CN105846683A - 高效率宽调压sp/s谐振补偿电动汽车无线充电拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

一种导通损耗小、系统效率高、电路结构简单、稳定性好的高效率宽调压SP/S谐振补偿电动汽车无线充电拓扑结构，包括发射端电路、接收端电路和升压电路，所述发射端电路由直流电源、全桥逆变电路、串并联谐振补偿网络和发射端线圈组成，接收端电路由接收端线圈、串联谐振补偿网络、单相全桥整流器组成，所述升压电路是由并联在所述整流器输出端的电容Ca、串联在电容Ca两端的电感Lt和调节开关S、连接在电感Lt和调节开关S的结点的二极管D、连接在电感Ld和电容Ca的结点和与二极管D对应的负载端之间的电容Cb组成，所述二极管D负极和调节开关S的另一端为负载端，所述负载端接有负载R。

Description

高效率宽调压SP/S谐振补偿电动汽车无线充电拓扑结构
技术领域
本发明涉及电动汽车无线充电技术，尤其涉及一种高效率宽调压SP/S(串并联/串联)谐振补偿电动汽车无线充电拓扑结构。
背景技术
近年来，随着能源危机以及环境问题日趋严重，混合动力汽车和纯电动汽车因其环保优势引起人们越来越多的关注。无线充电技术因其具有便捷、安全、环境适应性强的优势也越来越受到重视。目前，电动汽车用无线充电技术普遍采用感应式无线充电技术，系统通过高频磁场耦合，透过空气隙把能量从车外发射端传递到车载接收端。感应式无线充电及系统发射端与接收端线圈的松散电磁耦合，把能量透过一定的纵向空气距离(1-20cm)从发射端传递到接收端。在实际应用中，通常要求接收端输出电压保持恒定；而为了提高系统的功率传输能力以及带多接收端的能力，通常要求系统采用定频控制且发射端线圈电流保持恒定。为了实现以上目标，目前主要方法为针对各个控制目标引入闭环控制，包括发射、端控制和接收端控制。发射端控制包括：增加DC/DC变换电路，移相控制等，实现发射端恒频恒流控制。接收端控制包括：在发射端增加Buck或者Boost型DC/DC变换器等，实现发射端输出电压恒定。传统的闭环控制均能够达到较好的效果，但是闭环控制产生系统电路结构复杂，稳定性降低等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种导通损耗小、系统效率高、电路结构简单、稳定性好的高效率宽调压SP/S谐振补偿电动汽车无线充电拓扑结构。
本发明的技术解决方案是：一种高效率宽调压SP/S谐振补偿电动汽车无线充电拓扑结构，其特殊之处是：包括发射端电路、接收端电路和升压电路，所述发射端电路由直流电源、全桥逆变电路、串并联谐振补偿网络和发射端线圈组成，接收端电路由接收端线圈、串联谐振补偿网络、单相全桥整流器组成，所述升压电路是由并联在所述整流器输出端的电容Ca、串联在电容Ca两端的电感Lt和调节开关S、连接在电感Lt和调节开关S的结点的二极管D、连接在电感Ld和电容Ca的结点和与二极管D对应的负载端之间的电容Cb组成，所述二极管D负极和调节开关S的另一端为负载端，所述负载端接有负载R。
进一步地，所述串并联谐振补偿网络由串联在全桥逆变电路输出端的电感Lp和电容C1、串联在电容C1两端的电容C1s和发射端线圈自感L1组成；所述串联谐振补偿结构由串联的接收端线圈自感L2和电容C2S构成。
进一步地，所述发射端电路由单相全桥逆变电路把直流电逆变成频率为10-150kHz的方波电压，而后经过发射端串并联谐振补偿网络，给发射端线圈一个恒定的电流源，使发射端线圈电流值不随接收端发射端相对位置以及负载的变化而变化。
进一步地，发射端线圈由高频电流源激励生成高频交变的磁场，接收端线圈感应此高频交变磁场生成感应电动势。
进一步地，接收端与发射端的相对位置确定时，接收端线圈感应电动势经过接收端的串联谐振补偿网络后输出一个恒定的电压源，输出电压不随负载的变化而变化。
进一步地，通过调整调节开关S的占空比，得到需要的稳定输出电压。
本发明提供的基于SP/S谐振补偿的感应式无线充电系统拓扑结构，电路结构简单，省去了传统Boost升压电路输出端稳压电容；采用电压型逆变器，直流侧不需要串联大电感，能够减小系统体积，增大功率密度，采用定频控制，控制方法简单，发射端升压电路不作用时，输出电流恒定，负载电压调节方便。
无线充电系统发射端采用SP谐振补偿结构、接收端采用S谐振补偿结构：发射端线圈电流保持恒定，且具有单位功率因数的特性，发射端逆变器只需要提供有功功率；当系统发射端和接收端相对位置确定时，接收端整流器输出电压能够保持恒定，不随负载的变化而变化。目前电动汽车车载电池电压一般在200-450V，电池充电一般分为两个阶段：前期充电电流保持恒定，电池充电电压逐渐上升；后期电池充电电压保持恒定，充电电流逐渐减小。为了适应车载电池的充电特性，本发明中接收端整流器后端增加了一级新型升压电路，不仅能够满足电动汽车车载电池充电特性要求，而且通过调整功率流通路径，减少了升压电路的功率损耗，提高了系统效率。
