CN111917195B - 一种对锂电池充电的无线充电系统及其效率优化方法 - Google Patents

一种对锂电池充电的无线充电系统及其效率优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对锂电池充电的无线充电系统及其效率优化方法，系统主电路包括高频逆变电路、无线电能传输系统发射端、无线电能传输系统接收端、整流电路和阻抗匹配电路。并基于新型开关管材料和软开关技术对逆变电路进行效率优化，基于补偿网络拓扑分析提出多目标优化算法对其进行效率优化，基于阻抗匹配技术提出负载最优效率跟踪。本发明可以实现为大功率锂电池进行充电，且可以有效提高无线电能传输系统的效率。

Description

一种对锂电池充电的无线充电系统及其效率优化方法
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种对锂电池充电的无线充电系统及其效率优化方法。
背景技术
无线电能传输技术是目前比较新型的电能传输技术之一，可通过空气等媒介，避开电缆线的直接物理连接实现能量的有效传递，依托感应、磁耦合谐振、微波等技术可实现传输距离为几厘米至几米，传输功率几瓦至几十千瓦，同时也具备了供电方式灵活，绿色环保、无接触电火花、充电过程中无人工插拔操作、无机构磨损等一系列优点。
电动汽车比传统汽车更加绿色环保，引起了广泛的关注。而能够为电动汽车锂电池提供大功率且高效地充电成为该问题的研究热点之一。针对现有的对锂电池充电的无线电能传输技术而言，其多采用S-S型低阶拓扑，虽然该系统稳定可靠，但只能为小功率的电池充电。而且由于锂电池随着充电量不同，电阻呈现非线性变化，使得系统的传输效率往往不能最优。所以设计适用于为电动汽车锂电池供电的大功率、高效率无线电能传输系统是亟待解决的问题。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种对锂电池充电的无线充电系统及其效率优化方法，用于实现对大功率锂电池进行高效的无线供电。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种对锂电池充电的无线充电系统，包括高频逆变电路、无线电能传输系统发射端、无线电能传输系统接收端、不控整流电路和阻抗匹配电路；所述高频逆变电路的两个电能输出端与所述的无线电能传输系统发射端的电能输入端相连；所述的无线电能传输系统发射端包括LCC型补偿网络拓扑和无线电能传输系统发射线圈；所述的无线电能传输发射端与无线电能传输系统接收端为电气隔离，存在磁耦合感应；所述无线电能传输接收端包括无线电能接收线圈和S型补偿网络拓扑；所述无线电能传输接收端的两个电能输出端与不控整流电路的电能输入端相连；所述的不控整流电路的电能输出端与阻抗匹配电路的电能输入端相连。
进一步地，所述的高频逆变电路为电压型全桥逆变电路，包括四个SiC-MOSFET开关管和四个不控型二极管，SiC-MOSFET开关管与不控型二极管反向并联。
进一步地，所述无线电能传输系统发射端的LCC补偿网络拓扑包括发射侧补偿电感Lp1与补偿电容CP、CP1；所述无线电能传输系统发射线圈由利兹线绕制而成，其电感为LP，寄生内阻为RP。
进一步地，所述无线电能传输接收端的S型补偿网络拓扑包括补偿电容CS；所述无线电能传输系统接收线圈由利兹线绕制而成，其电感为LS，寄生电阻为RS；
进一步地，所述不控整流电路为单相桥式不控整流电路，包括4个不可控二极管和稳压电容。
进一步地，所述阻抗匹配电路包括DC-DC变换器，为BUCK-BOOST电路，开关管采用SiC-MOSFET开关管，其输出端与锂电池负载连接，为锂电池供电。
上述对锂电池充电的无线充电系统的效率优化方法，该方法包括如下步骤：
(1)对于高频逆变电路，开关管器件采用软开关启动，以降低开关产生的通断损耗和承受的电压/电流应力；
(2)对于包括发射/接收线圈和补偿网络拓扑的磁耦合机构，效率优化设计又包括如下步骤：
a：根据所需的传输距离确定发射/接收线圈的尺寸，设耦合机构的传输距离为z,根据磁场大小H与发射线圈半径r及传输距离z的关系，设定：
Figure BDA0002539566360000021
此时获得最大的磁场强度H，以满足发射端与接收端的耦合需求；
b：根据步骤a确定的传输距离在z和选定的发射线圈半径r，通过有限元电磁场仿真软件，仿真计算出发射线圈和接收线圈的参数，包括发射线圈电感LP、寄生电阻RP以及接收线圈的电感LS、寄生电阻RS；
c：通过多目标优化方法确定无线电能传输系统补偿网络参数配置，令ω＝ωn·ω0，其中ωn为谐振工作频率的倍率，ω0为谐振频率，ω为设定的工作频率；根据LCC-S拓扑的公式，并简化为：
