一种恒流输出与恒压输出相互切换的综合补偿拓扑

技术领域

本发明属于电动汽车无线电能传输领域，尤其是涉及一种恒流输出与恒压输出相互切换的综合补偿拓扑。

背景技术

在电动汽车无线充电过程中，存在补偿拓扑多样化、充电速度慢、蓄电池寿命短、开关电容上电压应力、不同充电方式间兼容性差等问题。这会导致电动汽车充电难以实现高性能工作、对社会资源造成浪费、影响用户的充电体验以及加大用户的时间成本和金钱成本。

目前已有的针对无线充电系统的可变结构的补偿拓扑有不足，例如：开关电容上电压应力大，对开关电容损伤大；无线充电系统中拓扑的可调参数较多，拓扑结构较复杂，需要对开关的导通角进行调整；需要对副边信息实时监测；开关需开通或关断多次。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种恒流输出与恒压输出相互切换的综合补偿拓扑，对于电动汽车无线充电系统主要有恒压与恒流充电两种方式，现存的拓扑存在一些缺点，针对这些缺点设计了一种可实现恒压与恒流切换的、控制更为简单方便的综合拓扑。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种恒流输出与恒压输出相互切换的综合补偿拓扑，电源模块依次通过逆变模块、补偿模块、耦合模块、整流模块与负载连接；

利用检测模块检测负载的电量信息，将电量信息反馈至控制模块；

控制模块根据检测模块反馈的电量信息，控制补偿模块的开关状态。

进一步的，在补偿模块中，电感、电容需要满足的条件为：

其中，电容、电感取值为：

进一步的，包括以下步骤：

S1、补偿模块的开关管关断，此时恒流充电；

S2、判断负载的电量信息是否达到第一预设值，如果是则执行步骤S3，否则维持步骤S1状态；

S3、将补偿模块开关管导通，此时恒压充电；

S4、判断判断负载的电量信息是否达到第二预设值，如果是则结束，否则维持步骤S3的状态。

进一步的，在步骤S1中，补偿模块的开关管关断，此时电路为SS拓扑。

进一步的，在步骤S3中，补偿模块开关管导通，此时电路为LCCS拓扑。相对于现有技术，本发明所述的一种恒流输出与恒压输出相互切换的综合补偿拓扑具有以下有益效果：

本发明所述的一种恒流输出与恒压输出相互切换的综合补偿拓扑，可以根据充电时的具体情况完成SS补偿拓扑与LCCS补偿拓扑的切换。可以在快速充电的情况下，确保电池完全充满电。具有广阔的市场前景，该专利可以用于全功率等级电动汽车等大功率无线充电，适应性强，应用面广；

本方案相比于开关可控电容拓扑只需开关管开通或关断一次；减小了开关电容上电压应力；相比于开关电容控制更加简单不需要对导通角控制；实现对恒流或恒压控制以实现对电动汽车蓄电池充电；本拓扑控制只在原边，不需要对副边信息实时控制。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本方案的综合拓扑的原理图；

