双向无线电能传输功率的灵活控制，控制器模块5对功率源模块I及电磁转换模块4进行电流电压采样，经过运算处理后控制升压/滤波模块2、逆变/整流模块3及电磁转换模块4，进行相应的传输功率调节。
[0034]本系统的工作原理如下:
[0035]如图1所示，因为本系统的结构是对称结构，所以仅以图1上半部分为例进行相应阐述，上半部分中所有元件的下标为P，下半部分中所有元件的下标为S。
[0036]本装置可以实现多自由度功率调节，有三个调节自由度，分别为升压/滤波模块2中升压/滤波环节级联个数，逆变/整流模块3中H桥逆变电路的移相、直通及自由谐振控制，电磁转换模块4中的开关电容阵列，并且具有两种功率流流向，一种是由功率源模块I中的Vbatteryl流出，流入Vbattery2中，在该功率流流向的前提下，与Vbatteryl相连的升压/滤波模块2工作于准阻抗源级联升压模式，与其相连的逆变/整流模块3应工作在逆变模式，而与Vbattery2相连的升压/滤波模块2应工作于多阶LC滤波模式，与其相连的逆变/整流模块3工作于整流模式。另一种是由功率源模块I中的Vbattery2流出，流入Vbatteryl中，在该功率流流向前提下，系统工作模式正好与上述流向的工作模式相反。
[0037]升压/滤波模块2包括电感Lpl、Lp2、Lp3和L p4，电容Cpl、Cp2、Cp3、Cp4、Cp5和C p6，功率二极管 Dpl、DpjPlD p3 或功率开关 Spl、SpjPl S p3，继电器开关 Re Iaypl、Re Iayp2、Re Iayp3、Re Iayp4、RelaypJP Relayp6,首个升压/滤波环节由电感Lpl、Lp2、电容Cpl、Cp2、功率二极管Dpl或者Spl、继电器开关Relayp^S Relay p2组成，而之后的其他升压/滤波环节则减少一个电感。升压/滤波模块2中可以有一个或多个升压环节，其中虚线部分代表还可以加入多个升压/滤波环节。当继电器开关 Relaypl、Relayp3和 Relay p5断开，而 Relay p2、RelaypdPRelay1J^I合时，升压/滤波模块2工作于准阻抗源级联升压模式。当继电器开关Relaypl、Relayp3和Relayp5闭合，而Relay p2、RelaypdP Relay p6断开时，升压滤波模块2工作于多阶LC滤波模式，如图2所示，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。当升压/滤波模块2工作于准阻抗源升压模式时，根据与其相连的逆变/整流模块3中H桥逆变电路单或双桥臂是否直通，可以进一步分为两种工作模式，如图3所示，一种是直通模式，如图(3a)所示，一种是非直通模式，如图(3b)所示，当升压/滤波模块2处于准阻抗源升压模式中的直通模式时，升压/滤波模块2的多个升压/滤波环节中的电容给电感充电，对应电感中电流上升，而处于非直通模式时，电感和电容一起对外供电，实现升压功能，对应电感中电流下降，直通模式下升压/滤波模块2不向外输出功率，非直通模式下才向外输出功率，逆变/整流模块3包括四个功率开关S1、S2、S3及S4，若其无体寄生二极管则需要在其两端并联上二极管。该模块有三种控制方式，分别为移相控制、直通控制及自由谐振控制，其中最基本的移相直通控制时序如图4所示，在每个周期内均插入直通控制，直通控制由滞后桥臂功率开关S3及S4同时导通实现，当然也可以是超前桥臂功率开关SI和S2同时导通实现。每半个谐振周期T分别由移相时间TP、直通时间TS、输出时间TE及死区时间TD组成，其中直通时间TS配合升压/滤波模块2决定了逆变/整流模块3输出正负方波幅值大小。由于逆变/整流模块3输出正负方波脉宽时间由死区时间TD、移相时间TP及直通时间TS之和决定，但死区时间TD与直通时间TS —般都会被限制住，因此移相时间TP决定了逆变/整流模块3输出正负方波脉宽时间。当逆变/整流模块3加入自由谐振控制时，其输出正负方波会由连续输出变为不连续输出，如图5所示，此时一个完整控制周期时间由移相控制时间、直通控制时间及自由谐振控制时间之和决定，其中直通控制的插入可以按图5所示方式插入，也可以在移相控制内插入，同时该三种控制方式可以自由组合。图5中移相控制与图4所示控制方式相同，直通控制由滞后桥臂的开关S3与S4同时导通实现，自由谐振控制由开关S2与S3同时导通实现。在图5中，移相控制中的死区时间为lus，移相时间为2us，开关S1、S2、S3及S4的脉宽持续时间为9us，因此逆变/整流模块3输出电压波形是脉宽时间为7us，半周期为1us的一个方波功率信号，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逆变/整流模块3输出正负方波幅值大小。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升压/滤波模块2的升压比大小。在该控制时间内，逆变/整流模块3不向外输出方波功率信号，直到下一个移相控制过程到来。
[0038]电磁转换模块4通过控制相应的继电器开关即可控制接入谐振腔的电容容值大小，以改变谐振腔谐振频率，进而通过改变系统谐振工作频率达到调节传输功率目的。该模块中谐振网络拓扑可以为LC串联拓扑或者LCL拓扑，如图6所示，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，其中电感Lpc感值与Lp相同，用于补偿谐振网络中虚功。
【主权项】
1.一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，其特征在于，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，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(I)、升压/滤波模块(2)、逆变/整流模块(3)和电磁转换模块(4)，所述的功率源模块(1)、升压/滤波模块(2)、逆变/整流模块(3)和电磁转换模块(4)分别与控制器(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统，其特征在于，所述的升压/滤波模块(2)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(I)连接，所述的其他升压/滤波环节与逆变/整流模块(3)连接。
3.根据权利要求2所述的一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统，其特征在于，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(I)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(I)的负极连接，所述的第一继电器开关Relaypl—端与功率源模块(I)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C p2—端连接到第一电感L 51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Relayp2的另一端与其他升压/滤波环节连接。
4.根据权利要求3所述的一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统，其特征在于，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(I)的负极连接，所述的第三继电器开关Relayp3—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。
5.根据权利要求3或4所述的一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统，其特征在于，所述的开关单元为功率二极管或功率开关。
6.根据权利要求1所述的一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统，其特征在于，所述的逆变/整流模块(3)为H桥逆变电路。
7.根据权利要求1所述的一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统，其特征在于，所述的电磁转换模块⑷包括电感Lp和多个并联的开关电容组，所述的电感L 5与逆变/整流模块(3)的一个输出端连接，所述的开关电容组与逆变/整流模块(3)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。
8.根据权利要求1所述的一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统，其特征在于，所述的升压/滤波模块(2)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(3)设有逆变模式和同步整流模式。
9.根据权利要求8所述的一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统，其特征在于，所述的逆变/整流模块(3)为逆变模式时，升压/滤波模块(2)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。
10.根据权利要求1所述的一种双向多自由度功率调节的车载无线电能传输系统，其特征在于，所述的电磁转换模块(4)为单线圈、两线圈、三线圈或多线圈结构。
【专利摘要】本发明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，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。与现有技术相比，本发明具有多自由度、多控制方式、效率高、升压比大、灵活性高、控制系统简单、双向传输等优点。
【IPC分类】H02J17-00, H02J7-00
【公开号】CN104868608
【申请号】CN201510199122
【发明人】魏学哲, 戴海峰, 王振世, 房乔华, 王学远
【申请人】同济大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年4月23日