CN107579564A - 一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统 - Google Patents

一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统 Download PDF

Info

Publication number
CN107579564A
CN107579564A CN201710814692.7A CN201710814692A CN107579564A CN 107579564 A CN107579564 A CN 107579564A CN 201710814692 A CN201710814692 A CN 201710814692A CN 107579564 A CN107579564 A CN 107579564A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mrow
msub
mover
msup
coil
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201710814692.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107579564B (zh
Inventor
麦瑞坤
陈阳
寇志豪
何正友
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest Jiaotong University
Original Assignee
Southwest Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest Jiaotong University filed Critical Southwest Jiaotong University
Publication of CN107579564A publication Critical patent/CN107579564A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107579564B publication Critical patent/CN107579564B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Abstract

本发明公开了一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统,具有发送部分、接收部分和恒流恒压切换部分。高频逆变器H的输入端连接直流电源E,其输出端串联初级补偿电容CP后接入初级线圈LP构成所述发送部分;所述接收部分的构成为:整流滤波电路D输入端与次级线圈LS连接,其间串联次级补偿电容CS;整流滤波电路D输出端与电池负载Z连接。所述恒流恒压切换部分具有与初级线圈Lp和次级线圈LS构成互感线圈的第三线圈L3,第三线圈L3与第三线圈补偿电容C3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。本发明能输出与负载无关的恒定电流和恒定电压,工作在一个频率点下。电路结构简单,成本低,无须复杂的控制策略;控制简单、方便可靠。

