CN107404135A - 一种双向无线充电拓扑 - Google Patents
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Abstract
一种双向无线充电拓扑，包括第一升降压电路、第一变流器、原边谐振电路、副边谐振电路、第二变流器、第二升降压电路。所述的第一升降压电路与第一变流器并联连接，第一变流器与原边谐振电路并联连接，原边谐振电路与副边谐振电路相互隔离，副边谐振电路与第二变流器并联连接，第二变流器与第二升降压电路并联连接，构成双向无线充电拓扑。
Description
技术领域
本发明涉及一种双向无线充电拓扑。
背景技术
无线充电技术又称为无线电能传输技术，是一种新型的供电模式，其工作原理是通过变流器产生交变的电流，注入原边谐振电路，产生一个交变的磁场，在副边谐振电路接收电能并产生交变的电流，给负载供电，实现电能的无线传输。
随着现代能源技术的发展，无线充电技术成为研究的热点，尤其是新能源汽车充电和海底无接触电能传输应用。该供电方式安全性好、可靠性高、维护容易，消除了常规接触式充电易磨损、插拔寿命等问题，特别适合于防爆、水下等复杂环境中。现有的无线电能传输方式多为单向传输，只能实现较小电压等级范围内充电匹配。为此，需要设计一种双向无线电能传输拓扑，同时能够实现升降压调节功能，使充电设备能够匹配较大电压范围的负载，并且能够实现能量双向流动。
专利CN106602579的“一种无线充电双向能量传输的谐振补偿电路及方法”提出了一种双向无线充电拓扑，该拓扑能够实现能量双向流动，但是该拓扑调压能力较小，不能实现较大范围电压等级负载的匹配。因此急需一种能够实现较强升降压能力，并且能够实现能量双向流动的拓扑。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种能量双向流动的无线充电拓扑。本发明具有升降压功能，能够匹配较大电压范围充电设备，为能量双向流动提供通道，提高充放电效率，满足水下等特殊环境的无线电能传输要求。
本发明采用以下技术方案：
本发明双向无线电能传输拓扑包括第一升降压电路、第一变流器、原边谐振电路、副边谐振电路、第二变流器和第二升降压电路。所述的第一升降压电路与第一变流器并联，第一变流器与原边谐振电路并联，原边谐振电路与副边谐振电路相互隔离，副边谐振电路与第二变流器并联，第二变流器与第二升降压电路并联连接，构成双向无线充电拓扑。
所述的第一升降压电路包括八个二极管、两个开关管、一个电感和一个电容。电源的输入负极与第一二极管的阴极连接，第三二极管的阳极与第一二极管的阴极连接，第三二极管的阴极与第四二极管的阴极连接，第一二极管的阳极与第二二极管的阳极连接，第四二极管的阳极与第二二极管的阴极连接，第一开关管的集电极与第三二极管的阴极连接，第一开关管的发射极与第一二极管的阳极连接，第四二极管的阳极与第七二极管的阳极连接，第七二极管的阴极与第八二极管的阴极连接，第五二极管的阴极与第七二极管的阳极连接，第五二极管的阳极与第六二极管的阳极连接，第六二极管的阴极与第八二极管的阳极连接，第二开关管的集电极与第七二极管的阴极连接，第二开关管的发射极与第五二极管的阳极连接，第一电感的上端与第二二极管的阴极连接，第一电感的下端与输入的正极连接，第一电容的正极与第六二极管的阴极连接，第一电容的负极与电源的输入正极连接。
所述的第一变流器包括四个开关管。所述的第三开关管的集电极与第一电容的正极连接，第三开关管的发射极与第四开关管的集电极连接，第四开关管的发射极与第一电容的负极连接，第五开关管的集电极与第三开关管的集电极连接，第五开关管的发射极与第六开关管的集电极连接，第六开关管的发射极与第四开关管的发射极连接。
所述的原边谐振电路包括谐振网络和谐振线圈，可以根据需要选择串联补偿网络、并联补偿网络。
所述的副边谐振电路包括谐振网络和谐振线圈，可以根据需要选择串联补偿网络、并联补偿网络。
所述的第二变流器包括四个开关管。所述的第七开关管的集电极与第二电容的正极连接，第七开关管的发射极与第八开关管的集电极连接，第八开关管的发射极与第二电容的负极连接，第九开关管的集电极与第七开关管的集电极连接，第九开关管的发射极与第十开关管的集电极连接，第十开关管的发射极与第八开关管的发射极连接。
