CN106427653A - 基于阵列线圈式无线能量传输的π型lcl结构及该结构的工作方法 - Google Patents

基于阵列线圈式无线能量传输的π型lcl结构及该结构的工作方法 Download PDF

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Abstract

基于阵列线圈式无线能量传输的Π型LCL结构及该结构的工作方法，属于无线能量传输技术领域。解决了现有LCL补偿网络存在设备的制作成本高，同补偿电感值难以跟随调整，限制了设备的拓展性的问题，本发明的高频激励单元的一路输出端同时连接第一功率开关的一端和第一阵列线圈的一端，第一阵列线圈的另一端同时连接第一补偿电容器的一端和补偿电感的一端；第一功率开关的另一端连接第一补偿电容器的另一端；高频激励单元的另一路输出端同时连接第二功率开关的一端和第二阵列线圈的一端，第二阵列线圈另一端同时连接第二补偿电容器一端和补偿电感另一端；第二功率开关另一端连接第二补偿电容器另一端。本发明应用于无线能量传输领域。

Description

基于阵列线圈式无线能量传输的Π型LCL结构及该结构的工 作方法
技术领域
本发明涉及无线能量传输技术。
背景技术
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相比传统插拔式充电技术有着更好的安全性和灵活性，应用前景十分广阔。其中，动态无线充电技术可有效的提升电动汽车的续航里程，并减少电池组数目，既降低了电动汽车的成本，又延长了其使用寿命，使得电能补给更加安全可靠。应用于动态无线供电的阵列线圈结构，其主要优势有：小尺寸的耦合机构有效降低了通电损耗，同时也限制了漏磁，在提高传输效率的磁辐射的安全性较高。单体列阵线圈相对较小的电感有效的降低了电源视在功率，匹配电容更加容易成本也更低。小整列单元的损坏，对全局电路的影响较较小，替换相对较容易。
在发射端为阵列线圈的无线能量传输系统中，采用LCL补偿网络以实现发射端线圈的恒流激励时，需要为每一个阵列发射线圈额外绕制一个与其自感相同的补偿电感。这样不仅会增加设备的制作成本，同时在发射端线圈电感需要调整的场合，补偿电感值难以跟随调整，也大大限制了设备的拓展性。
发明内容
本发明针对现有采用LCL补偿网络实现发射端线圈的恒流激励时，需要为每一个阵列发射线圈额外绕制一个与其自感相同的补偿电感，导致增加设备的制作成本，以及在发射端线圈电感需要调整的场合，补偿电感值难以跟随调整，限制设备拓展性的问题，本发明提出了一种基于阵列线圈式无线能量传输的Π型LCL结构。
本发明所述的基于阵列线圈式无线能量传输的Π型LCL结构，该结构的包括高频激励单元1、第一功率开关K1、第二功率开关K2、第一阵列线圈L1、第二阵列线圈L2、第一补偿电容器C1、第二补偿电容器C2和补偿电感L3；
高频激励单元1的电源输入端连接供电母线电压信号，高频激励单元1的一路输出端同时连接第一功率开关K1的一端和第一阵列线圈L1的一端，第一阵列线圈L1的另一端同时连接第一补偿电容器C1的一端和补偿电感L3的一端；第一功率开关K1的另一端连接第一补偿电容器C1的另一端；
高频激励单元1的另一路输出端同时连接第二功率开关K2的一端和第二阵列线圈L2的一端，第二阵列线圈L2的另一端同时连接第二补偿电容器C2的一端和补偿电感L3的另一端；第二功率开关K2的另一端连接第二补偿电容器C2的另一端。
基于阵列线圈式无线能量传输的Π型LCL结构的工作方法，该方法具体为：
初始状态：高频激励单元1、第一功率开关K1与第二功率开关K2均处于关断状态；
当需要第一阵列线圈L1工作时，先由相应控制单元驱动第一功率开关K1导通，再将高频激励单元1导通，从而在第一阵列线圈L1中产生恒定的励磁电流；
无需第一阵列线圈L1工作时，则顺次关断高频激励单元1与第一功率开关K1，回归至初始状态；
当需要第二阵列线圈L2工作时，先驱动第二功率开关K2导通，再将高频激励单元1导通，从而在第二阵列线圈L2中产生恒定的励磁电流；
无需第二阵列线圈L2工作时，则顺次关断高频激励单元1与第二功率开关K2，回归至初始状态。
本发明应用于发射端为阵列线圈的无线能量传输技术领域，所述分时复用补偿电感的复用型LCL拓扑结构中，将两组发射线圈相互补偿，并额外共用一补偿电感，以LCL基本拓扑的工作方式在发射线圈中形成恒定的激励电流，实现能量的传输。由于该拓扑中的存在的三组电感和两组电容器类似于Π型，故称之为Π型LCL结构。
本发明所述Π型LCL结构的效果：
传统LCL结构中需要额外绕制一个功率补偿电感，且该电感值与发射线圈感值相同，很多场合发射线圈电感值较大，因此也增加了补偿电感的绕制成本。本发明所述的结构中，不存在大感值的补偿电感绕制，节约成本。且在一些系统升级改造的场合，需要提升发射端线圈电感，此时传统的LCL结构中的补偿电感也要跟随提升，使得系统改造成本大大增加。而本发明所述的结构中，则只需额外调整补偿电感L3，这是一个小感值电感易于绕制；且多数场合甚至不用调整(因为多数情况电感比λ是一个略小于1的值，只需满足电感比λ的要求话，L1、L2在一定范围内变化时，L3可以不变)。
在阵列线圈L1向接收端传递能量的场合(K1闭合，K2断开)，此时LCL的电感比λ＝L1/(L2+L3)，在使系统于全负载和耦合系数范围内实现原边逆变开关管的ZVS，λ存在一个最大值(由具体系统决定)，又L1＝L2，由此便可确定补偿电感L3。
本发明所述的结构有效提高了拓展性:
A:由于L1＝L2,上述λ一定小于1，在某些场合(如在轻载高耦合系数情境下实现原边逆变开关管的ZVS)，需要λ大于1，此时可以改变系统的切换状态来实现(如在阵列线圈L1向接收端传递能量的场合，由原先的K1闭合，K2断开，变为K1断开，K2闭合，因此同样是阵列线圈L1向接收端传递能量，但λ＝(L1+L3)/L2)。因此该结构可以在不改变外电路情况下，使LCL的电感比λ既能工作在大于1也能工作在小于1的状态。
B:多数情况下λ是一个小于且接近1的数，因此补偿电感L3的感值较小，易于绕制，在需要改变发射端线圈的场合，补偿电感L3的改动也容易得多。且使得系统在升级改造时，易于实现，节约成本。
附图说明
图1为本发明所述的基于阵列线圈式无线能量传输的Π型LCL结构的电路图；
图2为具体实施例所述的安装在专用充电道路的能量发射系统和安装在电动汽车上的能量接收系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于阵列线圈式无线能量传输的Π型LCL结构，该结构的包括高频激励单元1、第一功率开关K1、第二功率开关K2、第一阵列线圈L1、第二阵列线圈L2、第一补偿电容器C1、第二补偿电容器C2和补偿电感L3；
高频激励单元1的电源输入端连接供电母线电压信号，高频激励单元1的一路输出端同时连接第一功率开关K1的一端和第一阵列线圈L1的一端，第一阵列线圈L1的另一端同时连接第一补偿电容器C1的一端和补偿电感L3的一端；第一功率开关K1的另一端连接第一补偿电容器C1的另一端；
高频激励单元1的另一路输出端同时连接第二功率开关K2的一端和第二阵列线圈L2的一端，第二阵列线圈L2的另一端同时连接第二补偿电容器C2的一端和补偿电感L3的另一端；第二功率开关K2的另一端连接第二补偿电容器C2的另一端。
本实施方式的高频激励单元是输出为高频交流的功率变换单元，输入侧依据不同的母线形式可以是直流输入(此时高频激励单元视作一高频逆变器)，也可以是交流输入(此时高频激励单元视作一整流器级联高频逆变器)。
具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于阵列线圈式无线能量传输的Π型LCL结构的进一步说明，第一阵列线圈L1和第二阵列线圈L2的结构和感抗均相同。
