CN116260255A - 低压大电流三级式可拓展无线电能传输电路及控制方法 - Google Patents

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CN116260255A CN202310001392.2A CN202310001392A CN116260255A CN 116260255 A CN116260255 A CN 116260255A CN 202310001392 A CN202310001392 A CN 202310001392A CN 116260255 A CN116260255 A CN 116260255A
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Abstract

本发明公开了一种低压大电流三级式可拓展无线电能传输电路及控制方法，所述功率传输电路包括：输入级、线圈级和输出级，其中：所述输入级，包括多个逆变模块和对应的输入变压器模块；所述线圈级，包括线圈模块和对应的线圈补偿网络；所述输出级，包括多个整流模块和对应的输出变压器模块。采用上述技术方案，可以实现高距径比、低压大电流场合下的大功率传输，有效降低开关器件电流应力，提高电路可靠性、扩展性和通用性，同侧线圈模块的耦合不影响系统功率传输，无需考虑并联线圈模块的交叉耦合问题，输入变压器模块和输出变压器模块不仅可以实现电气隔离和电压增益调节，还能实现输入级逆变模块和输出级整流模块自然均流。

Description

低压大电流三级式可拓展无线电能传输电路及控制方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术，尤其涉及一种低压大电流三级式可拓展无线电能传输电路及控制方法。
背景技术
电力器件和电子技术的飞速发展推动着新能源的迅速普及。近年来，新能源汽车、多电飞机以及全电飞机的发展也使得电力应用领域衍生出诸多新型架构和理论。无线电能传输作为一种新兴电能传输方式，凭借其安全、便捷等优势成为研究热点，采用无线方式供电来取代传统有线方式将会大幅改善供电系统的灵活性和可靠性。
在低压大电流无线供电场合，输入侧和输出侧器件电流应力高，这给器件选型以及系统可靠性带来挑战。为了减小线圈尺寸、增加传输距离，应尽可能提高线圈的距径比(传输距离与线圈最大边长或直径的比值)。但在距径比较高时，线圈间的耦合系数和线圈级电压增益低，进行大功率传输时线圈及其补偿元件的电压电流应力以及线圈支路导通损耗高，效率和可靠性低，参数难以优化设计。
发明内容
发明目的：本发明提供一种低压大电流三级式可拓展无线电能传输电路及控制方法，多模块并联无线电能传输电路架构可以实现高距径比、低压大电流场合下的大功率传输，输入级和输出级采用多模块并联可以有效降低开关器件电流应力，模块化设计有效提高了电路可靠性、扩展性和通用性；线圈级多模块并联可以有效减小线圈及其补偿元件的电压电流应力，便于线圈参数设计，提高了效率，并且线圈级的并联结构使得同侧线圈模块的耦合不影响系统功率传输，因此无需考虑并联线圈模块的交叉耦合问题；输入级变压器模块和输出级变压器模块不仅可以实现电气隔离和电压增益调节，还能实现输入级逆变模块和输出级整流模块自然均流。
技术方案：本发明提供一种低压大电流三级式可拓展无线电能传输电路，包括：输入级、线圈级和输出级，其中：所述输入级，包括多个逆变模块和对应的多个输入变压器模块；每个逆变模块分别与电压输入端和对应的输入变压器模块输入侧连接，输入变压器模块在输出侧串联；所述线圈级，包括线圈级发射侧的发射线圈模块和对应的发射线圈补偿网络，以及线圈级接收侧的接收线圈模块和对应的接收线圈补偿网络，所述发射线圈模块包括多层发射线圈，所述发射线圈补偿网络包括谐振腔和与每层发射线圈对应的发射补偿电容，所述接收线圈模块包括多层接收线圈，所述接收线圈补偿网络包括与每层接收线圈对应的接收补偿电容；每层发射线圈的一端与对应的发射补偿电容串联后并联于第一发射连接点，每层发射线圈的另一端连接于第二发射连接点，第一发射连接点和第二发射连接点与所述谐振腔连接，所述谐振腔与串联后的输入变压器模块输出侧的两端连接；每层接收线圈的一端与对应的接收补偿电容串联后并联于第一接收连接点，每层发射线圈的另一端连接于第二接收连接点，第一接收连接点和第二接收连接点分别与串联后的输出变压器模块输入侧的两端连接；所述输出级，包括多个整流模块和对应的多个输出变压器模块；每个整流模块分别与电压输出端和对应的输出变压器模块输出侧连接，输出变压器模块在输入侧串联。
