一种三电平与可调LCC谐振无线充电系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种三电平与可调LCC谐振无线充电系统,包括地面单元和车载单元，地面单元包括依次耦接的三电平电路、地面可调LCC谐振网络和地面发射单元以及耦接三电平电路和地面可调LCC谐振网络的地面控制单元；车载单元包括依次耦接的车载接收单元、车载可调LCC谐振网络、同步整流电路以及耦接车载可调LCC谐振网络和同步整流电路的车载控制单元。地面/车载可调LCC谐振网络包括基于功率管调节其容值的可变电容，地面/车载控制单元通过控制功率管的占空比改变可变电容的容值，使地面/车载单元工作在磁耦合谐振状态。本实用新型专利技术保证电动汽车在磁耦合无线充电过程中，线圈偏移量、输入电压和负载变化较大情况下，高效充电，降低能量转换损失。

【技术实现步骤摘要】
一种三电平与可调LCC谐振无线充电系统
本技术涉及无线充电领域，尤其涉及一种三电平与可调LCC谐振无线充电系统。
技术介绍
随着能源与环境问题日益严峻，电动汽车以环保节能的优势，被人们广泛接受并使用。电动汽车的无线充电系统因安全、便捷的优势，逐渐引入大众的视线。使电动汽车无线充电系统的车载单元和地面单元均工作在磁耦合谐振的状态下，对于提高无线充电系统的抗偏移能力以及提高无线电能传输效率具有现实意义。而且当无线充电系统的输入电源为大功率电源，无线充电系统中所采用的常用功率管会烧坏，用承受更大电压的功率管，所承受的电流小，如果使用大电流功率管，价格比常用的功率管贵4-10倍，成本太高，无法在市场上获得竞争力，而且采用的常用电路无法实现零电压开通功率管，功率管承受较大的电压应力。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种三电平与可调LCC谐振无线充电系统，根据负载的变化、输入电压的波动和地面到车载线圈偏移量的变化，调节地面、车载补偿网络参数实现磁耦合谐振高效充电,并且当外部输入电源为大功率电源时，可通过三电平电路实现降压倍流功能，可实现零电压开通功率管，减少功率管的电压应力，本技术所采用的电路所需成本低，性能好，控制算法简单，对于无线充电系统大规模应用具有现实意义。本技术采取如下技术方案实现：一种三电平与可调LCC谐振无线充电系统，包括地面单元和车载单元，地面单元包括依次耦接的三电平电路、地面可调LCC谐振网络和地面发射单元，以及耦接三电平电路和地面可调LCC谐振网络的地面控制单元，三电平电路用于耦接外部电源取电并对外部电源进行降压倍流转换，车载单元包括依次耦接的车载接收单元、车载可调LCC谐振网络、同步整流电路，以及耦接车载可调LCC谐振网络和同步整流电路的车载控制单元，同步整流电路用于耦接负载电池充电，地面/车载可调LCC谐振网络包括至少一个基于功率管调节其容值的可变电容，地面控制单元基于外部电源、负载电池的电压和线圈偏移量的变化，车载控制单元基于负载电池的电压变化和线圈偏移量的变化,地面/车载控制单元通过控制地面/车载可调LCC谐振网络功率管的占空比改变可变电容的容值，进而调节地面/车载可调LCC谐振网络的容抗使地面/车载单元工作在磁耦合谐振状态。通过地面/车载控制单元调节车载可调LCC谐振网络中功率管的占空比，调节车载可调LCC谐振网络中可变电容的容值，从而调节容抗值，使地面/车载单元阻抗匹配，地面/车载单元工作在磁耦合谐振状态，地面控制单元调节三电平电路功率管的导通和关断，外部输入的电源经过三电平电路后输出电压减小一半，输出电流增大一倍，并可对三电平电路的移相角进行调节。进一步的，地面可调LCC谐振网络包括电感Lp1、电容Cp1、可变电容Cp2和功率管Qp1、Qp2，电感Lp1的一端和电容Cp1的一端耦接地面发射单元的一个输入端，电感Lp1的另一端耦接三电平电路的一个输出端，电容Cp1的另一端耦接可变电容Cp2的一端和功率管Qp1的漏极，可变电容Cp2的另一端和功率管Qp2的漏极耦接三电平电路的另一个输出端和地面发射单元的另一个输入端，功率管Qp1和Qp2的源极耦接，功率管Qp1和Qp2的栅极耦接地面控制单元。地面控制单元根据线圈偏移距离变化、外部电源电压波动和负载变化引起的阻抗变化，调节功率管Qp1和Qp2的占空比，从而调节可变电容Cp2的容值，实现车载单元阻抗匹配，使地面单元工作在谐振状态。进一步的，车载可调LCC谐振网络包括电感Ls1、电容Cs1、可变电容Cs2和功率管Qs1和Qs2，电感Ls1的一端和电容Cs1的一端耦接车载接收单元的一个输出端，电感Ls1的另一端耦接同步整流电路的一个输入端，电容Cs1的另一端耦接可变电容Cs2的一端和功率管Qs1的漏极，可变电容Cs2的另一端和功率管Qs2的漏极耦接车载接收单元的另一个输出端和同步整流电路的另一个输入端，功率管Qs1和Qs2的源极耦接，功率管Qs1和Qs2的栅极用于耦接车载控制单元。车载控制单元根据线圈偏移距离变化和负载变化引起的阻抗变化，调节功率管Qs1和Qs2的占空比，从而调节可变电容Cs2的容值，实现车载单元阻抗匹配，使车载单元工作在谐振状态。进一步的，地面发射单元包括地面线圈和地面补偿网络，地面补偿网络包括串接于地面线圈两端的电容Cp3和Cp4；地面控制单元调节地面可调LCC谐振网络的Cs2的容值，使得：其中，ω＝2πf，f为谐振频率；ωLp1为谐振电感Lp1的阻抗；为电容Cp1和Cp2串联后的阻抗；ωLp为地面线圈的阻抗；为地面线圈阻抗减去电容Cp3和Cp4串联后的阻抗。进一步的，车载接收单元包括车载线圈和车载补偿网络，车载补偿网络包括串接于车载线圈两端的电容Cs3和Cs4；车载控制单元调节车载可调LCC谐振网络的容抗，使得：其中，ω＝2πf，f为谐振频率；ωLs1为谐振电感Ls1的阻抗；为电容Cs1和Cs2串联后的阻抗；ωLs为车载线圈的阻抗；为车载线圈阻抗减去电容Cs3和Cs4串联后的阻抗。进一步的，无线充电系统中地面发射单元的地面线圈由多股利兹线串联或并联方式，环绕在圆形或方形绝缘盘中，地面线圈可根据不同场合调整其大小，选择不同材质的绝缘方式绕制。进一步的，无线充电系统中车载接收单元的车载线圈由多股利兹线串联或并联方式，环绕在圆形或方形绝缘盘中，车载线圈可根据不同场合调整其大小，选择不同材质的绝缘方式绕制。进一步的，无线充电系统中的三电平电路，包括功率管Q1～Q4、电容C1～C4、电容Cs、二极管Df1～Df2和电容Cd1～Cd2，功率管Q1～Q4内部集成二极管分别为D1～D4，功率管Q1的漏极、电容C1的一端和电容Cd1的一端耦接外部电源的正极，功率管Q1的源极、功率管Q2的漏极、电容C1的另一端、电容C2的一端和电容Cs的一端耦接二极管Df1的负极，功率管Q2的源极、功率管Q3的漏极、电容C2的另一端和电容C3的一端耦接地面可调LCC谐振网络的一个输入端，功率管Q3的源极、功率管Q4的漏极、电容C3的另一端、电容C4的一端和电容Cs的另一端耦接二极管Df2的正极，功率管Q4的源极、电容C4的另一端和电容Cd2的一端耦接耦接外部电源的负极，电容Cd1另一端、电容Cd2的另一端、二极管Df1的正极和二极管Df2的负极耦接地面可调LCC谐振网络的另一输入端，功率管Q1～Q4的栅极耦接地面控制单元，地面控制单元通过调节功率管Q1～Q4的导通和关断来调节所述三电平电路移相角、输出电压和输出电流。进一步的，无线充电系统中的三电平电路中的电容Cd1和Cd2分别由三个电解电容并联组成。进一步的，无线充电系统中的同步整流电路，包括功率管Qs3、Qs4，电感Ls2、Ls3和电容Ce1，电感Ls2的一端和功率管Qs3的漏极耦接车载可调LCC谐振网络的一个输出端，电感Ls2的另一端耦接电感Ls3的一端和电容Ce1的一端，用于耦接负载电池的正极，功率管Qs3的源极耦接功率管Qs4的源极和电容Ce1的另一端，用于耦接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三电平与可调LCC谐振无线充电系统，其特征是：包括地面单元和车载单元，所述地面单元包括依次耦接的三电平电路、地面可调LCC谐振网络和地面发射单元，以及耦接所述三电平电路和地面可调LCC谐振网络的地面控制单元，所述三电平电路用于耦接外部电源并对外部电源进行降压倍流转换，所述车载单元包括依次耦接的车载接收单元、车载可调LCC谐振网络、同步整流电路，以及耦接车载可调LCC谐振网络和同步整流电路的车载控制单元，所述同步整流电路用于耦接负载电池充电，所述地面/车载可调LCC谐振网络包括至少一个基于功率管调节其容值的可变电容，所述地面/车载控制单元基于充电过程中的参量变化，通过控制所述地面/车载可调LCC谐振网络功率管的占空比改变所述可变电容的容值，进而调节地面/车载可调LCC谐振网络的容抗使地面/车载单元工作在磁耦合谐振状态，其中所述充电过程中的参量变化包括外部电源、负载电池的电压和/或线圈偏移量的变化。/n

【技术特征摘要】
1.一种三电平与可调LCC谐振无线充电系统，其特征是：包括地面单元和车载单元，所述地面单元包括依次耦接的三电平电路、地面可调LCC谐振网络和地面发射单元，以及耦接所述三电平电路和地面可调LCC谐振网络的地面控制单元，所述三电平电路用于耦接外部电源并对外部电源进行降压倍流转换，所述车载单元包括依次耦接的车载接收单元、车载可调LCC谐振网络、同步整流电路，以及耦接车载可调LCC谐振网络和同步整流电路的车载控制单元，所述同步整流电路用于耦接负载电池充电，所述地面/车载可调LCC谐振网络包括至少一个基于功率管调节其容值的可变电容，所述地面/车载控制单元基于充电过程中的参量变化，通过控制所述地面/车载可调LCC谐振网络功率管的占空比改变所述可变电容的容值，进而调节地面/车载可调LCC谐振网络的容抗使地面/车载单元工作在磁耦合谐振状态，其中所述充电过程中的参量变化包括外部电源、负载电池的电压和/或线圈偏移量的变化。


2.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征是：所述地面可调LCC谐振网络包括电感Lp1、电容Cp1、可变电容Cp2和功率管Qp1、Qp2，电感Lp1的一端和电容Cp1的一端耦接地面发射单元的一个输入端，电感Lp1的另一端耦接三电平电路的一个输出端，电容Cp1的另一端耦接可变电容Cp2的一端和功率管Qp1的漏极，可变电容Cp2的另一端和功率管Qp2的漏极耦接三电平电路的另一个输出端和地面发射单元的另一个输入端，功率管Qp1和Qp2的源极耦接，功率管Qp1和Qp2的栅极耦接地面控制单元。


3.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征是：所述车载可调LCC谐振网络包括电感Ls1、电容Cs1、可变电容Cs2和功率管Qs1、Qs2；电感Ls1的一端和电容Cs1的一端耦接车载接收单元的一个输出端，电感Ls1的另一端耦接同步整流电路的一个输入端，电容Cs1的另一端耦接可变电容Cs2的一端和功率管Qs1的漏极，可变电容Cs2的另一端和功率管Qs2的漏极耦接车载接收单元的另一个输出端和同步整流电路的另一个输入端，功率管Qs1和Qs2的源极耦接，功率管Qs1和Qs2的栅极耦接车载控制单元。


4.根据权利要求2所述的无线充电系统，其特征是：所述地面发射单元包括地面线圈和地面补偿网络，所述地面补偿网络包括串接于地面线圈两端的电容Cp3和Cp4；所述地面控制单元基于外部电源的电压、负载电池的电压和线圈偏移量变化调节地面可调LCC谐振网络的容抗，使得：



其中，ω＝2πf，f为谐振频率；ωLp1为电感Lp1的阻抗；为电容Cp1和Cp2串联后的阻抗；ωLp为地面线圈的阻抗；为地面线圈阻抗减去电容Cp3和Cp4串联后的阻抗。
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【专利技术属性】
技术研发人员：杨国勋，罗嗣锦，寇秋林，
申请(专利权)人：浙江万安亿创电子科技有限公司，
类型：新型
国别省市：浙江;33