一种地面和车载可调LCC谐振无线充电系统的制作方法

本实用新型涉及无线充电领域，尤其涉及一种地面和车载可调lcc谐振无线充电系统。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种地面和车载可调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。本实用新型所采用的电路所需元器件少，成本低，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。

本实用新型采取如下技术方案实现：

一种地面和车载可调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全桥电路、地面可调lcc谐振网络和地面发射单元，以及耦接全桥电路和地面可调lcc谐振网络的地面控制单元，全桥电路用于耦接外部电源取电，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。所述地面控制单元还用于调节所述全桥电路的移相角。

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。

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的另一端耦接全桥电路的一个输出端，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的漏极耦接全桥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，无线充电系统中的全桥电路，包括四个功率管和四个电容，组成移相全桥电路，功率管内部集成二极管，地面控制单元耦接功率管的，调节功率管的导通和关断，调节全桥电路的移相角。

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，用于耦接负载电池的负极,功率管qs4的漏极和电感ls3的另一端耦接车载可调lcc谐振网络的另一个输出端，功率管q3和q4的栅极耦接车载控制单元。

本实用新型具有如下技术优点或有益效果：

本方案中的地面控制单元根据负载的变化、线圈偏移量的变化和输入电源的波动，通过调节地面可调lcc补偿网络功率管的占空比调节可变电容的大小，进而调整地面单元的阻抗，使地面单元工作在谐振的状态,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，通过调节车载可调lcc谐振网络功率管的占空比调整电容的大小，进而调整车载单元的阻抗，使车载单元工作在谐振状态。两个单元协同工作，使整个无线充电系统实现磁耦合谐振高效充电，从而使能量转换损失大大降低。本实用新型所采用的电路所需元器件少，成本低，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。

附图说明

图1为本实用新型的模块组成和连接关系示意图。

图2为本实用新型的地面单元实施例的电路原理图。

图3为本实用新型的车载单元实施例的电路原理图。

具体实施方式

为了便于本领域人员更好的理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明，下述仅是示例性的，不限定本实用新型的保护范围。

如图1所示，地面单元包括依次耦接的全桥电路、地面可调lcc谐振网络地面发射单元，以及分别与全桥电路和地面可调lcc谐振网络耦接的地面控制单元。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，以及分别与同步整流电路和车载可调lcc谐振网络耦接的车载控制单元。地面发射单元包括地面线圈和地面补偿网络，车载接收单元包括车载线圈和车载补偿网络。地面线圈和车载线圈之间应用磁耦合谐振式原理实现能量传输。

全桥电路的输入端耦接外部输入的直流电源，地面控制单元控制全桥电路的功率管的导通和关段，将直流电压变换为周期变化的方波电压，地面发射单元在方波电压的激励下，形成近似正弦波的电流，地面控制单元调节功率管的导通和关断还可以调节全桥电路的移相角,地面控制单元控制地面可调lcc补偿网络的功率管的占空比，调节地面可调lcc补偿网络中阻抗，使地面单元阻抗匹配，电流形成高频的谐振电流，高频谐振电流产生交变电磁场，车载接收单元感应高频交流电压，能量从地面端传递给车载端，车载接收单元在高频交流电压的激励下形成高频电流，车载控制单元控制车载可调lcc补偿网络的功率管的占空比，调节车载可调lcc补偿网络中阻抗，使车载单元阻抗匹配，形成高频的谐振电流，电流通过同步整流电路将高频谐振电流转换为直流电，为电动汽车电池充电。

下面结合附图2和附图3所示的具体实施例对本实用新型的地面和车载lcc谐振参数可调无线充电系统进行进一步详细说明。

本实施例中的全桥电路包括功率管q1～q4、功率管q1～q4内部分别集成的二极管d1～d4和电容c1～c4，组成移相全桥电路，用于耦接外部直流充电电源并将直流电转变为高频交流电。功率管q1、q2，二极管d1、d2和电容c1、c2组成超前臂电路，功率管q3、q4,二极管d3、d4，电容c3、c4组成滞后臂电路，地面控制单元调节功率管q1～q4的导通和关断调节全桥电路的移相角。根据不同需求，功率管和电容并联可以实现硬开通和关段，也可以实现零电压、零电流开通与关断。功率管q1、q2、q3、q4的栅极分别由地面控制单元控制其导通与关断。优选的，本实施例功率管q1、q2、q3、q4采用fgh75t65sqd，电容c1、c2、c3、c4电容为1.2nf/1000v。

本实施例中地面可调lcc谐振网络，包括电感lp1、电容cp1、电容cp2和功率管qp1、qp2，电感lp1的一端全桥电路的功率管q3的源极和功率管q4的漏极，电感lp1的另一端耦接耦接电容cp1的一端和地面发射单元的cp3的一端，电容cp1的另一端耦接电容cp2的一端和功率管qp1的漏极，电容cp2的另一端耦接功率管qp2的漏极、地面发射单元的电容cp4的一端和全桥电路功率管q1的源极和全桥电路功率管q2的漏极，功率管qp1和qp2的源极耦接，功率管qp1和qp2的栅极用于耦接地面控制单元，地面可调lcc谐振网络根据输出负载变化、线圈偏移的距离和外部输入电源的波动，通过地面控制单元调节功率管qp1、功率管qp2的占空比，控制其导通时间的长短，间接调节电容cp2电容值大小，使电感lp1、电容cp1、cp2谐振在最佳状态，使电路中的感抗ωlp1和容抗的相等。优选的，本实施例中功率管qp1、qp2采用spw55n80c3fksa1，地面可调lcc谐振网络的电感lp1为20uh,电容cp1为390nf,可调电容cp2为330nf。

