一种电动汽车非接触充电负载自适应匹配装置及控制方法

摘要

本发明公开一种电动汽车非接触充电负载自适应匹配装置及控制方法，装置包括三相整流装置、非接触充电电能转换装置、直流降压电路、控制器、电压电流采样电路A、电压电流采样电路B、电压电流采样电路C和蓄电池；方法包括参数初始匹配阶段和自适应调节阶段两个阶段；本发明所述装置可以实时匹配非接触充电过程中后端的等效电阻都能保持在最佳匹配电阻附近，且精度较高，充分的保证了整个系统时刻工作在最佳的效率点。另外，还兼顾了电池的充电安全，装置能够对电池的状态进行判别，进行高精度的恒压充电和恒流充电。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电动汽车非接触充电负载自适应匹配装置及控制方法，具体涉及一种能 够实时匹配非接触充电负载的自适应充电装置及控制方法，属于新能源汽车电子控制技术领 域。

背景技术

目前电动汽车常用的供电设备为锂电池，电动汽车对充电时间、安全性等方面有很高的 要求。一方面，为保证电动汽车的日常使用，充电时间不能过长，要求充电时间较短，这就 需要采用较大功率的充电方式；另一方面为延长电池寿命、保护电池的充电安全，需对充电 过程进行限流，现今国内外对电池的限流保护的主要方法为：在充电的开始阶段进行恒流充 电，当电池电压达到一定的值，进行恒压充电。

电池充电过程中，恒流充电时，充电电流保持不变，充电电压缓慢升高；恒压充电时充 电电压不变，充电电流缓慢减小。两种工作状态充电功率实时变化，充电时充电电压与充电 电流的比值（电池的等效电阻）实时变化。非接触充电系统对副边后端的等效电路的负载值 要求很高，未能匹配的负载值会对非接触充电系统的效率产生很大的影响，非接触充电电能 转换装置效率最优时，其后端等效电阻恒定，这与电池所需的工作状态相矛盾。

发明内容

本发明针对现有电动汽车对充电的要求，提出了一种电动汽车非接触充电负载自适应匹 配装置及控制方法，利用直流降压电路前后端的电压和电流比值（即等效电阻）不同的特性， 通过实时的改变占空比信号的值，保持非接触充电电能转换装置后端等效电阻不变，恒定的 等效电阻使得非接触充电电能转换装置工作在效率最优的状态；同时，电池充电过程中电压、 电流以及功率的变化离散化，分段进行控制。使得电动汽车非接触充电过程中无论系统工作 在什么样的工况下，次级线圈的整流输出端的等效电阻都能保持在最佳匹配电阻附近，且精 度较高，充分的保证了整个系统时刻工作在最佳的效率点。

一种电动汽车非接触充电负载自适应匹配装置，包括三相整流装置、非接触充电电能转 换装置、直流降压电路、控制器、电压电流采样电路A、电压电流采样电路B、电压电流采 样电路C和蓄电池；

三相整流装置的输出电压U₁通过控制器输出的占空比信号A进行调节，输出电压U₁输 出至非接触充电电能转换装置；非接触充电电能转换装置的输出电压U₂与三相整流装置输出 电压U₁比例关系为U₂=mU₁，m为系数，输出电压U₂输出至直流降压电路；直流降压电路 的输出电压U₀输出至蓄电池；电压电流采样电路A采集三相整流装置的输出电压U₁和输出 电流I₁，传输至控制器；电压电流采样电路B采集非接触充电电能转换装置的输出电压U₂和输出电流I₂，传输至控制器；电压电流采样电路C采集直流降压电路输出电压U₀和输出 电流I₀，传输至控制器；控制器根据电压电流采样电路A、电压电流采样电路B和电压电流 采样电路C采集到的电压和电流信号，通过负载自适应匹配控制方法进行计算，得到占空比 信号A和占空比信号B的值，占空比信号A输入三相整流装置调节其输出电压U₁，占空比 信号B输入直流降压电路；控制器输出“占空比信号A”至三相整流装置，调节三相整流装 置输出电压U₁，根据非接触充电电能转换装置输入电压U₁和输出电压U₂的关系，间接调节 非接触充电电能转换装置的输出电压U₂；控制器输出“占空比信号B”至直流降压电路，使 得直流降压电路输出电压和电流比值变化时，保持直流降压电路前端输入电压U₂、电流I₂的比值不变。

