CN109756008B - 一种基于开关网络的电源与发射阵列线圈的连接拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于开关网络的电源与发射阵列线圈的连接拓扑，属于电动汽车无线充电技术领域。所述连接拓扑包括：n个配有谐振电容的阵列线圈{P1,P2,...,Pn}，m个供电电源{电源1,电源2,...,电源m}以及隶属于每个供电电源的两组开关网络；其中，m和n均为大于2的整数；所述连接拓扑应用于电动汽车动态无线充电领域，解决了现有技术中多并联阵列线圈内的电流闭环控制无法独立实现，系统电源成本较高，容易损坏功率开关，降低其使用寿命等问题。

Description

一种基于开关网络的电源与发射阵列线圈的连接拓扑
技术领域
本发明涉及一种基于开关网络的电源与发射阵列线圈的连接拓扑，属于无线充电技术领域。
背景技术
电动汽车动态无线充电技术可有效的提升电动汽车的续航里程，并减少电池组数目，同时非拔插式的充电方式使得电能补给更加的安全可靠。阵列线圈式无线充电系统作为动态无线充电系统的一种主流方式，其主要优势有：小尺寸的耦合机构有效降低了通电损耗，同时也限制了漏磁，在提高传输效率的磁辐射的安全性较高。单体列阵线圈相对较小的电感有效的降低了电源视在功率，小阵列单元的损坏，对全局电路的影响较较小，易于后期的替换和维护。为了减少长距离动态无线充电系统中的电源数目，传统常规的方式是采用复数电力开关来实现单电源对多阵列线圈的供电，如图1所示，对于一定距离内的n组阵列线圈，由m台电源对其进行供电，每台电源的输出侧并联上k(k＝n/m)组含有功率开关的阵列线圈，但这种复数的阵列线圈经功率开关而并联于一个电源的方式存在以下缺点：
1、电源一旦故障，将会有连续的多段阵列线圈失电。由于每个阵列线圈的供电电源是唯一的，且每一电源又是给复数阵列线圈供电，因此一旦电源故障，将会有连续的复数的阵列线圈失电。
2、闭环控制存在局限性。当需要对隶属于同一电源的复数个阵列线圈进行功率控制时，由于闭环控制作用的对象是唯一，这种并联方式只能进行母线的电压闭环控制，而无法同时对每一阵列线圈进行功率控制，如各阵列线圈内的电流闭环控制就无法实现。
3、隶属于同一电源的功率开关无法实现平滑的切换。绝大部分的功率开关的动作是在电源上电之后，而无线充电使用的阵列线圈是一个惯性网络，因此，在电源启动后，发生动作的功率开关将会承受较大的过冲电压和电流，容易损坏功率开关，降低其使用寿命。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术中存在的技术问题，提出了一种基于开关网络的电源与发射阵列线圈的连接拓扑，应用于电动汽车动态无线充电领域，所采取的技术方案如下：
一种基于开关网络的电源与发射阵列线圈的连接拓扑，所述连接拓扑包括：n个配有谐振电容的阵列线圈{P1,P2,...,Pn}，m个供电电源{电源1,电源2,...,电源m}以及隶属于每个供电电源的两组开关网络；其中，m和n均为大于2的整数；m个供电电源中，每个供电电源对应的第一组开关网络的输入端连接在一起构成第一输入总接点，则m个供电电源的各第一组开关网络形成的第一输入总接点为{A1,A2,...,Am}；每个供电电源对应的第二组开关网络的输入端连接在一起构成第二输入总接点，则m个供电电源的各第二组开关网络形成的第二输入总接点为{B1,B2,...,Bm}；所述第一输入总接点与其对应的供电电源的一个输出端相连；所述第二输入总接点与其对应的供电电源的另一个输出端相连；
