[发明专利]一种提升系统互操作性的无线电能传输装置及控制方法

说明书

本发明公开一种提升系统互操作性的无线电能传输装置与控制方法，装置包括依次级联的功率因数校正电路、逆变电路、谐振单元、整流电路、滤波电路与负载，还包括源侧调节器、逆变模式控制器与载侧调节器。本发明通过切换逆变电路与整流电路的工作模式，配合母线电压调节与可控整流技术，实现了IPT系统的互操作与高效率电能传输，能够在宽负载范围、宽耦合系数范围内满足多档功率等级传输需求。本发明用一套装置满足了EV WPT系统车载端设备的三类功率等级与三类传能距离的互操作需求，且在电路拓扑方面无需增加额外的电路元件，有效减小系统成本和安装空间，具有高性价比优势。

技术领域

本发明涉及一种提升IPT系统互操作性的电能传输装置及控制方法，属于无线充电的技术领域。

背景技术

随着全球化石能源的逐渐枯竭与环境污染日益严重，电动汽车（EV）以其能量利用率高、环保清洁和可利用能源种类多等优势受到广泛关注，受到了世界各国的大力推广，逐渐在市场商用。与接触式有线充电相比，无线供电技术（Wireless Power Transfer, WPT）具有便捷、安全、美观、自动化程度高等优点，易于实现无人化自动充电和分布断续补电，延长电动汽车的续驶里程，更有望与无人驾驶技术无缝对接，实现智能、安全、便捷的电能传输模式。

电动汽车无线充电系统包括地面装置和车载装置两部分，其中地面装置从电网取电，转化为高频交流电激励埋于地面下的供电线圈，产生高频交变磁场；车载装置通过安装在汽车底盘的接收线圈匝链高频交变磁通产生高频交流感应电动势，并经副边补偿网络和整流滤波网络变为直流电能，给车载储能设备供电。随着感应式无线电能传输技术的发展，电动汽车无线充电领域的技术路线与技术方案已基本成熟。现阶段，国、内外主流车企已开始无线充电量产车辆的规划及研发，电动汽车无线充电行业蓄势待发。然而，电动汽车无线充电进行规模化推广，需要解决不同型号、规格的地面设备和车载设备之间互联互通的问题，以支撑在公共充电场合下的安全、高性能无线充电。

在乘用车领域，现行的标准为美国机动车工程师学会制定的电动汽车无线充电标准SAE J2954轻型插电式/纯电动车无线充电与校准方法(Wireless Power Transfer forLight-Duty Plug-In/ Electric Vehicles and Alignment Methodology)。其中将轻量型电动汽车无线充电器按传输功率等级分为了3个类型，分别为WPT1 (3.7kW)、WPT2(7.7kW)、WPT3 (11kW)，并分别针对跑车、轿车与SUV三种车型车底盘的高度定义了三类传能距离Z1(100mm-150mmm)、Z2(140mm-210mm)、Z3(170mm-250mm)。因此对于地面端公共应用场景设备，需要支持9类车载端设备的充电需求。互操作性同时还要求系统在车辆充电电压范围内(280-420V)与全偏移工况下，均能够实现满功率输出，且系统效率不低于80%。为满足WPT系统的互操作需求，目前形成了两类主流的功率变换器方案，一是以美国Witricity公司为代表的基于LCC/LCC双边补偿及动态调谐技术的技术路线，如附图1、附图2所示；二是我国相关公司采用的BUCK+基于可控整流的LCC/LCC补偿谐振电路的技术方案，如附图3所示。其中动态调谐技术通过对谐振电容两端的电压信号进行采样，根据电压信号控制双向开关每半周期的无功能量注入来实现可调电容或可调电感，但增加的功率控制开关管和相应的驱动电路，增加了控制难度和系统成本。附图3所示的技术方案在地面端引入一级的Buck变换器来调节直流母线电压，并将车载端不控整流桥的两只下管替换为MOS管，通过控制MOS管的导通角直接调节输出增益，实现对输出的快速动态响应，相比于动态调谐方案，其控制复杂度大大降低，但额外引入DC/DC变换器也增加了系统的体积与成本。另外，可控整流电路同时也会改变谐振单元的等效负载性质，引入额外的容抗或感抗，导致电路失谐，影响传输效率。为兼容小功率传输需求与轻载工况，通常可控整流的调节深度需要很深，导致系统失谐程度高，传输效率低。