Figure BDA0002539566360000022
其中，Rp和RS分别为发射线圈和接收线圈寄生电阻，RP1为发射侧补偿电感LP1的寄生电阻，j为虚数符号，p为补偿电感与发射线圈电感的比值，RL为负载等效电阻，ZS为接收端电路的等效阻抗，Zr为从发射端等效的反映阻抗；LCC型补偿网路以及发射线圈等效为T型网络，从发射端看去，整个系统的输入阻抗为ZIN；
根据各支路串并联关系可得系统输入电流
Figure BDA0002539566360000031
发射线圈电流
Figure BDA0002539566360000032
和负载电流
Figure BDA0002539566360000033
Figure BDA0002539566360000034
其中，UIN为系统输入电压，M为耦合机构的互感；
将式(2)和(3)代入
Figure BDA0002539566360000035
和
Figure BDA0002539566360000036
中，并设系统处于谐振状态，得磁耦合机构的传输功率和效率为：
Figure BDA0002539566360000037
Figure BDA0002539566360000038
式中POUT为磁耦合机构的传输功率，η为磁耦合机构的效率；
将磁耦合机构的传输功率和效率作为待优化目标函数并取为负，即：
min[-η,-POUT](6)
选取变量为x＝[ωn,p]T，并将磁耦合机构中各元件的电压应力、电流应力限值作为非线性约束条件：
Figure BDA0002539566360000039
式中，
Figure BDA00025395663600000310
表示磁耦合机构中各元件的电压，
Figure BDA00025395663600000311
表示磁耦合机构中各元件的电流，Vx-max和 Ix-max分别为各元件对应的电压和电流应力限值。LP1
通过求解该非线性多目标优化问题，最终确定各元件的参数，使得在满足传输功率的前提下，传输效率达到最优；
(3)对于包括阻抗匹配电路和锂电池负载的无线电能传输负载接收模块的效率优化方法，根据升降压电路的计算公式：
Figure BDA0002539566360000041
Figure BDA0002539566360000042
可得：
Figure BDA0002539566360000043
其中，E为输入电压，I1为输入电流，Uo为负载端电压，I2为负载端电流，α为占空比，
令负载等效电阻为RL，从阻抗匹配网络输入端看进去的等效阻抗R'L，所以R'L为：
Figure BDA0002539566360000044
总体交流阻抗R″L与负载等效电阻RL的关系为：
Figure BDA0002539566360000045
对LCC-S补偿拓扑的输出特性分析得出总体交流阻抗R″L两端的电压为：
Figure BDA0002539566360000046
整个磁耦合机构的效率为：
Figure BDA0002539566360000047
根据最优负载公式，总体交流阻抗R″L达到最优时，应有：
Figure BDA0002539566360000048
其中Q1为发射线圈的品质因数，Q2为接收线圈的品质因数，通过控制阻抗匹配电路开关管的导通占空比可以将负载电阻RL等效为任意值，以实现无线电能传输负载的最优效率跟踪。
本发明有益效果：
本发明针对提升无线电能传输系统效率这一技术背景，提供一种适用于大功率锂电池充电的无线电能传输系统电路结构及其效率优化方法，通过对高频电路、磁耦合机构、负载接收模块进行传输效率优化，实现对锂电池进行大功率、高效率的充电，根据实际的设计目标，提供满足不同需求的效率优化方法，具有较高的自由度，为无线电能传输技术在电动汽车上的应用提供了新的思路。
附图说明
图1是本发明所述对锂电池充电的无线充电系统的电路结构示意图。
图2是高频逆变电源电路图。
图3是含有LCC-S型补偿网络拓扑的磁耦合机构电路图。
图4是阻抗匹配网络电路结构图。
图5是对锂电池充电的无线充电系统的效率优化方法优化设计流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请提供的磁耦合机构设计做详细说明。
