CN107069998A - 一种具有能量双向流动功能的无线充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有能量双向流动功能的无线充电装置，其包括由电感L、功率开关管Q1‑Q4组成的输入侧可控整流环节，由电感L1、L2、电容C1、C2构成的Z源变换器，由功率开关管Q5‑Q8组成的单相H桥逆变器，由发射‑接收线圈和补偿网络组成的无线电能传输机构，由功率开关管Q9‑Q12组成的车载可控整流环节；Q9‑Q12与电容C、电池并联；所述的补偿网络包括由原边补偿电感Lp与两个原边补偿电容Cp组成得原边LCC补偿网络和由副边补偿电感Ls、两个副边补偿电容Cs组成的副边LCC补偿网络，本发明同时具备功率因数校正以及能量双向传输功能，传输效率高。

Description

一种具有能量双向流动功能的无线充电装置

技术领域：

本发明涉及一种无线充电装置，尤其涉及一种具备功率因数校正且具有能量双向流动功能的无线充电装置。

背景技术：

无线电能技术在电动汽车充电领域多涉及单向充电模式，对电池向电网馈电的放电模式少有涉及。现有技术中提出的具备能量双向传输功能的无线充电系统采用松耦合变压器，具有体积重量大、变换效率低的缺点，且不具有功率因数校正的功能。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足而提供一种同时具备功率因数校正以及能量双向传输功能，且传输效率高的无线充电装置。

本发明的目的可以通过如下措施来达到：一种具有能量双向流动功能的无线充电装置，其特征在于其包括输入侧可控整流环节、Z源变换器、单相H桥逆变器、无线电能传输机构、车载可控整流环节；

所述的输入侧可控整流环节由电感L、第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4组成；电感L的一端连接电网的l端，电感L的另一端分别连接第一功率开关管Q1的源极、第二功率开关管Q2的漏极；电网的n端分别连接第三功率开关管Q3的源极、第四功率开关管Q4的漏极，通过控制第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4将电网交流电压整合成幅值可调的脉动的直流电压；

所述的Z源变换器由电感L1、电感L2、电容C1和电容C2构成；其中，第二功率开关管Q2的源极、第四功率开关管Q4的源极、电感L2的一端、电容C2的另一端相连，第一功率开关管Q1的漏极、第三功率开关管Q3的漏极、电感L1的一端、电容C1的一端相连；电感L2的另一端、电容C1的另一端、第六功率开关管Q6的源极、第八功率开关管Q8的源极相连，电感L1的另一端、电容C2的一端、第五功率开关管Q5的漏极、第七功率开关管Q7的漏极相连；通过控制第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6、第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8，调节Z源变换器输出电压，实现阻抗匹配功能，与前置可控整流部分实现单位功率因数功能；

所述的单相H桥逆变器由第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6、第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8组成，实现将直流电压转换成高频方波交流电压；

所述的无线电能传输机构包括发射-接收线圈和补偿网络；补偿网络包括原边LCC补偿网络和副边LCC补偿网络，其中原边LCC补偿网络由原边补偿电感Lp与两个原边补偿电容Cp组成，副边LCC补偿网络由副边补偿电感Ls、两个副边补偿电容Cs组成；第五功率开关管Q5的源极、第六功率开关管Q6的漏极、原边补偿电感Lp的一端相连，第七功率开关管Q7的源极、第八功率开关管Q8的漏极、第一原边补偿电容Cp的一端、发射线圈的一端相连，原边补偿电感Lp的另一端分别连接第一原边补偿电容Cp的另一端和第二原边补偿电容Cp的一端，第二原边补偿电容Cp的另一端连接发射线圈的另一端；第九功率开关管Q9的源极、第十功率开关管Q10的漏极、副边补偿电感Ls的一端相连，第十一功率开关管Q11的源极、第十二功率开关管Q12的漏极、第一副边补偿电容Cs的一端、接收线圈的一端相连，副边补偿电感Ls的另一端分别连接第一副边补偿电容Cs的另一端和第二副边补偿电容Cs的一端，第二副边补偿电容Cs的另一端连接接收线圈的另一端；所述的LCC补偿网络将高频方波交流信号滤波，变换成高频正弦波交流信号；发射-接收线圈将电能传输至副边，实现无线电能传输功能；

