CN111490605A - 基于磁谐振耦合的多功能能量双向传输电路 - Google Patents

基于磁谐振耦合的多功能能量双向传输电路 Download PDF

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CN111490605A CN202010482592.0A CN202010482592A CN111490605A CN 111490605 A CN111490605 A CN 111490605A CN 202010482592 A CN202010482592 A CN 202010482592A CN 111490605 A CN111490605 A CN 111490605A
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Abstract

本发明公开了一种基于磁谐振耦合的多功能能量双向传输电路，包括多功能双向模块I、磁谐振耦合模块、多功能双向模块II和采样控制模块。本发明将直接AC‑AC变换技术、主动整流技术、高频逆变技术与磁谐振耦合无线电能有机地融合，实现能量双向传输，不仅可以实现输入电源为交流、输出为交流的应用场合，还可以应用输入为直流、输出为交流的应用场合，反之亦然，具备多功能应用特性，即可以实现输入电源任意为直流或交流，输出也可任意为直流或交流，具备极强的灵活性，具备多功能能量双向传输特性与高效率，为无线电能传输模块化奠定基础。本发明可广泛用于电动汽车、铁路运输、医疗设备与智能家电等诸多领域，具备广泛的应用前景。

Description

基于磁谐振耦合的多功能能量双向传输电路
技术领域
本发明涉及无线电能传输与电力电子技术领域，尤其是涉及一种基于磁谐振耦合的多功能能量双向传输电路。
背景技术
无线电能传输技术方兴未艾，是一种极具潜力的新技术，而无线电能传输双向传输技术可广泛用于电动汽车、铁路运输、医疗设备与智能家电等诸多领域，具备广泛的应用前景。
目前，无线电能传输双向传输已有相关研究，研究大部分为输入直流-输出直流，比如，清华大学赵争鸣研究组Yiming Zhang, et al., "Comparison of twobidirectional wireless power transfer control methods," 2016 Asia-PacificInternational Symposium on Electromagnetic Compatibility (APEMC), Shenzhen,2016, pp. 68-70；再如，中国科学院电工研究所王丽芳研究组Y. Zhang, et al., "AResearch on Characteristics of Bidirectional Wireless Power Transfer System,"2018 IEEE International Power Electronics and Application Conference andExposition (PEAC), Shenzhen, 2018, pp. 1-4。然而，能够同时实现多功能型无线电能双向传输应用，即直流-直流、直流-交流、交流-直流、交流-交流4类双向无线电能传输的，目前尚无相关报道。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种提高无线电能双向传输的效率、利于无线电能传输应用的模块化设计、灵活性强的基于磁谐振耦合的多功能能量双向传输电路，本发明实现了4类无线电能双向传输的集成，即直流-直流、直流-交流、交流-直流、交流-交流4类无线电能双向传输集成为一个电路拓扑，具体一共有8类工况，本发明解决了多功能无线电能双向传输、输入与输出的应用灵活性的问题。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于磁谐振耦合的多功能能量双向传输电路，特征是：包括多功能双向模块I、磁谐振耦合模块、多功能双向模块II和采样控制模块，多功能双向模块I的输入端接输入侧AB，多功能双向模块I的输出端接磁谐振耦合模块的输入端，磁谐振耦合模块的输出端接多功能双向模块II的输入端，多功能双向模块II的输出端接输出侧GH；
采样控制模块与多功能双向模块I、多功能双向模块II相联接，其中：采样控制模块对多功能双向模块I的两侧电压UAB、UCD及电流i in 采样，对多功能双向模块II的两侧电压UEF、UGH及电流i O 采样，并对多功能双向模块I与多功能双向模块II施加控制。
如有需要，所述采样控制模块还可加入通讯遥控功能，并与外部进行通讯，接受外部遥控。
A、多功能双向模块I，完成两类功能：