Description

一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统
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是一种利用磁场等软介质实现非接触电能传输的新型供电技术,其以供电灵活、安全、稳定性高及环境亲和力强等优点广泛运用于医疗、消费电子产品、水下供电、电动车充电和轨道交通等领域。其中,运用感应式无线电能传输技术对电池进行无线充电,避免了传统插拔系统存在的接触火花和插头老化等弊端,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,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技术方案是,一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统,由发送部分、接收部分和恒流恒压切换部分组成,高频逆变器H的输入端连接直流电源E,其输出端串联初级补偿电容CP后接入初级线圈LP构成所述发送部分;所述接收部分的构成为:整流滤波电路D输入端次级线圈LS连接,其间串联次级补偿电容CS;整流滤波电路D输出端与电池负载Z连接;所述恒流恒压切换部分具有与初级线圈LP和次级线圈LS构成互感线圈的第三线圈L3,第三线圈L3与第三线圈补偿电容C3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。
进一步地,所述的初级补偿电容CP的电容值由式(1)确定:
其中ω为系统工作角频率。
所述的次级补偿电容CS的电容值由式(2)确定:
所述的第三线圈补偿电容C3的电容值由式(3)确定:
其中为直流电源E的输出电压值,M13为初级线圈LP与第三线圈L3的互感值,VB为设定充电电压,IB为设定充电电流。
所述的初级线圈LP与次级线圈LS的互感值M12由式(4)确定:
所述的次级线圈LS与第三线圈L3的互感值M23由式(5)确定:
本发明的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,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。
本发明方案中系统输出恒定电流和恒定电压的理论分析如下:
考虑如图1所示电路,令CP满足CS满足
当切换开关一S1闭合时,运用网孔电流法列写方程组:
其中求解方程组(7)可以得到此时系统输出电流为:
由式(8)可以得到此时系统输出电压为:
为了便于分析,将式(9)写作如下形式:
观察式(10)可以发现,当分子中R的系数项及分母中的常数项均为零时,系统输出电压的表达式中不含负载R的项,即
时,系统输出电压为:
求解方程组(11)可以得到满足式(11)的X3的取值为:
将式(13)代入式(12)可以得到系统输出电压为:
此时系统输出与负载R无关的电压。
当切换开关一S1断开时,有代入方程组(7)可以得到此时系统输出电流为:
此时系统输出与负载R无关的电流。
综上所述,图1所示电路中,当切换开关一S1断开时,系统的输出电流与负载的大小无关,即在负载变动的工况下,系统可以保持恒流输出,适用于电池充电的前期;当切换开关一S1闭合时,系统的输出电压与负载的大小无关,即在负载变动的工况下,系统可以保持恒压输出,适用于电池充电的后期。
将图1中的电压源由直流电源E及高频逆变器代替,高频逆变器输入电压与输出电压Vi之间的关系为:
并将图1中的负载由电池负载及整流桥代替,整流桥的输入电压Vo与输出电压VB之间的关系为:
整流桥的输入电流Io与输出电流IB之间的关系为:
方案如图2所示,
在充电前期,为获得系统电流恒流输出,控制器一K1断开切换开关一S1
在充电后期,为获得系统电压恒压输出,控制器一K1闭合切换开关一S1
由式(6)可知初级补偿电容CP的电容值次级补偿电容CS电容值需满足条件:
由式(15)、(16)、(18)可知初级线圈LP与次级线圈LS的互感值M12需满足条件:
由式(14)、(16)、(17)可知次级线圈LS与第三线圈L3的互感值M23需满足条件:
由式(13)、(20)、(21)及可知第三线圈补偿电容(C3)的电容值需满足条件:
综上所述,在用户要求的负载恒压电压VB、负载恒流电流IB、输入直流电压初级线圈LP次级线圈LS的电感值第三线圈L3的电感值初级线圈LP与第三线圈L3间的互感M13和系统工作频率f一定的条件下,当控制器一K1断开切换开关一S1,则系统输出恒定电流,适用于充电前期使用,而当控制器一K1闭合切换开关一S1,则系统输出恒定电压,适用于充电后期使用。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
一、本发明提出的一种恒流恒压切换输出的无线电能传输系统,只需在第三线圈串联一个切换开关,便能改变系统的电路拓扑结构,从而能够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、本发明只需在第三线圈串联一个切换开关和一个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;其控制简单、方便,可靠。
三、该三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统相比普通两线圈结构的系统在远距离情况下效率更高。
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是可实现恒流、恒压输出的系统电路图。
图2是方案的系统电路图。
图中标号说明:E为直流电源,H为高频逆变器,CP为初级补偿电容,LP为初级线圈,LS为次级线圈,CS次级补偿电容,L3为第三线圈、C3为第三线圈补偿电容,S1为切换开关一,K1为控制器一,Vi为高频逆变器H的等效输出电压,R为从整流滤波电路输入端口看进去的电池等效负载,VB为电池两端的电压,IB为电池流过的电流。
具体实施方式
图2所示,本发明的具体实施方式是,一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统,由发送部分、接收部分和恒流恒压切换部分组成,高频逆变器H的输入端连接直流电源E,其输出端串联初级补偿电容CP后接入初级线圈LP构成所述发送部分;所述接收部分的构成为:整流滤波电路D输入端与次级线圈LS连接,其间串联次级补偿电容CS;整流滤波电路D输出端与电池负载Z连接。所述恒流恒压切换部分具有与初级线圈Lp和次级线圈LS构成互感线圈的第三线圈L3,第三线圈L3与第三线圈补偿电容C3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;并且:
所述的初级补偿电容CP的电容值由式(1)确定:
其中ω为系统工作角频率。
所述的次级补偿电容CS的电容值由式(2)确定:
所述的第三线圈补偿电容C3的电容值由式(3)确定:
其中为直流电源E的输出电压值,M13为初级线圈LP与第三线圈L3的互感值,VB为设定充电电压,IB为设定充电电流。
所述的初级线圈LP与次级线圈LS的互感值M12由式(4)确定:
所述的次级线圈LS与第三线圈L3的互感值M23由式(5)确定:

Claims (2)

