CN104753152A - 恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统 - Google Patents

恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统,满足电池先恒流后恒压的充电特性,适应于电动汽车和手机等无线充电场合。本发明提出的两组复合拓扑结构:包括高频逆变电路、恒流-恒压模式切换网络、原边补偿电容、附加电感、松耦合变压器、副边补偿电容、整流滤波电路。在整个充电过程中,通过简单控制模式切换开关,不需要改变工作频率,可直接提供电池充电所需的恒流和恒压,避免使用额外的后级变换器,且输出特性与负载无关,输入阻抗在整个恒流-恒压充电过程中均为纯阻性,因此该拓扑可采用简单的定频占空比控制,保证高频逆变开关的零电压开关,提高变换器效率,同时避免无功功率,减少器件应力,进一步提高效率。

Description

恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统
技术领域
[0001] 本发明设及恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统,适用于电动汽车和手机等电 池无线充电场合。
背景技术
[0002] 感应式无线电能传输技术W交变的电磁场为媒介,将能量传输到负载。由于无直 接的电气接触,因而能够避免电火花,不受环境的影响,可W在恶劣的环境下工作。目前,感 应式无线电能传输技术在消费电子、照明、电动汽车等领域获得到了广泛的应用。其中,给 电池无线充电是一项十分重要的应用。
[0003] 电池充电有4个充电阶段,其中恒流阶段和恒压阶段是其主要阶段,因此,电池的 无线充电装置需能够提供恒流-恒压特性的输出。松禪合变压器是感应式无线电能传输的 核屯、器件,由于较大气隙的存在,漏感较大,因此需要电容来进行无功补偿。通常有4种基 本的补偿方式:串串(SS)、串并(S巧、并串(P巧、并并(P巧。补偿后的系统输出特性较为复 杂,与变压器的参数、补偿网络、频率和负载均有关。为了能够输出所需要的电压和电流,通 常有两种控制方式;定频占空比控制和变频控制。定频占空比控制能够有效补偿无功,输出 通过改变占空比来调节。但是,电池在充电过程中,等效电阻变化较大,较大的占空比变化 难W保证开关器件的软开关狂ero-voltageSwitching,ZV巧。变频控制通过改变频率来调 节输出,但是无功功率无法被全部补偿,此外,变频控制也会造成系统不稳定。
[0004] 单个控制及单个拓扑结构无法满足设计要求,因此可采用多级控制或多个拓扑组 合的方式来满足设计要求。例如,可采用变换器级联和两级控制方式,通过变频控制来实现 输入电压和电流零相位差狂ero-phaseAngle,ZPA),输出的电压和电流则通过后级变换器 和控制来调节。但是,该方式会降低系统的效率,成本较高,结构和控制系统复杂。采用多 个拓扑组合的方式,例如通过SS和SP补偿结构的组合来实现恒流-恒压输出,同时满足 ZPA。但SS实现恒流特性的原边电容和SP实现恒压的原边电容不同,因此在拓扑结构切换 时,原边需要在不同电容值之间切换,副边需要在串联和并联结构之间进行切换,切换的开 关数目较多,结构相对复杂。
发明内容
[000引发明目的;为了解决上述问题,本发明提出两组恒流-恒压复合拓扑的感应式充 电系统;SS/PS和SP/PP复合拓扑结构,W解决单个控制及单个拓扑无法满足设计要求,变 换器级联和多级控制方式效率低且成本高,多个拓扑组合的方式切换开关多结构复杂的技 术问题。
[0006] 技术方案:
[0007]SS/PS结构的恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统,包括;依次连接的高频逆变 电路、恒流-恒压模式切换网络、原边补偿电路、松禪合变压器、副边补偿电路、整流滤波电 路,其中,
[000引所述恒流-恒压模式切换网络包括:第一开关、第二开关、第=开关,所述原边补 偿电路包括;附加电感、原边补偿电容,副边补偿电路为副边补偿电容,
[0009] 所述高频逆变电路输入端接有直流电压源,第一开关一端、第二开关一端均与高 频逆变电路的一个桥臂中点连接,第一开关另一端、第=开关一端均与原边补偿电容一极 连接,第二开关另一端与附加电感一端连接,原边补偿电容另一极、附加电感另一端均与松 禪合变压器原边绕组一端连接,第=开关另一端、松禪合变压器原边绕组另一端均与高频 逆变电路的另一个桥臂中点连接,副边补偿电容一极接松禪合变压器副边绕组一端,副边 补偿电容另一极接整流滤波电路一桥臂中点,松禪合变压器副边绕组另一端接整流滤波电 路另一桥臂中点。
