基于cll谐振变换的电磁共振式无线充电装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及无线充电领域，尤其设及一种基于aL谐振变换的电磁共振式无 线充电装置。
【背景技术】
[0002] 全球面临着越来越严重的环境危机与能源危机，化石燃料的日益减少和环境问题 的日益严重引起了全球的关注。电动汽车具有节能、环保等诸多优点，大力发展电动汽车成 为解决危机的重要途径之一，是未来汽车行业发展的必然趋势。大规模电动车作为移动储 能装备将是第=次工业革命（能源互联网）的重要支柱。现在电动汽车的发展面临着电池 成本高、能量密度低于化石能源、质量大等一系列问题，无线充电技术为电动汽车的发展提 供了一条新路。电动汽车通过无线充电的方式进行充电避免了直接的电接触，可W有效的 减少充电时可能发生的事故。同时，大规模的建设无线充电的停车位和车库，使得人们可W 在家或在停车场随时对电动汽车进行充电，不必去专口的充电站进行充电。而电磁共振式 无线充电方式对水平位移不敏感的特性，使电动汽车可W在道路上行驶时一边行驶一边充 电，该样可W极大的减少电动车电池的容量，使得电动汽车更加轻便实用。
[0003] 目前，无线电能传输有=种实现方式，分别为电磁感应式无线充电方法、电磁共振 式无线充电方法、远场福射式无线充电方法。其中电磁感应式无线充电方法利用的是分离 式变压器的原理，当充电装置的初级线圈通过一定频率的交流电时，通过电磁感应原理，次 级线圈会产生一定的电流，从而将能量从发射端传输到接收端，实现了无线电能传输。该方 法原理简单，容易实现，并且近距离能量传输效率很高，甚至可W达到99% ;但是该方法的 缺点在于传输距离过短，一般在厘米级甚至毫米级，位移或角度发生变化时，系统效率下降 明显。电磁共振式无线充电方法利用了共振的原理，当能量发射装置与能量接收装置调整 到统一谐振频率时，两装置共振，它们可W交换彼此的能量，从而将能量从发射端传输到接 收端，实现了无线电能传输。该方法电磁福射较小，对生命体影响小，对其他频率的电子产 品影响小，传输距离适中，一般在分米级，对于非金属材料的障碍物穿透能力极强，小型的 金属材料障碍物对其的影响也极小，可W同时对多个接收端供能，接收端线圈与发射端线 圈之间的产生水平位移或旋转角度时，系统传输效率的变化很小；但是缺点在于传输效率 不如电磁感应式无线充电方法，由于开关器件的限制，传输功率不高，系统谐振频率过高， 频率的波动对系统效率影响很大，谐振线圈尺寸过大会影响系统的实用性。远场福射式无 线充电方法利用微波或激光束可W携带能量进行传播的原理，发射端将电能转化为微波或 激光束发射出去，利用二者的高穿透性，接收端接收微波或激光束，将其重新转化为电能， 实现无线电能传输。该方法传输距离极长，可W达到几千米W上，定向性好；但是缺点在于 电能传输频率高、效率低、微波式装置会有较强的电磁污染问题，可能会影响人体健康，激 光式装置电光、光电转换效率很低，发射端装置与接收端装置互相要在可视范围内，并且中 间无障碍。
[0004] 在上述=种无线充电方法中，电磁共振式无线充电方法W其传输距离适中，传输 效率较大，对非金属材料障碍物穿透性极强，对小型的金属材料障碍物的穿透性也很好，接 收端线圈与发射端线圈之间的水平位移、旋转角度对其传输效率的影响较小，电磁福射小， 对其他频率的电子产品影响小，可W对多个同频负载供能等诸多优点，成为电动汽车无线 充电方法的首选。而电磁共振式无线充电方法的谐振频率一般在几百千赫兹到几兆赫兹之 间，如此高的开关频率造成了很大的开关损耗，不仅降低了整体强磁禪合谐振式无线充电 系统的功率传输效率，还会使开关器件发热，甚至发生安全性事故。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于化L谐振变换的电磁共 振式无线充电装置，通过引入aL谐振变换，实现高频逆变频率、发射端谐振电路的谐振频 率和接收端谐振电路的谐振频率=者的一致，不仅实现了电磁共振的无线能量传输，而且 同时实现了高频逆变器的零电压和零电流开关逆变。有效降低了开关管的开关损耗，提高 了能量传输效率；并且由于逆变器可W工作在更高的频率下，减小了无线传输装置体积。
