CN107104515B - Ss-l无线电力传输补偿电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SS‑L无线电力传输补偿电路。次级侧无线电力传输补偿电路包括：次级线圈；电容器，与次级线圈串联；电感器，与次级线圈和电容器并联。电感器具有与电连接在所述电感器两端的负载的反映阻抗相匹配的阻抗，使得次级线圈在取决于所述阻抗的预定频率下与耦合到次级线圈的初级线圈实现谐振。

Description

SS-L无线电力传输补偿电路
技术领域
本公开涉及用于无线电力传输电路的补偿电路拓扑结构。
背景技术
在无线电力传输(wireless power transfer，WPT)过程中，通过发送线圈和接收线圈的互感来传输能量。因为在发送线圈和接收线圈之间有间隙，这两个线圈之间的耦合系数根据线圈的大小、对齐程度和距离而可以是小的(5％至30％)。这样会使WPT***具有大的漏电感和小的互感。包括电容器的补偿电路通常用于通过调谐线圈使线圈工作在谐振频率下来消除这样的漏电感。
发明内容
一种电路包括电感器，电感器与负载以及串联连接的次级线圈和电容器并联，并具有使得在无线电力传输期间次级线圈与初级线圈在预定频率下实现谐振的阻抗。初级线圈形成初级充电电路的一部分，初级充电电路包括与初级线圈串联的电容器。所述阻抗使得初级充电电路的输入阻抗在所述预定频率下是电感性的。
一种次级侧无线电力传输补偿电路包括：次级线圈；电容器，与次级线圈串联；电感器，与次级线圈和所述电容器并联。电感器具有与电连接在所述电感器两端的负载的反映阻抗相匹配的阻抗，使得次级线圈在取决于所述阻抗的预定频率下与耦合到次级线圈的初级线圈实现谐振。
一种车辆包括：次级线圈、电容器和电感器，被布置为：在从初级线圈至次级线圈的无线电力传输期间，次级线圈、电容器和电感器形成SS-L补偿网络(串联补偿的初级和带有电感器的次级网络)的一部分。所述车辆还包括：牵引电池，被配置为从次级线圈接收电力；电机，被配置为从牵引电池接收电力。
根据本发明的一个实施例，电容器与次级线圈串联，电感器与次级线圈和电容器并联。
根据本发明的一个实施例，电感器具有与电连接在所述电感器两端的负载的反映阻抗相匹配的阻抗，使得在无线电力传输期间次级线圈在取决于所述阻抗的预定频率下与初级线圈实现谐振。
根据本发明的一个实施例，所述预定频率在81kHz至90kHz的范围内。
根据本发明的一个实施例，初级线圈形成初级充电电路的一部分，初级充电电路包括与初级线圈串联的电容器，并且其中，所述阻抗使得初级充电电路的输入阻抗是电感性的。
根据本发明的一个实施例，输入阻抗在频率范围内是电感性的，并且在所述频率范围的两端和两端附近处的频率下是电容性的。
根据本发明的一个实施例，所述电容器的电容是基于电感器的阻抗的。
附图说明
图1是感应式电力传输***的示意图；
图2提供了示例性耦合器的规范的概述；
图3是作为开关频率的函数的输出功率的绘图；
图4示出了针对值为0.08的kmin和值为0.2的kmax在最小功率800W和最大功率3300W下的与串联补偿的初级和次级网络(SS补偿网络)相关的作为输入电压的函数的开关频率的绘图；
图5示出了针对值为0.08的kmin和值为0.2的kmax在最小功率800W和最大功率3300W下的与SS补偿网络相关的作为输入电压的函数的耦合器效率的绘图；
图6示出了针对kmin和kmax的值与SS补偿网络相关的耦合器效率、初级线圈电流和开关频率的绘图；
图7是串联补偿的初级和带有电感器的次级网络(SS-L补偿网络)的示意图；
图8示出了针对值为0.08的kmin和值为0.2的kmax在最小功率800W和最大功率3300W下的与SS-L补偿网络相关的作为输入电压的函数的开关频率的绘图；
图9示出了针对值为0.08的kmin和值为0.2的kmax在最小功率800W和最大功率3300W下的与SS-L补偿网络相关的作为输入电压的函数的耦合器效率的绘图；