[0010] 原边补偿电容Cp与松禪合变压器的原边电感Lp谐振,副边补偿电容Cs与副 边电感Ls谐振,附加电感的电感值Lx与原边电感的电感值Lp相同,系统工作频率《 :
Figure CN104753152AD00051
Lp、Ls分别为松禪合变压器原边绕组、副边绕组的电感值,CP、Cs分 别为原边补偿电容、副边补偿电容的电容值;
[0011] 闭合第一开关,断开第二、第=开关,感应式充电系统进入恒流工作模式,电路拓 扑为SS补偿,输出与电池负载无关的恒定电流IcAT:
Figure CN104753152AD00052
I。。。。,为 输出电流峰值,V™为输入的直流电压,D为占空比,M为松禪合变压器原副边绕组的互感值, 输入阻抗Z"为:
Figure CN104753152AD00053
,R为负载等效电阻,
[0012] 断开第一开关,闭合第二、第=开关,感应式充电系统进入恒压工作模式,电路拓 扑为PS补偿,输出与电池负载无关的恒定电压V:
Figure CN104753152AD00054
为输出电压峰值,输入阻抗Ziw为:
Figure CN104753152AD00055
R为负载等效电阻。
[0013] SP/PP结构的恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统,包括;依次连接的高频逆变 电路、恒流-恒压模式切换网络、原边补偿电路、松禪合变压器、副边补偿电路、整流滤波电 路,其中,
[0014] 所述恒流-恒压模式切换网络包括:第一开关、第二开关、第=开关,所述原边补 偿电路包括;附加电感、原边补偿电容,副边补偿电路为副边补偿电容,
[0015] 所述高频逆变电路输入端接有直流电压源,第一开关一端、第二开关一端均与高 频逆变电路的一个桥臂中点连接,第一开关另一端、第=开关一端均与原边补偿电容一极 连接,第二开关另一端与附加电感一端连接,原边补偿电容另一极、附加电感另一端均与松 禪合变压器原边绕组一端连接,第=开关另一端、松禪合变压器原边绕组另一端均与高频 逆变电路的另一个桥臂中点连接,副边补偿电容并接在松禪合变压器副边绕组两端之间, 松禪合变压器副边绕组一端接整流滤波电路一桥臂中点,松禪合变压器副边绕组另一端接 整流滤波电路另一桥臂中点。
[0016] 选取附加电感的电感值Lx;Lx=Lp-M2/Ls,副边电容与副边电感谐 振,原边补偿电容与折算到原边的等效电感Lp-M2/Ls谐振,系统工作频率《 :
Figure CN104753152AD00061
[0017] 断开第一开关,闭合第二、第=开关,感应式充电系统进入恒流工作模式,电路拓 扑结构为PP补偿,输出与电池负载无关的恒定电流
Figure CN104753152AD00062
输入阻 抗Ziw为:
Figure CN104753152AD00063
R为负载等效电阻,
[001引闭合第一开关,断开第二、第=开关,感应式充电系统进入恒压工作模式,电路拓 扑结构为SP补偿,输出与电池负载无关的恒定电压Vcat:
Figure CN104753152AD00064
输入阻抗Ziw为:
Figure CN104753152AD00065
R为负载等效电阻。
[0019] 有益效果;
[0020] (1)本发明提出的是多个拓扑组合的恒流恒压感应式充电系统,具体有SS/PS和 SP/PP复合拓扑结构,两种复合拓扑W相同的工作频率工作在恒流/恒压模式,附加电感的 取值由变压器参数确定,附加电感在恒流/恒压工作模式下参与原边补偿,原边在拓扑切 换时不需要在不同取值的补偿电容之间切换,副边在拓扑切换时不需要在串联/并联结构 之间或不同取值的补偿电容之间切换,W较少数目开关实现了工作模式的切换,简化了电 路结构,
[0021] (2)通过简单控制模式切换开关,实现电池充电所需的先恒流后恒压输出,输出特 性与负载无关,可实现简单的定频占空比控制,保证高频逆变开关ZVS的实现,提高变换器 效率,相对于变换器级联和两级控制方式,省去了后级变换器,进一步简化了电路结构,
[0022] (3)整个充电过程中的变换器输入阻抗均为纯阻性,避免无功环流,减小器件应 力,提高效率。
附图说明
[0023] 图1是SS/PS的复合拓扑结构;
[0024] 图2是SP/PP的复合拓扑结构;
[0025] 图3 (a)是SS/PS拓扑整流后的电流波形和直流分量,图3化)是SS/PS拓扑整流 电路输入方波电压和基波分量;
[0026] 图4 (a)是SP/PP拓扑整流电路的输入方波电流和基波分量,图4化)是SP/PP拓 扑的整流后电压波形和直流分量;
[0027] 图5是SS/PS复合拓扑恒流模式下、电池的等效电阻为7Q时的VGsi、Vw、ilN和IBAT 波形;
