CN114734842A - 一种双侧LCC-nT拓扑的低压大电流无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双侧LCC‑nT拓扑的低压大电流无线充电系统，包括直流电源模块、高频逆变器、发射侧LCC补偿模块、耦合线圈、接收侧LCC补偿模块、降压变压器nT模块、高频整流器和车载电池，所述直流电源模块、高频逆变器模块、发射LCC补偿模块、耦合线圈、接收LCC补偿模块、降压变压器nT模块、高频整流器和车载电池依次连接。本发明提供的一种双侧LCC‑nT拓扑低压大电流无线充电系统，能为不同电池电压规格的车载电池提供低压大电流快速充电；本发明所提供的一种双侧LCC‑nT拓扑低压大电流无线充电系统，车载电池和高频整流器之间不需要多余的电路进行低压大电流的电能变换，减少了系统电能变换的级数，提高了系统效率。

Description

一种双侧LCC-nT拓扑的低压大电流无线充电系统

技术领域

本发明无线充电领域，尤其涉及一种双侧LCC-nT拓扑的低压大电流无线充电系统。

背景技术

智能化、自动化、数字化是未来高端制造业生产线的发展趋势，以自主引导车辆(AVG)为代表的相关产品被广泛应用于仓储物流、医疗、餐饮、特种作业等领域。智能化的移动机器人，能够实现自动自主充电的充电技术和方式。目前市场上常见的可适用于移动机器人的充电技术，可分为两大类：传统的拔插式有线充电方式和感应式无线充电方式(IPT)。相比于拔插式有线充电方式，感应式无线充电方式完全摒弃了传统的接触触点充电方式，不仅可以避免传统方式接触点打火造成的安全问题，还可以减小车载电池组的尺寸，让自主引导车辆在装卸状态下充电，显着增加AGV小车的有效工作时间和充电的安全性。在可预见的未来，无线电能传输技术是实现自主引导车全自动、免维护持续运行的最佳充电方式。

无线充电系统已经可以在20～200mm距离、10～100mm偏移范围内为自动引导车的车载电池实现千瓦级的充电功率，出于安全要求，AGV上的车载电池电压通常为100V等级以下的多种电池电压规格，在这种大功率低电压的要求下，引导车的车载电池往往需要数百安培的大电流进行快速充电，因此，低压和大电流的工作条件给设计用于AGV充电的无线充电系统带来了困难。

基于磁场耦合方式的技术的感应式无线充电系统(IPT)将变压器的原副边进行分离，使一部分的磁场通过空气进行耦合，从而实现无线传输。同传统变压器相比，无线电能传输应用的原边和副边线圈之间耦合系数较小，为了实现高效的能量传输效率，需要在原副边加入补偿结构使电路工作在谐振状态，从而让原副边在同一频率形成共振。广泛应用于无线充电系统双边LCC补偿可自动实现恒定的线圈电流输出，且线圈电流和负载情况无关，大大降低了系统的控制复杂度，提高了系统的可靠性与稳定性，然而，双边LCC补偿的无线充电系统传输功率与输入输出电压的乘积成正比关系，这意味着，同等功率等级下，较低的输出电压需要很高的输入电压，因此，应用双边LCC补偿的系统，很难实现低压大电流输出，该双边LCC补偿在大电流输出工况下，接收侧LCC电流较大，磁芯设计困难。AGV小车存在多种电池电压规格，若要满足不同电池电压规格，就需要对接收线圈和补偿进行重新设计，难以实现多电压平台的模块化设计。现有技术的解决方案是在高频整流器后加入交错调压电路来实现多种规格车载电池的低压大电流快速充电，增加了系统设计的复杂性和造成系统效率低下。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种双侧LCC-nT拓扑的低压大电流无线充电系统来解决现有技术中存在的无线充电系统难以实现低压大电流输出、难以实现多电压平台的模块化设计以及系统设计复杂及效率低下的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：提供一种双侧LCC-nT拓扑的低压大电流无线充电系统，其创新点在于：包括直流电源模块、高频逆变器、发射侧LCC补偿模块、耦合线圈、接收侧LCC补偿模块、降压变压器nT模块、高频整流器和车载电池，所述直流电源模块、高频逆变器模块、发射LCC补偿模块、耦合线圈、接收LCC补偿模块、降压变压器nT模块、高频整流器和车载电池依次连接。

