wěn)定的處于軟開關狀態(tài)下運行。該控制方法適用于對電動汽車等移動負載的非接觸充 電。
[0042] 濾波電感zD、濾波電容a、車載蓄電池 ttat和電動機履(通常情況下，充電過程中，電 動機不工作)合起來等效為負載你。為了適應負載的功率變化，采用無線反饋方式調節(jié)輸出 能量。負載電流檢測模塊檢測負載你的電壓ft，負載電壓檢測模塊檢測負載你的電流iL，gij 邊控制器將檢測到的電壓和電流信號轉換為數字信號，通過無線通信將信號傳遞到原邊控 制器。由于采用非接觸變壓器線圈自動對正技術，且其相對距離也調整到最佳位置。開關管 SrS6的占空比相同，開關管&與開關管S4、開關管&與開關管&、開關管S 3與開關管S6的開通 時間互錯180°。開關管Si、開關管S3、開關管&的開通時間互錯120°。原邊控制器采用固定頻 率統(tǒng)一調節(jié)開關管Si~S 6占空比，使控制策略得到較顯著的簡化。通過混沌技術判斷開關管 Si~S6的開關損耗保持在較低水平的同時，選擇合適的頻率和合適的電路參數使非接觸變壓 器也處于諧振狀態(tài)，改變開關管SpS 6的占空比調節(jié)輸出功率。本實用新型正向充電模式下 全控橋式變換器的電流仿真波形如圖3所示。其中：電流icH是電容Ch的電流波形；電流isi~ is6分別是開關管Sl~S6的電流波形。
[0043] 反向供電的工作過程為：當太陽能電池5的電量富余時，太陽能電池5將太陽能轉 化為電能，經BOOST升壓電路6、濾波電路7向第一副邊變換器31供電。第一副邊變換器31構 成半橋變換器，其中的開關管S7和開關管S 8將太陽能電池5產生的直流電斬波得到單相高頻 交流電，經過第一非接觸變壓器21(其余非接觸變壓器不工作)傳輸能量到原邊線圈Z P1，然 后經二極管Dl~D4(開關管Sl~S4完全斷開不工作)或開關管Sl~S4(二極管Dl~D4與Sl~S4等效成 BOOST電路，其他兩個開關管S5、S6完全斷開不工作)整流轉換成直流電傳送至直流電源ft。 副邊線圈電流檢測模塊、太陽能電流檢測模塊分別檢測副邊線圈h的電流信號il S1、太陽能 電池的電流信號isun，并傳送至副邊控制器，副邊控制器用工無線通信將太陽能電池5的電 流信號i LS1傳送至原邊控制器。原邊控制器將原邊線圈電壓檢測模塊、電源電壓檢測模塊和 電源電流檢測模塊分別檢測到的原邊線圈h的電壓t/L P1、直流電源側的電壓ft和直流電源 側的電流A傳送至副邊控制器。副邊控制器通過副邊驅動電路調節(jié)開關管S 13的斬波占空比 實現對負載的電壓ft的調節(jié);通過副邊驅動電路調節(jié)第一副邊變換器31的開關管S7、S 8的斬 波占空比實現輸出功率大小的調節(jié)。原邊線圈辦1的電流iLSl與電壓ULP1構成相應的相圖關 系，原邊控制器對這相圖關系應用極限環(huán)理論判斷電路的開關管S 7和開關管S8是否工作于 軟開關狀態(tài);或者通過對相圖關系應用Poincare截面來確定開關管S 7和開關管S8是否處于 軟開關狀態(tài)。當開關管S7和開關管S8處于硬開關狀態(tài)時，在固定頻率的條件下，通過調節(jié)第 一非接觸變壓器21的原邊線圈與副邊線圈的相對距離改變第一非接觸變壓器21的耦合系 數，直到開關管S 7和開關管S8進入軟開關狀態(tài)后再停止這種調節(jié)過程，使開關管S7和開關管 S8電路穩(wěn)定的處于軟開關狀態(tài)下運行。該控制方法適用于太陽能電池對電源側的非接觸供 電。