图10示出了针对kmin和kmax的值在最小输入电压350V和最大输入电压400V下的作为输出电压的函数的与SS-L补偿网络相关的耦合器效率、输入阻抗相位角、初级线圈电流、开关频率和输出电压的绘图；
图11示出了针对kmin和kmax的值与SS-L补偿网络相关的耦合器效率、初级线圈电流和开关频率的绘图；
图12示出了当阻抗转换器被使用时针对kmin和kmax的值与SS-L补偿网络相关的耦合器效率、初级线圈电流和开关频率的绘图；
图13示出了SS-L补偿网络的输入阻抗(幅值和相位)的绘图。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，应理解的是，所公开的实施例仅为示例，并且其它实施例可采用各种可替代形式。附图不必按比例绘制；可夸大或缩小一些特征以示出特定部件的细节。因此，在此公开的特定结构和功能细节不应被解释为限制，而仅为用于教导本领域技术人员以多种形式采用实施例的代表性基础。
如本领域普通技术人员应理解的，参考任一附图说明和描述的各种特征可与在一个或更多个其它附图中说明的特征组合，以产生未明确说明或描述的实施例。说明的特征的组合提供用于典型应用的代表实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可被期望用于特定应用或实施方式。
感应式电力传输(inductive power transfer，IPT)利用磁性耦合来通过空气间隙将电力从固定的初级源传输到次级负载。谐振电路用于增大发送线圈和接收线圈之间的电力传输的效率。通过在IPT***中采用谐振电路，在一定的距离范围内可以实现中电力水平至高电力水平的感应式电力传输。图1示出了在发送线圈110(由电感器112和电阻器114表示)中产生交变磁场(或称为磁通)并将磁通转换为进入接收线圈116(由电感器118和电阻器120表示)的电流所需要的典型电路。也被称为补偿网络的各自的电抗电路122和124分别连接到线圈110和116，以在谐振下操作松弛耦合的线圈110和116。逆变器126用于向谐振回路提供AC电压波形。逆变器126的开关基于通过各种方法获得的调制信号而被控制；移相和频率控制是用于控制逆变器开关的/开/关状态的一些常用方法。此外，一些设计控制IPTDC输入电压，以提高效率并保证在***规范的整个范围内满足负载功率。最后，在谐振回路的次级侧的AC电压经由整流器128被整流并经由滤波器(低通滤波器)130被滤波，以向电池提供受控制的DC电压。
虽然有多种控制逆变器开关的方式，但是频率控制通常是选择的控制方法。尽管提到的其它方法具有优点，但是它们的缺点限制了它们在IPT***中的应用。例如，直流链电压控制需要在IPT***之前的附加的转换级以控制IPT***的输入电压，因此提高了成本。在实际应用中，逆变器126提供的最大电力受到逆变器开关的寄生损耗的限制。由于逆变器126负载着谐振回路，因此，逆变器126能受益于逆变器126的电流和电压的正弦属性。如果谐振回路的输入阻抗在开关频率下表现为电感性的，则开关可实现零电压开关(zerovoltage switching，ZVS)。
移相控制不保证在小的移相角下(尤其在轻负载下)的ZVS操作。如果在谐振电感器中存储的能量不足以使开关寄生电容放电，则可能发生因反并联二极管的反向恢复导致的高开关损耗。此外，逆变器输出电压的幅值的减小需要较高的初级电流以向负载传输相同量的电力，这样会增大开关和谐振电路中的传导损耗。这种问题在低的移相角下是普遍的，原因在于MOSFET的本体二极管大部分时间是导通的。上述情景都降低了IPT***的效率。由于上述原因，通常用于IPT***的控制方法保持桥臂的恒定相移为180度，并且调谐开关频率以控制输出功率并在逆变器负载为电感性的范围内工作。这种控制方法被称为频率控制。
线圈自感的变化会潜在地限制向负载的电力传输。一些耦合器表现为大于19％的自感变化。利用简单的补偿网络(诸如，串联补偿的初级和次级网络(SS补偿网络))调谐这些耦合器可能由于开关频率超过允许的带宽而不起作用。允许的开关频率带宽(由SAE(美国汽车工程师学会)定义)是81.38kHz至90kHz。因此，需要针对输入电压范围和耦合系数变化满足电力传输，同时在指定的调控带宽内对逆变器开关进行开关操作。
