CN109687601A - 无线充电发射电路和无线充电接收电路 - Google Patents

无线充电发射电路和无线充电接收电路 Download PDF

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CN109687601A CN201811603959.9A CN201811603959A CN109687601A CN 109687601 A CN109687601 A CN 109687601A CN 201811603959 A CN201811603959 A CN 201811603959A CN 109687601 A CN109687601 A CN 109687601A
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Abstract

本申请实施例提供了一种无线充电发射电路和无线充电接收电路，上述无线充电发射电路包括：感抗可调模块、匝比可调变压器、并联电容和发射模组；所述感抗可调模块与所述匝比可调变压器串联，所述发射模组与所述匝比可调变压器并联，所述并联电容与所述发射模组并联；所述感抗可调模块的感抗值与所述匝比可调变压器的匝比可调，以调节所述无线充电发射电路的输出功率。本申请可以实现对电路的输出功率的调节，可以实现不同气隙下输出额定功率，或相同气隙下，输出不同功率，或不同气隙下，输出不同等级的功率，具有输出功率调节范围大，传输效率高的优点。

Description

无线充电发射电路和无线充电接收电路
【技术领域】
本申请涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种无线充电发射电路和无线充电接收电路。
【背景技术】
电动汽车具有较低的环境污染，同时可以较好地解决化石能源短缺的问题，因此是低碳经济中非常重要的一个环节。电动汽车的充电一直是研究热点，随着电动汽车的发展，便捷多样的充电方式越来越受欢迎。目前电动汽车多采用有线充电式，在雨天，高湿天气，会出现绝缘性能下降。同时有线充电有电气接触，带电插拔会产生电火花，频繁拔插充电插头，插座容易发生机械磨损，并且时间长容易老化。而无线电能传输技术使用方便，安全，且无接触损耗、机械磨损和相应的维护问题。因此无线充电技术在电动汽车的应用受到越来越多的关注。
在实际应用中，由于不同的车体底盘高度不同，或者用户对功率有不同要求，需要对输出功率进行调节。根据不同的车型，汽车底盘高度分为三个等级，Z1、Z2、Z3，对于Z1气隙的7.7kw无线充电系统，当气隙变为Z2时，充电功率或效率严重下降，此时需要对输出功率进行调节，使其在Z2气隙下也输出额定功率；或者需要在Z1、Z2、Z3下都能输出额定功率，都需要对功率进行调节，实现气隙兼容。
对于固定气隙的车辆，不同的车主对充电功率可能有不同的充电需求，如用7.7kw、11kw、20kw等功率等级，这种情况下也要对输出功率进行调节，满足功率兼容的要求，或者同时满足气隙兼容和功率兼容的要求。
现有相关技术中提供了对无线充电系统中的功率进行调节的方案，但是，现有相关技术方案中提供的方案存在功率调节效果较差，实现成本较高，对传输效率影响较大的问题。
【发明内容】
有鉴于此，本申请实施例提供了一种无线充电发射电路和无线充电接收电路，以实现对电路的输出功率的调节，可以实现不同气隙下输出额定功率，或相同气隙下，输出不同功率，或不同气隙下，输出不同等级的功率；另外，本申请提供的无线充电发射电路和无线充电接收电路的输出功率调节范围较大，只改变谐振补偿网络的电压电流应力，而这部分的损耗通常较小，因此电路的传输效率较高。
一方面，本申请实施例提供一种无线充电发射电路，包括：感抗可调模块、匝比可调变压器、并联电容和发射模组；所述感抗可调模块与所述匝比可调变压器串联，所述发射模组与所述匝比可调变压器并联，所述并联电容与所述发射模组并联；所述感抗可调模块的感抗值与所述匝比可调变压器的匝比可调，以调节所述无线充电发射电路的输出功率。
