CN108282035A - 适用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置及方法，包括发射端和接收端，发射端包括三相整流模块、高频逆变器和发射端LCC补偿模块；接收端包括接收端LC补偿电路、高频整流模块和单电感四开关非隔离式自动升降压模块；发射端和接收端还包括微控制器、PWM驱动模块、无线通信模块、数据采集模块；发射端和接收端控制器控制器通过数据采集模块采集相应模块的输出数据，通过无线通信模块进行数据传输，依据采集数据进行***运行状态判断，从而改变相应模块的PWM控制信号进入相应的工作模式，形成三级功率控制并实现频率跟踪，提高运行效率。本发明可在***参数在一定范围内波动的情况下稳定运行，适用于电动汽车的多种无线充电场景。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，具体涉及一种适用于抗***参数宽范围波动的电动汽车无线电能传输装置及控制方法。
背景技术
资源消耗和环境污染逐渐成为世界性问题，传统燃油汽车的快速发展给环境带来了严重的负面作用。而新能源电动汽车因具有能量转换效率高、环保零排放等优势，成为缓解上述问题的重要途径，因此各国相继出台政策大力推进充电桩建设以配套电动汽车发展。而有线充电桩的建设需要占用大量土地，且安全性较差。相比与传统的有线充电，无线充电装置具有占地少、安全便捷、无机械磨损、抗腐蚀氧化性好、无火花触电危险等优势，能适应恶劣天气，又便于实现自动充电、间歇式充电、动态充电。
磁耦合谐振式无线充电技术采用耦合线圈以电磁场为载体传递能量，通过工作频率、原边固有谐振频率及副边固有谐振频率一致共振，提高传输效率和功率。可在较高效率水平运行，传输距离达几十厘米，含括了现有大多数电动汽车底盘与地面距离范围，适合车用无线充电。但底盘距离变化、车体横向位移变化均会影响输出电压或电流以及传输效率。而实际中如停车静态充电，公交车站点间歇充电，高速公路间隔区域带动态充电均会出现这些距离，位移变化影响***工作状态。此外，谐振线圈补偿网络元件的参数漂移亦会导致***失谐，造成***稳定性变差，传输效率下降。
所以，电动汽车无线电能传输***的抗***参数波动的功率控制问题亟待解决，以实现在耦合条件变化及元件参数漂移等***参数波动的情况下仍保持稳定的恒压恒流输出。目前，对于无线电能传输***恒压恒流的充电控制技术大致分为三类：(1)通过参数配置实现开环的恒压/恒流输出；(2)通过接收侧DC/DC控制实现恒压/恒流输出；(3)通过控制逆变器移相角度或工作频率实现。但三种方式各有优缺点：方式(1)，容易受到补偿网络参数漂移或内阻的影响不能实现稳定的恒压/恒流效果；另外，恒压恒流值在设计之初便是固定的，若要实现可调还要结合其他控制方式。方式(2)后级DC/DC需要放置在电动汽车上，增加了体积和成本；另外，常用的非隔离式Buck/Boost适用的输入范围较小，而隔离式DC/DC无疑需要更大体积的变压器。方式(3)工作范围较小，不能在耦合条件宽范围变化时同时又保持高效率运行。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种适用于抗***参数宽范围波动的电动汽车无线电能传输装置及方法，该装置能够在耦合条件变化及补偿网络元件参数漂移等***参数波动情况下实现恒压/恒流控制，适用于停车静态充电，站点间歇充电，公路间隔区域带动态充电等多种充电场景。
本发明所采用的技术方案是：
一种适用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置，包括发射端和接收端，所述发射端包括三相整流模块、高频逆变器和发射端LCC补偿模块，所述三相整流模块接三相电源，将三相电源的工频交流电整流为直流电，直流电经高频逆变器逆变为高频交流电后传输至发射端LCC补偿模块，发射端LCC补偿模块以交变电磁场为载体将高频交流电传输给接收端；所述接收端包括接收端LC补偿电路、高频整流模块和单电感四开关非隔离式自动升降压模块，所述接收端LC补偿电路耦合连接发射端LCC补偿模块，接收发射端LCC补偿模块传输的高频交流电，高频整流模块与接收端LC补偿电路连接，将接收端LC补偿电路接收到的高频交流电整流成直流电，并传输给单电感四开关非隔离式自动升降压模块，所述单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出稳定直流电给负载电池充电。
进一步的，所述三相整流模块为三相全桥整流电路，包括由六个MOS管组成的三对桥臂和与一桥臂并联的第一电容；
所述高频逆变器为H全桥逆变电路，包括由四个MOS管组成的两对桥臂，每个MOS管分别并联有电容；
