基于可变耦合补偿网络的双向无线电能传输系统及方法

本发明涉及无线电能传输，具体涉及一种基于可变耦合补偿网络的双向无线电能传输系统及方法。

背景技术：

1、随着能源互联网概念的提出以及智能配电网相关技术的发展，双向无线电能传输系统逐渐展现出了独特的优势。对于电网而言，双向无线电能传输系统允许电网电能与车载电池之间实现电能的双向流动，若能对其智能调控，就能实现电动汽车有序充电、电网削峰填谷等运行功能的优化，对提升能源互联网的稳性具有重要的意义。

2、在双向无线电能传输系统中，一方面，现有的耦合机构，其原、副边线圈之间的互感系数与原、副边线圈之间的相对位置有关，对于电动汽车充放电过程而言，原、副边线圈之间的相对位置受用户停车位置的影响，会在一定范围内变化，导致原、副边线圈之间的互感系数也会在一定范围内变化；另一方面，对于常规的结构固定的补偿网络，其传输功率、传输效率与互感系数大小，原、副边双向高频ac-dc变换器激励电压和直流侧电压等多种条件有关。因此，常规的结构固定的补偿网络适用范围有限，无法在互感系数大范围变化时获得相对较高的传输功率、传输效率和符合需求的传输特性。进一步地，对于电池型负载，为了延长电池循环充电寿命，通常采用恒流-恒压两阶段充电模式充电，在整个充电过程中，电池的等效负载从几欧姆增加到几百欧姆，存在较大范围变化。因此，无线充电系统给电池充电时，需要在宽范围的负载变化下，保证输出为恒定电流或恒定电压。在变负载和变耦合条件下实现无线充电系统的恒定输出，最直接的方法便是采用电压，电流的反馈控制，然而不论是原边控制和双边控制方法均需要原副边需要建立无线通讯，而无线通讯在控制的实时性和可靠性方面存在一定的不足，因此影响无线充电反馈控制的精度。虽然副边控制不需要通信，但是对原边电路缺少优化。此外，在较大的负载或互感变化范围时，系统的控制参数也需要较大的调节范围，降低了系统的传输效率，增大控制复杂性，影响系统可靠性。

3、综上，现有技术当在互感系数、负载变化范围较大的情况下，无线充电系统存在难以获得较高的传输功率、传输效率和符合需求的传输特性，且传统结构和控制方法复杂，制造及维护成本高的问题。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供了一种基于可变耦合补偿网络的双向无线电能传输系统及方法，解决了无线充电系统中现有技术中当在互感系数、负载变化范围较大的情况下，难以稳定地获得较高的传输功率、传输效率和符合需求的传输特性，且传输系统结构与控制方法复杂，制造及维护成本高的问题。

2、本发明提供了一种基于可变耦合补偿网络的双向无线电能传输系统，包括原边双向变换装置、可变耦合补偿网络和副边双向变换装置；其中，

3、所述原边双向变换装置，在所述双向无线电能传输系统的充电过程中，用于对输入的工频交流电进行整流和高频逆变，得到高频交流电，传输至可变耦合补偿网络；在所述双向无线电能传输系统的放电过程中，用于对可变耦合补偿网络补偿输出后的高频交流电进行同步整流和工频逆变，得到工频交流电作为所述双向无线电能传输系统的输出；

4、所述可变耦合补偿网络包括补偿元件和控制开关，通过调节控制开关，完成对补偿元件的断开或接入状态的控制，进而切换所述可变耦合补偿网络的拓扑结构；所述可变耦合补偿网络的第一端与所述原边双向变换装置相连，所述可变耦合补偿网络的第二端与所述副边双向变换装置相连，在充电时，对所述原边双向变换装置从第一端输入的高频交流电进行无功补偿，并从第二端输出；放电时，对所述副边双向变换装置从第二端输入的高频交流电进行无功补偿，并从第一端输出；用于实现电能的无线传输并对传输过程中对输入和输出的高频电能信号进行无功补偿；

5、所述副边双向变换装置，在所述双向无线电能传输系统的充电过程中，用于对可变耦合补偿网络输出的补偿后的高频交流电进行同步整流，得到直流电作为所述双向无线电能传输系统的输出；在所述双向无线电能传输系统的放电过程中，用于对输入所述双向无线电能传输系统的直流电进行高频逆变得到待补偿的高频交流电，再将其输出至可变耦合补偿网络。

6、进一步地，可变耦合补偿网络包括原边谐振可变耦合补偿网络和副边谐振可变耦合补偿网络；其中，

7、所述原边谐振可变耦合补偿网络，其第一端与原边双向变换装置连接，其第二端利用磁耦合谐振原理与所述副边谐振可变耦合补偿网络实现电磁耦合；

8、在所述双向无线电能传输系统的充电过程中，原边谐振可变耦合补偿网络用于对原边双向变换装置输出的高频交流电进行原边侧的无功补偿，将补偿后的高频交流电，通过磁耦合谐振原理无线传输至所述副边谐振耦合补偿网络的第一端，在经过所述副边谐振耦合补偿网络进行输出补偿，然后传输至所述的副边双向变换装置；