所述的车载可控整流环节由第九功率开关管Q9、第十功率开关管Q10、第十一功率开关管Q11、第十二功率开关管Q12组成，并与电容C、电池并联；其中，电容C的另一端、电池的负极、第十二功率开关管Q12的源极、第十功率开关管Q10的源极相连，电容C的一端、电池的正极、第十一功率开关管Q11的漏极、第九功率开关管Q9的漏极相连；通过第九功率开关管Q9、第十功率开关管Q10、第十一功率开关管Q11、第十二功率开关管Q12将高频交流信号变换为电压和电流幅值可控的直流信号，实现电池充电。

本发明同已有技术相比可产生如下积极效果：本发明采用Z源变换器实现功率因数校正，且耦合方式采用谐振式传输，实现能量双向流动、高效率，其具有：

（1）采用无线充电方案，避免了传统插电式充电机易产生火花等缺点。

（2）具备能量双向流动功能，既可实现电网向车载电池充电，又可实现电池向电网馈电的功能。

（3）采用Z源变换器作为阻抗变换器，实现了功率因数校正和阻抗匹配目的。

（4）耦合方式为谐振式，补偿机构采用双LCC补偿结构，传输效率高。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

具体实施方式：

下面结合附图的本发明的最佳实施方式做详细说明：

实施例：一种具有能量双向流动功能的无线充电装置（参见图1），其包括输入侧可控整流环节、Z源变换器、单相H桥逆变器、无线电能传输机构、车载可控整流环节。按能量流动方向划分，以下以电池充电和电池放电两种方式进行说明。

（1）电池充电，此时通过电网实现电池的无接触充电。

所述的输入侧可控整流环节由电感L、第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4组成。连接时，电感L的一端连接电网的l端，电感L的另一端分别连接第一功率开关管Q1的源极、第二功率开关管Q2的漏极；电网的n端分别连接第三功率开关管Q3的源极、第四功率开关管Q4的漏极；实施时，通过控制功率开关管Q1~Q4，将电网交流电压整合成幅值可调的脉动的直流电压。

所述的Z源变换器由电感L1、电感L2、电容C1和电容C2构成。其中，第二功率开关管Q2的源极、第四功率开关管Q4的源极、电感L2的一端、电容C2的另一端相连，第一功率开关管Q1的漏极、第三功率开关管Q3的漏极、电感L1的一端、电容C1的一端相连；电感L2的另一端、电容C1的另一端、第六功率开关管Q6的源极、第八功率开关管Q8的源极相连，电感L1的另一端、电容C2的一端、第五功率开关管Q5的漏极、第七功率开关管Q7的漏极相连；实施时，通过控制功率开关管Q5~Q8，调节Z源变换器输出电压，实现阻抗匹配功能，进一步与前置可控整流部分实现单位功率因数功能，单位功率因数，是指电网侧电压、电流同相位，实现单位功率因数，可以实现在输出功率相同的情况下降低充电装置的容量。

所述的单相H桥逆变器由第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6、第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8组成，实现将直流电压转换成高频方波交流电压。

所述的无线电能传输机构包括两部分：发射-接收线圈和补偿网络。补偿网络包括原边LCC补偿网络和副边LCC补偿网络，其中原边LCC补偿网络由原边补偿电感Lp与两个原边补偿电容Cp组成，副边LCC补偿网络由副边补偿电感Ls、两个副边补偿电容Cs组成。

连接时，第五功率开关管Q5的源极、第六功率开关管Q6的漏极、原边补偿电感Lp的一端相连，第七功率开关管Q7的源极、第八功率开关管Q8的漏极、第一原边补偿电容Cp的一端、发射线圈的一端相连，原边补偿电感Lp的另一端分别连接第一原边补偿电容Cp的另一端和第二原边补偿电容Cp的一端，第二原边补偿电容Cp的另一端连接发射线圈的另一端。第九功率开关管Q9的源极、第十功率开关管Q10的漏极、副边补偿电感Ls的一端相连，第十一功率开关管Q11的源极、第十二功率开关管Q12的漏极、第一副边补偿电容Cs的一端、接收线圈的一端相连，副边补偿电感Ls的另一端分别连接第一副边补偿电容Cs的另一端和第二副边补偿电容Cs的一端，第二副边补偿电容Cs的另一端连接接收线圈的另一端。

实施时，首先由LCC补偿网络将高频方波交流信号滤波，变换成高频正弦波交流信号。所述LCC在实现滤波功能的同时，也能实现相位补偿作用，即使得被传输的电能实现电压、电流同相位。然后通过发射-接收线圈将电能传输至副边，实现无线电能传输功能。