图2为本方案的补偿模块开关管导通时原边等效电路图；

图3为本方案的补偿模块开关管关断时原边等效电路图；

图4为本方案的无线充电整体系统模块示意图；

图5为本方案的工作流程图；

图6为本方案在负载电阻在30Ω-120Ω时电流与电压图(前2.5秒使拓扑工作在恒流模式，后2.5秒使拓扑工作在恒压模式)；

图7为本方案在ss拓扑状态下，电阻由30Ω变为60Ω再变为30Ω输出电流与输出电压的波形图；

图8为本方案在ss拓扑状态下，电阻由30Ω变为60Ω再变为30Ω原边电压、副边电压、原边电流以及副边电流的波形图；

图9为本方案在lccs拓扑状态下，电阻由60Ω变为120Ω再变为60Ω输出电流与输出电压的波形图；

图10为本方案在lccs拓扑状态下，电阻由60Ω变为120Ω再变为60Ω原边电压、副边电压、原边电流以及副边电流的波形图；

图11为本方案在不同阻值下输出电压V

图12为ss补偿拓扑原理图；

图13为ss补偿拓扑原理图的等效电路图；

图14为ss副边等效阻抗图；

图15为ss补偿的输入阻抗等效图；

图16为lccs补偿拓扑原理图；

图17为T电路；

图18为Π电路；

图19为对称T电路；

图20为对称Π电路；

图21为lccs原边等效电路；

图22为lccs补偿拓扑。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本专利所要解决的主要问题是，对于电动汽车无线充电系统主要有恒压与恒流充电两种方式，现存的拓扑存在一些缺点，针对这些缺点设计了一种可实现恒压与恒流切换的、控制更为简单方便的综合拓扑。

本专利的技术方案是：在固定电压源的条件下，通过对恒压条件(即输出电压恒定)以及恒流条件(即输出电流恒定)进行分析，设计合适的参数和开关器件的位置，使开关器件在某种状态下(开通或者关断)能达到恒压条件，同时在另一状态下能达到恒流条件。通过检测装置检测电动汽车的剩余电量，在电动汽车电量低于百分之八十时，采用恒流充电的方式；在电动汽车电量高于百分之八十时，采用恒压充电的方式。

本专利包括电源模块、整流模块、逆变模块、补偿模块、耦合模块、检测模块：

其中，逆变模块包括MOSFET功率管；耦合模块用于电能的传输；检测模块电池电量检测模块，用于测量电动汽车的蓄电池的剩余电量，将测得信号反馈给智能开关控制器；控制模块包括智能开关控制器，用于实现对MOSFET开关状态的改变，本方案中开关管Q

如图2所示，此时拓扑为LCCS拓扑，使拓扑工作在恒压状态需要满足

结合电动汽车无线充电时负载电阻随充电时间在不断变化，本方案对各电容、电感取值如下

电压模块频率为85kHz。

当所有的开关管均导通时，此电路拓扑为LCCS拓扑，实现恒压输出；当所有的开关均关断时，此电路拓扑为SS拓扑，实现恒流输出；

下面将结合说明书附图，针对ss补偿拓扑的分析：

如图12所示为ss补偿拓扑原理图，图13为ss补偿拓扑原理图的等效电路图，对副边列写KVL：

图14为ss副边等效阻抗图，副边等效电阻为：

令虚部等于零得：

可以将图13中的电流控制电压源视为阻抗如图15所示，其中图15为ss补偿的输入阻抗等效图；

此时，将电流控制电压源等效为阻抗Z

输入阻抗Z

令输入阻抗Z

图16为lccs补偿拓扑原理图，图17为T电路；

由KVL和欧姆定律得：

令Λ＝Z

当输入为正弦电压源时，有：

若要实现全负载范围内恒压输出，则令Λ＝0,输出电压与输入电压之比G

若要实现全负载范围内恒流输出，则令Z

当输入为正弦电流源时，有：

若要实现全负载范围内恒压输出，则令Z

G

G

由回路电流法可得：

在恒压源输入时，可得：

当Z

在恒流源输入时，可得：

若要实现恒压输出，则Z

在T谐振电路中，设各臂阻抗为：

带入

得：

若令X

这样T电路可以进一步化为对称T电路。

当输入为正弦电压电源时，可得：

当输入为正弦电流电源时，可得：

对称T电路能从正弦电压输入得到正弦电流输出，或从正弦电流输入得到正弦电压输出，具有压流转换的功能。根据星三角变换可到对称Π电路。根据对称T电路特性有：

输出比输入的增益为：

当开关管全部关断时，本拓扑为ss补偿拓扑,实现恒压输入恒流输出。根据前面的分析可得：

当开关管全部开通时，本拓扑为lccs补偿拓扑，实现恒压输入恒压输出。根据前面的分析可得：

综上，综合拓扑只需满足：

本方案在具体实施过程中，包括以下步骤：

S1、电动汽车蓄电池电量较低，无线充电系统正常工作；

S2、蓄电池剩余电量持续增加达到临界值(总电量的百分之八十)；

S3、检测模块将此时的剩余电量传送给智能开关；

S4、智能开关改变MOSFET的开关状态。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。