CN114228520A - 一种用于无线充电的组合供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于无线充电的组合供电系统。所述系统，包括：地面端和车载端；地面端包括多个送电装置；车载端包括多个受电装置；送电装置包括逆变补偿电路和地面端线圈；地面端线圈通过逆变补偿电路与直流电源连接；受电装置包括车载端线圈和补偿整流电路；车载端线圈通过补偿整流电路与车载充电电池连接；多个车载端线圈分布在车辆底盘，且相邻的两个车载端线圈相接触；当车载端线圈处于地面端线圈产生的交变磁场时，实现为车载充电电池充电。本发明能在提高无线充电供电输出功率的同时，解决松耦合变压器线圈上的电应力过高的问题。

Description

一种用于无线充电的组合供电系统
技术领域
本发明涉及供电领域，特别是涉及一种用于无线充电的组合供电系统。
背景技术
无线充电技术通过高频交变磁场实现了电能的非接触传输，不但可以实现电源与负载之间的电气隔离，而且克服了传统接触式供电存在的接触式火花等问题。目前，该技术已成为电动汽车无线充电、轨道交通等领域的研究热点。
当应用无线充电系统为大功率设备供电时供就需要采用功率扩容策略。目前，存在以下几种方式：采用大功率开关管实现了电池负载的大功率供电；通过开关管的并联实现了50kW的大功率输出，但此时的主电路和驱动电路需要重新设计且不具备灵活的功率配置；通过逆变器的并联增大了地面端功率。上述供电方式均是通过增大线圈电流值来增大功率，而增大线圈电流值的同时会升高单台松耦合变压器的电应力。
发明内容
基于此，本发明实施例提供一种用于无线充电的组合供电系统，以在提高无线充电供电输出功率的同时，解决松耦合变压器线圈上的电应力过高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种用于无线充电的组合供电系统，包括：地面端和车载端；所述地面端包括多个送电装置；所述车载端包括多个受电装置；
所述送电装置包括逆变补偿电路和地面端线圈；所述地面端线圈通过所述逆变补偿电路与直流电源连接；所述受电装置包括车载端线圈和补偿整流电路；所述车载端线圈通过所述补偿整流电路与车载充电电池连接；
多个所述车载端线圈分布在车辆底盘，且相邻的两个所述车载端线圈相接触；当所述车载端线圈处于所述地面端线圈产生的交变磁场时，实现为所述车载充电电池充电。
可选的，多个所述送电装置中的逆变补偿电路的输入端并联，并联后的多个所述逆变补偿电路连接所述直流电源；
多个所述受电装置中的补偿整流电路的输出端并联，并联后的多个所述补偿整流电路连接所述车载充电电池。
可选的，多个所述送电装置中的逆变补偿电路的输入端并联，并联后的多个所述逆变补偿电路连接所述直流电源；
多个所述受电装置中的补偿整流电路的输出端串联，串联后的多个所述补偿整流电路连接所述车载充电电池。
可选的，多个所述送电装置中的逆变补偿电路的输入端串联，串联后的多个所述逆变补偿电路连接所述直流电源；
多个所述受电装置中的补偿整流电路的输出端并联，并联后的多个所述补偿整流电路连接所述车载充电电池。
可选的，多个所述送电装置中的逆变补偿电路的输入端串联，串联后的多个所述逆变补偿电路连接所述直流电源；
多个所述受电装置中的补偿整流电路的输出端串联，串联后的多个所述补偿整流电路连接所述车载充电电池。
可选的，所述逆变补偿电路，包括：逆变器和地面补偿网络；所述逆变器的输入端连接所述直流电源；所述逆变器的输出端通过所述地面补偿网络与所述地面端线圈连接。
可选的，所述补偿整流电路，包括：车载补偿网络和整流器；
所述车载端线圈与所述车载补偿网络的输入端连接；所述车载补偿网络的输出端通过所述整流器与所述车载充电电池连接。