[0006] 为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
[0007] 基于化L谐振变换的软开关电磁共振式无线充电装置，包括微控制器、AC/DC整流 模块、发射端稳压滤波电容、aL谐振变换模块、发射端禪合谐振线圈、接收端禪合谐振线 圈、接收端谐振电路电容、接收端AC/DC整流模块、接收端稳压滤波电容、蓄电池和S相电 源；
[000引所述AC/DC整流模块的输入端连接S相电源，输出端并联发射端稳压滤波电容后 连接化L谐振变换模块；
[0009] 所述化L谐振变换模块的输出端连接有发射端禪合谐振线圈，化L谐振变换模块 中的电感电容与发射端禪合谐振线圈组成发射端谐振电路；
[0010] 发射端禪合谐振线圈与接收端禪合谐振线圈实现禪合作用，
[00川接收端禪合谐振线圈串联接收端谐振电路电容后连接接收端AC/DC整流模块；
[0012] 所述接收端禪合谐振线圈与接收端谐振电路电容构成接收端谐振电路，接收由谐 振禪合磁场传递来的能量；
[0013] 所述接收端AC/DC整流模块的输出端并联接收端稳压滤波电容后为蓄电池充电； 接收端稳压滤波电容对接收端AC/DC整流模块得到直流电进行滤波，滤去高频交流部分；
[0014] 所述AC/DC整流模块和化L谐振变换模块中MOS管的开关接受微控制器驱动信号 的控制，使aL谐振变换模块的高频逆变频率、发射端谐振电路的谐振频率和接收端谐振 电路的谐振频率=者一致，发射端与接收端的电路达到共振。
[001引所述AC/DC整流模块为双向AC/DC整流模块，是由6个MOS管Qi-Qe构成的S相桥 式全控整流电路；通过微控制器控制MOS管的占空比，实现对直流侧电压Vi。的调节。
[0016] 所述发射端稳压滤波电容包括串联的两个电容。1，对双向AC/DC整流模块得 到直流电进行滤波，滤去高频交流信号。
[0017] 所述化L谐振变换模块为H全桥电路；包括4个MOS管每个MOS管并联有一 个二极管，分别为Dii-Di4,每个MOS管都对应有一个寄生电容，分别为Cii-Ci4;4个MOS管及 与其并联的二极管和电容构成H桥的4个垂直桥臂；中间横向桥臂包括串联的两个电感Li 和L^，电感Li和串联后与电感L。并联，并联后的整体再与电容C1串联。谐振电容C1和谐振 电感Li串联组成一种串联谐振电路，谐振频率f 1由Li、Ci谐振产生，
【主权项】
1. 基于CLL谐振变换的电磁共振式无线充电装置，其特征是，包括AC/DC整流模块； 所述AC/DC整流模块的输入端连接三相电源，输出端并联发射端稳压滤波电容后连接 CLL谐振变换模块； 所述CLL谐振变换模块的输出端连接有发射端耦合谐振线圈，CLL谐振变换模块中的 电感电容与发射端耦合谐振线圈组成发射端谐振电路； 发射端耦合谐振线圈与接收端耦合谐振线圈实现耦合作用； 接收端親合谐振线圈串联接收端谐振电路电谷后连接接收端AC/DC整流t吴块； 所述接收端耦合谐振线圈与接收端谐振电路电容构成接收端谐振电路，接收由谐振耦 合磁场传递来的能量； 所述接收端AC/DC整流模块的输出端并联接收端稳压滤波电容后为蓄电池充电；接收 端稳压滤波电容对接收端AC/DC整流模块得到的直流电进行滤波，滤去高频交流部分； 所述AC/DC整流模块和CLL谐振变换模块中MOS管的开关接受微控制器驱动信号的控 制，使CLL谐振变换模块的高频逆变频率、发射端谐振电路的谐振频率和接收端谐振电路 的谐振频率三者一致，以使发射端与接收端电路达到共振。
