一種雙向多自由度功率調(diào)節(jié)的車載無線電能傳輸系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種車載無線電能傳輸系統(tǒng)，尤其是涉及一種雙向多自由度功率調(diào)節(jié)的車載無線電能傳輸系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)有線充電方法不能實現(xiàn)電動汽車自動充電，違背了電動汽車使用者對便捷性的要求，同時有線充電過程會對操作者產(chǎn)生高壓電擊危險。無線電能傳輸技術(shù)恰好可以解決上述問題，用一對磁能發(fā)射及接收模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)有線電纜，將電能先變?yōu)榇拍埽诮邮詹⑥D(zhuǎn)換為電能，然后充入動力電池中。無線電能傳輸技術(shù)可以實現(xiàn)安全、便捷、全自動的充電過程，并對惡劣應(yīng)用環(huán)境具有較強的適應(yīng)性。
[0003]隨著電動汽車滲透率不斷提高，其可以作為分布式儲能電源，即V2G技術(shù)，用于平抑區(qū)域電網(wǎng)波動。當(dāng)無線電能傳輸技術(shù)與V2G技術(shù)相結(jié)合，不僅可實現(xiàn)雙向無線充電的全自動化，而且可以推動V2G技術(shù)普及應(yīng)用，此時要求系統(tǒng)具有雙向能量傳輸功能。無線電能傳輸技術(shù)一般依靠H橋逆變電路將直流電斬波為高頻交流電，以激勵源邊磁能發(fā)射機構(gòu)產(chǎn)生交變磁場，通過副邊磁能接收機構(gòu)接收、轉(zhuǎn)換、整流為直流電，然后充入電池。然而實際車載應(yīng)用中，底盤與地面之間的距離在每次充電時都有可能不同，車載電池組端電壓隨著充電過程也會不斷升高，因此需要相應(yīng)的功率調(diào)節(jié)裝置。典型的功率調(diào)節(jié)裝置是BucKBoost、Buck-Boost電路，但是額外的DC-DC環(huán)節(jié)會增大系統(tǒng)體積，降低系統(tǒng)效率，同時傳統(tǒng)的H橋逆變電路移相控制功率調(diào)節(jié)范圍有限。
[0004]中國專利CN102593963A公開了一種基于大規(guī)模無線電能傳輸技術(shù)的電網(wǎng)架構(gòu)，包括電動汽車和車載電池，其中，電動汽車上設(shè)有車載電池；其特征在于:還包括接收裝置、發(fā)射裝置、地下電纜和分布式電源，其中，分布式電源設(shè)于公路附近，發(fā)射裝置連續(xù)埋設(shè)于公路路面下方，所述發(fā)射裝置與附近的分布式電源借助地下電纜連接，并從分布式電源處接收電能；電動汽車上設(shè)有接收裝置，其與發(fā)射裝置建立功率無線傳遞，并利用接收的電能為車載電池充電。但是該系統(tǒng)無法進(jìn)行雙向電能傳輸，限制了汽車與電網(wǎng)間的電能交換，并且控制方式復(fù)雜，不能對電能進(jìn)行多自由度的控制，不易操作和實施。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種多自由度、多控制方式、效率高、升壓比大、靈活性高、控制系統(tǒng)簡單、雙向傳輸?shù)碾p向多自由度功率調(diào)節(jié)的車載無線電能傳輸系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0007]—種雙向多自由度功率調(diào)節(jié)的車載無線電能傳輸系統(tǒng)，用于電動汽車和電網(wǎng)的電能傳輸，該系統(tǒng)包括控制器和結(jié)構(gòu)相同的正向電能傳輸回路和反向電能傳輸回路，所述的正向電能傳輸回路和反向電能傳輸回路均包括依次連接的功率源模塊、升壓/濾波模塊、逆變/整流模塊和電磁轉(zhuǎn)換模塊，所述的功率源模塊、升壓/濾波模塊、逆變/整流模塊和電磁轉(zhuǎn)換模塊分別與控制器連接。
[0008]所述的升壓/濾波模塊包括依次串聯(lián)的首個升壓/濾波環(huán)節(jié)和多個結(jié)構(gòu)相同的其他升壓/濾波環(huán)節(jié)，所述的首個升壓/濾波環(huán)節(jié)與功率源模塊連接，所述的其他升壓/濾波環(huán)節(jié)與逆變/整流模塊連接。
[0009]所述的首個升壓/濾波環(huán)節(jié)包括第一電容Cpl、第二電容Cp2、第一繼電器開關(guān)Relaypl、第二繼電器開關(guān)Relayp2、第一電感Lpl、開關(guān)單元和第二電感Lp2，所述的功率源模塊正極、第一電感Lpl、開關(guān)單元、第二電感Lp2與其他升壓/濾波環(huán)節(jié)依次串聯(lián)，所述的第一電容Cpl的正極連接到開關(guān)單元與第二電感Lp2之間，第一電容Cpl的負(fù)極與功率源模塊的負(fù)極連接，所述的第一繼電器開關(guān)Relaypl—端與功率源模塊正極連接，另一端與第一電容Cpl的正極連接，所述的第二電容Cp2—端連接到第一電感Lpl與開關(guān)單元之間，另一端與第二繼電器開關(guān)Relayp2的一端連接，所述的第二繼電器開關(guān)Relay p2的另一端與其他升壓/濾波環(huán)節(jié)連接。
[0010]所述的其他升壓/濾波環(huán)節(jié)包括第三電容Cp3、第四電容Cp4、第三繼電器開關(guān)Relayp3、第四繼電器開關(guān)Relayp4、第三電感Lp3和開關(guān)單元，所述的第二電感L p2、開關(guān)單元與第三電感Lp3依次串聯(lián)，所述的第三電容C p3的正極連接到開關(guān)單元與第三電感L p3之間，第三電容Cp3的負(fù)極與功率源模塊的負(fù)極連接，所述的第三繼電器開關(guān)Relay p3—端與第二電感Lp2連接，另一端與第三電容C p3的正極連接，所述的第四電容C p4—端連接到第二電感Lp2與開關(guān)單元之間，另一端與第四繼電器開關(guān)Relayp4的一端連接，所述的第四繼電器開關(guān)Relayp4的另一端與相鄰的其他升壓/濾波環(huán)節(jié)連接。
[0011]所述的開關(guān)單元為功率二極管或功率開關(guān)。
[0012]所述的逆變/整流模塊為H橋逆變電路。
[0013]所述的電磁轉(zhuǎn)換模塊包括電感Lp和多個并聯(lián)的開關(guān)電容組，所述的電感Lp與逆變/整流模塊的一個輸出端連接，所述的開關(guān)電容組與逆變/整流模塊的另一個輸出端連接，所述的開關(guān)電容組包括相互連接的諧振電容Cp和諧振繼電器開關(guān)Rp。
[0014]所述的升壓/濾波模塊設(shè)有準(zhǔn)阻抗源級聯(lián)升壓模式和多階LC濾波模式，所述的逆變/整流模塊設(shè)有逆變模式和同步整流模式。
[0015]所述的逆變/整流模塊為逆變模式時，升壓/濾波模塊設(shè)有三種控制方式，分別為移相控制、直通控制及自由諧振控制。
[0016]所述的電磁轉(zhuǎn)換模塊為單線圈、兩線圈、三線圈或多線圈結(jié)構(gòu)。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0018]一、多自由度、多控制方式:本發(fā)明進(jìn)行功率調(diào)節(jié)時，具有三個功率調(diào)節(jié)自由度，分別為升壓/濾波環(huán)節(jié)級聯(lián)個數(shù)，用以調(diào)節(jié)H橋輸出方波幅值大小，H橋逆變電路的移相、直通及自由諧振控制用以調(diào)節(jié)H橋輸出方波脈寬持續(xù)時間或者輸出方波串個數(shù)，開關(guān)電容陣列用以調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作頻率，調(diào)節(jié)范圍寬、精度高，并且具有靈活的控制方式。
[0019]二、效率高、升壓比大:本發(fā)明進(jìn)行功率調(diào)節(jié)時，采用準(zhǔn)阻抗源級聯(lián)升壓拓?fù)?，相比于傳統(tǒng)的DC-DC變換拓?fù)洌瑹o有源器件，控制過程集成于逆變/整流模塊，提高系統(tǒng)效率，同時級聯(lián)連接可以實現(xiàn)短直通時間獲取大升壓比。
[0020]三、靈活性高:本發(fā)明不僅采用傳統(tǒng)的H橋逆變電路移相控制策略，同時增加了直通控制與自由諧振控制，增加了控制的靈活性。
[0021]四、控制系統(tǒng)簡單:本發(fā)明電磁轉(zhuǎn)換模塊的諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括LCL拓?fù)浠騆C串聯(lián)拓?fù)洌瑑煞N拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均可以直接對動力電池包進(jìn)行恒流充電，反射阻抗均呈純阻性，不需考慮傳輸距離及負(fù)載狀態(tài)變化引起的系統(tǒng)失諧問題，降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。
