CN112491156A - 电动汽车大功率动态无线供电系统接收端多模块siso电路拓扑及控制方法 - Google Patents

电动汽车大功率动态无线供电系统接收端多模块siso电路拓扑及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了电动汽车大功率动态无线供电系统接收端多模块SISO电路拓扑及控制方法，所述电路拓扑结构具体包括磁耦合机构和补偿拓扑，接收端电能变换器和负载；所述磁耦合机构和补偿拓扑与接收端电能变换器相连接，接收端电能变换器与负载相连接；所述接收端电能变换器分为两个电能变换模块，每个电能变换模块均由H桥，变压器和可控整流电路顺次串联构成；输出侧的整流电路可控，双模块协同控制输出功率，电能输入侧为两组串联的H桥电路，输出侧两组串联输出的可控整流电路，同时由于两组串联的接收端电能变换器内部相互独立，可以使用更多模块串联以实现更大功率与更宽范围的电压调节幅度。

Description

电动汽车大功率动态无线供电系统接收端多模块SISO电路拓 扑及控制方法
技术领域
本发明涉及无线供电领域，具体地，涉及电动汽车大功率动态无线供电系统接收端多模块SISO电路拓扑及控制方法。
背景技术
目前市面上的大功率动态无线供电系统接收端能量变换电路方案普遍存在以下问题：
1.动态无线供电系统的基本结构如图1所示，分为原边系统(地面部分)与副边系统(车载部分)两大部分。在大功率应用中，通常要使副边无线电能传输技术系统输出的感应电压足够高以满足传输功率与效率的需求。但是由于电力电子器件的电压应力阈值和成本的限制，副边电能管理部分的输入电压一般要限制在一定的范围之内。
2.图2所示的两种典型的应用在大功率无线供电系统中的副边能量管理电路结构，图2(a)中DC-DC变换模块中通常使用IGBT或功率MOSFET作为开关器件，图2(b)中使用可控整流模块作为能量管理电路的主要模块，通常使用MOSFET作为开关器件。这两种器件由于现有制造技术的限制，其功率容量与频率存在交叉限制，不能电动汽车大功率实现高效率的能量输出，所述大功率指20kW-200kW功率范围内的的应用环境。
3.动态无线供电系统中，由于原副边线圈的位置随车辆运动而实时变化，其副边耦合的电压波动较大，因而高频整流模块有着宽范围的电能输入需求。在相同的输出功率等级下，高频整流输入可承受的输入电压越低，接收端线圈中运行的平均电流越大，不利于提升系统传输效率，也不利于接收端线圈的轻薄化与小型化，长期运行时的安全性和经济性也就越差。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前电动汽车，自动导引车(AGV)，轨道交通等对象的动态无线供系统存在传输效率低，接收端模块过大，安全性和经济性差等问题，提出了电动汽车大功率动态无线供电系统接收端多模块SISO电路以及控制方法。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出了电动汽车大功率动态无线供电系统接收端多模块SISO电路拓扑，所述SISO电路是一种基于可控整流电路的输入串联、输出串联的副边能量管理电路；所述电路拓扑结构具体包括磁耦合机构和补偿拓扑，接收端电能变换器和负载；所述磁耦合机构和补偿拓扑与接收端电能变换器相连接，接收端电能变换器与负载相连接；所述接收端电能变换器包含第一组电能变换模块和第二组电能变换模块，第一组电能变换模块包含第一H桥，第一变压器和第一可控整流电路单元；第二组电能变换模块包含第二H桥，第二变压器和第二可控整流电路单元，所述第一H桥与第一变压器相连接，第一变压器与第一可控整流电路单元相连接，所述第二H桥与第二变压器相连接，第二变压器与第二可控整流电路单元相连接；所述第一可控整流电路单元包括两个IGBT管和第一电容，所述第一电容的一端分别与第一变压器和第二可控整流电路单元中的第二电容的一端连接，所述第一电容的另一端分别与负载和两个IGBT管的一端相连接，所述两个IGBT管的另一端均与第一变压器连接；所述第二电容的另一端分别与第二变压器和负载的另一端相连接，所述第二电容的一端还与第二可控整流电路单元中的IGBT管的一端连接，所述第二可控整流电路单元中的IGBT管的另一端均与第二变压器连接。
进一步地：第一组电能变换模块中的H桥和第二组电能变换模块中的H桥串联连接，串联的两组H桥中每组H桥均包含4个IGBT管，4个IGBT管成H型。
进一步地：所述负载为电动汽车电池或电池和电机。
进一步地：所述磁耦合机构为线圈绕制的电感；所述补偿拓扑由电容或电感和电容组成。
本发明还提出了一种应用于电动汽车大功率动态无线供电系统接收端多模块SISO电路拓扑的控制方法，谐振线圈接收的电能经两路串联的全桥电路输入电能变换器；通过调整两路接收端电能变换器同时开通一组IGBT实现两个接收端输入侧同时导通，此时四个IGBT分担接收端输出电压应力，同时将接收端变换器输出侧两组可控整流电路单元串联，提升了一倍接收端电压输入上限；所述控制方法在一般工况下有两种典型的工作状态，通过两个模块协同控制，严格控制开关管时序使输出电流始终为同一方向的电流，为电池负载充电；同时通过PWM进行可控整流实现输出功率控制。
进一步地：所示为SISO系统一般工况的两种工作状态，电能输入侧为两组串联的H桥电路，输出侧两组串联输出的可控整流电路，所有开关管进行严格的协同控制，实现宽范围的电压输入下的恒压输出：
(1)工作状态1：PWM1处于低电平，PWM2处于高电平，IGBT管S2、S3、S5、S8、S9、S11导通，IGBT管S1、S4、S6、S7、S10、S12关断；
(2)工作状态2：PWM1处于高电平，PWM2处于低电平，IGBT管S2、S3、S5、S8、S9、S11关断，IGBT管S1、S4、S6、S7、S10、S12导通。
附图说明
图1为现有技术中动态无线供电系统基本结构示意图；
图2为现有技术中两种典型的副边能量管理电路结构示意图；(a)为使用不控整流和DC-DC模块构成的副边能量管理电路结构，(b)为使用可控整流模块的副边能量管理电路结构；
图3为基于可控整流电路的SISO副边能量管理结构示意图；
图4为SISO的一般工况示意图；
图5为SISO的一般工况IGBT管的两种工作状态，其中(a)为工作状态1，(b)为工作状态2；
图6为输入电流、PWM控制信号和空载电压示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例附图对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本，但不以任何形式限制本。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，在没有做出创造性进步前提下所提出的实施例。这些都属于本发明的保护范围。
本发明的目的是为了解决目前电动汽车，自动导引车(AGV)，轨道交通等对象的动态无线供系统存在传输效率低，接收端模块过大，安全性和经济性差等问题，提出了一种大功率动态无线供电系统接收端多模块SISO电路以及其控制方法。
其中大功率指20kW-200kW功率范围内的的应用环境。
结合图1-图6，本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出了：电动汽车大功率动态无线供电系统接收端多模块SISO电路拓扑，所述SISO电路是一种基于可控整流电路的输入串联、输出串联的副边能量管理电路；所述电路拓扑结构具体包括磁耦合机构和补偿拓扑，接收端电能变换器和负载；所述磁耦合机构和补偿拓扑与接收端电能变换器相连接，接收端电能变换器与负载相连接；所述接收端电能变换器包含第一组电能变换模块和第二组电能变换模块，第一组电能变换模块包含第一H桥，第一变压器和第一可控整流电路单元；第二组电能变换模块包含第二H桥，第二变压器和第二可控整流电路单元，所述第一H桥与第一变压器相连接，第一变压器与第一可控整流电路单元相连接，所述第二H桥与第二变压器相连接，第二变压器与第二可控整流电路单元相连接；所述第一可控整流电路单元包括两个IGBT管和第一电容，所述第一电容的一端分别与第一变压器和第二可控整流电路单元中的第二电容的一端连接，所述第一电容的另一端分别与负载和两个IGBT管的一端相连接，所述两个IGBT管的另一端均与第一变压器连接；所述第二电容的另一端分别与第二变压器和负载的另一端相连接，所述第二电容的一端还与第二可控整流电路单元中的IGBT管的一端连接，所述第二可控整流电路单元中的IGBT管的另一端均与第二变压器连接。
第一组电能变换模块中的H桥和第二组电能变换模块中的H桥串联连接，串联的两组H桥中每组H桥均包含4个IGBT管，4个IGBT管成H型。
所述负载为电动汽车电池或电池和电机。
所述磁耦合机构为线圈绕制的电感；所述补偿拓扑由电容或电感和电容组成。
本发明还提出了一种应用于电动汽车大功率动态无线供电系统接收端多模块SISO电路拓扑的控制方法，谐振线圈接收的电时开能经两路串联的全桥电路输入电能变换器；通过调整两路接收端电能变换器同通一组IGBT实现两个接收端输入侧同时导通，此时四个IGBT分担接收端输出电压应力，提升了一倍接收端电压输入上限；且在逆变桥满占空比运行时，开关器件处于软开关状态，逆变效率高。
同时为进行更宽范围的阻抗变换(扩大输出电压的调整范围)，提升在更宽范围输入情况下的输出电能稳定性，将接收端变换器输出侧进行串联，同时由于两组串联的接收端电能变换器内部相互独立，可以使用更多模块串联以实现更大功率与更宽范围的电压调节幅度。
SISO系统一般工况有两种工作状态，电能输入侧为两组串联的H桥电路，输出侧两组串联输出的可控整流电路，所有开关管进行严格的协同控制，严格控制开关管时序使输出电流始终为同一方向的电流，为电池负载充电。同时通过PWM进行可控整流实现输出功率控制：
(1)工作状态1：PWM1处于低电平，PWM2处于高电平，IGBT管S2、S3、S5、S8、S9、S11导通，IGBT管S1、S4、S6、S7、S10、S12关断；
(2)工作状态2：PWM1处于高电平，PWM2处于低电平，IGBT管S2、S3、S5、S8、S9、S11关断，IGBT管S1、S4、S6、S7、S10、S12导通。