具体的，所述公共LC谐振腔包括谐振电感和谐振电容，所述谐振电容的两端分别于第一发射连接点和第二发射连接点连接，所述谐振电感的一端与串联后的输入变压器模块输出侧的一端连接，所述谐振电感的另一端与第一发射连接点连接。
具体的，发射线圈和接收线圈采用方形平面线圈。
具体的，发射线圈和接收线圈采用利兹线，绕制方式为从最外匝向内绕制。
具体的，在发射线圈和接收线圈的最外层铺设磁芯。
具体的，距径比为0.8至1.2。
具体的，逆变模块采用全桥逆变电路拓扑，整流模块采用有源桥式整流电路拓扑。
本发明还提供一种三级式可拓展无线电能传输电路的控制方法，采用本发明上述任一项所述的低压大电流三级式可拓展无线电能传输电路，包括：当电压输出端的输出电压高于额定电压时，调节输入级逆变桥的内移相角进行电压调节；所述逆变桥，指所有逆变模块组成的结构；当电压输出端的输出电压低于额定电压时，调节输出级整流桥的内移相角进行电压调节；所述整流桥，指所有整流模块组成的结构。
具体的，通过分别调节发射补偿电容和接收补偿电容，对同侧不同线圈支路的阻抗进行调节，减小线圈之间的环流。
具体的，发射线圈补偿网络的谐振条件如下：
ωsLf＝1/ωsCf＝ωsLeq-total，
其中，ωs表示谐振角频率，Lf表示谐振电感，Cf表示谐振电容，Leq-total表示发射线圈模块和发射补偿电容的等效电感；
接收线圈补偿网络的谐振条件如下：
ωsLeq-sm＝1/ωsCsm，Leq-sm＝Lsm+∑M i＝1，i≠mMmi，
其中，Leq-sm表示接收线圈模块的等效电感，Csm表示第m层接收线圈Lsm对应连接的接收补偿电容，Mmi表示第m层接收线圈与第i层接收线圈之间的互感，m＝1,2,……，M。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：实现高距径比、低压大电流场合下的大功率传输，有效降低开关器件电流应力，提高电路可靠性、扩展性和通用性，同侧线圈模块的耦合不影响系统功率传输，无需考虑并联线圈模块的交叉耦合问题，输入变压器模块和输出变压器模块不仅可以实现电气隔离和电压增益调节，还能实现输入级逆变模块和输出级整流模块自然均流。
附图说明
图1为本发明提供的三级式可拓展无线电能传输电路的系统架构示意图；
图2为本发明提供的传输线圈层叠结构示意图；
图3为本发明提供的双模块并联架构的控制示意图；
图4为本发明提供的双模块并联电路的拓扑图；
图5(a)和图5(b)分别为本发明提供的系统控制波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
参阅图1，其为本发明提供的三级式可拓展无线电能传输电路的系统架构示意图。
本发明提供一种低压大电流三级式可拓展无线电能传输电路，包括：输入级、线圈级和输出级，其中：所述输入级，包括多个逆变模块和对应的多个输入变压器模块；每个逆变模块分别与电压输入端和对应的输入变压器模块输入侧连接，输入变压器模块在输出侧串联；所述线圈级，包括线圈级发射侧的发射线圈模块和对应的发射线圈补偿网络，以及线圈级接收侧的接收线圈模块和对应的接收线圈补偿网络，所述发射线圈模块包括多层发射线圈，所述发射线圈补偿网络包括谐振腔和与每层发射线圈对应的发射补偿电容，所述接收线圈模块包括多层接收线圈，所述接收线圈补偿网络包括与每层接收线圈对应的接收补偿电容；每层发射线圈的一端与对应的发射补偿电容连接后并联于第一发射连接点，每层发射线圈的另一端连接于第二发射连接点，第一发射连接点和第二发射连接点与所述公共LC谐振腔连接，所述公共LC谐振腔与串联后的输入变压器模块输出侧的两端连接；每层接收线圈的一端与对应的接收补偿电容连接后并联于第一接收连接点，每层发射线圈的另一端连接于第二接收连接点，第一接收连接点和第二接收连接点分别与串联后的输出变压器模块输入侧的两端连接；所述输出级，包括多个整流模块和对应的多个输出变压器模块；每个整流模块分别与电压输出端和对应的输出变压器模块输出侧连接，输出变压器模块在输入侧串联。
