採用鎖相環進行異物檢測的電動汽車無線充電系統及方法與流程

2023-05-21 12:49:06 1

本發明涉及一種採用鎖相環進行異物檢測的電動汽車無線充電系統及方法。

背景技術：

隨著化石燃料的日益枯竭和全球氣候變暖日益加劇，電動汽車作為一種綠色的出行方式，越來越受到人們的青睞。小到景區電動觀景車，大到市政公交車，電動汽車已經深入城市的各個角落。因現有技術限制，電動車採用的電池續航能力有限，因此充電問題亟待解決。

目前，電動汽車充電方式主要有兩種：一種是有線充電，也叫接觸式充電；另一種是無線充電，也叫非接觸式充電。電動汽車無線充電是針對有線充電的諸多弱點而提出的一種新型充電方式。相比於有線充電，無線充電不需要電氣連接，沒有接觸火花等磨損老化問題，而且幾乎不需要佔地，可以做到遠程控制和調度，而且更適合惡劣環境使用，正是由於這些優點，電動汽車無線充電被認為是未來電動汽車充電領域的發展方向。

然而當無線充電系統電磁耦合區混入金屬異物時，由於金屬磁效應和渦流效應，金屬會急劇升溫，嚴重時有可能引發火災，這就存在著巨大的安全隱患。另外，當小生物體誤闖入無線充電耦合區時，也極易受到高頻電磁波的傷害，造成慘劇的發生。安全問題對電動車的發展至關重要，因此金屬異物的檢測問題亟待解決。

目前在電動車無線充電領域，已經提出來的金屬異物檢測方法，包括平衡線圈檢測方法和紅外熱感應器檢測方法。雖然上述檢測方法可以做到對金屬異物的檢測，但上述方法需要在無線充電系統之外額外添加檢測機構，這就增加了充電系統的複雜程度和裝置的成本。

技術實現要素：

本發明為了解決上述問題，提出了一種採用鎖相環進行異物檢測的電動汽車無線充電系統及方法，本發明無需額外添加檢測裝置，利用金屬混入後流經充電線圈自身電壓、電流特性改變進行檢測。

為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種採用鎖相環進行異物檢測的電動汽車無線充電系統，包括無線電能發射裝置、無線電能接收裝置、鎖相環和檢測信號處理器，其中，所述無線電能發射裝置與無線電能接收裝置磁耦合，向無線電能接收裝置輸送頻率一定的電磁波；所述無線電能發射裝置連接有鎖相環以檢測電能發射端電壓、電流相位，所述檢測信號處理器通過讀取電壓、電流相位的變化來判斷金屬異物的混入；所述無線電能接收裝置將接受到的高頻能量輸送至負載電池的兩端，實現對設備的充電。

所述無線電能發射裝置，包括依次相連的交流電源、橋式不可控整流電路、直流斬波電路、定頻逆變電路和發射端電感線圈、諧振電容。

進一步的，所述交流電源，通過橋式整流電路獲得直流電，對直流電進行dc/dc降壓斬波以實現輸出電壓的連續可調，調整後的直流電壓輸入到全橋逆變電路中，全橋逆變電路的開關速度固定在系統諧振頻率上，能量通過磁耦合結構源源不斷地傳輸到接收端。

進一步的，所述無線電能接收裝置，包括依次連接的接收端電感線圈、諧振電容、高頻整流電路、穩壓電路和負載蓄電池，接收端電感線圈輸出的高頻交流電經高頻整流電路和穩壓電路變成穩定的直流電輸送到負載電池的兩端，實現對設備的充電。

進一步的，所述發射端電感線圈與接收端電感線圈構成磁耦合。

進一步的，採用兩個鎖相環分別對發射端電感線圈端電壓相位和流經電感線圈電流的相位進行鎖相。

進一步的，所述鎖相環，包括鑑相器、環路濾波器和壓控振蕩器，所述鑑相器檢測輸入信號和輸出信號的相位差，並將檢測出的相位差信號轉換成ud電壓信號輸出，該信號經低通濾波器濾波後形成壓控振蕩器的控制電壓uc，對振蕩器輸出信號的頻率實施控制，最終實現輸入鎖相環鑑相器的信號相位與壓控振蕩器輸出信號相位同步。