a、第一类功能为能量正向流动，即能量从输入侧AB流向输出侧GH时，多功能双向模块I充当磁谐振耦合模块的激励源，此时又有两类情况：
（1）、当输入侧电压UAB为直流时，多功能双向模块I工作在高频逆变激励源状态；
（2）、当输入侧电压UAB为交流时，多功能双向模块I工作在直接AC-AC变频激励源状态；
b、第二类功能为能量反向流动，即能量从输出侧GH流向输入侧AB时，多功能双向模块I充当磁谐振耦合模块的后续电路，此时也有两类情况：
（1）、当输入侧电压UAB为直流时，多功能双向模块I工作在主动整流状态；
（2）、当输入侧电压UAB为交流时，多功能双向模块I工作在直接AC-AC变频状态；
B、磁谐振耦合模块，实现原边线圈、副边线圈的电气隔离，完成无线电能双向传输；
C、多功能双向模块II，完成两类功能：
a、第一类功能为当能量正向流动，即能量从输入侧AB流向输出侧GH时，多功能双向模块II充当磁谐振耦合模块的后续电路，此时有两类情况：
（1）、当输出侧电压UGH为直流时，多功能双向模块II工作在主动整流状态；
（2）、当输出侧电压UGH为交流时，多功能双向模块II工作在直接AC-AC变频状态；
b、第二类功能为能量反向流动，即能量从输出侧GH流向输入侧AB时，多功能双向模块II充当磁谐振耦合模块的激励源，进行反向激励，此时也有两类情况：
（1）、当输出侧电压UGH为直流时，多功能双向模块II工作在高频逆变状态；
（2）、当输出侧电压UGH为交流时，多功能双向模块II工作在直接AC-AC变频状态；
D、采样控制模块完成采样、控制功能及通讯遥控功能，采样控制模块对多功能双向模块I的两侧电压UAB、UCD及电流i in 采样，对多功能双向模块II的两侧电压UEF、UGH及电流i O 采样，完成电压与电流的频率、相位与幅值分析；对多功能双向模块I与多功能双向模块II施加控制；如有必要，采样控制模块可添加通讯遥控功能实现与外界的通讯遥控。
多功能双向模块I与多功能双向模块II采用双向全桥电路拓扑，开关器件均采用双向交流开关，磁谐振耦合模块的具体拓扑结构可实际需求选择合适的电路拓扑结构，依据现有技术进行相关设计，此处不再详述。
多功能双向模块I包括由第1~第4双向交流开关K1~K4构成的双向全桥电路拓扑与第1电感L1，其中：
第1交流双向开关K1由 MOSFET Q11与MOSFET Q12反向串联而成，第2交流双向开关K2由MOSFET Q21与MOSFET Q22反向串联而成，第3交流双向开关K3由MOSFET Q31与MOSFET Q32反向串联而成，第4交流双向开关K4由MOSFET Q41与MOSFET Q42反向串联而成，G1S1~G4S4分别为第1~第4交流双向开关K1~K4的第1~第4控制端；
第1电感L1的一端接输入侧AB的一端In1，第1电感L1的另一端接第1交流双向开关K1与第3交流双向开关K3的公共端A，第1交流双向开关K1与第2交流双向开关K2的公共端C与磁谐振耦合模块的原边的一端相连，磁谐振耦合模块的原边的另一端与第3交流双向开关K3与第4交流双向开关K4的公共端D相连，第2交流双向开关K2与第4交流双向开关K4的公共端B与输入侧AB的另一端In2相连；
多功能双向模块II包括由第5~第8双向交流开关K5~K8构成的双向全桥电路拓扑与第2电感L2；
第5交流双向开关K5由 MOSFET Q51与MOSFET Q52反向串联而成，第6交流双向开关K6由MOSFET Q61与MOSFET Q62反向串联而成，第7交流双向开关K7由MOSFET Q71与MOSFET Q72反向串联而成，第8交流双向开关K8由MOSFET Q81与MOSFET Q82反向串联而成，G5S5~G8S8分别为第5~第8交流双向开关K5~K8的第5~第8控制端；
第2电感L2的一端接输出侧电压UAB的一端Out1，第2电感L2的另一端接第5交流双向开关K5与第6交流双向开关K6的公共端G，第5交流双向开关K5与第7交流双向开关K7的公共端E与磁谐振耦合模块的副边的一端相连，而磁谐振耦合模块的副边的另一端与第6交流双向开关K6与第8交流双向开关K8的公共端F相连，而第7交流双向开关K7与第8交流双向开关K8的公共端H与输出侧电压UGH的另一端Out2相连。