[002引图6是SS/PS复合拓扑恒流模式下、电池的等效电阻为15Q时的vesi、vw、iiw和 Imt波形;
[0029] 图7是SS/PS复合拓扑恒压模式下、电池的等效电阻为15Q时的Vesi、v^、和 Vmt波形;
[0030] 图8是SS/PS复合拓扑恒压模式下、电池的等效电阻为30Q时的Vesi、V^、iiw和 Vmt波形。
[0031] 图中标号说明;1为高频逆变电路,2为恒流-恒压模式切换网络,3为原边补偿电 路,4为松禪合变压器,5为副边补偿电路,6为整流滤波电路,Qi、〇2、〇3、为第一、第二、第 S、第四功率管,Si、S2、S3为第一、第二、第S开关,LX为附加电感,CP为原边补偿电容,CS为 副边补偿电容,〇1、〇2、〇3、为第一、第二、第S、第四二极管,Lf为输出滤波电感、C。为输出 滤波电容。
具体实施方式
[0032] 下面结合说明书附图对本发明进一步详述。
[0033] 本发明公开的恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统,具体有如图1所示的SS/ PS复合拓扑、图2所示的SP/PP复合拓扑。复合拓扑包括;高频逆变电路1、恒流-恒压模 式切换网络2、由附加电感Lx、原边补偿电容Cp组成的原边补偿电路3、松禪合变压器4、副 边补偿电路5即为副边补偿电容Cs、整流滤波电路6,整个系统实现对电池负载7先恒流后 恒压的感应式充电。恒流-恒压模式切换网络2包括;第一开关Si、第二开关S,、第=开关 S3。高频逆变电路1包括第一、第S功率管Qi、Qs组成的一个桥臂,第二、第四功率管Q2、Q4 组成的另一个桥臂,第一、第S功率管Qi、Q3的连接点为桥臂中点A,第二、第四功率管Q2、Q4 的连接点为桥臂中点B。整流滤波电路6包括第一、第S二极管Di、组成的一个桥臂,第 二第四二极管组成的另一桥臂,输出滤波电感Lf、输出滤波电容C。。
[0034] 图1是SS/PS的复合拓扑结构,当第一开关Si闭合,第二开关S2、第S开关S3 断开时,电路拓扑为SS补偿方式,軍
Figure CN104753152AD00071
输出电流仅与输入电压和 互感有关,与负载无关。副边输出电流为<。=^,其输入阻抗为能够实 (oMR 现ZPA。当第一开关Si断开,第二开关S2、第S开关S3闭合时,电路拓扑为PS补偿方 式,当
Figure CN104753152AD00072
输出与负载无关的恒定电压,副边输出电压为
Figure CN104753152AD00073
Mv" = ^。其输入阻抗为 输入阻抗为纯阻性,能够实现ZPA。
[0035] 图2是SP/PP的复合拓扑结构,当第一开关Si闭合,第二开关S2、第S开关 S3断开时,电路拓扑为SP补偿方式,至
Figure CN104753152AD00074
时,输出与负 载无关的恒定电压,副边输出电压为其输入阻抗为能够实现 。M 正; ZPA。当第一开关Si断开,第二开关S2、第S开关S3闭合时,电路拓扑为PP补偿方式,当
Figure CN104753152AD00081
输出与负载无关的恒定电流,副边输出电流为
Figure CN104753152AD00082
输入阻抗为纯阻性,能实现ZPA。
[0036] 图3 (a)是SS/PS拓扑整流后的电流波形和直流分量,图3化)是SS/PS拓扑整流 电路输入方波电压和基波分量,整流滤波后电池充电电流为
Figure CN104753152AD00083
充电电压巧
Figure CN104753152AD00084
[0037] 图4(a)是SP/PP拓扑整流电路的输入方波电流和基波分量,图4(b) 是SSP/PP拓扑的整流后电压波形和直流分量,整流滤波后电池充电电流为
Figure CN104753152AD00085
充电电压为
Figure CN104753152AD00086
[003引图5至图8W电池负载为例,验证恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统的有效 性。采用SS/PS复合拓扑结构,恒流充电电流为1A,恒压充电电压为15V。功率管Qi,2,3,4通 过UCC3895巧片进行移相控制。开关频率为200曲Z,磁平面选用化rroxcube3F3铁氧体磁 性材料,面积为60X60mm2。松禪合变压器T气隙为10mm,原副边绕组采用利兹线AWG42绕 审ij,原副边应数比为Np:Ns=20:20。Qi,2,3,4和Si,2,3选用IRFS40。Di,2,3,4选用MBRB3030CT。 原、副边补偿电容Cp和Cs分别为28nF和26.8nF。输入电压V"为24V,占空比D= 0.95。
[0039] 图5和图6给出了SS/PS复合拓扑恒流模式下、负载阻抗分别为7Q和15Q的驱 动信号Vesi,桥臂电压v^B,输入电流iiw和输出电流Imt的波形。从图中可W看出,当电池的 等效电阻从7Q变到15Q时,电流保持1A,不随负载发生变化。输入电流iiw和桥臂电压 Vab基本同相,避免无功能量。i"略滞后于Vab实现ZVS。
[0040]图7和图8给出了SS/PS复合拓扑恒压模式下、负载阻抗分别为15Q和30Q时 的驱动信号Vesi,桥臂电压v^,输入电流和输出电压VMT的波形。当电池电压上升到15V 时,电池的充电模式从恒流充电变为恒压充电。从图中可W看出,电池的等效电阻从15Q 变到30Q时,电压稳定在15V,具有良好的恒压特性。iiw略滞后于VW实现ZVS。

Claims (4)

1. 恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统,包括:依次连接的高频逆变电路(I)、恒 流-恒压模式切换网络(2)、原边补偿电路(3)、松耦合变压器(4)、副边补偿电路(5)、整流 滤波电路(6),其中, 所述恒流-恒压模式切换网络(2)包括:第一开关、第二开关、第三开关,所述原边补偿 电路包括:附加电感、原边补偿电容,副边补偿电路为副边补偿电容, 所述的高频逆变电路(1)输入端接有直流电压源,第一开关一端、第二开关一端均与 高频逆变电路(1)的一个桥臂中点连接,第一开关另一端、第三开关一端均与原边补偿电 容一极连接,第二开关另一端与附加电感一端连接,原边补偿电容另一极、附加电感另一端 均与松耦合变压器(4)原边绕组一端连接,第三开关另一端、松耦合变压器(4)原边绕组 另一端均与高频逆变电路(1)的另一个桥臂中点连接,副边补偿电容一极接松耦合变压器 (4)副边绕组一端,副边补偿电容另一极接整流滤波电路(6) -桥臂中点,松耦合变压器 (4)副边绕组另一端接整流滤波电路(6)另一桥臂中点, 附加电感的电感值Lx与原边补偿电感的电感值L p相同,感应式充电系统工作频率ω :
Figure CN104753152AC00021
LP、1^分别为松耦合变压器原边绕组、副边绕组的电感值,C Ρ、(;分 别为原边补偿电容、副边补偿电容的电容值。
2. 恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统,包括:依次连接的高频逆变电路(1)、恒 流-恒压模式切换网络(2)、原边补偿电路(3)、松耦合变压器(4)、副边补偿电路(5)、整流 滤波电路(6),其中, 所述恒流-恒压模式切换网络(2)包括:第一开关、第二开关、第三开关,所述原边补偿 电路包括:附加电感、原边补偿电容,副边补偿电路为副边补偿电容, 所述的高频逆变电路(1)输入端接有直流电压源,第一开关一端、第二开关一端均与 高频逆变电路(1)的一个桥臂中点连接,第一开关另一端、第三开关一端均与原边补偿电 容一极连接,第二开关另一端与附加电感一端连接,原边补偿电容另一极、附加电感另一端 均与松耦合变压器(4)原边绕组一端连接,第三开关另一端、松耦合变压器(4)原边绕组 另一端均与高频逆变电路(1)的另一个桥臂中点连接,副边补偿电容并接在松耦合变压器 (4)副边绕组两端之间,松耦合变压器(4)副边绕组一端接整流滤波电路(6) -桥臂中点, 松耦合变压器(4)副边绕组另一端接整流滤波电路(6)另一桥臂中点, 附加电感的电感值LX:LX= L p-M2/Ls,感应式充电系统工作频率ω :
Figure CN104753152AC00022
,LP、1^分别为松耦合变压器原边绕组、副边绕组的电感 值,CP、Cs分别为原边补偿电容、副边补偿电容的电容值,M为松耦合变压器原副边绕组的互 感值。
3. 根据权利要求1所述的恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统,其特征在于,系统在 恒流工作模式下的输入阻抗Zin为:
Figure CN104753152AC00023
,系统在恒压工作模式下的输入阻抗Zin为:
Figure CN104753152AC00024
R为负载等效电阻,M为松耦合变压器原副边绕组的互感值。无论在恒流 模式还是恒压模式,其输入阻抗均为纯阻性,避免无功功率。
4.根据权利要求2所述的恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统,其特征在于,系统在 恒压工作模式下的输入阻抗Zin为:
Figure CN104753152AC00031
系统在恒流工作模式下的输入阻抗Zin为:
Figure CN104753152AC00032
,尺为负载等效电阻。无论在恒流模式还是恒压模式,其输入阻抗均为 纯阻性,避免无功功率。
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