H桥逆变模块3输出电压波形为脉宽时间为7us，半周期为1us的一个正负方波功率信号，在此移相控制中，无直通时间插入。直通控制由S3和S4同时导通实现，持续20us，该时间在一个完整周期所占的比例决定了 H桥逆变模块输出方波的幅值大小，本示例中的升压比为120/(120-20) = 1.2。自由谐振控制由S2与S3同时导通实现，也可以是SI与S4同时导通实现，持续20us，该时间的长短同样影响着准阻抗源模块的升压比大小。在该控制时间内，H桥逆变模块3不向外输出方波功率信号，磁能发射模块通过S2与S3进行自由谐振，谐振腔能量逐渐变小，直到下一个移相控制过程。
【主权项】
1.一种市电至车载电池包的无线电能传输系统，其特征在于，所述的无线电能传输系统包括相互连接的能量传递装置和控制装置，所述的能量传递装置包括依次连接的交流源(I)、准阻抗源模块(2)、H桥逆变模块(3)、磁能发射模块(4)、磁能接收模块(5)、整流滤波模块(6)和高压动力电池模块(7)，所述的磁能发射模块(4)与磁能接收模块(5)通过磁耦合的方式连接，所述的准阻抗源模块(2)、H桥逆变模块(3)、磁能发射模块(4)、磁能接收模块(5)和高压动力电池模块(7)分别与控制装置连接。
2.根据权利要求1所述的一种市电至车载电池包的无线电能传输系统，其特征在于，所述的控制装置包括相位失谐检测模块(11)、发射端数据采集模块(13)、开关驱动模块(14)以及依次连接的接收端数据采集模块(8)、无线数据发射模块(9)、无线数据接收模块(10)和控制器模块(12)，所述的相位失谐检测模块(11)分别与H桥逆变模块(3)和控制器模块(12)连接，所述的发射端数据采集模块(13)分别与准阻抗源模块(2)和控制器模块(12)连接，所述的开关驱动模块(14)分别与准阻抗源模块(2)、H桥逆变模块(3)和控制器模块(12)连接，所述的接收端数据采集模块(8)分别与磁能接收模块(5)和高压动力电池模块(7)连接。
3.根据权利要求1所述的一种市电至车载电池包的无线电能传输系统，其特征在于，所述的交流源(I)包括相互连接220V/50HZ的市电电源和单向半波整流桥。
4.根据权利要求1所述的一种市电至车载电池包的无线电能传输系统，其特征在于，所述的准阻抗源模块⑵包括第一电容C1、第二电容C2以及依次串联的第一电感L1、开关单元和第二电感L2，所述的第二电感1^2与H桥逆变模块(3)连接，所述的第二电容C2—端连接到第一电感LjP开关单元之间，另一端与H桥逆变模块(3)连接，所述的第一电容C1一端连接到开关单元和第二电感L2之间，另一端与交流源(I)连接，所述的开关单元为二极管01或三极管S。
5.根据权利要求2所述的一种市电至车载电池包的无线电能传输系统，其特征在于，所述的无线数据发射模块(9)和接收端数据采集模块(8)采用Zigbee或者DSRC进行数据的无线传输，所述的控制器模块(12)为强时序控制芯片，包括CPLD、FPGA或高速MCU，所述的开关驱动模块(14)为四路或五路独立电气隔离驱动芯片，所述的相位失谐检测模块(II)包括鉴相器芯片。
6.根据权利要求1所述的一种市电至车载电池包的无线电能传输系统，其特征在于，所述的磁能发射模块(4)和磁能接收模块(5)均由谐振网络构成，包括LCL拓扑及LC串联拓扑，并且谐振频率与H桥逆变模块(3)的工作频率相同，所述的高压动力电池模块(7)为动力电池包。
7.根据权利要求4所述的一种市电至车载电池包的无线电能传输系统，其特征在于，所述的开关单元为功率MOS管、功率三极管或IGBT。
