CN113271016B - 多电平双向无线电能传输系统及方法 - Google Patents

多电平双向无线电能传输系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113271016B
CN113271016B CN202110595377.6A CN202110595377A CN113271016B CN 113271016 B CN113271016 B CN 113271016B CN 202110595377 A CN202110595377 A CN 202110595377A CN 113271016 B CN113271016 B CN 113271016B
Authority
CN
China
Prior art keywords
mosfet switch
switch tube
capacitor
bidirectional
level converter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110595377.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113271016A (zh
Inventor
蒋成
魏辰阳
徐翀
吴晓康
魏斌
徐锦星
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Original Assignee
China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI filed Critical China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Priority to CN202110595377.6A priority Critical patent/CN113271016B/zh
Publication of CN113271016A publication Critical patent/CN113271016A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113271016B publication Critical patent/CN113271016B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/3353—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having at least two simultaneously operating switches on the input side, e.g. "double forward" or "double (switched) flyback" converter
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/70—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the reduction of electric, magnetic or electromagnetic leakage fields
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1582—Buck-boost converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/66—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal
    • H02M7/68—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters
    • H02M7/72—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/79—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/797—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Abstract

本发明公开了多电平双向无线电能传输系统及方法，所述系统以传输线圈为轴分为完全相同的两侧，分别为主边侧和副边侧；每一侧由三部分组成，分别为双向DC‑DC部分、三电平变换器部分和LCC谐振部分，所述LCC谐振部分与传输线圈相连，所述三电平变换器部分连接在双向DC‑DC部分和LCC谐振部分之间；在主边侧，所述双向DC‑DC部分与电源相连，在副边侧，所述双向DC‑DC部分与负载相连。本发明在使用多电平逆变器提高传输效率的同时，使电能能够双向流动。