所述的第二升降压电路包括八个二极管、两个开关管、一个电感和一个电容。所述的第十一二极管的阳极与第二电容的正极连接，第二电容的负极与第九二极管的阴极连接，第十一二极管的阴极与第十二二极管的阴极连接，第九二极管的阴极与第十一二极管的阳极连接，第九二极管的阳极与第十二极管的阳极连接，第十二二极管的阳极与第十二极管的阴极连接，第十一开关管的集电极与第十一二极管的阴极连接，第十一开关管的发射极与第九二极管的阳极连接，第十五二极管的阳极与第十二二极管的阳极连接，第十五二极管的阴极与第十六二极管的阴极连接，第十三二极管的阴极与第十五二极管的阳极连接，第十三二极管的阳极与第十四二极管的阳极连接，第十六二极管的阳极与第十四二极管的阴极连接，第十二开关管的集电极与第十五二极管的阴极连接，第十二开关管的发射极与第十三二极管的阳极连接，第二电感的上端与第十二极管的阴极连接，第二电感的下端与负载的正极连接，第十六二极管的阳极与负载的负极连接。
本发明双向无线充电拓扑包括以下四种工作模式。
工作模式一、正向充电，升压工作；
第一升降压电路的第一开关管和第二开关管工作在互补工作模式，第一开关管的占空比d1大于0.5，工作在升压模式，升压增益为d1/(1-d1)。第一变流器的第三开关管与第四开关管工作于互补模式，第五开关管和第六开关管工作于互补模式，第三开关管与第六开关管工作于相同模式。第二变流器的第七开关管与第八开关管工作于互补模式，第九开关管和第十开关管工作于互补模式，第七开关管与第十开关管工作于相同模式。第二升降压电路的第十一开关管和第十二开关管工作在互补工作模式，第十一开关管的占空比d11大于0.5，工作在升压模式，升压增益为d11/(1-d11)。经过两级升压，系统的增益为d1*d11/((1-d1)(1-d11))。
工作模式二、正向充电，降压工作；
第一升降压电路、的第一开关管和第二开关管工作在互补工作模式，第一开关管的占空比d1小于0.5，工作在降压模式，降压增益为d1/(1-d1)。第一变流器的第三开关管与第四开关管工作于互补模式，第五开关管和第六开关管工作于互补模式，第三开关管与第六开关管工作于相同模式。第二变流器的第七开关管与第八开关管工作于互补模式，第九开关管和第十开关管工作于互补模式，第七开关管与第十开关管工作于相同模式。第二升降压电路的第十一开关管和第十二开关管工作在互补工作模式，第十一开关管的占空比d11小于0.5，工作在降压模式，降压增益为d11/(1-d11)。经过两级降压，系统的增益为d1*d11/((1-d1)(1-d11))。
工作模式三、反向充电，升压工作；
第二升降压电路的第十一开关管和第十二开关管工作在互补工作模式，第十一开关管的占空比d12大于0.5，工作在升压模式，升压增益为d12/(1-d12)。第二变流器的第七开关管与第八开关管工作于互补模式，第九开关管和第十开关管工作于互补模式，第七开关管与第十开关管工作于相同模式。第一变流器的第三开关管与第四开关管工作于互补模式，第五开关管和第六开关管工作于互补模式，第三开关管与第六开关管工作于相同模式。第一升降压电路的第一开关管和第二开关管工作在互补工作模式，第二开关管的占空比d2大于0.5，工作在升压模式，升压增益为d2/(1-d2)。经过两级升压，系统的增益为d2*d12/((1-d2)(1-d12))。
工作模式四、反向充电，降压工作；
第二升降压电路的第十一开关管和第十二开关管工作在互补工作模式，第十一开关管的占空比d12小于0.5，工作在降压模式，降压增益为d12/(1-d12)。第二变流器的第七开关管与第八开关管工作于互补模式，第九开关管和第十开关管工作于互补模式，第七开关管与第十开关管工作于相同模式。第一变流器的第三开关管与第四开关管工作于互补模式，第五开关管和第六开关管工作于互补模式，第三开关管与第六开关管工作于相同模式。第一升降压电路的第一开关管和第二开关管工作在互补工作模式，第二开关管的占空比d2小于0.5，工作在降压模式，降压增益为d2/(1-d2)。经过两级降压，系统的增益为d2*d12/((1-d2)(1-d12))。
本发明具有两级升降压电路，因此增益是普通升降压拓扑增益的平方，既能够实现高增益升压，也能实现高增益降压，能够实现宽范围电压等级双向充电场合，满足不同电压等级充电设备。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为双向无线充电拓扑示意图；
图2为本发明的工作模式一开关管脉冲时序图；
图3为本发明的工作模式二开关管脉冲时序图；
图4为本发明的工作模式三开关管脉冲时序图；
