CN104868608B - 一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统,用于电动汽车和电网的电能传输,该系统包括控制器和结构相同的正向电能传输回路和反向电能传输回路,所述的正向电能传输回路和反向电能传输回路均包括依次连接的功率源模块、升压/滤波模块、逆变/整流模块和电磁转换模块,所述的功率源模块、升压/滤波模块、逆变/整流模块和电磁转换模块分别与控制器连接。与现有技术相比,本发明具有多自由度、多控制方式、效率高、升压比大、灵活性高、控制系统简单、双向传输等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种车载无线电能传输系统,尤其是涉及一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统。
背景技术
传统有线充电方法不能实现电动汽车自动充电,违背了电动汽车使用者对便捷性的要求,同时有线充电过程会对操作者产生高压电击危险。无线电能传输技术恰好可以解决上述问题,用一对磁能发射及接收模块代替传统有线电缆,将电能先变为磁能,在接收并转换为电能,然后充入动力电池中。无线电能传输技术可以实现安全、便捷、全自动的充电过程,并对恶劣应用环境具有较强的适应性。
随着电动汽车渗透率不断提高,其可以作为分布式储能电源,即V2G技术,用于平抑区域电网波动。当无线电能传输技术与V2G技术相结合,不仅可实现双向无线充电的全自动化,而且可以推动V2G技术普及应用,此时要求系统具有双向能量传输功能。无线电能传输技术一般依靠H桥逆变电路将直流电斩波为高频交流电,以激励源边磁能发射机构产生交变磁场,通过副边磁能接收机构接收、转换、整流为直流电,然后充入电池。然而实际车载应用中,底盘与地面之间的距离在每次充电时都有可能不同,车载电池组端电压随着充电过程也会不断升高,因此需要相应的功率调节装置。典型的功率调节装置是Buck、Boost、Buck-Boost电路,但是额外的DC-DC环节会增大系统体积,降低系统效率,同时传统的H桥逆变电路移相控制功率调节范围有限。
中国专利CN102593963A公开了一种基于大规模无线电能传输技术的电网架构,包括电动汽车和车载电池,其中,电动汽车上设有车载电池;其特征在于:还包括接收装置、发射装置、地下电缆和分布式电源,其中,分布式电源设于公路附近,发射装置连续埋设于公路路面下方,所述发射装置与附近的分布式电源借助地下电缆连接,并从分布式电源处接收电能;电动汽车上设有接收装置,其与发射装置建立功率无线传递,并利用接收的电能为车载电池充电。但是该系统无法进行双向电能传输,限制了汽车与电网间的电能交换,并且控制方式复杂,不能对电能进行多自由度的控制,不易操作和实施。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多自由度、多控制方式、效率高、升压比大、灵活性高、控制系统简单、双向传输的双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统,用于电动汽车和电网的电能传输,该系统包括控制器和结构相同的正向电能传输回路和反向电能传输回路,所述的正向电能传输回路和反向电能传输回路均包括依次连接的功率源模块、升压/滤波模块、逆变/整流模块和电磁转换模块,所述的功率源模块、升压/滤波模块、逆变/整流模块和电磁转换模块分别与控制器连接。
所述的升压/滤波模块包括依次串联的首个升压/滤波环节和多个结构相同的其他升压/滤波环节,所述的首个升压/滤波环节与功率源模块连接,所述的其他升压/滤波环节与逆变/整流模块连接。
所述的首个升压/滤波环节包括第一电容Cp1、第二电容Cp2、第一继电器开关Relayp1、第二继电器开关Relayp2、第一电感Lp1、开关单元和第二电感Lp2,所述的功率源模块正极、第一电感Lp1、开关单元、第二电感Lp2与其他升压/滤波环节依次串联,所述的第一电容Cp1的正极连接到开关单元与第二电感Lp2之间,第一电容Cp1的负极与功率源模块的负极连接,所述的第一继电器开关Relayp1一端与功率源模块正极连接,另一端与第一电容Cp1的正极连接,所述的第二电容Cp2一端连接到第一电感Lp1与开关单元之间,另一端与第二继电器开关Relayp2的一端连接,所述的第二继电器开关Relayp2的另一端与其他升压/滤波环节连接。