1.一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统,由发送部分、接收部分和恒流恒压切换部分组成,高频逆变器(H)的输入端连接直流电源(E),其输出端串联初级补偿电容(CP)后接入初级线圈(LP)构成所述发送部分;所述接收部分的构成为:整流滤波电路(D)输入端与次级线圈(LS)连接,其间串联次级补偿电容(CS);整流滤波电路(D)输出端与电池负载(Z)连接;其特征在于,所述恒流恒压切换部分具有与初级线圈(LP)和次级线圈(LS)构成互感线圈的第三线圈(L3),第三线圈(L3)与第三线圈补偿电容(C3)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。
2.根据权利要求1所述的三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统,其特征在于,所述的初级补偿电容(CP)的电容值由式(1)确定:
<mrow> <mover> <msub> <mi>C</mi> <mi>P</mi> </msub> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msup> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>2</mn> </msup> <mover> <msub> <mi>L</mi> <mi>P</mi> </msub> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中ω为系统工作角频率;
所述的次级补偿电容(CS)的电容值由式(2)确定:
<mrow> <mover> <msub> <mi>C</mi> <mi>S</mi> </msub> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msup> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>2</mn> </msup> <mover> <msub> <mi>L</mi> <mi>S</mi> </msub> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
所述的第三线圈补偿电容(C3)的电容值由式(3)确定:
<mrow> <mover> <msub> <mi>C</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>4</mn> <msup> <mover> <mi>E</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <msup> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mover> <msub> <mi>L</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <msup> <mover> <mi>E</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mi>&amp;pi;</mi> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>&amp;omega;V</mi> <mi>B</mi> </msub> <msub> <mi>I</mi> <mi>B</mi> </msub> <msup> <msub> <mi>M</mi> <mn>13</mn> </msub> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中为直流电源(E)的输出电压值,M13为初级线圈(LP)与第三线圈(L3)的互感值,VB为设定充电电压,IB为设定充电电流;
所述的初级线圈(LP)与次级线圈(LS)的互感值M12由式(4)确定:
<mrow> <msub> <mi>M</mi> <mn>12</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>8</mn> <mover> <mi>E</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> </mrow> <mrow> <msup> <mi>&amp;pi;</mi> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>&amp;omega;I</mi> <mi>B</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
所述的次级线圈(LS)与第三线圈(L3)的互感值M23由下式确定:
<mrow> <msub> <mi>M</mi> <mn>23</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>V</mi> <mi>B</mi> </msub> <msub> <mi>M</mi> <mn>13</mn> </msub> </mrow> <mover> <mi>E</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
CN201710814692.7A 2017-08-25 2017-09-12 一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统 Active CN107579564B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2017107536437 2017-08-25
CN201710753643 2017-08-25

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107579564A true CN107579564A (zh) 2018-01-12
CN107579564B CN107579564B (zh) 2020-02-21

Family

ID=61033537

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710814692.7A Active CN107579564B (zh) 2017-08-25 2017-09-12 一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107579564B (zh)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109347212A (zh) * 2018-10-12 2019-02-15 西南交通大学 基于感应式无线电能传输系统的高效率电能传输方法
CN109638978A (zh) * 2019-01-25 2019-04-16 西南交通大学 一种高效率的恒压恒流切换无线充电拓扑结构
CN109728628A (zh) * 2019-01-18 2019-05-07 易事特集团股份有限公司 一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统
CN109980757A (zh) * 2019-03-25 2019-07-05 西南交通大学 一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统
CN110071562A (zh) * 2019-05-15 2019-07-30 武汉大学 一种发送侧切换混合拓扑恒流恒压感应式无线充电方法及系统
CN110429720A (zh) * 2019-08-20 2019-11-08 南京航空航天大学 一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统
CN110474407A (zh) * 2019-08-27 2019-11-19 武汉大学 一种双频控制三线圈感应式无线充电系统及方法
CN110707831A (zh) * 2019-08-27 2020-01-17 武汉大学 一种发送侧切换三线圈恒流恒压感应式无线充电方法及系统
CN112087061A (zh) * 2020-09-02 2020-12-15 东南大学 一种可自动恒流-恒压切换的三线圈电池无线充电系统
CN112886721A (zh) * 2021-03-25 2021-06-01 重庆大学 一种组合式发射线圈、发射电路及其控制方法
CN113162167A (zh) * 2021-04-09 2021-07-23 华南理工大学 一种恒流恒压自主切换的无线充电系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010233364A (ja) * 2009-03-27 2010-10-14 Nissan Motor Co Ltd 給電装置
CN102522900A (zh) * 2011-11-18 2012-06-27 南京航空航天大学 定增益自激式非接触谐振变换器及其控制方法
CN104753152A (zh) * 2015-04-10 2015-07-01 东南大学 恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统
US20160329753A1 (en) * 2015-05-03 2016-11-10 Powermat Technologies Ltd. Wireless power transmission
CN106828174A (zh) * 2017-03-13 2017-06-13 西南交通大学 一种多发射源的增强型无线充电系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010233364A (ja) * 2009-03-27 2010-10-14 Nissan Motor Co Ltd 給電装置
CN102522900A (zh) * 2011-11-18 2012-06-27 南京航空航天大学 定增益自激式非接触谐振变换器及其控制方法
CN104753152A (zh) * 2015-04-10 2015-07-01 东南大学 恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统
US20160329753A1 (en) * 2015-05-03 2016-11-10 Powermat Technologies Ltd. Wireless power transmission
CN106828174A (zh) * 2017-03-13 2017-06-13 西南交通大学 一种多发射源的增强型无线充电系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JIAN ZHANG ET AL.: ""Comparative Analysis of Two-Coil and Three-Coil Structures for Wireless Power Transfer"", 《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》 *