進一步的，所述檢測信號處理器共用於電壓、電流相位檢測電路與直流斬波電路和逆變電路。

當能量耦合區混入金屬異物時，因金屬磁效應導致無線電能發射裝置的發射線圈等效電感改變，因無線電能發射裝置的電容值固定不變，電感線圈等效電感值發生改變，造成電容、電感失諧。

基於上述系統的工作方法，通過鎖相環實時監測無線電能發射端線圈端電壓相位和流經電感的電流相位，將電壓、電流相位的相位差變化作為判斷金屬異物混入的依據。無金屬異物混入無線電能耦合區時的正常充電情況下，鎖相環得到的電壓、電流同相位；當能量傳輸區誤入金屬異物時，因混入的金屬磁效應的作用，發射線圈等效電感值發生變化，流經電感的電流相位與電感端電壓相位差不為零。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

本發明無需額外添加檢測裝置，通過檢測電能發射端電壓、電流相位變化來判斷金屬異物的混入，實現了經濟型與實用性的結合。

本發明方法可以做到實時監測，檢測電路採用的處理器即是無線充電電路中的處理器，因此檢測系統自充電開始就啟動了。自電動車充電開始直至充電完成過程中，任何的金屬異物混入都會引起發射端電感和電容失諧，所以所提出的金屬檢測方法具有實時性的特點。

傳統金屬檢測採用添加平衡線圈檢測方法和紅外熱感應檢測方法，都需要額外一整套的檢測裝置。其中紅外熱成像儀檢測靈敏度和精度都不高，且需要金屬升溫之後才能檢測到，在金屬升溫過程就存在安全隱患。本發明通過檢測充電裝置本身電壓、電流相位進行金屬檢測，極大地節約了裝置成本。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。

圖1是採用串串式諧振結構的電磁諧振式無線充電系統等效電路圖；

圖2是本發明中提出的帶有金屬檢測功能的無線充電系統拓撲圖；

圖3是本發明中提出的金屬檢測系統拓撲結構；

圖4是鎖相環結構圖；

圖5是混入金屬後發射線圈電壓、電流波形圖。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語「包含」和/或「包括」時，其指明存在特徵、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術所介紹的，現有技術中存在需要在無線充電系統之外額外添加檢測機構，這就增加了充電系統的複雜程度和裝置的成本的不足，為了解決如上的技術問題，本申請提出了一種採用鎖相環技術進行金屬異物檢測的電動汽車無線充電系統，包括：無線電能發射裝置；無線電能接收裝置；鎖相環；檢測信號處理器。採用調壓控制策略的磁耦合諧振式無線充電系統中，發射線圈和接收線圈的電感和電容處於完全諧振狀態。當無線電能傳輸區混入金屬後，金屬異物的磁效應使得電能發射端發射線圈電感值發生變化，導致發射端電感和電容失諧。本發明通過鎖相環檢測發射線圈端電壓相位、流經發射線圈的電流相位變化，判斷出有無金屬異物進入無線充電電磁耦合區。基於鎖相環技術的金屬異物檢測方法，無需附加額外的檢測裝置，通過檢測金屬異物對電動車無線充電系統的電壓、電流相位的影響判斷有金屬異物進入無線電能能量傳輸區。

無線充電技術主要分為三種：射頻或微波無線供電技術、電磁感應式無線供電技術以及電磁諧振式無線供電技術。微波無線供電技術是一種遠距離輻射性能量傳輸方法，隨之而來的弊端是輻射強、傳輸效率低等問題；而電磁感應式無線供電技術因為傳輸距離較短，目前還無法應用於電動車無線充電領域；

本發明主要針對於電磁諧振式無線充電。電磁諧振式無線充電技術的優勢如下所示：電能發射端和接收端電容、電感分別諧振；諧振頻率與系統固有頻率一致；發射線圈與接收線圈相互耦合；具有傳輸距離遠、傳輸效率高等優點。

