CN106849374B - 一种变次级结构的感应式无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变次级结构的感应式无线充电系统，在接收部分设立恒流恒压切换电路一和恒流恒压切换电路二，恒流恒压切换电路二由次级恒流补偿电容(C_S1)和切换开关一串联，且切换开关一的控制端与控制器一相连；次级恒流补偿电感(L_CC)和切换开关二串联，且切换开关二的控制端与控制器一相连。本发明还公开了与上述方案在控制端略有差异的第二实施方案。采用本发明结构的感应式无线充电系能输出与负载无关的恒定电流和恒定电压，适合于多充电系统共用一个逆变器，整个过程输入阻抗均为纯阻性，能避免无功功率的输入，能提高系统效率。

Description

一种变次级结构的感应式无线充电系统

技术领域

本发明涉及一种变次级结构的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，充电过程通常为前期的恒流充电和后期的恒压充电两个阶段。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。从而要求对电池进行充电的感应式无线充电系统能分别提供恒定的电流和恒定的电压。

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，并且系统会输入较大的无功功率，增大逆变器容量要求。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

本发明的目的是提供一种变次级结构的感应式无线充电系统，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，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；且没有无功功率输入，系统效率高。

本发明实现其发明目的所采用的第一种技术方案是，一种变次级结构的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、初级补偿电感L₁、初级线圈补偿器P_A、初级线圈L_P1；且在初级补偿电感L₁与初级线圈补偿器P_A的连接点和高频逆变器H与初级线圈L_P1的连接点之间连接有初级补偿电容C_P；接收部分包括依次连接的次级线圈L_S1、次级线圈补偿器S_A、次级补偿电容C_S2和整流滤波电路(D)、电池负载Z。

所述的次级线圈补偿器S_A与次级补偿电容C_S2的连接点和次级线圈L_S1与整流滤波电路D的连接点之间连接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：次级恒流补偿电容C_S1和切换开关一S₁串联，且切换开关一S₁的控制端与控制器一K₁相连；

所述的次级补偿电容C_S2两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：次级恒流补偿电感L_CC和切换开关二S₂串联，且切换开关二S₂的控制端与控制器一K₁相连；

当控制器一K₁控制切换开关一S₁闭合和切换开关二S₂闭合，系统工作于恒流充电模式；当控制器一K₁控制切换开关一S₁断开和切换开关二S₂断开，系统工作于恒压充电模式。

进一步：

所述的初级线圈补偿器P_A的阻抗值由式(1)确定：

式中，j为虚数单位，ω为系统工作频率，M为初级线圈L_P1和次级线圈L_S1之间的互感值，为直流电源E的输出电压值，U_B为设定的恒定充电电压，为初级线圈L_P1的电感值；

所述的次级线圈补偿器S_A的阻抗值由式(2)确定：

式中，π为圆周率，I_B为设定的恒定充电电流，为次级线圈L_S1的电感值。

所述的初级补偿电感L₁的电感值由式(3)确定：

所述的初级补偿电容C_P的电容值由式(4)确定：

所述的次级恒流补偿电容C_S1的电容值由式(5)确定：

所述的次级补偿电容C_S2的电容值由式(6)确定：

所述的次级恒流补偿电感L_CC的电感值由式(7)确定：

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和切换开关二闭合，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。

控制器一控制切换开关一断开和切换开关二断开，系统即工作于恒压模式，对负载输出恒定电压，即向电池提供设定的恒定充电电压U_B；适合电池充电后期、电池电压达到充电设定电压时采用。

本发明实现其发明目的所采用的第二种技术方案是，一种变次级结构的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、初级补偿电感L₁、初级线圈补偿器P_A、初级线圈L_P1；且在初级补偿电感L₁与初级线圈补偿器P_A的连接点和高频逆变器H与初级线圈L_P1的连接点之间连有初级补偿电容C_P。接收部分包括依次连接的次级线圈L_S1、次级线圈补偿器S_A、次级补偿电感L₂和整流滤波电路D、电池负载Z。

所述的次级线圈补偿器S_A与次级补偿电感(L₂)的连接点和次级线圈L_S1与整流滤波电路D的连接点之间连接有恒流恒压切换电路三Q₃；所述的恒流恒压切换电路三Q₃的组成是：次级恒流补偿电容C_S1和切换开关三S₃串联，且切换开关三S₃的控制端与控制器二K₂相连。