如图1所示，一种对锂电池充电的无线充电系统，包括高频逆变电路1、无线电能传输系统发射端2、无线电能传输系统接收端3、不控整流电路4和阻抗匹配电路5；所述高频逆变电路的两个电能输出端与所述的无线电能传输系统发射端的电能输入端相连；所述的无线电能传输系统发射端包括LCC型补偿网络拓扑和无线电能传输系统发射线圈；所述的无线电能传输发射端与无线电能传输系统接收端为电气隔离，存在磁耦合感应；所述无线电能传输接收端包括无线电能接收线圈和S型补偿网络拓扑；所述无线电能传输接收端的两个电能输出端与不控整流电路的电能输入端相连；所述的不控整流电路的电能输出端与阻抗匹配电路的电能输入端相连。
如图2所示，所述的高频逆变电路为电压型全桥逆变电路，包括四个SiC-MOSFET开关管和四个不控型二极管，SiC-MOSFET开关管与不控型二极管反向并联。Ud为高频逆变电源的直流电压输入，高频逆变电路为电压型全桥逆变电路，可以传输kW级的功率，开关器件采用SiC-MOSFET管，通过控制回路可以改变开关器件的开关频率，从而改变逆变器输出电参数的频率。
如图3所示，所述无线电能传输系统发射端的LCC补偿网络拓扑包括发射侧补偿电感Lp1与补偿电容CP、CP1；所述无线电能传输系统发射线圈由利兹线绕制而成，其电感为LP，寄生内阻为RP。
所述无线电能传输接收端的S型补偿网络拓扑包括补偿电容CS；所述无线电能传输系统接收线圈由利兹线绕制而成，其电感为LS，寄生电阻为RS；与低阶补偿拓扑相比，该补偿拓扑对元件参数偏差不敏感，可以通过调整补偿电感调节输入输出增益，并且易于实现ZVS软开关，因而在获得恒定电压输出时具有较高的效率。阻抗匹配网络电路如图5所示，其主要功能为调整DC-DC变换电路的占空比，使负载等效电阻一直处于最优效率处，以实现负载的最优效率跟踪。
所述不控整流电路为单相桥式不控整流电路，包括4个不可控二极管和稳压电容。
所述阻抗匹配电路包括DC-DC变换器，为BUCK-BOOST电路，开关管采用SiC-MOSFET开关管，其输出端与锂电池负载连接，为锂电池供电。
基于上述适用于大功率锂电池充电的无线电能传输系统的效率优化方法，该方法包括如下步骤：
(2)对于包括发射/接收线圈和补偿网络拓扑的磁耦合机构，效率优化设计又包括如下步骤：
a：根据所需的传输距离确定发射/接收线圈的尺寸，设耦合机构的传输距离为z,根据磁场大小H与发射线圈半径r及传输距离z的关系，设定：
Figure BDA0002539566360000061
此时获得最大的磁场强度H，以满足发射端与接收端的耦合需求；例如设计根据需求设计传输距离为1m的耦合机构，由上式可设计半径为800mm的螺线型发射/接收线圈。
b：根据步骤a确定的传输距离在z和选定的发射线圈半径r，通过有限元电磁场仿真软件，仿真计算出发射线圈和接收线圈的参数，包括发射线圈电感LP、寄生电阻RP以及接收线圈的电感LS、寄生电阻RS；设线圈为利兹线，线径为5mm，通过ANSYS电磁场有限元仿真软件，仿真计算出线圈的参数，LS＝499μH，LP＝499.5μH，互感M为30.82μH，线圈寄生电阻RS＝0.12Ω、RP＝0.12Ω。
c：通过多目标优化方法确定无线电能传输系统补偿网络参数配置，通过多目标优化方法确定无线电能传输系统补偿网络参数配置。无线电能传输系统的设计需要考虑传输效率、功率、器件应力以及抗参数漂移、抗耦合机构偏移等性能。所以，需要在满足约束条件的前提下通过权衡优化各目标实现系统参数的优化配置。令ω＝ωn·ω0，其中ωn为谐振工作频率的倍率，ω0为谐振频率，ω为设定的工作频率；根据LCC-S拓扑的公式，并简化为：
Figure BDA0002539566360000062
其中，Rp和RS分别为发射线圈和接收线圈寄生电阻，RP1为发射侧补偿电感LP1的寄生电阻，j为虚数符号，p为补偿电感与发射线圈电感的比值，RL为负载等效电阻，ZS为接收端电路的等效阻抗，Zr为从发射端等效的反映阻抗；LCC型补偿网路以及发射线圈等效为T型网络，从发射端看去，整个系统的输入阻抗为ZIN；
根据各支路串并联关系可得系统输入电流
Figure BDA0002539566360000071
发射线圈电流
Figure BDA0002539566360000072
和负载电流
Figure BDA0002539566360000073
Figure BDA0002539566360000074
其中，UIN为系统输入电压，M为耦合机构的互感；
将式(2)和(3)代入
Figure BDA0002539566360000075
和
Figure BDA0002539566360000076
中，并设系统处于谐振状态，得磁耦合机构的传输功率和效率为：
Figure BDA0002539566360000077
Figure BDA0002539566360000078
式中POUT为磁耦合机构的传输功率，η为磁耦合机构的效率；
将磁耦合机构的传输功率和效率作为待优化目标函数并取为负，即：
