CN108162775B - 用于恒功率充电的电动汽车无线能量传输装置 - Google Patents

Abstract

一种用于恒功率充电的电动汽车无线能量传输装置，包括原边侧T型阻抗匹配网络和副边侧T型阻抗匹配网络。原边侧阻抗匹配网络包括原边侧串联补偿电感L₁、原边侧并联补偿电容C_PP和原边侧串联补偿电容C_PS。副边侧阻抗匹配网络包括副边侧串联补偿电容C_SS、副边并联补偿电容C_SP和副边侧串联补偿电感L₂。原边侧阻抗匹配网络和副边侧阻抗匹配网络分别用于补偿原边侧线圈和副边侧线圈的漏感。

Description

用于恒功率充电的电动汽车无线能量传输装置

技术领域

本发明涉及一种用于恒功率充电的电动汽车无线充电的阻抗匹配网络。

背景技术

电动汽车是未来发展新能源绿色交通和实现交通电气化的必然趋势，因此世界各国对电动汽车的发展都制定了相关的鼓励性政策，然而电动汽车仍然没有得到广泛的普及。制约电动汽车发展的主要因素是电池成本较高和充电困难。传统插电式充电方式采用笨重的充电枪，使用极不方便，不仅存在接插部件的机械磨损老化问题，而且在雨雪恶劣天气下还有漏电触电的安全隐患。电动汽车的无线充电技术是近几年新兴的一个热点研究方向，它能够极大的提高充电的安全性和便利性，用户只需要将电动汽车停好即可自动充电。

电动汽车无线充电系统的能量传输效率和稳定性是研究的关键问题。如何在简化控制过程的基础上，通过使用阻抗匹配网络对电路中的无功分量进行补偿，提高系统的能量传输效率，对电动汽车电池进行恒流或恒压充电，保证充电过程的稳定性，是此项技术的热点与难点。

为此，发明专利CN201410359680“恒流输出型感应式无线电能传输变换器及其参数选取方法”提出了一种在原副边分别串联电容的阻抗匹配方法，实现了系统谐振时的恒流输出，该方案需要对磁场耦合机构进行复杂的计算与设计，增加了系统设计的工程实现难度。发明专利CN201410851171“一种感应电能传输系统的补偿拓扑电路”提出了一种原边侧采用T型阻抗匹配，副边侧采用串联电容匹配的方法，以提高系统的偏移容忍度。该方案未将系统的负载匹配至最优，且原边侧采用的阻抗匹配网络过于复杂，增加了系统设计的成本与复杂度。

上述阻抗匹配方法虽能不同程度的对系统电路的无功分量进行补偿，但均无法保证线圈的最高效率及恒功率输出，且无法通过原边侧的阻抗匹配设计使得系统恒定输出电流，确保系统运行的稳定性。此外，也有人针对系统的高效稳定运行问题提出了调频、移相等控制方法，保证对电池的恒流或恒压充电。但是，采用较为复杂的控制方法提高的设计的困难程度，增加了制造成本。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种用于恒功率充电的电动汽车无线能量传输装置。本发明能够保证原边侧线圈的恒定电流输出，满足系统的最佳效率、恒定功率输出，且其设计方法简单，系统工作稳定，制造成本低。

本发明为实现其发明目的所采用的技术方案如下。

一种用于电动汽车恒功率充电的无线能量传输装置，包括原边侧阻抗匹配网络和副边侧阻抗匹配网络。原边侧阻抗匹配网络和副边侧阻抗匹配网络分别用于补偿原边侧线圈和副边侧线圈的漏感。原边侧线圈和副边侧线圈是一对耦合线圈，耦合系数为K，K的取值范围是0.05—0.3。

所述的原边侧阻抗匹配网络包括三个桥臂，分别是原边侧串联补偿电感L₁、原边侧并联补偿电容C_PP和原边侧串联补偿电容C_PS。所述的原边侧串联补偿电感L₁的一端与交流输入电压U_i连接，原边侧串联补偿电感L₁的另一端与原边侧并联补偿电容C_PP和原边侧串联补偿电容C_PS的连接点连接；所述的原边侧并联补偿电容C_PP的一端与原边侧并联补偿电感L₁和原边侧串联补偿电容C_PS的连接点连接，原边侧并联补偿电容C_PP的另一端与交流输入电压U_i和原边线圈的连接点连接；所述的原边侧串联补偿电容C_PS的一端与原边侧串联补偿电感L₁和原边侧并联补偿电容C_PP的连接点连接，原边侧串联补偿电容C_PS的另一端与原边线圈连接。

所述的副边侧阻抗匹配网络也包括三个桥臂，分别是副边侧串联补偿电容C_SS、副边并联补偿电容C_SP和副边侧串联补偿电感L₂。所述的副边侧串联补偿电容C_SS的一端与副边线圈连接,副边侧串联补偿电容C_SS的另一端与副边侧串联补偿电感L₂和副边侧并联补偿电容C_SP的连接点连接；所述的副边侧并联补偿电容C_SP的一端与副边侧串联补偿电感L₂和副边侧串联补偿电容C_SS的连接点连接，副边侧并联补偿电容C_SP的另一端与副边线圈和负载的连接点连接；所述的副边侧串联补偿电感L₂的一端与副边侧串联补偿电容C_SS和副边侧并联补偿电容C_SP的连接点连接，副边串联补偿电感L₂的另一端与负载连接。

电动汽车无线充电系统的最优阻抗记为R_opt。

所述的原边侧阻抗匹配网络中：

流经原边侧线圈的电流I_p由式(1)确定：

式中，P_in是原边侧的输入功率，R_ref为副边反射到原边的反射阻抗；

所述的原边阻抗匹配网络的三个桥臂的电抗X_p由式(2)确定，其中U_i为原边侧交流输入电压：

X_P＝U_i/I_P (2)

所述的原边串联补偿电感L₁由式(3)确定：

L₁＝αX_P/ω (3)

式中，α是串联补偿电感L₁的校正系数，ω为电动汽车无线充电系统的工作角频率；

所述的原边并联补偿电容C_PP由式(4)确定：

C_PP＝1/ωX_P (4)

所述的原边串联补偿电容C_PS由式(5)确定：

C_PS＝1/ω(ωL_P-X_P) (5)

式(4)和式(5)中，ω是电动汽车无线充电系统的系统工作角频率，L_p是原边线圈的电感值。

所述的副边侧阻抗匹配网络中，

所述的电动汽车无线充电系统系统最优负载R_opt由式(6)确定：

式中，R_S是副边线圈的内阻值，k是原边线圈和副边线圈之间的耦合系数，Q_P是原边线圈的品质因数，Q_S是副边线圈的品质因数。

所述的副边阻抗匹配网络的三个桥臂的电抗X_S由式(7)确定：

式中，R_e是电动汽车无线充电时的等效阻性负载；

所述的副边串联补偿电容C_SS由式(8)确定：

C_SS＝1/ω(ωL_S-X_S) (8)

式中，ω是系统工作角频率，L_S是副边线圈的电感值，X_S是副边阻抗匹配网络的三个桥臂的电抗；

所述的副边并联补偿电容C_SP由式(9)确定：

C_SP＝1/ωX_S (9)

所述的副边串联补偿电感L₂由式(10)确定：

L₂＝X_S/ω (10)

