1.本发明涉及无线电能传输领域，特别是涉及一种电动汽车无线充电系统及控制方法。
背景技术：
2.无线电能传输(wirelesspowertransfer，wpt)技术通过磁场耦合实现非接触式能量传输，凭借其便捷、安全等优点近年来备受关注，尤其广泛地应用于电动汽车。
3.磁耦合线圈(或称作传输线圈)和补偿网络是无线充电系统的重要组成部分，且种类各异。不同类型的线圈需要相互兼容并且耦合足够的磁通量才能满足功率传输需求；不同类型的补偿拓扑及参数需要适配才能保证传输功率不低于国标要求。
4.无线充电系统的磁耦合线圈主要分为单极性线圈、双极性线圈和复合线圈。单极性线圈中，因为矩形能够更充分地利用车辆底盘空间，所以应用较多；双极性线圈以dd线圈为主要代表；复合线圈种类较多，典型的为bp、ddq和tqp等线圈。
5.单极性线圈的磁通量分布主要体现为垂直模式，双极性线圈的则体现为平行模式。不同极性的线圈之间互操作性(即兼容性)较差，因为磁耦合线圈耦合的磁通量较少，难以满足功率传输的前提条件。因此，常见的线圈组合为单极性-单极性、双极性-双极性。若采用单极性-双极性的组合，当两线圈中心对齐的条件下耦合的磁通量为零，只有在偏移时才能耦合一定磁通量(且效果逊于同极性线圈组合，难以保证达到耦合系数下限)。针对该问题，提出了复合线圈的概念，其根据激励电流的类型，可以产生垂直磁通量或者平行磁通量，或者产生混合磁通量，但是复合线圈需要消耗更多的线圈、磁芯材料，且往往需要两套及以上的电力电子变换器进行驱动，控制难度大。
6.电动汽车磁耦合器的典型耦合系数k在0.2～0.4左右，为了在松耦合系统高效地传输电能，需要对磁耦合线圈进行无功补偿，形成高频谐振网络。补偿网络能够有效降低发射端逆变器的视在功率等级和谐振腔的无功功率，提高功率传输能力；还可以实现恒流/恒压输出，提高传输效率，抵抗频率分岔现象。
7.根据补偿电容/电感与磁耦合线圈的连接方式，主要有串联(series，s)补偿、并联(parallel，p)补偿、串并联(lcl)补偿以及在此基础上衍生的lcc补偿等类型。其中l为传能线圈，c、c、lf、cf均为补偿元件，下标1和2分别代表地面端和车载端。由于p补偿需要电流源型逆变器供电，与其他拓扑的互操作性较差，且谐振电容值c受互感变化的影响，因此实际应用较少。lcl拓扑在应用中同样存在局限性：
①
为形成t型谐振网络，需要保证补偿电感lf与传能线圈的自感l相等，若不一致将引起谐振频率的偏差；
②
较大的补偿电感还增加了系统的尺寸和成本；
③
lcl拓扑的最大输出功率有限。而lcc拓扑在保留lcl拓扑优势的同时，解决了其输出功率偏小的问题，提高了参数设计的自由度。综上所述，s和lcc补偿拓扑更为适合电动汽车无线充电系统，研究表明s-s，lcc-s，s-lcc，lcc-lcc补偿网络的互操作性较好。
8.现有技术的专利cn114520544a提出了一种具有兼容性的无线电能传输耦合机构，
通过将发射线圈分为四部分并在线圈中间添加磁芯，并按照不同方式连接可产生垂直于发射端的磁场或者平行于发射端的磁场，适用于多种接收端线圈类型(扁平螺线管型接收端、平面螺旋型接收端、以及空间螺旋型接收端)，从而提高了无线电能传输耦合机构的互操作性。该发明本质上提出了一种复合线圈，其主要缺点体现在消耗了更多的线圈、磁芯材料；不同的接收端线圈类型需要不同的连接方式，切换繁琐，实际应用难度高。此外，该技术方案未解决补偿拓扑的互操作性问题。
9.专利cn110875635a提出了一种用于提升电动汽车无线充电互操作性的发射线圈阵列控制方法，具有与不同类型接收线圈之间实现互操作性等特点。其根据接收线圈的类型，使用不同的激励电流模式来驱动主线圈l1和l2，从而实现发射线圈磁通方向可控，与圆形和双极型两种接收线圈均具有互操作性。该发明使用的线圈为复合线圈bp，需使用两套dc-dc调压电路、全桥逆变器和补偿网络以单独/共同驱动发射线圈，整体结构和控制算法复杂，且显著增加了系统的成本和体积。
10.专利cn109774520a提出了提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法。采用控制器、发射端和接收端建立系统电路模型，根据获取矩形和dd线圈互操作时满足充电要求的耦合系数和计算得到的耦合系数，调节发射端位置，进一步使得xy方向的耦合系数无限接近矩形和dd线圈互操作时满足充电要求的耦合系数。该发明基于变步长的“扰动-观测”算法，不需要进行复杂的数学计算，不需要额外的通信电路，仅通过发射端或地面设备参数的测量可实现耦合系数预测，并将其作为位置调节的依据，简化了系统结构，避免了强磁场对无线通信的干扰。该发明提出的算法流程能够在一定程度提升单极性线圈和双极性线圈的互操作性(通过位置调整来增大耦合的磁通量)，但是由于线圈极性不同，相较于同类线圈的系统，其最大传输效率受到限制；另一方面，为了不断调整发射线圈的位置，需要额外的机械移动装置。
11.专利cn115580031a提出了一种具有互操作性的无线充电系统的方法，系统的接收端线圈为由四个独立的矩形子线圈l2、l3、l4和l5构成的田字形线圈；无线充电系统的发射端线圈面积与接收端线圈相同，发射端线圈的形状为方形、双极型或田字形；无线充电系统接收端整流器与接收端线圈的连接结构在等效模型中的互感值，为发射端线圈对接收端的四个矩形子线圈的互感值的绝对值相加；该发明能实现对多种发射线圈的兼容，并且能实现更大的功率传输和更高的效率。该发明在接收端使用的线圈本质为复合线圈，结构复杂，消耗了较多的线圈、磁芯材料。此外，四个独立方形线圈均配有补偿网络，从而显著增加了车载端的成本、体积和种类。
12.专利cn112994269a提出了一种提升系统互操作性的无线电能传输装置与控制方法，装置包括依次级联的功率因数校正电路、逆变电路、谐振单元、整流电路、滤波电路与负载，还包括源侧调节器、逆变模式控制器与载侧调节器。该发明通过切换逆变电路与整流电路的工作模式，配合母线电压调节与可控整流技术，实现了无线电能传输系统的互操作与高效率电能传输，能够在宽负载范围、宽耦合系数范围内满足多档功率等级传输需求。该发明用一套装置满足了ev wpt系统车载端设备的三类功率等级与三类传能距离的互操作需求，且在电路拓扑方面无需增加额外的电路元件，有效减小系统成本和安装空间，具有高性价比优势。该发明主要解决了不同功率等级、传能距离下的互操作性需求，但是面对使用不同线圈和补偿拓扑类型的其他接收端设备，不能保证磁路和电路的兼容性。
13.在磁路方面，现有发明提出使用复合线圈增强互操作性，但此类方法的缺点在于消耗更多的线束和磁芯等材料，且需要配备至少两套电路(如高频逆变器、补偿网络等)实现独立/共同激励驱动，显著增加了系统的成本、体积和重量。
14.在电路方面，现有发明提出使用电力电子变换器(如可控高频变换器、dc-dc变换器)或者可变补偿元件(可变电感、可变电容等)增强电路的互操作性。但此类方法的缺点在于需要额外的电气设备或元件；相较于天然具备兼容性的补偿网络(如s-s，lcc-s，s-lcc，lcc-lcc)，其对于电路互操作性的改善效果有限。
15.可见，现有发明尚未解决磁路和电路等两个层面互操作性的问题(或者即便按照上述方法分别解决，将会引入更多的设备，大大增加系统的复杂性)。
16.因此，亟需提供一种电动汽车无线充电系统及控制方法，无论车载端设备使用的是单极性线圈还是双极性线圈、s补偿拓扑还是lcc补偿拓扑，都可以完成同类型的传输线圈匹配以及发射端和接收端补偿拓扑间的互操作，从而实现多车型设备的智能适配。
技术实现要素：
17.本发明的目的是提供一种电动汽车无线充电系统及控制方法，能够实现多车型设备的智能适配。
18.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
19.一种电动汽车无线充电系统，包括：pfc模块、高频逆变器、可投切拓扑结构、接收线圈、副边补偿网路、整流模块以及斩波模块；
20.所述pfc模块与电网连接；所述pfc模块用于将自电网的工频交流电压变换为中间级直流电压；
21.所述高频逆变器的输入端与所述pfc模块的输出端连接，所述高频逆变器的输出端与所述可投切拓扑结构的输入端连接；所述高频逆变器用于对中间级直流电压进行逆变，产生高频交流电；
22.所述可投切拓扑结构包括：辅助电感l
f1
、主电感l1以及开关k1；辅助电感l
f1
与主电感l1并联，主电感l1与开关k1串联；辅助电感l
f1
和主电感l1均为正交解耦线圈；所述可投切拓扑结构用于根据车载端设备的构型控制开关k1的通断，进而实现通过辅助电感l
f1
传能或主电感l1传能；所述车载端设备的构型包括：车载端设备的线圈类型和补偿拓扑种类；
23.所述接收线圈在交变磁场的影响下，感应出高频交流电压，并与副边补偿网络形成谐振，进而将高频交流电压通过整流模块以及斩波模块传递至电池进行充电。
24.可选地，所述辅助电感l
f1
为矩形线圈，主电感l1为dd线圈。
25.可选地，所述辅助电感l
f1
为dd线圈，主电感l1为矩形线圈。
26.可选地，所述开关k1为继电器或双向功率开关。
27.一种电动汽车无线充电控制方法，应用于所述的一种电动汽车无线充电系统，控制方法包括：
28.获取车载端设备的构型；
29.根据车载端设备的构型控制开关k1的通断，进而实现通过辅助电感l
f1
传能或主电感l1传能；
30.结合充电电流和功率需求，控制pfc模块调节直流母线电压、控制高频逆变器改变
谐振腔端口电压、控制斩波模块的占空比以调节输出直流电压、控制整流模块改变谐振腔端口电压；
31.根据实时获取的电池电压和剩余容量，判断是否充电完成。
32.可选地，所述获取车载端设备的构型，之前还包括：
33.判断电动汽车是否驶入无线充电车位或场地。
34.可选地，所述获取车载端设备的构型，具体包括：
35.通过无线通信模块获取车载端设备的构型；所述无线通信模块包括：wi-fi、蓝牙或nfc。
36.可选地，所述根据车载端设备的构型控制开关k1的通断，进而实现通过辅助电感l
f1
传能或主电感l1传能，具体包括：
37.若车载端设备的构型中传能线圈的线圈类型与辅助电感l
f1
的线圈类型一致，则断开开关k1，通过辅助电感l
f1
传能；
38.若车载端设备的构型中传能线圈的线圈类型与主电感l1的线圈类型一致，则闭合开关k1，通过主电感l1传能。
39.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
40.本发明所提供的一种电动汽车无线充电系统及控制方法，无论车载端设备使用的是单极性线圈还是双极性线圈、s补偿拓扑还是lcc补偿拓扑，都可以完成同类型的传能线圈匹配以及发射端和接收端补偿拓扑间的互操作，从而实现通用地面端设备兼容多车型设备的智能适配。本发明只需在地面端设备增加一个开关，无需使用更多线圈或电力电子变换器，显著降低了系统的体积、重量和成本。系统充电流程简单，可控变量多，实施难度低，实用价值高。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1为本发明所提供的一种电动汽车无线充电系统结构示意图；
43.图2为实施例1中可投切拓扑结构结构示意图；
44.图3为常规的lcc-lcc补偿原理示意图(图3中的(a)部分)和双耦合lcc-lcc补偿原理示意图(图3中的(b)部分)；
45.图4为正交解耦线圈示意图；
46.图5为实施例2中可投切拓扑结构结构示意图；
47.图6为车载端设备中传能线圈和补偿拓扑的可能构型组合示意图((a)部分为矩形线圈和s补偿拓扑，(b)部分为dd线圈和s补偿拓扑，(c)部分为矩形线圈和lcc补偿拓扑，(d)部分为dd线圈和lcc补偿拓扑)；
48.图7为通用地面端和不同的车载端工作模式分析示意图((a)部分为车载端为构型
①
时，工作模式分析，(b)部分为车载端为构型
②
时，工作模式分析，(c)部分为构型
③
时，工作模式分析，(d)部分为构型
④
时，工作模式分析)；
49.图8为不同车载设备的构型下的谐振网络输出特性分析示意图((a)部分为车载端为构型
①
时，谐振网络输出特性分析，(b)部分为车载端为构型
②
时，谐振网络输出特性分析，(c)部分为构型
③
时，谐振网络输出特性分析，(d)部分为构型
④
时，谐振网络输出特性分析)；
50.图9为本发明所提供的一种电动汽车无线充电控制方法流程示意图。
具体实施方式
51.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.本发明的目的是提供一种电动汽车无线充电系统及控制方法，能够实现多车型设备的智能适配。
53.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
54.如图1所示，本发明所提供的一种电动汽车无线充电系统，包括：pfc模块、高频逆变器、可投切拓扑结构、接收线圈、副边补偿网路、整流模块以及斩波模块。
55.所述pfc模块与电网连接；所述pfc模块用于将自电网的工频交流电压变换为中间级直流电压。
56.所述高频逆变器的输入端与所述pfc模块的输出端连接，所述高频逆变器的输出端与所述可投切拓扑结构的输入端连接；所述高频逆变器用于对中间级直流电压进行逆变，产生高频交流电。
57.所述可投切拓扑结构包括：辅助电感l
f1
、主电感l1以及开关k1；辅助电感l
f1
与主电感l1并联，主电感l1与开关k1串联；辅助电感l
f1
和主电感l1均为正交解耦线圈；所述可投切拓扑结构用于根据车载端设备的构型控制开关k1的通断，进而实现通过辅助电感l
f1
传能或主电感l1传能；所述车载端设备的构型包括：车载端设备的线圈类型和补偿拓扑种类。
58.所述接收线圈在交变磁场的影响下，感应出高频交流电压，并与副边补偿网络形成谐振，进而将高频交流电压通过整流模块以及斩波模块传递至电池进行充电。
59.本发明提出的可投切拓扑结构是基于lcc高阶补偿的地面端可投切拓扑；可投切拓扑结构为图1中的原边补偿网络和发射线圈；常规的lcc补偿只使用主电感l1作为传输线圈，而辅助电感l
f1
只起到补偿元件的作用。本发明中辅助电感l
f1
兼具补偿和传能的功用，因此，无线充电系统中地面端的两个线圈(辅助电感l
f1
和主电感l1)均可传能。
60.如图3中的(a)部分所示，常规的lcc-lcc补偿网络中主电感l1和l2之间存在磁通量，对应的互感系数为m
12’，因此作为系统的传输线圈(分别为发射线圈和接收线圈)。而辅助电感l
f1
和l
f2
之间不存在耦合的磁通量，或者耦合的磁通量很小以至于可以忽略(原因：
①
辅助电感使用不同极性类型的线圈，实现了解耦
②
辅助电感的尺寸较小并且相距较远)。所以辅助电感之间的互感系数m
f1f2’近似为0，辅助电感不能传输功率，只起到补偿元件的作用。
61.如图3中的(b)部分所示，本发明使用的双耦合lcc-lcc补偿网络，其辅助电感l
f1
和
l
f2
均使用同类型的线圈，并且尺寸较大，两者耦合的磁通量不可忽略，对应的互感系数为m
f1f2
。因此，该系统的辅助电感既起到补偿元件的作用，又能够传输功率。
62.为了体现与多车型设备的兼容性，单极性类型选择矩形线圈作为代表(圆形、方形其实也可以)，双极性类型选择dd线圈作为代表。且矩形和dd线圈之间容易实现解耦。
63.本发明使用正交解耦式线圈，如图4所示。以图2为例，实施例1中主电感l1为dd线圈，辅助电感l
f1
为矩形线圈。在其他场景，也可使用主电感为矩形线圈，辅助电感为dd线圈的方案，如图5所示。
64.因此，为了应对车载端设备潜在的单极性线圈和双极性线圈，地面端设备必须同时包含单极性线圈和双极性线圈。但是若考虑将圆形、方形线圈作为单极性线圈的代表，则还有四种方案：
①
圆形主电感、dd辅助电感
②
dd主电感、圆形辅助电感；
③
方形主电感、dd辅助电感
④
dd辅助电感、方形辅助电感。
65.为了满足额定工况下的传输功率要求，会对主电感l和辅助电感lf的取值范围有目标范围。以辅助电感lf为例，假定其设计目标值为50uh～60uh，若使用矩形线圈(对应第一种方案)，对应的参数可能是400mm
×
500mm，8匝；若使用dd线圈(对应第二种方案)，对应的参数可能是300mm
×
300mm，7匝。因此，只要自感和互感达到目标范围，两种方案线圈的改变主要影响是线圈的尺寸和匝数。
66.主电感l1的支路增加了开关k1，k1可以是继电器或双向功率开关，通过控制该支路的通断，地面端的补偿分别表现为lcc和s拓扑。
67.如图6所示，车载端设备的构型包括：
①
传能线圈为矩形，补偿为s拓扑；
②
传能线圈为dd，补偿为s拓扑；
③
传能线圈为矩形，补偿为lcc拓扑；
④
传能线圈为dd，补偿为lcc拓扑。
68.如图7所示，分析了为不同的车载端设备传输功率时，地面端设备的工作状态。
69.若车载端为构型
①
，为避免互操作性较差的双极性线圈和单极性线圈组合，将k1断开，则地面端拓扑切换为s补偿，通过辅助电感l
f1
与主电感l2传输能量，此时无线充电系统的补偿网络为s-s。
70.若车载端为构型
②
，主电感l1和l2均为双极性线圈，则闭合k1，通过主线圈传输能量，此时无线充电系统的补偿网络为lcc-s。
71.若车载端为构型
③
，为避免互操作性较差的双极性线圈和单极性线圈组合，将k1断开，则地面端拓扑切换为s补偿，通过辅助电感l
f1
与主电感l2传输能量，此时无线充电系统的补偿网络为s-lcc。
72.若车载端为构型
④
，主电感l1和l2均为双极性线圈，则闭合k1，通过主线圈传输能量，此时无线充电系统的补偿网络为lcc-lcc。
73.无线充电系统中，传能线圈和补偿网络共同组成了谐振网络，其参数对传输功率有极大的影响。本发明令各谐振腔工作在纯谐振条件，ω0为标称角频率，则参数满足以下关系：
74.对于地面端谐振网络，
75.对于车载端谐振网络，若为s补偿，则
76.若为lcc补偿，则
77.一般而言，补偿电感lf的取值范围往往在0.1～0.3l，需根据传输功率、效率、电压和电流应力、软开关条件等参数进行设计选取。
78.接下来以各种工作模式下的谐振网络为研究对象，如图8所示，分别对应车载端构型
①
～
④
。其中r
eq
为等效负载电阻，u
p
和us分别为变换器激励电压的有效值，若地面端直流母线电压和电池电压分别为v1和v2，高频逆变器和整流器均为全桥电路，则激励电压的基波最大有效值分别为：
[0079][0080]
各工作模式下的输出特性和最大传输功率总结如表1，其中k代表电感之间的耦合系数，i
out
代表谐振腔输出电流。表1如下所示：
[0081]
表1
[0082][0083][0084]
如图9所示，本发明还提供一种电动汽车无线充电控制方法，应用于所述的一种电动汽车无线充电系统，控制方法包括：
[0085]
获取车载端设备的构型；
[0086]
根据车载端设备的构型控制开关k1的通断，进而实现通过辅助电感l
f1
传能或主电感l1传能；
[0087]
结合充电电流和功率需求，控制pfc模块调节直流母线电压、控制高频逆变器改变
谐振腔端口电压、控制斩波模块的占空比以调节输出直流电压、控制整流模块改变谐振腔端口电压；
[0088]
根据实时获取的电池电压和剩余容量，判断是否充电完成。
[0089]
所述获取车载端设备的构型，之前还包括：
[0090]
判断电动汽车是否驶入无线充电车位或场地。
[0091]
所述获取车载端设备的构型，具体包括：
[0092]
通过无线通信模块获取车载端设备的构型；所述无线通信模块包括：wi-fi、蓝牙或nfc。
[0093]
所述根据车载端设备的构型控制开关k1的通断，进而实现通过辅助电感l
f1
传能或主电感l1传能，具体包括：
[0094]
若车载端设备的构型中传能线圈的线圈类型与辅助电感l
f1
的线圈类型一致，则断开开关k1，通过辅助电感l
f1
传能；
[0095]
若车载端设备的构型中传能线圈的线圈类型与主电感l1的线圈类型一致，则闭合开关k1，通过主电感l1传能。
[0096]
控制的整体流程为：
[0097]
步骤(1)：搭载无线充电系统车载端的电动汽车驶入无线充电车位或场地，保证泊车偏移在容忍裕度内，系统完成初始化。
[0098]
步骤(2)：通过wi-fi、蓝牙、nfc等无线通信模块，车载端设备将线圈类型、补偿拓扑种类、电池电压和剩余容量等信息发送至地面端设备。
[0099]
步骤(3)：根据接收到的信息，若车载端为构型
①
(矩形线圈和s补偿拓扑)和构型
③
(矩形线圈和lcc补偿拓扑)，则断开开关k1，地面端表现为s补偿，通过辅助电感传能；若车载端为构型
②
(dd线圈和s补偿拓扑)和构型
④
(dd线圈和lcc补偿拓扑)，则闭合开关k1，地面端表现为lcc补偿，通过主电感传能。
[0100]
步骤(4)：结合充电电流和功率需求，无线充电系统借助以下方式完成控制：地面端设备通过控制pfc模块以调节直流母线电压、地面端设备通过控制高频逆变器(如移相控制)以改变谐振腔端口电压、车载端设备通过控制斩波模块的占空比以调节输出直流电压、车载端设备通过控制整流模块(如移相控制)以改变谐振腔端口电压。系统最多具有以上四个控制变量，可根据需求灵活选取。
[0101]
步骤(5)：车载端的电压传感器、电流传感器将采集到的数据发送至控制器，若未达到目标电流/电压/功率，则继续控制上述变换器直至达到目标值。
[0102]
本发明由单、双极性线圈组成的正交解耦式线圈，分别作为lcc补偿拓扑的辅助电感或主电感。其中辅助电感兼具补偿和传能两大功用。可投切的lcc补偿拓扑，其中开关位于主电感所在支路，其可以是继电器或双向功率开关。借助天然具备较优互操作性的线圈和补偿拓扑类型，提出了车载端设备的最优构型组合。多车型设备智能适配流程：面对不同的线圈和补偿拓扑构型组成的车载端设备，地面端设备相应的投切方案和工作模式。各组合的谐振网络参数匹配设计方法，以满足不同组合的最大输出功率需求。无线充电系统的控制方法：最多可以控制pfc模块、高频逆变器、整流器、直流斩波器等四个变换器，可控变量多(可根据实际情况选择若干项)。
[0103]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他
实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0104]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。