一种兼容双工作频点的拓扑结构原边电路、变压电路变压器和充电装置

1.涉及无线电能传输技术，具体涉及电能传输电路。


背景技术：

2.随着环境问题与能源压力的突出，电动汽车的推广受到了世界各国的青睐。电动汽车无线充电技术解决了传统有线充电方式存在的接口磨损老化、易受环境影响以及潜在的漏电和电击等问题，具有安全、可靠、供电灵活、环境适应性强等特点，应用前景十分广阔。
3.常规无线充电设备通常工作在固定频段，但根据目前国家无线电管理局的《无线充电(电力传输)设备无线电管理暂行规定》：额定传输功率大于22kw但不超过120kw的电动汽车无线充电设备应当工作在19-21khz频段，额定传输功率不超过22kw的电动汽车无线充电设备应当工作在79-90khz频段，二者频率完全不同，而常规的无线充电系统难以支持两个频点下正常工作，因此22kw以上无线充电发射设备难以兼容22kw以下的无线充电接收设备。
4.当22kw以上无线充电发射设备为22kw以下的无线充电接收设备进行充电时，此时功率按照22kw以下的功率进行输入，因此系统可以工作在79-90khz频段，因此问题的关键在于实现20khz下谐振的原边补偿拓扑与85khz下谐振的副边补偿拓扑之间的互操作，如图1和图2所示。
5.现有技术文献：
6.美国密歇根大学团队提出了双边lcc型补偿拓扑，具备两个谐振频点，其中一个谐振频率与线圈间的耦合系数、负载条件均无关，使系统可以在单一恒定的开关频率下工作。
7.武汉大学团队提出了一种新的lccc/s拓扑及相应参数调整方法。分别在两个不同的工作频点获得恒流和恒压充电模式，使无线充电系统可以在两个频点下获得负载无关特性。
8.西南交通大学麦瑞坤团队开发了一种中间线圈，通过两个开关重新配置中间谐振电路，以应对不同的充电模式需求。
9.福州大学研究团队提出了一种简单可重构拓扑，借助逆变器的半桥与全桥工作模式，仅引入一个继电器实现恒压与恒流的切换。
10.常规的无线充电系统难以支持两个频点下正常工作对现有技术的造成的问题在于：
11.1.现有的常规lcc补偿拓扑的两个谐振频点只有一个谐振频点的谐振条件与负载无关，另一个谐振频点会显著受到负载及耦合系数影响。
12.2.现有的具有恒压/恒流两种充电模式的改进型双频点拓扑，仅适用于互感固定的场合，谐振频点会随着互感变化而漂移。
13.3.由于高频情况下的趋肤效应，在补偿网络中使用开关切换会产生较高的导通损
耗，严重影响开关使用寿命，系统长期工作的可靠性难以保证。


技术实现要素：

14.为解决现有技术中存在的常规的无线充电系统难以支持两个频点下正常工作的问题，本发明提供的技术方案为：
15.一种兼容双工作频点的拓扑结构原边电路，其特征在于，所述电路包括：电感l
f1
、线圈l
p
、电容c
p
、电容c
f2
、电容c
f1
、电容ca和电感la，所述电感l
f1
与所述电容c
f1
串联作为平衡模块，所述平衡模块、电容c
p
和线圈l
p
串联作为主路，所述电容c
f2
作为支路与所述电容c
p
和线圈l
p
并联，所述电容ca和所述电感la并联后串联在所述的支路中。
16.进一步，提供一个优选实施例，所述电感l
f1
的电感参数与所述线圈l
p
的电感参数一致。
17.进一步，提供一个优选实施例，所述电容c
f1
的电容参数与所述电容c
p
的电容参数一致。
18.进一步，提供一个优选实施例，所述电感la和所述电容ca之间满足：
[0019][0020]
其中，ω1＝2πf1，f1∈[19,21]khz。
[0021]
进一步，提供一个优选实施例，所述线圈l
p
和所述电容c
p
之间满足：
[0022][0023]
其中，ω1＝2πf1，f1∈[19,21]khz。
[0024]
进一步，提供一个优选实施例，所述电感l
f1
、电容c
f1
、电容c
f2
、电感la和电容ca之间满足：
[0025][0026]
其中，ω2＝2πf2，f2∈[79,90]khz。
[0027]
基于同一发明构思，本发明还提供了一种兼容双工作频点的拓扑结构变压电路，包括变压电路副边，所述电路包括所述的一种兼容双工作频点的拓扑结构电路，所述一种兼容双工作频点的拓扑结构电路作为所述变压电路的原边，所述线圈l
p
作为所述原边的初级线圈。
[0028]
基于同一发明构思，本发明还提供了一种兼容双工作频点的变压器，所述变压器采用所述的一种兼容双工作频点的拓扑结构变压电路作为所述变压器的工作电路。
[0029]
基于同一发明构思，本发明还提供了一种兼容双工作频点的无线充电装置，所述无线充电装置包括所述的一种兼容双工作频点的电压器，所述变压器的变压电路副边作为所述无线充电装置的输出端。
[0030]
进一步，提供几个优选实施例，所述装置用于为电动汽车充电。
[0031]
本发明的有益之处在于：
[0032]
本发明提供的一种兼容双工作频点的拓扑结构原边电路借助补偿拓扑自身的双频点重构特性，无需开关切换，避免了开关损耗，保障了系统长期工作的可靠性。
[0033]
本发明提供的一种兼容双工作频点的拓扑结构原边电路在副边为阻性反射阻抗的情况下，在两个谐振频点下均可实现零输入阻抗角，同时拓扑的两个谐振频点与副边的反射阻抗无关，提高了系统的稳定性。
[0034]
本发明提供的一种兼容双工作频点的拓扑结构原边电路补偿电感与线圈的自感值完全相同，支持多模块/多传输能道扩展，具有更好的兼容性。
[0035]
适合应用于电动汽车无线充电设备。
附图说明
[0036]
图1为背景技术中提到的在19-21khz频段工作的现有的原边和副边拓扑电路；
[0037]
图2为背景技术中提到的在79-90khz频段工作的现有的原边和副边拓扑电路；
[0038]
图3为实施方式一中提到的一种兼容双工作频点的拓扑结构原边电路的示意图；
[0039]
图4为实施方式一中提到的一种兼容双工作频点的拓扑结构原边电路与高频(79-90khz)lcc副边补偿拓扑互操作的相频特性；
[0040]
其中纵坐标代表互操作情况下输入侧的阻抗角，横坐标代表互操作情况下的激励频率，k表示原边线圈与副边线圈的耦合系数，re表示副边侧的等效负载。
[0041]
图5为实施方式一中提到的一种兼容双工作频点的拓扑结构原边电路与高频低频(19-21khz)串联副边补偿拓扑互操作的相频特性。
[0042]
其中纵坐标代表互操作情况下输入侧的阻抗角，横坐标代表互操作情况下的激励频率，k表示原边线圈与副边线圈的耦合系数，re表示副边侧的等效负载。
具体实施方式
[0043]
为使本发明提供的技术方案的优点和有益之处体现得更清楚，现结合附图对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，具体的：
[0044]
实施方式一、结合图3-5说明本实施方式，本实施方式提供了一种兼容双工作频点的拓扑结构原边电路，其特征在于，所述电路包括：电感l
f1
、线圈l
p
、电容c
p
、电容c
f2
、电容c
f1
、电容ca和电感la，所述电感l
f1
与所述电容c
f1
串联作为平衡模块，所述平衡模块、电容c
p
和线圈l
p
串联作为主路，所述电容c
f2
作为支路与所述电容c
p
和线圈l
p
并联，所述电容ca和所述电感la并联后串联在所述的支路中。
[0045]
该拓扑结构如图2所示。其中在低频段(19-21khz)，c
p
与l
p
组成串联谐振支路，la和ca组成并联谐振回路，c
f1
与c
p
相等，l
f1
与l
p