所述第1—第8双向交流开关K1~K8均由两个相同的金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET反向串联而成，即：上管的漏极与下管的漏极构成双向交流开关的主电路端口，而上管的源极与下管的源极并联，上管的栅极与下管的栅极并联，上下两管共用同一栅级驱动控制，降低驱动成本。以第1双向交流开关K1为例，当在第1控制端G1S1之间施加驱动信号时，上管Q11与下管Q12均导通，电流从Q11、Q12通过，第1双向交流开关K1导通，理想工况下体二极管D11、D12均截止不导通，当第1控制端G1S1之间没有驱动信号时，第1双向交流开关K1关断。其它各双向交流开关K2~K8的控制与第1双向交流开关K1完全类同，不再赘述。实际应用中可采用其它类型双向交流开关，作为优选两个相同的金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET反向串联而成构成双向交流开关利于降低器件导通损耗，作为进一步性能优选可采用宽带隙器件构成的双向交流开关。
磁谐振耦合模块由原边与副边构成，原边与多功能双向模块I相联接，原边的一端与双向交流开关K1、K2的公共端C相联接，原边的另一端与双向交流开关K3、K4的公共端D相联接；副边与多功能双向模块II相联结，副边的一端与双向交流开关K5、K6的公共端E相联接，副边的另一端与双向交流开关K6、K8的公共端F相联接。
工作原理：本发明可实现无线电能双向传输，且不论输入与输出是交流或直流均可工作，可实现4类能量双向传输，即直流-直流、直流-交流、交流-直流、交流-交流4类能量双向传输应用，具体一共有8类工况，分别为：
A、能量正向流动，从输入侧AB流向输出侧GH时：
工况1，能量正向流动，从输入侧AB流向输出侧GH时，且输入侧电压UAB为直流，输出侧电压UGH为直流时，多功能双向模块I工作于高频逆变激励源状态，多功能双向模块II工作于主动整流状态；
工况2，能量正向流动，从输入侧AB流向输出侧GH时，且输入侧电压UAB为直流，输出侧电压UGH为交流时，多功能双向模块I工作于高频逆变激励源状态，多功能双向模块II工作于直接AC-AC变频状态，一般为降频工作状态；
工况3，能量正向流动，从输入侧AB流向输出侧GH时，且输入侧电压UAB为交流，输出侧电压UGH为直流时，多功能双向模块I工作于直接AC-AC变频激励源状态，一般为升频工作状态，多功能双向模块II工作于主动整流状态；
工况4，能量正向流动，从输入侧AB流向输出侧GH时，且输入侧电压UAB为交流，输出侧电压UGH为交流时，多功能双向模块I工作于直接AC-AC变频激励源状态，一般为升频工作状态，多功能双向模块II工作于直接AC-AC变频状态，一般为降频工作状态；
B、能量反向流动，从输出侧GH流向输入侧AB时：
工况5，能量反向流动，从输出侧GH流向输入侧AB时，且输入侧电压UAB为直流，输出侧电压UGH为直流时，多功能双向模块I工作于主动整流状态，多功能双向模块II工作于高频逆变激励源状态；
工况6，能量反向流动，从输出侧GH流向输入侧AB时，且输入侧电压UAB为直流，输出侧电压UGH为交流时，多功能双向模块I工作于主动整流状态，多功能双向模块II工作于直接AC-AC变频激励源状态，一般为升频工作状态；
工况7，能量反向流动，从输出侧GH流向输入侧AB时，且输入侧电压UAB为交流，输出侧电压UGH为直流时，多功能双向模块I工作于直接AC-AC变频状态，一般为降频工作状态，多功能双向模块II工作于高频逆变状态；
工况8，能量反向流动，从输出侧GH流向输入侧AB时，且输入侧电压UAB为交流，输出侧电压UGH为交流时，多功能双向模块I工作于直接AC-AC变频状态，多功能双向模块II工作于直接AC-AC变频激励源状态，一般为升频工作状态。
本发明包括多功能双向模块I、磁谐振耦合模块、多功能双向模块II和采样控制模块，能实现4类能量双向传输，即直流-直流、直流-交流、交流-直流、交流-交流4类能量双向传输应用，具体一共有8类工况。
本发明具有如下优点：
1、本发明将直接AC-AC变换技术、主动整流技术、高频逆变技术与磁谐振耦合无线电能有机地融合为一个电路拓扑，实现了能量双向传输；
2、本发明采用直接AC-AC变换技术提高系统效率，不仅可以应用于输入侧为交流、输出为交流的应用场合，还可以应用于输入为直流、输出为交流的应用场合，反之亦然，具备多功能应用特性，即可以实现输入侧任意为直流或交流，输出也可任意为直流或交流，具备极强的灵活性，具备多功能能量双向传输特性与高效率，利于形成模块化产品；
3、本发明采用磁谐振耦合隔离技术，即基于磁谐振耦合的多功能能量双向传输电路完成原边、副边的电气隔离，并进行能量双向传输，提高了副边的仪器设备及人身的安全性；
4、体积小、重量轻且无低频噪声，便于安装使用。
本发明提出基于磁谐振耦合的多功能能量双向传输电路，为无线电能传输模块化奠定基础，为安全供电技术以及无线电能双向传输灵活性特别是输入与输出的灵活性提供一种新的思路与实现方案。本发明解决了多功能无线电能双向传输、输入与输出应用灵活性的问题，可广泛用于电动汽车、铁路运输、医疗设备与智能家电等诸多领域，具备广泛应用前景。
附图说明
图1为本发明原理框图；
图2为本发明主电路原理图；