所述的其他升压/滤波环节包括第三电容Cp3、第四电容Cp4、第三继电器开关Relayp3、第四继电器开关Relayp4、第三电感Lp3和开关单元,所述的第二电感Lp2、开关单元与第三电感Lp3依次串联,所述的第三电容Cp3的正极连接到开关单元与第三电感Lp3之间,第三电容Cp3的负极与功率源模块的负极连接,所述的第三继电器开关Relayp3一端与第二电感Lp2连接,另一端与第三电容Cp3的正极连接,所述的第四电容Cp4一端连接到第二电感Lp2与开关单元之间,另一端与第四继电器开关Relayp4的一端连接,所述的第四继电器开关Relayp4的另一端与相邻的其他升压/滤波环节连接。
所述的开关单元为功率二极管或功率开关。
所述的逆变/整流模块为H桥逆变电路。
所述的电磁转换模块包括电感Lp和多个并联的开关电容组,所述的电感Lp与逆变/整流模块的一个输出端连接,所述的开关电容组与逆变/整流模块的另一个输出端连接,所述的开关电容组包括相互连接的谐振电容Cp和谐振继电器开关Rp。
所述的升压/滤波模块设有准阻抗源级联升压模式和多阶LC滤波模式,所述的逆变/整流模块设有逆变模式和同步整流模式。
所述的逆变/整流模块为逆变模式时,升压/滤波模块设有三种控制方式,分别为移相控制、直通控制及自由谐振控制。
所述的电磁转换模块为单线圈、两线圈、三线圈或多线圈结构。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
一、多自由度、多控制方式:本发明进行功率调节时,具有三个功率调节自由度,分别为升压/滤波环节级联个数,用以调节H桥输出方波幅值大小,H桥逆变电路的移相、直通及自由谐振控制用以调节H桥输出方波脉宽持续时间或者输出方波串个数,开关电容阵列用以调节系统工作频率,调节范围宽、精度高,并且具有灵活的控制方式。
二、效率高、升压比大:本发明进行功率调节时,采用准阻抗源级联升压拓扑,相比于传统的DC-DC变换拓扑,无有源器件,控制过程集成于逆变/整流模块,提高系统效率,同时级联连接可以实现短直通时间获取大升压比。
三、灵活性高:本发明不仅采用传统的H桥逆变电路移相控制策略,同时增加了直通控制与自由谐振控制,增加了控制的灵活性。
四、控制系统简单:本发明电磁转换模块的谐振拓扑结构包括LCL拓扑或LC串联拓扑,两种拓扑结构均可以直接对动力电池包进行恒流充电,反射阻抗均呈纯阻性,不需考虑传输距离及负载状态变化引起的系统失谐问题,降低了控制系统的复杂性。
五、双向传输:本发明不仅适用于双向无线电能传输,也可应用于单向传输场合,不仅适用于直流至直流应用场合,也适用于交流至直流的应用场合。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明升压/滤波模块两种工作模式的等效电路图,其中,图(2a)为升压/滤波模块2处于准阻抗源级联升压工作模式下的等效电路图,图(2b)为升压/滤波模块2处于多阶LC滤波工作模式下的等效电路图。
图3为本发明升压/滤波模块升压模式下的直通和非直通控制下等效电路图,其中,图(3a)为直通控制下的等效电路图,图(3b)为非直通控制下的等效电路图。
图4为本发明逆变/整流模块逆变模式下基本移相直通控制时序图。
图5为本发明逆变/整流模块逆变模式下移相直通自由谐振控制时序图。
图6为本发明电磁转换模块的两种谐振拓扑结构图,其中,图(6a)为LC串联拓扑电容补偿阵列结构图,图(6b)为LCL拓扑电容补偿阵列结构图。