2. 如权利要求1所述基于CLL谐振变换的电磁共振式无线充电装置，其特征是，所述 AC/DC整流模块为双向AC/DC整流模块；所述双向AC/DC整流模块是由6个MOS管％-〇6构 成的三相桥式全控整流电路；通过微控制器控制MOS管的占空比，实现对直流侧电压V in的 调节。
3. 如权利要求1所述基于CLL谐振变换的电磁共振式无线充电装置，其特征是，所述发 射端稳压滤波电容包括串联的两个电容Cil，C i2，对双向AC/DC整流模块得到直流电进行滤 波，滤去高频交流信号，Cil的正极连接双向AC/DC整流模块输出的高压侧，C i2的正极与C η 的负极相连，Ci2的负极连接双向AC/DC整流模块输出的低压侧。
4. 如权利要求1所述基于CLL谐振变换的电磁共振式无线充电装置，其特征是，所述 CLL谐振变换模块为H全桥电路，包括4个MOS管Q11-Q14，每个MOS管并联有一个二极管，分 别为D 11-D14，每个MOS管都对应有一个寄生电容，分别为Cn-C14;4个MOS管及与其并联的二 极管和电容构成H桥的4个垂直桥臂；中间横向桥臂包括串联的两个谐振电感LdP L2，电 感LJP L 2串联后与谐振电感L ^并联，并联后的整体再与谐振电容C i串联。
5. 如权利要求4所述基于CLL谐振变换的电磁共振式无线充电装置，其特征是，所述 CLL谐振变换模块具有两种谐振频率，一种是由谐振电容C1和谐振电感L i产生的谐振频 率f\，S
弓一种则是由谐振电容C1和谐振电感L pU产生的谐振频率f 2，即
其中L^1为电感L i、Ltl并联等效的谐振电感，
6. 如权利要求4所述基于CLL谐振变换的电磁共振式无线充电装置，其特征是，电感L2 为发射端耦合谐振线圈，与电容C1和电感L i、Ltl组成发射端谐振电路，利用发射端耦合谐振 线圈与接收端耦合谐振线圈的高耦合，将高频交流电能量发射出去。
7. 如权利要求1所述基于CLL谐振变换的电磁共振式无线充电装置，其特征是，所述接 收端AC/DC整流模块为4个二极管D1-D 4构成的单相全桥整流电路，将接收到的高频交流整 流成直流。
8.如权利要求1所述基于CLL谐振变换的电磁共振式无线充电装置，其特征是，所述微 控制器产生脉冲宽度调制PWM信号，用于控制MOS管的开关； 所述微控制器还包括电压检测电路，电压检测电路将采集的电池组端电压、充电电流 及输入直流母线的电压，通过模数转换端口送到微控制器的CPU。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于CLL谐振变换的电磁共振式无线充电装置；微控制器获取直流母线电压，并控制双向AC/DC整流模块中MOS管的占空比实现输入直流母线电压的稳定；微控制器通过控制CLL谐振变换模块中MOS管的切换，将直流电逆变成交流电；发射端耦合谐振线圈将CLL谐振变换模块的逆变能量发射出去，传输到接收端耦合谐振线圈；接收端耦合谐振线圈接收到高频交流电后经过接收端AC/DC整流模块进行整流，稳压滤波后对蓄电池进行充电；微控制器获取蓄电池的端电压和充电电流，并控制CLL谐振变换模块MOS管的占空比，实现设定的充电电流和过充保护功能。能工作在零电压和零电流开关下，有效降低了开关损耗，提高了能量传输效率；减小了无线传输装置体积。
【IPC分类】H02J17-00, H02J7-02
【公开号】CN204361763
【申请号】CN201520050094
【发明人】张承慧, 商云龙, 李超群, 崔纳新, 张奇, 李泽元, 韩尧
【申请人】山东大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年1月23日