CN107579564B - 一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统 - Google Patents

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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
Figure BDA0001404790870000021
由式(1)确定：
Figure BDA0001404790870000022
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
Figure BDA0001404790870000023
由式(2)确定：
Figure BDA0001404790870000024
所述的第三线圈补偿电容C3的电容值
Figure BDA0001404790870000025
由式(3)确定：
其中
Figure BDA0001404790870000027
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：
Figure BDA0001404790870000031
所述的次级线圈LS与第三线圈L3的互感值M23由式(5)确定：
Figure BDA0001404790870000032
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
Figure BDA0001404790870000033
CS满足
Figure BDA0001404790870000034
即
Figure BDA0001404790870000035
当切换开关一S1闭合时，运用网孔电流法列写方程组：
Figure BDA0001404790870000036
其中
Figure BDA0001404790870000037
求解方程组(7)可以得到此时系统输出电流
Figure BDA0001404790870000038
为：
由式(8)可以得到此时系统输出电压为：
Figure BDA0001404790870000041
为了便于分析，将式(9)写作如下形式：
Figure BDA0001404790870000042
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
Figure BDA0001404790870000044
时，系统输出电压
Figure BDA0001404790870000045
为：
Figure BDA0001404790870000046
求解方程组(11)可以得到满足式(11)的X3的取值为：
Figure BDA0001404790870000047
将式(13)代入式(12)可以得到系统输出电压
Figure BDA0001404790870000048
为：
Figure BDA0001404790870000049
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
Figure BDA00014047908700000410
代入方程组(7)可以得到此时系统输出电流
Figure BDA00014047908700000411
为：
Figure BDA00014047908700000412
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
Figure BDA0001404790870000059
与输出电压Vi之间的关系为：
Figure BDA0001404790870000051
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：
Figure BDA0001404790870000052
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
Figure BDA0001404790870000054
次级补偿电容CS电容值需满足条件：
Figure BDA0001404790870000056
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：
Figure BDA0001404790870000058
由式(13)、(20)、(21)及
Figure BDA0001404790870000061
可知第三线圈补偿电容(C3)的电容值
Figure BDA0001404790870000062
需满足条件：
Figure BDA0001404790870000063
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
Figure BDA0001404790870000065
第三线圈L3的电感值
Figure BDA0001404790870000066
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：
Figure BDA0001404790870000072
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
Figure BDA0001404790870000073
由式(2)确定：
Figure BDA0001404790870000074
所述的第三线圈补偿电容C3的电容值
Figure BDA0001404790870000075
由式(3)确定：
Figure BDA0001404790870000076
其中
Figure BDA0001404790870000077
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：
Figure BDA0001404790870000081
所述的次级线圈LS与第三线圈L3的互感值M23由式(5)确定：
Figure BDA0001404790870000082

Claims (1)

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；
所述的初级补偿电容(CP)的电容值
Figure FDA0002153188290000011
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：
Figure FDA0002153188290000014
所述的第三线圈补偿电容(C3)的电容值
Figure FDA0002153188290000015
由式(3)确定：
Figure FDA0002153188290000016
其中
Figure FDA0002153188290000017
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：
Figure FDA0002153188290000018
所述的次级线圈(LS)与第三线圈(L3)的互感值M23由下式确定：
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