可选的，所述受电装置的数量是根据直流电源输入单个所述送电装置中的电流、直流电源输入单个所述送电装置中的电压、单个所述受电装置向车载充电电池输出的电流、单个所述受电装置向车载充电电池输出的电压、组合供电系统的输入电压需求、组合供电系统的输入电流需求、组合供电系统的输出电压需求和组合供电系统的输出电流需求确定的；
所述送电装置的数量大于或等于所述受电装置的数量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明实施例提出了一种用于无线充电的组合供电系统，将多个受电装置中多个车载端线圈分布在车辆底盘，且相邻的两个车载端线圈相接触，避免了单个车载端线圈匝数少和耦合系数低的问题，实现了大功率供电输出，该系统无需增大线圈电流值即可实现大功率输出，解决了松耦合变压器线圈上的电应力过高的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的用于无线充电的组合供电系统的结构图；
图2为本发明实施例提供的单个无线充电模块的结构图；
图3为本发明实施例提供的组合供电系统的供电拓扑的示意图。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
为降低松耦合变压器上较高的电应力且降低单个线圈的尺寸，同时也为充分利用现有的单台无线充电模块实现大功率输出，本实施例以电动汽车无线充电为背景，提供了一种用于无线充电的组合供电系统。
图1为本发明实施例提供的用于无线充电的组合供电系统的结构图。参见图1，所述系统，包括：地面端和车载端；所述地面端包括多个送电装置；所述车载端包括多个受电装置。
所述送电装置包括逆变补偿电路和地面端线圈；所述地面端线圈通过所述逆变补偿电路与直流电源连接；所述受电装置包括车载端线圈和补偿整流电路；所述车载端线圈通过所述补偿整流电路与车载充电电池106连接。一个送电装置和一个受电装置构成单个无线充电模块，一个地面端线圈和一个车载端线圈构成松耦合变压器103。
多个所述车载端线圈分布在车辆(例如，电动汽车)底盘，且相邻的两个所述车载端线圈相接触；当所述车载端线圈处于所述地面端线圈产生的交变磁场时，实现为所述车载充电电池106充电。
在一个示例中，参见图2，所述逆变补偿电路，包括：逆变器101和地面补偿网络102；所述逆变器101的输入端连接所述直流电源；所述逆变器101的输出端通过所述地面补偿网络102与所述地面端线圈连接。
所述补偿整流电路，包括：车载补偿网络104和整流器105；所述车载端线圈与所述车载补偿网络104的输入端连接；所述车载补偿网络104的输出端通过所述整流器105与所述车载充电电池106连接。
其中，逆变器101用于将输入的直流电源转变为高频交流电，地面补偿网络102用于补偿系统中的无功功率同时提高传输效率，松耦合变压器103起到电能传输的作用，车载补偿网络104用于补偿系统中的无功功率同时提高传输效率，整流器105用于将高频交流电转变为车载充电电池106所需的直流电。
无线充电原理为：逆变器101将直流电源转变为高频交流电，然后通过地面补偿网络102和松耦合变压器103的电能传输作用将高频交流电从地面端传输到车载端，然后通过车载端的整流器105将高频交流电转变为车载充电电池106所需的直流电，从而完成充电过程。
在一个示例中，多个无线充电模块给电动汽车大功率无线供电时，多个车载端线圈在电动汽车底盘呈长方形且无空气间隙的排布，以#1无线充电模块和#n无线充电模块给电动汽车大功率无线供电时的情况为例说明，#1松耦合变压器和#n松耦合变压器在底盘无间隙的排布来共同给电池供电，避免单个车载端线圈匝数少和耦合系数低的问题。
在一个示例中，将多个无线充电模块进行串并联组合来满足电动汽车大功率无线充电的功率需求，同样以#1无线充电模块和#2无线充电模块给电动汽车大功率无线供电时的情况为例说明，根据逆变补偿电路输入和补偿整流电路输出的组合方式的不同，将组合供电系统的供电拓扑分为四类，即：输入并联输出并联、输入并联输出串联、输入串联输出并联和输入串联输出串联。