Description

多电平双向无线电能传输系统及方法
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种多电平双向无线电能传输系统及方法。
背景技术
无线电能传输是一种通过电磁感应等原理，不使用线缆进行非接触式电能传输的技术手段。相较于传统的有线充电，无线充电技术使用方便、安全性更高、不易损坏、易于实现自动化。19世纪末，Tesla提出了无线电能传输的猜想。之后的一个多世纪，无线输电的研究从未停止过，直到2007年，美国麻省理工学院的Marin等人提出了磁耦合谐振式无线输电，在距离两米的位置上点亮了一个60瓦灯泡。这使得无线电能传输的研究重新获得了广泛的关注。
近年来，无线电能传输技术快速发展，在日常和工业实践中取得了越来越多的应用。与此同时，愈加复杂的使用场景和用户需求也对无线电能传输技术提出了更多的挑战。一方面，随着传输的功率不断增加，对系统的传输效率的要求也不断加大，人们需要不断寻求高效率的拓扑和控制方式来减少传输过程中的损耗。另一方面，当前无线电能传输主要用于电池充电，而许多大容量电池，如电动汽车车载电池，不仅可以作为一种负载，还可以作为一个储能装置接入电网，与电网进行能量交换和互动。为了满足其能量互动的需求，需要寻求一种电能能够双向流动的无线电能传输拓扑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多电平逆变器的双向无线电能传输系统，将传统的逆变器替换为多电平逆变器，提高传输效率和传输容量。同时引入双向DC-DC拓扑，使得能量能够双向流动。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
多电平双向无线电能传输系统，所述系统以传输线圈为轴分为完全相同的两侧，分别为主边侧和副边侧；
每一侧由三部分组成，分别为双向DC-DC部分、三电平变换器部分和LCC谐振部分，所述LCC谐振部分与传输线圈相连，所述三电平变换器部分连接在双向DC-DC部分和LCC谐振部分之间；
在主边侧，所述双向DC-DC部分与电源相连；
在副边侧，所述双向DC-DC部分与负载相连。
进一步地，在主边侧，所述双向DC-DC部分用于调节从电源到三电平变换器部分，同时校正电路的功率因数；
在副边侧，所述双向DC-DC部分用于调节由三电平变换器部分到负载的电压，同时校正电路的功率因数。
进一步地，在主边侧，所述三电平变换器部分作为逆变电路，用于将DC-DC部分输出的直流电逆变为三电平交流电；
在副边侧，所述三电平变换器部分作为整流电路，用于将LCC谐振部分的正弦交流电整流为直流电。
进一步地，在主边侧，所述双向DC-DC部分由滤波电容CDC、电感LDC以及MOSFET开关管S1、MOSFET开关管S2、MOSFET开关管S3、MOSFET开关管S4组成；
所述滤波电容CDC与直流电源U1并联，且滤波电容CDC的一端与MOSFET开关管S1的一端连接，MOSFET开关管S1的另一端与电感LDC的一端及MOSFET开关管S3的一端连接，电感LDC的另一端与MOSFET开关管S4的一端及MOSFET开关管S2的另一端连接，滤波电容CDC的另一端与MOSFET开关管S3和MOSFET开关管S4的另一端连接，MOSFET开关管S4的另一端和MOSFET开关管S2的一端接入三电平变换器部分。
进一步地，所述三电平变换器部分由均压电容C1、均压电容C2、箝位二极管D1、箝位二极管D2、以及MOSFET开关管S5、MOSFET开关管S6、MOSFET开关管S7、MOSFET开关管S8组成；
所述均压电容C1的一端与MOSFET开关管S2的一端和MOSFET开关管S5的一端连接，均压电容C1的另一端与均压电容C2的一端连接，均压电容C2的另一端与MOSFET开关管S4的另一端和MOSFET开关管S8的另一端连接；
MOSFET开关管S5的另一端与MOSFET开关管S6的一端和箝位二极管D1的一端连接，MOSFET开关管S6的另一端与MOSFET开关管S7的一端连接，MOSFET开关管S7的另一端与MOSFET开关管S8的一端和箝位二极管D2的另一端连接；
箝位二极管D1的另一端与箝位二极管D2的一端连接；均压电容C1的另一端与均压电容C2的一端之间的连接点A和箝位二极管D1的另一端与箝位二极管D2的一端之间的连接点B相连，且连接点B和MOSFET开关管S6的另一端接入LCC谐振部分。
进一步地，所述均压电容C1、均压电容C2的参数配置满足C1＝C2。
进一步地，所述LCC谐振部分由谐振电感Lf、线圈谐振电容Cf和线圈谐振电容Cp组成；