本发明实施例中，所述公共LC谐振腔包括谐振电感和谐振电容，所述谐振电容的两端分别于第一发射连接点和第二发射连接点连接，所述谐振电感的一端与串联后的输入变压器模块输出侧的一端连接，所述谐振电感的另一端与第一发射连接点连接。
本发明实施例中，逆变模块采用全桥逆变电路拓扑，整流模块采用有源桥式整流电路拓扑。
在具体实施中，输入级由N个逆变模块和N个输入变压器模块组成，线圈级由包括M层发射线圈的发射线圈模块及其补偿网络，和包括M层接收线圈的接收线圈模块及其补偿网络组成，其中发射侧采用LCCL补偿型网络，接收侧采用LC补偿型网络，具有发射线圈恒流、接收侧输出恒压的特性，即发射线圈电流和接收侧输出电压均与负载无关，输出级由N个整流模块和N个输出变压器模块组成。输入级与线圈级、线圈级与输出级之间通过变压器连接，输入变压器模块Tin输入侧与逆变模块连接后并联，在输出侧串联后与线圈级LCCL补偿网络连接，输入级逆变模块自然均流，其中，n＝1,2,…,N，输出变压器模块Ton在输入侧串联后与线圈级LC补偿网络连接，输出侧与整流模块连接后并联，输出级整流模块自然均流。
在具体实施中，线圈级输入侧LCCL补偿网络包括谐振电感Lf、谐振电容Cf、发射线圈Lpm及其串联补偿电容Cpm，其中m＝1,2,…,M，线圈级发射侧共用一个由Lf和Cf组成的公共LC谐振腔，发射线圈Lpm与其对应补偿电容Cpm串联后并联再与公共LC谐振腔连接，LC补偿网络包括接收线圈Lsm及其串联补偿电容Csm，且接收线圈Lsm与其对应补偿电容Csm串联后再并联，低压直流电源经输入级逆变模块以及输入级变压器升压后作为线圈级的交流输入电压up，交变电流在接收侧产生感应电压，并经LC补偿网络后作为线圈级输出电压us，随后再通过输出级变压器降压以及输出级整流模块后给负载供电，负载包括但不限于无人机、电动汽车、工业机器人等。
参阅图2，其为本发明提供的传输线圈层叠结构示意图。
本发明实施例中，发射线圈和接收线圈采用方形平面线圈，发射线圈和接收线圈采用利兹线，绕制方式为从最外匝向内绕制，在发射线圈和接收线圈的最外层铺设磁芯，距径比为0.8至1.2。
在具体实施中，发射线圈模块和接收线圈模块均采用抗偏移特性较强的方形平面线圈。为了减小高频下趋肤效应的影响，选用利兹线且从最外匝向内紧贴绕制。在本发明的一个具体实施例中，线圈模块边长为30cm，第1层发射线圈与第一层接收线圈之间的距离为30cm，距径比大小为1，耦合系数为0.037。同侧线圈模块由内而外层叠堆放，并可在最外层铺设磁芯来约束磁场以及增大线圈自感，从而间接增大互感。考虑到线圈线径以及层厚，随着层叠线圈模块数的增多，外层线圈间的耦合系数逐渐减小，且系统重量和成本随之提高，因此需要结合实际应用场合折衷设计线圈模块数。
本发明还提供一种控制方法，用于本发明提供的低压大电流三级式可拓展无线电能传输电路，包括：当电压输出端的输出电压高于额定电压时，调节输入级逆变桥的内移相角进行电压调节；所述逆变桥，指所有逆变模块组成的结构；当电压输出端的输出电压低于额定电压时，调节输出级整流桥的内移相角进行电压调节；所述整流桥，指所有整流模块组成的结构。
本发明实施例中，通过分别调节发射补偿电容和接收补偿电容，对同侧不同线圈上的阻抗进行调节，减小线圈之间的环流。
本发明实施例中，发射线圈补偿网络的谐振条件如下：
ωsLf＝1/ωsCf＝ωsLeq-total，