本发明的工作原理如下：

本发明的装置包括原边阻抗匹配网络和副边阻抗匹配网络，所述原边阻抗匹配网络与逆变电源相连，副边阻抗匹配网络与负载相连，即逆变电源与原边侧阻抗匹配网络连接后与原边侧线圈相连，副边侧线圈与副边侧阻抗匹配网络连接后再与负载相连，原边侧线圈与副边侧线圈之间具有耦合关系，其耦合系数为K，互感为M。逆变电源经过本方法所述的原边侧阻抗匹配网络进行阻抗变换后，从式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)可以看出，在原边侧线圈上输出的电流I_p为恒流，此时，副边侧的感应电压U_i为恒压。采用本方法对副边侧的负载进行阻抗变换后，由式(7)、式(8)、式(9)和式(10)可知，此时副边侧的阻抗变换为系统最优负载R_opt，此时负载的输出功率为：

P_S＝(ωMI_P)²/R_opt

其中，M是原边侧与副边侧线圈之间的耦合电感，M的取值范围是2-30Uh，当M改变较小时，可以认为互感系数不变，此时，负载输出为恒功率，副边的功率输出保持稳定。

与现有的技术方案相比，本发明具有如下优点：

1.将系统的额定负载匹配至最优负载，使线圈以最大效率传输能量；

2.采用T型网络设计方法，能够保证原边线圈电流的恒定特性，便于系统的稳定输出与控制；

3.保证原边输入阻抗的感性特征，满足系统的ZVS条件。

附图说明

图1本发明用于电动汽车无线充电的阻抗匹配网络的结构图；

图2本发明的原边侧阻抗匹配网络结构图；

图3本发明的副边侧阻抗匹配网络结构图；

图中，U_i为原边侧交流输入电压源，L₁为原边侧串联补偿电感，C_PP为原边侧并联补偿电容，C_PS为原边侧串联补偿电容，C_SS为副边侧串联补偿电容，C_SP为副边侧并联补偿电容，L₂为副边侧串联补偿电感，L_P为原边侧线圈，L_S为副边侧线圈，R_e为系统等效负载，Z_i为原边侧等效输入阻抗，Z_S为原边侧等效输入阻抗，jωMI_P为副边侧等效感应电压源，R_ref为副边反射到原边的反射阻抗，I_o为原边线圈电流，jX_P为原边侧T型网络桥臂等效阻抗，jX_S为副边侧T型网络桥臂等效阻抗。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明用于恒功率充电的电动汽车无线能量传输装置，包括原边侧阻抗匹配网络和副边侧阻抗匹配网络，原边侧阻抗匹配网络和副边侧阻抗匹配网络分别用于补偿原边侧线圈和副边侧线圈的漏感，其中原边侧线圈和副边侧线圈是一对耦合线圈，耦合系数为M。

所述的原边侧阻抗匹配网络包括三个桥臂，分别是原边侧串联补偿电感L₁，原边侧并联补偿电容C_PP和原边侧串联补偿电容C_PS。所述的副边侧阻抗匹配网络包括三个桥臂，分别是副边串联补偿电容C_SS、副边并联补偿电容C_SP和副边串联补偿电感L₂。本发明能够保证原边线圈的恒流输出，并使得系统能以最大效率传输能量。

如图1所示，原边侧串联补偿电感L₁，原边侧并联补偿电容C_PP，原边侧串联补偿电容C_PS构成了原边侧阻抗匹配网络。副边侧串联补偿电容C_SS，副边侧并联补偿电容C_SP，副边侧串联补偿电感L₂构成了副边侧阻抗匹配网络。所述的电感L₁一端与交流输入电压U_i连接，另一端与电容C_PP和电容C_PS的连接点连接；所述的电容C_PP一端与电感L₁和电容C_PS的连接点连接，另一端与交流输入电压U_i和原边线圈的连接点连接；所述的电容C_PS一端与电感L₁和电容C_PP的连接点连接，另一端与原边线圈连接；所述的电容C_SS一端与副边线圈连接,另一端与电感L₂和电容C_SP的连接点连接；所述的电容C_SP一端与电感L₂和电容C_SS的连接点连接，另一端与副边线圈和负载的连接点连接；所述的电感L₂一端与电容C_SS和电容C_SP的连接点连接，另一端与负载连接。

如图2所示，由原边侧串联补偿电感L₁，原边侧并联补偿电容C_PP，原边侧串联补偿电容C_PS和原边线圈L_P构成了原边侧阻抗匹配网络，且阻抗匹配网络的每个桥臂的等效阻抗的模值均为X_P。

所述的原边侧阻抗匹配网络中：

所述的流经线圈原边侧电流I_p由式(11)确定：

所述的原边阻抗匹配网络的三个桥臂的电抗X_p由式(12)确定：

X_P＝U_i/I_P (12)

所述的原边串联补偿电感L₁由式(13)确定：

L₁＝αX_P/ω (13)

所述的原边并联补偿电容C_PP由式(14)确定：

C_PP＝1/ωX_P (14)

所述的原边串联补偿电容C_PS由式(15)确定：

C_PS＝1/ω(ωL_P-X_P) (15)

式(11)、(12)、(13)、(14)和(15)中，P_in是原边侧的输入功率，R_ref是副边侧反射到原边侧的反射阻抗，ω是电动汽车无线充电系统的工作角频率，L_p是原边线圈的电感值，α是串联补偿电感校正系数，且1.05<α<1.1。

如图3所示，由副边侧串联补偿电容C_SS，副边侧并联补偿电容C_SP，副边侧串联补偿电感L₂和副边线圈L_S构成了副边侧T型阻抗匹配网络，且T型阻抗匹配网络的每个桥臂的等效阻抗的模值均为X_S。

所述的副边侧阻抗匹配网络中：

所述的系统最优负载R_opt由式(16)确定：

所述的副边阻抗匹配网络的三个桥臂的电抗X_S由式(17)确定：

所述的副边串联补偿电容C_SS由式(18)确定：

C_SS＝1/ω(ωL_S-X_S) (18)

所述的副边并联补偿电容C_SP由式(19)确定：

C_SP＝1/ωX_S (19)

所述的副边串联补偿电感L₂由式(20)确定：

L₂＝X_S/ω (20)

式(16)、(17)、(18)、(19)和(20)中，R_S是副边线圈的内阻值，k是两线圈之间的耦合系数，Q_P是原边线圈的品质因数，Q_S是副边线圈的品质因数，R_e是系统的等效阻性负载，L_S是副边线圈的电感值，ω是电动汽车无线充电系统的工作角频率。

本发明的工作原理和工作过程如下：

本发明的装置包括原边阻抗匹配网络和副边阻抗匹配网络，所述原边阻抗匹配网络与逆变电源相连，副边阻抗匹配网络与负载相连，如图1所示，即逆变电源与原边侧阻抗匹配网络连接后与原边侧线圈相连，副边侧线圈与副边侧阻抗匹配网络连接后再与负载相连，原边侧线圈与副边侧线圈之间具有耦合关系，其耦合系数为K，互感为M。逆变电源经过本方法所述的原边侧阻抗匹配网络进行阻抗变换后，从式(1)、式(2)、式(3)、式(4)、式(5)可以看出，在原边侧线圈上输出的电流I_p为恒流，此时，副边侧的感应电压U_i为恒压。采用本方法对副边侧的负载进行阻抗变换后，由式(7)、式(8)、式(9)、式(10)可知，此时副边侧的阻抗变换为系统最优负载R_opt，此时负载的输出功率为：

P_S＝ωMI_PR_opt

其中，M是原边侧与副边侧线圈之间的耦合电感，M的取值范围是2-30Uh，当M改变较小时，可以认为互感系数不变，此时，负载输出为恒功率，副边的功率输出保持稳定。

Claims (1)

1.一种用于恒功率充电的电动汽车无线能量传输装置，其特征在于：所述的无线能量传输装置包括原边侧阻抗匹配网络和副边侧阻抗匹配网络；原边侧阻抗匹配网络和副边侧阻抗匹配网络分别用于补偿原边侧线圈和副边侧线圈的漏感；所述的原边侧阻抗匹配网络包括原边侧串联补偿电感L₁、原边侧并联补偿电容C_PP和原边侧串联补偿电容C_PS，原边侧串联补偿电感L₁，原边侧并联补偿电容C_PP，原边侧串联补偿电容C_PS和原边侧线圈构成了原边侧T型阻抗匹配网络，且阻抗匹配网络的每个桥臂的等效阻抗的模值均为X_P；所述的原边侧并联补偿电容C_PP的一端与串联补偿电感L₁和原边侧串联补偿电容C_PS的连接点连接，原边侧并联补偿电容C_PP的另一端与交流输入电压U_i和原边侧线圈的连接点连接；所述的副边侧阻抗匹配网络包括副边侧串联补偿电容C_SS、副边侧并联补偿电容C_SP和副边侧串联补偿电感L₂，副边侧串联补偿电容C_SS，副边侧并联补偿电容C_SP，副边侧串联补偿电感L₂和副边侧线圈构成了副边侧T型阻抗匹配网络，且T型阻抗匹配网络的每个桥臂的等效阻抗的模值均为X_S；所述的副边侧串联补偿电容C_SS的一端与副边侧线圈连接，副边侧串联补偿电容C_SS的另一端与副边侧串联补偿电感L₂和副边侧并联补偿电容C_SP的连接点连接；所述的副边侧并联补偿电容C_SP的一端与副边侧串联补偿电感L₂和副边侧串联补偿电容C_SS的连接点连接，副边侧并联补偿电容C_SP的另一端与副边侧线圈和负载的连接点连接；所述的副边侧串联补偿电感L₂的一端与副边侧串联补偿电容C_SS和副边侧并联补偿电容C_SP的连接点连接，副边串联补偿电感L₂的另一端与负载连接；所述的原边侧线圈和副边侧线圈是一对耦合线圈，耦合系数为K，K的取值范围是0.05—0.3；

所述原边侧阻抗匹配网络中：

流经原边侧线圈的电流I_p由式(1)确定：

式中，P_in是原边侧的输入功率，R_ref为副边反射到原边的反射阻抗；

所述的原边侧阻抗匹配网络的三个桥臂的电抗X_p由式(2)确定，其中U_i为原边侧交流输入电压：

X_P＝U_i/I_P (2)

所述的原边侧串联补偿电感L₁由式(3)确定：

L₁＝αX_P/ω (3)

式中，α是串联补偿电感L₁的校正系数，ω为电动汽车无线充电系统的工作角频率；

所述的原边侧并联补偿电容C_PP由式(4)确定：

C_PP＝1/ωX_P (4)

所述的原边侧串联补偿电容C_PS由式(5)确定：

C_PS＝1/ω(ωL_P-X_P) (5)

式(4)和式(5)中，ω是电动汽车无线充电系统的系统工作角频率，L_p是原边侧线圈的电感值；

所述的副边侧阻抗匹配网络中，

所述的电动汽车无线充电系统的系统最优负载R_opt由式(6)确定：

式中，R_S是副边侧线圈的内阻值，k是原边侧线圈和副边侧线圈之间的耦合系数，Q_P是原边侧线圈的品质因数，Q_S是副边侧线圈的品质因数；

所述的副边侧阻抗匹配网络的三个桥臂的电抗X_S由式(7)确定：

式中，R_e是电动汽车无线充电时的等效阻性负载；

所述的副边侧串联补偿电容C_SS由式(8)确定：

C_SS＝1/ω(ωL_S-X_S) (8)

式中，ω是系统工作角频率，L_S是副边侧线圈的电感值，X_S是副边侧阻抗匹配网络的三个桥臂的电抗；

所述的副边侧并联补偿电容C_SP由式(9)确定：

C_SP＝1/ωX_S (9)

所述的副边侧串联补偿电感L₂由式(10)确定：

L₂＝X_S/ω (10)。

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