所述谐振电感Lf的一端与MOSFET开关管S6的另一端连接，谐振电感Lf的另一端与线圈谐振电容Cf的一端和线圈谐振电容Cp的一端连接，线圈谐振电容Cf的另一端与连接点B连接，且线圈谐振电容Cf的另一端及线圈谐振电容Cp的另一端连接至传输线圈。
进一步地，所述谐振电感Lf、线圈谐振电容Cf和线圈谐振电容Cp的参数配置与谐振频率ω0满足以下表达式：
Figure BDA0003090803880000041
进一步地，在副边侧，所述双向DC-DC部分的滤波电容与负载并联。
多电平双向无线电能传输方法，包括：
电源输出直流电，自电源的直流电经过滤波后，作为主边侧双向DC-DC部分的输入；
双向DC-DC部分输出一恒定的直流电压作为三电平变换器部分的输入，三电平变换器部分将输入的直流电逆变为交流电，并输出波形；
所得波形经由LCC谐振部分滤波后，形成正弦波；
LCC谐振部分输出的正弦波形通过传输线圈传递至副边，经由副边LCC谐振部分滤波，再经由副边三电平变换器部分有源整流；
最后由副边双向DC-DC部分进行调压后，得到稳定的直流电供给负载。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明设计的多电平双向无线电能传输系统通过引入三电平变换器，降低了开关器件耐压，提升了传输容量，具有更高的传输效率，同时引入双向DC-DC变换器使得电能能够双向流动，满足双向无线电能传输的需求。该设计使得变换器能够以较低的损耗和较大的容量应用到车网互动、双向无线充电等能量交互的场景中，最大程度的满足越来越高的电能质量需求与越来越复杂控制需求。
具体地，通过将传统的全桥逆变器替换为三电平变换器，降低了单个开关器件承受的电压应力，在相同的器件耐压等级下可以通过更大的功率，在相同的功率等级下更加安全可靠。同时三电平变换器输出波形更接近正弦波，谐波含量低，传输效率更高。且通过控制三种电平不同的输出组合，能够实现灵活的调压与调相。
另外，通过引入四开关双向DC-DC变换器，使得电能的传输实现双向，同时电路能够在BUCK拓扑和BOOST拓扑中自由切换，能够更加灵活的调压。通过二者的相互配合，变换器拥有更加多样的电压控制方式与调制方式，在双向无线电能传输的多种工作模式下均能保持较高的效率和较大的容量。
附图说明
图1为多电平双向无线电能传输系统拓扑图；
图2为三电平变换器输出波形示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图及具体实施例对本发明做详细说明：
本发明所设计的无线电能系统将不进行传统的接收端与发射端区分，整个系统以传输线圈为轴分为完全相同的两侧，以满足能量双向流动的需求。每一侧主要由三部分组成，分别为双向DC-DC部分、三电平变换器部分和LCC谐振部分。双向DC-DC部分与电源或负载相连，LCC谐振部分与传输线圈相连。整个多电平双向无线电能传输系统的系统拓扑结构如图1所示。以系统的左侧(主边侧)为例，各部分的具体结构与功能如下：
双向DC-DC部分以Buck电路和Boost电路为基础，由滤波电容CDC、电感LDC以及MOSFET开关管S1、MOSFET开关管S2、MOSFET开关管S3、MOSFET开关管S4组成。
双向DC-DC部分用于调节从电源到三电平变换器或由三电平变换器到负载的电压。同时还可以完成PFC的作用，校正电路的功率因数，减少谐波影响。
所述滤波电容CDC与直流电源U1并联，且滤波电容CDC的一端与MOSFET开关管S1的一端连接，MOSFET开关管S1的另一端与电感LDC的一端及MOSFET开关管S3的一端连接，电感LDC的另一端与MOSFET开关管S4的一端及MOSFET开关管S2的另一端连接，滤波电容CDC的另一端与MOSFET开关管S3和MOSFET开关管S4的另一端连接，MOSFET开关管S4的另一端和MOSFET开关管S2的一端接入三电平变换器部分。
三电平变换器部分由均压电容C1、均压电容C2、箝位二极管D1、箝位二极管D2、以及MOSFET开关管S5、MOSFET开关管S6、MOSFET开关管S7、MOSFET开关管S8组成。
三电平变换器部分可作为逆变电路，将DC-DC部分输出的直流电逆变为三电平交流电。也可作为整流电路，将谐振部分的正弦交流电整流为直流电。
均压电容C1、均压电容C2的参数配置满足C1＝C2。
