一种原边多模块高频并联的无线电能传输系统的制作方法

本发明属于无线电能传输
技术领域：
，更具体地，涉及一种原边多模块高频并联的无线电能传输系统。
背景技术：
：无线电能传输技术的主要原理是通有高频电流的原边线圈产生交变的空间磁场，该交变磁场在副边线圈中感应出高频电压，实现电-磁-电的转化。供电电源和用电设备之间通过空间的磁场进行耦合，允许用电设备在一定范围内移动，因此移动灵活；实现用电设备和供电设备的无物理接触，可以适应极端的环境工况，安全可靠，环境适应性强；用电设备和供电设备通过线圈间的耦合进行电能的传输，不需要物理接口进行连接，无需统一的物理接口标准。由于具备以上多个优点，因此无线电能传输技术相关应用日益广泛，特别是在电动汽车、电气化船舶、轨道牵引机车等较大功率等级应用领域受到高度关注。在大功率无线电能传输应用中，考虑到电力电子器件性能的约束，常见的结构有基于功率mosfet并联的单模块无线电能传输系统和基于模块并联的多模块无线电能传输系统。基于开关器件并联的单模块无线电能传输系统虽可以实现大功率的传输，但是该系统不具备扩容功能，而多模块并联系统可以通过模块数目的投入实现系统传输功率容量的增加，所以原边系统的模块化串并联结构为目前最常用拓扑。考虑到模块化串并联无线电能传输系统需具备在不影响单个模块内部的电压应力和电流应力的前提下投切功率模块的能力，因此需采用相应的应力解耦型多模块并联无线电能传输系统方案，以保证系统的控制灵活性与可靠性。目前国内外无线电能传输并联方案主要有两类：一为多线圈系统，每个线圈各接一个供电源进行供电，例如，名为“基于两路并联的两相式无线电能传输装置”，公开号cn108429361a，公开日2018年8月21日的中国专利申请，针对两线圈系统的电路架构两全桥模块的驱动信号相位进行了分析与研究。但是多线圈系统受限于原副边线圈的面积，扩容能力有限；二是单线圈系统，单线圈系统又有以下几种，例如，名为“一种并联多逆变无线电能传输系统”，公开号cn108808887a，公开日2018年11月13日的中国专利申请，提出了一种并联多逆变无线电能传输系统，可实现在对无线电能传输系统扩容的同时，既不增大系统开关管应力，又能解决系统并联模块之间的环流问题。名为《aninductivepowertransfersystemsuppliedbyamultiphaseparallelinverter》，作者qijundeng，出处ieeetransactionsonindustrialelectronics64(9)，2017:7039-7048的文献提出了一种基于ss补偿的高频电压源并联无线系统，该系统在模块端口外接耦合电感来抑制由于模块驱动相位差异引起的高频环流。上述基于单线圈扩容的方法都可以实现多功率模块的并联，但是无法保证在模块发生投切时，剩余模块内部的电压应力和电流应力保持不变。当投切模块数目较多时，单模块系统内部应力急剧增大，剩余模块不能保证正常工作。技术实现要素：针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种原边多模块高频并联的无线电能传输系统，旨在解决当前多原边模块并联无线系统无法实现工作模块任意投切的问题。为实现上述目的，本发明提供了一种原边多模块高频并联的无线电能传输系统，包括n个原边模块、耦合线圈、整流电路；所述各原边模块的第一输出端与耦合线圈的第一输入端连接，第二输出端与耦合线圈的第一输入端连接；所述耦合线圈的第一输出端与整流电路的第一输入端连接，第二输出端与整流电路的第二输入端连接；所述整流电路的第一输出端与负载的第一输入端连接，第二输出端与负载的第二输入端连接；所述各原边模块用于为耦合线圈提供稳定的电流；还用于将系统中高频电压源转换为高频电流源特性，通过阻抗补偿，使原边模块内部的电流应力与模块数目无关，实现原边模块的任意投切；所述耦合线圈用于无线电能传输；所述整流电路用于将高频交流电转换为直流电。