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109347212B (zh) * 2018-10-12 2022-03-04 西南交通大学 基于感应式无线电能传输系统的高效率电能传输方法
CN109347212A (zh) * 2018-10-12 2019-02-15 西南交通大学 基于感应式无线电能传输系统的高效率电能传输方法
CN109728628A (zh) * 2019-01-18 2019-05-07 易事特集团股份有限公司 一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统
CN109638978A (zh) * 2019-01-25 2019-04-16 西南交通大学 一种高效率的恒压恒流切换无线充电拓扑结构
CN109638978B (zh) * 2019-01-25 2022-05-24 西南交通大学 一种高效率的恒压恒流切换无线充电拓扑结构
CN109980757A (zh) * 2019-03-25 2019-07-05 西南交通大学 一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统
CN110071562A (zh) * 2019-05-15 2019-07-30 武汉大学 一种发送侧切换混合拓扑恒流恒压感应式无线充电方法及系统
CN110429720A (zh) * 2019-08-20 2019-11-08 南京航空航天大学 一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统
CN110474407A (zh) * 2019-08-27 2019-11-19 武汉大学 一种双频控制三线圈感应式无线充电系统及方法
CN110707831A (zh) * 2019-08-27 2020-01-17 武汉大学 一种发送侧切换三线圈恒流恒压感应式无线充电方法及系统
CN110474407B (zh) * 2019-08-27 2022-10-21 武汉大学 一种双频控制三线圈感应式无线充电系统及方法
CN112087061A (zh) * 2020-09-02 2020-12-15 东南大学 一种可自动恒流-恒压切换的三线圈电池无线充电系统
CN112886721A (zh) * 2021-03-25 2021-06-01 重庆大学 一种组合式发射线圈、发射电路及其控制方法
CN113162167A (zh) * 2021-04-09 2021-07-23 华南理工大学 一种恒流恒压自主切换的无线充电系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN107579564B (zh) 2020-02-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107579564A (zh) 一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统
CN106451800B (zh) 既能输出恒流也能输出恒压的感应式无线电能传输系统
CN107069983A (zh) 一种次级变参数和变结构的感应式无线充电系统
CN106849374B (zh) 一种变次级结构的感应式无线充电系统
CN105634093B (zh) 一种多手机可移动三维无线充电装置
CN105429313B (zh) 一种谐振补偿拓扑可切换的无线电能传输系统的控制方法
CN110429720A (zh) 一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统
CN106208269B (zh) 一种恒流恒压感应式无线充电系统
CN105493375B (zh) 用于感应式能量传输的设备和用于运行用于感应式能量传输的设备的方法
CN106740220A (zh) 一种恒流恒压复合拓扑的无线充电电路
CN107618388B (zh) 一种电动汽车无线充电系统
CN109895640A (zh) 一种电动汽车无线充电两级控制系统及控制方法
CN110429716B (zh) 一种变参数和变频率恒流恒压感应式无线电能传输系统
CN109245231A (zh) 一种具有自然恒压恒流输出特性的无线充电拓扑结构
CN208489667U (zh) 恒流恒压切换输出的无线电能传输系统
CN109638978A (zh) 一种高效率的恒压恒流切换无线充电拓扑结构
CN108162775B (zh) 用于恒功率充电的电动汽车无线能量传输装置
CN106208268B (zh) 基于变初级参数的恒流恒压感应式无线充电系统
CN109728628A (zh) 一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统
CN206406776U (zh) 一种恒流恒压复合拓扑的无线充电电路
CN107528359A (zh) 可共享充电桩的感应式无线充电系统
CN202872643U (zh) 电动汽车车载充电机及谐振电路装置
CN106712319A (zh) 一种电动汽车磁共振式无线充电电路及其控制方法
CN109660029A (zh) 双全桥无线电能传输系统软开关电路
CN110138097A (zh) 一种采用特殊拓扑结构实现恒流恒压磁感应式充电系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant