电磁感应式无线电能传输系统及其启动电流冲击抑制方法与流程

本发明涉及一种电磁感应式无线电能传输系统及其启动电流冲击的抑制方法。

背景技术：

电磁感应式无线电能传输系统若发射侧采用lcc补偿、接收侧采用电容串联补偿在发射侧逆变器启动时会出现逆变器电流冲击，特别是无线电能传输系统功率较大时，逆变器额定电流较大，启动电流峰值更大。现有的大功率高频开关器件通流能力较为有限，无线电能传输系统中的高频逆变器的电流裕量较小、过载能力较低。另外目前大功率高频开关器件价格较高，过流毁坏后损失较大。为了充分利用大功率高频开关器件性能并增强系统的安全性可靠性，需要对逆变器启动冲击电流进行抑制以防止高频开关器件损坏。

为了解决无线电能传输系统启动电流冲击大的问题，可以采用软启动控制的方法。例如可以在启动阶段对逆变器采用移相调制减小逆变器电压从而减小逆变电流，也可以在启动阶段调整逆变器频率偏离系统谐振频率以增加逆变器等效负载阻抗，进而减小逆变电流，但上述方法均会使得逆变器功率器件处于非软开关状态，增加了开关损耗，引起较高的器件温升甚至损坏器件。还可以对逆变器电流采用反馈闭环控制进行电流的动态控制，但需要较复杂的控制电路及控制算法。

技术实现要素：

本发明提出一种含预充电机构的发射侧采用lcc补偿、接收侧采用电容串联补偿的电磁感应式无线电能传输系统，并针对发射侧采用lcc补偿、接收侧采用电容串联补偿的电磁感应式无线电能传输系统在发射侧逆变器采用方波直接启动时容易产生较大冲击电流的问题，提出了一种抑制发射侧逆变器方波启动电流冲击的方法，避免了采用传统软启动方法存在非软开关状态引起的功率器件开关损耗大、发热量大、影响系统安全性可靠性的问题，且启动过程无需主动控制，简化了系统控制。

本发明的电磁感应式无线电能传输系统，其发射侧逆变器inv通过lcc补偿网络连接发射线圈lp，lcc补偿网络包括发射侧补偿电感l1、发射侧补偿电容c1和cp，其中发射侧补偿电容cp串联发射线圈lp，发射侧补偿电容c1并联到发射侧补偿电容cp与发射线圈lp串联形成的支路上，逆变器inv的交流侧与发射侧补偿电感l1串联后再与发射侧补偿电容c1并联；无线电能传输系统接收侧采用电容串联补偿，接收侧补偿电容cs串联接收线圈ls再连接到不控整流桥交流侧，不控整流桥直流侧并联有滤波电容cd；无线电能传输系统接收侧的负载rld通过负载连接开关sld连接到不控整流桥滤波电容cd两端；无线电能传输系统接收侧还设置了直流电源dc；直流电源dc依次串联预充电开关sc和限流电阻rc后，再并联在不控整流桥滤波电容cd两端；直流电源dc的输出电压值等于发射线圈电流取额定值时接收侧不控整流桥输出电压值。

本发明的电磁感应式无线电能传输系统的发射侧采用lcc补偿，接收侧采用电容串联补偿，接收侧的负载通过负载连接开关连接到不控整流桥直流侧滤波电容。此无线电能传输系统接收侧还设置了直流电源，直流电源的输出电压值等于发射线圈电流取额定值时接收侧不控整流桥输出电压值，且直流电源通过预充电开关也连接到不控整流桥直流侧滤波电容。

本发明电磁感应式无线电能传输系统发射侧逆变器采用方波直接启动时，逆变器启动电流冲击抑制方法如下：

步骤一：设定发射侧补偿电容值、补偿电感值和接收侧补偿电容值使得发射侧和接收侧的谐振频率相同，且发射线圈电流在发射侧逆变电压为方波时达到额定值；

步骤二：设定发射侧逆变器频率与发射侧和接收侧的谐振频率相同；

步骤三：所述电磁感应式无线电能传输系统启动前，关断预充电开关；

步骤四：所述电磁感应式无线电能传输系统启动前，关断负载连接开关；

步骤五：闭合预充电开关，当不控整流桥直流侧滤波电容完成预充电时，断开预充电开关；

步骤六：发射侧逆变器以设定频率输出方波，系统空载启动；

步骤七：闭合负载连接开关，将负载接入。

本发明的有益效果是：

1)发射侧逆变器从启动开始始终在设定频率下以方波运行并保持软开关状态，不存在通常软启动过程伴随的非软开关状态，启动过程逆变器功率器件的开关损耗较小，器件发热少，安全性可靠性较好。

