一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种车载无线电能传输系统，尤其是涉及一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统。
【背景技术】
[0002]传统有线充电方法不能实现电动汽车自动充电，违背了电动汽车使用者对便捷性的要求，同时有线充电过程会对操作者产生高压电击危险。无线电能传输技术恰好可以解决上述问题，用一对磁能发射及接收模块代替传统有线电缆，将电能先变为磁能，在接收并转换为电能，然后充入动力电池中。无线电能传输技术可以实现安全、便捷、全自动的充电过程，并对恶劣应用环境具有较强的适应性。
[0003]随着电动汽车渗透率不断提高，其可以作为分布式储能电源，即V2G技术，用于平抑区域电网波动。当无线电能传输技术与V2G技术相结合，不仅可实现双向无线充电的全自动化，而且可以推动V2G技术普及应用，此时要求系统具有双向能量传输功能。无线电能传输技术一般依靠H桥逆变电路将直流电斩波为高频交流电，以激励源边磁能发射机构产生交变磁场，通过副边磁能接收机构接收、转换、整流为直流电，然后充入电池。然而实际车载应用中，底盘与地面之间的距离在每次充电时都有可能不同，车载电池组端电压随着充电过程也会不断升高，因此需要相应的功率调节装置。典型的功率调节装置是BucKBoost、Buck-Boost电路，但是额外的DC-DC环节会增大系统体积，降低系统效率，同时传统的H桥逆变电路移相控制功率调节范围有限。
[0004]中国专利CN102593963A公开了一种基于大规模无线电能传输技术的电网架构，包括电动汽车和车载电池，其中，电动汽车上设有车载电池；其特征在于:还包括接收装置、发射装置、地下电缆和分布式电源，其中，分布式电源设于公路附近，发射装置连续埋设于公路路面下方，所述发射装置与附近的分布式电源借助地下电缆连接，并从分布式电源处接收电能；电动汽车上设有接收装置，其与发射装置建立功率无线传递，并利用接收的电能为车载电池充电。但是该系统无法进行双向电能传输，限制了汽车与电网间的电能交换，并且控制方式复杂，不能对电能进行多自由度的控制，不易操作和实施。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多自由度、多控制方式、效率高、升压比大、灵活性高、控制系统简单、双向传输的双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统。
[0006]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007]—种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统，用于电动汽车和电网的电能传输，该系统包括控制器和结构相同的正向电能传输回路和反向电能传输回路，所述的正向电能传输回路和反向电能传输回路均包括依次连接的功率源模块、升压/滤波模块、逆变/整流模块和电磁转换模块，所述的功率源模块、升压/滤波模块、逆变/整流模块和电磁转换模块分别与控制器连接。
[0008]所述的升压/滤波模块包括依次串联的首个升压/滤波环节和多个结构相同的其他升压/滤波环节，所述的首个升压/滤波环节与功率源模块连接，所述的其他升压/滤波环节与逆变/整流模块连接。
[0009]所述的首个升压/滤波环节包括第一电容Cpl、第二电容Cp2、第一继电器开关Relaypl、第二继电器开关Relayp2、第一电感Lpl、开关单元和第二电感Lp2，所述的功率源模块正极、第一电感Lpl、开关单元、第二电感Lp2与其他升压/滤波环节依次串联，所述的第一电容Cpl的正极连接到开关单元与第二电感Lp2之间，第一电容Cpl的负极与功率源模块的负极连接，所述的第一继电器开关Relaypl—端与功率源模块正极连接，另一端与第一电容Cpl的正极连接，所述的第二电容Cp2—端连接到第一电感Lpl与开关单元之间，另一端与第二继电器开关Relayp2的一端连接，所述的第二继电器开关Relay p2的另一端与其他升压/滤波环节连接。
[0010]所述的其他升压/滤波环节包括第三电容Cp3、第四电容Cp4、第三继电器开关Relayp3、第四继电器开关Relayp4、第三电感Lp3和开关单元，所述的第二电感L p2、开关单元与第三电感Lp3依次串联，所述的第三电容C p3的正极连接到开关单元与第三电感L p3之间，第三电容Cp3的负极与功率源模块的负极连接，所述的第三继电器开关Relay p3—端与第二电感Lp2连接，另一端与第三电容C p3的正极连接，所述的第四电容C p4—端连接到第二电感Lp2与开关单元之间，另一端与第四继电器开关Relayp4的一端连接，所述的第四继电器开关Relayp4的另一端与相邻的其他升压/滤波环节连接。
[0011]所述的开关单元为功率二极管或功率开关。
[0012]所述的逆变/整流模块为H桥逆变电路。
[0013]所述的电磁转换模块包括电感Lp和多个并联的开关电容组，所述的电感Lp与逆变/整流模块的一个输出端连接，所述的开关电容组与逆变/整流模块的另一个输出端连接，所述的开关电容组包括相互连接的谐振电容Cp和谐振继电器开关Rp。
[0014]所述的升压/滤波模块设有准阻抗源级联升压模式和多阶LC滤波模式，所述的逆变/整流模块设有逆变模式和同步整流模式。
[0015]所述的逆变/整流模块为逆变模式时，升压/滤波模块设有三种控制方式，分别为移相控制、直通控制及自由谐振控制。
[0016]所述的电磁转换模块为单线圈、两线圈、三线圈或多线圈结构。
[0017]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0018]一、多自由度、多控制方式:本发明进行功率调节时，具有三个功率调节自由度，分别为升压/滤波环节级联个数，用以调节H桥输出方波幅值大小，H桥逆变电路的移相、直通及自由谐振控制用以调节H桥输出方波脉宽持续时间或者输出方波串个数，开关电容阵列用以调节系统工作频率，调节范围宽、精度高，并且具有灵活的控制方式。
[0019]二、效率高、升压比大:本发明进行功率调节时，采用准阻抗源级联升压拓扑，相比于传统的DC-DC变换拓扑，无有源器件，控制过程集成于逆变/整流模块，提高系统效率，同时级联连接可以实现短直通时间获取大升压比。
[0020]三、灵活性高:本发明不仅采用传统的H桥逆变电路移相控制策略，同时增加了直通控制与自由谐振控制，增加了控制的灵活性。
[0021]四、控制系统简单:本发明电磁转换模块的谐振拓扑结构包括LCL拓扑或LC串联拓扑，两种拓扑结构均可以直接对动力电池包进行恒流充电，反射阻抗均呈纯阻性，不需考虑传输距离及负载状态变化引起的系统失谐问题，降低了控制系统的复杂性。
[0022]五、双向传输:本发明不仅适用于双向无线电能传输，也可应用于单向传输场合，不仅适用于直流至直流应用场合，也适用于交流至直流的应用场合。
【附图说明】
[0023]图1为本发明的系统结构示意图。
[0024]图2为本发明升压/滤波模块两种工作模式的等效电路图，其中，图(2a)为升压/滤波模块2处于准阻抗源级联升压工作模式下的等效电路图，图(2b)为升压/滤波模块2处于多阶LC滤波工作模式下的等效电路图。
[0025]图3为本发明升压/滤波模块升压模式下的直通和非直通控制下等效电路图，其中，图(3a)为直通控制下的等效电路图，图(3b)为非直通控制下的等效电路图。
[0026]图4为本发明逆变/整流模块逆变模式下基本移相直通控制时序图。
[0027]图5为本发明逆变/整流模块逆变模式下移相直通自由谐振控制时序图。
[0028]图6为本发明电磁转换模块的两种谐振拓扑结构图，其中，图(6a)为LC串联拓扑电容补偿阵列结构图，图(6b)为LCL拓扑电容补偿阵列结构图。
[0029]其中，1、功率源模块，2、升压/滤波模块，3、逆变/整流模块，4、电磁转换模块，5、控制器模块，Vbatteryl和Vbattery2为功率源模块中的功率源，Lp「LP4、Lsl-Ls4, L 3均为电感，Cp「Cp# C sl-CsnS电容，S1-S8为逆变/整流模块中的功率开关，Relay pl_Relaypn、Relaysl-Relaysn 均为继电器开关，D pl_Dp# D sl_Ds3 均为功率二极管，S pl_SpjP S sl_Ss3 均为功率开关。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0031]实施例:
[0032]一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统，用于电动汽车和电网的电能传输，该系统适用于车载单向及双向无线电能传输应用，适用交流至直流及直流至直流应用，该系统包括控制器5和结构相同的正向电能传输回路和反向电能传输回路，正向电能传输回路和反向电能传输回路均包括依次连接的功率源模块1、升压/滤波模块2、逆变/整流模块3和电磁转换模块4，功率源模块1、升压/滤波模块2、逆变/整流模块3和电磁转换模块4分别与控制器5连接。
[0033]升压/滤波模块2有两种工作模式，一种是准阻抗源级联升压模式，一种是多阶LC滤波模式，对应着两种不同的功率流流向，通过控制升压/滤波模块中的继电器开关的关断及闭合实现，当升压/滤波模块2工作于级联升压模式时，通过控制逆变/整流模块3中H桥逆变电路单桥臂或双桥臂直通时间，可实现短直通时间获得大升压比，以调节逆变/整流模块3输出正负方波幅值大小，实现了第一个功率调节自由度；逆变/整流模块3由四个功率开关组成，有两种工作模式，一种是典型的逆变模式，一种是同步整流模式，这两种工作模式需与升压/滤波模块2相配合，逆变模式对应升压/滤波模块2的准阻抗源级联升压模式，同步整流模式对应升压/滤波模块2的多阶LC滤波模式，当逆变/整流模块3工作于逆变模式时，其有三种控制方式，分别为移相控制、直通控制及自由谐振控制，其中直通控制是配合升压/滤波模块2实现输出正负方波幅值调节，移相控制决定了输出正负方波脉宽时间，自由谐振控制决定了不连续输出时的正负方波串个数，三者之间的互相组合形成了一种灵活的功率调节策略，实现了第二个功率调节自由度，电磁转换模块4是由磁能线圈及开关电容阵列组成的，通过控制继电器开关的闭合和关断，使不同容值接入谐振网络，同时实时调节逆变/整流模块3的工作频率为谐振腔谐振频率，通过系统谐振工作频率的改变实现系统传输功率的调节，为第三个功率调节自由度，借助于所述的三个功率调节自由度，可实现