其中,1、功率源模块,2、升压/滤波模块,3、逆变/整流模块,4、电磁转换模块,5、控制器模块,Vbattery1和Vbattery2为功率源模块中的功率源,Lp1-LP4、Ls1-Ls4、Lp和Ls均为电感,Cp1-Cpn和Cs1-Csn为电容,S1-S8为逆变/整流模块中的功率开关,Relayp1-Relaypn、Relays1-Relaysn均为继电器开关,Dp1-Dp3和Ds1-Ds3均为功率二极管,Sp1-Sp3和Ss1-Ss3均为功率开关。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例:
一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统,用于电动汽车和电网的电能传输,该系统适用于车载单向及双向无线电能传输应用,适用交流至直流及直流至直流应用,该系统包括控制器5和结构相同的正向电能传输回路和反向电能传输回路,正向电能传输回路和反向电能传输回路均包括依次连接的功率源模块1、升压/滤波模块2、逆变/整流模块3和电磁转换模块4,功率源模块1、升压/滤波模块2、逆变/整流模块3和电磁转换模块4分别与控制器5连接。
升压/滤波模块2有两种工作模式,一种是准阻抗源级联升压模式,一种是多阶LC滤波模式,对应着两种不同的功率流流向,通过控制升压/滤波模块中的继电器开关的关断及闭合实现,当升压/滤波模块2工作于级联升压模式时,通过控制逆变/整流模块3中H桥逆变电路单桥臂或双桥臂直通时间,可实现短直通时间获得大升压比,以调节逆变/整流模块3输出正负方波幅值大小,实现了第一个功率调节自由度;逆变/整流模块3由四个功率开关组成,有两种工作模式,一种是典型的逆变模式,一种是同步整流模式,这两种工作模式需与升压/滤波模块2相配合,逆变模式对应升压/滤波模块2的准阻抗源级联升压模式,同步整流模式对应升压/滤波模块2的多阶LC滤波模式,当逆变/整流模块3工作于逆变模式时,其有三种控制方式,分别为移相控制、直通控制及自由谐振控制,其中直通控制是配合升压/滤波模块2实现输出正负方波幅值调节,移相控制决定了输出正负方波脉宽时间,自由谐振控制决定了不连续输出时的正负方波串个数,三者之间的互相组合形成了一种灵活的功率调节策略,实现了第二个功率调节自由度,电磁转换模块4是由磁能线圈及开关电容阵列组成的,通过控制继电器开关的闭合和关断,使不同容值接入谐振网络,同时实时调节逆变/整流模块3的工作频率为谐振腔谐振频率,通过系统谐振工作频率的改变实现系统传输功率的调节,为第三个功率调节自由度,借助于所述的三个功率调节自由度,可实现双向无线电能传输功率的灵活控制,控制器模块5对功率源模块1及电磁转换模块4进行电流电压采样,经过运算处理后控制升压/滤波模块2、逆变/整流模块3及电磁转换模块4,进行相应的传输功率调节。
本系统的工作原理如下:
如图1所示,因为本系统的结构是对称结构,所以仅以图1上半部分为例进行相应阐述,上半部分中所有元件的下标为p,下半部分中所有元件的下标为s。
本装置可以实现多自由度功率调节,有三个调节自由度,分别为升压/滤波模块2中升压/滤波环节级联个数,逆变/整流模块3中H桥逆变电路的移相、直通及自由谐振控制,电磁转换模块4中的开关电容阵列,并且具有两种功率流流向,一种是由功率源模块1中的Vbattery1流出,流入Vbattery2中,在该功率流流向的前提下,与Vbattery1相连的升压/滤波模块2工作于准阻抗源级联升压模式,与其相连的逆变/整流模块3应工作在逆变模式,而与Vbattery2相连的升压/滤波模块2应工作于多阶LC滤波模式,与其相连的逆变/整流模块3工作于整流模式。另一种是由功率源模块1中的Vbattery2流出,流入Vbattery1中,在该功率流流向前提下,系统工作模式正好与上述流向的工作模式相反。
