一种变结构无线电能传输系统及参数设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种变结构无线电能传输系统及其参数设计方法，属于无线电能传输技术领域。包括高频逆变电路，与所述高频逆变电路相连的无线电能发射电路，接收电路，与所述接收电路相连的不可控整流电路，以及控制驱动单元；通过控制驱动单元驱动无线电能发射电路中的各个开关管的开闭，完成系统恒流/恒压输出模式切换。本发明专利技术拓扑切换装置配置在无线电能发射电路中，在系统的接收电路中仅使用一个串联补偿电容，减小了接收端体积，能够降低系统成本。在电动汽车无线充电等大功率、对体积有要求的场合有较大的优势。本系统使用变结构补偿网络，不需要外加调制电路来进行阻抗匹配或频率调制，能够在恒定的工作频率下实现系统恒流

【技术实现步骤摘要】
一种变结构无线电能传输系统及参数设计方法


[0001]本专利技术涉及无线电能传输
，特别涉及一种变结构无线电能传输系统及参数设计方法。

技术介绍

[0002]感应式无线电能传输(Inductive Power Transfer)技术是指在无机械连接装置的情况下，通过高频交流电在两个可分离的感应线圈中产生高频耦合磁场，实现电能
‑
磁能
‑
电能的转换，将电能传输到用电设备中。由于无线电能传输技术中不存在机械连接结构，具有安全、便捷、灵活等特点，成为了近年来的研究热点。
[0003]感应式无线电能传输系统的核心元件为一组分离式感应线圈。在对无线电能传输系统的分析中，一般将其视为松耦合变压器。由于感应线圈处于松耦合状态，线圈中存在着较大的漏磁通，导致系统会在传输电能过程中产生较大的无功功率，电能传输效率不高，所以需要在系统中加入补偿元件消除系统中的无功功率，提升电能传输效率。
[0004]由多个补偿元件组合构成的二端口网络称为补偿网络。不同的补偿网络能够实现不同的功能。常见的补偿网络有T型补偿网络，Π型补偿网络，τ型补偿网络以及Γ型补偿网络。其中T型补偿网络和τ型补偿网络在一定的谐振条件下，能够将交流电压源转化为与负载无关的恒定交流电流源；Π型补偿网络和Γ型补偿网络在一定的谐振条件下，能够将交流电流源转化为与负载无关的恒定交流电流源。其中，T型补偿网络能够实现ZPA(零相角输入)，有利于系统实现ZVS和ZAS。
[0005]目前常用的无线电能传输系统补偿网络有SS、SP、LCC
‑
LCC、LCC
‑
S型等。当无线电能传输系统的工作频率与补偿元件的谐振频率一致时，SS型、LCC
‑
LCC型等可以输出恒定的电流，SP型、LCC
‑
S型等可以输出恒定的电压。
[0006]但上述补偿网络往往只能输出恒定的电流或者电压，输出模式单一。为了保证电池高效充电，无线电能传输系统应满足电池的充电特性曲线。因此有必要研究高效的恒流
‑
恒压输出型无线电能传输系统。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的缺陷，本专利技术旨在提供一种基于LCL
‑
S型补偿网络的变结构无线电能传输系统及实现恒流
‑
恒压输出的参数设计方法，满足电池的充电特性曲线，能够实现恒流
‑
恒压输出模式切换；由于无线电能传输系统的线圈的松耦合特性，应用本专利技术中所涉及的无线电能参数设计方法，可以实现无线电能传输系统的高效电能传输。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种变结构无线电能传输系统，包括：
[0009]包括高频逆变电路，与所述高频逆变电路相连的无线电能发射电路，接收电路，与所述接收电路相连的不可控整流电路，以及控制驱动单元；
[0010]所述高频逆变电路包括直流输入电源E
d
，第一开关管S1，第二开关管S2，第三开关管S3，第四开关管S4；
[0011]所述无线电能发射电路包括第一补偿电感L
s1
，第一补偿电容C
f1
，第二补偿电感L
s2
，第二补偿电容C
p
，第五开关管S5，第六开关管S6，第七开关管S7，发射线圈L1；
[0012]所述接收电路包括接收线圈L2，第三补偿电容C
s1
；
[0013]所述不可控整流电路包括第一二极管D1，第二二极管D2，第三二极管D3，第四二极管D4，滤波电感L
d
，滤波电容C
d
，负载电阻R
L
；
[0014]所述控制驱动单元连接所述无线电能发射电路中的所述第五开关管S5、所述第六开关管S6和所述第七开关管S7，用于驱动各个开关管的开闭，完成系统恒流/恒压输出模式切换。
[0015]进一步的，所述第一开关管S1、所述第二开关管S2、所述第三开关管S3、所述第四开关管S4、所述第五开关管S5、所述第六开关管S6以及所述第七开关管S7为IGBT或MOSFET。
[0016]进一步的，所述高频逆变电路中：
[0017]所述直流输入电源E
d
的正极与所述第一开关管的一端、所述第三开关管的一端与相连；所述直流输入电源E
d
的负极与所述第二开关管的一端、所述第四开关管的一端相连；
[0018]所述第一开关管的另一端与所述第二开关管的另一端相连，并作为所述高频逆变电路的一个输出端；
[0019]所述第三开关管的另一端与所述第四开关管的另一端相连，并作为所述高频逆变电路的另一个输出端。
[0020]进一步的，所述无线电能发射电路中：
[0021]所述第一补偿电感的L
s1
一端连接所述高频逆变电路的一个输出端，所述第一补偿电感L