本实施例中地面发射单元包括地面补偿网络和地面线圈，地面补偿网络包括电容cp3和电容cp4，电容cp3一端耦接地面线圈lp的一端，lp的另一端耦接电容cp4的一端，电容cp3的另一端耦接地面lcc谐振网络的电感lp1的一端，电容cp4的另一端耦接地面lcc谐振网络的电容cp2的一端的，其中电容cp3和cp4和地面线圈lp串联，组成串联补偿网络，用于补偿地面线圈lp受负载变化而改变的阻抗。优选的，本实施例中电容cp3、cp4为100nf,地面线圈lp的电感为47uh。为了使地面单元谐振阻抗相等，需满足

作为优选实施方案，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，地面线圈根据不同场合调整其大小，选择不同材质的绝缘方式绕制。

本实施例中车载接收单元包括车载补偿网络和车载线圈，车载补偿网络包括电容cs3、cs4，电容cs3一端耦接车载线圈ls的一端，电感ls的另一端耦接电容cs4的一端，电容cs3的另一端耦接车载lcc谐振网络的电感ls1的一端，电容cs4的另一端耦接地面lcc谐振网络的电容cs2的一端的，其中电容cs3和cs4和车载线圈ls串联，组成串联补偿网络，用于补偿车载线圈lp在负载变化时而改变的阻抗。优选的，本实施例中电容cs3、cs4为47nf,车载线圈ls的电感为120uh。

作为优选实施方案，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，车载线圈根据不同场合调整其大小，选择不同材质的绝缘方式绕制。

本实施例中的车载可调lcc谐振网络包括电感ls1、电容cs1、cs2和功率管qs1、qs2，电感ls1的一端耦接车载接收单元的电容cs3和电容cs1的一端，电感ls1的另一端耦接同步整流电路的电感ls2的一端和功率管qs3的漏极，电容cs1的另一端耦接功率管qs1的漏极和电容cs2的一端，功率管qs1的源极与功率管qs2的源极连接,电容cs2的另一端和功率管qs2的漏极耦接车载补偿网络的电容cs4和同步整流单元的ls3的一端，功率管qs1和qs2的栅极耦接车载控制单元。当车载单元负载发生变化时，通过车载控制单元调节功率管qs1和qs2的占空比，控制其导通时间的长短，间接调节电容cs2的电容值大小。使电路中的谐振阻抗相等，即优选的，本实施例中功率管qs1、qs2采用spw55n80c3fksa1，车载可调lcc谐振网络的电感ls1为10uh,电容cs1为680nf,电容cs2为470nf。

本实施例中的同步整流电路，包括功率管qs3、qs4，储能电感ls2、ls3和电容ce1,通过车载控制单元调节功率管qs3、qs4的占空比，储能电感ls2、ls3、电容ce1滤波，输出直流电给负载电池b1充电。优选的，本实施例中功率管qs3、qs4采用ipw65r045c7，电感ls2、ls3为220uh,滤波电容ce1采用6颗470uh/500v并联。

电动汽车无线充电规定的固定频率为85khz，地面线圈和车载线圈的谐振频率均固定在85khz，当电动车的锂电池电量较少时，充电电流较大，通过地面/车载控制单元，调节地面/车载可调lcc谐振网络的占空比，从而增大可变电容值，使地面/车载单元的输出功率较大，当电动车的锂电池的充满电后所需的充电电流很小，通过地面/车载控制单元，调节地面/车载可调lcc谐振网络的占空比，减小地面/车载可调lcc谐振网络的可变电容值，减小地面/车载单元的输出功率，电动汽车电池充电的过程负载是变化的，在电动汽车电池电量较小或者是电量充足这两种状态下，地面/车载单元均工作在谐振状态，无线充电系统保持较高传输效率。

设电动汽车前后移动的方向为x轴方向，电动汽车左右平移的方向为y轴方向，与x轴和y轴垂直的方向为z轴方向。

作为实施例的一种方式，当地面线圈和车载线圈偏移量在x轴、和y轴方向为0mm，z轴方向为150mm，电动汽车电池充电的直流电压为390v，根据实验室测试结果，传输能量效率约为92％。

作为实施例的另一种方式，当地面线圈和车载线圈偏移量在x轴、和y轴方向为0mm，z轴方向为210mm，电动汽车电池充电的直流电压为420v，地面/车载控制单元根据线圈偏移距离和充电负载的变化，对地面/车载可调lcc谐振网络的功率管占空比进行调节，使地面单元和车载单元均处于磁耦合谐振状态，根据实验室测试结果，传输能量效率约为91％。

通过以上数据可以看出，本实施例中的无线充电系统在偏移距离变大、外部输入电压波动、负载变化较大的情况下，通过对地面/车载可调lcc谐振网络的电容容值进行调节，使地面/车载单元工作在阻抗匹配的谐振状态，无线系统仍保持磁耦合谐振高效充电，降低能量转换损耗。本实用新型所采用的电路所需元器件少，成本低，控制算法简单，可实现大规模应用。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发实用新型权利要求的保护范围内。