所述的次级补偿电感L₂和整流滤波电路D之间串接有恒流恒压切换电路四Q₄；所述的恒流恒压切换电路四Q₄的组成是：次级恒压补偿电容C_V2和切换开关四S₄并联，且切换开关四S₄的控制端与控制器二K₂相连；

当控制器二K₂控制切换开关三S₃闭合和切换开关四S₄闭合，系统工作于恒流充电模式；当控制器二K₂控制切换开关三S₃断开和切换开关四S₄断开，系统工作于恒压充电模式。

进一步：

所述的初级线圈补偿器P_A的阻抗值由式(8)确定：

式中，j为虚数单位，ω为系统工作频率，M为初级线圈(L_P1)和次级线圈(L_S1)之间的互感值，为直流电源(E)的输出电压值，U_B为设定的恒定充电电压，为初级线圈(L_P1)的电感值；

所述的次级线圈补偿器S_A的阻抗值由式(9)确定：

式中，π为圆周率，I_B为设定的恒定充电电流，为次级线圈(L_S1)的电感值；

所述的初级补偿电感L₁的电感值由式(10)确定：

所述的初级补偿电容C_P的电容值由式(11)确定：

所述的次级恒流补偿电容C_S1的电容值由式(12)确定：

所述的次级补偿电感L₂的电感值由式(13)确定：

所述的次级恒压补偿电容C_V2的电容值由式(14)确定：

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三闭合和切换开关四闭合，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三断开和切换开关四断开，系统即工作于恒压模式，对负载输出恒定电压，即向电池提供设定的恒定充电电压U_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输出恒定电压和恒定电流的理论分析如下：

图1所示为系统恒压输出时的等效电路，其中L_P为等效初级线圈，L_S为等效次级线圈，L₁为初级补偿电感，C_P为初级补偿电容，C_S2为次级补偿电容，M为等效初级线圈与等效次级线圈间的互感值。

当L_S的电感值与C_S2的电容值满足关系式(15)：

时，根据变压器原理可以推得次级回路反射到初级回路的阻抗Z_1rV为：

其中R是整流滤波电路D的输入交流电阻。当L₁的电感值L_P的电感值和C_P的电容值满足关系式(17)：

时，根据基本电路知识可以计算得系统恒压输出时的输入阻抗Z_inv为：

进一步，结合逆变器输出电压U_P与直流电源E的电压值间的关系：

通过基本的电路知识可计算出整流滤波电路D的输入电压U_out为：

然后根据全桥整流的输入电压U_out与输出电压U_B之间的关系：

可计算得到系统输出电压U_B为：

设系统电压增益G_V为系统输出电压U_B与直流电源E的电压值的模值比，即：

由式(23)可知，若直流电源E的电压值互感值M固定时，要获得恒定的系统输出电压U_B，等效初级线圈L_P的电感值需满足式(24)：

图2所示为系统恒流输出时的系统等效电路，其中L_P为等效初级线圈，L_S为等效次级线圈，L₁为初级补偿电感，C_P为初级补偿电容，C_S1为次级恒流补偿电容，L₂为次级补偿电感，M为等效初级线圈与等效次级线圈间的互感值。

当L_S的电感值L₂的电感值和C_S1的电容值满足关系式(25)：

再根据变压器原理可推导出次级回路反射到初级回路的阻抗Z_1rC:

进一步，当L₁的电感值L_P的电感值和C_P的电容值满足关系式(17)和式(24)时，可推导得系统恒流输出时的输入阻抗Z_inc为：

再结合逆变器输出电压U_P与直流电源E的电压值间的关系：

通过基本的电路知识可计算出整流滤波电路D的输入电流I_out为：

再由全桥整流的输入电流I_out与输出电流I_B之间的关系：

可计算出系统输出电流I_B为：

设系统电流增益G_C为系统输出电流I_B与直流电源E的电压值的模值比，即：

由此可知，当直流电源E的电压值互感值M和系统工作角频率ω固定，且系统设定的恒定输出电压为U_B时，要获得恒定输出电流I_B，等效次级线圈L_S需满足式(33):

实际中的耦合机构一般不能满足用户的参数设计要求，为了克服这一问题，为初级线圈和次级线圈分别串入初级线圈补偿器P_A和次级线圈补偿器P_S，以调节等效初级线圈L_P和等效次级线圈L_S的大小。假设实际系统中初级线圈的电感L_P1为则根据式(24)可以确定初级线圈补偿器P_A的阻抗值需满足式(34)：

假设实际系统中次级线圈的电感L_S1为则根据式(24)可以确定次级线圈补偿器S_A的阻抗值需满足式(35)：

进一步，根据式(15)和(33)，可计算出次级补偿电感C_S2的电容值为：

根据式(25)和(33)可得出次级补偿电感L₂的电感值为：

同理，根据式(25)和(33)可推得次级恒流补偿电容C_S1的电容值为：

前文介绍了系统恒压恒流输出时的电路原理，下文将介绍通过次级变结构来实现系统恒压恒流输出间的转换。

在第一种方案，

考虑图3所示电路，当切换开关S₁和切换开关S₂打开时，图3所示电路与图1所示恒压输出电路等效，故可输出恒定电压；当切换开关S₁和切换开关S₂闭合时，图3所示电路中的次级恒流补偿电感L_CC与次级补偿电容C_S2并联等效为图2所示电路中的次级补偿电感L₂，此时系统电路与图2所示的系统恒流输出电路等效，故可实现系统的恒流输出。由此可知，次级恒流补偿电感L_CC的电感值需满足式(39)：

将式(36)和(37)带入式(39)计算得为：

综上所述，当控制器一K₁控制切换开关S₁和切换开关S₂打开时，系统工作于恒压输出方式，而当控制器一K₁控制切换开关S₁和切换开关S₂闭合时，系统工作于恒流输出方式。

在第二种方案，

考虑图4所示电路，当切换开关S₁打开和切换开关S₂打开时，图4所示电路中的次级恒压补偿电容C_V2与次级补偿电感L₂串联等效为图1所示电路中的次级补偿电容C_S2，此时系统电路与图1所示的系统恒压输出电路等效，故可输出恒定电压；当切换开关S₁闭合和切换开关S₂闭合时，图4所示电路与图2所示的系统恒流输出电路等效，故可实现系统的恒流输出。由此可知，次级恒压补偿电容C_V22的电容值需满足式(41)：

将式(36)和(37)带入式(41)计算得为：

综上所述，当控制器一K₁控制切换开关S₁打开和切换开关S₂打开时，系统工作于恒压输出方式，而当控制器一K₁控制切换开关S₁闭合和切换开关S₂闭合时，系统工作于恒流输出方式。

此外，由式(18)和(27)给出的系统输入阻抗可以得出：无论系统工作于恒流输出方式还是恒压输出方式，系统的输入阻抗均为纯阻性，没有无功功率流入系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明提出的变次级结构的恒流恒压感应式无线充电系统，只需在次级设置两个切换开关，便能改变次级的电路拓扑结构，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、本发明只需在次级回路加入两个切换开关和一个电感或者电容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，无需初级和次级通信；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，故可将多个该类系统的高频逆变器后部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。

四、本发明的电路拓扑在系统恒压和恒流输出时，逆变器输出电压电流同相位，致使逆变器几乎没有注入无功功率，故而系统损耗较小，并且对逆变器的容量要求降低。

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是本发明系统恒压输出时的系统等效电路图。

图2是本发明系统恒流输出时的系统等效电路图。

图3是本发明实施例1的电路结构图。

图4是本发明实施例2的电路结构图。

图中标号说明：E为直流电源，H为高频逆变器，D为整流滤波电路，Z为电池负载，Q₁为恒流恒压切换电路一，Q₂为恒流恒压切换电路二，Q₃为恒流恒压切换电路三，Q₄为恒流恒压切换电路四，S₁为切换开关一，S₂为切换开关二，S₃为切换开关三，S₄为切换开关四，K₁为控制器一，K₂为控制器二，U_P和I_P分别为高频逆变器(H)的输出电压和输出电流，U_B和I_B分别为电池的电压和电流，R为整流滤波电路D的输入电阻，L_P为等效初级线圈，L_S为等效次级线圈，L₁为初级补偿电感，C_P为初级补偿电容，L_P1为初级线圈，L_S1为次级线圈，C_S1位次级恒流补偿电容，C_S2为次级补偿电容，L_CC为次级恒流补偿电感，L₂为次级补偿电感，C_V2为次级恒压补偿电容。