9、在所述双向无线电能传输系统的放电过程中，所述副边谐振耦合补偿网络对所述副边双向变换装置从电池侧逆变而来的高频交流电进行无功补偿，然后通过磁耦合谐振原理无线传输至所述原边谐振耦合补偿网络的第二端，再经过所述原边谐振耦合补偿网络进行输出补偿，然后传输至所述的原边双向变换装置。

10、进一步地，所述副边谐振可变耦合补偿网络，其第一端与利用磁耦合谐振原理与所述原边谐振可变耦合补偿网络实现电磁耦合，其第二端与副边双向变换装置连接；

11、在所述双向无线电能传输系统的充电过程中，副边谐振可变耦合补偿网络用于对原边谐振可变耦合补偿网络经过磁耦合谐振无线传输过来的高频交流电进行副边侧的无功补偿，然后将补偿后的高频交流电输出至副边双向变换装置；

12、在所述双向无线电能传输系统的放电过程中，副边谐振可变耦合补偿网络用于对副边双向变换装置输出的高频交流电进行无功补偿，补偿后的高频交流电通过磁耦合谐振无线传输至原边谐振可变耦合补偿网络。

13、进一步地，所述可变耦合补偿网络的拓扑结构能够在lcc-lcc拓扑结构，lcc-s拓扑结构，s-lcc拓扑结构和s-s拓扑结构之间进行切换；其中，“-”左边指原边谐振可变耦合补偿网络的补偿方式，“-”右边指副边谐振可变耦合补偿网络的补偿方式，“lcc”指由两个电感和两个电容组成的谐振电路结构，“s”指由一个电感和一个电容串联组成的谐振电路结构。

14、进一步地，所述原边谐振可变耦合补偿网络包括原边切换控制开关sw1、原边补偿电感lf1、原边补偿电容cf1、原边谐振电容c1和原边谐振电感l1；其中，原边切换控制开关sw1用于控制原边谐振电感l1和原边谐振电容c1是否接入原边谐振可变耦合补偿网络，进而切换原边谐振可变耦合补偿网络的拓扑结构；

15、原边补偿电感lf1的第一端连接在原边节点1上，原边补偿电感lf1的第二端与原边补偿电容cf1的第一端和原边谐振电容的c1第一端连接在原边节点3上；原边谐振电容c1的第二端与原边谐振电感l1的第一端连接构成串联电路；原边谐振电感l1的第二端与原边切换控制开关sw1的第一端连接；原边切换控制开关sw1的第二端与原边补偿电容cf1的第二端连接在原边节点2上，在原边节点1和原边节点2间输入待补偿的高频交流电，或输出补偿后的高频交流电。

16、进一步地，所述副边谐振可变耦合补偿网络包括副边切换控制开关sw2、副边补偿电感lf2、副边补偿电容cf2、副边谐振电容c2和副边谐振电感l2；其中，副边切换控制开关sw2用于控制副边谐振电感l2和副边谐振电容c2是否接入副边谐振可变耦合补偿网络，进而切换副边谐振可变耦合补偿网络的拓扑结构；

17、副边补偿电感lf2的第二端连接在副边节点6上，第一端与副边补偿电容cf2的第一端和副边谐振电容的c2第二端连接在副边节点4上；副边谐振电容c2第一端与副边谐振电感l2的第一端连接构成串联电路；副边谐振电感l2的第二端与副边切换控制开关sw2的第一端连接；副边切换控制开关sw2的第二端与副边补偿电容cf2的第二端连接在副边节点5上，在副边节点5和副边节点6间输出补偿后的高频交流电，或输入待补偿的高频交流电。

18、进一步地，所述原边双向变换装置包括原边双向ac-dc变换器和原边双向高频dc-ac变换器；其中，

19、在所述双向无线电能传输系统的充电过程中，原边双向ac-dc变换器的第一端与电网连接，原边双向ac-dc变换器的第二端与原边双向高频dc-ac变换器连接；原边双向ac-dc变换器用于将电网输入所述双向无线电能传输系统的工频交流电进行功率因数校正以及boost升压整流为直流电，再将其传递给原边双向高频dc-ac变换器；

20、在所述双向无线电能传输系统的放电过程中，原边双向ac-dc变换器的第一端与交流负载或电网连接，原边双向ac-dc变换器的第二端与原边双向高频dc-ac变换器连接；原边双向ac-dc变换器用于将原边双向高频dc-ac变换器整流后的直流电降压逆变为工频交流电，再将其作为所述双向无线电能传输系统的输出，传输至交流负载或电网。

21、进一步地，所述原边双向高频dc-ac变换器的第一端与原边双向ac-dc变换器连接，原边双向高频dc-ac变换器的第二端与原边谐振可变耦合补偿网络连接；

22、在所述双向无线电能传输系统的充电过程中，原边双向高频dc-ac变换器用于将原边双向ac-dc变换器输入的直流电变换为待补偿的高频交流电，再将其输出到原边谐振可变耦合补偿网络；

23、在所述双向无线电能传输系统的放电过程中，原边双向高频dc-ac变换器用于将原边谐振可变耦合补偿网络输出的补偿后的高频交流电整流为直流电，再将其输出到原边双向ac-dc变换器。

24、进一步地，所述副边双向变换装置指副边双向高频ac-dc变换器；

25、所述副边双向高频ac-dc变换器的第一端与副边谐振可变耦合补偿网络的第二端连接，副边双向高频ac-dc变换器的第二端与电池组或者负载连接；

26、在所述双向无线电能传输系统的充电过程中，副边双向高频ac-dc变换器用于将副边谐振可变耦合补偿网络输出的补偿后的高频交流电进行同步整流为直流电，再将其作为所述双向无线电能传输系统的输出，为电池组充电或者为负载供电；

27、在所述双向无线电能传输系统的放电过程中，副边双向高频ac-dc变换器用于将电池组输入所述双向无线电能传输系统的直流电进行逆变产生待补偿的高频交流电，再将其输出至副边谐振可变耦合补偿网络。

28、本发明还提供了一种基于可变耦合补偿网络的双向无线电能传输方法，通过上述基于可变耦合补偿网络的双向无线电能传输系统来实现，包括如下步骤：

29、步骤s1.根据电能传输需求，判断电能待传输方向，即确定基于可变耦合补偿网络的双向无线电能传输系统处在充电过程中或放电过程中；

30、步骤s2.对于充电过程，原边双向ac-dc变换器将电网输入的交流，进行功率因数校正以及boost升压整流为直流电传递给原边双向高频dc-ac变换器，转换为待补偿的高频交流电；对于放电过程，副边双向高频dc-ac将电池输入的直流电转换为待补偿的高频交流电；

31、步骤s3.根据系统的传输特性需求初步选出满足该特性的补偿方式，然后计算可变耦合补偿网络中所述待补偿的高频交流电工作于不同拓扑结构的传输指标，包括传输功率和传输效率；同时根据电能传输需求对传输指标进行优先级排序，按照传输指标优先级由高到低的顺序对不同拓扑结构进行筛选，获得待切换至的谐振补偿网络拓扑结构，通过控制开关切换至所述待切换至的谐振补偿网络拓扑结构，用于控制所述谐振补偿网络拓扑结构并实现相应的传输特性，并对待补偿的高频交流电进行第一次无功补偿，得到第一次补偿后的高频交流电；其中，传输特性指原边谐振可变耦合补偿网络或副边谐振可变耦合补偿网络的输入与输出之间的关系；

32、步骤s4.对第一次补偿后的高频交流电压经过磁耦合谐振无线传输至接收端，获取待第二次补偿的高频交流电；

33、步骤s5.根据系统的输出特性需求初步选出满足该特性的补偿方式，然后计算可变耦合补偿网络中所述待第二次补偿的高频交流电工作于不同拓扑结构的传输指标，包括传输功率和传输效率；结合电能传输需求对两个传输指标进行优先级排序，按照传输指标优先级由高到低的顺序对不同拓扑结构进行筛选，获得待切换至的谐振补偿网络拓扑结构，通过控制开关切换至所述待切换至的谐振补偿网络拓扑结构，用于控制所述谐振补偿网络拓扑结构并实现相应的传输特性，并对待第二次补偿的高频交流电进行第二次无功补偿，得到补偿后的高频交流电；

34、步骤s6.对于充电过程，副边谐振可变耦合补偿网络将补偿后的高频交流电通过副边双向高频ac-dc转换为直流电输出给电池充电或者负载供电；对于放电过程，原边谐振可变耦合补偿网络将补偿后的高频交流电通过原边双向高频dc-ac转换为直流电输出给原边双向ac-dc进行降压逆变为工频交流电回馈电网或者给用电设备。

35、与现有技术相比，本发明至少具有现如下有益效果：

36、(1)本发明的可变耦合补偿网络可在若干种拓扑结构中进行切换，且各拓扑结构的最大传输功率与互感系数以及原、副边双向高频ac-dc变换器输入电压的关系各不相同，基于不同的电能传输策略，仅通过调整可变耦合补偿网络中的控制开关，即可切换至满足电能传输需求的补偿网络，进而可以保证即使在互感系数、负载变化范围较大的情况下，通过本发明提出的基于可变耦合补偿网络的双向无线电能传输系统，也能稳定地获取较高的传输功率、传输效率和符合需求的传输特性。

37、(2)本发明的原、副边谐振可变耦合补偿网络，可基于不同的电能传输策略，对传输功率和传输效率的优先级进行排序，适用范围广，结构简单，制造和维护成本低。

38、(3)本发明提出的可变耦合补偿拓扑结构通过仅在原边和副边各增加一个开关即可实现多种补偿拓扑的切换，具有结构简单，切换灵活，适用范围广的特点，提高了系统参数变化时的可调整性，大大增加了无线充电系统的适应能力。