CN104779672B - 一种适用于电池性负载的无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于电池性负载的无线充电系统，主要针对电动汽车等储能电池性负载的充电需求。该系统由电源模块、发射线圈与接收线圈、负载线圈、整流稳压模块及储能电池六部分依次连接组成，其中电源模块和发射线圈组成系统的能量发射装置，接收线圈、负载线圈、整流稳压系统组成能量接收装置，在系统谐振工作的状态下，通过改变接收端整流稳压模块中的开关管占空比，实现不同电压等级与内阻的电池接入，实现电池性负载接入时的最佳阻抗匹配，达到最优的效率传输。该发明用磁耦合谐振原理实现能量的无线传输，可高效稳定地为储能电池提供电能，具有良好的应用前景。

Description

一种适用于电池性负载的无线充电系统

技术领域

本发明涉及一种电能传输装置，尤其涉及用于电动汽车等储能电池充电的无线电能充电系统。

背景技术

目前，电动车数量日益增多，如何为电动车储能电池充电成为电动车发展的重点。相比于传统有线充电装置，电动车无线充电能更好地发挥电动汽车移动储能的作用，降低对电池容量的要求。无线充电成为一种新的电动车储能电池充电方式，但谐振式无线充电系统对负载的特性要求比较高，而电池性负载会随着充电电压的不同，负载特性也会发生较大的变化，因此在充电的过程中系统的效率不够稳定，甚至会出现阻抗匹配不佳导致比较低的情况。所以通过有效的技术手段解决电池性负载接入无线充电系统的问题，可以有效地提高系统的传输性能，有利于该技术的推广。目前关于电池性负载接入谐振系统仍没有有效地控制手段，目前只能一方面借助于精确的电池建模，另一方面系统的设计与运行只能针对已知特性的特定电池，无线充电系统并不具有通用性。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种适用于电池性负载的无线充电系统，能够适用于不同特性的电池充电。

技术方案：一种适用于电池性负载的无线充电系统，包括系统电源模块、发射线圈、接收线圈、负载线圈、整流稳压模块以及微处理器；其中，所述发射线圈串联第一可调电容后连接所述系统电源模块的输出端，所述接收线圈串联第二可调电容；所述系统电源模块用于输出功率和频率可调的交流电到所述发射线圈，所述发射线圈通过强磁谐振将电能传输到所述接收线圈，所述负载线圈)连接整流稳压模块的输入端，所述负载线圈同时与接收线圈电磁耦合连接，所述整流稳压模块的输出端连接待充电的电池；

其中，所述整流稳压模块包括不控全桥整流电路、功率开关管、稳压二极管以及低通滤波电路；所述不控全桥整流电路的输入端作为所述整流稳压模块的输入端，所述功率开关管和稳压二极管串联后连接在所述不控全桥整流电路的输出端之间，所述低通滤波电路的输入端连接在稳压二极管的两端，低通滤波电路的输出端作为所述整流稳压模块的输出端；所述微处理器用于根据输出占空比控制信号到所述功率开关管，所述功率开关管的占空比的调制满足如下条件：

$\sqrt{{\left(\mathrm{\ωM}\right)}^2+R^2}\≅\frac{R_{\mathrm{oc}}{U}_s\mathrm{\ωM}+U_{\mathrm{oc}}[R^2+{\left(\mathrm{\ωM}\right)}^2]}{D^2\mathrm{\ωM}{U}_s-\mathrm{DR}{U}_{\mathrm{oc}}}$

其中，R_oc为电池的等效内阻，D为占空比，ω为系统电源模块输出功率频率，M为所述发射线圈与接收线圈的互感，R为发射线圈的内阻，U_oc为待充电电池的充电电压，U_s为系统电源模块输出电压。