优选地，所述各原边模块均包括直流源、逆变电路、lc谐振电路和阻抗补偿电路和开关；所述直流源的第一输出端连接逆变电路的第一输入端；第二输出端连接逆变电路的第二输入端；用于为逆变电路提供稳定的直流电压；所述逆变电路的第一输出端连接lc谐振电路的第一输入端；第二输出端连接lc谐振电路的第二输入端；用于将直流电压转换为高频交流电压；所述lc谐振电路的第一输出端连接阻抗补偿电路的第一输入端；第二输出端连接阻抗补偿电路的第二输入端；用于电气量特性转变，将输入的高频电压源特性转换为高频电流源特性；所述阻抗补偿电路的第一输出端连接第一开关；第二输出端连接第二开关；用于补偿lc谐振电路的输入阻抗，使原边模块的电流电压应力与模块数目无关。所述第一开关、第二开关分别连接耦合线圈的第一输入端和第二输入端，用于原边模块的投切。优选地，所述逆变电路采用全桥结构的电压源型逆变电路。优选地，所述lc谐振电路包括隔直电容cdcn1、隔直电容cdcn2、原边谐振电感lprn1、原边谐振电感lprn2、原边并联谐振电容cprn；所述隔直电容cdcn1的输入端连接逆变电路的第一输出端，输出端连接原边谐振电感lprn1的输入端；所述隔直电容cdcn2的输入端连接逆变器电路的第二输出端；输出端连接原边谐振电感lprn2的输入端；所述原边谐振电感lprn1的输出端与原边并联谐振电容cprn的上端相连，并将该连结点作为lc谐振电路的第一输出端；所述原边谐振电感lprn2的输出端与原边并联谐振电容cprn的下端相连，并将该连接点作为lc谐振电路的第二输出端；所述隔直电容cdcn1和cdcn2用于对逆变电路中直流量的隔离，阻断直流量的流通回路；所述原边谐振电感lprn1、原边谐振电感lprn2、原边并联谐振电容cprn用于将电压源特性转换为电流源特性。优选地，所述阻抗补偿电路包括原边串联补偿电感lpcn1、原边串联补偿电感lpcn2；所述原边串联补偿电感lpcn1输入端连接lc谐振电路的第一输出端，输出端作为阻抗补偿电路的第一输出端；所述原边串联补偿电感lpcn2输入端连接lc谐振电路的第二输出端，输出端作为阻抗补偿电路的第二输出端；所述原边串联补偿电感lpcn1、原边串联补偿电感lpcn2的感值之和与原边谐振电感lpcn1、原边谐振电感lpcn2感值之和相等，均用于对lc谐振电路输入阻抗的补偿，使原边模块内部的电流电压应力与模块数目无关；优选地，所述开关包括开关swn1和开关swn2；所述开关swn1的输入端连接阻抗补偿电路的第一输出端，输出端连接耦合线圈的第一输入端；所述开关swn2的输入端连接阻抗补偿电路的第二输出端，输出端连接耦合线圈的第二输入端；所述开关swn1和开关swn2用于对原边模块的投切。优选地，所述耦合线圈包括原边串联谐振电容cp、原边线圈lp、副边线圈ls和副边串联谐振电容cp；所述原边串联谐振电容cp的输入端连接开关swn1的输出端，输出端与原边线圈lp的输入端相连；所述原边线圈lp的输出端与开关swn2的输出端相连；所述副边串联谐振电容cp的输出端连接整流电路的第一输入端；输入端与副边线圈ls的输入端相连；所述副边线圈ls的输出端与整流电路的第二输入端相连；所述原边串联谐振电容cp与副边串联谐振电容cp用于对原边线圈lp、副边线圈ls进行补偿；所述原边线圈lp用于将高频谐振电流通过电磁感应，在空间中产生高频交变磁场；所述副边线圈ls用于获取原边线圈lp产生的交变磁场，在副边线圈中产生高频感应电压，实现电能的无线传输。优选地，所述整流电路采用全桥不控整流电路。通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：(1)本发明采用lc谐振电路将系统中的高频电压源特性转换为高频电流源特性，同时结合阻抗补偿电路使各原边功率模块的内部电压电流应力与工作的模块数目无关，从而使原边功率模块任意投切不影响模块内部应力，实现当前多原边模块的任意投切。(2)本发明中多个原边模块可以并联工作，因此可以实现无线充电系统功率容量的扩容。