1.本发明涉及无线电能传输技术领域，特别是一种用于电动汽车无线充电实现恒流恒压的集成式补偿结构。
背景技术：2.感应式无线电能传输技术为解决传统接触充电带来的安全隐患等问题提供了有效可行途径。该技术能彻底避免传统拔插充电对导体的依赖，供电安全、灵活、可靠，无接触火花，不受雨雪等恶劣环境影响。ipt技术已在在医疗电子设备、消费电子设备、电动汽车、家用电器、航天航空等领域得到了应用。
3.现如今，感应式无线电能传输技术广泛应用于电动汽车无线充电，其具有安全,灵活,高效的充电特点为其大规模应用提供了突破口，对于新能源电动汽车的推广起到至关重要的作用。电动汽车电池充电需要恒定电压和恒定电流输出特性，为了延长电池的使用寿命，充电电流及充电电压应当满足该充电轮廓。感应式无线电能传输系统的输出特性受其补偿方式、工作频率及负载状态影响，而电池的等效电阻随着充电过程不断增长，如何确保感应式无线电能传输系统输出特性能在和恒压之间的自动切换是电动汽车充电的关键问题。在过去的几十年里，许多基于各种控制策略的ipt系统的方法被提出，以确保在恒流和恒压之间的自动切换。这些方法大致可分为三个类型：1)dc-dc转换器；2)相移调制(psm)和3)变频控制(vfc)。首先，对于基于dc-dc转换器的方法，这种方法将增加开关损耗，降低传输效率，并需要更多的组件，从而增加系统的复杂性。其次，对于相移控制方法，调整范围太宽，无法实现zvs和zpa。最后，利用pfm控制可以引起频率分岔现象，使系统不稳定。这些基于各种控制策略的ipt系统的方法都存在一定的局限性。因此，需要提出一种无需复杂控制策略和额外器件就可以灵活地在恒流和恒压之间的自动切换。
技术实现要素：4.本发明所要解决的技术问题是提供一种用于电动汽车无线充电实现恒流恒压的集成式补偿结构，无需复杂控制策略和额外器件，可以在零相角输入(zpa)条件下实现负载无关的输出电流(cc)和负载无关的输出电压(cv)。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于电动汽车无线充电实现恒流恒压的集成式补偿结构，包括稳压直流电源、全桥逆变电路、原边补偿结构、原边发射线圈、副边接收线圈、副边补偿结构、整流滤波电路和负载；
6.所述稳压直流电源与全桥逆变电路串联，实现直流电转换成高频交流电，原边补偿结构和原边发射线圈串联到全桥逆变电路的输出端，组成发射侧电路；副边接收电路通过副边接收线圈与原边发射线圈电磁耦合；
7.副边接收线圈一端与副边串联补偿电容以及集成到耦合结构中的补偿电感串联后与整流滤波电路交流测的一端相连，副边接收线圈的另一端与整流滤波电路交流侧的另一端相连；
8.副边串联补偿电容与第一支路并联，所述第一支路包括串联的并联补偿电容及第一开关；
9.副边接收线圈与副边串联补偿电容串联后与第二支路并联，所述第二支路包括串联的副边并联补偿电容及第二开关；
10.整流滤波电路与负载连接。
11.优选的，所述副边接收电路由两种补偿结构组成，通过两个开关来切换，第一开关断开和第二开关断开为补偿结构一，第一开关闭合和第二开关闭合为补偿结构二。
12.优选的，所述原边补偿结构为原边串联补偿电容，所述原边串联补偿电容与原边发射电路中的原边发射线圈谐振匹配；副边接收线圈与副边串联补偿电容及并联补偿电容谐振匹配。
13.优选的，所述原边发射线圈及副边接收线圈采用利兹线绕制在磁芯上，所述磁芯采用导磁材料。
14.本发明提供一种用于电动汽车无线充电实现恒流恒压的集成式补偿结构，通过开关关断对不同谐振器件的选择，组合成两种补偿结构，补偿结构一具有负载无关的恒流输出特性，补偿结构二具有负载无关的恒压输出特性，通过开关在恒压与恒流模式之间灵活切换，符合电池的充电轮廓。在电池等效电阻较小的充电初始阶段系统工作在恒流输出模式下，在电池等效电阻随着电量增加逐渐增大时，该系统工作自然切换到恒压输出模式下。该拓扑结构同时具备恒流输出及恒压输出的能力。
附图说明
15.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
16.图1为本发明的无线充电系统示意图；
17.图2为本发明为基于补偿结构一的无线充电系统示意图；
18.图3为本发明为基于补偿结构一的无线充电系统等效示意图；
19.图4为本发明为基于补偿结构二的无线充电系统示意图；
