CN111987811B - 一种基于正交叠层式磁耦合机构的三传能通道型无线充电*** - Google Patents

一种基于正交叠层式磁耦合机构的三传能通道型无线充电*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于正交叠层式磁耦合机构的三传能通道型无线充电***，属于无线充电技术领域。发射端包括：直流电源、全桥逆变器、谐振补偿拓扑和三路发射线圈，直流电源、全桥逆变器、谐振补偿电路和三路发射线圈依次连接；接收端包括：三路接收线圈、谐振补偿拓扑、可控整流电路和***负载，三路接收线圈、谐振补偿拓扑、可控整流电路和***负载依次连接，三路发射线圈和三路接收线圈一一对应构成三个传能通道，且三路发射线圈和三路接收线圈均为正交叠层设置。本发明的一种基于正交叠层式磁耦合机构的三传能通道型无线充电***，以正交叠层式磁耦合机构中三个传能通道作为能量传输载体，并且三个传能通道采用输入串联输出串联模式降低电压应力。

Description

一种基于正交叠层式磁耦合机构的三传能通道型无线充电 ***
技术领域
本发明涉及基于一种基于正交叠层式磁耦合机构的三传能通道型无线充电***，属于无线充电技术领域。
背景技术
由于电动车动力电池组的容量受限并且成本较高，为缓解里程焦虑问题，传导式充电机采用多模块串联或者并联方式实现几十千瓦到几百千瓦的输出功率，通过缩短充电时间提升续航里程以及用户体验度。通常而言，较大的输出功率意味着较高的充电电压或者电流，从而要求功率器件具备较高的耐压或耐流性能并且线材具备良好的绝缘性和热稳定性。
现阶段，电动车无线充电标准SAEJ2954的输出功率范围为3.3kW～22kW，远低于具备快速充电功能的传导式充电机。通常而言，单传能通道型无线充电***在高压大功率运行时存在如下问题：较高的电压应力不仅增加器件的选型难度与成本，而且易于导致线材的绝缘失效和老化；单一能量传输载体降低了***的故障容错性与功率拓展性。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于正交叠层式磁耦合机构的三传能通道型无线充电***，以解决现有技术中存在的较高的电压应力不仅增加器件的选型难度与成本，而且易于导致线材的绝缘失效和老化的问题，和单一能量传输载体降低了***的故障容错性与功率拓展性的问题。
一种基于正交叠层式磁耦合机构的三传能通道型无线充电***，所述三传能通道型无线充电***包括发射端和接收端，
其中，所述发射端包括：直流电源、全桥逆变器、发射端谐振补偿拓扑和三路发射线圈，所述直流电源、全桥逆变器、发射端谐振补偿拓扑和三路发射线圈依次连接；
所述接收端包括：三路接收线圈、接收端谐振补偿拓扑、可控整流电路和负载，所述三路接收线圈、接收端谐振补偿拓扑、可控整流电路和***负载依次连接，
所述三路发射线圈和三路接收线圈一一对应构成三个传能通道，且所述三路发射线圈和三路接收线圈均为正交叠层设置。
进一步的，所述三路发射线圈和三路接收线圈各包括第一DD型线圈、第二DD型线圈和方形线圈，两个方形线圈邻近，所述第一DD型线圈、第二DD型线圈和方形线圈依次交叠，且所述三路发射线圈和三路接收线圈的线圈交叠顺序相反。
进一步的，所述全桥逆变器包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4，二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，所述二极管D1和开关管Q1反并联，所述二极管D2和开关管Q2反并联，所述二极管D3和开关管Q3反并联，所述二极管D4和开关管Q4反并联，开关管Q1和开关管Q4串联成一组桥臂，开关管Q2和开关管Q3串联成一组桥臂，两组桥臂并联。
进一步的，所述发射端谐振补偿拓扑包括电感L1p、电容Cp、电容C1p、电容C11、电容C12和电容C13，所述三路发射线圈包括线圈L11、线圈L12和线圈L13，所述电感L1p、电容Cp和电容C1p依次串联，所述电容Cp、线圈L11、电容C11、线圈L12、电容C12、线圈L13和电容C13依次串联。
进一步的，所述线圈L11和线圈L12均为DD型线圈，所述线圈L13为方形线圈。
进一步的，所述三路接收线圈包括线圈L21、线圈L22和线圈L23，所述接收端谐振补偿拓扑包括电容C21、电容C22和电容C23，所述线圈L21和电容C21串联，所述线圈L22和电容C22串联，所述线圈L23和电容C23串联。