示例性耦合器用于说明使用SS补偿网络时的带宽限制问题。在图2中概括了耦合器规范。检验随着耦合系数从最小值(0.08)变化到最大值(0.2)开关频率如何变化是有益处的。假设线圈无损耗，给出了等式(1)中的电力传输的一般解析式：
Figure BDA0001228326430000051
假设耦合系数不变，则在最大输入电压处，开关频率预期处于最大值。
由于输入阻抗是复数形式并且通过检查不易于获得大致推论，因此，对于这种设计的无线电力传输(WPT)被绘制成图3所示的频率的函数。***在400V的输入电压下操作。Cp和Cs的值分别是8.86nF和21nF。在最小的耦合系数下操作允许在较小的开关频率范围内传输大范围的电力。相比之下，在最大的耦合系数下操作需要较大范围的开关频率来满足与最小耦合度的情况的电力范围相同的电力范围。尽管在固定耦合度下的操作可能满足负载功率，同时操作是在调控带宽内的，但是改变耦合系数不允许在允许的带宽内的操作。
为了证明图3中的推论能通用于SS补偿网络，针对预定义系列的***规范考虑并评估了Cp和Cs的实用范围的所有可能组合。图4概括了示例性耦合器的开关频率范围。在使用SS补偿网络时(图5)，***超过了用于最小的耦合系数情况的允许带宽。对于kmin条件，针对开关频率的所有可行方案的开关频率都低于80kz。但是，在高的耦合系数下，大多数设计都落在调控带宽内。此外，在高的耦合系数下，用于所有设计的耦合器效率都高于90％。这表明最小的耦合系数情况必须用作主要的设计约束。如图5所示，全负载的效率范围可根据选择的设计而从47％变化到92％。重要的是，设计被选择以实现kmin情况下的高效率。
图6示出了当在82.6kHz下调谐时的更详细的描述。最大耦合度下的开关频率在可用带宽内，并且***效率大于90％。然而，根据预期，由于开关频率范围超过了带宽，因此***不能在最小耦合度下传输电力。此外，对于最小耦合度的情况，初级线圈中的电流(Is)大于40A。如果效率不是限制因素，则EMF(电磁场)水平必定是限制因素。因此，将SS补偿网络用于上述耦合器规范是不可行的。
虽然SS补偿网络最简单且性价比最高，但是如上面所解释的，当需要开关频率的窄范围变化以调控负载中的带宽范围的输出电压时，不能使用SS补偿网络。为了将IPT***直接连接到电池并对电池充电，同时还容许耦合度和线圈自感的变化，需要新的拓扑结构。过去已经提出了几种方案。例如，LCL是常见的一种方案。然而，这种拓扑结构的部件数量多。为了实现与LCL的性能相似的性能，提出了新的补偿网络。在此被称为串联补偿的初级和带有电感器的次级网络(series compensated primary and secondary-with-inductornetwork，SS-L补偿网络)，并且在车辆充电情境的图7中示出了这种网络的示意电路732。电路732的初级侧包括与电容器736串联的初级线圈734。来自电源(未示出)的电力被提供给初级侧，以用于无线传输到次级侧(被示出为在车辆737内)。电路732的次级侧包括与电容器740串联的次级线圈738。相对于SS补偿网络，电路732具有额外的部件：在次级补偿网络之后在次级侧中添加了电感器742，并且电感器742与反映负载阻抗(reflected loadimpedance)并联(与串联连接的次级线圈738和电容器740并联)。这个示例中的次级侧与牵引电池744电连接，牵引电池744被布置为向电机746提供电力。此外，电机746被布置为提供动力以使车辆737的车轮(未示出)运动。这种拓扑结构表现出优于SS补偿网络的预想不到的更高性能。