所述发射端LCC补偿模块为第一电感、第二电容、第三电容和发射线圈，所述发射线圈和第三电容串联后再与第二电容并联，所述第一电感的一端与第二电容和第三电容的连接点连接，另一端与H全桥逆变电路的一桥臂连接。
进一步的，所述接收端LC补偿模块包括第四电容和接收线圈；所述第四电容和接收线圈串联后接高频整流模块；
所述高频整流模块包括由四个快恢复二极管组成的两对桥臂和与一桥臂并联的滤波电容；
所述单电感四开关非隔离式自动升降压模块包括由四个MOS管组成的两对桥臂，两对桥臂中点通过第二电感连接，一桥臂两端接高频整流模块的滤波电容作为直流输入，另一桥臂两端接稳压电容后给电池充电。
进一步的，所述接收端还包括接收端数据采集模块、第一PWM驱动模块、接收端微控制器和第一无线通信模块，所述接收端数据采集模块分别与高频整流模块和单电感四开关非隔离式自动升降压模块连接，用于采集高频整流模块和单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压电流数据，并通过SPI端口传送至接收端微控制器，接收端微控制器根据接收到的数据进行PID运算，产生合理的第一PWM控制信号通过第一PWM驱动模块控制单电感四开关非隔离式自动升降压模块中MOS管，同时还通过第一无线通信模块将采集到的高频整流模块和单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压电流数据传输至发射端的发射端微控制器。
进一步的，所述发射端还包括发射端数据采集模块、第二PWM驱动模块、第三PWM驱动模块、发射端微控制器和第二无线通信模块，所述发射端数据采集模块分别与三相整流模块、高频逆变器连接，用于采集三相整流模块以及高频逆变模块输出的电压及电流数据，并通过SPI端口传输至发射端控制器模块，第二无线通信模块用于接收接收端发送的高频整流模块和单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压电流数据，并传输至发射端微控制器，发射端微控制器根据接收到的三相整流模块和高频逆变模块输出的电压电流数据以及高频整流模块和单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压电流数据进行PID运算，产生合理的第二PWM控制信号通过第二PWM驱动模块控制三相整流模块中MOS管占空比，产生合理的第三PWM控制信号通过第三PWM驱动模块控制高频逆变器中MOS管的开关频率和移相角度。
进一步的，所述发射端数据采集模块和接收端数据采集模块分别包括依次连接的霍尔电压及电流传感器、信号调理电路和ADC模数转换器。
上述的适用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置的控制方法，该方法包括以下步骤：
(1)发射端数据采集模块采集三相整流模块和高频逆变模块输出的电压电流数据，并传输至发射端控制器模块，接收端数据采集模块采集高频整流模块和单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压及电流数据，并传输至接收端控制器模块，同时将采集到的高频整流模块和单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压及电流数据传输至发射端控制器模块；
(2)选择工作模式：
发射端控制器模块根据高频逆变器输出的电压和电流的相位差判断***是否处于失谐状态，若相位差大于设定阈值，则判定***处于失谐状态，进入频率跟踪模式；
发射端控制器模块判断高频整流模块输出的电压数据是否在设定的合理输出范围内，若超过所设定的合理输出范围，则进入调压模式；
接收端控制器模块根据高频整流模块输出的电压与单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压的相对关系，判断单电感四开关非隔离式自动升降压模块的工作模式。
进一步的，所述发射端控制器模块根据高频逆变器输出的电压和电流的相位差判断***是否处于失谐状态，若相位差大于设定阈值，则判定***处于失谐状态，进入频率跟踪模式，包括：
发射端控制器模块根据高频逆变器输出的电压和电流的相位差判断***是否处于失谐状态，若相位差大于设定阈值，则判定发射端LCC补偿模块或接收端LC补偿模块的元件发生参数漂移导致***失谐，进入频率跟踪模式，进行PID闭环运算调节控制高频逆变模块的第三PWM控制信号的驱动频率，从而调节高频逆变模块中MOS管开关频率进行频率跟踪。
进一步的，所述判断高频整流模块输出的电压数据是否在合理输出范围，若超过所设定的合理输出范围，则进入调压模式，包括：