20.图5为本发明为基于补偿结构二的无线充电系统等效示意图；
21.图6为本发明参数设计方法流程图；
22.图7为本发明无线充电系统恒流恒压输出效果示意图；
具体实施方式
23.如图1所示，一种用于电动汽车无线充电实现恒流恒压的集成式补偿结构，包括稳压直流电源1、全桥逆变电路2、原边补偿结构3、原边发射线圈4、副边接收线圈5、副边补偿结构6、整流滤波电路7和负载8；
24.所述稳压直流电源1与全桥逆变电路2串联，实现直流电转换成高频交流电，原边补偿结构3和原边发射线圈4串联到全桥逆变电路2的输出端，组成发射侧电路；副边接收电路通过副边接收线圈5与原边发射线圈4电磁耦合；
25.副边接收线圈5一端与副边串联补偿电容c2以及集成到耦合结构中的补偿电感l3串联后与整流滤波电路7交流测的一端相连，副边接收线圈5的另一端与整流滤波电路7交流侧的另一端相连；
26.副边串联补偿电容c2与第一支路并联，所述第一支路包括串联的并联补偿电容c2’
及第一开关s1；
27.副边接收线圈5与副边串联补偿电容c2串联后与第二支路并联，所述第二支路包括串联的副边并联补偿电容c3及第二开关s2；
28.整流滤波电路7与负载8连接。
29.副边接收电路通过开关进行两种结构的切换，副边补偿结构一为副边接收线圈一端与副边串联补偿电容以及集成到耦合结构中的补偿电感串联后与整流滤波电路交流测的一端相连，该副边接收线圈的另一端与该整流滤波电路交流侧的另一端相连；副边补偿结构二为副边接收线圈的一端与副边串联补偿电容串联后再与并联补偿电容以及副边集成到耦合结构中的串联补偿电感的一端相连，副边集成到耦合结构中的串联补偿电感另一端与整流滤波电路交流侧的一端相连，该副边接收线圈的另一端与副边并联补偿电容的另一端以及该整流滤波电路交流侧的另一端相连；副边接收电路中的整流电路直流侧并联后对负载进行供电。
30.随着充电过程的进行，系统可以根据电池充电特性等效电阻的变化通过开关s1和s2关断组合，选择副边补偿结构一和补偿结构二进行恒流和恒压模式的切换，来符合电动汽车充电轮廓，提高充电效率。
31.优选的，所述副边接收电路由两种补偿结构组成，通过两个开关来切换，第一开关s1断开和第二开关s2断开为补偿结构一，第一开关s1闭合和第二开关s2闭合为补偿结构二。
32.优选的，所述原边补偿结构3为原边串联补偿电容c1，所述原边串联补偿电容c1与原边发射电路中的原边发射线圈4谐振匹配；副边接收线圈5与副边串联补偿电容c2及并联补偿电容c2’
谐振匹配。
33.优选的，所述原边发射线圈4及副边接收线圈5采用利兹线绕制在磁芯上，所述磁芯采用导磁材料。
34.本发明副边补偿结构通过开关闭合和关断组合，选择两种不同的补偿结构，当s1断开和s2断开为补偿结构一，如图2所示，为本发明基于补偿结构一的无线充电系统，可以实现负载无关的输出电流；当s1闭合和s2闭合为补偿结构二，如图4所示，为本发明基于补偿结构2的无线充电系统，可以实现负载无关的输出电压。其次，本发明将副边补偿电感l3集成到副边接收线圈5中，如图3和图5所示，为对原边发射线圈4，副边接收线圈5和副边补偿电感l3解耦的等效电路。
35.为验证本发明的可行性，对原边发射线圈，副边接收线圈和副边补偿电感线圈进行实验验证，本实例发射线圈尺寸均为140mm*140mm，接收线圈为450mm*450mm，副边补偿电感线圈尺寸均为350mm*350mm，副边补偿电感线圈位于副边接收线圈内部，与原边发射线圈相对而置，在空间高度上距离150mm。原边发射线圈，副边接收线圈与副边补偿电感线圈均采用0.1mm*500股利兹线绕制，其原边接收线圈与副边发射线圈所用磁芯厚度为2.5mm。
36.图2为本发明为基于补偿结构1的无线充电系统示意图，图3为本发明为基于补偿结构一的无线充电系统等效示意图，对其进行电路理论分析，
37.当满足x1＝0以及x2+x
3-2x
23
＝0时，可得
38.为纯阻性，能实现零相角输入的负载无关输
出电流，其中
39.图4为本发明为基于补偿结构二的无线充电系统示意图，原边串联补偿电容c1，副边串联补偿电容c2和副边并联补偿电容c3。图5为本发明为基于补偿结构2的无线充电系统等效示意图，对其进行电路理论分析，
40.当满足x2+x4＝0；2x
13
(x
23
+x4)-x
12
(x3+x4)＝0可得
41.为纯阻性；能实现零相角输入的负载无关输出电压，其中
