CN108365654A - 一种适用于任意锂电池的无线充电器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于任意锂电池的无线充电器，属于锂电池无线充电的技术领域。该无线充电器以双边LCC补偿电路为拓扑，通过设计一套补偿参数找到至少两个不同的频率点，实现零无功功率并满足任意锂电池充电所需的恒流和恒压，为实现先恒压后恒流的工作模式，首先通过电流环控制系统工作于恒流模式，然后在锂电池电压达到其恒压充电阈值时切换至电压环，接着通过电压环控制系统工作于恒压模式。该无线充电器无需在原边侧和副边侧级联直流变换器，无需对前级或后级DC/DC变换器的二次调压，减少成本，降低系统复杂度，提高系统可靠性。
Description
技术领域
本发明公开了一种适用于任意锂电池的无线充电器，属于锂电池无线充电的技术领域。
背景技术
随着电动汽车的普及，锂电池充电技术成为研究热点。传统的充电方式需要随时插拔电缆，电缆绝缘的风化和磨损、接触火花对充电系统的安全运行造成了威胁。无线电能传输(WPT，Wireless Power Transmission)可实现机械和电气双隔离，便于工作在水下、矿井等恶劣的环境下。根据锂电池的充电特性，锂电池充电包括先恒流充电和后恒压充电两个阶段，因此，无线充电系统需向电池提供其所需的恒流和恒压输出。
无线充电系统中，初级线圈和副边线圈构成了松耦合变压器，松耦合变压器漏感较大，不可避免地在系统中产生较大的无功环流，增加器件应力和额外损耗，因此需要补偿无功能量。对于双边单电容的补偿方式，按照电容的串并联可以分为SS(串串)、SP(串并)、PS(并串)、PP(并并)几种补偿方式。然而，这几种低阶拓扑只存在一个谐振频率点，在谐振频率点处可以实现与负载无关的ZPA，只能输出与负载无关的恒流或者恒压，无法满足锂电池无线充电的要求，而且输出的恒压与恒流大小严重依赖于变压器参数及输入直流母线电压。变压器参数易受到空间和尺寸的限制，难以满足锂电池充电要求，且输入直流母线电压亦无法随意调节。
目前，已有文献通过计算机迭代方式找到双边LCC补偿网络两个及以上的谐振频率点，可设计基于双边LCC补偿网络的WPT分别实现电池所需的恒流和恒压输出且输入纯阻性，电路中不存在无功环流，但该设计复杂，无法找到恒流和恒压频率点与输入母线直流电压、变压器参数、输出恒流和恒压之间的关系，补偿参数难以设计，无法应用于任意锂电池的无线充电。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种适用于任意锂电池的无线充电器，通过设计双边LCC补偿拓扑的参数找到至少两个不同频率点，满足任意锂电池先恒流后恒压充电需求的同时实现输入近似零无功功率，解决了现有无线充电系统难以满足任意锂电池充电需求且输入直流母线电压无法随意调节的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：本发明提供了一种能够满足任意锂电池充电需要的恒流或恒压，并适用于任意给定直流母线电压的无线充电器，该无线充电系统采用双边LCC网络的无线电能传输系统，根据锂电池充电需要的恒流恒压和给定的直流母线电压提供了两个确定无线电能传输系统的恒流工作频率、恒压工作频率以及补偿网络参数的方案。
一种适用于任意锂电池无线充电系统，包括：高频全桥逆变电路、原边LCC补偿网络、原边发射线圈和副边接受线圈组成的松耦合变压器、副边LCC补偿网络、全桥整流电路、滤波电容；
原边LCC补偿网络为原边并联补偿电容、原边串联补偿电容以及原边补偿电感连接形成的T型网络，T型网络的电感端与高频全桥逆变电路的一桥臂中点相连，T型网络的串联补偿电容端与原边发射线圈相连；副边LCC补偿网络为副边并联补偿电容、副边串联补偿电容以及副边补偿电感连接形成的T型网络，T型网络的电感端与全桥整流电路的另一桥臂中点相连，T型网络的串联补偿电容端与副边发射线圈相连。
方案一：①确定原边补偿电感的电感值L1和副边补偿电感的电感值L2，系统输出锂电池充电所需恒流时的角频率ωCC为系统输出锂电池充电所需恒压时的角频率ωCV为
②由原边参数满足和副边参数满足和确定原边并联补偿电容的电容值CP1为原边串联补偿电容的电容值CP2为副边并联补偿电容的电容值CS1为副边串联补偿电容的电容值CS2为