图3为本发明的多功能双向模块I工作于直接AC-AC变换状态（降频）的双向交流开关工作示意图，分别是状态1-4；
图4为本发明的多功能双向模块II工作于直接AC-AC变换状态（降频）的双向交流开关工作示意图，分别是状态1-4。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本实施例基于磁谐振耦合的多功能能量双向传输电路包括多功能双向模块I、磁谐振耦合模块、多功能双向模块II以及采样控制模块。多功能双向模块I、磁谐振耦合模块、多功能双向模块II为本发明的主电路部分，采样控制模块不是主电路，为采样控制部分。
多功能双向模块I的输入端接输入侧AB，多功能双向模块I的输出端接磁谐振耦合模块的输入端，磁谐振耦合模块的输出端接多功能双向模块II的输入端，多功能双向模块II的输出端接输出侧GH，采样控制模块对多功能双向模块I的两侧电压UAB、UCD及电流i in 采样，对多功能双向模块II的两侧电压UEF、UGH及电流i O 采样，完成电压与电流的频率、相位与幅值分析；对多功能双向模块I与多功能双向模块II施加控制；
当能量正向传输时，能量从输入侧AB传输到输出侧GH时，多功能双向模块I的输出连接磁谐振耦合模块的输入，磁谐振耦合模块的输出连接多功能双向模块II，多功能双向模块II的输出为本发明的最终输出；当能量反向传输时，能量从输出侧GH传输到输入侧AB时，正好相反；
采样控制模块与多功能双向模块I及多功能双向模块II相联接，其中：对多功能双向模块I的两侧端电压UAB、UCD及电流i in 采样，对多功能双向模块II的两侧端电压UEF、UGH及电流i O 采样，对采样的数据进行分析处理，通过相应合理的算法，比如常见的PID算法/模糊算法/自学习算法等等，对多功能双向模块I与多功能双向模块II施加控制，此处用虚线进行表征施加控制，如有需要，采样控制模块还与实现外部的通讯遥控功能，此处用虚线进行表征。具体算法由不同工况与实际应用所决定，对于本专业人员有能力进行设计，此处不再详述。
不论多功能双向模块I与多功能双向模块II工作于何种工况，系统控制采用整体控制方案，即依据系统的输入条件与输出目标同时对多功能双向模块I与多功能双向模块II实施控制以实现控制目标。
参见图２，本实施例基于磁谐振耦合的多功能能量双向传输电路主电路的原理图，多功能双向模块I与多功能双向模块II采用双向全桥拓扑。
多功能双向模块I包括由第1~第4双向交流开关K1~K4构成的双向全桥电路拓扑，以及第1电感L1，其中第1电感L1的加入使多功能双向模块I在正向能量流动即能量从UAB传输到UGH时，工作于升压及功率校正模式，当不需要升压或功率校正时，也可不加入第1电感L1，另外第1电感L1也可以采用双电感集成电感结构。
多功能双向模块II包括由双向交流开关K5~K8构成的双向全桥电路拓扑，以及第2电感L2，其中第2电感L2的加入可以使多功能双向模块II在反向能量流动即能量从UGH传输到UAB时，工作于升压及功率校正模式，当不需要升压或功率校正时，也可不加入电感L2，另外电感L2也可以采用双电感集成电感结构。
多功能双向模块I与多功能双向模块II采用双向全桥电路拓扑，开关器件均采用双向交流开关，磁谐振耦合模块具体拓扑结构可实际需求选择合适的电路拓扑结构，依据现有技术进行相关设计，此处不再详述。
第1~第8双向交流开关K1~K8均由两个相同的金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET反向串联而成，两个MOSFET的栅极联接在一起构成双向交流开关交流的栅极G，两个MOSFET的源极联接在一起构成双向交流开关的源极S，两个MOSFET共用同一个栅级驱动控制，降低驱动成本，开关驱动施加于G、S两端，两个MOSFET的漏极与外部电路联接构成交流开关主通道。对G、S两端施加合适的开关驱动即可实现交流开关的通断控制。正常工作时，由于MOSFET本体的导通压降与导通阻抗极低，因此交流开关导通状态下体二极管均截止，不参与工作。以第1双向交流开关K1为例，当控制端G1S1施加驱动信号时，上管Q11与下管Q12均导通，第1双向交流开关K1开通，当去除驱动信号或施加反向关断信号时，第1双向交流开关K1关断。其它各交流双向开关K2~K8的控制与K1完全类同，不再赘述。实际应用中可采用其它类型双向交流开关，包括采用宽带隙器件构成的双向交流开关。
A、多功能双向模块I，完成两类功能：
a、第一类功能为能量正向流动，即从输入侧AB流向输出侧GH时，多功能双向模块I充当磁谐振耦合模块的激励源，此时又有两类情况：
（1）、当输入侧电压UAB为直流时，多功能双向模块I工作在高频逆变状态；
（2）、当输入侧电压UAB为交流时，多功能双向模块I工作在直接AC-AC变频状态；
