[发明专利]变流整流的恒流模式无线充电系统及其设计与控制方法

说明书

本发明公开一种变流整流的恒流模式无线充电系统及其设计与控制方法，属于无线电能传输领域。其无线充电系统包括：AC‑DC变换电路(1)、DC‑AC变换器(2)、原边补偿网络(3)、原边线圈Lp、副边线圈Ls、副边补偿网络(4)、变流整流器(5)和滤波电路(6)。副边补偿网络为三增益或双增益CCL拓扑；变流整流器为三阶或二阶变流拓扑。其设计与控制方法，建立了原/副边线圈和补偿网络的设计原则和参数公式，提出副边磁芯尺寸的确定方法；以等比数列为分界值划分耦合系数区间，控制开关通断状态以实现多级变流整流。优越性：①直流母线电压约760～535V，利于去掉第二级DC‑DC变换；②优化原/副边线圈电流改善副边散热；③统一原/副边线圈自感和副边磁芯；④兼容国标的拓扑和控制模式。

技术领域

本发明涉及一种变流整流的恒流模式无线充电系统及其设计与控制方法，是一种无线电能传输技术，属于电力电子/无线充电领域。

背景技术

近年来，随着新能源汽车产业的发展，电动汽车的无线充电技术也呈现出巨大的发展前景，并受到产业界和国家层面高度重视，相关的国际标准(SAE J2954，ISO 19363，IEC 61980)和国家标准相继发布。截至2022年5月1日，关于《GB/T 38775.X电动汽车无线充电系统》的7个国家标准(即7个部分)，已经全部正式公布实施。

上述国标之第6部分和第7部分的内容为，地面端与车辆端的互操作性要求及测试。其中第5节将地面设备和车载设备分为A类和B类，A类设备应满足与标准附录A中参考设备的互操作性要求。现将该系列国标的核心内容归纳如下。

不同功率等级的A类设备构成的MF-WPT(Wireless Power Transfer ThroughMagnetic Field——以磁场为介质的无线电能传输)系统，其额定输出功率见下表。

国标推荐的A类地面参考设备与A类车载参考设备构成的MF-WPT系统，原边补偿网络和副边补偿网络采用的是LCC-CCL拓扑。其电气架构如图7所示。

在不同功率等级下，A类设备构成的MF-WPT系统的主要电气参数如下：

A类参考设备在不同离地间隙、不同功率等级下，原边线圈自感量的最小值L_p-min与最大值L_p-max、副边线圈自感量的最小值L_s-min与最大值L_s-max、原边线圈与副边线圈之耦合系数的最小值k_min与最大值k_max、及其补偿网络参数，归纳列表如下。

在不同功率等级、不同离地间隙类型下，A类参考设备的机械尺寸如下：

由上述国标《GB/T 38775.X电动汽车无线充电系统》的核心内容可见，电动汽车无线充电系统的地面设备可以采用三级功率变换。第一级为PFC变换，即高功率因数AC-DC；第二级为DC-DC变换；第三级为DC-AC变换，推荐为定频工作，标称频率f₀＝(85.5±0.05)kHz。其中第二级的DC-DC变换为可选项。

若要适应输入电压U_dc＝300～840V，目前有两种方法，第一种方法是加入第二级的DC-DC变换，一般采用Buck拓扑；第一级的PFC变换采用Boot拓扑。第二种方法是去掉第二级的DC-DC变换，第一级的PFC变换采用Buck-Boot拓扑。这两种方法的缺点是，控制复杂、成本较高、效率较低，这是由于输入电压U_dc范围很宽造成的。