其中，ωs表示谐振角频率，Lf表示谐振电感，Cf表示谐振电容，Leq-total表示发射线圈模块和相应发射补偿电容串联后再并联的等效电感；
接收线圈补偿网络的谐振条件如下：
ωsLeq-sm＝1/ωsCsm，Leq-sm＝Lsm+∑M i＝1，i≠mMmi，
其中，Leq-sm表示接收线圈模块的等效电感，Csm表示第m层接收线圈Lsm对应连接的接收补偿电容，Mmi表示第m层接收线圈与第i层接收线圈之间的互感，m＝1,2,……，M。
在具体实施中，通过调节线圈串联补偿电容Cpm和Csm来平衡同侧不同线圈支路阻抗大小，以此减小甚至消除同侧不同线圈模块间的环流，因而无需考虑同侧模块线圈间的交叉耦合问题。
参阅图3，其为本发明提供的双模块并联架构的控制示意图。
在具体实施中，输入级逆变模块采用全桥逆变电路拓扑，线圈级采用LCCL-LC补偿网络，输出级整流模块采用有源桥式整流电路拓扑。输入级逆变模块数、线圈级并联线圈模块数、输出级整流模块数、输入级以及输出级变压器个数均为2。
在具体实施中，该电路采用的闭环控制策略为移相控制，其中输入级的两个逆变模块完全相同，其控制时序完全一致；输出级的两个整流模块完全相同，因此其控制时序也完全一致。由线圈级LCCL-LC补偿网络的特性，线圈级输入电压up的基波分量Up与线圈级输出电压us的基波分量Us同相，因此需要固定输入级逆变桥和输出级整流桥的外移相角，通过调节各自的内移相角来实现输出电压的调节，具体描述为：
(1)当电路输出端的输出电压高于额定电压时(Uo≥Urated)，输出级整流桥移相角为零，调节输入级逆变桥的内移相角θi来调节输出电压；
(2)当电路输出端的输出电压低于额定电压时(Uo<Urated)，输入级逆变桥移相角为零，调节输出级整流桥的内移相角θo来调节输出电压。
在具体实施中，上述控制方式与传统的单边内移相控制方式相比，不仅可以拓宽电压调控范围，还可以增大系统软开关范围，减小开关损耗。
参阅图4，其为本发明提供的双模块并联电路的拓扑图。
在具体实施中，Uin和Uo分别为输入电源电压和输出负载电压，Qi1～Qi4和Qi5～Qi8分别构成输入级的两个全桥逆变模块，Ti1和Ti2为输入级变压器模块。up是线圈级输入电压，其基波分量为Up；us是线圈级输出电压，其基波分量为Us。线圈级采用LCCL-LC补偿网络，Lf和Cf分别为谐振电感和谐振电容，发射线圈和接收线圈的自感分别为Lpi、Lsi(i＝1,2)，其各自的串联补偿电容分别为Cpi、Csi(i＝1,2)，Mjk(j＝1,2,3；k＝2,3,4；j<k)分别为四个线圈之间的互感。发射侧Cpi与Lpi串联后再并联，接收侧Csi与Lsi串联后再并联，通过调节Cpi与Csi来调节线圈支路阻抗以均分线圈电流，减小甚至消除线圈间环流，因此同侧线圈间的耦合不影响系统功率传输。Rpi和Rsi分别为相应线圈支路中的寄生电阻，包括线圈寄生电阻和补偿电容寄生电阻。To1和To2为输出变压器模块，Qo1～Qo4和Qo5～Qo8分别构成输出级的两个有源桥式整流模块，线圈级输出电压经过整流模块以及电容Co滤波后为负载供电。
参阅图5(a)和图5(b)，其分别为本发明提供的系统控制波形图。
在具体实施中，由于相同模块控制完全一致，这里仅给出单个模块的波形图，图5(a)为Uo≥Urated时调节输入级逆变模块内移相角的波形图；图5(b)为Uo<Urated时调节输出级整流模块内移相角的波形图。这里以图5(a)为例简要说明，图5(a)给出Uo≥Urated时逆变模块和整流模块驱动电压时序图以及线圈级输入电压和输出电压的波形图，当电路处于完全谐振状态，根据LCCL-LC补偿网络特点，Up和Us相位一致。此时，输出级整流模块移相角为零，即us为方波；输出级逆变模块采用内移相控制，即调节超前桥臂(由Qi1和Qi3构成)和滞后桥臂(由Qi2和Qi4构成)的相位差，在控制输出电压的同时还要确保Up和Us相位一致，图5(b)同理。

Claims (10)

1.一种低压大电流三级式可拓展无线电能传输电路，其特征在于，包括：输入级、线圈级和输出级，其中：
所述输入级，包括多个逆变模块和对应的多个输入变压器模块；每个逆变模块分别与电压输入端和对应的输入变压器模块输入侧连接，输入变压器模块在输出侧串联；
所述线圈级，包括线圈级发射侧的发射线圈模块和对应的发射线圈补偿网络，以及线圈级接收侧的接收线圈模块和对应的接收线圈补偿网络，所述发射线圈模块包括多层发射线圈，所述发射线圈补偿网络包括公共LC谐振腔和与每层发射线圈对应的发射补偿电容，所述接收线圈模块包括多层接收线圈，所述接收线圈补偿网络包括与每层接收线圈对应的接收补偿电容；每层发射线圈的一端与对应的发射补偿电容串联后并联于第一发射连接点，每层发射线圈的另一端连接于第二发射连接点，第一发射连接点和第二发射连接点与所述公共LC谐振腔连接，所述公共LC谐振腔与串联后的输入变压器模块输出侧的两端连接；每层接收线圈的一端与对应的接收补偿电容串联后并联于第一接收连接点，每层发射线圈的另一端连接于第二接收连接点，第一接收连接点和第二接收连接点分别与串联后的输出变压器模块输入侧的两端连接；
所述输出级，包括多个整流模块和对应的多个输出变压器模块；每个整流模块分别与电压输出端和对应的输出变压器模块输出侧连接，输出变压器模块在输入侧串联。
2.根据权利要求1所述的低压大电流三级式可拓展无线电能传输电路，其特征在于，所述谐振腔包括谐振电感和谐振电容，所述谐振电容的两端分别于第一发射连接点和第二发射连接点连接，所述谐振电感的一端与串联后的输入变压器模块输出侧的一端连接，所述谐振电感的另一端与第一发射连接点连接。
3.根据权利要求1所述的低压大电流三级式可拓展无线电能传输电路，其特征在于，发射线圈和接收线圈采用方形平面线圈。
4.根据权利要求3所述的低压大电流三级式可拓展无线电能传输电路，其特征在于，发射线圈和接收线圈采用利兹线，绕制方式为从最外匝向内绕制。
5.根据权利要求4所述的低压大电流三级式可拓展无线电能传输电路，其特征在于，在发射线圈和接收线圈的最外层铺设磁芯。
6.根据权利要求5所述的低压大电流三级式可拓展无线电能传输电路，其特征在于，距径比为0.8至1.2。
7.根据权利要求1所述的低压大电流三级式可拓展无线电能传输电路，其特征在于，逆变模块采用全桥逆变电路拓扑，整流模块采用有源桥式整流电路拓扑。
8.一种三级式可拓展无线电能传输电路的控制方法，其特征在于，采用根据权利要求1至7任一项所述的低压大电流三级式可拓展无线电能传输电路，包括：
当电路输出端的输出电压高于额定电压时，调节输入级逆变桥的内移相角进行电压调节；所述逆变桥，指所有逆变模块组成的结构；
当电路输出端的输出电压低于额定电压时，调节输出级整流桥的内移相角进行电压调节；所述整流桥，指所有整流模块组成的结构。
9.根据权利要求8所述的三级式可拓展无线电能传输电路的控制方法，其特征在于，通过分别调节发射补偿电容和接收补偿电容，对同侧不同线圈支路的阻抗进行调节，减小线圈之间的环流。
10.根据权利要求9所述的三级式可拓展无线电能传输电路的控制方法，其特征在于，采用根据权利要求2至7任一项所述的低压大电流三级式可拓展无线电能传输电路，包括：
发射线圈补偿网络的谐振条件如下：
ωsLf＝1/ωsCf＝ωsLeq-total，
其中，ωs表示谐振角频率，Lf表示谐振电感，Cf表示谐振电容，Leq-total表示发射线圈模块和相应的发射补偿电容串联后再并联的等效电感；
接收线圈补偿网络的谐振条件如下：
ωsLeq-sm＝1/ωsCsm，Leq-sm＝Lsm+∑M i＝1，i≠mMmi，
其中，Leq-sm表示接收线圈模块的等效电感，Csm表示第m层接收线圈Lsm对应连接的接收补偿电容，Mmi表示第m层接收线圈与第i层接收线圈之间的互感，m＝1,2,……，M。
CN202310001392.2A 2022-11-21 2023-01-03 低压大电流三级式可拓展无线电能传输电路及控制方法 Pending CN116260255A (zh)

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