谐振补偿拓扑可变的磁耦合谐振无线电能传输装置及方法与流程

本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及谐振补偿拓扑可变的磁耦合谐振无线电能传输装置及方法。

背景技术：

近年来化石燃料的日益减少和环境问题的日益严重引起了全球的关注。电动汽车能量转换效率高，零排放等特点使其成为汽车行业发展的必然趋势；大规模电动汽车作为移动储能装备也将成为第三次工业革命(能源互联网)的重要支柱。但是目前电池技术已成为电动汽车发展的最大短板，也是电动汽车目前无法取代传统汽车的根本原因和核心问题。电动汽车电池成本高、能量密度低、充电时间长、使用风险大等问题严重制约其产业的发展。无线电能传输技术为电动汽车的发展提供了一条新路。利用无线电能传输技术，电动汽车充电时可以避免直接的电接触，有效减少充电时事故发生的可能。同时，利用无线电能传输技术可以实现一对一、多对一、一对多、多对多的充电，操作灵活且节约充电设施。除此之外无线电能传输技术最大的优点是可以实现移动中充电，从而减少电动汽车电池的容量，使其更加轻便实用。

磁场耦合谐振式无线电能传输方法通过磁场，实现电能由发射端传输到接收端，并且利用电路谐振和共振原理，加强了发射端与接收端之间的耦合，提高传输效率。该方法电磁辐射较小，对生命体影响小，对其他频率的电子产品影响小，传输距离适中，对于非金属材料的和小型的金属材料的障碍物穿透能力极强，对位移和角度的变化不敏感；但该方法传输效率不如电磁感应式方法，频率的波动对系统效率影响很大。

磁场耦合谐振式无线电能传输方法由于其诸多优点，成为电动汽车无线充电方法的首选。目前磁场耦合谐振式无线电能传输方法常见的谐振补偿拓扑包括四种基本拓扑：串/串(SS)拓扑、串/并(SP)拓扑、并/串(PS)拓扑、并/并(PP)拓扑；还包括一些新型拓扑如：LCC拓扑、LCL拓扑等等。每种拓扑都具有其独特的输出特点，各具优势，常根据应用场合的不同考虑选用。但由于电池的机理和特点，电池内阻在充电过程中不断变化，即便是最简单也是最常用的充电方法——恒流恒压充电策略也具有两个工作阶段：恒流阶段和恒压阶段，应用单一谐振补偿方案的无线电能传输系统无法高效的满足其要求。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供谐振补偿拓扑可变的磁耦合谐振无线电能传输装置及方法，通过开关器件改变发射端电路谐振补偿拓扑，可以在电动汽车充电的不同阶段应用不同的谐振补偿拓扑。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

谐振补偿拓扑可变的磁耦合谐振无线电能传输装置，包括依次串联的整流模块、发射端稳压模块及高频逆变模块，发射端耦合谐振线圈，依次串联的接收端耦合谐振线圈、接收端谐振电路电容、接收端AC/DC整流模块及接收端稳压模块，

还包括可变的谐振补偿电路模块，在可控开关的控制下变换成不同的谐振拓扑状态，所述可变的谐振补偿电路模块的输入端与所述高频逆变模块的输出端连接，输出端与所述发射端耦合谐振线圈连接；

还包括检测控制模块，用于检测充电电池的充电参数和高频逆变模块的输入参数信息，驱动高频逆变模块中的MOS管的开断和可变的谐振补偿电路模块中可控开关的开断。

所述可变的谐振补偿电路模块包括串联的电感L₀、可控开关S₁和电容C_S，可控开关S₁和电容C_S的公共端连接电容C₁的一端，所述C₁的另一端同时连接可控开关S₁的一端和可控开关S₃的一端，所述可控开关S₁的另一端连接到电感L₀和高频逆变模块连接的点，所述可控开关S3的另一端连接到所述发射端耦合谐振线圈的一端，所述发射端耦合谐振线圈的另一端与所述电容C_S连接。

可控开关为双向开关，由两个MOS管反向串联构成。

所述检测控制模块包括微控制器，所述微控制器的输入端与发射侧电压电流检测电路和无线数据接收模块连接，输出端与驱动电路连接，所述无线数据接收模块与无线数据传输模块通信，所述无线数据传输模块与接收侧充电参数检测电路通信。