进一步的，所述可控整流电路包括开关管Q11、开关管Q12、开关管Q13、开关管Q21、开关管Q22、开关管Q23、二极管D11、二极管D12、二极管D13、二极管D21、二极管D22、二极管D23、二极管D31、二极管D32、二极管D33、二极管D41、二极管D42和二极管D43，所述二极管D31和开关管Q11反并联，所述二极管D32和开关管Q12反并联，所述二极管D33和开关管Q13反并联，所述二极管D41和开关管Q21反并联，所述二极管D42和开关管Q22反并联，所述二极管D43和开关管Q23反并联，所述二极管D11和开关管Q11串联成的一组桥臂和所述二极管D21和开关管Q21串联成的一组桥臂并联，所述二极管D12和开关管Q12串联成的一组桥臂和所述二极管D22和开关管Q22串联成的一组桥臂并联，所述二极管D13和开关管Q13串联成的一组桥臂和所述二极管D23和开关管Q23串联成的一组桥臂并联。
本发明的主要优点是：本发明的一种基于正交叠层式磁耦合机构的三传能通道型无线充电***，以正交叠层式磁耦合机构中三个传能通道作为能量传输载体，并且三个传能通道采用输入串联输出串联模式降低电压应力。解决了现有技术中存在的较高的电压应力不仅增加器件的选型难度与成本，而且易于导致线材的绝缘失效和老化的问题，和单一能量传输载体降低了***的故障容错性与功率拓展性的问题。
附图说明
图1是磁集成交叠线圈的结构图和磁场分布图；
图2是具备三传能通道的正交叠层式磁集成耦合机构示意图；
图3是本发明的一种基于正交叠层式磁耦合机构的三传能通道型无线充电***的电路结构图；
图4是***故障容错电路图及其故障状态分析图；
图5是偏移与交叉耦合互感值的实验结果，其中，图5(a)为x轴方向上偏移距离与交叉耦合互感值的实验结果；图5(b)为y轴方向上偏移距离与交叉耦合互感值的实验结果。
图6是传能通道2和传能通道3发生故障时仿真波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种基于正交叠层式磁耦合机构的三传能通道型无线充电***，三传能通道型无线充电***包括发射端和接收端，
其中，发射端包括：直流电源、全桥逆变器、发射端谐振补偿拓扑和三路发射线圈，直流电源、全桥逆变器、发射端谐振补偿拓扑和三路发射线圈依次连接；
接收端包括：三路接收线圈、接收端谐振补偿拓扑、可控整流电路和负载，三路接收线圈、接收端谐振补偿拓扑、可控整流电路和负载依次连接，
三路发射线圈和三路接收线圈一一对应，且三路发射线圈和三路接收线圈均为交叠设置。
进一步的，三路发射线圈和三路接收线圈各包括第一DD型线圈、第二DD型线圈和方形线圈，两个方形线圈邻近，第一DD型线圈、第二DD型线圈和方形线圈依次交叠，且三路发射线圈和三路接收线圈的线圈交叠顺序相反。
具体的，磁集成交叠线圈工作机理。一方面，采用磁集成技术将两个或者多个线圈绕制在一个磁芯上，从结构上集中在一起，以便减小体积和重量。另一方面，采用正交解耦法将两个或者多个线圈按照电流方向正交并且结构对称方式布局，从而最大限度地减小叠层线圈之间交叉耦合互感值和间距。线圈电流设定为30A，图1左侧为磁集成交叠线圈的结构图并且右侧为磁场分布图。
发射线圈1(定义为D)中两线圈相邻部分电流同向，发射线圈3(定义为S)按照结构对称方式与D叠层放置时，由图1可知：D流过交变电流iD，其在S中产生的磁链ΨSD与两者之间互感值MSD的关系式为
MSD＝ψSD/iD (1)
由图1和式(1)可知：由于ΨSD流入S以及流出S之和为零，MSD＝0表明D与S之间无交叉耦合。同理，图1中其余线圈之间不存在交叉耦合的合理性分析与上述类似。多个结构对称的线圈按照电流正交方式最小间距叠层并且共用一个磁芯构造了发射端和接收端中不同构型的磁集成交叠线圈，从而为本发明提出的正交叠层式磁集成耦合机构提供多个传能通道。
由图1中磁集成交叠线圈构成的正交叠层式磁耦合机构如图2所示。发射端和接收端DD型线圈1构成传能通道1，发射端和接收端DD型线圈2构成传能通道2以及发射端和接收端方形线圈构成传能通道3。同时，采用骨架型磁芯结构提升磁耦合机构的自感值和互感值。
进一步的，全桥逆变器包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4，二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，二极管D1和开关管Q1反并联，二极管D2和开关管Q2反并联，二极管D3和开关管Q3反并联，二极管D4和开关管Q4反并联，开关管Q1和开关管Q4串联成一组桥臂，开关管Q2和开关管Q3串联成一组桥臂，两组桥臂并联。
进一步的，发射端谐振补偿拓扑包括电感L1p、电容Cp、电容C1p、电容C11、电容C12和电容C13，三路发射线圈包括线圈L11、线圈L12和线圈L13，电感L1p、电容Cp和电容C1p依次串联，电容Cp、线圈L11、电容C11、线圈L12、电容C12、线圈L13和电容C13依次串联。
进一步的，线圈L11和线圈L12均为DD型线圈，线圈L13为方形线圈。
进一步的，三路接收线圈包括线圈L21、线圈L22和线圈L23，接收端谐振补偿拓扑包括电容C21、电容C22和电容C23，线圈L21和电容C21串联，线圈L22和电容C22串联，线圈L23和电容C23串联。
进一步的，可控整流电路包括开关管Q11、开关管Q12、开关管Q13、开关管Q21、开关管Q22、开关管Q23、二极管D11、二极管D12、二极管D13、二极管D21、二极管D22、二极管D23、二极管D31、二极管D32、二极管D33、二极管D41、二极管D42和二极管D43，二极管D31和开关管Q11反并联，二极管D32和开关管Q12反并联，二极管D33和开关管Q13反并联，二极管D41和开关管Q21反并联，二极管D42和开关管Q22反并联，二极管D43和开关管Q23反并联，二极管D11和开关管Q11串联成的一组桥臂和二极管D21和开关管Q21串联成的一组桥臂并联，二极管D12和开关管Q12串联成的一组桥臂和二极管D22和开关管Q22串联成的一组桥臂并联，二极管D13和开关管Q13串联成的一组桥臂和二极管D23和开关管Q23串联成的一组桥臂并联。
具体的，如图3所示，三传能通道型无线充电***包括全桥逆变器，LCC-S补偿拓扑，正交叠层式磁耦合机构，基于同相控制的可控整流电路，***负载以及充电控制器等。为降低三组Buck变换器与全桥逆变器带来的较大占地面积与成本以及连线复杂度，采用一组具备足够输入功率的Buck变换器与全桥逆变器为无线充电***供电。
发射端的DD型线圈1、DD型线圈2和方形线圈串联为一个发射线圈，采用LCC补偿拓扑后发射线圈中谐振电流i1恒定，从而为接收线圈提供恒定的感应电压。接收端的DD型线圈1、DD型线圈2和方形线圈分别连接串联补偿拓扑和可控整流电路后串联直流母线，从而为负载供电。此时，输出电压Uo1、Uo2和Uo3之和充电电压Uo。显然，根据串联分压原理可知：无线充电***中处于大功率运行，三个传能通道降低了功率器件、发射(接收)线圈和补偿电容的电压应力。
考虑到正交叠层式磁集成耦合机构中传能通道1～3的潜在故障包括谐振电容击穿、线圈绝缘击穿以及可控整流电路中功率管损坏等，在此基础上无线充电***故障容错电路以及故障状态与开关管S1～S6切换关系如图4所示。其中，S1～S3为双向开关且S4～S6为单向开关；正常工作时，S1～S6均处于断开状态。
下面提出本发明的具体实施事例：
(1)正交叠层式磁耦合机构的耦合性能实施例：
以表1中正交叠层式磁耦合机构为例展开本部分实施例，
表1正交叠层式磁耦合机构的参数
正交叠层式磁耦合机构中交叉耦合互感值与x轴和y轴方向上偏移距离之间实验结果如图5所示，发射端和接收端分别表示为T和R，DD型线圈1、2和方形线圈分别表示为1，2和3，MT(i)T(j≠i)、MR(i)R(j≠i)和MT(i)R(j≠i)分别表示发射端和接收端叠层线圈之间交叉耦合互感值。由图4可知：与理论分析和仿真结果一致，x轴或y轴方向上存在偏移时，除了MT1R3、MT3R1、MT2R3和MT3R2以外，其余交叉耦合互感值均可忽略。此外，MT2R3的存在相当于发射线圈T2和T3同时为R3供电，并且T2和T3顺接时提升了输出功率。
(2)三传能通道型无线充电***电气特性实施例：
***工作频率为85kHz，恒流源的输出电流有效值为30A以及功率电阻为36Ω，x轴或y轴方向上不存在偏移并且负载电压为550V时，采用和未采用正交叠层式磁集成耦合机构的三传能通道型无线充电***(如图3所示)中电压应力的实验结果列于表2。接收线圈与整流二极管的端电压最大值分别为U2i和UDi(单位为V)，传能通道的互感值和交叉耦合互感值分别为MTiRi和MTiR(j≠i)(单位为μH)。为保证对比公平性，磁芯和利兹线用量以及线圈面积和厚度均相等，据此制作由非正交式三层DD型线圈构成的磁耦合机构，发射端和接收端三个线圈分别串联后构成单传能通道1以及独立使用构成抽头式三传能通道。此外，正交叠层式磁集成耦合机构中发射端和接收端三个线圈分别串联构成单传能通道2。
由表2中数据可知：相较于单传能通道1和2，抽头式和磁集成交叠线圈中三传能通道降低电压应力；虽然抽头式三传能通道中器件电压应力与磁集成交叠线圈的差异较小，但是线圈之间交叉耦合的存在导致采用抽头式三传能通道的无线充电***效率η降低67.7％。