具体实施方式

实施例1

图3所示，本发明的第一种具体实施方式是，一种变次级结构的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、初级补偿电感L₁、初级线圈补偿器P_A、初级线圈L_P1；且在初级补偿电感L₁与初级线圈补偿器P_A的连接点和高频逆变器H与初级线圈L_P1的连接点之间连接有初级补偿电容C_P；接收部分包括依次连接的次级线圈L_S1、次级线圈补偿器S_A、次级补偿电容C_S2和整流滤波电路D、电池负载Z。

所述的次级线圈补偿器S_A与次级补偿电容C_S2的连接点和次级线圈L_S1与整流滤波电路D的连接点之间连接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：次级恒流补偿电容C_S1和切换开关S₁串联，且切换开关一S₁的控制端与控制器一K₁相连。

所述的次级补偿电容C_S2两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：次级恒流补偿电感L_CC和切换开关S₂串联，且切换开关二S₂的控制端与控制器一K₁相连。

本例中的系统参数采用如下方式确定：

所述的初级线圈补偿器P_A的阻抗值由式(1)确定：

式中，j为虚数单位，ω为系统工作频率，M为初级线圈L_P1和次级线圈L_S1之间的互感值，为直流电源E的输出电压值，U_B为设定的恒定充电电压，为初级线圈L_P1的电感值；

所述的次级线圈补偿器S_A的阻抗值由式(2)确定：

式中，π为圆周率，I_B为设定的恒定充电电流，为次级线圈L_S1的电感值。

所述的初级补偿电感L₁的电感值由式(3)确定：

所述的初级补偿电容C_P的电容值由式(4)确定：

所述的次级恒流补偿电容C_S1的电容值由式(5)确定：

所述的次级补偿电容C_S2的电容值由式(6)确定：

所述的次级恒流补偿电感L_CC的电感值由式(7)确定：

实施例2

图4所示是本发明的第二种具体实施方式，一种变次级结构的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、初级补偿电感L₁、初级线圈补偿器P_A、初级线圈L_P1；且在初级补偿电感L₁与初级线圈补偿器P_A的连接点和高频逆变器H与初级线圈L_P1的连接点之间连有初级补偿电容C_P。接收部分包括依次连接的次级线圈L_S1、次级线圈补偿器S_A、次级补偿电感L₂和整流滤波电路D、电池负载Z。

所述的次级线圈补偿器S_A与次级补偿电容C_S2的连接点和次级线圈L_S1与整流滤波电路D的连接点之间连接有恒流恒压切换电路三Q₃；所述的恒流恒压切换电路三Q₃的组成是：次级恒流补偿电容C_S1和切换开关S₁串联，且切换开关三S₃的控制端与控制器二K₂相连；

所述的次级补偿电感L₂和整流滤波电路D之间串接有恒流恒压切换电路四Q₄；所述的恒流恒压切换电路四Q₄的组成是：次级恒压补偿电容C_V2和切换开关四S₄并联，且切换开关四S₄的控制端与控制器二K₂相连。

本例中的系统参数采用如下方式确定：

所述的初级线圈补偿器P_A的阻抗值由式(8)确定：

所述的次级线圈补偿器S_A的阻抗值由式(9)确定：

所述的初级补偿电感L₁的电感值由式(10)确定：

所述的初级补偿电容C_P的电容值由式(11)确定：

所述的次级恒流补偿电容C_S1的电容值由式(12)确定：

所述的次级补偿电感L₂的电感值由式(13)确定：

所述的次级恒压补偿电容C_V2的电容值由式(14)确定：

Claims (3)

1.一种变次级结构的感应式无线充电系统，由发送部分和接收部分组成，其特征在于，发送部分包括依次连接的直流电源(E)、高频逆变器(H)、初级补偿电感(L₁)、初级线圈补偿器(P_A)、初级线圈(L_P1)；且在初级补偿电感(L₁)与初级线圈补偿器(P_A)的连接点和高频逆变器(H)与初级线圈(L_P1)的连接点之间连接有初级补偿电容(C_P)；接收部分包括依次连接的次级线圈(L_S1)、次级线圈补偿器(S_A)、次级补偿电容(C_S2)和整流滤波电路(D)、电池负载(Z)；

