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。

主权项

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；所述的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，具体为：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C将电压E(k)输入到控制器；步骤B.根据蓄电池两端电压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，在控制器中预设电压值E(0)，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，控制器输出占空比信号A至输出电压可调的三相整流装置，输出占空比信号B至直流降压电路，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；步骤D.供电后通过电压电流采样电路C对蓄电池两端的电压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)$式中：U_o(k+1)为匹配后蓄电池两端的电压值，I_o(0)为恒流充电式充电电流值，E(k)为未上电之前的蓄电池两端的电压值E(k)，U_o(k)为供电后通过电压电流采样电路C在蓄电池两端采集到的电压，I_o(k)为供电后通过电压电流采样电路C在蓄电池上采集到的电流，α₂(k+1)为此时匹配后的占空比信号B的值，R_L为非接触充电电能转换装置工作在最优效率时所需等效电阻值，U₁(k+1)为匹配后三相整流装置所需输出的电压，m为非接触充电电能转换装置输入电压U₁和输出电压U₂比例关系，U₂＝mU₁；计算后得到占空比信号B的值α₂(k+1)以及三相整流装置所需输出的电压U₁(k+1)，再根据三相整流装置内部的关系计算出占空比信号A的值α₁(k+1)，将两个占空比信号输入所对应的的设备，完成参数的初始匹配；(2)当进行恒压充电时，在控制器内依照公式(4)、(5)、(6)进行计算：$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)$式中：I_o(k+1)为匹配后通过蓄电池电流值，U_o(0)为恒流充电式充电电压值，E(k)为未上电之前的蓄电池两端的电压值E(k)，U_o(k)为供电后通过电压电流采样电路C在蓄电池两端采集到的电压，I_o(k)为供电后通过电压电流采样电路C在蓄电池上采集到的电流，α₂(k+1)为匹配后占空比信号B的值，R_L为非接触充电电能转换装置工作在最优效率时所需等效电阻值，U₁(k+1)为匹配后三相整流装置所需输出的电压，m为非接触充电电能转换装置输入电压U₁和输出电压U₂比例关系，U₂＝mU₁；计算后得到占空比信号B的值α₂(k+1)以及三相整流装置所需输出的电压U₁(k+1)，再根据三相整流装置内部的关系计算出占空比信号A的值α₁(k+1)，控制器将两个占空比信号输入所对应的的设备，完成参数的初始匹配；自适应调节阶段包括以下几个步骤：步骤A.充电方式判断，根据参数初始匹配阶段的判断结果，参数初始匹配阶段中进行恒流充电匹配，继续恒流充电；参数初始匹配阶段中进行恒压充电匹配，继续恒压充电；步骤B.对蓄电池充电电压U_o(k)、充电电流I_o(k)以及非接触充电电能转换装置的输出电压U₂(k)、电流I₂(k)进行采样；步骤C.判断蓄电池充电电压U_o(k)是否达到预设恒压充电电压U_o(0)，如果达到，恒流充电转为恒压充电，转入步骤E；如果未达到，继续恒流充电，转入步骤D；步骤D.恒流充电情况下，按周期Δt进行蓄电池充电电压U_o(k)、充电电流I_o(k)以及非接触充电电能转换装置的输出电压U₂(k)、电流I₂(k)的采样；判断非接触充电电能转换装置的输出电压U₂(k)、电流I₂(k)的比值偏离非接触充电电能转换装置工作在最优状态下的等效阻值R_L是否超过ΔR、电池充电电流I_o(k)偏离预设充电电流I_o(0)是否超过ΔI₀，如果两者都未偏离预设值，重新进行蓄电池充电电压U_o(k)、充电电流I_o(k)以及非接触充电电能转换装置的输出电压U₂(k)、电流I₂(k)的采样，监视电路工作状态；如果两者有一个偏离预设值，运行匹配子程序A，匹配子程序A结束后重新进行蓄电池充电电压U_o(k)、充电电流I_o(k)以及非接触充电电能转换装置的输出电压U₂(k)、电流I₂(k)进行采样，监视电路工作状态；匹配子程序A具体为：以步长ΔU₁、周期Δt₁增大三相整流装置的输出电压U₁(N)，通过电压电流采样电路C对蓄电池充电电压U_o(N+1)、充电电流I_o(N+1)进行采样，此过程进行三个周期，得到第一周期的采样结果U_o(1)、I_o(1)，第二周期的采样结果U_o(2)、I_o(2)，第三周期的采样结果U_o(N3)、I_o(3)，以上为匹配子程序A的数据采集方式，Δt₁为数据的采集周期，采样结果输入到控制器，依照公式(2)、(3)、(7)、(8)依次进行计算：$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)$U_o(k+1)＝U_o(1)‑R_i·I_o(1)+R_i·I_o(0)  (8)式中：R_i为计算所得蓄电池内阻，U_o(1)、I_o(1)为蓄电池第一周期的采样电压和电流，U_o(2)、I_o(2)为蓄电池第二周期的采样电压和电流，U_o(3)、I_o(3)为蓄电池第三周期的采样电压和电流，U_o(k+1)为匹配后蓄电池两端的电压值，I_o(0)为恒流充电式充电电流值，α₂(k+1)为此时匹配后的占空比信号B的值，R_L为非接触充电电能转换装置工作在最优效率时所需等效电阻值，U₁(k+1)为匹配后三相整流装置所需输出的电压，m为非接触充电电能转换装置输入电压U₁和输出电压U₂比例关系，U₂＝mU₁；计算后得到占空比信号B的值α₂(k+1)以及三相整流装置所需输出的电压U₁(k+1)，再根据三相整流装置内部的关系计算出占空比信号A的值α₁(k+1)，控制器将两个占空比信号输入所对应的的设备，完成占空比信号A和占空比信号B的匹配，匹配子程序A结束；步骤E.恒压充电情况下，按周期Δt进行蓄电池充电电压U_o(k)、充电电流I_o(k)以及非接触充电电能转换装置的输出电压U₂(k)、电流I₂(k)的采样；将蓄电池充电电流I_o(k)与预设值I_o(1)比较，如果I_o(k)大于I_o(1)继续充电；如果I_o(k)小于或等于I_o(1)，则充电结束；其中预设的I_o(1)值为充电结束的电流判定值，根据蓄电池的参数确定；继续充电时，判断非接触充电电能转换装置的输出电压U₂(k)、电流I₂(k)的比值偏离非接触充电电能转换装置工作在最优状态下的等效阻值R_L是否超过ΔR、电池充电电流U_o(k)偏离预设充电电流U_o(0)是否超过ΔU₀，如果两者都未偏离预设值，重新进行蓄电池充电电压U_o(k)、充电电流I_o(k)以及非接触充电电能转换装置的输出电压U₂(k)、电流I₂(k)的采样，监视电路工作状态；如果两者有一个偏离预设值，运行匹配子程序B，匹配子程序B结束后重新进行蓄电池充电电压U_o(k)、充电电流I_o(k)以及非接触充电电能转换装置的输出电压U₂(k)、电流I₂(k)进行采样，监视电路工作状态；匹配子程序B与匹配子程序A的数据采集方式相同，所不同的在于控制器计算、匹配α₁(k+1)、α₂(k+1)步骤，控制器依照公式(5)、(6)、(7)、(9)进行计算：$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为计算所得蓄电池内阻，U_o(1)、I_o(1)为蓄电池第一周期的采样电压和电流，U_o(2)、I_o(2)为蓄电池第二周期的采样电压和电流，U_o(3)、I_o(3)为蓄电池第三周期的采样电压和电流，I_o(k+1)为匹配后蓄电池两端的电流值，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所需输出的电压，m为非接触充电电能转换装置输入电压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)以及三相整流装置所需输出的电压U₁(k+1)，再根据三相整流装置内部的关系计算出占空比信号A的值α₁(k+1)，控制器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。