进一步的，所述的高频逆变器包括直流输入端口P和N、交流输出端口为A和B、4个分别为S₁、S₂、S₃、S₄的可控开关管，S₁、S₂的漏极连接直流输入端口P，S₃、S₄的源极连接直流输入端口N，所述的直流输入端口P和N分别连接直流电源模块的正负极，所述S₁的源极和S₃的漏极连接后作为交流输出端口A连接发射侧LCC补偿模块，所述S₂的源极和S₄的漏极连接后作为交流输出端口B连接发射侧LCC补偿模块。

进一步的，所述的发射侧LCC补偿模块包括补偿电感L_f1、补偿电容C_f1和补偿电容C₁，所述的耦合线圈包括发射线圈L_p和接收线圈L_s，所述的接收侧LCC补偿模块包括补偿电感L_f2、补偿电容C_f2和补偿电容C₂；

高频逆变器的交流输出端口A连接到补偿电感L_f1的输入端，补偿电感L_f1的输出端分别连接补偿电容C_f1输入端和补偿电容C₁输入端，所述补偿电容C_f1输出端和补偿电容C₁输出端分别连接到发射线圈L_p两侧，高频逆变器的交流输出端口B也连接到补偿电容C₁输出端；

耦合线圈的接收线圈L_s两端分别连接补偿电容C_f2的输出端和补偿电容C₂的输入端，所述补偿电容C_f2的输出端分别连接补偿电容C₂的输入端和补偿电感L_f2的输入端，所述补偿电感L_f2的输出端连接到降压变压器nT模块，补偿电容C_f2的输出端也连接到降压变压器nT模块。

进一步的，所述的降压变压器nT模块包括n个降压变压器T₁、T₂…T_n，降压变压器nT模块的输入端口为J₁和J₂，输出端口J₃和J₄，n个降压变压器的的一次侧绕组串联，且两端分别为降压变压器nT模块的输入端口为J₁和J₂，二次侧绕组的输出端J₃和J₄串联或并联自由组合连接，补偿电感L_f2的输出端与降压变压器nT模块的输入端口J₁连接，降压变压器nT模块的输入端口J₂与补偿电容C_f2输出端连接。

进一步的，所述的高频整流器包括交流输入端口为a和b，直流输出端口为p和n，四个二极管D₁、D₂、D₃、D₄和电容C_o，D₁和D₃串联后的结构、D₂和D₄串联后的结构、电容C_o、车载电池之间相互并联，降压变压器的输出端口J₃连接到D₁和D₃之间的交流输入端口a处，降压变压器的输出端口J₄连接到D₂和D₃之间的交流输入端口b处。

进一步的，系统发射侧LCC补偿模块、耦合线圈、接收侧LCC补偿模块和降压变压器nT模块工作在谐振条件下，满足以下公式：

上式中，w₀为谐振频率，L_f1和L_f2分别为发射侧补偿电感和接收侧补偿电感的感量，C_f1和C_f2分别为发射侧并联补偿电容和接收侧并联补偿电容的容值，C₁和C₂分别为发射侧串联补偿电容和接收侧串联补偿电容的容值，L_ip为第i个降压变压器一次侧电感量，k_i为第i个降压变压器的耦合系数，n为n个降压变压器。

和现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明所提供的一种双侧LCC-nT拓扑低压大电流无线充电系统，能为不同电池电压规格的车载电池提供低压大电流快速充电；

