CN114884228A - 一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构 - Google Patents

一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构 Download PDF

Info

Publication number
CN114884228A
CN114884228A CN202210476890.8A CN202210476890A CN114884228A CN 114884228 A CN114884228 A CN 114884228A CN 202210476890 A CN202210476890 A CN 202210476890A CN 114884228 A CN114884228 A CN 114884228A
Authority
CN
China
Prior art keywords
coupling mechanism
wireless charging
charging system
magnetic
magnetic coupling
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.)
Pending
Application number
CN202210476890.8A
Other languages
English (en)
Inventor
董鹤楠
孙峰
张冠锋
程绪可
李平
白雪
韩子娇
李家珏
李胜辉
段昭宇
刘一琦
唱一鸣
张稼楠
谢冰
孙丝萝
张天放
郑志勤
金英
李明珠
刘凯
那光宇
王亮
李峰
王优胤
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.)
State Grid Corp of China SGCC
Northeast Forestry University
Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
Shenyang Power Supply Co of State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
Original Assignee
State Grid Corp of China SGCC
Northeast Forestry University
Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
Shenyang Power Supply Co of State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
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 State Grid Corp of China SGCC, Northeast Forestry University, Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd, Shenyang Power Supply Co of State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd filed Critical State Grid Corp of China SGCC
Priority to CN202210476890.8A priority Critical patent/CN114884228A/zh
Publication of CN114884228A publication Critical patent/CN114884228A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/005Mechanical details of housing or structure aiming to accommodate the power transfer means, e.g. mechanical integration of coils, antennas or transducers into emitting or receiving devices
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007Regulation of charging or discharging current or voltage
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048Circuits or arrangements for reducing losses
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/14Arrangements for reducing ripples from dc input or output
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/42Circuits or arrangements for compensating for or adjusting power factor in converters or inverters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/003Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10Conversion 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
    • H02M3/145Conversion 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
    • H02M3/155Conversion 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
    • H02M3/156Conversion 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
    • H02M3/158Conversion 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
    • H02M3/1584Conversion 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 with a plurality of power processing stages connected in parallel
    • H02M3/1586Conversion 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 with a plurality of power processing stages connected in parallel switched with a phase shift, i.e. interleaved
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J2207/20Charging or discharging characterised by the power electronics converter
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/16Information or communication technologies improving the operation of electric vehicles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

本发明属于电力设备技术领域,尤其涉及一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构。本发明包括无线充电系统和磁耦合机构构成,其中:无线充电系统:采用LCC‑S补偿拓扑;所述磁耦合机构的发射线圈与接收线圈围绕全铺式磁芯进行绕制,发射线圈和接收线圈绕制完成后,分别将发射端LCC‑S补偿拓扑中发射端LCC部分中的补偿电感和接收端交错并联Buck变换器中的两个电感均以“四圆形线圈串联”的结构集成绕制于磁芯的空白区域内。本发明在不影响功率传输的前提下,不仅能够降低系统中功率器件的应力、损耗以及输出电流纹波,还可以有效地提升无线充电系统的功率密度。