附图说明
图1为具备高效率宽调压范围的SP/S谐振补偿电动汽车无线充电拓扑结构图；
图2为本发明的基于SP谐振补偿的电动汽车无线充电发射端等效拓扑结构图；
图3为本发明的基于S谐振补偿的电动汽车无线充电接收端等效拓扑结构图；
图4为本发明中系统接收端新型升压电路开关S关断时等效拓扑结构图；
图5为本发明中系统接收端新型升压电路开关S开通时等效拓扑结构图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明涉及一种高效率宽调压SP/S谐振补偿电动汽车无线充电拓扑结构。
如图1所示，该高效率宽调压SP/S谐振补偿电动汽车无线充电拓扑结构，包括发射端电路、接收端电路和升压电路，所述发射端电路由直流电源、单相全桥逆变电路、串并联谐振补偿网络和发射端线圈L1组成，接收端电路由接收端线圈L2、串联谐振补偿网络、单相全桥整流器组成，所述单相全桥逆变电路由四个IGBT主动开关管组成，所述串并联谐振补偿网络由串联在单相全桥逆变电路输出端的电感Lp和电容C1、串联在电容C1两端的电容C1s和发射端线圈自感L1组成；升压电路是由并联在所述整流器输出端的电容Ca、串联在电容Ca两端的电感Lt和调节开关S、正极连接在电感Lt和调节开关S的结点的二极管D、连接在电感Ld和电容Ca的结点和与二极管D对应的负载端之间的串联电容Cb组成，所述二极管D负极和调节开关S的另一端为负载端，所述调节开关S选用具有高频开关特性的IGBT(或者MOSFET)，负载端接有负载R。
当该升压电路不作用即开关S一直关断时，负载电压保持恒定，电容Cb无作用即其两端电压为零，通过调节开关S的导通时间即占空比，可以调节电容Cb端电压即升压电路的输出电压；所述调节开关S关断时电容Ca等效为恒压源，Ca和电感Ld向负载R提供能量，电感Ld给Cb充电；能量有两个回路：第一个回路由电容Ca、电容Ld和负载R组成，第二回路由电感Ld和电容Cb组成；当调节开关S开通时电容Ca和电容Cb串联在一起给负载R提供能量，Ca向电感Ld充电，能量也有两个回路：第一回路由电容Ca、电容Cb和负载R组成，第二回路由电容Ca、电感Ld组成。发射端线圈由高频电流源激励生成高频交变的磁场，接收端线圈感应此高频交变磁场生成感应电动势。
如图2所示，单相全桥逆变电路向串并联谐振补偿网络施加输出电压U0，流径电感Lp的电流ILp，所述发射端电路由单相全桥逆变电路把直流电逆变成频率为10-150kHz的方波电压，基于SP谐振原理，而后经过发射端串并联谐振补偿网络，给发射端线圈一个恒定的电流源，电源电压保持恒定时，发射端线圈电流I1保持恒流特性，使发射端线圈电流值不随接收端发射端相对位置以及负载的变化而变化。不随负载的变化而变化；发射端电路具有单位功率因数的特性，逆变器容易实现ZVS且只需要提供负载以及系统损耗的纯有功功率，系统效率高。
如图3所示，基于S谐振，接收端线圈电流I2，接收端输入阻抗呈纯阻性，只消耗有功功率；由于发射端线圈电流I1恒定，当发射端、接收端位置确定时，接收端感应电动势Voc经过接收端的串联谐振补偿网络后输出一个恒定的电压源，通过整流器后输出电压即电容Ca两端电压保持恒定，输出电压不随负载的变化而变化。与传统Boost升压电路不同，电容Ca上方串联一个电容Cb，省去了传统Boost升压电路输出端稳压电容。当升压电路不作用即调节开关S一直关断时，负载电压保持恒定，电容Cb无作用即其两端电压为零，通过调整调节开关S的导通时间即占空比，可以调节电容Cb端电压即升压电路的输出电压。
如图4所示，调节开关S关断时，电容Ca可以等效的看成恒压源，电容Ca和电感Ld向负载R提供能量，电感Ld给电容Cb充电。能量有两个回路：第一回路由电容Ca、电感Ld、负载R组成，第二回路由电感Ld、电容Cb组成。与传统Boost电路相同，负载R和电容Cb从电容Ca获得的能量均通过电感Ld和二极管，具有通态损耗。
如图5所示，调节开关S开通时，电容Ca和电容Cb串联在一起给负载R提供能量，电容Ca向电感Ld充电。能量也有两个回路：第一回路由电容Ca、电容Cb、负载R组成，第二回路由电容Ca、电感Ld组成。负载R获得的能量来自电容Ca和电容Cb，电容Cb的能量是从电感Ld得到，但向负载R提供能量时不需要经过二极管；电容Ca向负载R提供的能量只经过电容Cb，不需要经过电感Ld和二极管D1，减小了元件的导通损耗，提高了系统效率，而且调节开关S开通时间越长，不经过电感Ld和二极管D1的能量越多，系统效率越高。