(2)本发明所提供的一种双侧LCC-nT拓扑低压大电流无线充电系统，车载电池和高频整流器之间不需要多余的开关电路进行低压大电流的电能变换，减少了系统电能变换的级数，提高了系统效率；

(3)本发明所提供接收侧补偿电感可以通过设计降压变压器nT模块的漏感进行替代，减少了补偿元件的使用。

附图说明

图1是本发明一种双侧LCC-nT拓扑低压大电流无线充电系统结构示意图。

图2是本发明中一种双侧LCC-nT拓扑低压大电流无线充电系统电路拓扑图。

图3是本发明图2中的降压变压器nT模块包括4个变压器的连接原理示意图。

图4是双侧LCC-4T拓扑低压大电流充电24V充电波形图。

图5是双侧LCC-4T拓扑低压大电流充电48V充电波形图。

图6是双侧LCC-4T拓扑低压大电流充电96V充电波形图。

图7是双侧LCC-4T拓扑高频逆变器ZVS波形图。

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中的技术方案，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护范围。

本发明提供一种双侧LCC-nT拓扑的低压大电流无线充电系统，其具体系统框图如图1所示，包括直流电源模块、高频逆变器、发射侧LCC补偿模块、耦合线圈、接收侧LCC补偿模块、降压变压器nT模块、高频整流器和车载电池，所述直流电源模块、高频逆变器模块、发射LCC补偿模块、耦合线圈、接收LCC补偿模块、降压变压器nT模块、高频整流器和车载电池依次连接。

本发明的具体电路结构图如图2所示，本发明的高频逆变器包括直流输入端口P和N、交流输出端口为A和B、4个分别为S₁、S₂、S₃、S₄的可控开关管，S₁、S₂的漏极连接直流输入端口P，S₃、S₄的源极连接直流输入端口N，所述的直流输入端口P和N分别连接直流电源模块的正负极，所述S₁的源极和S₃的漏极连接后作为交流输出端口A连接发射侧LCC补偿模块，所述S₂的源极和S₄的漏极连接后作为交流输出端口B连接发射侧LCC补偿模块。

本发明的所述的发射侧LCC补偿模块包括补偿电感L_f1、补偿电容C_f1和补偿电容C₁，所述的耦合线圈包括发射线圈L_p和接收线圈L_s，所述的接收侧LCC补偿模块包括补偿电感L_f2、补偿电容C_f2和补偿电容C₂；

高频逆变器的交流输出端口A连接到补偿电感L_f1的输入端，补偿电感L_f1的输出端分别连接补偿电容C_f1输入端和补偿电容C₁输入端，所述补偿电容C_f1输出端和补偿电容C₁输出端分别连接到发射线圈L_p两侧，高频逆变器的交流输出端口B也连接到补偿电容C₁输出端；

耦合线圈的接收线圈L_s两端分别连接补偿电容C_f2的输出端和补偿电容C₂的输入端，所述补偿电容C_f2的输出端分别连接补偿电容C₂的输入端和补偿电感L_f2的输入端，所述补偿电感L_f2的输出端连接到降压变压器nT模块，补偿电容C_f2的输出端也连接到降压变压器nT模块。

本发明的所述的降压变压器nT模块包括n个降压变压器T₁、T₂…T_n，降压变压器nT模块的输入端口为J₁和J₂，输出端口J₃和J₄，n个降压变压器的的一次侧绕组串联，且两端分别为降压变压器nT模块的输入端口为J₁和J₂，二次侧绕组的输出端J₃和J₄串联或并联自由组合连接，补偿电感L_f2的输出端与降压变压器nT模块的输入端口J₁连接，降压变压器nT模块的输入端口J₂与补偿电容C_f2输出端连接。如图3所示，降压变压器nT模块包括4个降压变压器时，其一次绕组侧串联设置，二次绕组侧可以串联、并联或者串并联组合连接。

本发明的所述的高频整流器包括交流输入端口为a和b，直流输出端口为p和n，四个二极管D₁、D₂、D₃、D₄和电容C_o，D₁和D₃串联后的结构、D₂和D₄串联后的结构、电容C_o、车载电池之间相互并联，降压变压器的输出端口J₃连接到D₁和D₃之间的交流输入端口a处，降压变压器的输出端口J₄连接到D₂和D₃之间的交流输入端口b处。

本发明的系统发射侧LCC补偿模块、耦合线圈、接收侧LCC补偿模块和降压变压器nT模块工作在谐振条件下，满足以下公式：

上式中，w₀为谐振频率，L_f1和L_f2分别为发射侧补偿电感和接收侧补偿电感的感量，C_f1和C_f2分别为发射侧并联补偿电容和接收侧并联补偿电容的容值，C₁和C₂分别为发射侧串联补偿电容和接收侧串联补偿电容的容值，L_ip为第i个降压变压器一次侧电感量，k_i为第i个降压变压器的耦合系数，n为n个降压变压器。

根据上述谐振条件，若接收侧LCC补偿电感L_f2和降压变压器nT模块的n个降压变压器T1、T2…Tn的漏感之和为L_r，则电感L_f2满足公式：

调节降压变压器nT模块中各个降压变压器的耦合系数k_i，可以使接收侧LCC补偿电感L_f2的感量为零，从而实现利用降压变压器nT模块替代接收侧LCC补偿电感L_f2。

进一步地，所述的高频逆变器交流输出端口A和B间的电压为U_AB，所述高频整流器交流输入端口a和b间的电压为U_ab，由基尔霍夫电流定律(KCL)可建立高频逆变器交流输出端口A和B到高频整流器交流输入端口a和b的电路矩阵方程为：

上述电路矩阵方程中，U_AB为所述高频逆变器交流输出端口A和B之间的电压，其有效值可通过直流电源电压值确定，U_o1、U_o2…U_on为所述降压变压器nT模块二次侧绕组的输出电压，其有效值可通过车载电池电压值确定，I_o1、I_o2…I_on为流出降压变压器nT模块的n个降压变压器T1、T2…Tn的二次侧绕组的电流，I_f1为流过电感L_f1的电流，I_C1为流过电容C₁的电流，I_f2为流过电感L_f2的电流，I_C2为流过电容C₂的电流，k_ps为所述耦合线圈的发射线圈与接收线圈之间的耦合系数，L_p为发射线圈的感量，L_s为接收线圈的感量，w为谐振频率，L_f1和L_f2分别为发射侧LCC补偿电感和接收侧LCC补偿电感的感量，C_f1和C_f2分别为发射侧LCC补偿并联补偿电容和接收侧LCC补偿并联补偿电容的容值，C₁和C₂分别为发射侧LCC补偿串联补偿电容和接收侧LCC补偿串联补偿电容的容值，L_1p、L_2p…L_np分别为降压变压器nT模块的n个降压变压器T1、T2…Tn的一次侧绕组的电感量，L_1s、L_2s…L_ns分别为降压变压器nT模块的n个降压变压器T1、T2…Tn的二次侧绕组的电感量，k₁、k₂…k_n分别为降压变压器nT模块的n个降压变压器T1、T2…Tn的耦合系数。

进一步，将令w＝w₀，并将谐振条件带入上述电路矩阵方程求解得：

(1)流过电感L_f1的电流I_f1有效值公式为：

(2)流过电感L_f2的电流I_f2有效值公式为：

(3)流出降压变压器nT模块二次侧绕组输出电流I_oi有效值公式为：

(4)系统的传输功率P可以表示为：

由(1)(2)可知，当耦合线圈、发射侧LCC补偿、接收LCC补偿和降压变压器nT模块参数确定后，发射侧LCC补偿模块输入电流I_f1仅与降压变压器nT模块的n个降压变压器T1、T2…Tn的二次侧绕组电压有效值和的大小有关，即：仅与高频整流器交流输入端口a和b之间的电压有关，接收侧补偿输出电流I_f2仅与高频逆变器交流输出端口A和B之间的电压有关，与各绕组输出电压无关，系统表现为恒流源输出特性。由(2)(3)可知，当系统参数和输入电压确定后，接收侧LCC补偿模块输出电流I_f2恒为恒定值，若要实现多电压等级输出，可改变降压变压器nT模块的n个降压变压器T1、T2…Tn的二次侧绕组的串并联关系，并且可以通过调节降压变压器nT模块的有效匝比来实现低压侧恒定的大电流输出。由(4)可知，当系统补偿参数和降压变压器的nT模块的参数以及输出电压确定后，可通过增大高频逆变器交流输出端口A和B之间的电压的方式来提高系统传输功率。

仿真实施例：

为更好理解本发明，仿真实施例中提供了一种双侧LCC-4T拓扑低压大电流充电系统，其中4T表示降压变压器nT模块由4个降压变压器组成。样机参数包括：系统传输额定功率10kW，系统工作频率85kHz，直流电源输入电压500V，车载电池额定电压值分别为24V，48V，96V，对应的充电所需电流分别为480A，240A，120A。

为适应本实施例中车载电池多个的额定电压，降压变压器nT模块的变压器数量为4，设计每个变压器额定输出24V，改变次级绕组串并关系可实现24V、48V和96V三个电压等级充电，其中4T模块变压器次级侧绕组串并联示意图参见图3。

所述耦合线圈设计参数如下：发射线圈的感量L_p为118uH，接收线圈的感量L_s为136uH，耦合系数k_ps为0.409。

根据系统样机设计参数和耦合线圈设计参数，设计降压变压器nT模块的变压器数量为4，二次侧额定输出电压24V，设计每个降压变压器参数保持一致：L_1p＝L_2p＝L_3p＝L_4p＝732uH，L_1s＝L_2s＝L_3s＝L_4s＝27uH，k₁＝k₂＝k₃＝k₄＝0.992，发射侧补偿电感L_f1＝46uH，补偿电容C_f1＝80nF，C₁＝44nF，接收侧补偿电容C₂＝41nF，C_f2＝80nF,L_f2＝0uH。

图4是双侧LCC-4T拓扑低压大电流充电24V充电波形图，从图中可以看出，双侧LCC-4T拓扑低压大电流充电系统4T变压器模块次级侧4个绕组并联输出时，输出电压U_o为24V，输出电流I_o有效值高达480A，4T变压器模块初级侧电流I_f2有效值为25A(图中放大5倍显示)。

图5是双侧LCC-4T拓扑低压大电流充电48V充电波形图，从图中可以看出，双侧LCC-4T拓扑低压大电流充电系统4T变压器模块次级侧4个绕组两两串联后并联输出时，输出电压U_o为48V，输出电流I_o有效值高达240A，4T变压器模块初级侧电流I_f2有效值为25A。

图6是本双侧LCC-4T拓扑低压大电流充电96V充电波形图，从图中可以看出，双侧LCC-4T拓扑低压大电流充电系统4T变压器模块次级侧4个绕组串联后输出时，输出电压U_o为96V，输出电流I_o有效值高达120A，4T变压器模块初级侧电流I_f2有效值为25A。

图7是本发明中双侧LCC-4T拓扑高频逆变器ZVS波形图，从图中可以看出，当双侧LCC-4T拓扑低压大电流充电系统输出低压大电流时，高频逆变器可控开关管工作在零电压开通模式(ZVS)，即uds3电压降为0后ugs3才缓慢上升(图中放大ugs3放大10倍显示)，电流If1和电流If2的有效值在25A左右，远远小于数百安培的电池充电电流Io的有效值。

Claims (6)

1.一种双侧LCC-nT拓扑的低压大电流无线充电系统，其特征在于：包括直流电源模块、高频逆变器、发射侧LCC补偿模块、耦合线圈、接收侧LCC补偿模块、降压变压器nT模块、高频整流器和车载电池，所述直流电源模块、高频逆变器模块、发射LCC补偿模块、耦合线圈、接收LCC补偿模块、降压变压器nT模块、高频整流器和车载电池依次连接。

