CN219268566U - 一种无线充电功率扩容系统 - Google Patents

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薄强
赵瑞斌
郭映军
申旭辉
付明志
张钧阳
秦猛
李铮
刘宇
冯标
彭安栋
方海波
曹敏
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Abstract

本申请关于一种无线充电功率扩容系统。具体方案为：该系统包括直流电源、逆变器、松耦合变压器、发射端补偿模块、接收端补偿模块、负载模块，接收端补偿模块包括第一补偿电容、多个补偿单元和多个整流器。直流电源依次连接逆变器、接收端补偿模块、松耦合变压器；松耦合变压器第一输出端与第一补偿电容的第一端连接，第一补偿电容的第二端分别与多个补偿单元的输入端连接，松耦合变压器第二输出端与多个补偿单元的输入端连接；多个补偿单元的输入端并联连接，补偿单元的输出端均与一个整流器的输入端连接，多个整流器的输出端之间并联连接；多个整流器的输出端分别与负载模块连接。本申请提高了多个并联的整流器的功率利用率。

Description

一种无线充电功率扩容系统
技术领域
本申请涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种无线充电功率扩容系统。
背景技术
相关技术中，将无线电能传输技术用在分布式光伏户用系统中，可以为分布式光伏电能传输提供新的方向，由于不需要多次对房屋墙体进行开槽、打孔，可以为安全可靠新能源用电的深入研究奠定基础。但是同时利用不同功率等级的整流器进行功率扩容时，多台整流器的输出功率只能与功率最小的一台整流器保持一致，无法对每个整流器的功率进行充分利用。
发明内容
为此，本申请提供一种无线充电功率扩容系统。本申请的技术方案如下：
根据本申请实施例的第一方面，提供一种无线充电功率扩容系统，所述系统包括直流电源、逆变器、松耦合变压器、发射端补偿模块、接收端补偿模块、负载模块，所述接收端补偿模块包括第一补偿电容、多个补偿单元和多个整流器，其中，
所述直流电源的输出端与所述逆变器的输入端连接，所述逆变器的输出端与所述接收端补偿模块的输入端连接，所述接收端补偿模块的输出端与所述松耦合变压器的输入端连接；
所述松耦合变压器第一输出端与所述第一补偿电容的第一端连接，所述第一补偿电容的第二端分别与所述多个补偿单元的输入端连接，所述松耦合变压器第二输出端与所述多个补偿单元的输入端连接；所述多个补偿单元的输入端之间并联连接，所述补偿单元的输出端均与一个所述整流器的输入端连接，多个所述整流器的输出端之间并联连接；
所述多个整流器的输出端分别与所述负载模块连接。
根据本申请的一个实施例，每个所述补偿单元均包括第二补偿电容、第一电感、第二电感，所述松耦合变压器的输出端包括松耦合变压器第一输出端和松耦合变压器第二输出端，多个所述整流器分别包括整流器第一输入端和整流器第二输入端，其中，
所述第一补偿电容的第二端分别与多个所述第一电感的第一端连接，多个所述第一电感的第二端分别与所属同一补偿单元的所述整流器第一输入端连接；
多个所述松耦合变压器第二输出端分别与所属同一补偿单元的所述第二电感的第一端连接，多个所述第二电感的第二端分别与所属同一补偿单元的所述整流器第二输入端连接；
多个所述整流器的输出端分别与所述负载模块连接。
根据本申请的一个实施例，所述发射端补偿模块包括第三电感、第三补偿电容和第四补偿电容，所述松耦合变压器的输入端包括松耦合变压器第一输入端和松耦合变压器第二输入端，所述逆变器包括逆变器第一输出端和逆变器第二输出端，其中，
所述逆变器第一输出端与所述第三电感的第一端连接，所述第三电感的第二端与所述第三补偿电容的第一端连接，所述第三补偿电容的第二端与所述松耦合变压器第一输入端连接；
所述逆变器第二输出端所述松耦合变压器第二输入端连接；
所述第四补偿电容的第一端与所述第三补偿电容的第一端连接，所述第四补偿电容的第二端与所述松耦合变压器第二输入端连接。
根据本申请的一个实施例，所述第三补偿电容和所述第四补偿电容均为金属化聚丙烯薄膜电容。
根据本申请的一个实施例，所述逆变器的主开关器件为宽禁带半导体器件。