Claims (6)

1.一种高效率宽调压SP/S谐振补偿电动汽车无线充电拓扑结构，其特征是：包括发射端电路、接收端电路和升压电路，所述发射端电路由直流电源、全桥逆变电路、串并联谐振补偿网络和发射端线圈组成，接收端电路由接收端线圈、串联谐振补偿网络和单相全桥整流器组成，所述升压电路是由并联在所述整流器输出端的电容Ca、串联在电容Ca两端的电感Lt和调节开关S、连接在电感Lt和调节开关S的结点的二极管D、连接在在电感Ld和电容Ca的结点和与二极管D对应的负载端之间的电容Cb组成，所述二极管D负极和调节开关S的另一端为负载端，所述负载端接有负载R。
2.根据权利要求1所述的高效率宽调压SP/S谐振补偿电动汽车无线充电拓扑结构，其特征是：所述串并联谐振补偿网络由串联在全桥逆变电路输出端的电感Lp和电容C1、串联在电容C1两端的电容C1s和发射端线圈自感L1组成；所述串联谐振补偿结构由串联的接收端线圈自感L2和电容C2S构成。
3.根据权利要求1或2所述的高效率宽调压SP/S谐振补偿电动汽车无线充电拓扑结构，其特征是：发射端电路由单相全桥逆变电路把直流电逆变成频率为10-150kHz的方波电压，而后经过发射端串并联谐振补偿网络，给发射端线圈一个恒定的电流源，使发射端线圈电流值不随接收端发射端相对位置以及负载的变化而变化。
4.根据权利要求1或2所述的高效率宽调压SP/S谐振补偿电动汽车无线充电拓扑结构，其特征是：发射端线圈由高频电流源激励生成高频交变的磁场，接收端线圈感应此高频交变磁场生成感应电动势。
5.根据权利要求1或2所述的高效率宽调压SP/S谐振补偿电动汽车无线充电拓扑结构，其特征是：接收端与发射端的相对位置确定时，接收端线圈感应电动势经过接收端的串联谐振补偿网络后输出一个恒定的电压源，输出电压不随负载的变化而变化。
6.根据权利要求书1或2所述的高效率宽调压SP/S谐振补偿电动汽车无线充电拓扑结构，其特征是：通过调整调节开关S的占空比，得到需要的稳定输出电压。
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