[0044] 本實用新型具有雙向供電功能，控制器和大多數元器件既可以在正向供電模式工 作，也可以在反向供電模式工作。這樣的電路高效實用，既節(jié)省了成本，又減小了的體積和 重量。
[0045]為了減少傳遞過程中的能量損失，反向工作模式下第二非接觸變壓器32和第三路 非接觸變壓器33處于不工作的狀態(tài)。太陽能電池5的能量由BOOST升壓電路6經濾波電路7的 濾波電感辦、濾波電容ft濾波，第一個導通階段如圖4所不，由開關管S7、副邊線圈Zsi、電容(2 到B00ST升壓電路6的負極，并向電容C 2充電。第二個導通階段如圖5所示，太陽能電池5的能 量由BOOST升壓電路6經濾波電路7的濾波電感ZD、濾波電容Cd濾波，經電容G、副邊線圈Z S1、 開關管S8到BOOST升壓電路的負極，并向電容G充電。在兩個導通階段之間分別由二極管D7 和二極管D8續(xù)流。第一負邊變換器31組成的半橋變換器電路的開關管S7~S8將直流電斬波得 到單相高頻交流電，經過第一非接觸變壓器21的副邊線圈Z S1和原邊線圈ZP1傳輸能量到直 流電源側。原邊控制器和副邊控制器選用ARM微處理器(STM32F103)，采用電壓電流雙閉環(huán) 無線反饋方式穩(wěn)定輸出電壓。
[0046]在非接觸電路中，非線性與混沌現象在具有普遍性，研究發(fā)現特定端口的混沌現 象得到抑制，可以使電路的效率明顯提高。在電路中，原邊線圈ZP1、副邊線圈構成第一非 接觸變壓器21，原邊線圈辦 2、副邊線圈ZS2構成第二非接觸變壓器22,原邊線圈辦3、副邊線圈 構成第三非接觸變壓器23,本實用新型只考慮三個非接觸變壓器參數完全均衡的情況， 因而可以通過分析其中一路非接觸變壓器的狀態(tài)判斷三路非接觸變壓器的全部狀態(tài)。 [0047]為了分析電路的原理，首先闡述第一非接觸變壓器21及其關聯的電路(第二非接 觸變壓器22和第三非接觸變壓器23及其關聯的電路也具有相同的工作原理）。將全控橋式 變換器1之前的所有電路等效為一個非線性元件Ah;將副邊電路的整流器件之后的所有負 載電路等效為一個非線性元件Afe，得到一個五階電路如圖6所示。
[0048]依據圖7得到的等效電路推導出狀態(tài)方程：
[0050]對于這樣的五階電路，我們需要描述非線性元件Afe的伏安特性。通過仿真與實驗 得出：當開關管Si~S4處于軟開關狀態(tài)時，負載飛2的伏安特性為一個環(huán)形，如圖7所示。經過 大量實驗、仿真與理論分析發(fā)現，當電路中的關鍵參數改變時，電路的效率、帶負載能力等 重要指標會隨之而變化;特定端口的混沌現象得到抑制，可以使電路的效率明顯提高。其中 一個重要發(fā)現是當電路的開關頻率及元件參數固定時，非接觸供電線圈的相對距離(耦合 系數幻變化會改變電路的傳輸效率。這一距離過近或過遠均會使電路效率降低，只有該距 離恰好合適的時候（即在頻率固定的情況下，耦合系數女為某一個固定值，且隨著頻率改變 而改變），開關管Si~S 4才能工作在軟開關狀態(tài)。且該條件下的電路對于負載變化具有較好的 魯棒性。
[0051]理論上說，選擇恰當的參數，可以使電路的傳輸功率處于匹配狀態(tài)，電路的傳輸功 率達到最大值。但是這與傳輸效率達到最大值有所不同，同一個電路傳輸效率達到最大值 的時候，其傳輸功率的能力可能相對較小。
[0052]本實用新型的電路如果工作在混沌狀態(tài)，對應于電路的開關管工作在硬開關狀 態(tài)，為了防止電路損壞，本實用新型的電路對應的混沌現象與混沌控制的實驗，其供電電壓 為24V，工作頻率為45kHz，圖7為正向充電模式下的電路實驗波形。圖8與圖9分別為非接觸 供電原邊線圈與副邊線圈相對距離為1 cm時，原邊線圈的電壓t/LP1與副邊線圈的電流iLSl的 時域波形圖與相圖，由此得到該電路處于硬開關狀態(tài)，該電路的測試效率為79%(不考慮輔 助電源功耗）。圖10與圖11分別為非接觸供電原邊線圈與副邊線圈相對距離為3cm時，原邊 線圈的電壓api與副邊線圈的電流iLsi的時域波形圖與相圖，該電路的測試效率為89%(不考 慮輔助電源功耗）。由圖8-11可以看出，開關管SpS 4頻率一定時，只有線圈的相對距離(耦合 系數幻合適才能得到最大傳輸效率。隨著非接觸供電電路的原邊線圈與副邊線圈的相對距 離增大或減小，電路的傳輸效率均會減小。
[0053]圖12為硬開關條件下第一非接觸變壓器21的原邊線圈與副邊線圈的相圖，第一非 接觸變壓器21的原邊線圈ZP1和副邊線圈ZS1之間的距離為lcm。由對應的仿真結果可知，其 流形為不穩(wěn)定流形。不穩(wěn)定流形暗示著電路處于硬開關工作狀態(tài)，該狀態(tài)下開關器件功耗 較大，發(fā)熱嚴重。
[0054]圖13為軟開關條件下第一非接觸變壓器21的原邊線圈與副邊線圈的相圖，非接觸 變壓器的原邊線圈ZP1和副邊線圈ZS1之間的距離為3cm。由對應的仿真結果可知，其流形為 穩(wěn)定的極限環(huán)。依據極限環(huán)的定義，當極限環(huán)內部或外部的軌線在時，均趨近于極限 環(huán)。穩(wěn)定的極限環(huán)暗示著電路處于軟開關工作狀態(tài)，該狀態(tài)下開關器件功耗較小，發(fā)熱量 低；而偏離極限環(huán)則意味著電路處于硬開關工作狀態(tài)。當相圖平面的軌線(流形)在外界干 擾偏離極限環(huán)時，通過反饋系統(tǒng)的作用可以自動回到極限環(huán)區(qū)域，則該極限環(huán)是一個穩(wěn)定 的極限環(huán)。
[0055]圖14和圖15分別是通過Poincarg截面得到第一非接觸變壓器21的原邊線圈的電 壓aP1與副邊線圈的電流iLS1的時域波形圖與相圖。可以直觀地看出，實驗得到的圖12的流 形與仿真得到的圖14的流形是拓撲等價的。同理圖13與圖15的流形也是拓撲等價的。由于 Pspice仿真用的所有元件均是集總元件，而實驗電路存在分布參數，兩者得到的圖形有一 些偏差，但是其流形存在一種映射關系。簡單的說可以通過一種映射變換使它們相互轉化。 [0056]原邊控制器利用極限環(huán)理論判斷開關管S^S 6是否工作于軟開關狀態(tài)的方法是:在 開關管S^S4工作在軟開關下的第一非接觸變壓器21的原邊線圈電壓^/^^與副邊線圈電流 iLS1的相圖中選取I、n、m、iv、v、vi、w、珊八條直線，八條直線圍成的環(huán)形區(qū)域能包含極 限環(huán)的全部運行范圍；四條直線I、n、m、iv互相平行，四條直線v、vi、w、珊互相平行，八 條直線的表達式分別為：
[0057] I： UL?i - ki ? iLsi+mi
[0058] II ： ul?i - ki ? iLsi+m2
[0059] HI ： ulpi - ki ? iLsi+m3
[0060] IV ： ulpi - ki ? iLsi+m4
[0061 ] V ： ulpi - h * iLsi+ms
[0062] VI ： ulpi - ki * iLsi+m6
[0063] VH ： ulpi = ki ? iLsi+m7
[0064] VI ： t/LPi = h iLsi+ms
[0065]其中，比例系數為々i、fe，mi~ms為常數項;根據實時獲取的原邊線圈電壓api與副邊 線圈電流iLS1的峰值大小，由原邊控制器按原邊線圈的電壓t/LP1與副邊線圈的電流九 51的峰 值取一定的比例設定比例系數如、和常數項nu~m8的大小得到8條直線卜珊。如圖13所示， 當原邊線圈的電壓ULP1與副邊線圈的電流ilSl 1的流形(通過實時采集電壓ULP1與電流iisil的 信號值，得到的電壓t/LP1與電流iLsn的相圖，相圖中的曲線可以稱之為流形）的任意一點或 一部分均落在直線n、m、vi、w包圍的四邊形以外，且落在直線I、iv、v、珊包圍的四邊形 以內時，可以判定全控橋式變換器1的開關管Si~S 4工作在軟開關狀態(tài)。如圖12所示，當原邊 線圈的電壓t/LPi與副邊線圈的電流iLsn的流形有任意一點或一部分落在直線n、m、VI、VII 包圍的四邊形以內時，或者落在直線I、IV、v、VI包圍的四邊形以外時，可以判定全控橋式 變換器1的開關管Sl~S4工作在硬開關狀態(tài)。
[0066] 原邊控制器利用Poincare截面判斷開關管SpS4是否工作于軟開關狀態(tài)的方法是： 用無量綱變量x表示原邊線圈的電壓t/LPi，用y表示副邊線圈的電流iisi，在Poincai^截面的 相圖中取不切線：
[0067] 2-f {k., y}；B ；S：：3： j >x： s-
[0068] 式中，R2表示二維實數空間，x、y表示橫坐標與縱坐標。通過Poincarg截面判斷極 限環(huán)的穩(wěn)定性可以輕而易舉的用ARM芯片(本電路使用STM32)編程實現。
[0069]原邊控制器依據不切線2,參考圖15中的流形，當副邊線圈的電流iLS1過零時，原 邊線圈的電壓aP1接近于峰值(至少大于0.9倍峰值），且在一個電路周期之內副邊線圈的電 流九51過零兩次，兩次檢測到對應的原邊線圈的電壓a P1，原邊控制器判定全控橋式變換器1 的開關管SpS4工作在軟開關狀態(tài);如果在一個電路周期之內副邊線圈的電流九 51過零次數 多余或少于兩次，或者當副邊線圈的電流iLS1過零時^^沒有接近于峰值(小于0.9倍峰值）， 原邊控制器判定全控橋式變換器1的開關管S^S 4工作在硬開關狀態(tài)。
[0070] 圖13和圖15是當開關管S^S4進入軟開關狀態(tài)時原邊線圈的電壓aP1與負邊線圈的 電流iLsn的相圖，利用軟開關狀態(tài)的相圖判斷開關管SpS 4是否處于軟開關狀態(tài)，用于非接 觸供電起始階段時對非接觸變壓器的原邊線圈ZP1和副邊線圈Z S1之間的距離和相對水平位 置的調節(jié)。經過大量實驗分析發(fā)現，當電路的開關頻率及元件參數固定時，非接觸供電線圈 的相對距離和相對水平位置(耦合系數幻變化會改變電路的傳輸效率。其中一個重要發(fā)現 是這一距離過近或過遠均會使電路效率降低，只有該距離恰好合適的時（即在頻率固定的 情況下，耦合系數1為某一個固定值，且隨著頻率改變而改變)開關管SpS 4才能工作在軟開 關狀態(tài)。且該條件下的電路對于負載變化具有較好的魯棒性。當電路中的負載大小改變時， 電路的效率變化較小;特定端口的混沌現象得到抑制，可以使電路的效率明顯提高。用混沌 方法判斷一次開關管SpS 4是否進入軟開關狀態(tài)，其檢測與反饋控制的調節(jié)時間在幾個周期 (開關管頻率通常為幾十kHz，幾個周期大概為0. lms左右）以內即可完成，對非接觸變壓器 的原邊線圈ZP1和副邊線圈ZS1之間的距離和相對水平位置的調節(jié)時間取決于調節(jié)電動機構 的反應時間。采用伺服電機電動機構，其總體時間可以控制在1~2秒鐘以內，在此期間適當 降低電壓或開關管S^S4的占空比以減小調節(jié)過程中的損耗。
[0071] 當采用上述方法調節(jié)第一非接觸變壓器21的原邊線圈ZP1、副邊線圈仏之間的距 離和相對水平位置之后，再用用同樣方法調節(jié)第二非接觸變壓器22的原邊線圈ZP2、副邊線 圈之間的距離和相對水平位置使開關管S3~S6進入軟開關狀態(tài)，再用用同樣方法調節(jié)第 三非接觸變壓器23的原邊線圈Z P3、副邊線圈ZS3之間的距離和相對水平位置使開關管SpSs、 S5~S6進入軟開關狀態(tài)。本實用新型只考慮三路非接觸變壓器參數完全均衡且的情況，因而 可以通過分析其中一路變壓器的狀態(tài)判斷三路變壓器的全部狀態(tài)。通常用于電動汽車的非 接觸充電系統(tǒng)，其原邊線圈在地面下安裝，為了減小車載副邊電路的體積，將調節(jié)電動機構 安裝在地面下，用于調節(jié)原邊線圈的位置使對應的開關管進入軟開關狀態(tài)。
[0072] 非接觸供電電路是非線性電路，其中廣泛存在著混沌現象。隨著電路參數的變化 可能出現混沌狀態(tài)。本實用新型通過對關鍵參數的狀態(tài)相圖的分析，發(fā)現某些特定相圖中 的混沌現象暗示著電路處于硬開關狀態(tài)，而脫離混沌狀態(tài)則表明電路處于軟開關狀態(tài)。此 外，在不同開關頻率及非接觸線圈耦合系數的條件下（在一定范圍內），通過調節(jié)非接觸線 圈的相對距離可以使電路進入軟開關狀態(tài)?；谶@種發(fā)現，給出了簡單的判斷方法，并將這 種判斷方法應用于反饋控制，得到了良好的效果。
[0073] 經過實際測量，對于應用該方案的310V直流供電的非接觸系統(tǒng)，在1KW負載情況 下，可以得到91~93%的最高效率。本實用新型研究混沌現象產生的原因以及主要特征，用這 些特征實現自動控制，設計出高效實用的非接觸供電系統(tǒng)。
[0074] 非接觸充電系統(tǒng)采用定制的感應耦合線圈，原邊控制器和副邊控制器選用高性能 低功耗的ARM微處理器(STM32F103)。本實用新型的參數為:直流輸入電壓ft=310 V，工作頻 率彡1.1 kW。反向太陽能供電模式下的變換器系統(tǒng)的參數 為：電壓￡1=380￥，尺=45紐2，洗=310￥，/^*彡0.31^。正向充電模式下的實驗結果如圖16所 示，三個副邊變換器可以等效為電流栗電路，其輸出電流ica、i〇 2、i〇3的幅值相同，相位互 錯120°。用本實用新型的拓撲結構構建的電路，當輸入電壓為直流310V(~220V交流整流得 到)且輸出功率達到1KVA時，效率的最佳狀態(tài)可超過94%。
[0075] 以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不 局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，可輕易想到 的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種適用于電動汽車的非接觸供電裝置，其特征在于，包括直流電源ft、全控橋式變 換器(1)、非接觸變壓器、副邊變換器、濾波電路(7)、B00ST升壓電路(6)、充電投切裝置(4)、 車載蓄電池、原邊控制器和副邊控制器，所述直流電源tt與電容β相連接，全控橋式變換 器（D與電容 Ch并聯連接，全控橋式變換器（〇通過諧振電路與非接觸變壓器相連接，非接 