输入并联输出并联，即多个所述送电装置中的逆变补偿电路的输入端并联，并联后的多个所述逆变补偿电路连接所述直流电源；多个所述受电装置中的补偿整流电路的输出端并联，并联后的多个所述补偿整流电路连接所述车载充电电池106。例如，参见图3的(a)部分，当采用两个无线充电模块时，即所述送电装置和所述受电装置均为两个时，第一个无线充电模块301中的逆变补偿电路的第一输入端、第二个无线充电模块302中的逆变补偿电路的第一输入端均连接直流电源的正极，第一个无线充电模块301中的逆变补偿电路的第二输入端、第二个无线充电模块302中的逆变补偿电路的第二输入端均连接直流电源的负极；第一个无线充电模块301中的补偿整流电路的第一输出端、第二个无线充电模块302中的补偿整流电路的第一输出端均连接车载充电电池106的正极，第一个无线充电模块301中的补偿整流电路的第二输出端、第二个无线充电模块302中的补偿整流电路的第二输出端均连接车载充电电池106的负极。
输入并联输出串联，即多个所述送电装置中的逆变补偿电路的输入端并联，并联后的多个所述逆变补偿电路连接所述直流电源；多个所述受电装置中的补偿整流电路的输出端串联，串联后的多个所述补偿整流电路连接所述车载充电电池106。例如，参见图3的(b)部分，当采用两个无线充电模块时，即所述送电装置和所述受电装置均为两个时，第一个无线充电模块301中的逆变补偿电路的第一输入端、第二个无线充电模块302中的逆变补偿电路的第一输入端均连接直流电源的正极，第一个无线充电模块301中的逆变补偿电路的第二输入端、第二个无线充电模块302中的逆变补偿电路的第二输入端均连接直流电源的负极；第一个无线充电模块301中的补偿整流电路的第一输出端连接车载充电电池106的正极，第一个无线充电模块301中的补偿整流电路的第二输出端与第二个无线充电模块302中的补偿整流电路的第一输出端连接，第二个无线充电模块302中的补偿整流电路的第二输出端连接车载充电电池106的负极。
输入串联输出并联，即多个所述送电装置中的逆变补偿电路的输入端串联，串联后的多个所述逆变补偿电路连接所述直流电源；多个所述受电装置中的补偿整流电路的输出端并联，并联后的多个所述补偿整流电路连接所述车载充电电池106。例如，参见图3的(c)部分，当采用两个无线充电模块时，即所述送电装置和所述受电装置均为两个时，第一个无线充电模块301中的逆变补偿电路的第一输入端连接直流电源的正极，第一个无线充电模块301中的逆变补偿电路的第二输入端与第二个无线充电模块302中的逆变补偿电路的第一输入端连接，第二个无线充电模块302中的逆变补偿电路的第二输入端连接直流电源的负极；第一个无线充电模块301中的补偿整流电路的第一输出端、第二个无线充电模块302中的补偿整流电路的第一输出端均连接车载充电电池106的正极，第一个无线充电模块301中的补偿整流电路的第二输出端、第二个无线充电模块302中的补偿整流电路的第二输出端均连接车载充电电池106的负极。
输入串联输出串联，即多个所述送电装置中的逆变补偿电路的输入端串联，串联后的多个所述逆变补偿电路连接所述直流电源；多个所述受电装置中的补偿整流电路的输出端串联，串联后的多个所述补偿整流电路连接所述车载充电电池106。例如，参见图3的(d)部分，当采用两个无线充电模块时，即所述送电装置和所述受电装置均为两个时，第一个无线充电模块301中的逆变补偿电路的第一输入端连接直流电源的正极，第一个无线充电模块301中的逆变补偿电路的第二输入端与第二个无线充电模块302中的逆变补偿电路的第一输入端连接，第二个无线充电模块302中的逆变补偿电路的第二输入端连接直流电源的负极；第一个无线充电模块301中的补偿整流电路的第一输出端连接车载充电电池106的正极，第一个无线充电模块301中的补偿整流电路的第二输出端与第二个无线充电模块302中的补偿整流电路的第一输出端连接，第二个无线充电模块302中的补偿整流电路的第二输出端连接车载充电电池106的负极。