判断高频整流模块输出的电压是否在设定的合理输出范围，若高频整流模块输出的电压超过所设定的合理输出范围，则进入调压模式，发射端控制器模块改变控制三相整流模块的第二PWM控制信号的占空比，控制三相整流模块中MOS管占空比调节其直流输出电压，若高频整流模块输出的电压还不满足所设定的合理输出范围，则发射端控制器模块改变控制高频逆变模块的第三PWM控制信号的移相角度，控制高频逆变模块中MOS管移相角度从而调节逆变输出高频电压，直至高频整流模块的输出电压稳定在设定的合理范围内。
进一步的，所述根据高频整流模块输出的电压与单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压的相对关系，判断单电感四开关非隔离式自动升降压模块的工作模式，包括：
若高频整流模块输出的电压大于单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压，则接收端控制器模块改变控制单电感四开关非隔离式自动升降压模块的第一PWM控制信号的工作时序，使单电感四开关非隔离式自动升降压模块工作在降压模式，调整单电感四开关非隔离式自动升降压模块中一对桥臂上两个开关管占空比，使直流输出稳定供给负载电池；
若高频整流模块输出的电压小于单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压，则接收端控制器模块改变控制单电感四开关非隔离式自动升降压模块的第一PWM控制信号的工作时序，使单电感四开关非隔离式自动升降压模块工作在升压模式，调整单电感四开关非隔离式自动升降压模块中另一对桥臂上两个开关管占空比，使直流输出稳定供给负载电池；
若高频整流模块输出的电压与单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压相差小于1V，则接收端控制器模块改变控制单电感四开关非隔离式自动升降压模块的第一PWM控制信号的工作时序，使单电感四开关非隔离式自动升降压模块工作在过渡模式，调整单电感四开关非隔离式自动升降压模块中两对桥臂上开关管占空比，从而调节了一个周期内升压状态与降压状态占比，使直流输出稳定供给负载电池。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明能够在发生线圈偏移，距离变化以及补偿拓扑结构中元件参数漂移等***参数波动影响***稳定输出时，发射端微控制器根据接收端的高频整流模块输出调节三相整流模块进行变占空比以及高频逆变模块的移相角，从而稳定接收端的高频整流输出在合理范围内，并通过具有宽范围输入的自动升降压模块输出稳定的电压或电流供给负载；同时通过高频逆变模块工作频率的变频控制实现效率跟踪，保证***高效运行；有效克服了由于线圈偏移，距离变化以及补偿网络元件参数漂移等***参数波动造成的传输效率下降以及输出不稳定问题；
(2)本发明的接收端微控制器根据高频整流模块输出与自动升降模块输出的相对关系改变PWM工作时序，使升降压模块运行在合适的工作模式以实现稳定的输出供给负载，与发射端三相整流模块以及高频逆变模块的调压控制，形成抗***参数宽范围变化的三级功率控制，拓宽了***运行工况，可适用于电动汽车的多种无线充电场景；
(3)本发明采用由LCC和LC补偿模块组成的耦合补偿网络拓扑，可以实现发射线圈的恒流特性；在接收端采用采用LC串联补偿拓扑减小了车载设备的体积，降低了成本；
(4)本发明在接收端采用无变压器的非隔离的单电感四开关升降压拓扑，可以实现接收端的整流模块输出更宽的变化范围，降低了发射端调压模式的调控压力；同时，由于采用了四个可控的开关管，可工作在同步整流状态，从而实现更高的效率以及更大的功率密度。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明实施例公开的适用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置结构图；
图2为抗***参数宽范围波动的***程序控制运行图；
图3为本发明主要工作模式下的PWM控制波形图；
图3(a)为***工作模式1的PWM控制波形图；
图3(b)为***工作模式2的SVPWM空间电压矢量关系图；
图3(c)为***工作模式3的PWM控制波形图；
图3(d)为***工作模式4的PWM控制波形图；
图3(e)为***工作模式5的PWM控制波形图；