升压/滤波模块2包括电感Lp1、Lp2、Lp3和Lp4,电容Cp1、Cp2、Cp3、Cp4、Cp5和Cp6,功率二极管Dp1、Dp2和Dp3或功率开关Sp1、Sp2和Sp3,继电器开关Relayp1、Relayp2、Relayp3、Relayp4、Relayp5和Relayp6,首个升压/滤波环节由电感Lp1、Lp2、电容Cp1、Cp2、功率二极管Dp1或者Sp1、继电器开关Relayp1及Relayp2组成,而之后的其他升压/滤波环节则减少一个电感。升压/滤波模块2中可以有一个或多个升压环节,其中虚线部分代表还可以加入多个升压/滤波环节。当继电器开关Relayp1、Relayp3和Relayp5断开,而Relayp2、Relayp4和Relayp6闭合时,升压/滤波模块2工作于准阻抗源级联升压模式。当继电器开关Relayp1、Relayp3和Relayp5闭合,而Relayp2、Relayp4和Relayp6断开时,升压滤波模块2工作于多阶LC滤波模式,如图2所示,其中,图(2a)为升压/滤波模块2处于准阻抗源级联升压工作模式下的等效电路图,图(2b)为升压/滤波模块2处于多阶LC滤波工作模式下的等效电路图。当升压/滤波模块2工作于准阻抗源升压模式时,根据与其相连的逆变/整流模块3中H桥逆变电路单或双桥臂是否直通,可以进一步分为两种工作模式,如图3所示,一种是直通模式,如图(3a)所示,一种是非直通模式,如图(3b)所示,当升压/滤波模块2处于准阻抗源升压模式中的直通模式时,升压/滤波模块2的多个升压/滤波环节中的电容给电感充电,对应电感中电流上升,而处于非直通模式时,电感和电容一起对外供电,实现升压功能,对应电感中电流下降,直通模式下升压/滤波模块2不向外输出功率,非直通模式下才向外输出功率,逆变/整流模块3包括四个功率开关S1、S2、S3及S4,若其无体寄生二极管则需要在其两端并联上二极管。该模块有三种控制方式,分别为移相控制、直通控制及自由谐振控制,其中最基本的移相直通控制时序如图4所示,在每个周期内均插入直通控制,直通控制由滞后桥臂功率开关S3及S4同时导通实现,当然也可以是超前桥臂功率开关S1和S2同时导通实现。每半个谐振周期T分别由移相时间TP、直通时间TS、输出时间TE及死区时间TD组成,其中直通时间TS配合升压/滤波模块2决定了逆变/整流模块3输出正负方波幅值大小。由于逆变/整流模块3输出正负方波脉宽时间由死区时间TD、移相时间TP及直通时间TS之和决定,但死区时间TD与直通时间TS一般都会被限制住,因此移相时间TP决定了逆变/整流模块3输出正负方波脉宽时间。当逆变/整流模块3加入自由谐振控制时,其输出正负方波会由连续输出变为不连续输出,如图5所示,此时一个完整控制周期时间由移相控制时间、直通控制时间及自由谐振控制时间之和决定,其中直通控制的插入可以按图5所示方式插入,也可以在移相控制内插入,同时该三种控制方式可以自由组合。图5中移相控制与图4所示控制方式相同,直通控制由滞后桥臂的开关S3与S4同时导通实现,自由谐振控制由开关S2与S3同时导通实现。在图5中,移相控制中的死区时间为1us,移相时间为2us,开关S1、S2、S3及S4的脉宽持续时间为9us,因此逆变/整流模块3输出电压波形是脉宽时间为7us,半周期为10us的一个方波功率信号,在此移相控制中,无直通时间插入。直通控制由S3和S4同时导通实现,持续20us,该时间在一个完整周期所占的比例决定了逆变/整流模块3输出正负方波幅值大小。自由谐振控制由S2与S3同时导通实现,也可以是S1与S4同时导通实现,持续20us,该时间的长短同样影响着升压/滤波模块2的升压比大小。在该控制时间内,逆变/整流模块3不向外输出方波功率信号,直到下一个移相控制过程到来。
电磁转换模块4通过控制相应的继电器开关即可控制接入谐振腔的电容容值大小,以改变谐振腔谐振频率,进而通过改变系统谐振工作频率达到调节传输功率目的。该模块中谐振网络拓扑可以为LC串联拓扑或者LCL拓扑,如图6所示,其中,图(6a)为LC串联拓扑电容补偿阵列结构图,图(6b)为LCL拓扑电容补偿阵列结构图,其中电感Lpc感值与Lp相同,用于补偿谐振网络中虚功。
Claims (9)