[0022]五、雙向傳輸:本發(fā)明不僅適用于雙向無線電能傳輸，也可應(yīng)用于單向傳輸場合，不僅適用于直流至直流應(yīng)用場合，也適用于交流至直流的應(yīng)用場合。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為本發(fā)明升壓/濾波模塊兩種工作模式的等效電路圖，其中，圖(2a)為升壓/濾波模塊2處于準(zhǔn)阻抗源級聯(lián)升壓工作模式下的等效電路圖，圖(2b)為升壓/濾波模塊2處于多階LC濾波工作模式下的等效電路圖。
[0025]圖3為本發(fā)明升壓/濾波模塊升壓模式下的直通和非直通控制下等效電路圖，其中，圖(3a)為直通控制下的等效電路圖，圖(3b)為非直通控制下的等效電路圖。
[0026]圖4為本發(fā)明逆變/整流模塊逆變模式下基本移相直通控制時序圖。
[0027]圖5為本發(fā)明逆變/整流模塊逆變模式下移相直通自由諧振控制時序圖。
[0028]圖6為本發(fā)明電磁轉(zhuǎn)換模塊的兩種諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其中，圖(6a)為LC串聯(lián)拓?fù)潆娙菅a償陣列結(jié)構(gòu)圖，圖(6b)為LCL拓?fù)潆娙菅a償陣列結(jié)構(gòu)圖。
[0029]其中，1、功率源模塊，2、升壓/濾波模塊，3、逆變/整流模塊，4、電磁轉(zhuǎn)換模塊，5、控制器模塊，Vbatteryl和Vbattery2為功率源模塊中的功率源，Lp「LP4、Lsl-Ls4, L 3均為電感，Cp「Cp# C sl-CsnS電容，S1-S8為逆變/整流模塊中的功率開關(guān)，Relay pl_Relaypn、Relaysl-Relaysn 均為繼電器開關(guān)，D pl_Dp# D sl_Ds3 均為功率二極管，S pl_SpjP S sl_Ss3 均為功率開關(guān)。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0031]實施例:
[0032]一種雙向多自由度功率調(diào)節(jié)的車載無線電能傳輸系統(tǒng)，用于電動汽車和電網(wǎng)的電能傳輸，該系統(tǒng)適用于車載單向及雙向無線電能傳輸應(yīng)用，適用交流至直流及直流至直流應(yīng)用，該系統(tǒng)包括控制器5和結(jié)構(gòu)相同的正向電能傳輸回路和反向電能傳輸回路，正向電能傳輸回路和反向電能傳輸回路均包括依次連接的功率源模塊1、升壓/濾波模塊2、逆變/整流模塊3和電磁轉(zhuǎn)換模塊4，功率源模塊1、升壓/濾波模塊2、逆變/整流模塊3和電磁轉(zhuǎn)換模塊4分別與控制器5連接。
[0033]升壓/濾波模塊2有兩種工作模式，一種是準(zhǔn)阻抗源級聯(lián)升壓模式，一種是多階LC濾波模式，對應(yīng)著兩種不同的功率流流向，通過控制升壓/濾波模塊中的繼電器開關(guān)的關(guān)斷及閉合實現(xiàn)，當(dāng)升壓/濾波模塊2工作于級聯(lián)升壓模式時，通過控制逆變/整流模塊3中H橋逆變電路單橋臂或雙橋臂直通時間，可實現(xiàn)短直通時間獲得大升壓比，以調(diào)節(jié)逆變/整流模塊3輸出正負(fù)方波幅值大小，實現(xiàn)了第一個功率調(diào)節(jié)自由度；逆變/整流模塊3由四個功率開關(guān)組成，有兩種工作模式，一種是典型的逆變模式，一種是同步整流模式，這兩種工作模式需與升壓/濾波模塊2相配合，逆變模式對應(yīng)升壓/濾波模塊2的準(zhǔn)阻抗源級聯(lián)升壓模式，同步整流模式對應(yīng)升壓/濾波模塊2的多階LC濾波模式，當(dāng)逆變/整流模塊3工作于逆變模式時，其有三種控制方式，分別為移相控制、直通控制及自由諧振控制，其中直通控制是配合升壓/濾波模塊2實現(xiàn)輸出正負(fù)方波幅值調(diào)節(jié)，移相控制決定了輸出正負(fù)方波脈寬時間，自由諧振控制決定了不連續(xù)輸出時的正負(fù)方波串個數(shù)，三者之間的互相組合形成了一種靈活的功率調(diào)節(jié)策略，實現(xiàn)了第二個功率調(diào)節(jié)自由度，電磁轉(zhuǎn)換模塊4是由磁能線圈及開關(guān)電容陣列組成的，通過控制繼電器開關(guān)的閉合和關(guān)斷，使不同容值接入諧振網(wǎng)絡(luò)，同時實時調(diào)節(jié)逆變/整流模塊3的工作頻率為諧振腔諧振頻率，通過系統(tǒng)諧振工作頻率的改變實現(xiàn)系統(tǒng)傳輸功率的調(diào)節(jié)，為第三個功率調(diào)節(jié)自由度，借助于所述的三個功率調(diào)節(jié)自由度，可實現(xiàn)