其中，1、三相电源；2、三相整流模块；3、高频逆变模块；4、发射端LCC补偿模块；5、接收端LC补偿模块；6、高频整流模块；7、单电感四开关非隔离式自动升降压模块；8、电池；9、接收端数据采集模块；10、发射端数据采集模块；11、接收端控制器模块；12、发射端控制器模块。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在容易受到补偿网络参数漂移或内阻的影响不能实现稳定的恒压/恒流效果，工作范围较小，不能在耦合条件宽范围变化时同时又保持高效率运行的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种适用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置及方法，能够在耦合条件变化及补偿网络元件参数漂移等***参数波动情况下实现恒压/恒流控制，适用于停车静态充电，站点间歇充电，公路间隔区域带动态充电等多种充电场景。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种适用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置，该装置包括三相电源1、发射端和接收端。
所述发射端包括三相整流模块2、高频逆变模块3、发射端LCC补偿模块4、发射端数据采集模块10和发射端控制器模块12；
三相整流模块2，为三相全桥整流电路，其三对桥臂分别与三相电源1连接，将三相电源1的工频交流电整流为直流电并通过第一电容C1进行稳压滤波；包括6个MOS管Q1-Q6、1个第一电容C1；其中Q1和Q4、Q3和Q6、Q5和Q2各组成一对桥臂，通过接收来自发射侧控制器模块12的第二PWM控制信号实现对三相整流模块的直流输出电压Uin1的调节。
高频逆变模块3，为H全桥逆变电路，包括4个MOS管Q7-Q10及其4个并联电容；其中Q7和Q9、Q8和Q10分别组成一对桥臂，通过接收来自发射侧控制器模块12的第三PWM控制信号控制MOS管开关频率和移相角度从而实现频率跟踪以及调节逆变输出高频电压Uin2。
发射端LCC补偿网络4，包括第一电感Lp1、第二电容Cp、第三电容Cp1、发射线圈Lp；具体连接为发射线圈Lp和第三电容Cp1串联再与第二电容Cp并联，其中一端再与第一电感Lp1串联，且其参数配置方式满足下式：
则可实现发射端LCC补偿模块4和接收端LC补偿模块5的固有谐振频率一致；当高频逆变模块3的工作频率与发射端LCC补偿模块4和接收端LC补偿模块5的固有谐振频率相等时实现无线电能谐振传输；此时，发射线圈Lp产生高频交变电磁场，通过与接收端LC补偿模块5中的接收线圈Ls的谐振耦合传递能量。
发射端数据采集模块10，分别与三相整流模块2和高频逆变模块3连接，用于检测三相整流模块2以及高频逆变模块3输出的电压及电流等数据，并通过SPI端口传送至发射端微控制器。该发射端数据采集模块10包括依次连接的霍尔电压及电流传感器、信号调理电路及ADC模数转换器，所述ADC模数转换器与发射端微控制器连接。
发射端控制器模块12包括发射端微控制器、第二PWM驱动模块、第三PWM驱动模块、SPI通信端口和第二无线通信模块；
所述SPI通信端口与发射端数据采集模块10连接，通过SPI通信协议接收采集到的三相整流模块2以及高频逆变模块3输出的交流电压电流等数据；
所述第二无线通信模块，用于接收接收端微控制器发出的高频整流模块6和单电感四开关非隔离式自动升降压模块7输出的电压电流数据，并传输至所述发射端微控制器。所述第二无线通信模块采用WIFI模块。
所述发射端微控制器，用于根据所采集的三相整流模块2、高频逆变模块3以及高频整流模块6、单电感四开关非隔离式自动升降压模块7输出的电压电流等数据运行PID运算，产生合理的PWM控制信号通过第二PWM驱动模块控制三相整流模块2中MOS管的占空比调节其直流输出电压Uin1；通过第三PWM驱动模块控制高频逆变模块3中MOS管的开关频率以及移相角度调节逆变输出高频电压Uin2；，从而控制接收端的的高频整流模块6的输出电压在一个稳定范围内。
所述接收端包括接收端LC补偿网络5、高频整流模块6、单电感四开关非隔离式自动升降压模块7、电池8，接收端数据采集模块9和接收端控制器模块11。
接收端LC补偿模块5，包括第四电容Cs、接收线圈Ls，二者串联后接高频整流模块6；接收线圈Ls谐振耦合接收发射线圈Lp发射而来的能量。
高频整流模块6，为单相全桥整流电路，包括4个快恢复二极管D1-D4及1个滤波电容Cin，其中D1和D3、D2和D4分别组成一对桥臂；将接收端LC补偿网络5谐振接收到的高频交流电整流成直流电。
单电感四开关非隔离式自动升降压模块7，包括由MOS管Q11和Q13、Q12和Q14组成的两对桥臂，两桥臂中点通过第二电感LC连接，一桥臂两端接高频整流模块6滤波电容Cin作为直流输入，另一桥臂两端接稳压电容Cout后给电池8充电。
接收端数据采集模块9，包括依次连接的霍尔电流及电压传感器、信号调理电路及ADC模数转换器；检测接收侧高频整流模块6以及单电感四开关非隔离式自动升降压模块7输出的电压电流等数据，并通过SPI端口传送至接收侧控制器模块11作为工作模式的判断依据。