每个阵列线圈的两个输出端分别引出作为第一母线和第二母线，则n个阵列线圈形成了第一母线组{La1,La2,...,Lan}和第二母线组{Lb1,Lb2,...,Lbn}；每个供电电源对应的两组开关网络内部均包含n个开关；每个电源对应的第一组开关网络中的n个开关的输出端依次一一对应接入第一母线组{La1,La2,...,Lan}；每个电源对应的第二组开关网络中的n个开关的输出端依次一一对应接入第二母线组{Lb1,Lb2,...,Lbn}。
进一步地，所述电源1的两组开关网络分别为{Sa(1,1),Sa(1,2),...,Sa(1,n)}和{Sb(1,1),Sb(1,2),...,Sb(1,n)}；所述电源2的两组开关网络分别为{Sa(2,1),Sa(2,2),...,Sa(2,n)}和{Sb(2,1),Sb(2,2),...,Sb(2,n)}，直至所述电源m的开关网络两组分别为{Sa(m,1),Sa(m,2),...,Sa(m,n)}和{Sb(m,1),Sb(m,2),...,Sb(m,n)}。
进一步地，所述Sa(m,n)，Sb(m,n)为功率开关。
进一步地，所述Sa(m,n)，Sb(m,n)采用可控硅，交流接触器，IGBT或MOSFET。
本发明所提出的所述连接拓扑的工作原理和工作过程为：
情形1：单一车辆无线充电
当车辆即将进入阵列线圈P1时，功率开关Sa(1,1)和Sb(1,1)将受控闭合，电源1进行闭环控制，使得阵列线圈P1中产生符合车辆需求的电流激励。随后，车辆进入阵列线圈P1的无线充电范围，进行无线充电。
当车辆未驶出阵列线圈P1的无线充电范围，而又即将进入阵列线圈P2的无线充电范围时，功率开关Sa(2，2)和Sb(2，2)将受控闭合，电源2进行闭环控制，使得阵列线圈P2中产生符合车辆需求的电流激励。随后，车辆进入阵列线圈P2的无线充电范围，进行无线充电。
当车辆刚驶离阵列线圈P1的无线充电范围时，电源1进行关断控制，使得阵列线圈P1中的电流激励完全归零，随后，功率开关Sa(2,2)和Sb(2,2)将受控断开，阵列线圈P1回归初始状态。
后面的阵列线圈，它们对应的功率开关及电源的工作过程实与阵列线圈P1的过程相同。
实际应用中，阵列线圈数目n是大于电源数目m的，这里，当车辆进入到第m+1个阵列线圈Pm+1的无线充电范围时，将由电源1配合功率开关Sa(1,m+1)和Sb(1,m+1)完成相应上述操作。对于阵列线圈Pm+2，将由电源2配合功率开关Sa(2,m+2)和Sb(2,m+2)完成相应操作，同理，阵列线圈P2m，将由电源m配合功率开关Sa(m,2m)和Sb(m,2m)完成相应操作。而后，对与阵列线圈P2m+1，将又回到由电源1配合功率开关Sa(1,2m+1)和Sb(1,2m+1)完成相应操作的过程，以此类推，完成剩下所有阵列线圈的操作。
情形2：多车辆无线充电
在整个供电系统中，电源1将优先给阵列线圈组{P1，Pm+1，P2m+1，...}供电，以此类推，电源m将优先给阵列线圈组{Pm，Pm+m，P2m+m，...}供电。以电源1为例，由于闭环控制的唯一性，在任意时刻电源1只能给对应阵列线圈组中的一个阵列线圈进行供电。因此当P1和Pm+1上均有车辆时，这时系统将遵守“先到先得”原则，即电源1将先满足阵列线圈Pm+1上的车辆无线充电需求。随后，系统将进行“电源填补”来从剩下的电源中，按电源编号顺次查询，找出当前未激励的电源来给P1供电，因此，只有当其余m-1台电源均处于激励状态时，才无法给P1供电。
情形3：存在电源故障场合
当系统存在x台电源因故障损坏而无法使用时，则系统会将剩下m-x台电源重新编号为1至m*(m*＝m-x)，因此只需将情形1和情形2中的m改为m*，系统的工作方式依然不会改变。只要m*≧2，则系统依然可以保持单辆车在整个供电路段内的连续无线充电。
本发明有益效果为：
1、在功率开关进行闭环或断开的过程中，其输入侧的电源均处于零电压零电流的输出状态，从而使功率开关工作的动作将不会产生任何电压电流的过程，既令系统的特性更加稳定，也能有效延长功率开关的使用寿命。