相等，而在高频段(79-90khz)，l
f1
与c
f1
所在支路与la、ca与c
f2
所在支路谐振，具体谐振条件如下：
[0046][0047]
在该谐振拓扑中，c
f2
主要用于平衡并联支路的电容值，降低对la的电感值需求，c
f1
主要用于平衡并联支路两端阻抗，在低频下抑制并联谐振回路的环流。
[0048]
在低频段(19-21khz)，la和ca组成的并联谐振回路阻抗近似无穷，该拓扑重构为串联拓扑，而在高频段(79-90khz)，l
f1
与c
f1
所在感性支路重构为电感，la、ca与c
f2
所在容性支路重构为电容，该拓扑重构为lcc拓扑。
[0049]
在副边谐振的条件下，即副边的反射阻抗为阻性的情况下，该拓扑在两个谐振频点下均可以实现零输入阻抗角，同时谐振频点理论上与反射阻抗无关，即反射阻抗值不影响系统谐振状态如图4、图5所示。
[0050]
分别为一种兼容双工作频点的拓扑结构原边电路与高频(79-90khz)lcc副边补偿拓扑互操作的相频特性和一种兼容双工作频点的拓扑结构原边电路与高频低频(19-21khz)串联副边补偿拓扑互操作的相频特性。
[0051]
由图4和图5可以得出，一种兼容双谐振频点的拓扑结构原边电路在与两个频点的副边补偿拓扑进行互操作时，均存在输入阻抗角为零的稳定谐振频点，两个谐振频点理论上均不随耦合系数与等效负载的变化而产生漂移，该特性使互操作过程中可以工作在固定频点，对比现有技术方案，该方案有效保障了双频点工作的稳定性。
[0052]
该兼容双谐振频点的拓扑结构由基本lcc电路演化而来，ca与la并联回路的引入使该补偿拓扑具备了不同频点的阻抗重构特性，使其能兼容两种不同的工作频点，而cf1的引入平衡了该t型电路结构两侧的阻抗，有效改善了并联谐振回路引入带来的环流问题，同时使该拓扑结构参数呈现对称特性，使其支持多传输能道/多模块的扩展。
[0053]
实施方式二、本实施方式是对实施方式一提供的一种兼容双工作频点的拓扑结构电路的进一步限定，所述电感l
f1
的电感参数与所述线圈l
p
的电感参数一致。
[0054]
实施方式三、本实施方式是对实施方式二提供的一种兼容双工作频点的拓扑结构电路的进一步限定，所述电容c
f1
的电容参数与所述电容c
p
的电容参数一致。
[0055]
实施方式四、本实施方式是对实施方式一提供的三种兼容双工作频点的拓扑结构电路的进一步限定，所述电感la和所述电容ca之间满足：
[0056][0057]
其中，ω1＝2πf1，f1∈[19,21]khz。
[0058]
实施方式五、本实施方式是对实施方式四提供的一种兼容双工作频点的拓扑结构电路的进一步限定，所述线圈l
p
和所述电容c
p
之间满足：
[0059][0060]
其中，ω1＝2πf1，f1∈[19,21]khz。
[0061]
实施方式六、本实施方式是对实施方式五提供的一种兼容双工作频点的拓扑结构电路的进一步限定，所述电感l
f1
、电容c
f1
、电容c
f2
、电感la和电容ca之间满足：
[0062][0063]
其中，ω2＝2πf2，f2∈[79,90]khz。
[0064]
实施方式七、本实施方式提供了一种兼容双工作频点的拓扑结构变压电路，包括变压电路副边，所述电路包括实施方式一或六任意一项提供的一种兼容双工作频点的拓扑结构电路，所述一种兼容双工作频点的拓扑结构电路作为所述变压电路的原边，所述线圈l
p
作为所述原边的初级线圈。
[0065]
具体的其中的副边电路采用常规副边电路即可，比如采用常规串联副边电路或常规lcc副边电路。
[0066]
所述一种兼容双工作频点的拓扑结构电路中，所述主路的两端作为电路输入端，线圈l
p
作为电路初级线圈。
[0067]
实施方式八、本实施方式提供了一种兼容双工作频点的变压器，所述变压器采用实施方式七提供的一种兼容双工作频点的拓扑结构变压电路作为所述变压器的工作电路。
[0068]
具体的，该实施方式中提供的变压器，采用所述输入端作为变压器的电源输入端，线圈l
p
作为变压器的初级线圈，采用现有常规副边电路，比如采用常规串联副边电路或常规lcc副边电路的线圈作为次级线圈，且常规串联副边电路或常规lcc副边电路的输出端为变压器的输出端。
[0069]
实施方式九、本实施方式提供了一种兼容双工作频点的无线充电装置，所述无线充电装置包括实施方式八提供的一种兼容双工作频点的电压器，所述变压器的变压电路副边作为所述无线充电装置的输出端。
[0070]
实施方式十、本实施方式是对实施方式九提供的一种兼容双工作频点的无线充电装置的进一步限定，所述装置用于为电动汽车充电。
[0071]
满足额定传输功率大于22kw但不超过120kw的电动汽车无线充电设备应当工作在19-21khz频段，额定传输功率不超过22kw的电动汽车无线充电设备应当工作在79-90khz频段的要求。
[0072]
实施方式十一、结合图3说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一提供的一种兼容双工作频点的拓扑结构原边电路提供的一种具体的操作方式，具体的：
[0073]
首先确定原边线圈l
p
自感，基于实施方式五中的谐振公式，根据原边线圈l
p
自感与谐振频率计算串联谐振电容c
p
的容值，然后选择一个合适的la，la理论上电感值越高，低频工况下的la所在并联回路的环流越小，传输效率越高；而la电感值的增加通常会导致其内阻
与体积的增加，因此该电感值并没有具体的选择标准，主要根据具体应用场景与应用需求选择，根据实施方式四中的公式基于la与谐振频率计算电容ca，根据实施方式六中的公式计算c
f2
的值，c
f1
与线圈自感保持一致，c
f1
与串联谐振电容c
p
保持一致。以兼容85khz与20khz为例，该拓扑的具体设计步骤如下：
[0074]
step1：确定线圈结构，通过仿真或测量手段获取原边发射线圈自感值，作为l
p
的自感值。
[0075]
step2：通过发射线圈与串联电容c
p
在20khz下的谐振公式，该公式对应实施方式五中的公式，可命名为低频点线圈支路谐振条件/公式，计算求得串联电容的电容值，l
f1
的电感值与线圈l
p
自感保持一致，c
f1
的电容值与串联电容c
p
的电容值保持一致。
[0076]
step3：根据需求合理选择并联补偿电感la，la的电感值越高，则20khz工作条件下并联谐振腔的环流越小。
[0077]
step4：根据并联补偿电感la与其并联的电容ca在20khz下的谐振公式，该公式对应实施方式四中的公式,可命名为低频点并联回路谐振条件/谐振公式，计算求得电容ca的电容值。
[0078]
step5：根据l
f1
与c
f1
所在感性支路，该感性支路不包括cp和la、ca与c
f2
所在容性支路在85khz下的谐振公式该公式对应实施方式六中的公式，可命名为高频点谐振条件/谐振公式，计算c
f2
的电容值。
[0079]
step6：按照图2所示连接电路，即可获得同时兼容20khz与85khz的原边补偿拓扑电路。
[0080]
以上通过几个具体实施方式对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，是为了突出本发明的优点和有益之处，不过以上所述的几个实施方式仅仅用于进一步描述本发明的技术方案，并不用于作为对本发明的限制，任何基于本发明的精神和原则范围内的，对本发明的技术方案的修改的改进、实施方式的组合和等同替换等，均应当包含在本发明的保护范围之内。