一种电动汽车非接触充电负载自适应匹配控制方法，控制过程分为参数初始匹配阶段和 自适应调节阶段两个阶段。

本发明的优点在于：

（1）提供了恒压充电、恒流充电两种方式，保证了电池的充电安全，延长电池的使用寿 命；

（2）利用降压电路的两端功率相同、电压电流不同且可以实时调节的特点，在电池端等 效电阻改变的情况下，实时保持降压电路输入端的等效电阻不变，从而保证了电路实时的工 作在最大效率点；

（3）通过给控制器的预设值，可以将等效电阻的值、充电电流、充电电压等数据稳定在 一个很高的精度上，是系统工作更加稳定。

附图说明

图1：本发明装置结构示意图；

图2：本发明控制方法初始匹配阶段流程图；

图3：本发明控制方法自适应调节阶段主流程图；

图4：本发明控制方法自适应调节阶段子程序流程图；

图中：

1-三相整流装置         2-非接触充电电能转换装置   3-输入信号可控的降压电路

4-控制器               5-电压电流采样电路A        6-电压电流采样电路B

7-电压电流采样电路C    8-蓄电池

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明是一种电动汽车非接触充电负载自适应匹配装置，如图1所示，包括三相整流装 置1、非接触充电电能转换装置2、直流降压电路3、控制器4、电压电流采样电路A5、电 压电流采样电路B6、电压电流采样电路C7和蓄电池8。

本发明利用直流降压电路3前后端的电压和电流比值（即等效电阻）不同的特性，通过 实时的改变占空比信号2的值，保持非接触充电电能转换装置2后端等效电阻不变，恒定的 等效电阻使得非接触充电电能转换装置2工作在效率最优的状态。与此同时，蓄电池8充电 过程中，功率实时变化，通过调节占空比信号1，改变三相整流装置1输出电压，间接改变 非接触充电电能转换装置2的输出电压，实现充电功率的实时变化。

三相整流装置1的输出电压U₁通过控制器4输出的占空比信号A进行调节，输出电压 U₁输出至非接触充电电能转换装置2；

非接触充电电能转换装置2的输出电压U₂与三相整流装置1输出电压U₁比例一定，其 比例关系为U₂=mU₁，m值由输出非接触充电电能转换装置2内部结构决定，输出电压U₂输出至直流降压电路3；

直流降压电路3的输出电压U₀输出至蓄电池8，蓄电池8作为其他装置的用电设备。

电压电流采样电路A5采集三相整流装置1的输出电压U₁和输出电流I₁，传输至控制器 4；

电压电流采样电路B6采集非接触充电电能转换装置2的输出电压U₂和输出电流I₂，传 输至控制器4；

电压电流采样电路C7采集直流降压电路3输出电压U₀和输出电流I₀，传输至控制器4；

控制器4根据电压电流采样电路A5、电压电流采样电路B6和电压电流采样电路C7采 集到的电压和电流信号，通过负载自适应匹配控制方法进行计算，得到占空比信号A和占空 比信号B的值，占空比信号A输入三相整流装置1调节其输出电压U₁，占空比信号B输入 直流降压电路3。

控制器4输出“占空比信号A”至三相整流装置1，调节三相整流装置1输出电压U₁， 根据非接触充电电能转换装置2输入电压U₁和输出电压U₂的关系，U₂=mU₁，间接调节非 接触充电电能转换装置2的输出电压U₂；

控制器4输出“占空比信号B”至直流降压电路3，使得直流降压电路3输出电压和电 流比值变化时，保持直流降压电路3前端输入电压U₂、电流I₂的比值不变，达到实时调节非 接触充电电能转换装置2后端等效电阻（直流降压电路3前端输入电压U₂、电流I₂的比值） 的目的。

调节非接触充电电能转换装置2的输出电压U₂，保持直流降压电路3前端输入电压U₂、 电流I₂的比值不变，二者共同作用，达到即保持非接触充电电能转换装置2效率最优，又可 调节蓄电池8充电功率的目的。