2、当存电源故障时，所提出的开关矩阵可以利用剩余完好的电源进行填补，依然能够确保整个供电路段内不存在供电盲区，只要完好的电源数目≧2，系统依然可以保持单辆车在整个供电路段内的连续无线充电。
3、由于每个阵列线圈在处于激励状态时均是由独立电源进行供电的，因此被激励的阵列线圈可以使用独立的闭环的控制，使得电动汽车可以获得更好的充电性能。
附图说明
图1为现有传统的连接拓扑结构示意图。
图2为本发明所述连接拓扑的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
一种基于开关网络的电源与发射阵列线圈的连接拓扑，如图2所示，所述连接拓扑包括：n个配有谐振电容的阵列线圈{P1,P2,...,Pn}，m个供电电源{电源1,电源2,...,电源m}以及隶属于每个供电电源的两组开关网络；其中，m和n均为大于2的整数；m个供电电源中，每个供电电源对应的第一组开关网络的输入端连接在一起构成第一输入总接点，则m个供电电源的各第一组开关网络形成的第一输入总接点为{A1,A2,...,Am}；每个供电电源对应的第二组开关网络的输入端连接在一起构成第二输入总接点，则m个供电电源的各第二组开关网络形成的第二输入总接点为{B1,B2,...,Bm}；所述第一输入总接点与其对应的供电电源的一个输出端相连；所述第二输入总接点与其对应的供电电源的另一个输出端相连；
每个阵列线圈的两个输出端分别引出作为第一母线和第二母线，则n个阵列线圈形成了第一母线组{La1,La2,...,Lan}和第二母线组{Lb1,Lb2,...,Lbn}；每个供电电源对应的两组开关网络内部均包含n个开关；每个电源对应的第一组开关网络中的n个开关的输出端依次一一对应接入第一母线组{La1,La2,...,Lan}；每个电源对应的第二组开关网络中的n个开关的输出端依次一一对应接入第二母线组{Lb1,Lb2,...,Lbn}。
其中，所述电源1的两组开关网络分别为{Sa(1,1),Sa(1,2),...,Sa(1,n)}和{Sb(1,1),Sb(1,2),...,Sb(1,n)}；所述电源2的两组开关网络分别为{Sa(2,1),Sa(2,2),...,Sa(2,n)}和{Sb(2,1),Sb(2,2),...,Sb(2,n)}，直至所述电源m的开关网络两组分别为{Sa(m,1),Sa(m,2),...,Sa(m,n)}和{Sb(m,1),Sb(m,2),...,Sb(m,n)}。所述Sa(m,n)，Sb(m,n)为功率开关，具体可采用可控硅，交流接触器，IGBT或MOSFET。
本实施例提出的所述连接拓扑的工作原理和工作过程为：
情形1：单一车辆无线充电
当车辆即将进入阵列线圈P1时，功率开关Sa(1,1)和Sb(1,1)将受控闭合，电源1进行闭环控制，使得阵列线圈P1中产生符合车辆需求的电流激励。随后，车辆进入阵列线圈P1的无线充电范围，进行无线充电。
当车辆未驶出阵列线圈P1的无线充电范围，而又即将进入阵列线圈P2的无线充电范围时，功率开关Sa(2，2)和Sb(2，2)将受控闭合，电源2进行闭环控制，使得阵列线圈P2中产生符合车辆需求的电流激励。随后，车辆进入阵列线圈P2的无线充电范围，进行无线充电。
当车辆刚驶离阵列线圈P1的无线充电范围时，电源1进行关断控制，使得阵列线圈P1中的电流激励完全归零，随后，功率开关Sa(2,2)和Sb(2,2)将受控断开，阵列线圈P1回归初始状态。
后面的阵列线圈，它们对应的功率开关及电源的工作过程实与阵列线圈P1的过程相同。