1.一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统,用于电动汽车和电网的电能传输,其特征在于,该系统包括控制器(5)和结构相同的正向电能传输回路和反向电能传输回路,所述的正向电能传输回路和反向电能传输回路均包括依次连接的功率源模块(1)、升压/滤波模块(2)、逆变/整流模块(3)和电磁转换模块(4),所述的功率源模块(1)、升压/滤波模块(2)、逆变/整流模块(3)和电磁转换模块(4)分别与控制器(5)连接,所述的升压/滤波模块(2)包括依次串联的首个升压/滤波环节和多个结构相同的其他升压/滤波环节,所述的首个升压/滤波环节与功率源模块(1)连接,所述的其他升压/滤波环节与逆变/整流模块(3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统,其特征在于,所述的首个升压/滤波环节包括第一电容Cp1、第二电容Cp2、第一继电器开关Relayp1、第二继电器开关Relayp2、第一电感Lp1、开关单元和第二电感Lp2,所述的功率源模块(1)正极、第一电感Lp1、开关单元、第二电感Lp2与其他升压/滤波环节依次串联,所述的第一电容Cp1的正极连接到开关单元与第二电感Lp2之间,第一电容Cp1的负极与功率源模块(1)的负极连接,所述的第一继电器开关Relayp1一端与功率源模块(1)正极连接,另一端与第一电容Cp1的正极连接,所述的第二电容Cp2一端连接到第一电感Lp1与开关单元之间,另一端与第二继电器开关Relayp2的一端连接,所述的第二继电器开关Relayp2的另一端与其他升压/滤波环节连接。
3.根据权利要求2所述的一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统,其特征在于,所述的其他升压/滤波环节包括第三电容Cp3、第四电容Cp4、第三继电器开关Relayp3、第四继电器开关Relayp4、第三电感Lp3和开关单元,所述的第二电感Lp2、开关单元与第三电感Lp3依次串联,所述的第三电容Cp3的正极连接到开关单元与第三电感Lp3之间,第三电容Cp3的负极与功率源模块(1)的负极连接,所述的第三继电器开关Relayp3一端与第二电感Lp2连接,另一端与第三电容Cp3的正极连接,所述的第四电容Cp4一端连接到第二电感Lp2与开关单元之间,另一端与第四继电器开关Relayp4的一端连接,所述的第四继电器开关Relayp4的另一端与相邻的其他升压/滤波环节连接。
4.根据权利要求2或3所述的一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统,其特征在于,所述的开关单元为功率二极管或功率开关。
5.根据权利要求1所述的一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统,其特征在于,所述的逆变/整流模块(3)为H桥逆变电路。
6.根据权利要求1所述的一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统,其特征在于,所述的电磁转换模块(4)包括电感Lp和多个并联的开关电容组,所述的电感Lp与逆变/整流模块(3)的一个输出端连接,所述的开关电容组与逆变/整流模块(3)的另一个输出端连接,所述的开关电容组包括相互连接的谐振电容Cp和谐振继电器开关Rp。
7.根据权利要求1所述的一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统,其特征在于,所述的升压/滤波模块(2)设有准阻抗源级联升压模式和多阶LC滤波模式,所述的逆变/整流模块(3)设有逆变模式和同步整流模式。
8.根据权利要求7所述的一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统,其特征在于,所述的逆变/整流模块(3)为逆变模式时,升压/滤波模块(2)设有三种控制方式,分别为移相控制、直通控制及自由谐振控制。
9.根据权利要求1所述的一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统,其特征在于,所述的电磁转换模块(4)为单线圈、两线圈、三线圈或多线圈结构。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |