基于cll諧振變換的電磁共振式無線充電裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及無線充電領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于aL諧振變換的電磁共振式無 線充電裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 全球面臨著越來越嚴(yán)重的環(huán)境危機(jī)與能源危機(jī)，化石燃料的日益減少和環(huán)境問題 的日益嚴(yán)重引起了全球的關(guān)注。電動汽車具有節(jié)能、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，大力發(fā)展電動汽車成 為解決危機(jī)的重要途徑之一，是未來汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。大規(guī)模電動車作為移動儲 能裝備將是第=次工業(yè)革命（能源互聯(lián)網(wǎng)）的重要支柱?，F(xiàn)在電動汽車的發(fā)展面臨著電池 成本高、能量密度低于化石能源、質(zhì)量大等一系列問題，無線充電技術(shù)為電動汽車的發(fā)展提 供了一條新路。電動汽車通過無線充電的方式進(jìn)行充電避免了直接的電接觸，可W有效的 減少充電時可能發(fā)生的事故。同時，大規(guī)模的建設(shè)無線充電的停車位和車庫，使得人們可W 在家或在停車場隨時對電動汽車進(jìn)行充電，不必去?？诘某潆娬具M(jìn)行充電。而電磁共振式 無線充電方式對水平位移不敏感的特性，使電動汽車可W在道路上行駛時一邊行駛一邊充 電，該樣可W極大的減少電動車電池的容量，使得電動汽車更加輕便實(shí)用。
[0003] 目前，無線電能傳輸有=種實(shí)現(xiàn)方式，分別為電磁感應(yīng)式無線充電方法、電磁共振 式無線充電方法、遠(yuǎn)場福射式無線充電方法。其中電磁感應(yīng)式無線充電方法利用的是分離 式變壓器的原理，當(dāng)充電裝置的初級線圈通過一定頻率的交流電時，通過電磁感應(yīng)原理，次 級線圈會產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩?，?shí)現(xiàn)了無線電能傳輸。該方 法原理簡單，容易實(shí)現(xiàn)，并且近距離能量傳輸效率很高，甚至可W達(dá)到99% ;但是該方法的 缺點(diǎn)在于傳輸距離過短，一般在厘米級甚至毫米級，位移或角度發(fā)生變化時，系統(tǒng)效率下降 明顯。電磁共振式無線充電方法利用了共振的原理，當(dāng)能量發(fā)射裝置與能量接收裝置調(diào)整 到統(tǒng)一諧振頻率時，兩裝置共振，它們可W交換彼此的能量，從而將能量從發(fā)射端傳輸?shù)浇?收端，實(shí)現(xiàn)了無線電能傳輸。該方法電磁福射較小，對生命體影響小，對其他頻率的電子產(chǎn) 品影響小，傳輸距離適中，一般在分米級，對于非金屬材料的障礙物穿透能力極強(qiáng)，小型的 金屬材料障礙物對其的影響也極小，可W同時對多個接收端供能，接收端線圈與發(fā)射端線 圈之間的產(chǎn)生水平位移或旋轉(zhuǎn)角度時，系統(tǒng)傳輸效率的變化很小；但是缺點(diǎn)在于傳輸效率 不如電磁感應(yīng)式無線充電方法，由于開關(guān)器件的限制，傳輸功率不高，系統(tǒng)諧振頻率過高， 頻率的波動對系統(tǒng)效率影響很大，諧振線圈尺寸過大會影響系統(tǒng)的實(shí)用性。遠(yuǎn)場福射式無 線充電方法利用微波或激光束可W攜帶能量進(jìn)行傳播的原理，發(fā)射端將電能轉(zhuǎn)化為微波或 激光束發(fā)射出去，利用二者的高穿透性，接收端接收微波或激光束，將其重新轉(zhuǎn)化為電能， 實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸。該方法傳輸距離極長，可W達(dá)到幾千米W上，定向性好；但是缺點(diǎn)在于 電能傳輸頻率高、效率低、微波式裝置會有較強(qiáng)的電磁污染問題，可能會影響人體健康，激 光式裝置電光、光電轉(zhuǎn)換效率很低，發(fā)射端裝置與接收端裝置互相要在可視范圍內(nèi)，并且中 間無障礙。
[0004] 在上述=種無線充電方法中，電磁共振式無線充電方法W其傳輸距離適中，傳輸 效率較大，對非金屬材料障礙物穿透性極強(qiáng)，對小型的金屬材料障礙物的穿透性也很好，接 收端線圈與發(fā)射端線圈之間的水平位移、旋轉(zhuǎn)角度對其傳輸效率的影響較小，電磁福射小， 對其他頻率的電子產(chǎn)品影響小，可W對多個同頻負(fù)載供能等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為電動汽車無線 充電方法的首選。而電磁共振式無線充電方法的諧振頻率一般在幾百千赫茲到幾兆赫茲之 間，如此高的開關(guān)頻率造成了很大的開關(guān)損耗，不僅降低了整體強(qiáng)磁禪合諧振式無線充電 系統(tǒng)的功率傳輸效率，還會使開關(guān)器件發(fā)熱，甚至發(fā)生安全性事故。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型的目的就是為了解決上述問題，提供一種基于化L諧振變換的電磁共 振式無線充電裝置，通過引入aL諧振變換，實(shí)現(xiàn)高頻逆變頻率、發(fā)射端諧振電路的諧振頻 率和接收端諧振電路的諧振頻率=者的一致，不僅實(shí)現(xiàn)了電磁共振的無線能量傳輸，而且 同時實(shí)現(xiàn)了高頻逆變器的零電壓和零電流開關(guān)逆變。有效降低了開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高 了能量傳輸效率；并且由于逆變器可W工作在更高的頻率下，減小了無線傳輸裝置體積。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：
[0007] 基于化L諧振變換的軟開關(guān)電磁共振式無線充電裝置，包括微控制器、AC/DC整流 模塊、發(fā)射端穩(wěn)壓濾波電容、aL諧振變換模塊、發(fā)射端禪合諧振線圈、接收端禪合諧振線 圈、接收端諧振電路電容、接收端AC/DC整流模塊、接收端穩(wěn)壓濾波電容、蓄電池和S相電 源；
[000引所述AC/DC整流模塊的輸入端連接S相電源，輸出端并聯(lián)發(fā)射端穩(wěn)壓濾波電容后 連接化L諧振變換模塊；
[0009] 所述化L諧振變換模塊的輸出端連接有發(fā)射端禪合諧振線圈，化L諧振變換模塊 中的電感電容與發(fā)射端禪合諧振線圈組成發(fā)射端諧振電路；
[0010] 發(fā)射端禪合諧振線圈與接收端禪合諧振線圈實(shí)現(xiàn)禪合作用，
[00川接收端禪合諧振線圈串聯(lián)接收端諧振電路電容后連接接收端AC/DC整流模塊；
[0012] 所述接收端禪合諧振線圈與接收端諧振電路電容構(gòu)成接收端諧振電路，接收由諧 振禪合磁場傳遞來的能量；
[0013] 所述接收端AC/DC整流模塊的輸出端并聯(lián)接收端穩(wěn)壓濾波電容后為蓄電池充電； 接收端穩(wěn)壓濾波電容對接收端AC/DC整流模塊得到直流電進(jìn)行濾波，濾去高頻交流部分；
[0014] 所述AC/DC整流模塊和化L諧振變換模塊中MOS管的開關(guān)接受微控制器驅(qū)動信號 的控制，使aL諧振變換模塊的高頻逆變頻率、發(fā)射端諧振電路的諧振頻率和接收端諧振 電路的諧振頻率=者一致，發(fā)射端與接收端的電路達(dá)到共振。
[001引所述AC/DC整流模塊為雙向AC/DC整流模塊，是由6個MOS管Qi-Qe構(gòu)成的S相橋 式全控整流電路；通過微控制器控制MOS管的占空比，實(shí)現(xiàn)對直流側(cè)電壓Vi。的調(diào)節(jié)。
[0016] 所述發(fā)射端穩(wěn)壓濾波電容包括串聯(lián)的兩個電容。1，對雙向AC/DC整流模塊得 到直流電進(jìn)行濾波，濾去高頻交流信號。
[0017] 所述化L諧振變換模塊為H全橋電路；包括4個MOS管每個MOS管并聯(lián)有一 個二極管，分別為Dii-Di4,每個MOS管都對應(yīng)有一個寄生電容，分別為Cii-Ci4;4個MOS管及 與其并聯(lián)的二極管和電容構(gòu)成H橋的4個垂直橋臂；中間橫向橋臂包括串聯(lián)的兩個電感Li 和L^，電感Li和串聯(lián)后與電感L。并聯(lián)，并聯(lián)后的整體再與電容C1串聯(lián)。諧振電容C1和諧振 電感Li串聯(lián)組成一種串聯(lián)諧振電路，諧振頻率f 1由Li、Ci諧振產(chǎn)生，
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于CLL諧振變換的電磁共振式無線充電裝置，其特征是，包括AC/DC整流模塊； 所述AC/DC整流模塊的輸入端連接三相電源，輸出端并聯(lián)發(fā)射端穩(wěn)壓濾波電容后連接 CLL諧振變換模塊； 所述CLL諧振變換模塊的輸出端連接有發(fā)射端耦合諧振線圈，CLL諧振變換模塊中的 電感電容與發(fā)射端耦合諧振線圈組成發(fā)射端諧振電路； 發(fā)射端耦合諧振線圈與接收端耦合諧振線圈實(shí)現(xiàn)耦合作用； 接收端親合諧振線圈串聯(lián)接收端諧振電路電谷后連接接收端AC/DC整流t吳塊； 所述接收端耦合諧振線圈與接收端諧振電路電容構(gòu)成接收端諧振電路，接收由諧振耦 合磁場傳遞來的能量； 所述接收端AC/DC整流模塊的輸出端并聯(lián)接收端穩(wěn)壓濾波電容后為蓄電池充電；接收 端穩(wěn)壓濾波電容對接收端AC/DC整流模塊得到的直流電進(jìn)行濾波，濾去高頻交流部分； 所述AC/DC整流模塊和CLL諧振變換模塊中MOS管的開關(guān)接受微控制器驅(qū)動信號的控 制，使CLL諧振變換模塊的高頻逆變頻率、發(fā)射端諧振電路的諧振頻率和接收端諧振電路 的諧振頻率三者一致，以使發(fā)射端與接收端電路達(dá)到共振。