本发明的一种电动汽车非接触充电负载自适应匹配控制方法，控制过程分为参数初始匹 配阶段和自适应调节阶段两个阶段，具体控制方法如下：

如图2所示，参数初始匹配阶段包括以下几个步骤：

步骤A.对未上电时蓄电池8两端电压信号进行采样，得到电压E(k)，通过电压电流采样 电路C7将电压E(k)输入到控制器4。

步骤B.根据蓄电池8两端电压E(k)判断电池状态，确定进行恒流充电或者恒压充电。

具体为：对E(K)进行判断，在控制器4中预设电压值E(0)，预设电压值E(0)为锂电池 SOC（State of charge,电池荷电状态）为90%时所对应的电压。E(k)大于或等于预设的电 压值E(0)时，对电池进行恒压充电；E(k)小于预设的电压值E(0)时，对电池进行恒流充电。

步骤C.充电方式的判断结束后，进行供电，控制器4输出占空比信号A至输出电压可调 的三相整流装置1，输出占空比信号B至直流降压电路3，占空比信号A为α₁(0)，占空比信 号B为α₂(0)，α₁(0)、α₂(0)为预设值，预设值设定的原则为使得直流降压电路3输出电压电 压U_o(k)、输出电流I_o(k)不要过大。

步骤D.供电后通过电压电流采样电路C7对蓄电池8两端的电压U_o(k)、电流I_o(k)进行 采样，结合之前测到的未上电之前的蓄电池8两端的电压值E(k)，获取占空比信号，具体为：

（1）当进行恒流充电时，在控制器4内依照公式（1）、（2）、（3）进行计算：

$U_o(k+1)=I_o\left(0\right)·\frac{U_o\left(k\right)-E\left(k\right)}{I_o\left(k\right)}+E\left(k\right)---\left(1\right)$

${\alpha }_2(k+1)=\sqrt{\frac{U_o(k+1)}{I_o\left(0\right)·R_L}}---\left(2\right)$

$U_1(k+1)=\frac{U_o(k+1)}{{\alpha }_2(k+1)·m}---\left(3\right)$

式中：U_o(k+1)为匹配后蓄电池8两端的电压值，I_o(0)为恒流充电式充电电流值，E(k) 为未上电之前的蓄电池8两端的电压值E(k)，U_o(k)为供电后通过电压电流采样电路C7在 蓄电池8两端采集到的电压，I_o(k)为供电后通过电压电流采样电路C7在蓄电池8上采集到 的电流，α₂(k+1)为此时匹配后的占空比信号B的值，R_L为非接触充电电能转换装置2工作 在最优效率时所需等效电阻值，U₁(k+1)为匹配后三相整流装置1所需输出的电压，m为非 接触充电电能转换装置2输入电压U₁和输出电压U₂比例关系，U₂=mU₁。计算后得到占空 比信号B的值α₂(k+1)以及三相整流装置1所需输出的电压U₁(k+1)，再根据三相整流装置1 内部的关系计算出占空比信号A的值α₁(k+1)，三相整流装置内部结构根据不同的控制方法有 所区别，占空比A和三相整流装置的输出电压的关系与结构有关。将两个占空比信号输入所 对应的的设备，完成参数的初始匹配；

（2）当进行恒压充电时，在控制器4内依照公式（4）、（5）、（6）进行计算：

$I_o(k+1)=\frac{U_o\left(0\right)-E\left(k\right)}{U_o\left(k\right)-E\left(k\right)}·I_o\left(k\right)---\left(4\right)$

${\alpha }_2(k+1)=\sqrt{\frac{U_o\left(0\right)}{I_o(k+1)·R_L}}---\left(5\right)$

$U_1(k+1)=\frac{U_o\left(0\right)}{{\alpha }_2(k+1)·m}---\left(6\right)$

式中：I_o(k+1)为匹配后通过蓄电池8电流值，U_o(0)为恒流充电式充电电流值，E(k)为未 上电之前的蓄电池8两端的电压值E(k)，U_o(k)为供电后通过电压电流采样电路C7在蓄电池 8两端采集到的电压，I_o(k)为供电后通过电压电流采样电路C7在蓄电池8上采集到的电流， α₂(k+1)为匹配后占空比信号B的值，R_L为非接触充电电能转换装置2工作在最优效率时所 需等效电阻值，U₁(k+1)为匹配后三相整流装置1所需输出的电压，m为非接触充电电能转 换装置2输入电压U₁和输出电压U₂比例关系，U₂=mU₁。计算后得到占空比信号B的值α ₂(k+1)以及三相整流装置1所需输出的电压U₁(k+1)，再根据三相整流装置1内部的关系计 算出占空比信号A的值α₁(k+1)，控制器4将两个占空比信号输入所对应的的设备，完成参 数的初始匹配。