2.根据权利要求1所述的一种双侧LCC-nT拓扑的低压大电流无线充电系统，其特征在于：所述的高频逆变器包括直流输入端口P和N、交流输出端口为A和B、4个分别为S₁、S₂、S₃、S₄的可控开关管，S₁、S₂的漏极连接直流输入端口P，S₃、S₄的源极连接直流输入端口N，所述的直流输入端口P和N分别连接直流电源模块的正负极，所述S₁的源极和S₃的漏极连接后作为交流输出端口A连接发射侧LCC补偿模块，所述S₂的源极和S₄的漏极连接后作为交流输出端口B连接发射侧LCC补偿模块。

3.根据权利要求2所述的一种双侧LCC-nT拓扑的低压大电流无线充电系统，其特征在于：所述的发射侧LCC补偿模块包括补偿电感L_f1、补偿电容C_f1和补偿电容C₁，所述的耦合线圈包括发射线圈L_p和接收线圈L_s，所述的接收侧LCC补偿模块包括补偿电感L_f2、补偿电容C_f2和补偿电容C₂；

高频逆变器的交流输出端口A连接到补偿电感L_f1的输入端，补偿电感L_f1的输出端分别连接补偿电容C_f1输入端和补偿电容C₁输入端，所述补偿电容C_f1输出端和补偿电容C₁输出端分别连接到发射线圈L_p两侧，高频逆变器的交流输出端口B也连接到补偿电容C₁输出端；

耦合线圈的接收线圈L_s两端分别连接补偿电容C_f2的输出端和补偿电容C₂的输入端，所述补偿电容C_f2的输出端分别连接补偿电容C₂的输入端和补偿电感L_f2的输入端，所述补偿电感L_f2的输出端连接到降压变压器nT模块，补偿电容C_f2的输出端也连接到降压变压器nT模块。

4.根据权利要求3所述的一种双侧LCC-nT拓扑的低压大电流无线充电系统，其特征在于：所述的降压变压器nT模块包括n个降压变压器T₁、T₂…T_n，降压变压器nT模块的输入端口为J₁和J₂，输出端口J₃和J₄，n个降压变压器的的一次侧绕组串联，且两端分别为降压变压器nT模块的输入端口为J₁和J₂，二次侧绕组的输出端J₃和J₄串联或并联自由组合连接，补偿电感L_f2的输出端与降压变压器nT模块的输入端口J₁连接，降压变压器nT模块的输入端口J₂与补偿电容C_f2输出端连接。

5.根据权利要求4所述的一种双侧LCC-nT拓扑的低压大电流无线充电系统，其特征在于：所述的高频整流器包括交流输入端口为a和b，直流输出端口为p和n，四个二极管D₁、D₂、D₃、D₄和电容C_o，D₁和D₃串联后的结构、D₂和D₄串联后的结构、电容C_o、车载电池之间相互并联，降压变压器的输出端口J₃连接到D₁和D₃之间的交流输入端口a处，降压变压器的输出端口J₄连接到D₂和D₃之间的交流输入端口b处。

6.根据权利要求1所述的一种双侧LCC-nT拓扑的低压大电流无线充电系统，其特征在于：系统发射侧LCC补偿模块、耦合线圈、接收侧LCC补偿模块和降压变压器nT模块工作在谐振条件下，满足以下公式：

上式中，w₀为谐振频率，L_f1和L_f2分别为发射侧补偿电感和接收侧补偿电感的感量，C_f1和C_f2分别为发射侧并联补偿电容和接收侧并联补偿电容的容值，C₁和C₂分别为发射侧串联补偿电容和接收侧串联补偿电容的容值，L_ip为第i个降压变压器一次侧电感量，k_i为第i个降压变压器的耦合系数，n为n个降压变压器。

Images