所述均压电容C1的一端与MOSFET开关管S2的一端和MOSFET开关管S5的一端连接，均压电容C1的另一端与均压电容C2的一端连接，均压电容C2的另一端与MOSFET开关管S4的另一端和MOSFET开关管S8的另一端连接，MOSFET开关管S5的另一端与MOSFET开关管S6的一端和箝位二极管D1的一端连接，MOSFET开关管S6的另一端与MOSFET开关管S7的一端连接，MOSFET开关管S7的另一端与MOSFET开关管S8的一端和箝位二极管D2的另一端连接，箝位二极管D1的另一端与箝位二极管D2的一端连接；均压电容C1的另一端与均压电容C2的一端之间的连接点A和箝位二极管D1的另一端与箝位二极管D2的一端之间的连接点B相连，且连接点B和MOSFET开关管S6的另一端接入LCC谐振部分。
LCC谐振部分由谐振电感Lf、线圈谐振电容Cf和线圈谐振电容Cp组成，三者共同构成LCC谐振回路，电感、电容的参数配置以谐振频率ω0满足以下表达式：
Figure BDA0003090803880000071
所述谐振电感Lf的一端与MOSFET开关管S6的另一端连接，谐振电感Lf的另一端与线圈谐振电容Cf的一端和线圈谐振电容Cp的一端连接，线圈谐振电容Cf的另一端与连接点B连接，且线圈谐振电容Cf的另一端及线圈谐振电容Cp的另一端连接至传输线圈。
下面以电能从U1流向U2为例，详细说明该无线充电电路的工作原理。此时，U1作为直流电源，U2作为该充电系统的等效负载。为方便叙述，将U1侧称为主边，将U2侧称为副边：
1)电源U1输出一直流电V1，作为主边双向DC-DC部分的输入。
2)来自U1的直流电V1经过滤波电容CDC的滤波后，进入四开关双向DC-DC部分。假设在控制时，双向DC-DC部分输出的期望电压为一恒定的直流电压V2，则根据V1和V2不同的大小关系，双向DC-DC电路将处于三种不同的工作状态。
当V1>V2时，电路处于BUCK工作状态，此时，S2常开，S4常关，S1和S3交替开通关断，两者的开关信号互补；
当V1<V2时，电路处于BOOST工作状态，此时，S1常开，S3常关，S2和S4交替开通关断，两者的开关信号互补；
当V1和V2的大小接近时，电路将交替处于BUCK和BOOST工作状态，此时，在当前周期S2开通，S4关断，S1和S3以一定占空比互补工作，在下一周期S1开通，S3关断，S2和S4以一定占空比互补工作，以此类推。
3)双向DC-DC部分输出一恒定的直流电压V2作为三电平变换器的输入，由于均压电容C1、C2的参数配置满足C1＝C2，故C1、C2上分别形成V2/2的直流电压。通过控制开关管S5、S6、S7、S8的开通和关断，三电平变换器将输入的直流电逆变为交流电，开关管的工作状态及输出电压关系见表1，三电平变换器输出波形见图2。
表1三电平变换器开关管及输出电压关系表
Figure BDA0003090803880000081
Figure BDA0003090803880000091
注：0表示关断，1表示开通
4)图2所示波形经由LCC谐振环节滤波后，变为正弦波。
5)LCC谐振输出的正弦波形通过相互耦合的Lp和L′p传递至副边，经由副边谐振部分滤波，再经由副边三电平变换器有源整流，最后由副边双向DC-DC部分进行与过程2)类似的调压后，得到一稳定的直流电供给负载U2。
至此，电能通过该多电平无线电能传输系统由传递U1至U2。当U1作为负载，U2作为电源时，工作原理与前述完全相同，此处不再赘述。
由以上工作原理分析可知，该多电平无线电能传输系统相比于传统的无线电能传输系统有以下几个方面的技术优势：
1)通过将传统的全桥逆变器替换为三电平变换器，降低了单个开关器件承受的电压应力，在相同的器件耐压等级下可以通过更大的功率，在相同的功率等级下更加安全可靠。同时三电平变换器输出波形更接近正弦波，谐波含量低，传输效率更高。
2)通过引入四开关双向DC-DC变换器，使得电能的传输实现双向，同时电路能够在BUCK拓扑和BOOST拓扑中自由切换，能够更加灵活的调压。
本发明设计的多电平双向无线电能传输系统通过引入三电平变换器，降低了开关器件耐压，提升了传输容量，具有更高的传输效率。同时引入双向DC-DC变换器使得电能能够双向流动，满足双向无线电能传输的需求。该设计使得变换器能够以较低的损耗和较大的容量应用到车网互动、双向无线充电等能量交互的场景中，最大程度的满足越来越高的电能质量需求与越来越复杂控制需求。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.多电平双向无线电能传输系统，其特征在于，所述系统以传输线圈为轴分为完全相同的两侧，分别为主边侧和副边侧；每一侧由三部分组成，分别为双向DC-DC部分、三电平变换器部分和LCC谐振部分，所述LCC谐振部分与传输线圈相连，所述三电平变换器部分连接在双向DC-DC部分和LCC谐振部分之间；在主边侧，所述双向DC-DC部分与电源相连，在副边侧，所述双向DC-DC部分与负载相连；