图5为本发明的工作模式四开关管脉冲时序图；
图6为本发明工作时第一变流器输出电压电流波形；
图7为本发明工作时第二变流器输入电压电流波形。
具体实施方式
如图1所示，本发明双向无线电能传输拓扑包括第一升降压电路、第一变流器、原边谐振电路、副边谐振电路、第二变流器和第二升降压电路。所述的第一升降压电路与第一变流器1并联，第一变流器与原边谐振电路并联，原边谐振电路与副边谐振电路相互隔离，副边谐振电路与第二变流器并联，第二变流器与第二升降压电路并联连接，构成双向无线充电拓扑。
所述的第一升降压电路包括八个二极管D1-D8、两个开关管S1、S2、第一电感L1和第一电容C1。电源Udc1的输入负极与第一二极管D1的阴极连接；第三二极管D3的阳极与第一二极管D1的阴极连接，第三二极管D3的阴极与第四二极管D4的阴极连接；第一二极管D1的阳极与第二二极管D2的阳极连接，第四二极管D4的阳极与第二二极管D2的阴极连接；第一开关管S1的集电极与第三二极管D3的阴极连接，第一开关管S1的发射极与第一二极管D1的阳极连接；第四二极管D4的阳极与第七二极管D7的阳极连接，第七二极管D7的阴极与第八二极管D8的阴极连接；第五二极管D5的阴极与第七二极管D7的阳极连接，第五二极管D5的阳极与第六二极管D6的阳极连接；第六二极管D6的阴极与第八二极管D8的阳极连接；第二开关管S2的集电极与第七二极管D7的阴极连接，第二开关管S2的发射极与第五二极管D5的阳极连接；第一电感L1的上端与第二二极管D2的阴极连接，第一电感L1的下端与输入的正极连接，第一电容的正极与第六二极管的阴极连接，第一电容的负极与电源Udc1的输入正极连接。
所述的第一变流器包括四个开关管S3-S6。所述的第三开关管S3的集电极与第一电容C1的正极连接，第三开关管S3的发射极与第四开关管S4的集电极连接，第四开关管S4的发射极与第一电容C1的负极连接，第五开关管S5的集电极与第三开关管S3的集电极连接，第五开关管S5的发射极与第六开关管S6的集电极连接，第六开关管S6的发射极与第四开关管S4的发射极连接。
所述的原边谐振电路包括谐振网络和谐振线圈，可以根据需要选择串联补偿网络、并联补偿网络。
所述的副边谐振电路包括谐振网络和谐振线圈，可以根据需要选择串联补偿网络、并联补偿网络。
所述的第二变流器包括四个开关管S7-S10。所述的第七开关管S7的集电极与第二电容C2的正极连接，第七开关管S7的发射极与第八开关管S8的集电极连接，第八开关管D2的发射极与第二电容C2的负极连接，第九开关管S9的集电极与第七开关管S7的集电极连接，第九开关管S9的发射极与第十开关管S10的集电极连接，第十开关管S10的发射极与第八开关管的发射极连接。
所述的第二升降压电路包括八个二极管D11-D16、两个开关管S11、S12、一个电感L2和一个电容C2。第十一二极管D12的阳极与第二电容C2的正极连接，第二电容C2的负极与第九二极管D9的阴极连接，第十一二极管D12的阴极与第十二二极管D12的阴极连接，第九二极管D9的阴极与第十一二极管D11的阳极连接，第九二极管D9的阳极与第十二极管D12的阳极连接，第十二二极管D12的阳极与第十二极管D12的阴极连接，第十一开关管S11的集电极与第十一二极管D12的阴极连接，第十一开关管S11的发射极与第九二极管D9的阳极连接，第十五二极管D15的阳极与第十二二极管D12的阳极连接，第十五二极管D15的阴极与第十六二极管D16的阴极连接，第十三二极管D13的阴极与第十五二极管D15的阳极连接，第十三二极管D13的阳极与第十四二极管D14的阳极连接，第十六二极管D16的阳极与第十四二极管D14的阴极连接，第十二开关管D12的集电极与第十五二极管D15的阴极连接，第十二开关管S12的发射极与第十三二极管D13的阳极连接，第二电感L2的上端与第十二极管D12的阴极连接，第二电感L2的下端与负载的正极连接，第十六二极管的阳极与负载的负极连接。
所述的双向无线充电拓扑包括以下四种工作模式。
工作模式一、正向充电，升压工作；