所述的车载可控整流环节由第九功率开关管Q9、第十功率开关管Q10、第十一功率开关管Q11、第十二功率开关管Q12组成，并与电容C、电池并联。其中，电容C的另一端、电池的负极、第十二功率开关管Q12的源极、第十功率开关管Q10的源极相连，电容C的一端、电池的正极、第十一功率开关管Q11的漏极、第九功率开关管Q9的漏极相连；通过Q9~Q12实现整流的目的，将高频交流信号变换为电压和电流幅值可控的直流信号，最终实现电池充电的目的。

（2）电池放电，此时用户通过电动车电池向电网卖电。

实施时，第九功率开关管Q9、第十功率开关管Q10、第十一功率开关管Q11、第十二功率开关管Q12、电容C将电池的直流电压逆变成高频方波信号。

然后通过副边LCC补偿结构，实现相位补偿后，由发射-接收线圈将能量传输至原边。

进一步，第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6、第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8实现高频交流电压整流成脉动的直流电压。然后由第一功率开关管Q1，第二功率开关管Q2，第三功率开关管Q3，第四功率开关管Q4将高频脉动直流电压逆变成工频电压，实现并网，最终实现用户向电网卖电的目的。

Claims (1)

1.一种具有能量双向流动功能的无线充电装置，其特征在于其包括输入侧可控整流环节、Z源变换器、单相H桥逆变器、无线电能传输机构、车载可控整流环节；

所述的输入侧可控整流环节由电感L、第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4组成；电感L的一端连接电网的l端，电感L的另一端分别连接第一功率开关管Q1的源极、第二功率开关管Q2的漏极；电网的n端分别连接第三功率开关管Q3的源极、第四功率开关管Q4的漏极，通过控制第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4将电网交流电压整合成幅值可调的脉动的直流电压；

所述的Z源变换器由电感L1、电感L2、电容C1和电容C2构成；其中，第二功率开关管Q2的源极、第四功率开关管Q4的源极、电感L2的一端、电容C2的另一端相连，第一功率开关管Q1的漏极、第三功率开关管Q3的漏极、电感L1的一端、电容C1的一端相连；电感L2的另一端、电容C1的另一端、第六功率开关管Q6的源极、第八功率开关管Q8的源极相连，电感L1的另一端、电容C2的一端、第五功率开关管Q5的漏极、第七功率开关管Q7的漏极相连；通过控制第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6、第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8，调节Z源变换器输出电压，实现阻抗匹配功能，与前置可控整流部分实现单位功率因数功能；

所述的单相H桥逆变器由第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6、第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8组成，实现将直流电压转换成高频方波交流电压；

所述的无线电能传输机构包括发射-接收线圈和补偿网络；补偿网络包括原边LCC补偿网络和副边LCC补偿网络，其中原边LCC补偿网络由原边补偿电感Lp与两个原边补偿电容Cp组成，副边LCC补偿网络由副边补偿电感Ls、两个副边补偿电容Cs组成；第五功率开关管Q5的源极、第六功率开关管Q6的漏极、原边补偿电感Lp的一端相连，第七功率开关管Q7的源极、第八功率开关管Q8的漏极、第一原边补偿电容Cp的一端、发射线圈的一端相连，原边补偿电感Lp的另一端分别连接第一原边补偿电容Cp的另一端和第二原边补偿电容Cp的一端，第二原边补偿电容Cp的另一端连接发射线圈的另一端；第九功率开关管Q9的源极、第十功率开关管Q10的漏极、副边补偿电感Ls的一端相连，第十一功率开关管Q11的源极、第十二功率开关管Q12的漏极、第一副边补偿电容Cs的一端、接收线圈的一端相连，副边补偿电感Ls的另一端分别连接第一副边补偿电容Cs的另一端和第二副边补偿电容Cs的一端，第二副边补偿电容Cs的另一端连接接收线圈的另一端；所述的LCC补偿网络将高频方波交流信号滤波，变换成高频正弦波交流信号；发射-接收线圈将电能传输至副边，实现无线电能传输功能；

所述的车载可控整流环节由第九功率开关管Q9、第十功率开关管Q10、第十一功率开关管Q11、第十二功率开关管Q12组成，并与电容C、电池并联；其中，电容C的另一端、电池的负极、第十二功率开关管Q12的源极、第十功率开关管Q10的源极相连，电容C的一端、电池的正极、第十一功率开关管Q11的漏极、第九功率开关管Q9的漏极相连；通过第九功率开关管Q9、第十功率开关管Q10、第十一功率开关管Q11、第十二功率开关管Q12将高频交流信号变换为电压和电流幅值可控的直流信号，实现电池充电。