所述的次级线圈补偿器(S_A)与次级补偿电容(C_S2)的连接点和次级线圈(L_S1)与整流滤波电路(D)的连接点之间连接有恒流恒压切换电路一(Q₁)；恒流恒压切换电路一(Q₁)的组成是：次级恒流补偿电容(C_S1)和切换开关一(S₁)串联，且切换开关一(S₁)的控制端与控制器一(K₁)相连；

所述的次级补偿电容(C_S2)两端并联有恒流恒压切换电路二(Q₂)；恒流恒压切换电路二(Q₂)的组成是：次级恒流补偿电感(L_CC)和切换开关二(S₂)串联，且切换开关二(S₂)的控制端与控制器一(K₁)相连；

当控制器一(K₁)控制切换开关一(S₁)闭合和切换开关二(S₂)闭合，系统工作于恒流充电模式；当控制器一(K₁)控制切换开关一(S₁)断开和切换开关二(S₂)断开，系统工作于恒压充电模式。

2.根据权利要求1所述的一种变次级结构的感应式无线充电系统，其特征在于，

所述的初级线圈补偿器(P_A)的阻抗值由式(1)确定：

式中，j为虚数单位，ω为系统工作频率，M为初级线圈(L_P1)和次级线圈(L_S1)之间的互感值，为直流电源(E)的输出电压值，U_B为设定的恒定充电电压，为初级线圈(L_P1)的电感值；

所述的次级线圈补偿器(S_A)的阻抗值由式(2)确定：

式中，π为圆周率，I_B为设定的恒定充电电流，为次级线圈(L_S1)的电感值；

所述的初级补偿电感(L₁)的电感值由式(3)确定：

所述的初级补偿电容(C_P)的电容值由式(4)确定：

所述的次级恒流补偿电容(C_S1)的电容值由式(5)确定：

所述的次级补偿电容(C_S2)的电容值由式(6)确定：

所述的次级恒流补偿电感(L_CC)的电感值由式(7)确定：

3.一种变次级结构的感应式无线充电系统，由发送部分和接收部分组成，其特征在于，发送部分包括依次连接的直流电源(E)、高频逆变器(H)、初级补偿电感(L₁)、初级线圈补偿器(P_A)、初级线圈(L_P1)；且在初级补偿电感(L₁)与初级线圈补偿器(P_A)的连接点和高频逆变器(H)与初级线圈(L_P1)的连接点之间连有初级补偿电容(C_P)；接收部分包括依次连接的次级线圈(L_S1)、次级线圈补偿器(S_A)、次级补偿电感(L₂)和整流滤波电路(D)、电池负载(Z)；

所述的次级线圈补偿器(S_A)与次级补偿电感(L₂)的连接点和次级线圈(L_S1)与整流滤波电路(D)的连接点之间连接有恒流恒压切换电路三(Q₃)；恒流恒压切换电路三(Q₃)的组成是：次级恒流补偿电容(C_S1)和切换开关三(S₃)串联，且切换开关三(S₃)的控制端与控制器二(K₂)相连；

所述的次级补偿电感(L₂)和整流滤波电路(D)之间串接有恒流恒压切换电路四(Q₄)；恒流恒压切换电路四(Q₄)的组成是：次级恒压补偿电容(C_V2)和切换开关四(S₄)并联，且切换开关四(S₄)的控制端与控制器二(K₂)相连；

当控制器二(K₂)控制切换开关三(S₃)闭合和切换开关四(S₄)闭合，系统工作于恒流充电模式；当控制器二(K₂)控制切换开关三(S₃)断开和切换开关四(S₄)断开，系统工作于恒压充电模式；

所述的初级线圈补偿器(P_A)的阻抗值由式(8)确定：

式中，j为虚数单位，ω为系统工作频率，M为初级线圈(L_P1)和次级线圈(L_S1)之间的互感值，为直流电源(E)的输出电压值，U_B为设定的恒定充电电压，为初级线圈(L_P1)的电感值；

所述的次级线圈补偿器(S_A)的阻抗值由式(9)确定：

式中，π为圆周率，I_B为设定的恒定充电电流，为次级线圈(L_S1)的电感值；

所述的初级补偿电感(L₁)的电感值由式(10)确定：

所述的初级补偿电容(C_P)的电容值由式(11)确定：

所述的次级恒流补偿电容(C_S1)的电容值由式(12)确定：

所述的次级补偿电感(L₂)的电感值由式(13)确定：

所述的次级恒压补偿电容(C_V2)的电容值由式(14)确定：