有益效果：为了解决电池性负载的接入问题，本发明的一种适用于电池性负载的无线充电系统由电源、发射线圈、接收线圈、负载线圈、整流稳压和储能电池六部分依次连接组成，其中电源采用交流逆变的方式实现，发射线圈及接收线圈采用串联补偿的拓扑结构。整流稳压采用不控桥式整流加DC/DC变换组合模式。其中的电源模块采用交流变换电路、不控全桥整流电路及可控高频全桥逆变电路组成，具有输出功率和频率可调的功能。在通过强磁谐振技术对电池进行无线充电时，谐振系统需满足最佳阻抗匹配条件，以此达到最优的电能传输效率。电池在充电过程中其等效阻抗会随着充电的进行发生实时的变化，当电池作为无线充电系统的负载时，其负载特性的变化会导致充电系统中谐振阻抗匹配条件的失衡。本发明通过控制整流稳压模块中开关管的占空比实现输出电压的调整，其功率开关管的占空比调制所需满足如下关系：

$\sqrt{{\left(\mathrm{\ωM}\right)}^2+R^2}\≅\frac{R_{\mathrm{oc}}{U}_s\mathrm{\ωM}+U_{\mathrm{oc}}[R^2+{\left(\mathrm{\ωM}\right)}^2]}{D^2\mathrm{\ωM}{U}_s-\mathrm{DR}{U}_{\mathrm{oc}}}$

只需要事先知道待充电电池的等效内阻和充电电压等级，当不同充电电压等级与内阻的电池作为负载的接入时，实现充电系统输出电压的调整，并满足谐振系统的最佳阻抗匹配，达到最优的效率传输。其原理是，对于一个磁耦合谐振式系统来说，为了使得系统传输效率最大，需要满足最佳的阻抗匹配条件其中，R_L是系统的等效负载，其为整流稳压模块和待充电电池的等效外电阻，ω，M在系统设计和安装位置完成后基本保持不变。为了使系统的阻抗匹配满足等式，需要等效负载R_L保持恒定值，根据图2所示的电路与电池的等效模型可知该等效负载R_L为：

$R_L=\frac{R_{\mathrm{oc}}{U}_s\mathrm{\ωM}+U_{\mathrm{oc}}D[R^2+{\left(\mathrm{\ωM}\right)}^2]}{D^2\mathrm{\ωM}{U}_s-\mathrm{DR}{U}_{\mathrm{oc}}}$

因此，可将电池等效阻抗特性的变化与开关管占空比建立一一对应的关系，通过该占空比的调制使得电池等效阻抗动态变化时其对外等效特性基本保持不变，实现充电系统按设定的最佳阻抗匹配条件运行。相较于传统技术，不需要针对具体的电池重新调整线圈的参数，对于不同的电池负载只需要设置不同的占空比便可实现，从而易于系统维护、操作简单、具有很高的通用性，降低了设计的成本。本发明不仅适用于电池性负载还同时适用于电阻性负载，可用于电动汽车、电动汽车等设备的无线充电。

附图说明

图1为适用于电池性负载的无线充电系统的结构示意图；

图2为整流稳压模块的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种适用于电池性负载的无线充电系统包括依次顺序连接的系统电源模块11、发射线圈12、接收线圈14、负载线圈16、整流稳压模块17以及微处理器(18)。其中，系统电源模块11包括依次连接的交流变换电路111、不控整流电路112以及可控高频全桥逆变电路113，通过驱动电路114控制可控高频全桥逆变电路113来实现电源模块11输出交流电的频率与功率可调节，以满足电能无线传输频率要求以及充电功率的要求。发射线圈12和接收线圈14采用相同的空间螺旋结构、相同半径、相同材料和匝数，以此保证其电感及电容参数的一致性。发射线圈12串联第一可调电容13后连接系统电源模块11的输出端，即连接可控高频全桥逆变电路113的输出端。接收线圈14串联第二可调电容15，可调电容13与15分别为发射线圈与接收线圈的补偿电容，通过调节这两个可调电容来实现发射线圈12与接收线圈14的频率调谐，使得两者之间能够实现强磁谐振耦合连接。负载线圈16与接收线圈14同轴，两者通过感应的方式耦合。系统电源模块11输出功率和频率可调的交流电到发射线圈12，发射线圈12通过强磁谐振将电能传输到接收线圈14。负载线圈16连接整流稳压模块17的输入端，负载线圈16同时与接收线圈14电磁耦合连接。

如图2所述，整流稳压系统采用不控桥式整流及DC/DC变换结构，整流稳压模块17具体包括不控全桥整流电路171、功率开关管172、稳压二极管173以及低通滤波电路174，功率开关管172采用MOSFET功率管。不控全桥整流电路171的输入端作为整流稳压模块17的输入端，功率开关管172和稳压二极管173串联后连接在不控全桥整流电路171的输出端之间。低通滤波电路174的输入端连接在稳压二极管173的两端，低通滤波电路174的输出端作为整流稳压模块17的输出端，与待充电的电动汽车储能电池19的正负极相连。其工作原理为：接收线圈上的电能经过负载线圈16收集后，经过不控全桥整流电路171变成准直流电压；由于该电压不具有稳定性，需要进行DC/DC变换，通过功率开关管172与稳压二极管173的串联组合来实现电压稳压的处理，具体的实现方式为功率开关管172与稳压二极管173经串联组合后接在不控全桥整流电路171之后，稳压二极管173两端的电压作为输出，为实现电压与电流的进一步稳定，稳压二极管173两端的电压要经过L_p与C_p组成的低通滤波电路174滤波处理后，给待充电电池电池供电。

对电池性负载进行无线充电时，首先获取待充电电池的等效内阻R_oc和充电电压U_oc，通过将预先获得的参数R_oc和U_oc输入到微处理器18，该微处理器18经过计算后输出占空比控制信号到整流稳压模块17，通过调整整流稳压模块17中功率开关管172的占空比来输出稳压直流电，其中占空比的调制满足如下条件：

$\sqrt{{\left(\mathrm{\ωM}\right)}^2+R^2}\≅\frac{R_{\mathrm{oc}}{U}_s\mathrm{\ωM}+U_{\mathrm{oc}}[R^2+{\left(\mathrm{\ωM}\right)}^2]}{D^2\mathrm{\ωM}{U}_s-\mathrm{DR}{U}_{\mathrm{oc}}}$

其中，R_oc为电池的等效内阻，D为占空比，ω为系统的谐振频率，M为发射线圈与接收线圈的互感，R为发射线圈的内阻，U_oc为待充电电池的充电电压，U_s为系统电源模块11输出电压。通过功率开关管172占空比的调节，可实现系统最佳的阻抗匹配，达到最优的能量传输。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种适用于电池性负载的无线充电系统，其特征在于：包括系统电源模块(11)、发射线圈(12)、接收线圈(14)、负载线圈(16)、整流稳压模块(17)以及微处理器；其中，所述发射线圈(12)串联第一可调电容(13)后连接所述系统电源模块(11)的输出端，所述接收线圈(14)串联第二可调电容(15)；所述系统电源模块(11)用于输出功率和频率可调的交流电到所述发射线圈(12)，所述发射线圈(12)通过强磁谐振将电能传输到所述接收线圈(14)，所述负载线圈(16)连接整流稳压模块(17)的输入端，所述负载线圈(16)同时与接收线圈(14)电磁耦合连接，所述整流稳压模块(17)的输出端连接待充电的电池；

其中，所述整流稳压模块(17)包括不控全桥整流电路(171)、功率开关管(172)、稳压二极管(173)以及低通滤波电路(174)；所述不控全桥整流电路(171)的输入端作为所述整流稳压模块(17)的输入端，所述功率开关管(172)和稳压二极管(173)串联后连接在所述不控全桥整流电路(171)的输出端之间，所述低通滤波电路(174)的输入端连接在稳压二极管(173)的两端，低通滤波电路(174)的输出端作为所述整流稳压模块(17)的输出端；所述微处理器用于根据输出占空比控制信号到所述功率开关管(172)，所述功率开关管(172)的占空比的调制满足如下条件：

其中，R_oc为电池的等效内阻，D为占空比，ω为系统电源模块(11)输出功率频率，M为所述发射线圈与接收线圈的互感，R为发射线圈的内阻，U_oc为待充电电池的充电电压，U_s为系统电源模块(11)输出电压。