感应功率传递系统以及用于操作感应功率传递系统的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及感应功率传递系统，具体来说涉及用于将充电能量无线传送给电动车 辆的电池充电系统以及用于操作这种功率传递或充电系统的方法。
【背景技术】
[0002] 设计用于电动车辆（EV)的感应充电系统采用发送器线圈，其放置于或者嵌入路 面，以便经由路面与车辆之间的空气隙将充电能量传送给安装到EV的底板的接收器线圈。 与传统变压器相似，发送器线圈的绕组中的交变电流用来产生传递充电能量所需的磁通 量。由于技术固有的大空气隙，这个变压器的漏通量较高。已知的是，如果一个或多个谐振 补偿电容器连接到接收器线圈的端子，则传输的功率效率能够较高，而不管高漏通量。感应 充电系统的典型结构在图1(a)中示出，其中具有发送器线圈3、5和补偿电容器6。其余参 考标号的含意在其他附图的上下文中说明。这些电容器6形成具有接收器线圈4的电感的 谐振电路。如果发送器线圈3携带具有基频（其对应于接收器侧的谐振电路的谐振频率） 的交变电流，则功率以高效率来传递。整流器13和无源滤波器组件16通常连接到接收器 电路的端子以产生稳定dc电压，由其对电池2充电。为了控制发送器线圈3中的电流，通 常使用从恒定dc母线10所提供的全桥逆变器9。其他技术、例如三级中性点钳位转换器也 是可能的，但是很少使用，因为EV电池充电的感兴趣电压通常比充分利用与三级拓扑的闭 锁电压有关的较低要求所需的要低。为了降低从逆变器所需的无功功率，另一个谐振电容 器5能够连接到发送器线圈3的端子。这个第二电容器的电容值通常选择成使得所需无功 功率在接收器侧谐振频率下为最小，即，使得由两个发送器线圈3和4、谐振电容器5和6以 及负载2所组成的电路的输入阻抗在接收器电路的谐振频率下呈现欧姆性。如果需要，则 附加滤波器元件连接在发送器侧或接收器功率转换器之间，以降低发送器线圈中的电流所 引起的杂散场。发送器8的全桥逆变器9通常接近谐振频率来切换，其中桥臂的相移接近 180°。通常在操作之前执行实验以确定实际充电系统上的谐振频率，或者备选地在操作期 间从实时测量来估计谐振频率。这是必要的，因为谐振频率因组件的公差、温度漂移或者因 接收器线圈相对发送器线圈的未对齐而能够偏离其预计值。全桥逆变器9的切换频率则能 够使用所测量或估计的谐振频率来调整到实际工作条件。
[0003] 对于电池充电，要求能够控制电池电流。通常，电池按照电流和电压剖面来充电， 其基于电池的充电电流和电压应力的限制来指定，并且适合电池的荷电状态。常见充电方 案在图1(b)中示出。充电剖面也能够设计成包括其他方面，例如充电周期期间的能量消耗 的最小化或者充电过程所需的时间的最小化。通常，dc-dc转换器15串联连接到接收器的 整流器的dc母线。dc-dc转换器15然后经由低通滤波器16连接到电池，以便消除充电电 流的切换频率纹波。转换器用来按照充电剖面来控制电池电流或者施加到电池的电压。相 应地，必须从发送器传递给接收器线圈4的功率不是恒定的，而是取决于电池2的荷电状 态。因为谐振系统的传递特性能够呈现某个负载相关性，所以在发送器侧的全桥逆变器9 必须能够适合实际负载条件。另外，谐振系统的传递特性能够因接收器线圈4相对发送器 线圈3 (参见图4、图5)的未对齐、因组件公差或者因参数漂移而发生变化。因此，全桥逆变 器9还必须能够适合因这些不定性引起的实际传递特性。按照现有技术，两种自适应通常 均通过逆变器切换频率的调整来实现。例如，如果谐振频率因线圈未对齐而增加，则必须跟 踪实际谐振点，并且必须相应地增加切换频率，以便保持高效率。如果输出功率降低，则切 换频率必须偏移到一个频率区域，其中如在全桥逆变器的输出端子所看到的谐振系统的输 入阻抗是电感性的，以便保持谐振电路的输出处的恒定电压。虽然这确保全桥逆变器的功 率半导体的零电压切换（ZVS)并且引起低切换损耗，但是它导致谐振电路中的附加导电损 耗。由于谐振电路的电感输入特性，增加的无功功率量在这种操作模式从全桥逆变器来吸 取。这引起两种线圈中的无功电流分量，其还导致除了电流的所需有功分量所引起的损耗 之外的导电损耗。此外，必须由全桥逆变器9的半导体来关断的电流也因无功电流分量而 增加，其根据所采用的半导体类型还能够引起附加切换损耗。在EV电池充电的感兴趣功率 和电压级，绝缘栅双极晶体管（IGBT)常常是有功功率半导体的优先选择，因为它提供成本 优点和高可靠性。但是，如G.Ortiz、H.Uemura、D.Bortis、J.W.Kolar和 0?Apeldoorn 的"ModelingofSoft-SwitchingLossesofIGBTsinHigh-PowerHigh-Efficiency Dual-Active-BridgeDC/DCConverters，'（IEEETrans.ElectronDevices,vol. 60,no. 2,第587-597页，2013年2月）中所述，IGBT结中存储的电荷能够引起高尾电流，其能够导 致显著切换损耗，而不管ZVS条件。具体来说，在低输出功率功率转换的效率能够被这些影 响显著降低。
[0004] 为了向发送器侧的全桥逆变器9的输入处的dc母线供电，通常使用具有功率因 数校正（PFC)、具有电磁干扰（EMI)滤波器的干线整流器。设计用于EV电池充电的感兴 趣功率级的感应充电系统通常从三相干线来馈电。这种感应充电系统的结构在图1(a)中 示出。适当转换器拓扑包括具有三个桥臂（其连接到干线1的三相）的干线整流器11。 为了控制干线整流器11的输出电压，采用有功功率半导体开关、通常为具有反并联二极 管的IGBT以及连接到PFC整流器的三个输入端子的每个的电感器来实现桥臂。多个备 选转换器拓扑存在，其中可能具有更少半导体开关或者dc环节中只有单个电感器。典型 PFC整流器能够以高于干线线间电压的峰值所给出的某个最小值的电平来产生可控dc电 压，同时保持所有三相中的正弦输入电流。因此，它称作升压型PFC整流器。其他转换器 拓扑存在，其能够产生低于干线电压的峰值所给出的某个最大值的输出电压。这些通常称 作降压型PFC整流器。在T.Nussbaumer、M.Baumann、J.W.Kolar的"Comprehensive DesignofaThree-PhaseThree-SwitchBuck-TypePWMRectifier^(IEEETrans.Power Electronics，vol. 22，no. 2,第551-562页，2007年3月）中描述一个示例。作为第三备 选方案，例如CH698918提供一种降压+升压型PFC整流器，其允许提供高于或低于干线电 压的峰值所给出的极限的dc环节电压。当然，同样的功能性也能够通过具有级联降压转换 器的升压型PFC整流器来实现，从而产生升压+降压型PFC整流器。在转换器的可实现转 换效率和功率密度方面存在降压+升压型与升压+降压型PFC整流器结构之间的折衷，其 应当连同应用及其要求一起来考虑。
[0005] 干线整流器级11的可变dc母线10的电压提供适合接收器侧的可变负载条件的 另一种方法。在这种情况下，对输出电压的控制不再需要全桥逆变器的切换频率的变化， 并且切换频率因此能够恒定地保持在振荡回路的谐振频率，这产生纯有功电流。这能够显 著降低半导体器件、谐振电容器中以及发送器线圈中的导电损耗。但是，全桥逆变器的功 率半导体的切换损耗因IGBT的高尾电流而仍然会比较高。它们能够呈现系统设计中的限 制因素，并且因高冷却要求而使转换器的紧凑实现是困难的。另外，例如在B.Goeldi、S. Reichert和J.Tritschler的"DesignandDimensioningofaHighlyEfficient22kff BidirectionalInductiveChargerforE_Mobility，'(Proc.Int.ExhibitionandConf. forPowerElectronics(PCIMEurope)，2013,第 1496-1503 页）中，可调整dc母线电压 通过串联连接到PFC整流器的dc-dc转换器来产生。虽然这个结构提供较高模块性，但是 这个系统效率被较多数量的转换级降低。另外，用于级联系统的较多数量的组件使系统的 紧凑实现是棘手的。
【发明内容】
[0006] 因此，本发明的一个目标是提供一种功率传递系统、具体来说是一种感应充电系 统以及一种控制方法，其在大范围的工作条件、输出功率以及-对于充电系统-电荷 状态相关的电池电压中产生功率传递充电过程的高效率。另一目的在于，感应充电系统呈 现对线圈未对齐的大容限以及相对组件公差和参数漂移的高健壮性。
[0007] 这些目的的至少一个通过按照对应独立权利要求的一种感应功率传递系统、发送 器侧子系统、接收器侧子系统和/或一种用于控制感应功率传递系统的方法来实现。
[0008] 用于将电力从发送器侧子系统（其可连接到干线）提供给接收器侧子系统（其可 连接到负载）的感应功率传递系统、具体来说是电池充电系统包括： ?发送器线圈和接收器线圈； ?发送器侧功率转换器，包括向发送器侧dc母线供电的干线整流