如图2所示，第一升降压电路的第一开关管S1和第二开关管S2工作在互补工作模式，第一开关管S1的占空比d1大于0.5，工作在升压模式，升压增益为d1/(1-d1)。第一变流器的第三开关管S3与第四开关管S4工作于互补模式，第五开关管S5和第六开关管S6工作于互补模式，第三开关管S3与第六开关管S6工作于相同模式。第二变流器的第七开关管S7与第八开关管S8工作于互补模式，第九开关管S9和第十开关管S10工作于互补模式，第七开关管S7与第十开关管S10工作于相同模式。第二升降压电路的第十一开关管S11和第十二开关管S12工作在互补工作模式，第十一开关管S11的占空比D11大于0.5，工作在升压模式，升压增益为d11/(1-d11)。经过两级升压，系统的增益为d1×d11/((1-d1)(1-d11))。
工作模式二、正向充电，降压工作；
如图3所示，第一升降压电路的第一开关管S1和第二开关管S2工作在互补工作模式，第一开关管S1的占空比d1小于0.5，工作在降压模式，降压增益为d1/(1-d1)。第一变流器的第三开关管S3与第四开关管S4工作于互补模式，第五开关管S5和第六开关管S6工作于互补模式，第三开关管S3与第六开关管S6工作于相同模式。第二变流器的第七开关管S7与第八开关管S8工作于互补模式，第九开关管S9和第十开关管S10工作于互补模式，第七开关管S7与第十开关管S10工作于相同模式。第二升降压电路的第十一开关管S11和第十二开关管S12工作在互补工作模式，第十一开关管S11的占空比d11小于0.5，工作在降压模式，降压增益为d11/(1-d11)。经过两级降压，系统的增益为d1×d11/((1-d1)(1-d11))。
工作模式三、反向充电，升压工作；
如图4所示，第二升降压电路的第十一开关管S11和第十二开关管S12工作在互补工作模式，第十一开关管S11的占空比d12大于0.5，工作在升压模式，升压增益为d12/(1-d12)。第二变流器的第七开关管S7与第八开关管S8工作于互补模式，第九开关管S9和第十开关管S10工作于互补模式，第七开关管S7与第十开关管S10工作于相同模式。第一变流器的第三开关管S3与第四开关管S4工作于互补模式，第五开关管S5和第六开关管S6工作于互补模式，第三开关管S3与第六开关管S6工作于相同模式。第一升降压电路的第一开关管S1和第二开关管S2工作在互补工作模式，第二开关管S2的占空比d2大于0.5，工作在升压模式，升压增益为d2/(1-d2)。经过两级升压，系统的增益为d2*d12/((1-d2)(1-d12))。
工作模式四、反向充电，降压工作；
如图5所示，第二升降压电路的第十一开关管S11和第十二开关管S12工作在互补工作模式，第十一开关管S11的占空比d12小于0.5，工作在降压模式，降压增益为d12/(1-d12)。第二变流器的第七开关管S7与第八开关管S8工作于互补模式，第九开关管S9和第十开关管S10工作于互补模式，第七开关管S7与第十开关管S10工作于相同模式。第一变流器的第三开关管S3与第四开关管S4工作于互补模式，第五开关管S5和第六开关管S6工作于互补模式，第三开关管S3与第六开关管S6工作于相同模式。第一升降压电路的第一开关管S1和第二开关管S2工作在互补工作模式，第二开关管S2的占空比d2小于0.5，工作在降压模式，降压增益为d2/(1-d2)。经过两级降压，系统的增益为d2*d12/((1-d2)(1-d12))。
图6所示为第一变流器正向充电时电压电流波形，第一变流器工作于逆变状态，电压为方波，电流为正弦波。
图7所示为第二变流器正向充电时电压电流波形，第二变流器工作于不控整流状态，电压为方波，电流为正弦波。
Claims (6)
1.一种双向无线充电拓扑，其特征在于：所述的双向无线充电拓扑包括第一升降压电路、第一变流器、原边谐振电路、副边谐振电路、第二变流器和第二升降压电路；所述的第一升降压电路与第一变流器并联，第一变流器与原边谐振电路并联，原边谐振电路与副边谐振电路相互隔离，副边谐振电路与第二变流器并联，第二变流器与第二升降压电路并联，构成双向无线充电拓扑。
2.按照权利要求1所述的双向无线充电拓扑，其特征在于：所述的第一升降压电路包括八个二极管D1-D8、两个开关管S1、S2、一个电感L1和一个电容C1；电源Udc1的输入负极与第一二极管D1的阴极连接，第三二极管D3的阳极与第一二极管D1的阴极连接，第三二极管D3的阴极与第四二极管D4的阴极连接，第一二极管D1的阳极与第二二极管D2的阳极连接，第四二极管D4的阳极与第二二极管D2的阴极连接；第一开关管S1的集电极与第三二极管D3的阴极连接，第一开关管S1的发射极与第一二极管D1的阳极连接，第四二极管D4的阳极与第七二极管D7的阳极连接，第七二极管D7的阴极与第八二极管D8的阴极连接，第五二极管D5的阴极与第七二极管D7的阳极连接，第五二极管D5的阳极与第六二极管D6的阳极连接，第六二极管D6的阴极与第八二极管D8的阳极连接，第二开关管S2的集电极与第七二极管D7的阴极连接，第二开关管S2的发射极与第五二极管D5的阳极连接，第一电感L1的上端与第二二极管D2的阴极连接，第一电感L1的下端与电源Udc1的输入正极连接，第一电容C1的正极与第六二极管D6的阴极连接，第一电容C1的负极与电源Udc1的输入正极连接。