42.由此可见，副边两种补偿结构可以实现在零相角输入(zpa)条件下实现负载无关输出电流和输出电压。
43.根据上述分析，补偿电容表达可为
[0044][0045]
对于上述条件，可以提出一种参数设计方法，可以根据需要输出的电压以及电流进行补偿器件参数设计，可以针对需要输出不同电压和电流无线充电系统进行设计，其设计流程如图6所示。为了验证该结构的可行性，搭建无线充电系统进行仿真验证，其具体参数如表1所示。
[0046]
表1无线充电系统参数
[0047]
[0048][0049]
通过电路仿真软件对该无线充电系统进行仿真验证，充电电流、充电电压以及充电功率随充电等效电阻变化如图7所示，其为本发明无线充电系统恒流恒压输出效果示意图，当电池充电等效电阻小时，s1闭合和s2断开，副边为补偿结构一，输出电流保持恒定i
out
＝5.6a，随着等效电阻逐渐升高，输出电压逐渐升高，当u
out
＝255v时，s1闭合和s2闭合，副边切换为补偿结构二，输出电压保持恒定。由上所述，本发明提出一种用于电动汽车无线充电能实现恒流恒压的集成式补偿结构，能在恒流与恒压模式之间灵活切换，根据所设计的额定输出电压和额定输出电流，该系统可以很好地适应恒压输出及恒流输出的充电需求，符合充电轮廓，有效的提高了充电效率。
[0050]
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种用于电动汽车无线充电实现恒流恒压的集成式补偿结构，其特征在于：包括稳压直流电源(1)、全桥逆变电路(2)、原边补偿结构(3)、原边发射线圈(4)、副边接收线圈(5)、副边补偿结构(6)、整流滤波电路(7)和负载(8)；所述稳压直流电源(1)与全桥逆变电路(2)串联，实现直流电转换成高频交流电，原边补偿结构(3)和原边发射线圈(4)串联到全桥逆变电路(2)的输出端，组成发射侧电路；副边接收电路通过副边接收线圈(5)与原边发射线圈(4)电磁耦合；副边接收线圈(5)一端与副边串联补偿电容(c2)以及集成到耦合结构中的补偿电感(l3)串联后与整流滤波电路(7)交流测的一端相连，副边接收线圈(5)的另一端与整流滤波电路(7)交流侧的另一端相连；副边串联补偿电容(c2)与第一支路并联，所述第一支路包括串联的并联补偿电容(c2’
)及第一开关(s1)；副边接收线圈(5)与副边串联补偿电容(c2)串联后与第二支路并联，所述第二支路包括串联的副边并联补偿电容(c3)及第二开关(s2)；整流滤波电路(7)与负载(8)连接。2.根据权利要求1所述一种用于电动汽车无线充电实现恒流恒压的集成式补偿结构，其特征在于：所述副边接收电路由两种补偿结构组成，通过两个开关来切换，第一开关(s1)断开和第二开关(s2)断开为补偿结构一，第一开关(s1)闭合和第二开关(s2)闭合为补偿结构二。3.根据权利要求1所述一种用于电动汽车无线充电实现恒流恒压的集成式补偿结构，其特征在于：所述原边补偿结构(3)为原边串联补偿电容(c1)，所述原边串联补偿电容(c1)与原边发射电路中的原边发射线圈(4)谐振匹配；副边接收线圈(5)与副边串联补偿电容(c2)及并联补偿电容(c2’)谐振匹配。4.根据权利要求1所述一种用于电动汽车无线充电实现恒流恒压的集成式补偿结构，其特征在于：所述原边发射线圈(4)及副边接收线圈(5)采用利兹线绕制在磁芯上，所述磁芯采用导磁材料。
技术总结一种用于电动汽车无线充电实现恒流恒压的集成式补偿结构，包括稳压直流电源、全桥逆变电路、原边补偿结构、原边发射线圈、副边接收线圈、副边补偿结构、整流滤波电路和负载；本发明提供一种用于电动汽车无线充电实现恒流恒压的集成式补偿结构，通过开关关断对不同谐振器件的选择，组合成两种补偿结构，补偿结构一具有负载无关的恒流输出特性，补偿结构二具有负载无关的恒压输出特性，通过开关在恒压与恒流模式之间灵活切换，符合电池的充电轮廓。在电池等效电阻较小的充电初始阶段系统工作在恒流输出模式下，在电池等效电阻随着电量增加逐渐增大时，该系统工作自然切换到恒压输出模式下。该拓扑结构同时具备恒流输出及恒压输出的能力。的能力。的能力。
技术研发人员：陈龙 吴飞 贲彤 张春伟
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：2022.07.07
技术公布日：2022/11/1