接收端控制器模块11，包括接收端微控制器、第一PWM驱动模块、SPI通信端口和第一无线通信模块；
所述SPI通信端口与接收侧数据采集模块9连接，通过SPI通信协议采集到的高频整流6输出的电压/电流Ucin/Icin以及单电感四开关非隔离式自动升降压模块7输出的电压/电流Ucout/Icout等数据，从而判断自动升降压模块工作在降压模式，升压模式以及过渡模式；
所述第一无线通信模块，用于向发射端第二无线通信模块发送高频整流模块和单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压电流数据。所述第一无线通信模块采用WIFI模块。
所述接收端微控制器，用于根据所采集的高频整流模块6和单电感四开关非隔离式自动升降压模块7输出的电压电流数据运行PID运算，进而产生合理的第一PWM控制信号，通过第一PWM驱动模块控制单电感四开关非隔离式自动升降压模块7中的4个MOS管。
本发明实施例提出的适用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置的工作原理为：
当发生线圈偏移，距离变化以及补偿拓扑结构元件参数漂移等***参数波动影响***稳定输出时，发射端微控制器根据接收端的高频整流模块输出调节三相整流模块进行变占空比以及高频逆变模块的移相角，从而稳定接收端的高频整流输出在合理范围内；同时通过高频逆变模块工作频率的变频控制实现效率跟踪，保证***高效运行；接收端微控制器根据高频整流模块输出与自动升降模块输出的相对关系改变PWM工作时序，使单电感四开关非隔离式自动升降压模块运行在合适的工作模式以实现稳定的输出供给负载。这样，形成抗***参数宽范围变化的三级功率控制。
图2为适用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置程序控制运行图。无线电能传输装置上电运行后，接收侧数据采集模块9和发射侧数据采集模块10采集各电压电流数据，进入接收侧控制器模块11和发射侧控制器模块12进行工作模式选择以及PID闭环运算，以确保***高效稳定运行。
图3为该***各工作模式下的PWM控制波形图，图3a-3e分别对应5个工作模式的PWM波形图。下面依据图1-图3对抗***参数宽范围波动的工作模式和工作原理做进一步说明：
工作模式1：频率跟踪模式，如图3a所示，Q7和Q9波形互补，Q8和Q10波形互补，二者移相角α，初始化开关频率为f0＝ω0/2π，高频逆变模块3的4个MOS管按照图中时序开关，由发射端控制器模块12根据图2运行程序进行PID闭环运算调节第三PWM控制信号驱动频率，从而调节高频逆变模块的开关频率f进行频率跟踪以提高***运行效率。
工作模式2：调压模式，如图3b所示，应用SVPWM调制方法对三相整流模块2输出进行控制，由发射侧控制器模块12计算调制系数，识别扇区并计算矢量段，并按要求计算相应电压矢量作用时间从而调节三相整流模块的直流输出Uin1从而使Ucin稳定在设定范围内；若仍不能达到调节目标，则发射端控制器模块12改变工作模式1中高频逆变模块的移相角α进行移相调压。
工作模式3：降压模式，如图3c所示，Ucin>Ucout，此时Q14常关断，Q12常开通，Q11、Q13互补交替导通；由接收端控制器模块11根据图2程序进行PID闭环控制单电感四开关非隔离式自动升降压模块7的开关状态，调整Q11、Q13占空比使直流输出稳定供给负载电池8。
工作模式4：升压模式，如图3d所示，Ucin<Ucout，此时Q11常开通，Q13常关断，Q12、Q14互补交替导通；由接收端控制器模块11根据图2程序进行PID闭环控制单电感四开关非隔离式自动升降压模块7的开关状态，调整Q12、Q14占空比使直流输出稳定供给负载电池8。
工作模式5：过渡模式，如图3e所示，Ucin略大于或略小于Ucout，Q11、Q13互补交替导通，Q12、Q14互补交替导通，即一个周期内包括降压模式和升压模式；由接收侧控制器模块11根据图2程序进行PID闭环控制单电感四开关非单电感四开关非隔离式自动升降压模块7的开关状态，分别调节Q11和Q14的占空比，从而调节了一个周期内升压状态与降压状态占比，使直流输出稳定供给负载电池8。
本申请的另一种典型实施方式，提供了一种基于上述的适用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置的控制方法，包括以下步骤：
