CN110061573B

CN110061573B - 一种基于开关网络的电源与发射阵列线圈的连接拓扑

Info

Publication number: CN110061573B
Application number: CN201910323254.XA
Authority: CN
Inventors: 朱春波; 周少聪; 董帅; 崔淑梅
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2019-04-22
Filing date: 2019-04-22
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2039-04-22
Also published as: CN110061573A

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，属于无线充电技术领域。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,...,P_n}，m个供电电源{电源1,电源2,...,电源m}以及q组供电母线{L₁,L₂,...,L_q}；其中，m，n和q均为大于2的整数；阵列线圈及供电电源均设有各自的开关矩阵，每个开关矩阵包括多组开关组，每个开关组包括2路功率连接线构成。所述连接拓扑既能提高系统的稳定性，又能有效延长功率开关的使用寿命。

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，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,...,P_n}，m个供电电源{电源1,电源2,...,电源m}以及q组供电母线{L₁,L₂,...,L_q}；其中，m，n和q均为大于2的整数；阵列线圈及供电电源均设有各自的开关矩阵，每个开关矩阵包括多组开关组，每个开关组包括2路功率连接线构成；n个阵列线圈中，除第n个阵列线圈外，其余每个阵列线圈均对应2组阵列线圈开关矩阵，所述2组阵列线圈开关矩阵分别为第一组阵列线圈开关矩阵和第二组阵列线圈开关矩阵；在第一组阵列线圈开关矩阵中有q个开关组，所述第一组阵列线圈开关矩阵中的q个开关组的前端全部并联后，接入到一组阵列线圈的输入端，而所述第一组阵列线圈开关矩阵中的q个开关组的末端则依次一一并联到q个供电母线上；在第二组阵列线圈开关矩阵中也有q个开关组，所述第二组阵列线圈开关矩阵中的q个开关组的前端依次一一连接到第一组阵列线圈开关矩阵中的q个开关组的末端，同时以串连的方式依次一一串入到q个供电母线中，串入供电母线后，第二组阵列线圈开关矩阵中的q个开关组的末端依次一一连接到下一组阵列线圈的第一组阵列线圈开关矩阵中的q个开关组的末端；

对于第n个阵列线圈，所述第n个阵列线圈只对应第一组阵列线圈开关矩阵，第n个阵列线圈对应的第一组阵列线圈开关矩阵中的q个开关组的前端全部并联后，接入到一组阵列线圈的输入端，而该q个开关组的末端则依次一一并联到q个供电母线上；

m个供电电源中，每个供电电源均对应一组供电电源开关矩阵，q个开关组的前端全部并联后，接入到一组供电电源的输出端，而所述q个开关组的末端则依次一一并联到q个供电母线上；且并联节点的位置位于一组阵列线圈的第二组阵列线圈开关矩阵中q个开关组的末端和下一组阵列线圈的第一组阵列线圈开关矩阵中q个开关组的末端之间。

进一步地，所述2路功率连接线为串有可控开关、常闭触点开关或不串有开关元件的功率连接线。

进一步地，所述阵列线圈P₁的第一组阵列线圈开关矩阵为{S_a(1,1),S_a(1,2),...,S_a(1,q)}，第二组阵列线圈开关矩阵为{S_b(1,1),S_b(1,2),...,S_b(1,q)}；所述阵列线圈P₂的第一组阵列线圈开关矩阵为{S_a(2,1),S_a(2,2),...,S_a(2,q)}，第二组阵列线圈开关矩阵为{S_b(2,1),S_b(2,2),...,S_b(2,q)}；依次排序，直至所述阵列线圈P_n-1的第一组阵列线圈开关矩阵为{S_a(n-1,1),S_a(n-1,2),...,S_a(n-1,q)}，第二组阵列线圈开关矩阵为{S_b(n-1,1),S_b(n-1,2),...,S_b(n-1,q)}；所述阵列线圈P_n只有第一组阵列线圈开关矩阵，为{S_a(n,1),S_a(n,2),...,S_a(n,q)}。

进一步地，所述供电电源的电源1的供电电源开关矩阵为{S_c(1,1),S_c(1,2),...,S_c(1,q)},所述供电电源的电源2的供电电源开关矩阵为{S_c(2,1),S_c(2,2),...,S_c(2,q)}，依次排序，直至所述供电电源的电源m的供电电源开关矩阵为{S_c(m,1),S_c(m,2),...,S_c(m,q)}。