Description

一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构
技术领域
本发明属于电力设备技术领域,尤其涉及一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构。
背景技术
交错并联DC/DC变换器是一个早被提出的研究方向,目前已经有很多成熟的应用领域,如不间断电源,PC用电压控制模块,电池充电器,电动汽车,混动汽车,通信系统等。交错并联Buck变换器是一种典型的交错并联DC/DC变换器,具有电压/电流应力离散式分布、输出电流纹波消除、快速相应、无源原件体积减小等优势。而目前只有少数文献将交错并联DC/DC变换器引入了无线充电系统中。有文献将交错并联Buck变换器和交错并联Buck-Boost变换器放置于无线充电系统的接收端从而实现输出的控制。还有文献通过共用无线充电系统逆变器可控功率器件MOSFET的方式构建了交错并联Boost变换器,从而实现了更高的逆变器增益以及更低的电流纹波。
虽然两相交错并联Buck变换器具有许多优势,但是额外增加的一相Buck电路导致滤波电感数目由一个增加为两个,且电感值均相对较大。如果单独绕制,磁芯用量更多,会导致系统的重量和体积增大。基于磁集成技术与无线充电系统的结合,可以充分利用发射端与接收端磁芯绕制外部电路的功率电感,从而提高磁芯利用率以及系统的功率密度。有文献将三组传能机构集成为一体,通过相互解耦的方式搭建了三传能通道无线充电系统磁耦合机构。还有文献将接收端外附的Buck变换器滤波电感与接收线圈进行集成。有的采用了LCC-LCC补偿拓扑,分别将发射端与接收端的补偿电感相应地与发射线圈与接收线圈进行集成。以上文献分别对补偿拓扑的补偿电感、附加变换器滤波电感、传能通道线圈进行了集成,不仅可以对磁耦合机构的单端进行集成,还可以同时对发射端和接收端进行双端集成。
两相交错并联电路的应用虽然可以解决系统设计中的问题,改善无线充电系统的输出特性,但新增的一组功率器件势必会造成系统体积和重量的增加。目前,磁集成技术已经被广泛应用于各个领域,利用同一组磁芯绕制多个互不影响电感可以减小磁芯的用量,提高磁芯利用率,更合理地规划空间分布,提升系统的功率密度。在无线充电系统中,磁耦合机构的磁集成已有许多的应用方式。发射线圈与接收线圈绕制过程中往往会有许多的空间富余,基于磁集成技术的基本思想将外部电路拓扑中的功率电感集成在这些空间中可以有效地提升无线充电系统的功率密度。
现阶段,无线充电系统由于其灵活性、安全性和易于操作等优势在电动汽车、医疗器件、电子设备等领域得到了广泛的应用。无线充电系统的用电器在很多情形下往往为电池,因此,系统的输出电压和输出电流需要具备较好的恒压/恒流特性。为了实现这一目标,可以采用基于发射端可控功率器件的原边控制或者基于接收端的副边控制。DC/DC变换器常作为附加的控制模块通过调节占空比的方式实现无线充电系统恒压/恒流充电。常见的DC/DC变换器包括了Buck变换器、Boost变换器、Buck-Boost变换器、Zeta变换器、Sepic变换器等等,这些变换器理论上均可以合理地应用于无线充电系统的输出功率控制环节。本发明中拟采用附加的拓扑结构简单的Buck变换器结合副边控制实现无线充电系统的恒压/恒流输出。
电动车无线充电国际标准SAE J2954中系统最大的输出功率为22kW,相比于传导式充电机,功率等级远远不足。因此,更大功率等级的无线充电系统有待研究和设计。一方面,无线充电系统功率等级提升的同时必然会导致系统中各部分功率器件的电压应力和电流应力相应升高,而对应的功率器件参数中对耐压和耐流能力的要求也大幅提高,满足要求的器件型号大大减少。此外,这些器件的应用场合不够广泛且造价高昂,供货周期长不易购买,对实际的系统设计造成了很大的负面影响。另一方面,更大的功率等级会导致输出的电能质量下降,如输出电压/电流纹波百分比等,这会对电池的寿命和充电过程造成一定程度的影响。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足之处,本发明提供了一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构。其目的是为了实现的发明目的。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:
一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构,包括无线充电系统和磁耦合机构构成,其中:
所述无线充电系统:采用LCC-S补偿拓扑,即发射端采用LCC结构,接收端采用串联补偿;以发射线圈和接收线圈为界分为发射端和接收端两部分,发射端固定连接于充电装置附近,接收端搭载于电池用电器设备上;在接收端侧,采用附加的两相交错并联Buck变换器结构,通过副边控制实现恒压/恒流输出;
所述磁耦合机构的发射线圈与接收线圈围绕全铺式磁芯进行绕制,发射线圈和接收线圈绕制完成后,分别将LCC-S补偿拓扑中发射端LCC部分的补偿电感和接收端交错并联Buck变换器中的两个电感均以“四圆形线圈串联”的结构集成绕制于磁芯的空白区域内。
更进一步的,所述发射端由直流稳压电源Ubus、全桥逆变器、补偿拓扑发射端LCC部分组成;Ubus直流电压输入全桥逆变器,经逆变控制后输出85kHz交流电输入LCC补偿拓扑。
所述接收端由LCC-S接收端串联谐振部分、不控整流桥、滤波电容Ce和Co、两相交错并联的Buck直流变换器、等效电池负载R0组成。串联补偿拓扑感应出与发射端相同频率的85kHz交流电输入不控整流桥,经整流桥滤波电容Ce后输入两相交错并联的Buck直流变换器;通过变换器滤波电容Co后为等效电池负载R0供电。
更进一步的,所述直流稳压电源Ubus输入经过全桥逆变器后变换为85kHz交流电,该频率通过对控制程序的修改设定为需求值;利用原边LCC和副边S谐振补偿拓扑实现电压与电流之间的零相角差;磁耦合机构以交变磁场的形式将能量从L1侧发射端传至L2侧接收端;接收端获得85kHz的交流电后经过不控整流桥;整流滤波后交流电再次变换为电压值恒定的直流电;恒定直流电压作为两相交错并联Buck变换器进行功率变换;基于Buck变换器原理及副边恒压/恒流控制,电压下降为预定值并滤波后为用电器充电。
更进一步的,所述全桥逆变器包括MOSFET Q1-Q4,所述LCC补偿拓扑包括电感Lp和L1及电容Cp和C1
更进一步的,所述串联补偿拓扑包括电感L2和电容C2,所述不控整流桥包括二极管D1-D4,所述Buck直流变换器包括MOSFET QB1、二极管DB1、电感LB1为一相;MOSFET QB2、二极管DB2、电感LB2为一相。
更进一步的,所述磁耦合机构的发射线圈与接收线圈主体采用方形线圈结构。
更进一步的,所述磁耦合机构的接收线圈采用双层结构,
更进一步的,所述磁耦合机构发射端的线圈采用方形线圈结构,在绕制完成后的中间区域进行补偿电感线圈Lp的四圆形线圈串联方式的磁集成,四个圆形线圈的相邻位置所流过的电流方向相同。
更进一步的,所述磁耦合机构接收端的采用双层排布的方式进行接收线圈与两个集成滤波电感的绕制,集成滤波电感LB1和LB2在绕制过程采用四圆形线圈串联的方式。
更进一步的,所述磁耦合机构接收端共采用双层16个尺寸相同的圆形线圈,单层8个,每层中相同颜色的四个为一组完成滤波电感的集成,通过规定电流流向使相应的磁链与其它线圈的磁链叠加后为零,最终产生的交叉耦合互感为零。
本发明具有以下有益效果及优点:
本发明基于磁集成的思想,提出一种基于包含两相交错并联Buck变换器无线充电系统的双端集成磁耦合机构,为了实现发射和接收线圈恒流及恒压的特性,本发明中无线充电系统的设计采用了LCC-S补偿拓扑,将发射端LCC补偿拓扑中的补偿电感与发射端、将接收端两相交错并联Buck变换器中的两个滤波电感与接收端进行集成,即将原边LCC补偿拓扑中的串联电感与发射端线圈、副边两相交错并联电路中的滤波电感与接收端线圈分别绕制于同一组磁芯,通过适当的方式进行解耦设计,在不影响功率传输的前提下,降低系统中功率器件的应力、损耗以及输出电流纹波,还可以有效地提升无线充电系统的功率密度。
本发明中采用两相交错并联Buck变换器作为接收端的功率变换电路实现恒压/恒流充电的副边控制,分摊功率器件的应力,减小变换器损耗提高系统效率,交错运行从而大幅度减小变换器输出电流纹波。本发明将两相交错并联Buck变换器引入无线充电系统,降低DC/DC变换器中功率器件的应力及损耗,通过特定的交错工作模式降低输出电流纹波,并结合副边控制实现恒流/恒压充电。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1是本发明包含交错并联Buck变换器的副边控制无线充电系统电路拓扑示意图;
图2是本发明磁耦合机构整体结构示意图;
图3是本发明发射端磁耦合机构;
图4是本发明接收端磁耦合机构;
图5是本发明偏移区域内的交叉M12变化曲线;
图6是本发明偏移区域内的发射端交叉耦合互感值;
图7是本发明偏移区域内的接收端交叉耦合互感值;
图8是本发明恒流/恒压充电电路仿真结果图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点,下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是,本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施,因此,本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
下面参照图1-图8描述本发明一些实施例的技术方案。
实施例1
本发明提供了一个实施例,是一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构。如图1和图2所示,图1是本发明包含交错并联Buck变换器的副边控制无线充电系统电路拓扑示意图,图2是本发明磁耦合机构整体结构示意图。本发明包括两大部分构成:无线充电系统和磁耦合机构。
1.无线充电系统。
本发明所述无线充电系统采用LCC-S补偿拓扑,即发射端采用LCC结构,接收端采用串联补偿。以发射线圈和接收线圈为界可以分为发射端和接收端两部分,发射端一般固定连接于充电装置附近,接收端则搭载于电池用电器设备上。在接收端侧,采用附加的两相交错并联Buck变换器结构替换掉传统的单相DC/DC变换器,并通过副边控制实现恒压/恒流输出。
所述发射端由直流稳压电源Ubus、全桥逆变器、LCC补偿拓扑组成。Ubus直流电压输入全桥逆变器,经逆变控制后输出85kHz交流电输入LCC补偿拓扑。
所述全桥逆变器包括MOSFET Q1-Q4,所述LCC补偿拓扑包括电感Lp和L1及电容Cp和C1。四个MOSFET管呈桥式分布,对角线为一组,通过控制开通与关断实现对直流电压的逆变后输入补偿拓扑发射端LCC部分;电感Lp位于干路,电容Cp与串联的电感L1和电容C1并联,构成了LCC-S补偿拓扑中的LCC部分。
所述接收端由串联补偿拓扑、不控整流桥、滤波电容Ce和Co、两相交错并联的Buck直流变换器、等效电池负载R0组成。所述串联补偿拓扑包括电感L2和电容C2,所述不控整流桥包括二极管D1-D4,所述Buck直流变换器包括MOSFET QB1、二极管DB1、电感LB1为一相;MOSFET QB2、二极管DB2、电感LB2为一相。
所述直流稳压电源Ubus输入经过全桥逆变器后变换为85kHz交流电,该频率可以通过对控制程序的修改设定为需求值。为了减小无线传输过程中的能量损耗,利用原边LCC和副边S谐振补偿拓扑实现电压与电流之间的零相角差;磁耦合机构以交变磁场的形式将能量从L1侧发射端传至L2侧接收端;基于电磁感应作用,接收端获得85kHz的交流电后经过不控整流桥;整流滤波后交流电再次变换为电压值恒定的直流电;恒定直流电压作为两相交错并联Buck变换器进行功率变换;基于Buck变换器原理及副边恒压/恒流控制,电压下降为预定值并滤波后可以为用电器充电。交错并联的两相Buck变换器在减小每相器件应力的同时,通过交错触发的方式还可以大幅度减小直流变换器输出电流纹波,相应地,滤波电容值以及输出电压纹波均降低。
2.磁耦合机构。
为了减轻附加的一组变换器器件对无线充电系统带来的体积和质量上的影响,可以通过对发射线圈和接收线圈进行磁集成的方式提高系统的功率密度。
所述磁耦合机构的发射线圈与接收线圈主体采用方形线圈结构,围绕全铺式磁芯进行绕制从而获得更大的自感值。特别地,接收线圈采用双层结构,从而获得更大的集成滤波电感自感值,增强纹波抑制效果;在发射线圈和接收线圈绕制完成后,磁芯的利用率并不高,可以分别将补偿拓扑发射端LCC部分中的补偿电感和接收端交错并联Buck变换器中的两个电感均以“四圆形线圈串联”的结构集成绕制于磁芯的空白区域内,最大程度地利用空间并大幅减少磁芯的用量。但是,集成的功率电感不可以对功率传输产生影响,因此基于解耦原理设计了双端集成磁耦合机构。本发明的机构设计基于电气参数进行,而在其它实际应用中,可以根据功率等级和参数要求依据相同原理合理设计机构尺寸。
本发明所述磁耦合机构磁集成工作机理如下:
第一,基于磁集成技术原理,将包括了副边两相交错并联Buck电路的无线充电系统拓扑中外部功率电感线圈相应地与发射线圈、接收线圈绕制于各自的磁芯,提高磁芯区域的利用率,在保证未达到磁饱和的前提下通过减少磁芯用量,减小系统体积和重量,进而提高无线充电系统功率密度。
第二,由于在磁耦合机构中引入了新的外部电感线圈,发射线圈与接收线圈之间的功率传输可能受到影响。为了避免集成线圈结构的交叉耦合互感影响功率传输,基于解耦的原则将不同的电感线圈按照对称及磁链抵消的方式进行绕制。
所述磁耦合机构发射端的集成:发射端线圈采用方形线圈结构,根据所设计的无线充电系统功率等级设计了机构的基础尺寸如图3黄色区域所示。在绕制完成后的中间区域内进行补偿电感线圈Lp的四圆形线圈串联方式的磁集成。特别地,四个圆形线圈的相邻位置所流过的电流方向相同从而保证集成线圈的解耦特性,如图3线圈中箭头所示,避免干扰系统的功率传输。
如图4所示,是本发明接收端磁耦合机构;所述磁耦合机构接收端的集成:同样地,基于无线充电系统的电气参数,首先确定接收端磁耦合机构的外围尺寸如图4中区域所示。由于设计尺寸的限制,在进行接收端线圈绕制的过程中,为了同时满足发射线圈和接收线圈之间足够的互感值与足够大的集成滤波电感LB1和LB2的自感值,采用双层排布的方式进行接收线圈与两个集成滤波电感的绕制。而集成滤波电感LB1和LB2在绕制过程中同样采用四圆形线圈串联的方式,如图4中的四个深色线圈串联构成LB1,四个浅色线圈串联构成LB2。在特定的电流流向下,即LB1和LB2的流向分别如图4中深色线圈中箭头和浅色线圈中箭头所示,可以实现LB1和LB2两个集成滤波电感与其它电感线圈之间的解耦特性。总的来说,共采用双层16个尺寸相同的圆形线圈,单层8个,每层中相同颜色的四个为一组完成了滤波电感的集成,通过规定电流流向使相应的磁链与其它线圈的磁链叠加后为零,最终产生的交叉耦合互感为零,从而避免了对功率传输产生的影响。
实施例2
本发明又提供了一个实施例,是一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构。
(1)集成化磁耦合机构的耦合性能。
以表1中集成化磁耦合机构为例展开本部分实施例。
表1集成化磁耦合机构参数
符号 名称 指标
U<sub>bus</sub> 直流稳压电源电压 80V
f 系统工作频率 85kHz
d 额定传输距离 140mm
M 额定传能通道互感值 12.2μH
L<sub>1</sub> 发射端线圈自感值 107.62μH
L<sub>p</sub> 串联线圈自感值 9.2μH
S<sub>1</sub> 发射端线圈几何尺寸 250mm*250mm*3.9mm
S<sub>Lp</sub> 单个串联线圈几何尺寸 D=55mm
L<sub>2</sub> 接收线圈自感值 110.16μH
L<sub>B1</sub> Buck线圈1自感值 194μH
L<sub>B2</sub> Buck线圈2自感值 191μH
S<sub>2</sub> 单层接收线圈几何尺寸 250mm*250mm*2.75mm
S<sub>B1</sub> 单个Buck线圈1几何尺寸 D=70mm
S<sub>B2</sub> 单个Buck线圈2几何尺寸 D=70mm
U<sub>0</sub> 充电电压变化区间 48V-67.2V
针对所设计的双端集成磁耦合机构的主传能通道互感值和交叉耦合互感值在可行的偏移区域内进行分析。通过仿真结果可以得知,主传能通道互感值保证在9μH以上时,可以得到更为合理的恒压/恒流DC/DC变换器充电占空比控制结果(处于20%-80%的区间内)。以此为依据对偏移区域进行划定,如图5所示,是本发明偏移区域内的交叉M12变化曲线,图中尺寸均用百分比表示,均为相对于耦合机构外围尺寸的比例。
为了验证在此区域内交叉耦合互感是否会对系统功率传输产生影响,将偏移区域内的交叉耦合依次进行仿真,得到的结果如图6和图7所示,图6是本发明偏移区域内的发射端交叉耦合互感值,图7是本发明偏移区域内的接收端交叉耦合互感值。
由偏移区域内的互感值等高线分布图可以看出,虽然发生偏移时交叉耦合互感值大小会发生波动,但是一直处于nH级别,而互感值随着偏移距离的增加而减小且恒处于μH级别,远远大于交叉耦合互感值,当交叉耦合互感值不足主传能通道互感值的十分之一时,可以忽略交叉耦合对于能量传输的影响。但是如图6(c)所示,白色虚线区域外的交叉耦合较大。故在白色虚线区域内可以保证交叉耦合互感值的消除以及功率传输的可行性。
(2)集成化无线充电系统电气特性。
在PLECS软件中根据表1中的电气参数搭建仿真模型,通过对接收端两相交错并联Buck变换器的副边控制实现恒压/恒流充电。如图8所示,是本发明恒流/恒压充电电路仿真结果图。
综上所述,本发明通过将两相交错并联的Buck变换器引入无线充电系统接收端,在减小功率器件电压/电流应力以及损耗、大幅降低输出电流纹波的同时,利用磁集成技术将外部电路中的功率电感以解耦的方式分别于发射端与接收端进行双端集成,提高无线充电系统功率密度。
在本发明中,术语“连接”、“固定”应做广义理解,例如,“连接”可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中,需要理解的是,指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作,因此,不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中,术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且,描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
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 (10)

1.一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构,其特征是:包括无线充电系统和磁耦合机构构成,其中:
所述无线充电系统:采用LCC-S补偿拓扑,即发射端采用LCC结构,接收端采用串联补偿;以发射线圈和接收线圈为界分为发射端和接收端两部分,发射端固定连接于充电装置附近,接收端搭载于电池用电器设备上;在接收端侧,采用附加的两相交错并联Buck变换器结构,通过副边控制实现恒压/恒流输出;
所述磁耦合机构的发射线圈与接收线圈围绕全铺式磁芯进行绕制,发射线圈和接收线圈绕制完成后,分别将LCC-S补偿拓扑中发射端LCC部分的补偿电感和接收端交错并联Buck变换器中的两个电感均以“四圆形线圈串联”的结构集成绕制于磁芯的空白区域内。
2.根据权利要求1所述的一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构,其特征是:所述发射端由直流稳压电源Ubus、全桥逆变器、补偿拓扑发射端LCC部分组成;Ubus直流电压输入全桥逆变器,经逆变控制后输出85kHz交流电输入LCC补偿拓扑。所述接收端由LCC-S接收端串联谐振部分、不控整流桥、滤波电容Ce和Co、两相交错并联的Buck直流变换器、等效电池负载R0组成。串联补偿拓扑感应出与发射端相同频率的85kHz交流电输入不控整流桥,经整流桥滤波电容Ce后输入两相交错并联的Buck直流变换器;通过变换器滤波电容Co后为等效电池负载R0供电。
3.根据权利要求2所述的一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构,其特征是:所述直流稳压电源Ubus输入经过全桥逆变器后变换为85kHz交流电,该频率通过对控制程序的修改设定为需求值;利用原边LCC和副边S谐振补偿拓扑实现电压与电流之间的零相角差;磁耦合机构以交变磁场的形式将能量从L1侧发射端传至L2侧接收端;接收端获得85kHz的交流电后经过不控整流桥;整流滤波后交流电再次变换为电压值恒定的直流电;恒定直流电压作为两相交错并联Buck变换器进行功率变换;基于Buck变换器原理及副边恒压/恒流控制,电压下降为预定值并滤波后为用电器充电。
4.根据权利要求2所述的一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构,其特征是:所述全桥逆变器包括MOSFET Q1-Q4,所述LCC补偿拓扑包括电感Lp和L1及电容Cp和C1
5.根据权利要求2所述的一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构,其特征是:所述串联补偿拓扑包括电感L2和电容C2,所述不控整流桥包括二极管D1-D4,所述Buck直流变换器包括MOSFET QB1、二极管DB1、电感LB1为一相;MOSFET QB2、二极管DB2、电感LB2为一相。
6.根据权利要求1所述的一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构,其特征是:所述磁耦合机构的发射线圈与接收线圈主体采用方形线圈结构。
7.根据权利要求1所述的一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构,其特征是:所述磁耦合机构的接收线圈采用双层结构,
8.根据权利要求1所述的一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构,其特征是:所述磁耦合机构发射端的线圈采用方形线圈结构,在绕制完成后的中间区域进行补偿电感线圈Lp的四圆形线圈串联方式的磁集成,四个圆形线圈的相邻位置所流过的电流方向相同。
9.根据权利要求1所述的一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构,其特征是:所述磁耦合机构接收端的采用双层排布的方式进行接收线圈与两个集成滤波电感的绕制,集成滤波电感LB1和LB2在绕制过程采用四圆形线圈串联的方式。
10.根据权利要求9所述的一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构,其特征是:所述磁耦合机构接收端共采用双层16个尺寸相同的圆形线圈,单层8个,每层中相同颜色的四个为一组完成滤波电感的集成,通过规定电流流向使相应的磁链与其它线圈的磁链叠加后为零,最终产生的交叉耦合互感为零。
CN202210476890.8A 2022-04-30 2022-04-30 一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构 Pending CN114884228A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210476890.8A CN114884228A (zh) 2022-04-30 2022-04-30 一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210476890.8A CN114884228A (zh) 2022-04-30 2022-04-30 一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114884228A true CN114884228A (zh) 2022-08-09

Family

ID=82674000

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210476890.8A Pending CN114884228A (zh) 2022-04-30 2022-04-30 一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114884228A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117439288A (zh) * 2023-12-20 2024-01-23 荣耀终端有限公司 无线充电设备、电子设备及电子设备组件

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117439288A (zh) * 2023-12-20 2024-01-23 荣耀终端有限公司 无线充电设备、电子设备及电子设备组件
CN117439288B (zh) * 2023-12-20 2024-05-17 荣耀终端有限公司 无线充电设备、电子设备及电子设备组件

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11955883B2 (en) Magnetic apparatus and two-way DC converter circuit
EP3787169A1 (en) Dcdc converter, vehicle-mounted charger and electric vehicle
CN109130903B (zh) 一种双侧lccl-t拓扑的低压大功率无线充电系统
CN103746419B (zh) 车载充电器电路
Yao et al. Design and optimization of an electric vehicle wireless charging system using interleaved boost converter and flat solenoid coupler
CN109391156A (zh) 电源转换装置
CN110544990B (zh) 基于并联整流电路的无人机无线充电系统效率提升方法
CN108964469B (zh) 一种并串联结构的全桥双llc谐振变换器
CN112737038B (zh) 基于磁集成技术的副边交错并联Buck型无线充电系统
CN112583134B (zh) 一种可切换无线电能传输线圈与补偿电容的可变电路拓扑
CN110266194B (zh) 一种对称谐振腔的双向dc-dc变换器
CN109177757A (zh) 电动汽车无线充电系统及方法
CN111312490A (zh) 一种pcb有源平面变压器及制作方法
CN111987809A (zh) 一种基于磁集成技术与正交解耦法的副边控制型lcc-s无线充电系统
CN113314315B (zh) 一种具有高抗偏移特性的混合ipt耦合器
CN114884228A (zh) 一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构
CN108667300A (zh) 一种激磁电感可变llc谐振变压器
CN101521457B (zh) 一种多态开关及使用该多态开关的变换器
CN115693981A (zh) 一种具有紧凑接收端的无线电能传输补偿拓扑结构及系统
CN210839080U (zh) 一种高压超薄无线电能传输系统
CN108511148A (zh) 集成电感器及宽范围输出功率转换电路
CN112564307B (zh) 一种动态无线供电系统磁并联发射端电路拓扑控制方法
CN114734842A (zh) 一种双侧LCC-nT拓扑的低压大电流无线充电系统
CN109921523B (zh) 基于ss拓扑的磁谐振无线能量传输系统
CN113659735A (zh) 一种双ss混合补偿拓扑及其参数设计方法

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