显然，表2中数据表明了正交叠层式磁集成耦合机构降低了器件的电压应力。
表2采用和未采用正交叠层式磁集成耦合机构的电压应力测试
由图6可知：t1和t2时刻，传能通道2和3相继发生故障，传能通道2和3关断并且停止功率传输，此过程中传能通道1的功率传输未受影响，***处于降额运行状态。采用发射线圈中谐振电流的过零点作为切换点，从而保证S1～S3安全且稳定地切换。检测三个传能通道的Uoi是否为0实现故障状态判别：Uoi为0时，传能通道i出现故障，切除此故障模块保证了***正常运行。

Claims (3)

1.一种基于正交叠层式磁耦合机构的三传能通道型无线充电***，所述三传能通道型无线充电***包括发射端和接收端，
其中，所述发射端包括：直流电源、全桥逆变器、发射端谐振补偿拓扑和三路发射线圈，所述直流电源、全桥逆变器、发射端谐振补偿拓扑和三路发射线圈依次连接；
所述接收端包括：三路接收线圈、接收端谐振补偿拓扑、可控整流电路和***负载，所述三路接收线圈、接收端谐振补偿拓扑、可控整流电路和***负载依次连接，
所述三路发射线圈和三路接收线圈一一对应构成三个传能通道，且所述三路发射线圈和三路接收线圈均为正交叠层设置；
所述三路发射线圈和三路接收线圈各包括第一DD型线圈、第二DD型线圈和方形线圈，两个方形线圈邻近，所述第一DD型线圈、第二DD型线圈和方形线圈依次交叠，且所述三路发射线圈和三路接收线圈的线圈交叠顺序相反；
所述发射端谐振补偿拓扑包括电感L1p、电容Cp、电容C1p、电容C11、电容C12和电容C13，所述三路发射线圈包括线圈L11、线圈L12和线圈L13，所述电感L1p、电容Cp和电容C1p依次串联，所述电容Cp、线圈L11、电容C11、线圈L12、电容C12、线圈L13和电容C13依次串联；
所述线圈L11和线圈L12均为DD型线圈，所述线圈L13为方形线圈；
所述三路接收线圈包括线圈L21、线圈L22和线圈L23，所述接收端谐振补偿拓扑包括电容C21、电容C22和电容C23，所述线圈L21和电容C21串联，所述线圈L22和电容C22串联，所述线圈L23和电容C23串联。
2.根据权利要求1所述的一种基于正交叠层式磁耦合机构的三传能通道型无线充电***，其特征在于，所述全桥逆变器包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4，二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，所述二极管D1和开关管Q1反并联，所述二极管D2和开关管Q2反并联，所述二极管D3和开关管Q3反并联，所述二极管D4和开关管Q4反并联，开关管Q1和开关管Q4串联成一组桥臂，开关管Q2和开关管Q3串联成一组桥臂，两组桥臂并联。
3.根据权利要求1所述的一种基于正交叠层式磁耦合机构的三传能通道型无线充电***，其特征在于，所述可控整流电路包括开关管Q11、开关管Q12、开关管Q13、开关管Q21、开关管Q22、开关管Q23、二极管D11、二极管D12、二极管D13、二极管D21、二极管D22、二极管D23、二极管D31、二极管D32、二极管D33、二极管D41、二极管D42和二极管D43，所述二极管D31和开关管Q11反并联，所述二极管D32和开关管Q12反并联，所述二极管D33和开关管Q13反并联，所述二极管D41和开关管Q21反并联，所述二极管D42和开关管Q22反并联，所述二极管D43和开关管Q23反并联，所述二极管D11和开关管Q11串联成的一组桥臂和所述二极管D21和开关管Q21串联成的一组桥臂并联，所述二极管D12和开关管Q12串联成的一组桥臂和所述二极管D22和开关管Q22串联成的一组桥臂并联，所述二极管D13和开关管Q13串联成的一组桥臂和所述二极管D23和开关管Q23串联成的一组桥臂并联。
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