具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于阵列线圈式无线能量传输的Π型LCL结构的进一步说明，第一功率开关K1和第二功率开关K2均为全控型双向功率开关器件。
具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于阵列线圈式无线能量传输的Π型LCL结构的进一步说明，第一补偿电容器C1和第二补偿电容器C2的容抗值相同。
具体实施方式五、本实施方式是具体实施方式一所述的基于阵列线圈式无线能量传输的Π型LCL结构的工作方法，该方法具体为：
初始状态：高频激励单元1、第一功率开关K1与第二功率开关K2均处于关断状态；
当需要第一阵列线圈L1工作时，先由相应控制单元驱动第一功率开关K1导通，再将高频激励单元1导通，从而在第一阵列线圈L1中产生恒定的励磁电流；
无需第一阵列线圈L1工作时，则顺次关断高频激励单元1与第一功率开关K1，回归至初始状态；
当需要第二阵列线圈L2工作时，先驱动第二功率开关K2导通，再将高频激励单元1导通，从而在第二阵列线圈L2中产生恒定的励磁电流；
无需第二阵列线圈L2工作时，则顺次关断高频激励单元1与第二功率开关K2，回归至初始状态。
本发明应用于发射端为阵列线圈的无线能量传输技术领域，所述分时复用补偿电感的复用型LCL拓扑结构中，将两组发射线圈相互补偿，并额外共用一补偿电感，以LCL基本拓扑的工作方式在发射线圈中形成恒定的激励电流，实现能量的传输。由于该拓扑中的存在的三组电感和两组电容器类似于Π型，故称之为Π型LCL结构。
在该结构中，第一阵列线圈(4)与第二阵列线圈(5)不存在同时与接收端线圈完全耦合的状态，当需要由第一阵列线圈(4)供电调整为第二阵列线圈(5)供电时，则先将第一阵列线圈(4)工作时的状态调整至初始状态，再切换至第二阵列线圈(5)工作的状态。
具体应用实施例：
如图2所示，一套发射端为阵列式线圈的无线能量传输系统，由安装在专用充电道路的能量发射系统和安装在电动汽车上的能量接收系统组成。工频电网经原级电能变换装置后，以直流电的形式为高频激励单元提供电能输入。(本实施例以直流电母线为例，也可以是三相交流或其他母线形式)所述的n组复用型LCL机构，为2n组发射端阵列线圈提供激励。其中第2a-1组复用型LCL机构为第4a-3及第4a-1组发射端阵列线圈提供激励，第2a组复用型LCL机构为第4a-2及第4a组发射端阵列线圈提供激励。
以下叙述当电动汽车正对第4a-4组发射线圈时，并依序移动至第4a+1组发射线圈时，第2a-1及第2a组复用型LCL机构的工作过程。
当电动汽车正对第4a-4组发射线圈时，由相应的控制电路控制第2a-1组复用型LCL机构的功率开关S4a-3导通，随后开启第2a-1组高频激励单元，使得第4a-3组发射线圈提前产生激励。
当电动汽车移动至正对第4a-3组发射线圈时，由相应的控制电路控制第2a组复用型LCL机构的功率开关S4a-2导通，随后开启第2a组高频激励单元，使得第4a-2组发射线圈提前产生激励。
当电动汽车移动至正对第4a-2组发射线圈时，由相应的控制电路控制第2a-1组复用型LCL机构的第2a-1组高频激励单元关断，随后断开功率开关S4a-3并闭合功率开关S4a-1，接着重新开启第2a-1组高频激励单元，使得第4a-1组发射线圈提前产生激励。
当电动汽车移动至正对第4a-1组发射线圈时，由相应的控制电路控制第2a组复用型LCL机构的第2a组高频激励单元关断，随后断开功率开关S4a-2并闭合功率开关S4a，接着重新开启第2a组高频激励单元，使得第4a组发射线圈提前产生激励。
当电动汽车移动至正对第4a组发射线圈时，由相应的控制电路控制第2a-1组复用型LCL机构的第2a-1组高频激励单元关断，随后断开功率开关S4a-1，使第2a-1组复用型LCL机构处于初始状态。
当电动汽车移动至正对第4a+1组发射线圈时，由相应的控制电路控制第2a组复用型LCL机构的第2a组高频激励单元关断，随后断开功率开关S4a，使第2a组复用型LCL机构处于初始状态。
本发明所述的基于阵列线圈式无线能量传输的复用型LCL结构的有益效果：
1、将两组发射端阵列线圈互相作为各自的补偿电感，只需额外绕制一个小感值电感，以解决了传统LCL拓扑中需额外制作一大感值功率电感的问题，缩小了单体电源的制作体积，节约了电路成本。
2、传统的LCL补偿结构中，补偿电感一旦绕制完成后就难以更改，继而很难通过调节发射线圈的自感以适应不同的供电场合，而该结构可以有效的克服这类问题，适应性强，拓展性优秀。
3、采用LCL的谐振结构，以硬件恒流的方式在发射线圈中形成恒定的激励，不仅有着较快的响应速度，更能降低系统控制的复杂度，且在较宽负载和耦合系数范围下保持较高的效率。
4、通过添加小感值的额外电感，可以使得高频激励单元内的逆变桥工作在软开关状态，减小了开关器件的损耗。
5、应用于阵列线圈结构，有较高的电磁安全性，属于一种对人友好型的应用结构。
6、模块化的发射单元结构设计，相比与传统长直导轨结构，线路损耗更小，有着更高的效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于阵列线圈式无线能量传输的Π型LCL结构，其特征在于，该结构的包括高频激励单元(1)、第一功率开关(K1)、第二功率开关(K2)、第一阵列线圈(L1)、第二阵列线圈(L2)、第一补偿电容器(C1)、第二补偿电容器(C2)和补偿电感(L3)；
高频激励单元(1)的电源输入端连接供电母线，高频激励单元(1)的一路输出端同时连接第一功率开关(K1)的一端和第一阵列线圈(L1)的一端，第一阵列线圈(L1)的另一端同时连接第一补偿电容器(C1)的一端和补偿电感(L3)的一端；第一功率开关(K1)的另一端连接第一补偿电容器(C1)的另一端；
高频激励单元(1)的另一路输出端同时连接第二功率开关(K2)的一端和第二阵列线圈(L2)的一端，第二阵列线圈(L2)的另一端同时连接第二补偿电容器(C2)的一端和补偿电感(L3)的另一端；第二功率开关(K2)的另一端连接第二补偿电容器(C2)的另一端。
2.根据权利要求1所述的基于阵列线圈式无线能量传输的Π型LCL结构，其特征在于，第一阵列线圈(L1)和第二阵列线圈(L2)的结构和感抗均相同。
3.根据权利要求1所述的基于阵列线圈式无线能量传输的Π型LCL结构，其特征在于，第一功率开关(K1)和第二功率开关(K2)均为全控型双向功率开关器件。
4.根据权利要求1所述的基于阵列线圈式无线能量传输的Π型LCL结构，其特征在于，第一补偿电容器(C1)和第二补偿电容器(C2)的容抗值相同。
5.基于阵列线圈式无线能量传输的Π型LCL结构的工作方法，其特征在于，该方法具体为：
初始状态：高频激励单元(1)、第一功率开关(K1)与第二功率开关(K2)均处于关断状态；
当需要第一阵列线圈(L1)工作时，先由相应控制单元驱动第一功率开关(K1)导通，再将高频激励单元(1)导通，从而在第一阵列线圈(L1)中产生恒定的励磁电流；
无需第一阵列线圈(L1)工作时，则顺次关断高频激励单元(1)与第一功率开关(K1)，回归至初始状态；
当需要第二阵列线圈(L2)工作时，先驱动第二功率开关(K2)导通，再将高频激励单元(1)导通，从而在第二阵列线圈(L2)中产生恒定的励磁电流；
无需第二阵列线圈(L2)工作时，则顺次关断高频激励单元(1)与第二功率开关(K2)，回归至初始状态。
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