如图3所示，自适应调节阶段包括以下几个步骤：

步骤A.充电方式判断，根据参数初始匹配阶段的判断结果，参数初始匹配阶段中进行恒 流充电匹配，继续恒流充电；参数初始匹配阶段中进行恒压充电匹配，继续恒压充电；

步骤B.对蓄电池8充电电压U_o(k)、充电电流I_o(k)以及非接触充电电能转换装置2的输 出电压U₂(k)、电流I₂(k)进行采样。

步骤C.判断蓄电池8充电电压U_o(k)是否达到预设恒压充电电压U_o(0)，如果达到，恒流 充电转为恒压充电，转入步骤E；如果未达到，继续恒流充电，转入步骤D。

步骤D.恒流充电情况下，按周期Δt进行蓄电池8充电电压U_o(k)、充电电流I_o(k)以及非 接触充电电能转换装置2的输出电压U₂(k)、电流I₂(k)的采样。判断非接触充电电能转换装 置2的输出电压U₂(k)、电流I₂(k)的比值偏离非接触充电电能转换装置2工作在最优状态下 的等效阻值R_L是否超过ΔR、电池充电电流I_o(k)偏离预设充电电流I_o(0)是否超过ΔI₀，如果 两者都未偏离预设值，重新进行蓄电池8充电电压U_o(k)、充电电流I_o(k)以及非接触充电电 能转换装置2的输出电压U₂(k)、电流I₂(k)的采样，监视电路工作状态；如果两者有一个偏 离预设值，运行匹配子程序A，匹配子程序A结束后重新进行蓄电池8充电电压U_o(k)、充 电电流I_o(k)以及非接触充电电能转换装置2的输出电压U₂(k)、电流I₂(k)进行采样，监视电 路工作状态。

其中预设了周期Δt、偏移量ΔR、偏移量ΔI₀三个值。周期Δt为蓄电池8充电电压U_o(k)、 充电电流I_o(k)以及非接触充电电能转换装置2的输出电压U₂(k)、电流I₂(k)的采样周期，占 空比信号A和占空比信号B输入三相整流装置1和直流降压电路3后，整个装置会有一个 响应并达到一个新的稳态的时间，周期Δt设定大于这个时间即可；ΔR越小非接触充电电能 转换装置2偏离最有效率工作点越小，ΔI₀越小蓄电池8充电电流偏离预设充电电流I_o(0)越 小，整个装置的工作精度越高。

如图4所示，匹配子程序A具体为：以步长ΔU₁、周期Δt₁增大三相整流装置1的输出 电压U₁(N)，步进地增大U₁(N)根据三相整流装置1内部的关系、通过步进地改变占空比信号 A实现，通过电压电流采样电路C7对蓄电池8充电电压U_o(N+1)、充电电流I_o(N+1)进行采 样，此过程进行三个周期，得到第一周期的采样结果U_o(1)、I_o(1)，第二周期的采样结果U_o(2)、 I_o(2)，第三周期的采样结果U_o(N3)、I_o(3)，以上为匹配子程序A的数据采集方式，Δt₁为数 据的采集周期，Δt₁的设定保证系统响应并达到一个新的稳态即可。采样结果输入到控制器4， 依照公式（2）、（3）、（7）、（8）依次进行计算：

$R_i=\frac{\frac{U_o\left(1\right)-U_o\left(2\right)}{I_o\left(1\right)-I_o\left(2\right)}+\frac{U_o\left(2\right)-U_o\left(3\right)}{I_o\left(2\right)-I_o\left(3\right)}}{2}---\left(7\right)$

U_o(k+1)＝U_o(1)-R_i·I_o(1)+R_i·I_o(0)     (8)