8.—种应用如权利要求1或2所述的市电至车载电池包的无线电能传输系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)系统上电后，控制器模块通过H桥逆变模块对磁能发射模块产生激励，通过接收端数据采集模块测量相应系统响应，以多次测量求平均值的方式在线估计磁能发射模块与磁能接收模块之间的互感M的大小，并制定充电策略； 2)根据制定的充电策略，控制器模块通过相应的控制方式控制H桥逆变模块工作，通过设定H桥逆变模块中的同桥臂直通时间和非直通时间之比来控制准阻抗源模块中输入电感LI的电流波形，使其跟踪市电整流后的半波电压波形，并同时将电量充入高压动力电池模块中； 3)系统正常工作时，发射端数据采集模块和接收端数据采集模块分别对磁能发射模块和磁能接收模块中的谐振电容电压进行采样，确保其未超过谐振电容最大耐压值，并可根据采样的谐振电容电压计算谐振腔中谐振电流大小； 4)当高压动力电池模块所需充电电流变化时，控制器模块通过开关驱动模块调节H桥逆变模块，提高或者降低准阻抗源模块中输入电感LI中锯齿波电流包络线幅值，以满足高压动力电池模块充电需求； 5)控制器模块通过相位失谐检测模块检测H桥逆变模块的输出方波电压及正弦波电流波形，判断是否出现相位失谐现象，若是，则提高或者降低系统工作频率直至相位失谐现象消失。
9.根据权利要求8所述的一种市电至车载电池包的无线电能传输系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中的相应的控制方式包括基本控制方式和移相直通自由谐振控制方式，所述的基本控制方式包括移相控制和直通控制，所述的移相直通自由谐振控制方式为在基本控制方式中加入自由谐振控制，所述的移相控制用于实现前桥臂开关管的软开关状态，所述的直通控制由同桥臂开关管同时导通或前后桥臂开关管同时导通实现。
10.根据权利要求9所述的一种市电至车载电池包的无线电能传输系统的控制方法，其特征在于，所述的基本控制方式中的时序状态为: to?tl时刻:开关SI关断，此时开关S3仍处于导通状态，磁能发射模块4中谐振拓扑迫使电流在开关S3与开关S2的体二极管中形成环流； tl?t2时刻:开关S2体二极管中流过电流，此时S2打开，实现了零电压导通； t2?t3时刻:开关S4导通，此时开关S3与开关S4同时导通，实现直通控制，准阻抗源模块2中电容Cl通过S3与S4向电感L2充电，电容C2和交流源I通过S3和S4向电感LI充电； t3?t4时刻:开关S3关断，直通控制结束，H桥逆变模块3输出负方波功率信号，准阻抗源模块2中电感L1、电容C2、交流源，电容Cl和电感L2 —同向H桥电路供电，起到升压作用； t4?t5时刻:开关S2关断，H桥逆变模块3输出电压为0，一直持续到t5时刻半个谐振周期结束； t5?t7时刻:工作过程与t0至t2段工作过程相同。
【专利摘要】本发明涉及一种市电至车载动力电池包的无线电能传输系统及其控制方法，所述的无线电能传输系统包括相互连接的能量传递装置和控制装置，所述的能量传递装置包括依次连接的交流源、准阻抗源模块、H桥逆变模块、磁能发射模块、磁能接收模块、整流滤波模块和高压动力电池模块，所述的磁能发射模块与磁能接收模块通过磁耦合的方式连接，所述的准阻抗源模块、H桥逆变模块、磁能发射模块、磁能接收模块和高压动力电池模块分别与控制装置连接。与现有技术相比，本发明具有结构简单、节省成本、节省斩波环节、提高效率、节省采样电路、降低控制复杂性、控制方式多样等优点。
【IPC分类】H02J7-02
【公开号】CN104852442
【申请号】CN201510197710
【发明人】魏学哲, 戴海峰, 王振世, 王学远, 房乔华
【申请人】同济大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月23日