在主边侧，所述双向DC-DC部分用于调节从电源到三电平变换器部分，同时校正电路的功率因数；
在副边侧，所述双向DC-DC部分用于调节由三电平变换器部分到负载的电压，同时校正电路的功率因数；
在主边侧，所述三电平变换器部分作为逆变电路，用于将DC-DC部分输出的直流电逆变为三电平交流电；
在副边侧，所述三电平变换器部分作为整流电路，用于将LCC谐振部分的正弦交流电整流为直流电；
在主边侧，所述双向DC-DC部分由滤波电容CDC、电感LDC以及MOSFET开关管S1、MOSFET开关管S2、MOSFET开关管S3、MOSFET开关管S4组成；
所述滤波电容CDC与直流电源U1并联，且滤波电容CDC的一端与MOSFET开关管S1的一端连接，MOSFET开关管S1的另一端与电感LDC的一端及MOSFET开关管S3的一端连接，电感LDC的另一端与MOSFET开关管S4的一端及MOSFET开关管S2的另一端连接，滤波电容CDC的另一端与MOSFET开关管S3和MOSFET开关管S4的另一端连接，MOSFET开关管S4的另一端和MOSFET开关管S2的一端接入三电平变换器部分；
所述三电平变换器部分由均压电容C1、均压电容C2、箝位二极管D1、箝位二极管D2、以及MOSFET开关管S5、MOSFET开关管S6、MOSFET开关管S7、MOSFET开关管S8组成；
所述均压电容C1的一端与MOSFET开关管S2的一端和MOSFET开关管S5的一端连接，均压电容C1的另一端与均压电容C2的一端连接，均压电容C2的另一端与MOSFET开关管S4的另一端和MOSFET开关管S8的另一端连接，MOSFET开关管S5的另一端与MOSFET开关管S6的一端和箝位二极管D1的一端连接，MOSFET开关管S6的另一端与MOSFET开关管S7的一端连接，MOSFET开关管S7的另一端与MOSFET开关管S8的一端和箝位二极管D2的另一端连接，箝位二极管D1的另一端与箝位二极管D2的一端连接；均压电容C1的另一端与均压电容C2的一端之间的连接点A和箝位二极管D1的另一端与箝位二极管D2的一端之间的连接点B相连，且连接点B和MOSFET开关管S6的另一端接入LCC谐振部分；所述均压电容C1、均压电容C2的参数配置满足C1＝C2；所述LCC谐振部分由谐振电感Lf、线圈谐振电容Cf和线圈谐振电容Cp组成；
所述谐振电感Lf的一端与MOSFET开关管S6的另一端连接，谐振电感Lf的另一端与线圈谐振电容Cf的一端和线圈谐振电容Cp的一端连接，线圈谐振电容Cf的另一端与连接点B连接，且线圈谐振电容Cf的另一端及线圈谐振电容Cp的另一端连接至传输线圈；
所述谐振电感Lf、线圈谐振电容Cf和线圈谐振电容Cp的参数配置与谐振频率ω0满足以下表达式：
Figure FDA0004020133550000021
在副边侧，所述双向DC-DC部分的滤波电容与负载并联。
2.多电平双向无线电能传输方法，采用权利要求1所述的多电平双向无线电能传输系统，其特征在于，电源输出直流电，自电源的直流电经过滤波后，作为主边侧双向DC-DC部分的输入，双向DC-DC部分输出一恒定的直流电压作为三电平变换器部分的输入，三电平变换器部分将输入的直流电逆变为交流电，并输出波形，所得波形经由LCC谐振部分滤波后，形成正弦波，LCC谐振部分输出的正弦波形通过传输线圈传递至副边，经由副边LCC谐振部分滤波，再经由副边三电平变换器部分有源整流，最后由副边双向DC-DC部分进行调压后，得到稳定的直流电供给负载。
CN202110595377.6A 2021-05-28 2021-05-28 多电平双向无线电能传输系统及方法 Active CN113271016B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110595377.6A CN113271016B (zh) 2021-05-28 2021-05-28 多电平双向无线电能传输系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110595377.6A CN113271016B (zh) 2021-05-28 2021-05-28 多电平双向无线电能传输系统及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113271016A CN113271016A (zh) 2021-08-17
CN113271016B true CN113271016B (zh) 2023-04-28

Family

ID=77233575

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110595377.6A Active CN113271016B (zh) 2021-05-28 2021-05-28 多电平双向无线电能传输系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113271016B (zh)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109217681A (zh) * 2018-11-26 2019-01-15 燕山大学 一种双向谐振变换器

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102624243A (zh) * 2012-04-19 2012-08-01 中国矿业大学(北京) 隔离式半桥三电平双向dc/dc变换器
CN103746462B (zh) * 2013-07-11 2016-01-20 重庆米亚车辆技术有限公司 一种用于无线电能传输的双边lcc补偿网络及其调谐方法
CN109617256A (zh) * 2019-01-04 2019-04-12 重庆大学 一种无线电能多级双向传输系统
CN109787372A (zh) * 2019-03-07 2019-05-21 重庆理工大学 一种双向非接触式充电系统及可逆无线充电模组
CN110289699B (zh) * 2019-05-29 2021-01-29 北京航空航天大学 一种航天器间近场无线能量传输系统
CN112217294B (zh) * 2020-08-19 2022-05-13 浙江大学 应用于双向无线电能传输电路的无通讯恒流控制方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109217681A (zh) * 2018-11-26 2019-01-15 燕山大学 一种双向谐振变换器

Also Published As

Publication number Publication date
CN113271016A (zh) 2021-08-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107618388B (zh) 一种电动汽车无线充电系统
CN210608706U (zh) 一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统
CN107733236B (zh) 一种宽范围双向软开关直流变换电路及其控制方法
CN100490291C (zh) 升压型高频环节交-交变换器
CN101043183B (zh) 一种功率变换器
CN102291014A (zh) 交流斩波-全桥整流的ac-dc变换器
CN109823206A (zh) 一种基于双边移相和调频的软开关高效率无线充电方法
CN110798247B (zh) 一种无线电力载波设备
CN103825463A (zh) Llc电路
CN102412726A (zh) 全桥软开关医用x光机高压直流电源
CN209860803U (zh) 一种非接触单管谐振变换器
CN210608707U (zh) 一种基于lccl的非接触式电轨装置
CN110649802A (zh) 一种单级谐振式ac-dc功率因数校正变换装置及其校正方法
CN207368884U (zh) 一种宽范围双向软开关直流变换电路
CN113271016B (zh) 多电平双向无线电能传输系统及方法
CN112865263A (zh) 一种充放电控制方法及应用装置
CN209462065U (zh) 充电机及充电系统
CN110492753A (zh) 一种带储能电感的双向全桥dc-dc变换器的等效控制方法
CN213960064U (zh) 一种基于开关纹波调制的电源线通信电路
CN115800558A (zh) 一种三自由度效率优化控制方法、系统、设备及存储介质
CN106972777A (zh) 一种高效双向ac‑dc变换器
CN210669899U (zh) 一种集成车载dc/dc转换器的车载双向充电机电路
CN112572190B (zh) 车载充电系统及具有其的车辆
KR100634084B1 (ko) 스위치 손실을 저감하기 위한 강압형 변압기를 구비한비접촉 공진형 컨버터를 포함하는 전력변환장치 및 그 방법
US11791739B2 (en) AC-AC converter

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant