CN106208269B - 一种恒流恒压感应式无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
一种恒流恒压感应式无线充电系统，由发送部分和接收部分组成，接收部分有恒流恒压切换电路一(Q1)，切换电路一的组成是：次级恒压电容(CSv)与次级附加串联电容(CSS)串联后再并联于次级线圈(LS)的两端，且切换开关一(S1)与次级附加串联电容(CSS)并联，切换开关一(S1)的控制端与控制器一(K1)相连；或者接收部分有恒流恒压切换电路二(Q2)，切换电路二(Q2)的组成是：次级恒流电容(CSC)并联于次级线圈(LS)两端；次级附加并联电容(CSP)和切换开关二(S2)串联后再并联于次级恒流电容(CSC)上，且切换开关二(S2)的控制端与控制器二(K2)相连。它能输出与负载无关的恒定电流和恒定电压，且结构和控制简单、工作稳定，制造成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种恒流恒压感应式无线充电系统。
背景技术
感应式无线电能传输技术通过磁场以非接触的方式向用电器进行灵活、安全、可靠供电，避免了传统拔插式电能传输系统存在的接触火花、漏电等安全问题。该技术已经广泛运用于内置式医疗装置、消费电子产品、照明和电动汽车等领域。其中，运用感应式无线电能传输系统对电池进行无线充电的发展前途巨大。
为了实现电池安全充电，延长电池的使用寿命和充放电次数，通常主要包括恒流和恒压两个充电阶段。即在充电初期采用恒流模式，电池电压迅速增加；当电池电压达到充电设定电压时，采用恒压模式充电，充电电流逐渐减小直至达到充电截止电流，充电完成。也即对电池进行充电的感应式无线充电系统应能提供恒定的电流和电压。
现有的无线充电系统的主要构成及工作过程为：工频交流电经过整流成为直流，经过逆变器后直流电逆变成高频交流电，高频交变电流注入初级线圈，产生高频交变磁场；次级线圈在初级线圈产生的高频磁场中感应出感应电动势，该感应电动势通过高频整流后向负载提供电能。由于负载(电池)的等效阻抗是变动的，所以在一定输入电压下系统难以输出负载所需的恒定电流或电压。为解决该问题，通常的方法有两种：一、在电路系统中引入闭环负反馈控制，如在逆变器前加入控制器调节输入电压或者采用移相控制，或者在次级线圈整流后加入DC-DC变换器；其缺陷是，增加了控制成本和复杂性，降低系统稳定性。二、采用变频控制，系统工作在两个不同频率点实现恒流和恒压输出，但是该方法会出现频率分叉现象，造成系统工作不稳定。
发明内容
本发明的目的是使感应式无线充电系统既能输出恒流也能输出恒压，适用于对电池进行充电，特别是单个电源下多负载的充电，如对多辆电动车同时充电；且其控制方便、系统工作稳定，结构简单、制造成本低。
本发明实现其发明目的所采用的第一种技术方案是，一种恒流恒压感应式无线充电系统，由发送部分和接收部分组成；发送部分包括：依次连接的直流电源、高频逆变器、初级补偿电容和初级线圈；接收部分包括：依次连接的次级线圈、恒流恒压切换电路一、次级补偿电感、整流滤波电路和电池负载；其特征在于，所述的次级线圈两端并联有恒流恒压切换电路一，所述的恒流恒压切换电路一的组成是：
次级恒压电容与次级附加串联电容串联后再并联于次级线圈的两端，且切换开关一与次级附加串联电容并联，切换开关一的控制端与控制器一相连。
进一步，本发明的次级恒压电容的电容值由式(1)确定：
所述的次级附加串联电容的电容值由式(2)确定：
所述的初级补偿电容的电容值由式(3)确定：
所述次级补偿电感的电感值由式(4)确定：
式(1)、(2)、(3)和(4)中，为直流电源的输出电压值，ω为系统工作角频率，IB为设定充电电流，VB为设定充电电压，分别为初级线圈和次级线圈的电感值。
本发明的第一种技术方案的使用方法是：
控制器一控制切换开关一断开，系统即工作于恒流模式，对负载输出恒定电流，即向电池提供设定的恒定充电电流IB；适合电池充电初期采用。
控制器一控制切换开关一闭合，感应式无线充电系统工作于恒压模式，系统工作于恒压模式，对负载输出恒定电压，即向电池提供设定的恒定充电电压VB；适合电池充电后期、电池电压达到充电设定电压时采用。
本发明实现其发明目的所采用的第二种技术方案是，一种恒流恒压感应式无线充电系统，由发送部分和接收部分组成；发送部分包括：依次连接的直流电源、高频逆变器、初级补偿电容和初级线圈；接收部分包括：依次连接的次级线圈、恒流恒压切换电路二、次级补偿电感、整流滤波电路和电池负载；其特征在于，所述的次级线圈两端并联有恒流恒压切换电路二，所述的恒流恒压切换电路二的组成是：
次级恒流电容并联于次级线圈两端；次级附加并联电容和切换开关二串联后再并联于次级恒流电容上，且切换开关二的控制端与控制器二相连。
进一步，所述的次级恒流电容的电容值由式(5)确定：
所述的次级附加并联电容的电容值由式(6)确定：
所述的初级补偿电容的电容值由式(7)确定：
所述的次级补偿电感的电感值由式(8)确定：
式(5)、(6)、(7)和(8)中，为直流电源的输出电压值，ω为系统工作角频率，IB为设定充电电流，VB为设定充电电压，分别为初级线圈和次级线圈的电感值。
本发明的第二种技术方案的使用方法是：
控制器二控制切换开关二断开，系统即工作于恒流模式，对负载输出恒定电流，即向电池提供设定的恒定充电电流IB；适合电池充电初期采用。
控制器二控制切换开关二闭合，感应式无线充电系统工作于恒压模式，系统工作于恒压模式，对负载输出恒定电压，即向电池提供设定的恒定充电电压VB；适合电池充电后期、电池电压达到充电设定电压时采用。
本发明两种方案中系统输出恒定电流和恒定电压的理论分析和电路原理是：
图3、4为本发明的电路拓扑的系统等效电路图。根据图4的T型等效电路图可知：
设系统工作角频率为ω，为了简化分析，将电容值为的初级补偿电容CP和电感值为的电感L'P等效为一个电感LPe，其电感值为满足如下关系：
根据基尔霍夫电压和电流定律可以推导得出系统输入电压电流和输出电压电流的关系如下：
其中，a12＝a22＝0，即表明系统输出电压和电流均与输入电流无关，
设流经等效电阻的电流与系统输入电压的比值为Gi，由式(11)可得系统电流增益Gi：
为了使Gi不随负载变化而变化，应令a21分母中的的系数为零，即：
从而得出恒流输出(CC)模式下的次级总补偿电容Cs的电容值
将次级总补偿电容Cs的值代入式(12)，取模值得到系统在恒流输出(CC)模式下的电流增益：
同理，设系统输出电压与输入电压的比值为Gv，由式(11)可得系统电压增益Gv：
要使得等效电阻RL的端电压与负载无关，需要满足a11分母中的的系数为零，即：
从而得出恒压输出(CV)模式下的次级总补偿电容Cs的电容值
将次级总补偿电容Cs的电容值值代入式(16)，取模值得到系统在恒流输出(CV)模式下的电压增益：
逆变器的输出电压基波有效值和其输入直流电压的关系为：
整流滤波电路的输入电压UL、电流IL的基波有效值和输出电压VB、电流IB的关系为：
将式(9)、(10)、(20)和(21)代入式(12)，求出初级补偿电容(CP)的电容值
将式(9)、(10)、(20)、(21)和(22)代入式(16)，求出次级补偿电感LL的电感值
将式(9)、(10)和(22)代入式(14)，得到恒流输出(CC)模式下的次级总补偿电容的电容值
将式(9)、(10)、(22)和(23)代入式(18)，得到恒压输出(CV)模式下的次级总补偿电容值
由于恒流模式下所需的次级总补偿电容值和恒压模式下所需的次级总补偿电容值大小不同，所以需要在次级电路增加一个附加电容和切换开关来改变电容值，从而实现恒流和恒压模式的切换，而附加电容可以通过并联和串联两种方式接入电路。
如图1所示的第一种方案，次级恒压电容CSV的取值等于在开关一(S1)闭合时，次级附加串联电容CSC被短路，恒流恒压切换电路一(Q1)的总电容值则等于恒压模式下的次级总补偿电容值故此方案下开关一(S1)闭合时，系统工作于恒压输出(CV)模式；在开关一(S1)断开时，次级恒压电容CSV和次级附加串联电容CSS串联，其总电容值由式(26)决定
取合适的次级附加串联电容CSS使的取值等于则此时恒流恒压切换电路一(Q1)的总电容值则等于恒流模式下的次级总补偿电容值故此方案下开关一(S1)断开时系统工作于恒流输出(CC)模式，进一步，将式(24)和(25)代入式(26)可求得次级附加串联电容CSS的电容值为：
如图2所示的第二种方案，次级恒流电容CSC的取值等于在开关二(S2)断开时，次级附加并联电容CSP被开路，恒流恒压切换电路二(Q2)的总电容值则等于恒流模式下的次级总补偿电容值故此方案下开关二(S2)断开时，系统工作于恒流输出(CC)模式；在开关二(S2)闭合时，次级恒流电容CSC和次级附加串联电容CSP并联，其总电容值由式(28)决定
取合适的次级附加并联电容CSP使的取值等于则此时恒流恒压切换电路二(Q2)的总电容值则等于恒压模式下的次级总补偿电容值故此方案下开关二(S2)断开时系统工作于恒压输出(CV)模式，进一步，将式(24)和(25)代入式(28)可求得次级附加并联电容CSP的电容值为：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明提出的恒流恒压感应式无线充电系统，在恒流恒压切换电路中两个由系统参数值确定的特定电容值的电容、在开关的切换下，能分别得到恒流充电模式下所需的总补偿电容值和恒压充电模式下所需的总补偿电容值；从而能在同一工作频率下输出与负载无关的恒定电流和恒定电压，满足电池初期恒流充电、后期恒压充电的要求。系统工作在一个频率点下，不会出现频率分叉现象，系统工作稳定。
二、本发明只需在次级电路加入两个电容和一个开关组成的恒流恒压切换电路，其电路结构简单，成本低。工作时只需简单的控制开关的切换，没有复杂的控制策略，也无需次级电路和初级电路进行通信；其控制简单、方便，可靠。
三、该系统电路参数确定后，输出的与负载无关的恒定电流和恒定电压只与高频逆变器输出电压有关，故可将该系统高频逆变器后的电路并联于同一个高频逆变器上，实现同时对多个电池或充电设备充电，大大减少了多电池负载充电时的高频逆变器数量，降低充电成本。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是本发明实施例1的电路结构示意图；
图2是本发明实施例2的电路结构示意图；
图3是本发明的等效电路图。
图4是本发明的T型等效电路图。
具体实施方式
实施例1
图1示出，本发明的第一种具体实施方式是，一种恒流恒压感应式无线充电系统，由发送部分和接收部分组成；发送部分包括：依次连接的直流电源E、高频逆变器H、初级补偿电容CP和初级线圈LP；接收部分包括：依次连接的次级线圈LS、恒流恒压切换电路一Q1、次级补偿电感LL、整流滤波电路D和电池负载Z；其特征在于，所述的次级线圈LS两端并联有恒流恒压切换电路一Q1，所述的恒流恒压切换电路一Q1的组成是：
次级恒压电容CSv与次级附加串联电容CSS串联后再并联于次级线圈LS的两端，且切换开关一S1与次级附加串联电容CSS并联，切换开关一S1的控制端与控制器一K1相连。
本例中：
所述的次级恒压电容CSV的电容值由式(1)确定：
所述的次级附加串联电容CSS的电容值由式(2)确定：
所述的初级补偿电容CP的电容值由式(3)确定：
所述次级补偿电感LL的电感值由式(4)确定：