(1)获取电压/电流数据：接收端控制器模块11通过接收端数据采集模块9获取接收端高频整流模块6输出的电压/电流Ucin/Icin以及单电感四开关非隔离式自动升降压模块7输出的电压/电流Ucout/Icout，发射端控制器模块12通过第二无线通信模块接收接收端控制器模块11发送的电压/电流等数据；此外，发射端控制器模块12通过发射端数据采集模块10获取三相整流模块2输出的电压/电流Uin1/Iin1以及高频逆变模块3输出的交流电压/电流Uin2/Iin2等数据；
(2)判断工作状态：发射端控制器模块12根据高频整流模块6输出的电压Ucin数据判断是否在设定的合理输出范围内从而改变第二PWM控制信号和第三PWM控制信号中电压矢量作用时间控制发射端的三相整流模块2输出以及高频逆变模块3输出；接收端控制器模块11根据Ucin以及Ucout的相对关系判断单电感四开关非隔离式自动升降压模块7工作在降压模式、升压模式还是过渡模式；
(3)选择工作模式：
①发射端控制器模块12根据高频逆变输出的电压Uin2和电流Iin2的相位差判断***是否处于失谐状态，若相位差大于设定阈值，则判定发射端LCC补偿模块4或接收端LC补偿模块5元件发生参数漂移导致失谐；则进入工作模式1：频率跟踪模式，如图3a；进行PID闭环运算调节与高频逆变模块3连接的第三PWM控制信号的驱动频率，从而调节高频逆变模块3的开关频率进行频率跟踪，寻找传输效率极大点，减小失谐程度提升效率；
②判断高频整流模块6输出的电压Ucin是否在设定的合理输出范围，若高频整流模块3输出的电压Ucin超过所设定的合理输出范围，则进入工作模式2：调压模式，如图3b；发射端控制器模块12改变与三相整流模块2连接的第二PWM控制信号的占空比，控制三相整流模块的MOS管占空比调节其直流输出电压Uin1从而使接收侧高频整流模块6的输出稳定在合理范围内；当此调节仍不能达到目的则改变与高频逆变模块3连接的第三PWM控制信号的移相角度，控制高频逆变模块的MOS管移相角度从而调节逆变输出高频电压Uin2，直至高频整流模块的输出电压稳定在设定的合理范围内。
③若高频整流模块6输出的电压Ucin大于单电感四开关非隔离式自动升降压模块7输出的电压Ucout，则接收端控制器模块11改变控制单电感四开关非隔离式自动升降压模块7的第一PWM控制信号的工作时序，使单电感四开关非隔离式自动升降压模块7工作在工作模式3：降压模式，如图3c；调整单电感四开关非隔离式自动升降压模块7中开关管Q11、Q13占空比，降压模式，使直流输出稳定供给负载电池8；
④若高频整流模块6输出的电压Ucin小于单电感四开关非隔离式自动升降压模块7输出的电压Ucout，则接收侧控制器模块11改变控制单电感四开关非隔离式自动升降压模块的第一PWM控制信号的工作时序，使单电感四开关非隔离式自动升降压模块7工作在工作模式4：升压模式，如图3d，调整单电感四开关非隔离式自动升降压模块7中开关管Q12、Q14占空比，使直流输出稳定供给负载电池8；
⑤若Ucin与Ucout相差小于1V，则接收侧控制器模块11改变控制单电感四开关非隔离式自动升降压模块的第一PWM控制信号的工作时序，使单电感四开关非隔离式自动升降压模块7工作在工作模式5：过渡模式，如图3e；分别调节Q11和Q14的占空比，从而调节了一个周期内升压状态与降压状态占比，使直流输出稳定供给负载电池8。
下面结合以上对适用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置的工作原理的说明对本发明的有益效果做进一步说明：
(1)由于耦合机构采用LCC/LC串联补偿拓扑结构，使***运行效率不受耦合线圈偏移和距离变化(即互感系数变化)、负载变化的影响；由于工作模式2可以对三相整流模块2以及高频逆变模块3进行两级调压，且工作模式3-5进行后级DC/DC功率管理，使***在耦合线圈偏移和距离变化(即互感系数变化)、负载变化时能够稳定输出；当补偿拓扑结构元件参数漂移以至于补偿网络固有谐振频率发生漂移时，***进入工作模式1进行频率跟踪以提高***运行效率；
(2)由于***具有多级可控的工作模块以及对抗***参数波动的多个工作模式，拓宽了***运行工况，可适用于电动汽车的多种无线充电场景；
(3)耦合机构LCC/LC串联补偿拓扑可以实现发射线圈的的恒流特性；接收侧采用LC串联补偿减少元器件数量，从而减小了车载设备体积，降低了成本；
(4)接收侧采用非隔离的单电感四开关升降压拓扑，可以工作在同步整流模式，有效降低损耗提升效率；可接受接收侧高频整流模块输出更宽的变化范围作为输入，有效配合了发射端的调压效果；非隔离的DC/DC拓扑舍去了变压器的体积，故可以实现更高的效率以及更大的功率密度。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种适用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置，其特征是，包括发射端和接收端，所述发射端包括三相整流模块、高频逆变器和发射端LCC补偿模块，所述三相整流模块接三相电源，将三相电源的工频交流电整流为直流电，直流电经高频逆变器逆变为高频交流电后传输至发射端LCC补偿模块，发射端LCC补偿模块以交变电磁场为载体将高频交流电转传输给接收端；所述接收端包括接收端LC补偿电路、高频整流模块和单电感四开关非隔离式自动升降压模块，所述接收端LC补偿电路耦合连接发射端LCC补偿模块，接收发射端LCC补偿模块传输的高频交流电，高频整流模块与接收端LC补偿电路连接，将接收端LC补偿电路接收到的高频交流电整流成直流电，并传输给单电感四开关非隔离式自动升降压模块，所述单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出稳定直流电给负载电池充电。
2.根据权利要求1所述的用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置，其特征是，
所述三相整流模块为三相全桥整流电路，包括由六个MOS管组成的三对桥臂和与一桥臂并联的第一电容；
所述高频逆变器为H全桥逆变电路，包括由四个MOS管组成的两对桥臂，每个MOS管分别并联有电容；
所述发射端LCC补偿模块为第一电感、第二电容、第三电容和发射线圈，所述发射线圈和第三电容串联后再与第二电容并联，所述第一电感的一端与第二电容和第三电容的连接点连接，另一端与H全桥逆变电路的一桥臂连接。
3.根据权利要求1所述的用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置，其特征是，
所述接收端LC补偿模块包括第四电容和接收线圈；所述第四电容和接收线圈串联后接高频整流模块；
所述高频整流模块包括由四个快恢复二极管组成的两对桥臂和与一桥臂并联的滤波电容；
所述单电感四开关非隔离式自动升降压模块包括由四个MOS管组成的两对桥臂，两对桥臂中点通过第二电感连接，一桥臂两端接高频整流模块的滤波电容作为直流输入，另一桥臂两端接稳压电容后给电池充电。
4.根据权利要求1所述的适用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置，其特征是，所述接收端还包括接收端数据采集模块、第一PWM驱动模块、接收端微控制器和第一无线通信模块，所述接收端数据采集模块分别与高频整流模块和单电感四开关非隔离式自动升降压模块连接，用于采集高频整流模块和单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压电流数据，并通过SPI端口传送至接收端微控制器，接收端微控制器根据接收到的数据进行PID运算，产生合理的第一PWM控制信号通过第一PWM驱动模块控制单电感四开关非隔离式自动升降压模块中MOS管，同时还通过第一无线通信模块将采集到的高频整流模块和单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压电流数据传输至发射端的发射端微控制器。
5.根据权利要求1所述的适用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置，其特征是，所述发射端还包括发射端数据采集模块、第二PWM驱动模块、第三PWM驱动模块、发射端微控制器和第二无线通信模块，所述发射端数据采集模块分别与三相整流模块、高频逆变器连接，用于采集三相整流模块以及高频逆变模块输出的电压及电流数据，并通过SPI端口传输至发射端控制器模块，第二无线通信模块用于接收接收端发送的高频整流模块和单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压电流数据，并传输至发射端微控制器，发射端微控制器根据接收到的三相整流模块和高频逆变模块输出的电压电流数据以及高频整流模块和单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压电流数据进行PID运算，产生合理的第二PWM控制信号通过第二PWM驱动模块控制三相整流模块中MOS管占空比，产生合理的第三PWM控制信号通过第三PWM驱动模块控制高频逆变器中MOS管的开关频率和移相角度。
6.根据权利要求4和5所述的适用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置，其特征是，所述发射端数据采集模块和接收端数据采集模块分别包括依次连接的霍尔电压及电流传感器、信号调理电路和ADC模数转换器。
7.如权利要求1-6中任一项所述的适用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置的控制方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)发射端数据采集模块采集三相整流模块和高频逆变模块输出的电压电流数据，并传输至发射端控制器模块，接收端数据采集模块采集高频整流模块和单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压及电流数据，并传输至接收端控制器模块，同时将采集到的高频整流模块和单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压及电流数据传输至发射端控制器模块；
(2)选择工作模式：
发射端控制器模块根据高频逆变器输出的电压和电流的相位差判断***是否处于失谐状态，若相位差大于设定阈值，则判定***处于失谐状态，进入频率跟踪模式；
发射端控制器模块判断高频整流模块输出的电压数据是否在设定的合理输出范围内，若超过所设定的合理输出范围，则进入调压模式；
接收端控制器模块根据高频整流模块输出的电压与单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压的相对关系，判断单电感四开关非隔离式自动升降压模块的工作模式。
8.根据权利要求7所述的适用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置的控制方法，其特征是，所述发射端控制器模块根据高频逆变器输出的电压和电流的相位差判断***是否处于失谐状态，若相位差大于设定阈值，则判定***处于失谐状态，进入频率跟踪模式，包括：
发射端控制器模块根据高频逆变器输出的电压和电流的相位差判断***是否处于失谐状态，若相位差大于设定阈值，则判定发射端LCC补偿模块和接收端LC补偿模块的元件发生参数漂移导致***失谐，进入频率跟踪模式，进行PID闭环运算调节控制高频逆变模块的第三PWM控制信号的驱动频率，从而调节高频逆变模块中MOS管开关频率进行频率跟踪。
9.根据权利要求7所述的适用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置的控制方法，其特征是，所述判断高频整流模块输出的电压数据是否在合理输出范围，若超过所设定的合理输出范围，则进入调压模式，包括：
判断高频整流模块输出的电压是否在设定的合理输出范围，若高频整流模块输出的电压超过所设定的合理输出范围，则进入调压模式，发射端控制器模块改变控制三相整流模块的第二PWM控制信号的占空比，控制三相整流模块中MOS管占空比调节其直流输出电压，若高频整流模块输出的电压还不满足所设定的合理输出范围，则发射端控制器模块改变控制高频逆变模块的第三PWM控制信号的移相角度，控制高频逆变模块中MOS管移相角度从而调节逆变输出高频电压，直至高频整流模块的输出电压稳定在设定的合理范围内。
10.根据权利要求7所述的适用于抗***参数宽范围波动的无线电能传输装置的控制方法，其特征是，所述根据高频整流模块输出的电压与单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压的相对关系，判断单电感四开关非隔离式自动升降压模块的工作模式，包括：
若高频整流模块输出的电压大于单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压，则接收端控制器模块改变控制单电感四开关非隔离式自动升降压模块的第一PWM控制信号的工作时序，使单电感四开关非隔离式自动升降压模块工作在降压模式，调整单电感四开关非隔离式自动升降压模块中一对桥臂上两个开关管占空比，使直流输出稳定供给负载电池；
若高频整流模块输出的电压小于单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压，则接收端控制器模块改变控制单电感四开关非隔离式自动升降压模块的第一PWM控制信号的工作时序，使单电感四开关非隔离式自动升降压模块工作在升压模式，调整单电感四开关非隔离式自动升降压模块中另一对桥臂上两个开关管占空比，使直流输出稳定供给负载电池；
若高频整流模块输出的电压与单电感四开关非隔离式自动升降压模块输出的电压相差小于1V，则接收端控制器模块改变控制单电感四开关非隔离式自动升降压模块的第一PWM控制信号的工作时序，使单电感四开关非隔离式自动升降压模块工作在过渡模式，调整单电感四开关非隔离式自动升降压模块中两对桥臂上开关管占空比，从而调节了一个周期内升压状态与降压状态占比，使直流输出稳定供给负载电池。
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