b、第二类功能为能量反向流动，即从输出侧GH流向输入侧AB时，多功能双向模块I充当磁谐振耦合模块的后续电路，此时也有两类情况：
（1）、当输入侧电压UAB为直流时，多功能双向模块I工作在主动整流状态；
（2）、当输入侧电压UAB为交流时，多功能双向模块I工作在直接AC-AC变频状态；
B、磁谐振耦合模块，实现原边线圈、副边线圈的电气隔离，完成无线电能双向传输，实际应用中可根据实际需求合理选择电路拓扑与相关设计；图2中，原边由原边线圈Lp、原边电容Cp串联构成，副边由副边线圈Ls、副边电容Cs并联构成，实际应用中磁谐振耦合模块可以灵活设计，采用适合的拓扑结构，此处磁谐振耦合模块采用串-并结构（SP结构）是为了论述方便；
C、多功能双向模块II，完成两类功能：
a、第一类功能为当能量正向流动，即从输入侧AB流向输出侧GH时，多功能双向模块II充当磁谐振耦合模块的后续电路，此时有两类情况：
（1）、当输出侧电压UGH为直流时，多功能双向模块II工作在AC-DC主动整流状态；
（2）、当输出侧电压UGH为交流时，多功能双向模块II工作在直接AC-AC变频状态；
b、第二类功能为能量反向流动，即从输出侧GH流向输入侧AB时，多功能双向模块II充当磁谐振耦合模块的激励源，进行反向激励，此时也有两类情况：
（1）、当输出侧电压UGH为直流时，多功能双向模块II工作在高频逆变状态；
（2）、当输出侧电压UGH为交流时，多功能双向模块II工作在直接AC-AC变频状态；
所述多功能双向模块I与多功能双向模块II采用双向全桥拓扑，开关器件采用双向交流开关。
本实施例可实现多功能无线电能双向传输，不论输入与输出是交流或直流均可工作，可实现4类能量双向传输，即直流-直流、直流-交流、交流-直流、交流-交流4类能量双向传输应用，具体一共有8类工况，也即一个电路可完成8种不同工作类型，如表1所示。分别为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
A、能量正向流动，从输入侧AB流向输出侧GH时：
工况1，能量正向流动，从输入侧AB流向输出侧GH时，且输入侧电压UAB为直流，输出侧电压UGH为直流时，多功能双向模块I工作于高频逆变激励源状态，多功能双向模块II工作于主动整流状态；
工况2，能量正向流动，从输入侧AB流向输出侧GH时，且输入侧电压UAB为直流，输出侧电压UGH为交流时，多功能双向模块I工作于高频逆变激励源状态，多功能双向模块II工作于直接AC-AC变频状态，一般为降频工作状态；
工况3，能量正向流动，从输入侧AB流向输出侧GH时，且输入侧电压UAB为交流，输出侧电压UGH为直流时，多功能双向模块I工作于直接AC-AC变频激励源状态，一般为升频工作状态，多功能双向模块II工作于主动整流状态；
工况4，能量正向流动，从输入侧AB流向输出侧GH时，且输入侧电压UAB为交流，输出侧电压UGH为交流时，多功能双向模块I工作于直接AC-AC变频激励源状态，一般为升频工作状态，多功能双向模块II工作于直接AC-AC变频状态，一般为降频工作状态；
B、能量反向流动，从输出侧GH流向输入侧AB时：
工况5，能量反向流动，从输出侧GH流向输入侧AB时，且输入侧电压UAB为直流，输出侧电压UGH为直流时，多功能双向模块I工作于主动整流状态，多功能双向模块II工作于高频逆变激励源状态；
工况6，能量反向流动，从输出侧GH流向输入侧AB时，且输入侧电压UAB为直流，输出侧电压UGH为交流时，多功能双向模块I工作于主动整流状态，多功能双向模块II工作于直接AC-AC变频激励源状态，一般为升频工作状态；
工况7，能量反向流动，从输出侧GH流向输入侧AB时，且输入侧电压UAB为交流，输出侧电压UGH为直流时，多功能双向模块I工作于直接AC-AC变频激励源状态，一般为降频工作状态，多功能双向模块II工作于高频逆变状态；
工况8，能量反向流动，从输出侧GH流向输入侧AB时，且输入侧电压UAB为交流，输出侧电压UGH为交流时，多功能双向模块I工作于直接AC-AC变频状态，多功能双向模块II工作于直接AC-AC变频激励源状态，一般为升频工作状态。
由于发生磁谐振耦合时磁谐振耦合的原边的发送侧与副边的接收侧的谐振频率相同或相近，此时为简化说明，统一使用磁谐振耦合频率为f R。
所述多功能双向模块I与多功能双向模块II在实际工作中均有4种工作状态，包括直接AC-AC变换状态（降频）、直接AC-AC变频激励源状态（升频）高频逆变状态和主动整流状态，其中以前两种工作状态最为复杂。多功能双向模块I与多功能双向模块II工作于直接AC-AC变换状态（降频）时，其为磁谐振耦合模块的后级变换器，而多功能双向模块I与多功能双向模块II工作于直接AC-AC变频激励源状态（升频）时，其充当磁谐振耦合模块的前级激励源。需要注意的是多功能双向模块I与多功能双向模块II不可能同时工作于同一类工作状态。