根据本申请的一个实施例，所述松耦合变压器的发射线圈和接收线圈均为多股利兹线绕制而成。
根据本申请的一个实施例，所述整流器的主开关器件为碳化硅二极管。
本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
本申请通过多个补偿单元的输入端之间并联连接，补偿单元的输出端均与一个整流器的输入端连接，多个整流器的输出端之间并联连接，能够输出更大的电流，解决了整流器电流受限的问题；另外，接收端补偿模块能够补偿系统中的无功功率和滤除高频谐波，从而使并联的每个整流器的功率都能够得到最大程度的利用，实现系统的功率扩容。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本申请实施例中提出的一种无线充电功率扩容系统的电路图。
附图标记
101、直流电源；102、逆变器；103、发射端补偿模块；104、松耦合变压器；105、第一补偿电容；106、补偿单元；107、整流器；108、负载模块。
具体实施方式
为了使本领域普通人员更好地理解本申请的技术方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
需要说明的是，本申请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，以便这里描述的本申请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。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
需要说明的是，相关技术中，将无线电能传输技术用在分布式光伏户用系统中，可以为分布式光伏电能传输提供新的方向，由于不需要多次对房屋墙体进行开槽、打孔，可以为安全可靠新能源用电的深入研究奠定基础。但是同时利用不同功率等级的整流器进行功率扩容时，多台整流器的输出功率只能与功率最小的一台保持一致，无法对每个整流器的功率进行充分利用。
基于上述问题，本申请提出了一种无线充电功率扩容系统，可以实现通过多个补偿单元的输入端之间并联连接，补偿单元的输出端均与一个整流器的输入端连接，多个整流器的输出端之间并联连接，能够输出更大的电流，解决了整流器电流受限的问题；另外，接收端补偿模块能够补偿系统中的无功功率和滤除高频谐波，从而使并联的每个整流器的功率都能够得到最大程度的利用，实现系统的功率扩容。
图1为本申请实施例中提出的一种无线充电功率扩容系统的电路图。
如图1所示，该无线充电功率扩容系统包括直流电源101、逆变器102、松耦合变压器104、发射端补偿模块103、接收端补偿模块、负载模块108，接收端补偿模块包括第一补偿电容105、多个补偿单元106和多个整流器107。
其中，直流电源101的输出端与逆变器102的输入端连接，逆变器102的输出端与接收端补偿模块的输入端连接，接收端补偿模块的输出端与松耦合变压器104的输入端连接；松耦合变压器104第一输出端与第一补偿电容105的第一端连接，第一补偿电容105的第二端分别与多个补偿单元106的输入端连接，松耦合变压器104第二输出端与多个补偿单元106的输入端连接；多个补偿单元106的输入端之间并联连接，补偿单元106的输出端均与一个整流器107的输入端连接，多个整流器107的输出端之间并联连接；多个整流器107的输出端分别与负载模块108连接。
在本申请实施例中，上述多个整流器107的功率可以不同。举例来说，以系统包括两个补偿单元106为例，其中一台整流器107功率为10kW，另一台整流器107功率为15kw，系统可以输出25kw的功率。但是若采用整流器107直接并联想方式，不加入补偿单元106，则最多只能输出20kw，因为如果直接整流器107并联，两台整流器107输出的功率每台最多10kw，即与功率最小的那台保持一致。因此，通过多个补偿单元106的输入端之间并联连接，补偿单元106的输出端均与一个整流器107的输入端连接，多个整流器107的输出端之间并联连接，能够充分利用两台整流器107的功率，实现了无线充电系统的功率扩容。
在本申请一些实施例中，每个补偿单元106均包括第二补偿电容、第一电感、第二电感，松耦合变压器104的输出端包括松耦合变压器104第一输出端和松耦合变压器104第二输出端，多个整流器107分别包括整流器107第一输入端和整流器107第二输入端，其中，第一补偿电容105的第二端分别与多个第一电感的第一端连接，多个第一电感的第二端分别与所属同一补偿单元106的整流器107第一输入端连接；多个松耦合变压器104第二输出端分别与所属同一补偿单元106的第二电感的第一端连接，多个第二电感的第二端分别与所属同一补偿单元106的整流器107第二输入端连接；多个整流器107的输出端分别与负载模块108连接。通过接收端补偿模块能够调整负载模块108的阻抗，以匹配至无线充电系统的最优阻抗值，提高传输效率，还能够通过接收端补偿模块参数的配置来分配输入至各整流器的功率。
在本申请一些实施例中，发射端补偿模块103包括第三电感Lp1、第三补偿电容Cp1和第四补偿电容Cp2，松耦合变压器104的输入端包括松耦合变压器104第一输入端和松耦合变压器104第二输入端，逆变器102包括逆变器102第一输出端和逆变器102第二输出端，其中，逆变器102第一输出端与第三电感Lp1的第一端连接，第三电感Lp1的第二端与第三补偿电容Cp1的第一端连接，第三补偿电容Cp1的第二端与松耦合变压器104第一输入端连接；逆变器102第二输出端松耦合变压器104第二输入端连接；第四补偿电容Lp1的第一端与第三补偿电容的第一端连接，第四补偿电容Lp1的第二端与松耦合变压器104第二输入端连接。发射端补偿模块103能够调节逆变器102的有功功率，使逆变器102正好能够在指定的直流电源幅值下输出负载所需的额定功率，发射端补偿模块103还能够降低逆变器102的无功功率以减小损耗。
作为一种可能实施的示例，直流电源101输入到逆变器102的输入端，由逆变器102将直流电逆变为交流电，而交流电经过发射端补偿模块103输入到无线充电系统松耦合变压器104，松耦合变压器104的作用是负责将电能从发射端传输至接收端，然后接收端的电能经过接收端补偿模块输出到多个补偿单元106各自的整流器107中，每个补偿单元106中的整流器107将交流电整流为直流电，通过直流电给负载供电。
需要说明的是，无线充电系统在的松耦合变压器之间的间隔较远，其耦合作用程度也较弱，如针对电动汽车的无线充电系统，其耦合系数一般低于0.3，此时如果不加补偿网络加以补偿的话，无线充电系统就不能有效的传输有功功率至负载，因此需要在发射端和接收端连接由电容和电感所组成的补偿网络，通过电路谐振的原理，一方面可以提高系统的功率传输能力，另一方面还可以降低无功功率以提高效率。
举例来说，如图1所示，发射端补偿模块需要满足如下条件：第三电感Lp1和第四补偿电容Cp2形成谐振回路；第三电感Lp1、第三补偿电容Cp1和第四补偿电容Cp2形成谐振回路。接收端补偿模块需要满足如下条件：松耦合变压器104的输出端、第一补偿电容105以及多个补偿单元106中各自的第二补偿电容形成谐振回路；所述同一补偿单元106中的第二补偿电容、第一电感、第二电感形成谐振回路。
在本申请一些实施例中，第三补偿电容和第四补偿电容均为金属化聚丙烯薄膜电容。
作为一种可能实施的示例，发射端补偿模块103中的第三补偿电容Cp1和第四补偿电容Cp2形成谐振回路，第三补偿电容Cp1和第四补偿电容Cp2可以选择金属化聚丙烯薄膜电容，以满足无线充电系统低寄生电阻、高耐温以及大功率的要求。
在本申请一些实施例中，松耦合变压器的发射线圈外侧、接收线圈外侧均固定有平面磁片，平面磁片为锰锌铁氧体材质。
作为一种可能实施的示例，松耦合变压器104的发射线圈外侧以及接收线圈外侧固定有平面磁片，平面磁片可以是锰锌铁氧体，以减小无线充电过程中的漏磁场问题，提高无线充电系统的功率传输能力。需要说明的是，与发射线圈对应的平面磁片，固定在发射线圈远离接收线圈的一侧；与接收线圈对应的平面磁片，固定在接收线圈远离发射线圈的一侧。
在本申请一些实施例中，逆变器102的主开关器件为宽禁带半导体器件。
作为一种可能实施的示例，由于无线充电系统的谐振频率较高，约在20k-1MHz之间，因此逆变器102可以采用碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管或其它宽禁带半导体器件作为主开关器件，以满足无线充电系统高开关频率的需求。
在本申请一些实施例中，松耦合变压器104的发射线圈和接收线圈均为多股利兹线绕制而成。
作为一种可能实施的示例，无线充电系统松耦合变压器104中的发射线圈和接收线圈均可以采用高品质的多股利兹线绕制而成，以减小导线的集肤效应对无线充电系统传输效率的影响。
在本申请一些实施例中，整流器107的主开关器件为碳化硅二极管。
作为一种可能实施的示例，多个整流器107均可以采用碳化硅二极管作为主开关器件，以满足无线充电高频率整流器的需求。
根据本申请实施例的无线充电功率扩容系统，通过多个补偿单元的输入端之间并联连接，补偿单元的输出端均与一个整流器的输入端连接，多个整流器的输出端之间并联连接，相对于单台整流器，能够输出更大的电流，解决了单台整流器电流受限的问题，满足了无线充电系统大电流负载的需求；另外，接收端补偿模块能够补偿系统中的无功功率和滤除高频谐波，从而使并联的多个整流器的功率能够得到最大程度的利用。
申请实施例中提出一种无线充电功率扩容系统接收端补偿网络参数配置方法流程图。
该无线充电功率扩容系统接收端补偿网络参数配置方法包括：
步骤201，获取负载模块108的负载功率。
步骤202，分别获取多个整流器107各自的输出功率。
步骤203，获预设补偿电感值。
需要说明的是，步骤201、步骤202进而步骤203不区分执行的先后顺序。
在本申请一些实施例中，预设补偿电感值为将多个补偿单元106进行删减，仅保留一个补偿单元106和一个与补偿单元106对应的整流器107时，在电能传输效率最大的情况下的第一电感值或者第二电感值。
需要说明的是，预设补偿电感值为在如图1所示的无线充电功率扩容系统基础上，在多个补偿单元106以及多个补偿单元106对应的整流器107中，仅保留一个补偿单元106和一个与该补偿单元106对应的整流器107，并且在电能传输效率最大的情况下，保留的补偿单元106中的第一电感值或者第二电感值。
步骤204，基于负载模块108的负载功率、多个整流器107各自的输出功率和不采用功率扩容结构的补偿电感值，确定多个补偿单元106各自的第一补偿电感值和第二补偿电感值。在本申请一些实施例中，步骤204，通过下式确定多个补偿单元106各自的第一补偿电感值和第二补偿电感值：
Figure SMS_1
其中，Ls11、Ls12、Lsm1、Lsm2、Lsn1、Lsn2分别为每个补偿单元106各自的第一电感的电感值和第二电感的电感值，Po1、Pom和Pon分别为每个整流器107的输出功率，Ls为预设补偿电感值，Po为负载功率。
可以理解的是，发射端补偿模块应满足条件：Lp1和Cp2形成谐振回路；L1,Cp1和Cp2形成谐振回路。接收端补偿应满应满足条件：L2、Cs1和(Cs11+…Csm1+…Csn1)形成谐振回路，Cs11与(Ls11+Ls22)形成谐振回路，Csm1与(Lsm1+Lsm2)形成谐振回路,Csn1与(Lsn1+Lsn2)形成谐振回路。
步骤205，获取预设补偿电容值。
在本申请一些实施例中，补偿电容值为将多个补偿单元106进行删减，仅保留一个补偿单元106和一个与补偿单元106对应的整流器107时，在电能传输效率最大的情况下的第二补偿电容值。
需要说明的是，预设补偿电感值为在如图1所示的无线充电功率扩容系统基础上，在多个补偿单元106以及多个补偿单元106对应的整流器107中，仅保留一个补偿单元106和一个与该补偿单元106对应的整流器107，并且在电能传输效率最大的情况下，保留的补偿单元106中的第二补偿电容值。
步骤206，基于每个补偿单元106各自的第一补偿电感值和第二补偿电感值以及不采用功率扩容结构的补偿电容值，确定多个补偿单元106各自的第二补偿电容的电容值。在本申请一些实施例中，步骤206通过下式确定多个各自的第二补偿电容的电容值：
Figure SMS_2
其中，Cs11、Csm1和Csn1分别为多个各自的第二补偿电容的电容值。
作为一种可能实施的示例，每个整流器107的输出功率可以通过各自对应的接收端补偿模块中每个补偿单元106中第一补偿电感的电感值和第二补偿电感的电感值进行调整，实现对每个补偿单元106对应的整流器107输出功率进行精确控制，此时每个整流器107的输出功率可以不相同，可以尽最大限度利用每个整流器107的功率容量实现无线充电系统的功率扩容，提高了功率扩容的灵活性。
根据本申请实施例的无线充电功率扩容方法，通过对无线充电功率扩容系统中接收端补偿模块的补偿电感、补偿电容进行参数配置，实现对每个补偿单元对应的整流器输出功率进行精确控制，尽最大限度利用每个整流器的功率容量实现无线充电系统的功率扩容，提高了功率扩容的灵活性，实现了系统的功率扩容。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等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元件必须具有特定的方位、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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者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必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种无线充电功率扩容系统，其特征在于，所述系统包括直流电源、逆变器、松耦合变压器、发射端补偿模块、接收端补偿模块、负载模块，所述接收端补偿模块包括第一补偿电容、多个补偿单元和多个整流器，其中，
所述直流电源的输出端与所述逆变器的输入端连接，所述逆变器的输出端与所述接收端补偿模块的输入端连接，所述接收端补偿模块的输出端与所述松耦合变压器的输入端连接；
所述松耦合变压器第一输出端与所述第一补偿电容的第一端连接，所述第一补偿电容的第二端分别与所述多个补偿单元的输入端连接，所述松耦合变压器第二输出端与所述多个补偿单元的输入端连接；所述多个补偿单元的输入端之间并联连接，所述补偿单元的输出端均与一个所述整流器的输入端连接，多个所述整流器的输出端之间并联连接；
所述多个整流器的输出端分别与所述负载模块连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个所述补偿单元均包括第二补偿电容、第一电感、第二电感，所述松耦合变压器的输出端包括松耦合变压器第一输出端和松耦合变压器第二输出端，多个所述整流器分别包括整流器第一输入端和整流器第二输入端，其中，
所述第一补偿电容的第二端分别与多个所述第一电感的第一端连接，多个所述第一电感的第二端分别与所属同一补偿单元的所述整流器第一输入端连接；
多个所述松耦合变压器第二输出端分别与所属同一补偿单元的所述第二电感的第一端连接，多个所述第二电感的第二端分别与所属同一补偿单元的所述整流器第二输入端连接；
多个所述整流器的输出端分别与所述负载模块连接。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射端补偿模块包括第三电感、第三补偿电容和第四补偿电容，所述松耦合变压器的输入端包括松耦合变压器第一输入端和松耦合变压器第二输入端，所述逆变器包括逆变器第一输出端和逆变器第二输出端，其中，
所述逆变器第一输出端与所述第三电感的第一端连接，所述第三电感的第二端与所述第三补偿电容的第一端连接，所述第三补偿电容的第二端与所述松耦合变压器第一输入端连接；
所述逆变器第二输出端所述松耦合变压器第二输入端连接；
所述第四补偿电容的第一端与所述第三补偿电容的第一端连接，所述第四补偿电容的第二端与所述松耦合变压器第二输入端连接。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第三补偿电容和所述第四补偿电容均为金属化聚丙烯薄膜电容。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述逆变器的主开关器件为宽禁带半导体器件。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述松耦合变压器的发射线圈和接收线圈均为多股利兹线绕制而成。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述整流器的主开关器件为碳化硅二极管。
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