输入并联输出并联的供电拓扑适用于大电流输出的电动汽车无线充电场合；输入并联输出串联的供电拓扑适用于高电压输出的电动汽车无线充电场合；输入串联输出并联的供电拓扑适用于高压输入和大电流输出的电动汽车无线充电场合，输入串联输出串联的供电拓扑适用于高压输入和高压输出的电动汽车无线充电场合。其中，只要电动汽车无线充电系统的实际输出电流大于单个无线充电模块的输出电流，即可以认为是大电流；只要电动汽车无线充电系统的实际输出电压大于单个无线充电模块的输出电压，即可以认为是高电压。
本示例中，组合供电系统的四种供电拓扑可以满足不同大小充电电压和充电电流的需求，可以根据特定的电动汽车无线充电场合选择其中一种供电拓扑。本示例可为电动汽车大功率无线充电系统模块化供电的工程应用提供参考。
在一个示例中，所述受电装置的数量是根据直流电源输入单个所述送电装置中的电流、直流电源输入单个所述送电装置中的电压、单个所述受电装置向车载充电电池106输出的电流、单个所述受电装置向车载充电电池106输出的电压、组合供电系统的输入电压需求、组合供电系统的输入电流需求、组合供电系统的输出电压需求和组合供电系统的输出电流需求确定的；所述送电装置的数量大于或等于所述受电装置的数量。
为了对本实施例的具体应用提供参考，以下对应用本实施例的具体供电拓扑选择以及受电装置数量的选择(以送电装置的数量等于所述受电装置的数量为例)进行阐述：设直流电源输入单个所述送电装置中的电压和电流分别为Ui1和Ii1，单个所述受电装置向车载充电电池106输出的电压和电流分别为Uo1和Io1，而组合供电系统的输入电压需求和输入电流需求分别为Ui和Ii，组合供电系统的输出电压需求和输出电流需求分别为Uo和Io，则有：
1)当Ii＞Ii1、Io＞Io1时，选择输入并联输出并联的组合供电拓扑；
2)当Ii＞Ii1、Uo＞Uo1时，选择输入并联输出串联的组合供电拓扑；
3)当Ui＞Ui1、Io＞Io1时，选择输入串联输出并联的组合供电拓扑；
4)当Ui＞Ui1、Uo＞Uo1时，选择输入串联输出串联的组合供电拓扑。
为了对串联或并联的单个无线充电模块的数目进行计算，本实施例进一步的进行举例说明：
1)当Ii＞Ii1、Io＞Io1时，那么从电动汽车输入电流角度计算的并联模块的数目为n1＝Roundup(Ii/Ii1)，从电动汽车输出电流角度计算的并联模块的数目为n2＝Roundup(Io/Io1)，则实际的无线充电模块的数目为n＝max(n1,n2)，即受电装置和送电装置的数量均为n。其中，Roundup函数的作用是向上舍入，其舍入的数字无论是否大于4，都要向前进1位，而max函数的作用取所有元素中的最大值，在以下的表述中，Roundup函数和max函数的作用均与此相同。
2)当Ii＞Ii1、Uo＞Uo1时，那么从电动汽车输入电流角度计算的并联模块的数目为n3＝Roundup(Ii/Ii1)，从电动汽车输出电流角度计算的串联模块的数目为n4＝Roundup(Uo/Uo1)，则实际的无线充电模块的数目为n＝max(n3,n4)。
3)当Ui＞Ui1、Io＞Io1时，那么从电动汽车输入电压角度计算的串联模块的数目为n5＝Roundup(Ui/Ui1)，从电动汽车输出电流角度计算的并联模块的数目为n6＝Roundup(Io/Io1)，则实际的无线充电模块的数目为n＝max(n5,n6)。
4)Ui＞Ui1、Uo＞Uo1时，那么从电动汽车输入电压角度计算的串联模块的数目为n7＝Roundup(Ui/Ui1)，从电动汽车输出电流角度计算的串联模块的数目为n8＝Roundup(Uo/Uo1)，则实际的无线充电模块的数目为n＝max(n7,n8)。
上述实施例中的用于无线充电的组合供电系统，具有如下优点：
1、解决了松耦合变压器103中线圈上的电应力过高的问题，避免了单线圈供电受到车载端底盘安装空间的限制。
2、不同的供电拓扑可以满足不同大小的充电电压和充电电流的电动汽车无线充电场合。
3、模块化组合供电可以充分利用现有单台无线充电模块实现电动汽车无线充电的大功率组合供电输出。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种用于无线充电的组合供电系统，其特征在于，包括：地面端和车载端；所述地面端包括多个送电装置；所述车载端包括多个受电装置；
所述送电装置包括逆变补偿电路和地面端线圈；所述地面端线圈通过所述逆变补偿电路与直流电源连接；所述受电装置包括车载端线圈和补偿整流电路；所述车载端线圈通过所述补偿整流电路与车载充电电池连接；
多个所述车载端线圈分布在车辆底盘，且相邻的两个所述车载端线圈相接触；当所述车载端线圈处于所述地面端线圈产生的交变磁场时，实现为所述车载充电电池充电。
2.根据权利要求1所述的一种用于无线充电的组合供电系统，其特征在于，
多个所述送电装置中的逆变补偿电路的输入端并联，并联后的多个所述逆变补偿电路连接所述直流电源；
多个所述受电装置中的补偿整流电路的输出端并联，并联后的多个所述补偿整流电路连接所述车载充电电池。
3.根据权利要求1所述的一种用于无线充电的组合供电系统，其特征在于，
多个所述送电装置中的逆变补偿电路的输入端并联，并联后的多个所述逆变补偿电路连接所述直流电源；
多个所述受电装置中的补偿整流电路的输出端串联，串联后的多个所述补偿整流电路连接所述车载充电电池。
4.根据权利要求1所述的一种用于无线充电的组合供电系统，其特征在于，
多个所述送电装置中的逆变补偿电路的输入端串联，串联后的多个所述逆变补偿电路连接所述直流电源；
多个所述受电装置中的补偿整流电路的输出端并联，并联后的多个所述补偿整流电路连接所述车载充电电池。
5.根据权利要求1所述的一种用于无线充电的组合供电系统，其特征在于，
多个所述送电装置中的逆变补偿电路的输入端串联，串联后的多个所述逆变补偿电路连接所述直流电源；
多个所述受电装置中的补偿整流电路的输出端串联，串联后的多个所述补偿整流电路连接所述车载充电电池。
6.根据权利要求1所述的一种用于无线充电的组合供电系统，其特征在于，所述逆变补偿电路，包括：逆变器和地面补偿网络；所述逆变器的输入端连接所述直流电源；所述逆变器的输出端通过所述地面补偿网络与所述地面端线圈连接。
7.根据权利要求1所述的一种用于无线充电的组合供电系统，其特征在于，所述补偿整流电路，包括：车载补偿网络和整流器；
所述车载端线圈与所述车载补偿网络的输入端连接；所述车载补偿网络的输出端通过所述整流器与所述车载充电电池连接。
8.根据权利要求1所述的一种用于无线充电的组合供电系统，其特征在于，
所述受电装置的数量是根据直流电源输入单个所述送电装置中的电流、直流电源输入单个所述送电装置中的电压、单个所述受电装置向车载充电电池输出的电流、单个所述受电装置向车载充电电池输出的电压、组合供电系统的输入电压需求、组合供电系统的输入电流需求、组合供电系统的输出电压需求和组合供电系统的输出电流需求确定的；
所述送电装置的数量大于或等于所述受电装置的数量。
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CN115864674A (zh) * 2022-11-22 2023-03-28 中国人民解放军海军工程大学 一种无线供电系统及其输入均压、输出恒压协同控制方法

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