图3为本发明中的多功能双向模块I工作于直接AC-AC变换状态（降频）的双向交流开关工作示意图，对应于工况7与工况8，能量反向流动。
一般而言，磁谐振耦合的谐振频率f R远高于输入频率f S，当多功能双向模块I工作于直接AC-AC变换状态（降频）时，正常工况下一共有4类工作状态，对应第1~第4双向交流开关K1~K4的开关状态如表2所示，表中，“0”表示关断，“1”表示导通。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
状态1：当K1、K4导通时，UAB =UCD；状态2：当K1、K2导通时，工作于续流状态；状态3：当K2、K3导通时，UAB =-UCD；状态4：当K3、K4导通时，工作于续流状态。通过控制K1~K4进行4类工况切换可实现变频输出。需要UAB为正，而UCD为正时，工作于状态1；当UCD为负时，工作于状态3；需要UAB为负时，当UCD为正时工作于状态3；当UCD为负时，工作于状态 1；状态2、4时，工作于续流状态。通过4类状态的控制，实现正弦波形控制及变频控制，且各状态切换时保持一个双向交流开关状态不变无需同时变换两个双向交流开关的工作状态，降低了开关损耗。
多功能双向模块I工作于直接AC-AC变频激励源状态（升频）的双向交流开关工作方式与多功能双向模块I工作于直接AC-AC变换状态（降频）的双向交流开关工作方式类同，但控制目标有差异。多功能双向模块I工作于直接AC-AC变频激励源状态（升频）工作于升频方式，输入频率为f S，目标频率为磁谐振耦合的谐振频率f R，第1~第4双向交流开关K1~K4工作状态切换需依据f R进行控制；多功能双向模块I工作于直接AC-AC变换状态（降频）工作于降频方式，将磁谐振耦合的谐振频率f R转化为输入频率f S，且频率、幅值、相位与目标一致。
多功能双向模块II工作于直接AC-AC变频激励源状态（升频）的双向交流开关工作方式与多功能双向模块II工作于直接AC-AC变换状态（降频）的双向交流开关工作方式类同，但控制目标有差异。多功能双向模块II工作于直接AC-AC变频激励源状态（升频）工作于升频方式，此时的输入频率为输出频率f O，目标频率为磁谐振耦合的谐振频率f R，第5~第8双向交流开关K5~K8工作状态切换需依据f R进行控制；多功能双向模块II工作于直接AC-AC变换状态（降频）工作于降频方式，将磁谐振耦合的谐振频率f R转化为输出频率f O。
图4为本发明基于磁谐振耦合的多功能能量双向传输电路中多功能双向模块II工作于直接AC-AC变换状态（降频）的双向交流开关工作示意图，对应于工况2与工况4，能量正向流动。
一般而言，磁谐振耦合的谐振频率f R远高于电源频率f O，当多功能双向模块II工作于直接AC-AC变换状态（降频）时，正常工况下一共有4类工作状态，对应第5-第8双向交流开关K5~K8开关状态如表3所示，表中，“0”表示关断，“1”表示导通。
Figure DEST_PATH_IMAGE003
状态1：当K5、K8导通时，UGH = UEF；状态2：当K5、K7导通时，工作于续流状态；状态3：当K6、K7导通时，UGH =-UEF；状态4：当K6、K8导通时，工作于续流状态；通过第5~第8双向交流开关K5-K8进行4类工况切换可实现变频输出。需要UGH为正时，当UEF为正时工作于状态1；当UEF为负时，工作于状态3；需要UGH为负时，当UEF为正时工作于状态3；当UEF为负时，工作于状态 1；状态2、4时，工作于续流状态。通过4类状态的控制，实现正弦波形控制及变频控制，且各状态切换时保持一个双向交流开关状态不变无需同时变换两个双向交流开关的工作状态，降低了开关损耗。
另外，所述多功能双向模块I与多功能双向模块II的主动整流状态或高频逆变激励源状态工作均相对简单，对于本专业人士均能完成，不再详述。
所述双向交流开关可采用基于MOSFET的电力电子双向交流开关，也可以基于其它电力电子器件构建，比如基于IGBT构成电力电子双向交流开关、基于宽带隙SiC或GaN器件构成电力电子双向交流开关等，依据实际应用进行设计。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是本发明并非局限于此，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。显然这些改动和变型均应属于本发明要求的保护范围保护内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何特殊限制。

Claims (7)

1.一种基于磁谐振耦合的多功能能量双向传输电路，其特征在于：包括多功能双向模块I、磁谐振耦合模块、多功能双向模块II和采样控制模块，多功能双向模块I的输入端接输入侧AB，多功能双向模块I的输出端接磁谐振耦合模块的输入端，磁谐振耦合模块的输出端接多功能双向模块II的输入端，多功能双向模块II的输出端接输出侧GH；
采样控制模块与多功能双向模块I、多功能双向模块II相联接，其中：采样控制模块对多功能双向模块I的两侧电压UAB、UCD及电流i in 采样，对多功能双向模块II的两侧电压UEF、UGH及电流i O 采样，并对多功能双向模块I与多功能双向模块II施加控制。
2.根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的多功能能量双向传输电路，其特征在于：
A、多功能双向模块I，完成两类功能：
a、第一类功能为能量正向流动，即能量从输入侧AB流向输出侧GH时，多功能双向模块I充当磁谐振耦合模块的激励源，此时又有两类情况：
（1）、当输入侧电压UAB为直流时，多功能双向模块I工作在高频逆变激励源状态；
（2）、当输入侧电压UAB为交流时，多功能双向模块I工作在直接AC-AC变频激励源状态；
b、第二类功能为能量反向流动，即能量从输出侧GH流向输入侧AB时，多功能双向模块I充当磁谐振耦合模块的后续电路，此时也有两类情况：
（1）、当输入侧电压UAB为直流时，多功能双向模块I工作在主动整流状态；
（2）、当输入侧电压UAB为交流时，多功能双向模块I工作在直接AC-AC变频状态；
B、磁谐振耦合模块，实现原边线圈、副边线圈的电气隔离，完成无线电能双向传输；
C、多功能双向模块II，完成两类功能：
a、第一类功能为当能量正向流动，即能量从输入侧AB流向输出侧GH时，多功能双向模块II充当磁谐振耦合模块的后续电路，此时有两类情况：
（1）、当输出侧电压UGH为直流时，多功能双向模块II工作在主动整流状态；
（2）、当输出侧电压UGH为交流时，多功能双向模块II工作在直接AC-AC变频状态；
b、第二类功能为能量反向流动，即能量从输出侧GH流向输入侧AB时，多功能双向模块II充当磁谐振耦合模块的激励源，进行反向激励，此时也有两类情况：
（1）、当输出侧电压UGH为直流时，多功能双向模块II工作在高频逆变状态；
（2）、当输出侧电压UGH为交流时，多功能双向模块II工作在直接AC-AC变频状态；
D、采样控制模块完成采样、控制功能及通讯遥控功能，采样控制模块对多功能双向模块I的两侧电压UAB、UCD及电流i in 采样，对多功能双向模块II的两侧电压UEF、UGH及电流i O 采样，完成电压与电流的频率、相位与幅值分析；对多功能双向模块I与多功能双向模块II施加控制。
3.根据权利要求2所述的基于磁谐振耦合的多功能能量双向传输电路，其特征在于：能实现无线电能双向传输，且不论输入与输出是交流或直流均可工作，可实现4类能量双向传输，即直流-直流、直流-交流、交流-直流、交流-交流4类能量双向传输应用，具体一共有8类工况，分别为：
A、能量正向流动，从输入侧AB流向输出侧GH时：
工况1，能量正向流动，从输入侧AB流向输出侧GH时，且输入侧电压UAB为直流，输出侧电压UGH为直流时，多功能双向模块I工作于高频逆变激励源状态，多功能双向模块II工作于主动整流状态；
工况2，能量正向流动，从输入侧AB流向输出侧GH时，且输入侧电压UAB为直流，输出侧电压UGH为交流时，多功能双向模块I工作于高频逆变激励源状态，多功能双向模块II工作于直接AC-AC变频状态，一般为降频工作状态；
工况3，能量正向流动，从输入侧AB流向输出侧GH时，且输入侧电压UAB为交流，输出侧电压UGH为直流时，多功能双向模块I工作于直接AC-AC变频激励源状态，一般为升频工作状态，多功能双向模块II工作于主动整流状态；
工况4，能量正向流动，从输入侧AB流向输出侧GH时，且输入侧电压UAB为交流，输出侧电压UGH为交流时，多功能双向模块I工作于直接AC-AC变频激励源状态，一般为升频工作状态，多功能双向模块II工作于直接AC-AC变频状态，一般为降频工作状态；
B、能量反向流动，从输出侧GH流向输入侧AB时：
工况5，能量反向流动，从输出侧GH流向输入侧AB时，且输入侧电压UAB为直流，输出侧电压UGH为直流时，多功能双向模块I工作于主动整流状态，多功能双向模块II工作于高频逆变激励源状态；
工况6，能量反向流动，从输出侧GH流向输入侧AB时，且输入侧电压UAB为直流，输出侧电压UGH为交流时，多功能双向模块I工作于主动整流状态，多功能双向模块II工作于直接AC-AC变频激励源状态，一般为升频工作状态；
工况7，能量反向流动，从输出侧GH流向输入侧AB时，且输入侧电压UAB为交流，输出侧电压UGH为直流时，多功能双向模块I工作于直接AC-AC变频状态，一般为降频工作状态，多功能双向模块II工作于高频逆变状态；
