一种用于动态无线充电的装置及其参数获取方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种用于宽偏移范围动态无线输电装置 及其参数获取方法，适用于传输距离有一定偏移范围而传输功率有一定稳定性要求的无线 充电场合。
【背景技术】
[0002] 近年来，无线输电技术（WirelessPowerTransfer，WPT)和电动汽车技术 (ElectricVehicle，EV)取得了飞速发展。磁親合无线输电技术通过功率收发线圈之间的 高频交变磁场耦合传递能量，是发展前景最好的无线输电技术，已经在小功率的便携式电 子设备得到了广泛应用，例如手机，心脏起搏器等。随着传输功率和效率的进一步提高，磁 耦合无线输电技术已成功实现电动汽车的静止式无线充电，传输功率已达到10kW，传输效 率达到92%，有可能在不远的未来取代传统的传导式充电方式。电动汽车在推向市场的过 程中遇到动力电池瓶颈带来的单次充电行驶里程不足和充电难的问题。为了进一步解决电 动汽车动力电池瓶颈，动态无线充电方案被提出。动态无线充电方式设想在行车道路下铺 设线圈链，给行驶中的电动汽车不间断充电，从而有效延长行驶里程。在动态无线充电过程 中，车载负荷本身正在工作，为了保证供给负荷并留有一定储能余量并使得经济效率达到 最优，动态无线充电系统应时刻以所能获取的额定传输功率工作。因此动态无线充电系统 必须保证原副边功率线圈的互感耦合系数在一定范围内变化时，传输功率不能随偏移距离 变化而大幅度波动，而是要保持稳定传输状态，即具有抗偏移能力。
[0003] 为了增加WPT系统的有效偏移范围，一般从磁耦合机构和原边补偿拓扑两个方面 设计改进。通过对磁耦合机构的改造，使得互感耦合系数在较宽的偏移范围内保持较小范 围内波动。另一方面一些具有优良特性的高阶补偿拓扑被提出。例如原边LCL型补偿拓 扑，由于它具有良好的恒流源特性，使得调控副边变得简单，在WPT系统中采用较多。专利 CN201310571308 "一种用于无线电能传输的双边LCC补偿拓扑及其调谐方法"在LCL拓扑 的基础上提出了一种LCCL补偿拓扑，是在LCL型补偿拓扑的基础上加入一个补偿电容，目 的为将补偿拓扑调谐到感性区域以实现零电压开关（ZeroVoltageSwitching，ZVS)。但 是这种补偿拓扑的传输功率随着偏移距离的增加而迅速下降，导致电动汽车在行驶过程中 必须要严格对准行驶车道，限制在较小的偏移范围内行驶。这将对电动汽车驾驶员提出更 高要求，会降低动态无线充电的实用性。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于动态无线充电的装置及其 参数获取方法，旨在解决由于现有无线输电系统中传输功率容易随偏移距离变化而剧烈波 动导致现有补偿拓扑抗偏移能力不足的问题。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供了一种用于动态无线充电的装置，包括能量发射模 块和能量接收模块；所述能量发射模块包括依次连接的高频逆变单元、LC滤波单元、第一 补偿单元和功率发射线圈；高频逆变单元用于对外部输入的直流电压进行逆变处理并输出 高频电压方波vab，所述LC滤波单元用于滤除所述高频电压方波Vab中的谐波成分，功率发 射线圈用于将经过滤波后的高频电压方波按照高频磁场耦合的方式进行发射；所述第一补 偿单元用于对所述功率发射线圈的电流进行调节，减小传输功率随偏移距离的波动；能量 接收模块包括依次连接的功率接收线圈、第二补偿单元和不控整流单元；功率接收线圈用 于接收所述功率发射线圈发射的功率；所述第二补偿单元用于补偿所述功率接收线圈的漏 感，使得所述功率发射线圈与所述功率接收线圈之间只传递有功功率；所述不控整流单元 用于将接收的高频交流电整流为直流，并供给负载。