s1
的另一端与所述第一补偿电容C
f1
的一端、所述第二补偿电感L
s2
的一端相连；
[0022]所述第二补偿电感L
s2
的另一端与所述第二补偿电容C
p
的一端、所述第五开关管S5的一端相连；
[0023]所述第五开关管S5的另一端与所述发射线圈L1的一端、所述第六开关管S6的一端相连；
[0024]所述第二补偿电容C
p
的另一端与所述第七开关管S7的一端、所述第六开关管S6的另一端相连；
[0025]所述第一补偿电容C
f1
的另一端与所述第七开关管S7的另一端、
[0026]所述发射线圈L1的另一端、所述高频逆变电路的另一个输出端相连。
[0027]进一步的，所述接收电路中：
[0028]所述接收线圈L2的一端与所述第三补偿电容C
s1
的一端相连；
[0029]所述第三补偿电容C
s1
的另一端作为所述接收电路的一个输出端；
[0030]所述接收线圈L2的另一端作为所述接收电路的另一个输出端。
[0031]进一步的，所述不可控整流电路中：
[0032]所述接收电路的一个输出端与所述第一二极管D1的阳极、所述第二二极管D2的阴极相连；所述接收电路的另一输入端与所述第三二极管D3的阳极、所述第四二极管D4的阴极相连；
[0033]所述第一二级管D1的阴极与所述第三二极管D3的阴极、所述滤波电感L
d
的一端相连；
[0034]所述滤波电感L
d
的另一端与所述滤波电容C
d
的一端、所述负载电阻R
L
的一端相连；
[0035]所述第二二极管D2的阳极与所述第四二极管D4的阳极、所述滤波电容C
d
的另一端、所述负载电阻R
L
的另一端相连。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变结构无线电能传输系统，其特征在于：包括高频逆变电路，与所述高频逆变电路相连的无线电能发射电路，接收电路，与所述接收电路相连的不可控整流电路，以及控制驱动单元；所述高频逆变电路包括直流输入电源E
d
，第一开关管S1，第二开关管S2，第三开关管S3，第四开关管S4；所述无线电能发射电路包括第一补偿电感L
s1
，第一补偿电容C
f1
，第二补偿电感L
s2
，第二补偿电容C
p
，第五开关管S5，第六开关管S6，第七开关管S7，发射线圈L1；所述接收电路包括接收线圈L2，第三补偿电容C
s1
；所述不可控整流电路包括第一二极管D1，第二二极管D2，第三二极管D3，第四二极管D4，滤波电感L
d
，滤波电容C
d
，负载电阻R
L
；所述控制驱动单元连接所述无线电能发射电路中的所述第五开关管S5、所述第六开关管S6和所述第七开关管S7，用于驱动各个开关管的开闭，完成系统恒流/恒压输出模式切换。2.根据权利要求1所述的变结构无线电能传输系统，其特征在于，所述第一开关管S1、所述第二开关管S2、所述第三开关管S3、所述第四开关管S4、所述第五开关管S5、所述第六开关管S6以及所述第七开关管S7为IGBT或MOSFET。3.根据权利要求1所述的变结构无线电能传输系统，其特征在于，所述高频逆变电路中：所述直流输入电源E
d
的正极与所述第一开关管的一端、所述第三开关管的一端与相连；所述直流输入电源E
d
的负极与所述第二开关管的一端、所述第四开关管的一端相连；所述第一开关管的另一端与所述第二开关管的另一端相连，并作为所述高频逆变电路的一个输出端；所述第三开关管的另一端与所述第四开关管的另一端相连，并作为所述高频逆变电路的另一个输出端。4.根据权利要求1所述的变结构无线电能传输系统，其特征在于，所述无线电能发射电路中：所述第一补偿电感的L
s1
一端连接所述高频逆变电路的一个输出端，所述第一补偿电感L
s1
的另一端与所述第一补偿电容C
f1
的一端、所述第二补偿电感L
s2
的一端相连；所述第二补偿电感L
s2
的另一端与所述第二补偿电容C
p
的一端、所述第五开关管S5的一端相连；所述第五开关管S5的另一端与所述发射线圈L1的一端、所述第六开关管S6的一端相连；所述第二补偿电容C
p
的另一端与所述第七开关管S7的一端、所述第六开关管S6的另一端相连；所述第一补偿电容C
f1
的另一端与所述第七开关管S7的另一端、所述发射线圈L1的另一端、所述高频逆变电路的另一个输出端相连。5.根据权利要求1所述的变结构无线电能传输系统，其特征在于，所述接收电路中：所述接收线圈L2的一端与所述第三补偿电容C
s1
的一端相连；所述第三补偿电容C
s1
的另一端作为所述接收电路的一个输出端；所述接收线圈L2的另一端作为所述接收电路的另一个输出端。6.根据权利要求1所述的变结构无线电能传输系统，其特征在于，所述不可控整流电路
中：所述接收电路的一个输出端与所述第一二极管D1的阳极、所述第二二极管D2的阴极相连；所述接收电路的另一输入端与所述第三二极管D3的阳极、所述第四二极管D4的阴极相连；所述第一二级管D1的阴极与所述第三二极管D3的阴极、所述滤波电感L
d
的一端相连；所述滤波电感L
d
的另一端与所述滤波电容C
d
的一端、所述负载电阻R
L
的一端相连；所述第二二极管D2的阳极与所述第四二极管D4的阳极、所述滤波电容C
d
...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚志垒，陈康磊，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：