2. 如權(quán)利要求1所述基于CLL諧振變換的電磁共振式無線充電裝置，其特征是，所述 AC/DC整流模塊為雙向AC/DC整流模塊；所述雙向AC/DC整流模塊是由6個MOS管％-〇6構(gòu) 成的三相橋式全控整流電路；通過微控制器控制MOS管的占空比，實(shí)現(xiàn)對直流側(cè)電壓V in的 調(diào)節(jié)。
3. 如權(quán)利要求1所述基于CLL諧振變換的電磁共振式無線充電裝置，其特征是，所述發(fā) 射端穩(wěn)壓濾波電容包括串聯(lián)的兩個電容Cil，C i2，對雙向AC/DC整流模塊得到直流電進(jìn)行濾 波，濾去高頻交流信號，Cil的正極連接雙向AC/DC整流模塊輸出的高壓側(cè)，C i2的正極與C η 的負(fù)極相連，Ci2的負(fù)極連接雙向AC/DC整流模塊輸出的低壓側(cè)。
4. 如權(quán)利要求1所述基于CLL諧振變換的電磁共振式無線充電裝置，其特征是，所述 CLL諧振變換模塊為H全橋電路，包括4個MOS管Q11-Q14，每個MOS管并聯(lián)有一個二極管，分 別為D 11-D14，每個MOS管都對應(yīng)有一個寄生電容，分別為Cn-C14;4個MOS管及與其并聯(lián)的二 極管和電容構(gòu)成H橋的4個垂直橋臂；中間橫向橋臂包括串聯(lián)的兩個諧振電感LdP L2，電 感LJP L 2串聯(lián)后與諧振電感L ^并聯(lián)，并聯(lián)后的整體再與諧振電容C i串聯(lián)。
5. 如權(quán)利要求4所述基于CLL諧振變換的電磁共振式無線充電裝置，其特征是，所述 CLL諧振變換模塊具有兩種諧振頻率，一種是由諧振電容C1和諧振電感L i產(chǎn)生的諧振頻 率f\，S
弓一種則是由諧振電容C1和諧振電感L pU產(chǎn)生的諧振頻率f 2，即
其中L^1為電感L i、Ltl并聯(lián)等效的諧振電感，
6. 如權(quán)利要求4所述基于CLL諧振變換的電磁共振式無線充電裝置，其特征是，電感L2 為發(fā)射端耦合諧振線圈，與電容C1和電感L i、Ltl組成發(fā)射端諧振電路，利用發(fā)射端耦合諧振 線圈與接收端耦合諧振線圈的高耦合，將高頻交流電能量發(fā)射出去。
7. 如權(quán)利要求1所述基于CLL諧振變換的電磁共振式無線充電裝置，其特征是，所述接 收端AC/DC整流模塊為4個二極管D1-D 4構(gòu)成的單相全橋整流電路，將接收到的高頻交流整 流成直流。
8.如權(quán)利要求1所述基于CLL諧振變換的電磁共振式無線充電裝置，其特征是，所述微 控制器產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制PWM信號，用于控制MOS管的開關(guān)； 所述微控制器還包括電壓檢測電路，電壓檢測電路將采集的電池組端電壓、充電電流 及輸入直流母線的電壓，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換端口送到微控制器的CPU。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于CLL諧振變換的電磁共振式無線充電裝置；微控制器獲取直流母線電壓，并控制雙向AC/DC整流模塊中MOS管的占空比實(shí)現(xiàn)輸入直流母線電壓的穩(wěn)定；微控制器通過控制CLL諧振變換模塊中MOS管的切換，將直流電逆變成交流電；發(fā)射端耦合諧振線圈將CLL諧振變換模塊的逆變能量發(fā)射出去，傳輸?shù)浇邮斩笋詈现C振線圈；接收端耦合諧振線圈接收到高頻交流電后經(jīng)過接收端AC/DC整流模塊進(jìn)行整流，穩(wěn)壓濾波后對蓄電池進(jìn)行充電；微控制器獲取蓄電池的端電壓和充電電流，并控制CLL諧振變換模塊MOS管的占空比，實(shí)現(xiàn)設(shè)定的充電電流和過充保護(hù)功能。能工作在零電壓和零電流開關(guān)下，有效降低了開關(guān)損耗，提高了能量傳輸效率；減小了無線傳輸裝置體積。
【IPC分類】H02J17-00, H02J7-02
【公開號】CN204361763
【申請?zhí)枴緾N201520050094
【發(fā)明人】張承慧, 商云龍, 李超群, 崔納新, 張奇, 李澤元, 韓堯
【申請人】山東大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年1月23日