min[-η,-POUT] (6)
选取变量为x＝[ωn,p]T，并将磁耦合机构中各元件的电压应力、电流应力限值作为非线性约束条件：在本例中将图3的LCC-S补偿网络拓扑元件的电压记为
Figure BDA00025395663600000712
各元件的电流记为
Figure BDA00025395663600000713
电压应力限值记为Vmax其电流应力限值记为Imax。
Figure BDA0002539566360000079
式中，
Figure BDA00025395663600000710
表示磁耦合机构中各元件的电压，
Figure BDA00025395663600000711
表示磁耦合机构中各元件的电流，Vx-max和 Ix-max分别为各元件对应的电压和电流应力限值。
将各元件的电压/电流应力限值所为优化的非线性约束条件，即式(7)可展开为：
Figure BDA0002539566360000081
上述各物理量的下标为各元件的名称，前所述相同。通过求解该非线性多目标优化问题，最终确定各元件的参数，使得在满足传输功率的前提下，传输效率达到最优。在本例中，根据步骤a，b所提供的参数，得最终的效率可达94.37％。
(3)对于包括阻抗匹配电路和锂电池负载的无线电能传输负载接收模块的效率优化方法，根据升降压电路的计算公式：
Figure BDA0002539566360000082
Figure BDA0002539566360000083
可得：
Figure BDA0002539566360000084
其中，E为输入电压，I1为输入电流，Uo为负载端电压，I2为负载端电流，α为占空比，
令负载等效电阻为RL，从阻抗匹配网络输入端看进去的等效阻抗R'L，所以R'L为：
Figure BDA0002539566360000085
总体交流阻抗R″L与负载等效电阻RL的关系为：
Figure BDA0002539566360000086
对LCC-S补偿拓扑的输出特性分析得出总体交流阻抗R″L两端的电压为：
Figure BDA0002539566360000087
整个磁耦合机构的效率为：
Figure BDA0002539566360000091
根据最优负载公式，总体交流阻抗R″L达到最优时，应有：
Figure BDA0002539566360000092
其中Q1为发射线圈的品质因数，Q2为接收线圈的品质因数，通过控制阻抗匹配电路开关管的导通占空比可以将负载电阻RL等效为任意值，以实现无线电能传输负载的最优效率跟踪。
以上所述仅是本发明的技术方案，不能以此限定本发明的保护范围。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，依然可以对本发明做出修改和等同替换，其均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种对锂电池充电的无线充电系统的效率优化方法，所述对锂电池充电的无线充电系统包括高频逆变电路、无线电能传输系统发射端、无线电能传输系统接收端、不控整流电路和阻抗匹配电路；所述高频逆变电路的两个电能输出端与所述的无线电能传输系统发射端的电能输入端相连；所述的无线电能传输系统发射端包括LCC型补偿网络拓扑和无线电能传输系统发射线圈；所述的无线电能传输发射端与无线电能传输系统接收端为电气隔离，存在磁耦合感应；所述无线电能传输接收端包括无线电能接收线圈和S型补偿网络拓扑；所述无线电能传输接收端的两个电能输出端与不控整流电路的电能输入端相连；所述的不控整流电路的电能输出端与阻抗匹配电路的电能输入端相连，所述无线电能传输系统发射端的LCC补偿网络拓扑包括发射侧补偿电感Lp1与补偿电容CP、CP1；所述无线电能传输系统发射线圈由利兹线绕制而成，其电感为LP，寄生内阻为RP；所述无线电能传输接收端的S型补偿网络拓扑包括补偿电容CS；所述无线电能传输系统接收线圈由利兹线绕制而成，其电感为LS，寄生电阻为RS；
其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)对于高频逆变电路，开关管器件采用软开关启动，以降低开关产生的通断损耗和承受的电压/电流应力；
(2)对于包括发射/接收线圈和补偿网络拓扑的磁耦合机构，效率优化设计又包括如下步骤：
a：根据所需的传输距离确定发射/接收线圈的尺寸，设耦合机构的传输距离为z,根据磁场大小H与发射线圈半径r及传输距离z的关系，设定：
Figure FDA0003609670410000011
此时获得最大的磁场强度H，以满足发射端与接收端的耦合需求；