觸變壓器分別與副邊變換器相連接，副邊變換器通過濾波電路(7)與BOOST升壓電路(6)相 連接，BOOST升壓電路(6)與車載蓄電池 ttat并聯連接，車載蓄電池 ttat與充電投切裝置⑷串 聯連接;所述原邊控制器與電源電壓檢測模塊、電源電流檢測模塊、原邊線圈電壓檢測模 塊、原邊驅動電路相連接，電源電壓檢測模塊和電源電流檢測模塊設置在直流電源ft上，原 邊驅動電路與全控橋式變換器（1)相連接，原邊控制器通過無線通信與副邊控制器相連接； 所述副邊控制器與副邊線圈電流檢測模塊、副邊驅動電路、BOOST升壓電路(6)、太陽能電池 電流檢測模塊、負載電流檢測模塊、負載電壓檢測模塊、充電投切裝置(4)相連接，副邊驅動 電路與副邊變換器相連接，太陽能電池電流檢測模塊與BOOST升壓電路(6)相連接，負載電 流檢測模塊、負載電壓檢測模塊與車載蓄電池相連接。2. 根據權利要求1所述的適用于電動汽車的非接觸供電裝置，其特征在于，所述全控橋 式變換器（1)包括二極管Di~D6,二極管Dl~D6上分別反并聯有開關管Sl~S6,開關管Sl~S6均與 原邊驅動電路相連接;所述非接觸變壓器包括第一非接觸變壓器(21 )、第二非接觸變壓器 (22)和第三非接觸變壓器（23)，副邊變換器包括第一副邊變換器（31)、第二副邊變換器 (32)和第三副邊變換器(33)，第一非接觸變壓器(21)、第二非接觸變壓器(22)和第三非接 觸變壓器(23)的原邊線圈均與全控橋式變換器（1)相連接，第一非接觸變壓器(21)的副邊 線圈與第一副邊變換器(31)相連接，第二非接觸變壓器(22)的副邊線圈與第二副邊變換器 (32)相連接，第三非接觸變壓器(23)的副邊線圈與第三副邊變換器(33)相連接，第一副邊 變換器(31)、第二副邊變換器(32)和第三副邊變換器(33)并聯連接后與濾波電路(7)相連 接。3. 根據權利要求2所述的適用于電動汽車的非接觸供電裝置，其特征在于，所述第一副 邊變換器(31)包括橋式連接的二極管D7、二極管D 8和電容G、電容β，二極管D7上反并聯有開 關管S7，二極管D8上反并聯有開關管S 8，開關管S7和開關管S8均與副邊驅動電路相連接;所述 第二副邊變換器(32)包括橋式連接的二極管D 9、二極管D1Q和電容β、電容C4;第三副邊變換 器(33 )包括橋式連接的二極管Dn、二極管D12和電容β、電容β。4. 根據權利要求2所述的適用于電動汽車的非接觸供電裝置，其特征在于，所述第一非 接觸變壓器(21)、第二非接觸變壓器(22)和第三非接觸變壓器(23)的原邊線圈為三角形連 接。5. 根據權利要求1或2所述的適用于電動汽車的非接觸供電裝置，其特征在于，所述 BOOST升壓電路(6)包括開關管Sl3、電感Zl3、二極管Dl3和二極管Dl4,電感Zl3與太陽能電池 (5)串聯連接后與二極管D 13并聯連接，二極管D13上反并聯有開關管S13，太陽能電池(5)、電 感心 3、二極管D13構成的串并聯電路與二極管D14串聯連接，開關管S13與副邊驅動電路相連 接。6. 根據權利要求5所述的適用于電動汽車的非接觸供電裝置，其特征在于，所述車載蓄 電池 ftat和充電投切裝置(4 )串聯后的兩端并聯有電動機履，電動機胤與開關K串聯連接，充 電投切裝置(4)上反并聯有二極管As。
【文檔編號】H02J7/00GK205632155SQ201620279285
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月7日
【發(fā)明人】周成虎, 張秋慧, 黃明明, 王楠, 李松濤, 周詩潔
【申請人】河南工程學院