2)发射侧逆变器启动电流冲击的抑制控制简单，启动时按上电顺序操作即可，无需使用复杂的启动控制算法，也无需复杂的控制系统硬件电路。

附图说明

图1是应用本发明的电磁感应式无线电能传输系统结构图；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

本发明的电磁感应式无线电能传输系统结构如图1所示：电磁感应式无线电能传输系统的发射侧逆变器inv通过lcc补偿网络连接发射线圈lp，lcc补偿网络包括发射侧补偿电感l1、发射侧补偿电容c1和cp，其中发射侧补偿电容cp串联发射线圈lp，发射侧补偿电容c1并联到发射侧补偿电容cp与发射线圈lp串联形成的支路上，逆变器inv的交流侧与发射侧补偿电感l1串联后再与发射侧补偿电容c1并联。无线电能传输系统接收侧采用电容串联补偿，接收侧补偿电容cs串联接收线圈ls再连接到不控整流桥交流侧，不控整流桥直流侧并联有滤波电容cd。无线电能传输系统接收侧的负载rld通过负载连接开关sld连接到不控整流桥滤波电容cd两端。无线电能传输系统接收侧还设置了直流电源dc。直流电源dc依次串联预充电开关sc和限流电阻rc后，再并联在不控整流桥滤波电容cd两端。直流电源dc的输出电压值等于发射线圈电流取额定值时接收侧不控整流桥输出电压值。

本发明在发射侧逆变器采用方波直接启动时，抑制逆变器启动电流冲击的步骤为：

步骤一：根据电磁感应式无线电能传输系统发射侧线圈自感lp和接收侧线圈自感ls，设定发射侧补偿电容cp、发射侧补偿电容c1、发射侧补偿电感l1及接收侧补偿电容cs的数值，使得发射侧和接收侧的谐振频率相同，并且使得发射线圈电流在发射侧逆变器inv逆变电压为方波时达到额定值；

步骤二：设定发射侧逆变器inv的逆变频率与发射侧和接收侧的谐振频率相同；

步骤三：系统启动前，关断预充电开关sc，使得直流电源dc与不控整流桥及其滤波电容cd断开；

步骤四：系统启动前，关断负载连接开关sld，使得负载rld与不控整流桥及其滤波电容cd断开；

步骤五：闭合预充电开关sc，直流电源dc通过限流电阻rc给不控整流桥滤波电容cd预充电，当不控整流桥滤波电容cd的电压接近直流电源dc的输出电压值时完成预充电，断开预充电开关sc；

步骤六：发射侧逆变器inv以设定的逆变频率输出方波，系统空载启动；

步骤七：闭合负载连接开关sld，将负载rld接入不控整流桥输出端。

技术特征：

1.一种电磁感应式无线电能传输系统，其特征在于：所述的电磁感应式无线电能传输系统的发射侧逆变器inv通过lcc补偿网络连接发射线圈lp，lcc补偿网络包括发射侧补偿电感l1、发射侧补偿电容c1和发射侧补偿电容cp，其中发射侧补偿电容cp串联发射线圈lp，发射侧补偿电容c1并联在发射侧补偿电容cp与发射线圈lp串联形成的支路上，逆变器inv的交流侧与发射侧补偿电感l1串联后再与发射侧补偿电容c1并联；无线电能传输系统接收侧采用电容串联补偿，接收侧补偿电容cs串联接收线圈ls再连接到不控整流桥交流侧，不控整流桥直流侧并联有滤波电容cd；无线电能传输系统接收侧的负载rld通过负载连接开关sld连接到不控整流桥滤波电容cd两端；无线电能传输系统接收侧还设置了直流电源dc；直流电源dc依次串联预充电开关sc和限流电阻rc后，再并联在不控整流桥滤波电容cd两端；直流电源dc的输出电压值等于发射线圈电流取额定值时接收侧不控整流桥输出电压值。

2.抑制权利要求1所述的电磁感应式无线电能传输系统启动电流冲击的抑制方法，其特征在于：当所述的电磁感应式无线电能传输系统发射侧逆变器采用方波直接启动时，所述的逆变器启动电流冲击抑制方法如下：

步骤一：设定发射侧补偿电容c1、cp的值、发射侧补偿电感l1的值和接收侧补偿电容cs的值，使得发射侧和接收侧的谐振频率相同，且发射线圈电流在发射侧逆变电压为方波时达到额定值；

步骤二：设定发射侧逆变器的频率与发射侧和接收侧的谐振频率相同；

步骤三：系统启动前，关断预充电开关sc；

步骤四：系统启动前，关断负载连接开关sld；

步骤五：闭合预充电开关sc，给不控整流桥滤波电容cd预充电，当不控整流桥直流侧滤波电容cd的电压接近直流电源dc的输出电压值时完成预充电，断开预充电开关sc；

步骤六：发射侧逆变器以设定频率输出方波，系统空载启动；

步骤七：闭合负载连接开关sld，将负载rld接入不控整流桥输出端。

技术总结
一种电磁感应式无线电能传输系统及其发射侧逆变器启动电流冲击抑制方法，通过接收侧预充电装置在系统启动前对接收侧不控整流桥的直流侧滤波电容进行预充电。所提的发射侧逆变器启动电流抑制方法避免了采用传统软启动方法带来的逆变器功率器件开关损耗大、发热多、影响系统安全性可靠性的问题，且启动过程无需主动控制，简化了系统控制。

技术研发人员：殷正刚;史黎明;范满义;潘硕;裴春兴;曹春伟;岳成林
受保护的技术使用者：中国科学院电工研究所;中车唐山机车车辆有限公司
技术研发日：2020.11.05
技术公布日：2021.03.12