CN109466350A - 一种lcl复合型无线充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LCL复合型无线充电装置，包括整流电路、逆变电路、发射端和接收端，所述发射端由电感L₁、电容C₁、电容C_S和发射线圈L_S构成，其中电感L₁、电容C₁构成一个谐振网络，电容C₁、电容C_S和发射线圈L_S构成一个谐振网络；所述接收端由电感L₂，电容C₂，电容C_P和接收线圈L_P构成，其中电感L₂、电容C₂构成一个谐振网络，电容C₂、电容C_P和接收线圈L_P构成一个谐振网络，所述双边开关S1接设于电容C₂的输出端上，同时与接收线圈L_P相接，所述单边开关S2接于电感L₂的输出端。本发明本发明具有控制简单和提高整体效率的功能，其仅对接收端进行控制，无需对发射端进行移相移频控制，进而优化控制方法，同时省略发射端和接收端通讯设备，降低成本造价。

Description

一种LCL复合型无线充电装置

技术领域：

本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种LCL复合型无线充电装置。

背景技术：

伴随着电动汽车产业的迅猛发展，与之配套的充电桩建设也在如火如荼的进行中。传统电动汽车是需要人工插拔，降低了电动汽车充电的灵活性，暴露的充电线缆和插头也构成了漏电及电击击穿的潜在危险，容易产生接触火花，形成插头与插座间的电蚀磨损，安全性不高。相对于传统的电动汽车有线充电方法，无线充电方式具有充电便利、节省空间、充电设施不易被破坏，以及不受雨雪等不良天气影响等优点。

无线充电将是电动汽车未来的发展方向，同时也是新的技术挑战。目前，实现电动汽车无线充电装置的结构基本上都包括：整流电路、逆变电路、发射端和接收端。所采用的控制方法主要有三大类：接收侧增加DC-DC变换器、发射侧调频移相控制或补偿机构变换。最常见的方式是在接收侧增加DC-DC变换器，通过控制DC-DC变换器的占空比实现恒流-恒压输出。然而此时系统会增加变换环节，导致整体效率降低；同时在发射侧调频移相控制，需要增加通讯模块，提高成本的同时可能会导致频率分叉问题，进一步会使系统工作于不稳定状态；补偿机构变换是近年来发展的新设计方法，比较适合电动汽车无线充电技术，常规的是采用LC和LCC变次级结构实现，LC发射端电流受负载变化而变化，同时当负载侧发生短路故障进而影响发射端短路故障；LCC增加一个电容改进LC补偿机构，使发射端电流恒定。但是这两种设计方法实现恒流-恒压输出都需要匹配额外辅助补偿电容或电感线圈，进而增加系统设计复杂度，同时辅助补偿电容和电感线圈会增加系统体积，降低系统灵活性。

发明内容：

本发明提出一种LCL复合型无线充电装置，以克服现有技术存在的系统设计复杂、系统体积较大同时系统灵活性差的问题。

为达到本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种LCL复合型无线充电装置，包括整流电路、逆变电路、发射端和接收端，所述发射端由电感L₁、电容C₁、电容C_S和发射线圈L_S构成，其中电感L₁、电容C₁构成一个谐振网络，电容C₁、电容C_S和发射线圈L_S构成一个谐振网络；所述接收端由电感L₂，电容C₂，电容C_P和接收线圈L_P构成，其中电感L₂、电容C₂构成一个谐振网络，电容C₂、电容C_P和接收线圈L_P构成一个谐振网络，所述双边开关S1接设于电容C₂的输出端上，同时与接收线圈L_P相接，所述单边开关S2接于电感L₂的输出端。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、目前的电动汽车无线充电采用增加二次DC-DC变换器而导致效率不高，利用本发明具有控制简单和提高整体效率的功能。

2、使用本发明方法仅对接收端进行控制，无需对发射端进行移相移频控制，进而优化控制方法，同时省略发射端和接收端通讯设备，降低成本造价。

3、现有技术中发射级采用LC补偿机构系统导致可靠性降低，利用本发明可以使发射端线圈电流保持不变，有利于电动汽车无线充电；同时降低发射端线圈直流磁化，抑制接收端开路短路对整体系统可靠性的影响。

4、使用本发明方法使用接收端复合结构，不增加补偿电容数量，有效减小系统体积，降低设计复杂度，实现系统最优化。

附图说明：

图1是LCL恒流-恒压充电电路整体结构；

图2是恒流充电电路图；

图3是恒压充电电路图；

图4是恒流-恒压切换控制方法；

具体实施方式：

下面将通过具体实施例和附图对本发明进行详细地描述。

参见图1，一种LCL复合型无线充电装置，包括整流电路、逆变电路、发射端和接收端，所述发射端由电感L₁、电容C₁、电容C_S和发射线圈L_S构成，其中电感L₁、电容C₁构成一个谐振网络，电容C₁、电容C_S和发射线圈L_S构成一个谐振网络；所述接收端由电感L₂，电容C₂，电容C_P和接收线圈L_P构成，其中电感L₂、电容C₂构成一个谐振网络，电容C₂、电容C_P和接收线圈L_P构成一个谐振网络，所述双边开关S1接设于电容C₂的输出端上，同时与接收线圈L_P相接，所述单边开关S2接于电感L₂的输出端。

开关管D₁至开关管D₈构成常见的整流电路，其中开关管Q₁至开关管Q₄构成常见的方波逆变电路，电容C₀为整流侧滤波电容。双边开关S1和单边开关S2为本发明中恒流恒压的切换开关，可实现负载恒流恒压输出控制。

方波逆变器工作于占空比为50％的高频驱动信号下，针对方波输出电压U₁进行傅里叶分解，得到输入LCL发射端的基波分量电压U_in。电感L₁、电容C₁、构成一个谐振网络，则得到流入发射线圈L_S的电流Is，

电流Is只与输入电压U_in、开关频率w和电感L₁有关，与负载无关，该特性有利于系统无线充电，有效抑制负载变化对发射端的影响。采用互感模型进行分析，接收线圈L_P则感应出互感电压U_P，

参见图4，接收端监测蓄电池的电压，若蓄电池电压U_battery大于恒压切换点电压U_ref，则通过比较器和驱动器进行恒压控制切换，即图2所示切换开关S1的触点1和触点3闭合，开关S2断开，可实现恒压输出功能。由公式(2)可得，通过合理设计电感L₁和互感M实现负载恒压输出。

接收端由电感L₂，电容C₂，电容C_P和接收线圈L_P构成，其中电感L₂、电容C₂、电容C_P构成一个谐振网络，电容C_P和接收线圈L_P构成一个谐振网络，则流入负载的电流I₂，

参见图4，接收端监测蓄电池的电压，若蓄电池电压U_battery小于恒压切换点电压U_ref，则通过比较器和驱动器进行恒流控制切换，即图3所示切换开关S1的触点1和触点2闭合，开关S2闭合，可实现恒流输出功能。由公式(3)可得，通过合理设计电感L₁、电感L₂和互感M实现负载恒流输出。其中开关工作频率w满足以下关系：

系统负载特性ZPA(Zero-Phase-Angle)分析

无线充电技术依靠发射线圈和接收线圈电磁场进行能量传递，系统中不存在无功功率，即输入阻抗为纯阻性，输入电压和电流的相角差为零。若系统等效负载呈现强容性或感性，则增加系统功率损耗和降低效率，因此必须分析电路负载特性。

当系统工作于恒流充电模式下，如图2，接收端等效阻抗Z_eq:

Z₂＝Z_LP+Z_Cp+Z₁ (6)

其中，

此时系统工作于谐振频率，

则：

当系统工作于恒压充电模式下，如图3，接收端等效阻抗Z′_eq:

Z′₂＝Z_LP+Z_Cp+Z_C2+R_eq＝R_eq (10)

接下来分析系统整体输入阻抗Z_in：

Z_in＝jwL₁+Z₃ (12)

其中，

当系统工作于恒流模式时：

当系统工作于恒压模式时：

分别对系统工作于恒流和恒压模式下输入阻抗进行分析，输入等效阻抗都呈现纯阻性，即电压和电流的相位差为0，实现系统ZPA特性。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (1)

1.一种LCL复合型无线充电装置，其特征在于：包括整流电路、逆变电路、发射端和接收端，所述发射端由电感L₁、电容C₁、电容C_S和发射线圈L_S构成，其中电感L₁、电容C₁构成一个谐振网络，电容C₁、电容C_S和发射线圈L_S构成一个谐振网络；所述接收端由电感L₂，电容C₂，电容C_P和接收线圈L_P构成，其中电感L₂、电容C₂构成一个谐振网络，电容C₂、电容C_P和接收线圈L_P构成一个谐振网络，所述双边开关S1接设于电容C₂的输出端上，同时与接收线圈L_P相接，所述单边开关S2接于电感L₂的输出端。