式(1)、(2)、(3)和(4)中，为直流电源E的输出电压值，ω为系统工作角频率，IB为设定充电电流，VB为设定充电电压，分别为初级线圈LP和次级线圈LS的电感值。
实施例2
图2示出，本发明的第二种具体实施方式是，一种恒流恒压感应式无线充电系统，由发送部分和接收部分组成；发送部分包括：依次连接的直流电源E、高频逆变器H、初级补偿电容CP和初级线圈LP；接收部分包括：依次连接的次级线圈LS、恒流恒压切换电路二Q2、次级补偿电感LL、整流滤波电路D和电池负载Z；其特征在于，所述的次级线圈LS两端并联有恒流恒压切换电路二Q2，所述的恒流恒压切换电路二Q2的组成是：
次级恒流电容CSC并联于次级线圈LS两端；次级附加并联电容CSP和切换开关二S2串联后再并联于次级恒流电容CSC上，且切换开关二S2的控制端与控制器二K2相连。
本例中：
所述的次级恒流电容CSC的电容值由式(5)确定：
所述的次级附加并联电容CSP的电容值由式(6)确定：
所述的初级补偿电容CP的电容值由式(7)确定：
所述次级补偿电感LL的电感值由式(8)确定：
式(5)、(6)、(7)和(8)中，为直流电源E的输出电压值，ω为系统工作角频率，IB为设定充电电流，VB为设定充电电压，分别为初级线圈LP和次级线圈LS的电感值。
Claims (2)
1.一种恒流恒压感应式无线充电系统，由发送部分和接收部分组成；发送部分包括：依次连接的直流电源(E)、高频逆变器(H)、初级补偿电容(CP)和初级线圈(LP)；接收部分包括：依次连接的次级线圈(LS)、恒流恒压切换电路一(Q1)、次级补偿电感(LL)、整流滤波电路(D)和电池负载(Z)；其特征在于，所述的次级线圈(LS)两端并联有恒流恒压切换电路一(Q1)，所述的恒流恒压切换电路一(Q1)的组成是：
次级恒压电容(CSV)与次级附加串联电容(CSS)串联后再并联于次级线圈(LS)的两端，且切换开关一(S1)与次级附加串联电容(CSS)并联，切换开关一(S1)的控制端与控制器一(K1)相连；
所述的次级恒压电容(CSV)的电容值由式(1)确定：
所述的次级附加串联电容(CSS)的电容值由式(2)确定：
所述的初级补偿电容(CP)的电容值由式(3)确定：
所述次级补偿电感(LL)的电感值由式(4)确定：
式(1)、(2)、(3)和(4)中，为直流电源(E)的输出电压值，ω为系统工作角频率，IB为设定充电电流，VB为设定充电电压，分别为初级线圈(LP)和次级线圈(LS)的电感值， M为初级线圈(LP)与次级线圈(LS)之间的互感值。
2.一种恒流恒压感应式无线充电系统，由发送部分和接收部分组成；发送部分包括：依次连接的直流电源(E)、高频逆变器(H)、初级补偿电容(CP)和初级线圈(LP)；接收部分包括：依次连接的次级线圈(LS)、恒流恒压切换电路二(Q2)、次级补偿电感(LL)、整流滤波电路(D)和电池负载(Z)；其特征在于，所述的次级线圈(LS)两端并联有恒流恒压切换电路二(Q2)，所述的恒流恒压切换电路二(Q2)的组成是：
次级恒流电容(CSC)并联于次级线圈(LS)两端；次级附加并联电容(CSP)和切换开关二(S2)串联后再并联于次级恒流电容(CSC)上，且切换开关二(S2)的控制端与控制器二(K2)相连；
所述的次级恒流电容(CSC)的电容值由式(5)确定：
所述的次级附加并联电容(CSP)的电容值由式(6)确定：
所述的初级补偿电容(CP)的电容值由式(7)确定：
所述的次级补偿电感(LL)的电感值由式(8)确定：
式(5)、(6)、(7)和(8)中，为直流电源(E)的输出电压值，ω为系统工作角频率，IB为设定充电电流，VB为设定充电电压，分别为初级线圈(LP)和次级线圈(LS)的电感值， M为初级线圈(LP)与次级线圈(LS)之间的互感值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |