CN106451800A - 既能输出恒流也能输出恒压的感应式无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种既能输出恒流也能输出恒压的感应式无线电能传输系统，由发送部分和接收部分组成，发送部分的恒流恒压切换电路(Ⅰ)的组成是：高频逆变器(H)和初级线圈(L_P)之间串接有初级恒压电容(C_Pv)；附加并联电容(C_Pp)和切换开关一(S₁)串联后，再与初级恒压电容(C_Pv)并联；且切换开关一(S₁)的控制端与控制器一(K₁)相连；或者高频逆变器(H)和初级线圈(L_P)之间依次串接有初级恒流电容(C_Pi)和附加串联电容(C_Ps)；切换开关二(S₂)并联于附加串联电容(C_Ps)上；且切换开关二(S₂)的控制端与控制器二(K₂)相连。该系统既能输出恒流也能输出恒压，且其控制方便、系统工作稳定，结构简单、制造成本低。

Description

既能输出恒流也能输出恒压的感应式无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及一种既能输出恒流也能输出恒压的感应式无线电能传输系统。

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电能传输系统应能提供恒定的电流和电压。

现有的无线电能传输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

本发明的目的是提出既能输出恒流也能输出恒压的感应式无线电能传输系统，该系统既能输出恒流也能输出恒压，适用于对电池进行充电；且其控制方便、系统工作稳定，结构简单、制造成本低。

本发明的实现其发明目的所采用的第一种技术方案是，一种既能输出恒流也能输出恒压的感应式无线电能传输系统，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、恒流恒压切换电路和初级线圈；接收部分包括依次连接的次级线圈、次级补偿电容、整流滤波电路、电池负载；其特征在于，所述的恒流恒压切换电路的组成是：

所述的高频逆变器和初级线圈之间串接有初级恒压电容；附加并联电容和切换开关一串联后，再与初级恒压电容并联；且切换开关一的控制端与控制器一相连。

进一步，本发明的既能输出恒流也能输出恒压的感应式无线电能传输系统中：

所述的初级线圈和次级线圈之间的互感值M由式(1)确定；

所述的初级恒压电容的电容值由式(2)确定：

所述的附加并联电容的电容值由式(3)确定：

所述的次级补偿电容的电容值由式(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，I_B为设定充电电流，V_B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闭合，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I_B；适合电池充电初期采用。

控制器一控制切换开关一断开，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V_B；适合电池充电后期、电池电压达到充电设定电压时采用。

本发明的实现其发明目的所采用的第二种技术方案是，一种既能输出恒流也能输出恒压的感应式无线电能传输系统，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、恒流恒压切换电路和初级线圈；接收部分包括依次连接的次级线圈、次级补偿电容、整流滤波电路、电池负载；其特征在于，所述的恒流恒压切换电路的组成是：

所述的高频逆变器和初级线圈之间依次串接有初级恒流电容和附加串联电容；切换开关二并联于附加串联电容上；且切换开关二的控制端与控制器二相连。

进一步，本发明的既能输出恒流也能输出恒压的感应式无线电能传输系统中：

所述的初级线圈和次级线圈之间的互感值M由式(5)确定；

所述的初级恒流电容的电容值由式(6)确定：

所述的附加串联电容的电容值由式(7)确定：

所述的次级补偿电容的电容值由式(8)确定：

式(5)、(6)、(7)、(8)中，为直流电源的输出电压值，ω为系统工作角频率，I_B为设定充电电流，V_B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闭合，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I_B；适合电池充电初期采用。

控制器二控制切换开关二断开，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V_B；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工作输出恒定电流和恒定电压的理论分析和电路原理是：

图3为本发明的本发明两种方案的等效电路图。设次级补偿电容不完全补偿次级线圈，二者相差一个虚拟电感M₀，满足关系：

根据互感耦合理论，列出系统初级和次级回路电压方程：

其中，

设流经等效负载R_L的电流与电路输入电压的比值为G_i，可得系统电流增益G_i为：

要使得电流和负载R_L无关，需要满足R_L的系数为零，即：

从而得出恒流模式下，初级补偿电容的值(初级恒流电容值)为：

将式(11)代入式(9)，取模值得到系统电流增益为：

同理，等效负载R_L的端电压与电路输入电压的比值为G_v，可得到系统电压增益G_v为：

要使得电压与负载无关，需要满足的系数为零，即：

从而得出恒压模式下初级补偿电容C_P的值(初级恒压电容值)为：

将式(15)代入式(13)，取模值得到系统电压增益为：

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V_S、电流I_S的基波有效值和输出电压V_B、电流I_B的关系为：

由式(9)、(12)、(17)和(18)，可以求出互感为：

由式(13)、(16)、(17)、(18)和(19)，可以求出虚拟电感为：

，可以求出次级补偿电容值为：

由于恒流、恒压工作模式充电时所需初级补偿电容C_P的值不同，所以需要在初级电路增加一个附加电容和切换开关改变电容值，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所示的第一种方案是通过附加并联电容的并联接入方式，开关一S₁闭合，初级恒压补偿电容C_Pv和附加并联电容C_Pp并联，满足：

将式(11)和(15)代入式(22)求得附加并联电容C_Pp的电容值为：

综上，当控制器一控制开关一闭合时，系统工作在恒流充电模式；当控制器一控制开关一断开时，系统工作在恒压充电模式。

图2所示的第二种方案是通过附加串联电容的串联接入方式，开关二S₁断开，初级恒流补偿电容C_Pi和附加串联电容C_Ps串联，满足：

将式(11)、(15)、(19)和(20)代入式(24)求得附加串联电容C_Ps的电容值为：

因此，当控制器二控制开关二闭合时，系统工作在恒流充电模式；当控制器二控制开关二断开时，系统工作在恒压充电模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明提出的既能输出恒流也能输出恒压的感应式无线电能传输系统，通过并联或串联附加电容的两种特定参数与拓扑结构的两种发送电路，即能在同一个工作频率下，输出不受负载影响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、本发明只需在初级电路加入一个附加电容和一个开关，其电路结构简单，成本低。只需简单的控制开关的切换，没有复杂的控制策略，无需调节逆变器直流输入电压、初级侧移向控制或次级侧加入调压电路；其控制简单、方便，可靠。

三、该系统不受负载影响的输出恒流和输出恒压，将多个高频逆变器后的电路并联于同一个高频逆变器上，可以对多个电池或充电设备充电，大大减少了多电池或多设备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。

图中标号说明：E为直流电源，H为高频逆变器，Ⅰ为恒流恒压切换电路、L_P为初级线圈，L_S为次级线圈，C_S为次级补偿电容，R为整流滤波电路，Ⅱ为电池负载，C_Pp为附加并联电容，C_Pv为初级恒压电容，S₁为切换开关一，K₁为控制器一，C_Ps为附加串联电容，C_Pi为初级恒流电容，S₂为切换开关二，K₂为控制器二，为高频逆变器H和直流源E的等效输出电压向量，为高频逆变器H和直流源E的等效输出电流向量，R_L为从整流滤波电路端口看进去的电池等效负载，为R_L两端的电压向量，为R_L流过的电流向量。

具体实施方式

实施例1

图1示出，本发明的一种具体实施方式是，一种既能输出恒流也能输出恒压的感应式无线电能传输系统，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、恒流恒压切换电路Ⅰ和初级线圈L_P；接收部分包括依次连接的次级线圈L_S、次级补偿电容C_S、整流滤波电路R、电池负载Ⅱ；其特征在于，所述的恒流恒压切换电路Ⅰ的组成是：

所述的高频逆变器H和初级线圈L_P之间串接有初级恒压电容C_Pv；附加并联电容C_Pp和切换开关一S₁串联后，再与初级恒压电容C_Pv并联；且切换开关一S₁的控制端与控制器一K₁相连。

本例中：

所述的初级线圈L_P和次级线圈L_S之间的互感值M由式(1)确定；

所述的初级恒压电容C_Pv的电容值由式(2)确定：

所述的附加并联电容C_Pp的电容值由式(3)确定：

所述的次级补偿电容C_S的电容值由式(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，I_B为设定充电电流，V_B为设定充电电压，分别为初级线圈L_P和次级线圈L_S的电感值。

实施例2

图2示出，本发明的另一种具体实施方式是，一种既能输出恒流也能输出恒压的感应式无线电能传输系统，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、恒流恒压切换电路Ⅰ和初级线圈L_P；接收部分包括依次连接的次级线圈L_S、次级补偿电容C_S、整流滤波电路R、电池负载Ⅱ；其特征在于，所述的恒流恒压切换电路Ⅰ的组成是：

所述的高频逆变器H和初级线圈L_P之间依次串接有初级恒流电容C_Pi和附加串联电容C_Ps；切换开关二S₂并联于附加串联电容C_Ps上；且切换开关二S₂的控制端与控制器二K₂相连。

本例中：

所述的初级线圈L_P和次级线圈L_S之间的互感值M由式(5)确定；

所述的初级恒流电容C_Pi的电容值由式(6)确定：

所述的附加串联电容C_Ps的电容值由式(7)确定：

所述的次级补偿电容C_S的电容值由式(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，I_B为设定充电电流，V_B为设定充电电压，分别为初级线圈L_P和次级线圈L_S的电感值。

Claims (4)

1.一种既能输出恒流也能输出恒压的感应式无线电能传输系统，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)、恒流恒压切换电路(Ⅰ)和初级线圈(L_P)；接收部分包括依次连接的次级线圈(L_S)、次级补偿电容(C_S)、整流滤波电路(R)、电池负载(Ⅱ)；其特征在于，所述的恒流恒压切换电路(Ⅰ)的组成是：

所述的高频逆变器(H)和初级线圈(L_P)之间串接有初级恒压电容(C_Pv)；附加并联电容(C_Pp)和切换开关一(S₁)串联后，再与初级恒压电容(C_Pv)并联；且切换开关一(S₁)的控制端与控制器一(K₁)相连。

2.根据权利要求1所述的一种既能输出恒流也能输出恒压的感应式无线电能传输系统，其特征在于，

所述的初级线圈(L_P)和次级线圈(L_S)之间的互感值M由式(1)确定；

$M=\frac{8\stackrel{\‾}{E}}{{\mathrm{\ωI}}_B{\mathrm{\π}}^2}---\left(1\right)$

所述的初级恒压电容(C_Pv)的电容值由式(2)确定：

${\stackrel{\‾}{C}}_{Pv}=\frac{I_B{V}_B{\mathrm{\π}}^2}{\mathrm{\ω}(8{\stackrel{\‾}{E}}^2+{\mathrm{\ωI}}_B{V}_B{\stackrel{\‾}{L}}_P{\mathrm{\π}}^2)}---\left(2\right)$

所述的附加并联电容(C_Pp)的电容值由式(3)确定：

${\stackrel{\‾}{C}}_{Pp}=\frac{8{\stackrel{\‾}{E}}^2}{{\stackrel{\‾}{L}}_P{\mathrm{\ω}}^2(8E^2+{\mathrm{\ωI}}_B{V}_B{\stackrel{\‾}{L}}_P{\mathrm{\π}}^2)}---\left(3\right)$

所述的次级补偿电容(C_S)的电容值由式(4)确定：

${\stackrel{\‾}{C}}_S=\frac{I_B{\mathrm{\π}}^2}{\mathrm{\ω}(8V_B+{\mathrm{\ωI}}_B{\stackrel{\‾}{L}}_S{\mathrm{\π}}^2)}---\left(4\right)$

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，I_B为设定充电电流，V_B为设定充电电压，分别为初级线圈(L_P)和次级线圈(L_S)的电感值。

3.一种既能输出恒流也能输出恒压的感应式无线电能传输系统，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)、恒流恒压切换电路(Ⅰ)和初级线圈(L_P)；接收部分包括依次连接的次级线圈(L_S)、次级补偿电容(C_S)、整流滤波电路(R)、电池负载(Ⅱ)；其特征在于，所述的恒流恒压切换电路(Ⅰ)的组成是：

所述的高频逆变器(H)和初级线圈(L_P)之间依次串接有初级恒流电容(C_Pi)和附加串联电容(C_Ps)；切换开关二(S₂)并联于附加串联电容(C_Ps)上；且切换开关二(S₂)的控制端与控制器二(K₂)相连。

4.根据权利要求3所述的一种既能输出恒流也能输出恒压的感应式无线电能传输系统，其特征在于，

所述的初级线圈(L_P)和次级线圈(L_S)之间的互感值M由式(5)确定；

$M=\frac{8\stackrel{\‾}{E}}{{\mathrm{\ωI}}_B{\mathrm{\π}}^2}---\left(5\right)$

所述的初级恒流电容(C_Pi)的电容值由式(6)确定：

${\stackrel{\‾}{C}}_{Pi}=\frac{1}{{\stackrel{\‾}{L}}_P{\mathrm{\ω}}^2}---\left(6\right)$

所述的附加串联电容(C_Ps)的电容值由式(7)确定：

${\stackrel{\‾}{C}}_{Ps}=\frac{I_B{V}_B{\mathrm{\π}}^2}{8\mathrm{\ω}{\stackrel{\‾}{E}}^2}---\left(7\right)$

所述的次级补偿电容(C_S)的电容值由式(8)确定：

${\stackrel{\‾}{C}}_S=\frac{I_B{\mathrm{\π}}^2}{\mathrm{\ω}(8V_B+{\mathrm{\ωI}}_B{\stackrel{\‾}{L}}_S{\mathrm{\π}}^2)}---\left(8\right)$

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，I_B为设定充电电流，V_B为设定充电电压，分别为初级线圈(L_P)和次级线圈(L_S)的电感值。