为了使两个松弛耦合的线圈在谐振下工作，需要两个电容器来调谐这两个线圈。在每一侧至少连接一个电容器。如果只有两个电容器用于调谐线圈，则只有两种方式来将电容器分别连接到线圈：电容器可以被串联连接或并联连接。这种实施方式是常见的且性价比高。SS补偿网络最适合上述耦合器规范。上面揭示了在低的耦合度下向负载的电力传输被限制。此外，针对电力范围调控输出电压所需要的开关频率范围太大并且超过了***的带宽。通过增加与反映负载阻抗并联的电感器742，开关频率范围大大变窄。然而，在操作开关频率范围内，电感器742应具有等于或小于反映负载阻抗的阻抗。例如，如果电感器742的电感被选择为40uH，则在开关频率带宽内电感器742的阻抗大约是15Ω。尽管谐振回路的输出处的反映负载阻抗大约是30Ω，但是预期电流在负载和电感器742之间分流。因此，通过优化初级补偿电容器736和次级补偿电容器740，同时还考虑到电感器742的阻抗，线圈734和738的补偿网络可被设计为使***的额定VA(伏特安培)最小化。由于电感器742和负载之间共用电流，因此根据负载的变化，开关频率更小。此外，通过在次级侧循环更大的电流，IPT输入电压不需要增大以在操作在允许的开关频率带宽内的同时满足负载功率。
最优化代码被创建以搜索Cp和Cs的最优值。图8示出了用于所有可行设计的开关频率范围。最优化代码推荐的Cp和Cs的所有可行组合允许在操作在允许的开关频率带宽内的同时进行功率调控。
虽然在次级线圈中实现了较大的电流循环，但是SS-L实施方式在低耦合度下产生了效率更高的***(如图9所示)。这是因为初级线圈中的电流循环几乎减小了一半。也就是说，SS-L补偿网络不仅在实现带宽方面是成功的，而且在所有的操作条件下保证80％的效率。最大耦合度可以达到90％的效率。
更详细地表征了一种设计。这种设计分别产生了值为7.6nF的Cp、值为17nF的Cs和值为40μH的Lb。假设IPT***直接连接到电池，并且电池电压随着电池从最小SOC(荷电状态)变为最大SOC(荷电状态)而从300V线性变化到400V。在图10中示出了这种设计结果的概况。
图10示出了随着输出功率从最小值(800W)变化到最大值(3.3kW)时的IPT***的综合研究。可以看出，在大的耦合系数下，开关频率几乎不变。并且，在最小的耦合系数下，开关频率开始随着功率传输的增大而减小。在两种耦合情况下，开关频率始终在允许的带宽内。值得一提的是，对于所有的操作条件，初级线圈电流(Is)低于22A。当输入电压为最小值时，输入阻抗相位角是负的，因此失去ZVS操作。如果Lb的值增大，则最小输入电压下的ZVS操作被保证。这样造成的代价是，初级线圈中的电流循环增大并且效率轻微减小。在图11中示出了这个示例性设计的概况。
为了了解阻抗转换器(车载充电器)的优点，通过针对所有的操作条件而将WPT的输出电压固定为400V来实施另一个研究。图12概括了在这种条件的***性能。在低耦合度情况下效率增大，并且初级线圈的电流循环小于16A。
为了概括提出的方案的优点，在等式(2)和(3)中给出了针对SS补偿网络和提出的SS-L补偿网络的输入阻抗的解析式：
Figure BDA0001228326430000071
Figure BDA0001228326430000072
其中，
Figure BDA0001228326430000081
Figure BDA0001228326430000082
M是互感，Lp是地侧自感，Ls是次级侧自感，Re是负载着谐振回路网络的反映负载电阻，Cp是连接在地侧的串联补偿电容，Cs是连接在车辆侧的串联补偿电容，Lb是连接在车辆侧的并联补偿电感，ω是角开关频率，Rp是地侧线圈形成的电阻，Rs是车辆侧线圈形成的电阻。
为了研究电感器742的贡献，在图13中以数值方式评估并绘制(包括幅值和相位)等式(3)。通过利用随着Lb趋向于无穷大而变化的等式(3)中的输入阻抗的限制，等式(3)简化为等式(2)。结果是直观的，这是因为使电感器742的电感增大到无穷大而将SS-L电路简化成了SS电路。等式(1)中示出的电力传输表达式表明不仅输入阻抗的幅值控制着在明确的开关频率下的电力传输水平，而且输入阻抗的相位的余弦值也具有很大的贡献。这些观察应在尝试了解电感器742的预想不到的贡献时受到注意。
更详细地表征了一种设计。这种设计分别产生了值为6.48nF的Cp、值为16.2nF的Cs和值为20μH的Lb。补偿电容器被调节，以最小化耦合器中的VA循环同时还允许逆变器的开关频率在调控带宽内。这种优化被执行同时还考虑到电感器742的阻抗。在图8中可以看出：当电感器742具有无穷大的阻抗(SS配置)时，诸如阻抗的相位小于零，因此，在调控的开关频率带宽内操作逆变器是不可实现的。电感器阻抗使得相位落后于输入阻抗，从而使得在期望的频率范围内电感器阻抗的相位大于零。也就是说，在频率范围内，输入阻抗的相位是正的(输入阻抗是电感性的)。对于在频率范围的两端和两端附近的频率，相位是负的(输入阻抗是电容性的)。这样允许逆变器能实现零电压开关。
虽然以上描述了示例性实施例，但这些实施例并不意在描述权利要求所涵盖的所有可能形式。说明书中所使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，可将各个实施例的特征进行组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管针对一个或更多个期望特性，各个实施例已经被描述为提供在其它实施例或现有技术实施方式之上的优点或优于其它实施例或现有技术实施方式，但是本领域的普通技术人员应认识到，根据特定应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现期望的整体***属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、装配的容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术实施方式的实施例并非在本公开的范围之外，并可被期望用于特定应用。

Claims (10)

1.一种电路，包括：
电感器，与负载以及串联连接的次级线圈和电容器并联，并且所述电感器具有使得在无线电力传输期间次级线圈与初级线圈在预定频率下实现谐振的阻抗，其中，初级线圈形成初级充电电路的一部分，初级充电电路包括与初级线圈串联的电容器，并且所述阻抗使得初级充电电路的输入阻抗在所述预定频率下是电感性的。
2.如权利要求1所述的电路，其中，输入阻抗在包括预定频率的频率范围内是电感性的，并且在所述频率范围的两端和两端附近处的频率下是电容性的。
3.如权利要求2所述的电路，其中，所述频率范围包括81kHz至90kHz。
4.如权利要求1所述的电路，其中，与次级线圈串联连接的电容器的电容是基于所述阻抗的。
5.一种次级侧无线电力传输补偿电路，包括：
次级线圈；
电容器，与次级线圈串联；
电感器，与次级线圈和所述电容器并联，并具有与并联连接到所述电感器的负载的反映阻抗相匹配的阻抗，使得次级线圈在取决于所述阻抗的预定频率下与耦合到次级线圈的初级线圈实现谐振。
6.如权利要求5所述的电路，其中，初级线圈形成初级充电电路的一部分，初级充电电路包括与初级线圈串联的电容器，并且其中，所述阻抗使得初级充电电路的输入阻抗是电感性的。
7.如权利要求6所述的电路，其中，输入阻抗在包括所述预定频率的频率范围内是电感性的，并且在所述频率范围的两端和两端附近处的频率下是电容性的。
8.如权利要求7所述的电路，其中，所述频率范围包括81kHz至90kHz。
9.如权利要求5所述的电路，其中，所述电容器的电容是基于所述阻抗的。
10.一种车辆，包括：
次级线圈、电容器和电感器，被布置为：在从初级线圈至次级线圈的无线电力传输期间，次级线圈、电容器和电感器形成串联补偿的初级和带有电感器的次级网络的一部分，其中，电感器与串联连接的次级线圈和电容器并联；
牵引电池，被配置为从次级线圈接收电力；
电机，被配置为从牵引电池接收电力。
CN201710089101.4A 2016-02-19 2017-02-20 Ss-l无线电力传输补偿电路 Active CN107104515B (zh)

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