其中一种可能的实现方式中，所述发射模组包括：发射线圈；或者，所述发射模组包括：发射线圈和补偿电容，所述发射线圈和所述补偿电容串联连接。
其中一种可能的实现方式中，所述感抗可调模块通过可调电感实现；或者，所述感抗可调模块通过电感矩阵实现，通过开关切换使用所述电感矩阵中的不同电感。
其中一种可能的实现方式中，所述匝比可调变压器的原边或副边包括至少两个抽头，通过切换抽头改变所述匝比可调变压器的匝比；或者，所述匝比可调变压器通过变压器矩阵实现，通过开关切换使用所述变压器矩阵中的不同变压器。
其中一种可能的实现方式中，所述感抗可调模块的阻抗呈感性，并且所述感抗可调模块的感抗与所述并联电容和所述匝比可调变压器的匝比满足谐振匹配。
其中一种可能的实现方式中，所述感抗可调模块通过单一的感抗可调模块实现；或者，所述感抗可调模块由至少两个感抗可调子模块串联或并联构成；或者，所述感抗可调模块由至少一个感抗固定模块与至少一个感抗可调模块串联或并联构成；或者，所述感抗可调模块由至少一个电容与至少一个电感串联或并联构成，所述至少一个电容的电容值和/或至少一个电感的电感值可调。
其中一种可能的实现方式中，所述感抗可调模块与所述匝比可调变压器串联包括：所述感抗可调模块串联在所述匝比可调变压器的原边。
其中一种可能的实现方式中，所述感抗可调模块串联在所述匝比可调变压器的原边的同一支路；或者，所述感抗可调模块的一部分串联在所述原边的一条支路，所述感抗可调模块的另一部分串联在所述原边的另一支路。
另一方面，本申请实施例提供一种无线充电接收电路，包括：接收模组、并联电容、感抗可调模块、匝比可调变压器和负载；所述接收模组，用于与无线充电发射电路中的发射模组耦合；所述感抗可调模块与所述匝比可调变压器串联，所述接收模组与所述匝比可调变压器并联，所述并联电容与所述接收模组并联；所述感抗可调模块的感抗值与所述匝比可调变压器的匝比可调，以调节所述无线充电接收电路的输入功率。
其中一种可能的实现方式中，所述接收模组包括：接收线圈；或者，所述接收模组包括：接收线圈和补偿电容，所述接收线圈和所述补偿电容串联连接。
以上技术方案中，通过在无线充电发射电路和无线充电接收电路的补偿拓扑结构中使用感抗可调模块，从而可以实现对电路的输出功率的调节，可以实现不同气隙下输出额定功率，或相同气隙下，输出不同功率，或不同气隙下，输出不同等级的功率，具有输出功率调节范围大，传输效率高的优点。
【附图说明】
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为现有技术中无线充电电路的结构示意图；
图2为本申请无线充电电路一个实施例的结构示意图；
图3为本申请无线充电电路另一个实施例的结构示意图；
图4为本申请无线充电电路再一个实施例的结构示意图；
图5为本申请无线充电电路再一个实施例的结构示意图；
图6为本申请无线充电发射电路一个实施例的结构示意图；
图7为本申请无线充电接收电路一个实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本申请实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述XXX，但这些XXX不应限于这些术语。这些术语仅用来将XXX彼此区分开。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一XXX也可以被称为第二XXX，类似地，第二XXX也可以被称为第一XXX。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
现有相关技术中，根据不同的车型，汽车底盘高度分为三个等级，Z1、Z2、Z3，对于Z1气隙的7.7kw无线充电系统，当气隙变为Z2时，充电功率或效率严重下降，此时需要对输出功率进行调节，使其在Z2气隙下也输出额定功率；或者需要在Z1、Z2、Z3下都能输出额定功率，都需要对功率进行调节，实现气隙兼容。
对于固定气隙的车辆，不同的车主对充电功率可能有不同的充电需求，如用7.7kw、11kw、20kw等功率等级，这种情况下也要对输出功率进行调节，满足功率兼容的要求，或者同时满足气隙兼容和功率兼容的要求。
图1为现有技术中无线充电电路的结构示意图，对于图1所示的无线充电系统，理想情况下，忽略所有损耗，其输出为恒流源特性，输出电流和输入电压成正比，与负载大小无关。输出电流表达式如式(1)所示。
式(1)中，IL为流过负载电流，Lf1为原边补偿电感，L1为变压器原边，L2为变压器副边，n为变压器副边和原边的匝比，Cf1为原边补偿电容，Lp为磁耦合机构原边线圈，Ls为磁耦合机构副边线圈，Cs为副边补偿电容，Cf2为副边并联补偿电容，RL为负载；
M为磁耦合机构互感，其中，k为磁耦合机构耦合系数；
ω为交流电压角频率，ω＝2πf，其中，π是圆周率，f为输入交流电压频率；
j为虚数符号。
工作原理：Uin为高频交流电压，通常频率为85kHz，经过Lf1、升压变压器、Cf1，磁耦合机构原边线圈Lp上产生高频交流电流，高频电流感应出高频磁场，高频磁场穿过磁耦合机构副边线圈Ls，在副边线圈上感应出高频电压，高频电压经过Cs、Cf2和整流滤波电路，变成直流电流，给负载RL供电。
从式(1)中可以看出，图1所示无线充电电路的输出电流IL和升压变压器匝比n呈反比，因此，本申请中，将升压变压器做成匝比可调的变压器，通过调节升压变压器匝数n改变无线充电电路的输出电流IL，从而达到调节无线充电电路的输出功率的目的。另外，单独调节匝比，容易导致无线充电电路失谐，所以本申请同时对Lf1进行调节，如图2所示，图2为本申请无线充电电路一个实施例的结构示意图。对于图2所示的电路，Lf1可以按照式(2)进行调节。
如图2所示，本申请实施例提供的无线充电电路中的无线充电发射电路，即图2所示的地端的电路可以包括：感抗可调模块21、匝比可调变压器22、并联电容23和发射模组24；
其中，感抗可调模块21与匝比可调变压器22串联，发射模组24与匝比可调变压器22并联，并联电容23与发射模组24并联；
上述感抗可调模块21的感抗值与匝比可调变压器22的匝比可调，以调节上述无线充电发射电路的输出功率。
也就是说，本申请中，通过调节匝比可调变压器22的匝比n，同时调节感抗可调模块21的感抗值，使图2所示的无线充电电路保持谐振，从而达到调节无线充电电路的输出电流的目的。
对于不同气隙输出额定功率场景：如当前Lf1和变压器匝比n在气隙Z1下可输出满功率，当气隙为Z2时，切换另一组参数L′f1和n'，即可实现在气隙Z2下输出满功率。
对于气隙固定，输出不同功率的场景：在气隙Z1，对于一组参数Lf1和n，图2所示无线充电电路的输出功率为7.7kw，如需切换系统功率为11kw，则可以切换到另一组L′f1和n'来实现。
同时实现气隙和功率兼容调节的方案同上，在此不再赘述。对于任意气隙和/或任意功率下，都有一组参数可以使图2所示无线充电电路的输出满足要求。
本申请实施例提供的无线充电发射电路在气隙兼容输出相同功率时，不改变车端线圈结构和尺寸，不影响车端器件的电压电流应力，即车端不需要做任何调整。在气隙兼容输出相同功率时，不改变逆变的电压电流应力，即逆变电路部分不需要调整。并且，输出功率调节范围大，由于只改变谐振补偿网络的电压电流应力，该部分损耗通常较小，因此电路的传输效率较高。
本申请图2所示电路的一种实现方式中，发射模组24可以为发射线圈；或者，上述发射模组24可以为发射线圈和补偿电容，发射线圈和上述补偿电容串联连接。