式中：R_i为计算所得蓄电池8内阻，U_o(1)、I_o(1)为蓄电池8第一周期的采样电压和电流， U_o(2)、I_o(2)为蓄电池8第二周期的采样电压和电流，U_o(3)、I_o(3)为蓄电池8第三周期的采 样电压和电流，U_o(k+1)为匹配后蓄电池8两端的电压值，I_o(0)为恒流充电式充电电流值，α ₂(k+1)为此时匹配后的占空比信号B的值，R_L为非接触充电电能转换装置2工作在最优效 率时所需等效电阻值，U₁(k+1)为匹配后三相整流装置1所需输出的电压，m为非接触充电 电能转换装置2输入电压U₁和输出电压U₂比例关系，U₂=mU₁。计算后得到占空比信号B 的值α₂(k+1)以及三相整流装置1所需输出的电压U₁(k+1)，再根据三相整流装置1内部的关 系计算出占空比信号A的值α₁(k+1)，控制器4将两个占空比信号输入所对应的的设备，完 成占空比信号A和占空比信号B的匹配，匹配子程序A结束。

步骤E.恒压充电情况下，按周期Δt进行蓄电池8充电电压U_o(k)、充电电流I_o(k)以及 非接触充电电能转换装置2的输出电压U₂(k)、电流I₂(k)的采样。将蓄电池8充电电流I_o(k) 与预设值I_o(1)比较，如果I_o(k)大于I_o(1)继续充电；如果I_o(k)小于或等于I_o(1)，则充电结束。 其中预设的I_o(1)值为充电结束的电流判定值，根据蓄电池的参数确定。

继续充电时，判断非接触充电电能转换装置2的输出电压U₂(k)、电流I₂(k)的比值偏离 非接触充电电能转换装置2工作在最优状态下的等效阻值R_L是否超过ΔR、电池充电电流 U_o(k)偏离预设充电电流U_o(0)是否超过ΔU₀，如果两者都未偏离预设值，重新进行蓄电池8 充电电压U_o(k)、充电电流I_o(k)以及非接触充电电能转换装置2的输出电压U₂(k)、电流I₂(k) 的采样，监视电路工作状态；如果两者有一个偏离预设值，运行匹配子程序B，匹配子程序 B结束后重新进行蓄电池8充电电压U_o(k)、充电电流I_o(k)以及非接触充电电能转换装置2 的输出电压U₂(k)、电流I₂(k)进行采样，监视电路工作状态。

其中预设了周期Δt、偏移量ΔR、偏移量ΔU₀三个值。周期Δt为蓄电池8充电电压U_o(k)、 充电电流I_o(k)以及非接触充电电能转换装置2的输出电压U₂(k)、电流I₂(k)的采样周期，占 空比信号A和占空比信号B输入三相整流装置1和直流降压电路3后，整个装置会有一个 响应并达到一个新的稳态的时间，周期Δt设定大于这个时间即可；ΔR越小非接触充电电能 转换装置2偏离最有效率工作点越小，ΔU₀越小蓄电池8充电电压偏离预设充电电压U_o(0) 越小，整个装置的工作精度越高。

匹配子程序B与匹配子程序A的数据采集方式相同，所不同的在于控制器4计算、匹配 α₁(k+1)、α₂(k+1)步骤，控制器4依照公式（5）、（6）、（7）、（9）进行计算：

$I_o(k+1)=\frac{U_o\left(0\right)-U_o\left(1\right)+R_i·I_o\left(1\right)}{R_i}---\left(9\right)$

式中：R_i为计算所得蓄电池8内阻，U_o(1)、I_o(1)为蓄电池8第一周期的采样电压和电流， U_o(2)、I_o(2)为蓄电池8第二周期的采样电压和电流，U_o(3)、I_o(3)为蓄电池8第三周期的采样 电压和电流，I_o(k+1)为匹配后蓄电池8两端的电流值，U_o(0)为恒压充电式充电电压值，α₂(k+1) 为此时匹配后的占空比信号B的值，R_L为非接触充电电能转换装置2工作在最优效率时所需等 效电阻值，U₁(k+1)为匹配后三相整流装置1所需输出的电压，m为非接触充电电能转换装置 2输入电压U₁和输出电压U₂比例关系，U₂=mU₁。计算后得到占空比信号B的值α₂(k+1)以及 三相整流装置1所需输出的电压U₁(k+1)，再根据三相整流装置1内部的关系计算出占空比信 号A的值α₁(k+1)，控制器4将两个占空比信号输入所对应的的设备，完成占空比信号A和占空 比信号B的匹配，匹配子程序B结束。