目前國際上普遍採用51khz和85khz頻率電磁波傳輸電能。鑑於電磁諧振式無線充電技術的原理，我們根據頻率要求設計匹配發射端和接收端電容、電感值。當發射端和接收端都處於完全諧振狀態時系統傳輸效率最高。

電磁諧振式無線充電系統有四種常見諧振方式，包括：發射線圈串聯諧振，接收線圈串聯諧振(串串式)；發射線圈串聯諧振，接收線圈並聯諧振(串並式)；發射線圈並聯諧振，接收線圈串聯諧振(並串式)；發射線圈並聯諧振，接收線圈並聯諧振(並並式)。我們以最常見的串串式諧振拓撲結構為例說明，電路結構如圖1所示。此時，電感和電容串聯的電路發生串聯諧振，電感和電容上電壓大小相等相位相反，串聯諧振電路等價於短路。

本發明採用以下技術方案：

本發明適用於電磁諧振式無線電能傳輸系統如圖2所示，包括無線電能發射裝置；無線電能接收裝置；鎖相環；檢測信號處理器(arm)。

所述無線電能發射裝置包括：交流220v電源，二極體組成的橋式不可控整流電路，直流斬波電路，定頻逆變電路。輸入的220v交流電，通過二極體組成的橋式整流電路獲得310v左右的直流電，對310v的直流電進行dc/dc降壓斬波可以實現從0v-310v的連續可調。將調整後的直流電壓輸入到全橋逆變電路中，全橋逆變電路的開關速度固定在系統諧振頻率上，能量通過磁耦合結構源源不斷地傳輸到接收端。

所述無線電能接收裝置包括：高頻整流電路，穩壓電路，負載蓄電池。接收線圈輸出的高頻交流電經高頻整流電路和穩壓電路變成穩定的直流電輸送到負載電池的兩端，實現對設備的充電。

所述金屬異物檢測電路如圖3方框部分所示，由兩部分組成：鎖相環；信號處理器(arm)。

所述鎖相環電路如圖4所示，包括：鑑相器(pd)、環路濾波器(lf)和壓控振蕩器(vco)。

我們採用兩個鎖相環分別對發射端電感線圈端電壓相位和流經電感線圈電流的相位進行鎖相。

所述鎖相環中各部分作用如下：鑑相器(pd)又稱為相位比較器，它的作用是檢測輸入信號和輸出信號的相位差，並將檢測出的相位差信號轉換成ud電壓信號輸出，該信號經低通濾波器濾波後形成壓控振蕩器的控制電壓uc，對振蕩器輸出信號的頻率實施控制。最終做到輸入鎖相環鑑相器的信號相位與壓控振蕩器輸出信號相位同步。

所述信號處理器為stm32f407zgt6晶片。該晶片內核為cortextm-m4arm。電壓、電流相位檢測電路所用處理器與無線充電系統中直流斬波電路和逆變電路共用同一處理器。

當能量耦合區混入金屬異物時，因金屬磁效應導致發射線圈等效電感改變。因發射端電容值固定不變，電感線圈等效電感值發生改變，所以發射端電容、電感失諧。正是利用這一現象我們提出一種基於鎖相環技術的金屬異物檢測方法。

對於採用調壓式充電控制策略的無線充電系統，發射端電容和電感處於完全諧振狀態，線圈端電壓和電流相位差為零。實時監測無線電能發射端線圈端電壓(ul)相位和流經電感的電流(il)相位，無金屬異物混入無線電能耦合區時的正常充電情況下，鎖相環得到的電壓、電流同相位。當能量傳輸區誤入金屬異物時，因混入的金屬磁效應的作用，發射線圈等效電感值發生變化。此時，發射端電感和電容發生失諧，流經電感的電流相位與電感端電壓相位差不為零，如圖5所示。經鎖相環(pll)分別測得的電壓、電流相位輸入arm處理器，檢測得這種相位差變化作為判斷金屬異物混入的依據。

以上所述僅為本申請的優選實施例而已，並不用於限制本申請，對於本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護範圍之內。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。