[发明专利]一种基于单级变换器的动态无线电能传输系统

说明书

本发明公开了一种基于单级变换器的动态无线电能传输系统，包括高频逆变桥、原边可调电容模块、松耦合变压器、副边可调电容模块、半控整流桥、滤波电容、副边控制器和原边控制器；副边控制器，用于对负载的电压、电流和副边线圈的电流进行采样，以及获取原边线圈的电流，根据获得的信息控制副边可调电容模块和半控整流桥；原边控制器，用于对原边线圈的电流进行采样，并获取副边负载的电压，根据获得的信息控制原边可调电容模块。本发明通过控制原边可调电容模块、副边可调电容模块和半控整流桥，能够在仅使用单能量变换级的结构下，以及在磁耦合系数和负载同时变动的情况下实现最大效率的恒压输出。本发明可广泛应用于无线充电技术领域。

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种基于单级变换器的动态无线电能传输系统。

背景技术

感应式无线电能传输技术具备充电安全、非接触、良好的互操作性等特点，被广泛应用于静态充电的场景，比如：消费电子产品、矿山设备、车库的电动汽车等。与静态的无线充电场景相比，无线充电技术在动态的应用很有吸引力和潜力，如：轨道电动车、无线励磁同步电机和植入式电子设备等。在动态无线充电的场景中，原副边线圈的相对位置在电动汽车行驶过程中不断变动，导致线圈的磁耦合系数会随之不停变动。此外，在充电过程中电动汽车锂电池的等效电阻会发生变化。磁耦合系数和等效电阻的变动均是影响系统效率和能量传输稳定的不可控变量。为了使无线电能传输系统在磁耦合系数和负载均波动的情况下保持高效率的稳定的电能传输，当前相关的研究如下：

松耦合变压器是感应式无线电能传输系统的必要部分，它由耦合的发射线圈和接收能量的线圈这两部分组成。为了解决磁耦合系数对系统不良影响的问题，有些研究从松耦合变压器结构着手，通过设计复杂的线圈结构，提高磁耦合系数和线圈品质因数，使线圈相对位置发生改变时，磁耦合系数依然维持在一个相对稳定的高的参数水平。因此，系统电能传输的效率和功率传输的稳定性得以提高，比如正交双D型线圈、三极型线圈等。这一类的无线传能线圈需要浪费更多的线圈材料，而且制作工序复杂，设计成本高。然而，这种松耦合变压器仅仅适用于磁耦合系数变化范围不大的静态充电场景，无法适用磁耦合系数波动范围大同时需要全过程高效率传能的动态充电场合。

为了解决动态参数波动对系统影响这个问题，目前有些研究提出多级电能变换结构的无线电能传输系统，其框图如图1所示。这类电路需要在感应式无线电能系统前后级分别级联一个DC/DC变换器。原副边不同补偿网络的组合可以使系统具备不同的输入输出特性，如：恒定电流输出和恒定电压输出。在磁耦合系数和负载均发生变动的情况下，该类电路的后端DC/DC变换器能够实时地调控负载侧的等效负载以实现对系统最佳效率的追踪。同时，前端的DC/DC变换器配合后端的DC/DC变换器对系统输入侧实时调控，以维持系统的稳定输出。目前，基于该类多能量变换级框架许多学者提出不同的控制策略，如：最小输入电路追踪法、最大效率追踪法和恒定电压/电流比控制等。这些控制策略均能在较宽的磁耦合系数和负载波动的情况下优化系统的传能效率同时维持系统的稳定输出。然而，前后两级的DC/DC变换器必定会造成额外的能量损耗，而且复杂的控制策略对系统的响应和通讯提出了很高的要求，不利于整体系统的效率优化和鲁棒性的提高。

单能量变换级结构由于无需额外的DC/DC变换器，能够避免直流能量变换产生的损耗，也无需考虑多个能量变换级之间的级联稳定性等问题。在固定的磁耦合系数下，基于单能量变换级电能变换框架，有许多学者提出变频率和切换补偿拓扑技术，该技术能够在较宽的负载波动范围下实现恒定电流或者恒定电压输出。另外，高阶的混合拓扑结构的无线电能传输系统除了具备恒压或恒流输出性能，还具备一定的抗偏移能力。然而，由于该类电路没有应用调制技术，依然无法适用磁耦合系数和负载均波动的动态场合。