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制造方法及图纸

本发明专利技术公开了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，传输装置包括整流模块、发射端稳压模块及高频逆变模块，发射端耦合谐振线圈，接收端耦合谐振线圈、接收端谐振电路电容、接收端整流模块及接收端稳压模块，可变的谐振补偿电路模块，可变的谐振补偿电路模块的输入端与高频逆变模块的输出端连接，输出端与发射端耦合谐振线圈连接；检测控制模块，用于充电参数和输入参数信息，驱动MOS管的开断和可控开关的开断。在恒流充电阶段，应用串/串谐振补偿拓扑，在恒压充电阶段，应用LCC/串谐振补偿拓扑；在不改变电动汽车侧接收端装置的前提下有效满足电动汽车充电的独特需求，并兼顾了无线电能传输系统效率与功率的最优。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及无线电能传输
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：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CS，可控开关S1和电容CS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CS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。本专利技术的有益效果：(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为本专利技术的组成示意图；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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征是，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。

【技术特征摘要】
1.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，其特征是，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。2.如权利要求1所述谐振补偿拓扑可变的磁耦合谐振无线电能传输装置，其特征是，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CS，可控开关S1和电容CS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CS连接。3.如权利要求1或2所述谐振补偿拓扑可变的磁耦合谐振无线电能传输装置，其特征是，可控开关为双向开关，由两个MOS管反向串联构成。4.如权利要求1所述谐振补偿拓扑可变的磁耦合谐振无线电能传输装置，其特征是，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。5.如权利要求4所述谐振补偿拓扑可变的磁耦合谐振无线电能传输装置，其特征是，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔纳新，李超群，国玉刚，张承慧，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37