实际应用中，阵列线圈数目n是大于电源数目m的，这里，当车辆进入到第m+1个阵列线圈Pm+1的无线充电范围时，将由电源1配合功率开关Sa(1,m+1)和Sb(1,m+1)完成相应上述操作。对于阵列线圈Pm+2，将由电源2配合功率开关Sa(2,m+2)和Sb(2,m+2)完成相应操作，同理，阵列线圈P2m，将由电源m配合功率开关Sa(m,2m)和Sb(m,2m)完成相应操作。而后，对与阵列线圈P2m+1，将又回到由电源1配合功率开关Sa(1,2m+1)和Sb(1,2m+1)完成相应操作的过程，以此类推，完成剩下所有阵列线圈的操作。
情形2：多车辆无线充电
在整个供电系统中，电源1将优先给阵列线圈组{P1，Pm+1，P2m+1，...}供电，以此类推，电源m将优先给阵列线圈组{Pm，Pm+m，P2m+m，...}供电。以电源1为例，由于闭环控制的唯一性，在任意时刻电源1只能给对应阵列线圈组中的一个阵列线圈进行供电。因此当P1和Pm+1上均有车辆时，这时系统将遵守“先到先得”原则，即电源1将先满足阵列线圈Pm+1上的车辆无线充电需求。随后，系统将进行“电源填补”来从剩下的电源中，按电源编号顺次查询，找出当前未激励的电源来给P1供电，因此，只有当其余m-1台电源均处于激励状态时，才无法给P1供电。
情形3：存在电源故障场合
当系统存在x台电源因故障损坏而无法使用时，则系统会将剩下m-x台电源重新编号为1至m*(m*＝m-x)，因此只需将情形1和情形2中的m改为m*，系统的工作方式依然不会改变。只要m*≧2，则系统依然可以保持单辆车在整个供电路段内的连续无线充电。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (4)

1.一种基于开关网络的电源与发射阵列线圈的连接拓扑，其特征在于，所述连接拓扑包括：n个配有谐振电容的阵列线圈{P1,P2,...,Pn}，m个供电电源{电源1,电源2,...,电源m}以及隶属于每个供电电源的两组开关网络；其中，m和n均为大于2的整数；m个供电电源中，每个供电电源对应的第一组开关网络的输入端连接在一起构成第一输入总接点，则m个供电电源的各第一组开关网络形成的第一输入总接点为{A1,A2,...,Am}；每个供电电源对应的第二组开关网络的输入端连接在一起构成第二输入总接点，则m个供电电源的各第二组开关网络形成的第二输入总接点为{B1,B2,...,Bm}；所述第一输入总接点与其对应的供电电源的一个输出端相连；所述第二输入总接点与其对应的供电电源的另一个输出端相连；每个阵列线圈的两个输入端分别引出作为第一母线和第二母线，则n个阵列线圈形成了第一母线组{La1,La2,...,Lan}和第二母线组{Lb1,Lb2,...,Lbn}；每个供电电源对应的两组开关网络内部均包含n个开关；每个电源对应的第一组开关网络中的n个开关的输出端依次一一对应接入第一母线组{La1,La2,...,Lan}；每个电源对应的第二组开关网络中的n个开关的输出端依次一一对应接入第二母线组{Lb1,Lb2,...,Lbn}。
2.根据权利要求1所述的连接拓扑，其特征在于，所述电源1的两组开关网络分别为{Sa(1,1),Sa(1,2),...,Sa(1,n)}和{Sb(1,1),Sb(1,2),...,Sb(1,n)}；所述电源2的两组开关网络分别为{Sa(2,1),Sa(2,2),...,Sa(2,n)}和{Sb(2,1),Sb(2,2),...,Sb(2,n)}，直至所述电源m的开关网络两组分别为{Sa(m,1),Sa(m,2),...,Sa(m,n)}和{Sb(m,1),Sb(m,2),...,Sb(m,n)}。
3.根据权利要求2所述的连接拓扑，其特征在于，所述Sa(m,n)、Sb(m,n)为功率开关。
4.根据权利要求2所述的连接拓扑，其特征在于，所述Sa(m,n)、Sb(m,n)采用可控硅、交流接触器、IGBT或MOSFET。
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