本申请图2所示电路的一种实现方式中，感抗可调模块21可以通过可调电感实现；或者，感抗可调模块21可以通过电感矩阵实现，通过开关切换使用上述电感矩阵中的不同电感，如图3所示，图3为本申请无线充电电路另一个实施例的结构示意图。从图3中可以看出，可以通过K1～Km这m个开关切换使用电感矩阵中的Lf11～Lf1m这m个电感，这时还需要通过调节匝比可调变压器22的抽头，调节匝比可调变压器22的输出匝比，图3中，以发射模组24为发射线圈为例示出。
本申请图2所示电路的一种实现方式中，匝比可调变压器22的原边或副边包括至少两个抽头，可以通过切换抽头改变上述匝比可调变压器22的匝比；或者，匝比可调变压器22可以通过变压器矩阵实现，通过开关切换使用上述变压器矩阵中的不同变压器，如图4所示，图4为本申请无线充电电路再一个实施例的结构示意图。从图4中可以看出，可以通过K21～K2m这m个开关切换使用变压器矩阵中的m个变压器，这时还需要调节感抗可调模块21的感抗值，图4中，以发射模组24为发射线圈为例示出。
另外，图3和图4所示的实现方式还可以结合使用，也就是说，感抗可调模块21可以通过电感矩阵实现，通过开关切换使用上述电感矩阵中的不同电感，匝比可调变压器22可以通过变压器矩阵实现，通过开关切换使用上述变压器矩阵中的不同变压器，如图5所示，图5为本申请无线充电电路再一个实施例的结构示意图。从图5中可以看出，可以通过K11～Km1这m个开关切换使用电感矩阵中的Lf11～Lf1m这m个电感，可以通过K12～Km2这m个开关切换使用变压器矩阵中的m个变压器，图5中，以发射模组24为发射线圈为例示出。
本申请实施例中，感抗可调模块21的阻抗呈感性，并且感抗可调模块21的感抗与并联电容23和匝比可调变压器22的匝比满足谐振匹配。
对于图2所示的无线充电电路，当发射模组24为发射线圈LP时，即无线充电电路为LCL拓扑时，Lf1、n和Cf1满足谐振匹配：并且Cf1和LP满足谐振匹配：上式中，j为虚数符号，ω为谐振频率角频率，ω＝2·π·f，π为圆周率，f为谐振频率。
对于图2所示的无线充电电路，当发射模组24包括发射线圈LP和补偿电容CP时，即无线充电电路为LCC拓扑时，Lf1、n和CP满足谐振匹配：并且Cf1、LP和CP满足谐振匹配： 上式中，j为虚数符号，ω为谐振频率角频率，ω＝2·π·f，π为圆周率，f为谐振频率。
本申请图2所示电路的一种实现方式中，感抗可调模块21可以通过单一的感抗可调模块实现；或者，感抗可调模块21可以由至少两个感抗可调子模块串联或并联构成；或者，感抗可调模块21可以由至少一个感抗固定模块与至少一个感抗可调模块串联或并联构成；或者，感抗可调模块21可以由至少一个电容与至少一个电感串联或并联构成，上述至少一个电容的电容值和/或至少一个电感的电感值可调。
本申请实施例中，感抗可调模块21与匝比可调变压器22串联可以为：感抗可调模块21串联在匝比可调变压器22的原边。具体地，感抗可调模块21可以串联在匝比可调变压器22的原边的同一支路；或者，感抗可调模块21的一部分串联在上述原边的一条支路，感抗可调模块21的另一部分串联在上述原边的另一支路，如图6所示，图6为本申请无线充电发射电路一个实施例的结构示意图，从图6中可以看出，感抗可调模块21的一部分Lf1与感抗可调模块21的另一部分Lf2分别串联在匝比可调变压器22的原边的两条支路中。
本申请实施例提供的无线充电发射电路通过对LCL-P的原边补偿参数进行调节，可以实现在不同气隙下输出额定功率，即实现电动汽车无线充电的气隙兼容；或者，可以实现在固定气隙下，输出不同的功率，实现电动汽车无线充电的功率兼容；或者，可以实现在不同气隙下，输出不同的功率，同时实现气隙兼容和功率兼容。
图7为本申请无线充电接收电路一个实施例的结构示意图，如图7所示，上述无线充电接收电路可以包括：接收模组71、并联电容72、感抗可调模块73、匝比可调变压器74和负载75；
其中，接收模组71，用于与无线充电发射电路中的发射模组耦合；感抗可调模块73与匝比可调变压器74串联，接收模组71与匝比可调变压器74并联，并联电容72与接收模组71并联；感抗可调模块73的感抗值与匝比可调变压器74的匝比可调，以调节上述无线充电接收电路的输入功率。
本实施例中，接收模组71可以为接收线圈，即图7所示的无线充电接收电路采用LCL拓扑；或者，接收模组71可以包括接收线圈和补偿电容，上述接收线圈和上述补偿电容串联连接，即图7所示的无线充电接收电路采用LCC拓扑。
本实施例中，负载75为等效负载，是后级功率电路和用电设备的统称，通常情况下，负载75可以包括以下3个部分：整流滤波电路、DC-DC(可以没有)和用电设备(电池、电机等)。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，服务器，或者网络装置等)或处理器(Processor)执行本申请各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种无线充电发射电路，其特征在于，包括：感抗可调模块、匝比可调变压器、并联电容和发射模组；
所述感抗可调模块与所述匝比可调变压器串联，所述发射模组与所述匝比可调变压器并联，所述并联电容与所述发射模组并联；
所述感抗可调模块的感抗值与所述匝比可调变压器的匝比可调，以调节所述无线充电发射电路的输出功率。
2.根据权利要求1所述的无线充电发射电路，其特征在于，所述发射模组包括：发射线圈；或者，所述发射模组包括：发射线圈和补偿电容，所述发射线圈和所述补偿电容串联连接。
3.根据权利要求1所述的无线充电发射电路，其特征在于，所述感抗可调模块通过可调电感实现；或者，
所述感抗可调模块通过电感矩阵实现，通过开关切换使用所述电感矩阵中的不同电感。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的无线充电发射电路，其特征在于，所述匝比可调变压器的原边或副边包括至少两个抽头，通过切换抽头改变所述匝比可调变压器的匝比；或者，
所述匝比可调变压器通过变压器矩阵实现，通过开关切换使用所述变压器矩阵中的不同变压器。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的无线充电发射电路，其特征在于，所述感抗可调模块的阻抗呈感性，并且所述感抗可调模块的感抗与所述并联电容和所述匝比可调变压器的匝比满足谐振匹配。
6.根据权利要求5所述的无线充电发射电路，其特征在于，
所述感抗可调模块通过单一的感抗可调模块实现；或者，
所述感抗可调模块由至少两个感抗可调子模块串联或并联构成；或者，
所述感抗可调模块由至少一个感抗固定模块与至少一个感抗可调模块串联或并联构成；或者，
所述感抗可调模块由至少一个电容与至少一个电感串联或并联构成，所述至少一个电容的电容值和/或至少一个电感的电感值可调。
7.根据权利要求1、2、3或6所述的无线充电发射电路，其特征在于，所述感抗可调模块与所述匝比可调变压器串联包括：
所述感抗可调模块串联在所述匝比可调变压器的原边。
8.根据权利要求7所述的无线充电发射电路，其特征在于，所述感抗可调模块串联在所述匝比可调变压器的原边的同一支路；或者，
所述感抗可调模块的一部分串联在所述原边的一条支路，所述感抗可调模块的另一部分串联在所述原边的另一支路。
9.一种无线充电接收电路，其特征在于，包括：接收模组、并联电容、感抗可调模块、匝比可调变压器和负载；
所述接收模组，用于与无线充电发射电路中的发射模组耦合；
所述感抗可调模块与所述匝比可调变压器串联，所述接收模组与所述匝比可调变压器并联，所述并联电容与所述接收模组并联；
所述感抗可调模块的感抗值与所述匝比可调变压器的匝比可调，以调节所述无线充电接收电路的输入功率。
10.根据权利要求9所述的无线充电接收电路，其特征在于，所述接收模组包括：接收线圈；或者，所述接收模组包括：接收线圈和补偿电容，所述接收线圈和所述补偿电容串联连接。
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