接收侧充电参数检测电路检测电动汽车电池充电时的电压、电流、温度参数通过无线数据传输模块将数据传输到无线数据接收模块；发射侧电压电流检测电路检测高频逆变模块的输入电压电流数据；

微处理器根据接收到的数据给出控制信号，来控制高频逆变模块的输入电压稳定，控制逆变模块的驱动信号的占空比来控制电池充电电压电流，控制可变的谐振补偿电路模块拓扑状态的切换，并将控制信号传输到驱动电路，驱动电路从而生产驱动信号，控制可控开关的开断。

所述可变的谐振补偿电路模块和发射端耦合谐振线圈组成发射侧耦合谐振电路；接收端耦合谐振线圈和接收端谐振电路电容组成接收侧耦合谐振电路；两者通过磁场耦合传递能量，实现电能的无线传输；高频逆变模块的高频逆变频率、发射侧谐振频率、接收侧谐振频率三者相等时实现共振加强电路耦合。

可变的谐振补偿电路模块中的电感电容值满足以下条件：

其中，L₂＝kL₁，k为接收侧与发射侧谐振线圈电感比值，L₀＝pL₁，0<p<1。

可控开关S₁和S₃断开，S₂开通时，可变的谐振补偿电路模块与发射端耦合谐振线圈组成串/串谐振补偿拓扑，可控开关S₂断开，S₁和S₃开通时，可变的谐振补偿电路模块与发射端耦合谐振线圈组成LCC谐振电路。

高频逆变模块，为一个全桥逆变电路；接收端AC/DC整流模块，为单相全桥整流电路。

采用所述谐振补偿拓扑可变的磁耦合谐振无线电能传输装置的控制方法，包括，

在恒流充电阶段，检测控制模块驱动可控开关S₂开通，可控开关S₁、S₃关断，可变的谐振补偿电路模块与发射端耦合谐振线圈组成串串谐振补偿拓扑，输出特性近似于恒流源；

在恒压充电阶段，检测控制模块驱动可控开关S₁、S₃开通，可控开关S₂关断，可变的谐振补偿电路模块与发射端耦合谐振线圈组成LCC谐振电路，输出特性近似于恒压源；

检测控制模块通过检测的高频逆变模块的输入电压电流数据，驱动高频逆变模块中的MOS管，保证高频逆变模块的输入电压稳定可控；

检测控制模块通过驱动高频逆变模块的MOS管，并结合由可变的谐振补偿电路模块和发射端耦合谐振线圈组成的发射侧耦合谐振电路，利用高频逆变模块中的电容和对应的反并联二极管实现零电压开关逆变。

本发明的有益效果：

(1)由于采用可变谐振补偿电路，且两种拓扑输出特性分别近似于恒流源和恒压源，减小了控制的难度，兼顾了无线电能传输系统效率与功率，更为适合应用于电动汽车无线充电领域。

(2)采用谐振补偿拓扑可变的无线电能传输装置并没有改变车载接收侧装置的结构，不会增加车载接收侧的装置的重量和体积。

(3)实现了零电压软开关逆变，减小了MOS管的开关损耗，提高了系统效率。

(4)由于采用可变谐振补偿拓扑，使得系统的控制更加灵活，能够适用于要求恒压源或恒流源供电的各种场合，拓宽了该无线电能传输系统的应用范围。

附图说明

图1为本发明的组成示意图；

图2为可变的谐振补偿电路主电路图；

图3为可变的谐振补偿电路的主要工作模式；

图3(a)为串/串谐振拓扑状态恒流源模式；

图3(b)为LCL/串谐振拓扑状态恒压源模式。

其中1、检测控制模块；2、三相AC/DC整流模块；3、发射端稳压模块；4、DC/AC高频逆变模块5、可变的谐振补偿电路模块；6、发射端耦合谐振线圈；7、接收端耦合谐振线圈；8、接收端谐振电路电容；9、接收端AC/DC整流模块；10、接收端稳压模块；11、蓄电池；12、三相电源。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，谐振补偿拓扑可变的磁耦合谐振无线电能传输装置，包括检测控制模块1，整流模块(三相AC/DC整流模块2)，发射端稳压模块3，DC/AC高频逆变模块4，可变的谐振补偿电路模块5，发射端耦合谐振线圈6，接收端耦合谐振线圈7，接收端谐振电路电容8，接收端AC/DC整流模块9，接收端稳压模块10，蓄电池11，三相电源12。

检测控制模块1，包括微控制器、发射侧电压电流检测电路、驱动电路、接收侧充电参数检测电路、无线数据传输模块和无线数据接收模块。

接收侧充电参数检测电路检测电动汽车电池11充电时的电压、电流、温度等关键参数通过无线数据传输模块将数据传输到发射侧装置；然后无线数据接收模块将接收到的数据传输到微控制器，微控制器根据这些数据和来自发射侧电压电流检测电路检测到高频逆变模块4的输入电压电流等数据，给出控制信号，来控制高频逆变模块4的输入电压稳定，控制逆变模块4的驱动信号的占空比来控制电池充电电压电流，控制谐振补偿拓扑的切换，并将以上控制信号传输到驱动电路；驱动电路从而生产驱动信号，控制MOS管的开断，实现对无线电能传输装置的控制。

三相AC/DC整流模块2，为三相全桥整流电路，包括六个MOS管Q₁-Q₆，通过控制MOS管驱动信号的占空比，实现对逆变模块输入电压V_in的调节。三相AC/DC整流模块2将三相电源12的交流电整流为直流。

发射端稳压模块3，为一个稳压滤波电容C_i，将三相AC/DC整流模块整流得到的直流电进行滤波稳压。

DC/AC高频逆变模块4，为一个全桥逆变电路。全桥电路由4个MOS管Q₁₁-Q₁₄和4个电容C₁₁-C₁₄组成，电容C₁₁-C₁₄依次与MOS管Q₁₁-Q₁₄并联，全桥电路中MOS管Q₁₁、Q₁₃组成一对桥臂，MOS管Q₁₂、Q₁₄组成另一对桥臂，4个MOS管受驱动电路控制，形成逆变电路。可变的谐振补偿电路模块5和发射端耦合谐振线圈6组成谐振软开关电路，减少4个MOS管Q₁₁-Q₁₄的开关损耗。实现零电压软开关。

可变的谐振补偿电路模块5，包括电感L₀、电容C_S、电容C₁、双向开关S₁、S₂、S₃，其中双向开关为两个MOS管反向串联构成，通过控制双向开关的开断，实现发射侧谐振补偿电路在LCC补偿和串联补偿之间切换。

可变的谐振补偿电路模块5和发射端耦合谐振线圈6组成发射侧耦合谐振电路，接收端耦合谐振线圈7和接收端谐振电路电容8组成接收侧耦合谐振电路，两者通过磁场耦合传递能量，实现电能的无线传输。为了利用共振加强电路耦合，要令系统高频逆变频率、发射侧谐振频率、接收侧谐振频率三者相等，即：

ω₀＝ω₁＝ω₂＝ω

为了实现发射端和接收端在该频率下谐振，系统电容电感取值应满足：

令L₂＝kL₁，L₀＝pL₁，(0<p<1),则：

发射端耦合谐振线圈6L₁，与谐振补偿电路组成谐振电路，利用发射端与接收端之间的强耦合，将高频交流电能量发射出去。

接收端耦合谐振线圈7L₂，与接收端谐振电路电容8C₂组成串联谐振电路，接收由谐振耦合磁场传递来的能量。

接收端稳压模块10，为一个稳压滤波电容C_o，对接收端AC/DC整流模块整流得到的直流电进行滤波稳压。

接收端AC/DC整流模块9，为单相全桥整流电路，包括4个二极管D1-D4，其中二极管D₁、D₃组成一对桥臂，二极管D₂、D₄组成另一对桥臂，整流电路将接收到的高频交流电整流成直流电，然后经过接收端稳压模块10，即滤波稳压电容Co，得到较为稳定的直流电，对蓄电池11进行充电。

图2和图3(a)-图3(b)是对可变的谐振补偿拓扑的进一步说明，图2是可变的谐振补偿拓扑的主电路图，图3(a)-图3(b)是可变的谐振补偿拓扑两种工作模式的电路图，下面依据图2和图3(a)-图3(b)对可变谐振补偿拓扑的两种工作模式和一种谐振补偿拓扑可变的磁耦合谐振式无线电能传输装置的控制方法进行进一步的说明：

检测控制模块1通过发射侧电压电流检测电路检测的高频逆变模块4的输入电压电流等数据，驱动MOS管Q₁-Q₆，保证高频逆变模块4的输入电压稳定可控。检测控制模块1通过驱动高频逆变模块4的MOS管Q₁₁-Q₁₄，并结合发射端谐振电路，利用电容C₁₁-C₁₄和对应的反并联二极管实现零电压开关逆变。检测控制模块1通过控制高频逆变模块4的输入电压和其驱动信号，实现对电池充电电流电压的精确控制。

在电动汽车充电时，由于电池的特性，一般先进行恒流充电，在恒流充电阶段，如图3(a)所示，检测控制模块1驱动S₂开通，S₁、S₃关断，电容C₁、电容C_S和电感L₁三个元件串联连接，并且阻抗匹配、串联谐振；无线电能传输系统切换为串串谐振补偿拓扑，输出特性近似于恒流源。在恒压充电阶段，如图3(b)所示，检测控制模块1驱动S₁、S₃开通，S₂关断，电感L₀、电容C₁、电容C_S和电感L₁四个元件组成LCC谐振电路；无线电能传输系统切换为LCC/串谐振补偿拓扑，输出特性近似于恒压源。结合上述检测控制模块1对三相AC/DC整流模块2和DC/AC高频逆变模块4的控制，实现兼顾效率和功率的电动汽车无线充电。

谐振补偿拓扑可变的磁耦合谐振无线电能传输装置的方法：

针对电池内阻一般较小且在充电过程中不断变化这一特点，在恒流充电阶段，检测控制模块驱动S₂开通，S₁、S₃关断，无线电能传输系统切换为串串谐振补偿拓扑，输出特性近似于恒流源；在恒压充电阶段，检测控制模块驱动S₁、S₃开通，S₂关断，无线电能传输系统切换为LCC/串谐振补偿拓扑，输出特性近似于恒压源。

检测控制模块通过发射侧电压电流检测电路检测的高频逆变模块的输入电压电流等数据，驱动MOS管Q₁-Q₆，保证高频逆变模块的输入电压稳定可控。检测控制模块通过驱动高频逆变模块的MOS管Q₁₁-Q₁₄，并结合发射端谐振电路，利用电容C₁₁-C₁₄和对应的反并联二极管实现零电压开关逆变。

检测控制模块通过控制高频逆变模块的输入电压和其驱动信号，结合可变谐振补偿拓扑模块的控制，实现兼顾效率和功率的电动汽车恒流恒压无线充电。

下面结合以上对谐振补偿拓扑可变的磁耦合谐振式无线电能传输装置的工作原理的说明对本发明的有益效果做进一步说明：

(1)由于采用可变谐振补偿电路，其中串/串谐振补偿拓扑的输出特性近似于恒流源，而LCC/串谐振补偿拓扑的输出特性近似于恒压源，在不同的充电阶段应用不同的拓扑，减小了控制的难度，兼顾了无线电能传输系统效率与功率，更为适合应用于电动汽车无线充电领域。

(2)如图1所示，采用谐振补偿拓扑可变的无线电能传输装置并没有改变车载接收侧装置的结构，仍然应用的是串联拓扑，也没有增加开关器件，不会增加车载接收侧的装置的重量和体积。

(3)高频逆变模块4中利用电容和MOS管并联，结合驱动信号的控制，实现了零电压软开关逆变，减小了MOS管的开关损耗，提高了系统效率。

(4)由于采用可变谐振补偿拓扑，其中串/串谐振补偿拓扑的输出特性近似于恒流源，而LCC/串谐振补偿拓扑的输出特性近似于恒压源，两种不同的输出特性使得系统的控制更加灵活，能够适用于要求恒压源或恒流源供电的各种场合，拓宽了该无线电能传输系统的应用范围。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。