3.按照权利要求1所述的双向无线充电拓扑，其特征在于：所述的第一变流器包括四个开关管；所述的第三开关管的集电极与第一电容的正极连接，第三开关管的发射极与第四开关管的集电极连接，第四开关管的发射极与第一电容的负极连接，第五开关管的集电极与第三开关管的集电极连接，第五开关管的发射极与第六开关管的集电极连接，第六开关管的发射极与第四开关管的发射极连接。
4.按照权利要求1所述的双向无线充电拓扑，其特征在于：所述的第二升降压电路包括八个二极管D11-D16、两个开关管S11、S12、一个电感L2和一个电容C2；第十一二极管D12的阳极与第二电容C2的正极连接，第二电容C2的负极与第九二极管D9的阴极连接，第十一二极管D12的阴极与第十二二极管D12的阴极连接，第九二极管D9的阴极与第十一二极管D11的阳极连接，第九二极管D9的阳极与第十二极管D12的阳极连接，第十二二极管D12的阳极与第十二极管D12的阴极连接；第十一开关管S11的集电极与第十一二极管D12的阴极连接，第十一开关管S11的发射极与第九二极管D9的阳极连接；第十五二极管D15的阳极与第十二二极管D12的阳极连接，第十五二极管D15的阴极与第十六二极管D16的阴极连接；第十三二极管D13的阴极与第十五二极管D15的阳极连接，第十三二极管D13的阳极与第十四二极管D14的阳极连接；第十六二极管D16的阳极与第十四二极管D14的阴极连接，第十二开关管D12的集电极与第十五二极管D15的阴极连接，第十二开关管S12的发射极与第十三二极管D13的阳极连接；第二电感L2的上端与第十二极管D12的阴极连接，第二电感L2的下端与负载的正极连接，第十六二极管的阳极与负载的负极连接。
5.按照权利要求1所述的双向无线充电拓扑，其特征在于：所述的第二变流器包括四个开关管S7-S10；所述的第七开关管S7的集电极与第二电容C2的正极连接，第七开关管S7的发射极与第八开关管S8的集电极连接，第八开关管D2的发射极与第二电容C2的负极连接，第九开关管S9的集电极与第七开关管S7的集电极连接，第九开关管S9的发射极与第十开关管S10的集电极连接，第十开关管S10的发射极与第八开关管的发射极连接。
6.按照权利要求1所述的双向无线充电拓扑，其特征在于：所述的原边谐振电路包括谐振网络和谐振线圈，副边谐振电路包括谐振网络和谐振线圈；谐振网络是串联补偿网络或并联补偿网络。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4736151A (en) * | 1986-12-23 | 1988-04-05 | Sundstrand Corporation | Bi-directional buck/boost DC/DC converter |
| CN201138788Y (zh) * | 2008-01-03 | 2008-10-22 | 冬雷 | 串联交流调压节能装置 |
| CN103683523A (zh) * | 2012-09-07 | 2014-03-26 | 捷通国际有限公司 | 用于双向无线功率传输的系统和方法 |
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2017
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Patent Citations (3)
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| US4736151A (en) * | 1986-12-23 | 1988-04-05 | Sundstrand Corporation | Bi-directional buck/boost DC/DC converter |
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