[0006] 更进一步地，第一补偿单元包括第一补偿电容、第二补偿电容和第三补偿电容；第 一补偿电容和第三补偿电容串联连接，所述第一补偿电容的非串联端与所述LC滤波单元 的输出端连接，所述第三补偿电容的非串联端用于连接至所述功率发射线圈的一端；所述 第二补偿电容的一端与所述第一补偿电容和第三补偿电容的串联连接端连接，所述第二补 偿电容的另一端用于连接至所述功率发射线圈的另一端。第一补偿单元采用CCC型补偿拓 扑结构，可以根据收发功率线圈的互感耦合情况自动地调节发射线圈电流，平缓传输功率 随偏移距离的波动。
[0007] 更进一步地，所述第一补偿电容、第二补偿电容和第三补偿电容的容值分别为cM1
[ =1/[ |ZM11X(2 31f。)];电抗值分别为： 其中，i为补偿电容的序 号，i= 1、2、3 ;f。为系统工作频率；yi为第一补偿系数，0为补偿比例系数，k为第二补 偿系数，Zu为功率发射线圈的电抗，ZMl为第一补偿电容的电抗值，Zm2为第二补偿电容的 电抗值，为第三补偿电容的电抗值。补偿比例系数0，第一补偿系数yi，第二补偿系数 k具体定义如下：
;:补偿比例系数0表示第一补偿元件2。"11与 第二补偿元件的比例系数；第一补偿系数Y:表示补偿网络的功率传输特性，决定了传 输功率随功率线圈的耦合程度的变化趋势；第二补偿系数k表示含Zu支路的补偿程度。
[0008] 更进一步地，所述第一补偿电容、第二补偿电容和第三补偿电容为薄膜电容或功 率陶瓷电容。
[0009] 更进一步地，所述第二补偿单元包括与所述功率接收线圈串联的电容C2。
[0010] 更进一步地，第二补偿单元的共振频率与所述高频逆变单元的逆变频率相等。
[0011] 本发明还提供了一种用于动态无线充电的装置的参数获取方法，包括下述步骤：
[0012] (1)根据耦合系数k的变化范围[k_，k_]获得耦合系数设定值
[0013] ⑵利用传输效率最优原则，并根据所述耦合系数设定值kset获得副边带载U直 和最优负载
G中Qlcad为包含了等效负载的副边串联回路 的品质因子；当耦合系数一定时，负载决定了传输效率，所选取最优负载保证了系统以最高 传输效率工作。
[0014] (3)利用功率波动最小原则，并根据所述耦合系数设定值kw获得补偿比例系数 0与第一补偿系数h的关系（1+e) =y 并获得在所述耦合系数设定值kset和额 定负载条件下的传输功率
￡取补偿参数使得k在设定范围内变化 时，传输功率波动的百分比最小。
[0015] (4)根据传输功率
1及在所述耦合系数设定值kset上已知的 传输功率容量ptMn获得第一补偿系数；并根据所述第一补偿系数获得
-i.imn 补偿比例系数0 = 7VkSf3t-l;
[0016] (5)根据逆变桥ZVS软开关的要求获得第二补偿系数K;
[0017] (6)根据所述第一补偿系数、所述第二补偿系数k和所述补偿比例系数0获 得三个补偿电容的电抗及容值(；"= 1/[|ZM1|X(2Jif。）
其中， i为补偿电容的序号，i= 1、2、3 ;f。为系统工作频率；yi为第一补偿系数、k为第二补偿 系数，0为补偿比例系数，Zu为功率发射线圈的电抗，为第一补偿电容的电抗值，为 第二补偿电容的电抗值，为第三补偿电容的电抗值。
[0018] 更进一步地，在步骤（5)中，获得第二补偿系数k的步骤具体为：
[0019] 获得k=ksJ寸，输入阻抗ZJ勺相角随所述第二补偿系数K的变化曲线，并在所 述曲线上寻找使得Zln(ksJ的相角接近零的点，该点对应的K值即为所述第二补偿系数 K ;
[0020] 其中
3从高频逆变单元（12)的输出ab端口向副边 看过去的等效输入阻抗；Zu为功率发射线圈的电抗；为第一补偿电容的电抗值；Zm2为 第二补偿电容的电抗值；k为第二补偿系数，表示含心支路的补偿程度；Z,= (coM) 2/厶为 副边映射到原边的映射阻抗，表示副边对原边的影响；Z2为包含了等效负载的副边串联回 路的支路阻抗。
[0021] 更进一步地，所述第二补偿单元（22)的共振频率与所述高频逆变单元（12)的逆 变频率相等；即L2C2= 1八2Jrf。)2。
[0022] 更进一步地，LC滤波单元（13)的共振频率与所述高频逆变单元（12)的逆变频率 相等；即LfCf= 1/(2Jrf。)2。
[0023] 通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比