b：根据步骤a确定的传输距离在z和选定的发射线圈半径r，通过有限元电磁场仿真软件，仿真计算出发射线圈和接收线圈的参数，包括发射线圈电感LP、寄生电阻RP以及接收线圈的电感LS、寄生电阻RS；
c：通过多目标优化方法确定无线电能传输系统补偿网络参数配置，令ω＝ωn·ω0，其中ωn为谐振工作频率的倍率，ω0为谐振频率，ω为设定的工作频率；根据LCC-S拓扑的公式，并简化为：
Figure FDA0003609670410000021
其中，Rp和RS分别为发射线圈和接收线圈寄生电阻，RP1为发射侧补偿电感LP1的寄生电阻，j为虚数符号，p为补偿电感与发射线圈电感的比值，RL为负载等效电阻，ZS为接收端电路的等效阻抗，Zr为从发射端等效的反映阻抗；LCC型补偿网路以及发射线圈等效为T型网络，从发射端看去，整个系统的输入阻抗为ZIN；
根据各支路串并联关系可得系统输入电流
Figure FDA0003609670410000022
发射线圈电流
Figure FDA0003609670410000023
和负载电流
Figure FDA0003609670410000024
Figure FDA0003609670410000025
其中，UIN为系统输入电压，M为耦合机构的互感；
将式(2)和(3)代入
Figure FDA0003609670410000026
和
Figure FDA0003609670410000027
中，并设系统处于谐振状态，得磁耦合机构的传输功率和效率为：
Figure FDA0003609670410000028
Figure FDA0003609670410000029
式中POUT为磁耦合机构的传输功率，η为磁耦合机构的效率；
将磁耦合机构的传输功率和效率作为待优化目标函数并取为负，即：
min[-η,-POUT] (6)
选取变量为x＝[ωn,p]T，并将磁耦合机构中各元件的电压应力、电流应力限值作为非线性约束条件：
Figure FDA00036096704100000210
式中，
Figure FDA0003609670410000031
表示磁耦合机构中各元件的电压，
Figure FDA0003609670410000032
表示磁耦合机构中各元件的电流，Vx-max和Ix-max分别为各元件对应的电压和电流应力限值；
通过求解该非线性多目标优化函数，最终确定各元件的参数，使得在满足传输功率的前提下，传输效率达到最优；
(3)对于包括阻抗匹配电路和锂电池负载的无线电能传输负载接收模块的效率优化方法，根据升降压电路的计算公式：
Figure FDA0003609670410000033
Figure FDA0003609670410000034
可得：
Figure FDA0003609670410000035
其中，E为输入电压，I1为输入电流，Uo为负载端电压，I2为负载端电流，α为占空比，
令负载等效电阻为RL，从阻抗匹配网络输入端看进去的等效阻抗R'L，所以R'L为：
Figure FDA0003609670410000036
总体交流阻抗R”L与负载等效电阻RL的关系为：
Figure FDA0003609670410000037
对LCC-S补偿拓扑的输出特性分析得出总体交流阻抗R”L两端的电压为：
Figure FDA0003609670410000038
整个磁耦合机构的效率为：
Figure FDA0003609670410000039
根据最优负载公式，总体交流阻抗R”L达到最优时，应有：
Figure FDA00036096704100000310
其中Q1为发射线圈的品质因数，Q2为接收线圈的品质因数，通过控制阻抗匹配电路开关管的导通占空比可以将负载电阻RL等效为任意值，以实现无线电能传输负载的最优效率跟踪。
2.根据权利要求1所述的对锂电池充电的无线充电系统的效率优化方法，其特征在于，所述的高频逆变电路为电压型全桥逆变电路，包括四个SiC-MOSFET开关管和四个不控型二极管，SiC-MOSFET开关管与不控型二极管反向并联。
3.根据权利要求1所述的对锂电池充电的无线充电系统的效率优化方法，其特征在于，所述不控整流电路为单相桥式不控整流电路，包括4个不可控二极管和稳压电容。
4.根据权利要求1所述的对锂电池充电的无线充电系统的效率优化方法，其特征在于，所述阻抗匹配电路包括DC-DC变换器，为BUCK-BOOST电路，开关管采用SiC-MOSFET开关管，其输出端与锂电池负载连接，为锂电池供电。
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