附图说明图1是本发明提供的原边多模块并联的无线电能传输系统电路图；图2是本发明中逆变电路的具体实现形式；图3是本发明中整流电路的具体实现形式；图4是本发明提供的原边多模块并联的无线电能传输系统的具体形式；图5(a)是实施例中三个功率模块工作时模块内部谐振腔输入电流ipr的波形；图5(b)是实施例中单个功率模块工作时模块内部谐振腔输入电流ipr的波形。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。如图1所示，本发明提供了一种原边多模块高频并联的无线电能传输系统，包括n个原边模块、耦合线圈、整流电路；所述各原边模块的第一输出端连接耦合线圈的第一输入端；第二输出端连接耦合线圈的第一输入端；所述耦合线圈的第一输出端与整流电路的第一输入端连接，第二输出端与整流电路的第二输入端连接；所述整流电路的第一输出端与负载的第一输入端连接，第二输出端与负载的第二输入端连接；所述各原边模块用于为耦合线圈提供稳定的电流；还用于将系统中高频电压源转换为高频电流源特性，通过阻抗补偿，使原边模块内部的电流应力与模块数目无关，实现原边模块的任意投切；所述耦合线圈用于无线电能传输；所述整流电路用于将高频交流电转换为直流电。优选地，所述各原边模块包括直流源、逆变电路、lc谐振电路和阻抗补偿电路和开关；所述直流源的第一输出端连接逆变电路的第一输入端；第二输出端连接逆变电路的第二输入端；用于为逆变电路提供稳定的直流电压；所述逆变电路的第一输出端连接lc谐振电路的第一输入端；第二输出端连接lc谐振电路的第二输入端；用于将直流电压转换为高频交流电压；所述lc谐振电路的第一输出端连接阻抗补偿电路的第一输入端；第二输出端连接阻抗补偿电路的第二输入端；用于电气量特性转变；将输入的高频电压源特性转换为高频电流源特性；所述阻抗补偿电路的第一输出端连接第一开关；第二输出端连接第二开关；用于补偿lc谐振电路的输入阻抗，使原边模块的电流电压应力与模块数目无关；所述第一开关、第二开关分别连接耦合线圈的第一输入端和第二输入端；用于模块投切。优选地，所述逆变电路如图2所示采用全桥结构的电压源型逆变电路。优选地，所述lc谐振电路包括隔直电容cdcn1、隔直电容cdcn2、原边谐振电感lprn1、原边谐振电感lprn2、原边并联谐振电容cprn；所述隔直电容cdcn1的输入端连接逆变电路的第一输出端；输出端连接原边谐振电感lprn1的输入端；所述隔直电容cdcn2的输入端连接逆变器电路的第二输出端；输出端连接原边谐振电感lprn2的输入端；所述原边谐振电感lprn1的输出端与原边并联谐振电容cprn的上端相连，并把该连结点作为lc谐振电路的第一输出端；所述原边谐振电感lprn2的输出端与原边并联谐振电容cprn的下端相连，并把该连接点作为lc谐振电路的第二输出端；所述隔直电容cdcn1和cdcn2用于对逆变电路中直流量的隔离，阻断直流量的流通回路；所述原边谐振电感lprn1、原边谐振电感lprn2、原边并联谐振电容cprn用于将电压源特性转换为电流源特性；优选地，所述阻抗补偿电路包括原边串联补偿电感lpcn1、原边串联补偿电感lpcn2；所述原边串联补偿电感lpcn1输入端连接lc谐振电路的第一输出端，输出端作为阻抗补偿电路的第一输出端；所述原边串联补偿电感lpcn2输入端连接lc谐振电路的第二输出端，输出端作为阻抗补偿电路的第二输出端；所述原边串联补偿电感lpcn1、原边串联补偿电感lpcn2的感值之和与原边谐振电感lpcn1、原边谐振电感lpcn2感值之和相等，均用于对lc谐振电路输入阻抗的补偿，使原边模块内部的电流电压应力与模块数目无关；优选地，所述开关包括开关swn1和开关swn2；所述开关swn1的输入端连接阻抗补偿电路的第一输出端，输出端连接耦合线圈的第一输入端；所述开关swn2的输入端连接阻抗补偿电路的第二输出端，输出端连接耦合线圈的第二输入端；所述开关swn1和开关swn2用于对原边模块的投切。优选地，所述耦合线圈包括原边串联谐振电容cp、原边线圈lp、副边线圈ls和副边串联谐振电容cp；所述原边串联谐振电容cp的输入端连接开关swn1的输出端，输出端与原边线圈lp的输入端相连；所述原边线圈lp的输出端与开关swn2的输出端相连；所述副边串联谐振电容cp的输出端连接整流电路的第一输入端；输入端与副边线圈ls的输入端相连；所述副边线圈ls的输出端与整流电路的第二输入端相连；所述原边串联谐振电容cp与副边串联谐振电容cp用于对原边线圈lp、副边线圈ls进行补偿；所述原边线圈lp用于将高频谐振电流通过电磁感应，在空间中产生高频交变磁场；所述副边线圈ls用于获取原边线圈lp产生的交变磁场，在副边线圈中产生高频感应电压，实现电能的无线传输。优选地，所述整流电路如图3所示采用全桥不控整流电路。如图4所示，原边多功率模块并联的无线电能传输系统包括三个原边功率模块、耦合线圈系统、整流电路、负载；所述三个原边功率模块的单模块传输功率为2.4kw，系统总功率为7.2kw。三个原边功率模块的第一输出端与耦合线圈的第一输入端连接，第二输出端与耦合线圈的第二输入端连接，耦合线圈的第一输出端与副边整流电路的第一输入端连接，耦合线圈的第二输出端与副边整流电路的第二输入端连接，整流电路输出接负载。单个原边功率模块内部依次包含直流源、全桥逆变电路、lc谐振电路、阻抗补偿电路以及开关。直流源的直流电压经过全桥逆变电路后变为频率为全桥逆变开关频率的电压源型方波，该方波经过lc谐振电路，通过戴维南-诺顿变换成为频率为全桥逆变开关频率的电流源输出，补偿网络对模块的阻抗进行补偿，实现了每个模块中谐振腔的输入阻抗与工作的模块数目无关。若某一个模块不工作，则利用开关的关断功能进行原边功率模块的切出。该实施例中，三个模块实现输出高频电流源并联，并接入耦合线圈系统，原副边线圈通过空间的交变磁场的耦合来传递功率，副边整流电路将谐振网络输出的交流信号转化为平滑的直流信号输出至负载。三个原边模块的内部电压应力电流应力一致，以模块1为例。电容cdcn1和电容cdcn2起到隔直的作用，这两个电容的容值往往较大，忽略其对谐振腔谐振状态的影响。串联谐振电感lpr11、串联谐振电感lpr12以及并联谐振电容cpr1的关系为其中，ω为逆变模块的开关角频率，上述公式表明串联谐振电感lpr11和串联谐振电感lpr12之和被并联谐振电容cpr1全补偿。串联补偿电感lpr11、串联补偿电感lpr12、串联谐振电感lpr11以及串联谐振电感lpr12的关系为：lpr11＝lpr12＝lpc11＝lpc12为保证每个模块的输入阻抗为纯阻性，耦合线圈系统中的线圈自感与串联谐振电容的关系为：即原边串联谐振电容cp与原边线圈自感lp完全谐振，副边串联谐振电容cs与副边线圈自感ls完全谐振。为进一步验证本发明的可行性，采用如图4所示的主电路对原边多模块并联无线电能传输系统进行仿真，具体电路参数如下表1～3。单模块的传输功率为2.4kw，三模块工作时的传输功率为单模块工作时的传输功率的三倍，即在仿真时，三模块工作时的负载是单模块工作时负载的三倍。模块1仿真参数如下表1所示，模块2和模块3的参数与模块1一致。表1参数取值直流输入电压vin400v全桥逆变开关频率fs85khz串联谐振电感lpr1124uh串联谐振电感lpr1224uh隔直电容cdc114uf隔直电容cdc124uf并联谐振电容cpr173nf原边串联补偿电感lpr1124uh原边串联补偿电感lpr1224uh耦合线圈仿真参数如表2所示：表2参数取值原边线圈自感lp80uh原边串联谐振电容cp43.8nf副边线圈自感ls80uh副边串联谐振电容cs43.8nf原副边耦合系数k0.2负载仿真参数如表3所示：参数取值单模块工作时负载rl7ω三模块工作时负载rl21ω图5(a)为三个原边模块工作时，模块1的谐振腔输入电流波形，图5(b)为仅原边模块1工作时，模块1的谐振腔输入电流波形。三个原边功率模块同时工作时，模块1的谐振腔输入电流的峰峰值为21.7a；当仅原边功率模块1工作时，模块1的谐振腔输入电流的峰峰值为21.0a。可见，原边模块数目从3切到1时，剩余工作模块的内部电流应力并未发生改变，由于模块内部的感值和容值未发生改变，所以剩余工作模块的内部电压应力也未发生改变。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12