Claims (6)

1.电动汽车大功率动态无线供电系统接收端多模块SISO电路拓扑，其特征在于：所述SISO电路是一种基于可控整流电路的输入串联、输出串联的副边能量管理电路；所述电路拓扑结构具体包括磁耦合机构和补偿拓扑，接收端电能变换器和负载；所述磁耦合机构和补偿拓扑与接收端电能变换器相连接，接收端电能变换器与负载相连接；所述接收端电能变换器包含第一组电能变换模块和第二组电能变换模块，第一组电能变换模块包含第一H桥，第一变压器和第一可控整流电路单元；第二组电能变换模块包含第二H桥，第二变压器和第二可控整流电路单元，所述第一H桥与第一变压器相连接，第一变压器与第一可控整流电路单元相连接，所述第二H桥与第二变压器相连接，第二变压器与第二可控整流电路单元相连接；所述第一可控整流电路单元包括两个IGBT管和第一电容，所述第一电容的一端分别与第一变压器和第二可控整流电路单元中的第二电容的一端连接，所述第一电容的另一端分别与负载和两个IGBT管的一端相连接，所述两个IGBT管的另一端均与第一变压器连接；所述第二电容的另一端分别与第二变压器和负载的另一端相连接，所述第二电容的一端还与第二可控整流电路单元中的IGBT管的一端连接，所述第二可控整流电路单元中的IGBT管的另一端均与第二变压器连接。
2.根据权利要求1所述的电路拓扑，其特征在于：第一组电能变换模块中的H桥和第二组电能变换模块中的H桥串联连接，串联的两组H桥中每组H桥均包含4个IGBT管，4个IGBT管成H型。
3.根据权利要求1所述的电路拓扑，其特征在于：所述负载为电动汽车电池或电池和电机。
4.根据权利要求1所述的电路拓扑，其特征在于：所述磁耦合机构为线圈绕制的电感；所述补偿拓扑由电容或电感和电容组成。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述的应用于电动汽车大功率动态无线供电系统接收端多模块SISO电路拓扑的控制方法，其特征在于：谐振线圈接收的电能经两路串联的全桥电路输入电能变换器；通过调整两路接收端电能变换器同时开通一组IGBT实现两个接收端输入侧同时导通，此时四个IGBT分担接收端输出电压应力，同时将接收端变换器输出侧两组可控整流电路单元串联，提升了一倍接收端电压输入上限；所述控制方法在一般工况下有两种典型的工作状态，通过两个模块协同控制，严格控制开关管时序使输出电流始终为同一方向的电流，为电池负载充电；同时通过PWM进行可控整流实现输出功率控制。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，在一般工况下分为两种工作状态：
(1)工作状态1：PWM1处于低电平，PWM2处于高电平，IGBT管S2、S3、S5、S8、S9、S11导通，IGBT管S1、S4、S6、S7、S10、S12关断；
(2)工作状态2：PWM1处于高电平，PWM2处于低电平，IGBT管S2、S3、S5、S8、S9、S11关断，IGBT管S1、S4、S6、S7、S10、S12导通。
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