工况8，能量反向流动，从输出侧GH流向输入侧AB时，且输入侧电压UAB为交流，输出侧电压UGH为交流时，多功能双向模块I工作于直接AC-AC变频状态，多功能双向模块II工作于直接AC-AC变频激励源状态，一般为升频工作状态。
4.根据权利要求2所述的基于磁谐振耦合的多功能能量双向传输电路，其特征在于：当多功能双向模块I工作于直接AC-AC变换状态即降频时，正常工况下一共有4类工作状态；状态1：当K1、K4导通时，UAB =UCD；状态2：当K1、K2导通时，工作于续流状态；状态3：当K2、K3导通时，UAB =-UCD；状态4：当K3、K4导通时，工作于续流状态；通过控制K1~K4进行4类工况切换可实现变频输出；需要UAB为正，而UCD为正时，工作于状态1；当UCD为负时，工作于状态3；需要UAB为负时，当UCD为正时工作于状态3；当UCD为负时，工作于状态 1；状态2、4时，工作于续流状态；通过4类状态的控制，实现正弦波形控制及变频控制，且各状态切换时保持一个双向交流开关状态不变无需同时变换两个双向交流开关的工作状态，降低了开关损耗。
5.根据权利要求2所述的基于磁谐振耦合的多功能能量双向传输电路，其特征在于：当多功能双向模块II工作于直接AC-AC变换状态即降频时，正常工况下一共有4类工作状态；状态1：当K5、K8导通时，UGH = UEF；状态2：当K5、K7导通时，工作于续流状态；状态3：当K6、K7导通时，UGH =-UEF；状态4：当K6、K8导通时，工作于续流状态；通过第5~第8双向交流开关K5-K8进行4类工况切换可实现变频输出；需要UGH为正时，当UEF为正时工作于状态1；当UEF为负时，工作于状态3；需要UGH为负时，当UEF为正时工作于状态3；当UEF为负时，工作于状态 1；状态2、4时，工作于续流状态；通过4类状态的控制，实现正弦波形控制及变频控制，且各状态切换时保持一个双向交流开关状态不变无需同时变换两个双向交流开关的工作状态，降低了开关损耗。
6.根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的多功能能量双向传输电路，其特征在于：多功能双向模块I包括由第1~第4双向交流开关K1~K4构成的双向全桥电路拓扑与第1电感L1，其中：
第1交流双向开关K1由 MOSFET Q11与MOSFET Q12反向串联而成，第2交流双向开关K2由MOSFET Q21与MOSFET Q22反向串联而成，第3交流双向开关K3由MOSFET Q31与MOSFET Q32反向串联而成，第4交流双向开关K4由MOSFET Q41与MOSFET Q42反向串联而成，G1S1~G4S4分别为第1~第4交流双向开关K1~K4的第1~第4控制端；
第1电感L1的一端接输入侧AB的一端In1，第1电感L1的另一端接第1交流双向开关K1与第3交流双向开关K3的公共端A，第1交流双向开关K1与第2交流双向开关K2的公共端C与磁谐振耦合模块的原边的一端相连，磁谐振耦合模块的原边的另一端与第3交流双向开关K3与第4交流双向开关K4的公共端D相连，第2交流双向开关K2与第4交流双向开关K4的公共端B与输入侧AB的另一端In2相连；
多功能双向模块II包括由第5~第8双向交流开关K5~K8构成的双向全桥电路拓扑与第2电感L2；
第5交流双向开关K5由 MOSFET Q51与MOSFET Q52反向串联而成，第6交流双向开关K6由MOSFET Q61与MOSFET Q62反向串联而成，第7交流双向开关K7由MOSFET Q71与MOSFET Q72反向串联而成，第8交流双向开关K8由MOSFET Q81与MOSFET Q82反向串联而成，G5S5~G8S8分别为第5~第8交流双向开关K5~K8的第5~第8控制端；
第2电感L2的一端接输出侧电压UAB的一端Out1，第2电感L2的另一端接第5交流双向开关K5与第6交流双向开关K6的公共端G，第5交流双向开关K5与第7交流双向开关K7的公共端E与磁谐振耦合模块的副边的一端相连，而磁谐振耦合模块的副边的另一端与第6交流双向开关K6与第8交流双向开关K8的公共端F相连，而第7交流双向开关K7与第8交流双向开关K8的公共端H与输出侧电压UGH的另一端Out2相连。
7.根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的多功能能量双向传输电路，其特征在于：不论多功能双向模块I与多功能双向模块II工作于何种工况，系统控制采用整体控制方案，即依据系统的输入条件与输出目标同时对多功能双向模块I与多功能双向模块II实施控制以实现控制目标。
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