进一步地，所述S_a(n,q)，S_b(n-1,q)及S_c(m,q)为有2路电气回路的功率开关组。

进一步地，所述S_a(n,q)，S_b(n-1,q)及S_c(m,q)为可控开关或常闭触点开关时，采用可控硅，交流接触器，IGBT或MOSFET。

进一步地，所述S_a(n,q)，S_b(n-1,q)及S_c(m,q)为闭合回路时，采用功率线缆或利兹线。

进一步地，所述阵列线圈数目n，电源数目m及供电母线数目q的关系为n≧m，n≧q。

所述连接拓扑的工作原理和工作过程为：

当车辆即将进入阵列线圈P₁时，功率开关S_a(1,1)和S_b(1,1)将受控闭合，电源1准备激活，功率开关S_c(1,1)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S_a(2,2)和S_b(2,2)将受控闭合，电源2准备激活，功率开关S_c(2,2)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S_a(1,1)和S_b(1,1)将受控断开，阵列线圈P₁回归初始状态。之后，功率开关S_c(1,1)将受控断开，电源1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。

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)，因此只需将图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：

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，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。

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。

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；

图3为本发明所述连接拓扑中的开关组的3种存在方式；

图4为本发明实施例2中的4电源4母线第二组阵列线圈开关矩阵为不串有开关元件的功率连接线的示意图。

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,...,P_n}，m个供电电源{电源1,电源2,...,电源m}以及q组供电母线{L₁,L₂,...,L_q}；其中，m，n和q均为大于2的整数；阵列线圈及供电电源均设有各自的开关矩阵，每个开关矩阵包括多组开关组，每个开关组包括2路功率连接线构成；如图3所示，n个阵列线圈中，除第n个阵列线圈外，其余每个阵列线圈均对应2组阵列线圈开关矩阵，所述2组阵列线圈开关矩阵分别为第一组阵列线圈开关矩阵和第二组阵列线圈开关矩阵；在第一组阵列线圈开关矩阵中有q个开关组，所述第一组阵列线圈开关矩阵中的q个开关组的前端全部并联后，接入到一组阵列线圈的输入端，而所述第一组阵列线圈开关矩阵中的q个开关组的末端则依次一一并联到q个供电母线上；在第二组阵列线圈开关矩阵中也有q个开关组，所述第二组阵列线圈开关矩阵中的q个开关组的前端依次一一连接到第一组阵列线圈开关矩阵中的q个开关组的末端，同时以串连的方式依次一一串入到q个供电母线中，串入供电母线后，第二组阵列线圈开关矩阵中的q个开关组的末端依次一一连接到下一组阵列线圈的第一组阵列线圈开关矩阵中的q个开关组的末端；

其中，所述2路功率连接线为串有可控开关、常闭触点开关或不串有开关元件的功率连接线。所述阵列线圈P₁的第一组阵列线圈开关矩阵为{S_a(1,1),S_a(1,2),...,S_a(1,q)}，第二组阵列线圈开关矩阵为{S_b(1,1),S_b(1,2),...,S_b(1,q)}；所述阵列线圈P₂的第一组阵列线圈开关矩阵为{S_a(2,1),S_a(2,2),...,S_a(2,q)}，第二组阵列线圈开关矩阵为{S_b(2,1),S_b(2,2),...,S_b(2,q)}；依次排序，直至所述阵列线圈P_n-1的第一组阵列线圈开关矩阵为{S_a(n-1,1),S_a(n-1,2),...,S_a(n-1,q)}，第二组阵列线圈开关矩阵为{S_b(n-1,1),S_b(n-1,2),...,S_b(n-1,q)}；所述阵列线圈P_n只有第一组阵列线圈开关矩阵，为{S_a(n,1),S_a(n,2),...,S_a(n,q)}。所述供电电源的电源1的供电电源开关矩阵为{S_c(1,1),S_c(1,2),...,S_c(1,q)},所述供电电源的电源2的供电电源开关矩阵为{S_c(2,1),S_c(2,2),...,S_c(2,q)}，依次排序，直至所述供电电源的电源m的供电电源开关矩阵为{S_c(m,1),S_c(m,2),...,S_c(m,q)}。所述S_a(n,q)，S_b(n-1,q)及S_c(m,q)为有2路电气回路的功率开关组。所述S_a(n,q)，S_b(n-1,q)及S_c(m,q)为可控开关或常闭触点开关时，采用可控硅，交流接触器，IGBT或MOSFET。

实施例2

本实施例是对实施例1所述基于开关网络的电源与发射阵列线圈的连接拓扑的进一步限定，所述阵列线圈数目n，电源数目m及供电母线数目q的主要关系是n≧m≧q，且所述开关组S_a(n,q)，S_b(n-1,q)及S_c(m,q)在一定情况下，可为功率线缆或利兹线，本实例中以S_b(n-1,q)为利兹线，阵列线圈数目n＝20，电源数目m＝4，供电母线数目q＝4。

当车辆即将进入阵列线圈P₁时，功率开关S_a(1,1)将受控闭合，电源1准备激活，功率开关S_c(1,1)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S_a(2,2)将受控闭合，电源2准备激活，功率开关S_c(2,2)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S_a(1,1)将受控断开，阵列线圈P₁回归初始状态。之后，功率开关S_c(1,1)将受控断开，电源1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。

在整个供电系统中，电源1将优先给阵列线圈组{P1,P5,P9,P13,P18}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P5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P5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3台电源均处于激励状态时，才无法给P1供电。

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

1.一种基于开关网络的电源与发射阵列线圈的连接拓扑，其组成包括，所述连接拓扑包括：n个配有谐振电容的阵列线圈{P₁,P₂,...,P_n}，m个供电电源{电源1,电源2,...,电源m}以及q组供电母线{L₁,L₂,...,L_q}；其特征在于，其中，m，n和q均为大于2的整数；阵列线圈及供电电源均设有各自的开关矩阵，每个开关矩阵包括多组开关组，每个开关组包括2路功率连接线构成；n个阵列线圈中，除第n个阵列线圈外，其余每个阵列线圈均对应2组阵列线圈开关矩阵，所述2组阵列线圈开关矩阵分别为第一组阵列线圈开关矩阵和第二组阵列线圈开关矩阵；在第一组阵列线圈开关矩阵中有q个开关组，所述第一组阵列线圈开关矩阵中的q个开关组的前端全部并联后，接入到一组阵列线圈的输入端，而所述第一组阵列线圈开关矩阵中的q个开关组的末端则依次一一并联到q个供电母线上；在第二组阵列线圈开关矩阵中也有q个开关组，所述第二组阵列线圈开关矩阵中的q个开关组的前端依次一一连接到第一组阵列线圈开关矩阵中的q个开关组的末端，同时以串连的方式依次一一串入到q个供电母线中，串入供电母线后，第二组阵列线圈开关矩阵中的q个开关组的末端依次一一连接到下一组阵列线圈的第一组阵列线圈开关矩阵中的q个开关组的末端；

2.根据权利要求1所述连接拓扑，其特征在于，所述2路功率连接线为串有可控开关、常闭触点开关或不串有开关元件的功率连接线。

3.根据权利要求1所述连接拓扑，其特征在于，所述阵列线圈P₁的第一组阵列线圈开关矩阵为{S_a(1,1),S_a(1,2),...,S_a(1,q)}，第二组阵列线圈开关矩阵为{S_b(1,1),S_b(1,2),...,S_b(1,q)}；所述阵列线圈P₂的第一组阵列线圈开关矩阵为{S_a(2,1),S_a(2,2),...,S_a(2,q)}，第二组阵列线圈开关矩阵为{S_b(2,1),S_b(2,2),...,S_b(2,q)}；依次排序，直至所述阵列线圈P_n-1的第一组阵列线圈开关矩阵为{S_a(n-1,1),S_a(n-1,2),...,S_a(n-1,q)}，第二组阵列线圈开关矩阵为{S_b(n-1,1),S_b(n-1,2),...,S_b(n-1,q)}；所述阵列线圈P_n只有第一组阵列线圈开关矩阵，为{S_a(n,1),S_a(n,2),...,S_a(n,q)}。

4.根据权利要求3所述连接拓扑，其特征在于，所述供电电源的电源1的供电电源开关矩阵为{S_c(1,1),S_c(1,2),...,S_c(1,q)},所述供电电源的电源2的供电电源开关矩阵为{S_c(2,1),S_c(2,2),...,S_c(2,q)}，依次排序，直至所述供电电源的电源m的供电电源开关矩阵为{S_c(m,1),S_c(m,2),...,S_c(m,q)}。

5.根据权利要求4所述连接拓扑，其特征在于，所述S_a(n,q)，S_b(n-1,q)及S_c(m,q)为有2路电气回路的功率开关组。

6.根据权利要求4所述连接拓扑，其特征在于，所述S_a(n,q)，S_b(n-1,q)及S_c(m,q)为可控开关或常闭触点开关时，采用可控硅，交流接触器，IGBT或MOSFET。

7.根据权利要求4所述连接拓扑，其特征在于，所述S_a(n,q)，S_b(n-1,q)及S_c(m,q)为闭合回路时，采用功率线缆或利兹线。

8.根据权利要求1所述连接拓扑，其特征在于，所述阵列线圈数目n，电源数目m及供电母线数目q的关系为n≧m，n≧q。