此时，松耦合变压器参数满足边界条件：且
方案二：①确定原边补偿电感的电感值L1和副边补偿电感的电感值L2：恒流工作频率恒压工作频率
②由原边参数满足和副边参数满足和确定原边并联补偿电容的电容值CP1为原边串联补偿电容的电容值CP2为副边并联补偿电容的电容值CS1为
此时，松耦合变压器参数满足边界条件：且
其中，k为初级线圈和副边线圈的耦合系数，LP、LS分别为初级线圈和副边线圈自感，ξ1，ξ2为L1和LP，L2和LS的比值，0<ξ1<1,0<ξ2<1，IBAT、VBAT分别为锂电池充电时所需恒流、所需恒压，VDC为高频逆变电路直流侧输入电压，D为高频全桥逆变电路中开关管驱动信号的占空比。
无论选用方案一和方案二确定无线充电系统参数，系统输出锂电池充电所需恒流时的输入阻抗ZINCC均为：系统输出锂电池充电所需恒压时的输入阻抗ZINCV均为：RL为锂电池的等效电阻，
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明提出了一种适用于任意锂电池的无线充电器，根据直流母线电压、锂电池充电需求找到至少一组恒流工作频率和恒压工作频率，再由恒流工作频率设置一组补偿参数，实现输入近似零无功功率并满足任意锂电池充电所需的恒流和恒压，器件应力小，充电器效率高，该参数设置方法可适应不同的输入直流母线，无须对前后级DC/DC变换器进行二次调压，减小成本，提高整机效率。
(2)本发明为同一谐振电路设计多个谐振频率点并由谐振频率点设计补偿参数，无需在原边侧和副边侧级联直流变换器，整机效率可进一步地提高，降低系统复杂度，提高系统可靠性，克服了现有无线充电系统补偿参数难以设计且无法应用于任意锂电池的缺陷。
附图说明
图1是一种适用于任意锂电池无线充电器的电路原理图；
图2(a)、图2(b)分别是副边整流桥前后的电流波形图和电压波形图；
图3是一种适用于任意锂电池无线充电器的控制逻辑图；
图4是直流母线电压24V、锂电池额定电流1A时的vGS1、vAB、iIN和iBAT波形，此时，锂电池等效电阻为12Ω；
图5是直流母线电压24V、锂电池额定电流1A时的vGS1、vAB、iIN和iBAT波形，此时，锂电池等效电阻为24Ω；
图6是直流母线电压24V、锂电池额定电压24V时的vGS1、vAB、iIN和vBAT波形，此时，锂电池等效电阻为24Ω；
图7是直流母线电压24V、锂电池额定电压24V时的vGS1、vAB、iIN和vBAT波形，此时，锂电池等效电阻为48Ω；
图8是锂电池等效电阻为24Ω时从恒流模式切换到恒压模式的瞬间的恒流模式使能信号venCC、iIN、vAB、vBAT和iBAT波形。
图中标号说明：1为高频全桥逆变电路，2为原边LCC补偿网络，3为松耦合变压器，4为副边LCC补偿网络，5为全桥整流滤波电路、6为锂电池，Q1、Q2、Q3、Q4为第一、第二、第三、第四功率管，L1为原边补偿电感，CP1为原边并联补偿电容，CP2为原边串联补偿电容，L2为副边补偿电感，CS1为副边并联补偿电容，CS2为副边串联补偿电容，D1、D2、D3、D4为第一、第二、第三、第四二极管，CO为输出滤波电容，RL为锂电池充电时的等效电阻。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
本申请针对无线充电器需提供锂电池充电时所需的先恒定电流和后恒定电压需求以及无线充电器线路中不存在无功能量、器件应力小、效率高的需求，以双边LCC补偿电路为拓扑，通过设计一套补偿参数可找到至少两个不同的频率点，同时实现零无功功率并满足任意锂电池所需的恒流和恒压。
一种适用于任意锂电池的无线充电系统如图1所示，包括：高频全桥逆变电路1、原边LCC补偿网络2、松耦合变压器3、副边LCC补偿网络4、全桥整流滤波电路5。高频全桥逆变电路1包括第一功率管Q1、第三功率管Q3串联组成的一桥臂和第二功率管Q2、第四功率管Q4串联组成的另一桥臂。原边LCC补偿网络2包含：原边补偿电感L1、原边串联补偿电容CP2、原边并联补偿电容CP1。副边LCC补偿网络4包含：副边补偿电感L2、副边串联补偿电容CS2、副边并联补偿电容CS1。全桥整流滤波电路5包括第一二极管D1、第三二极管D3串联组成的一桥臂和第二二极管D2、第四二极管D4串联组成的另一桥臂。原边LCC补偿网络2为原边并联补偿电容CP1、原边串联补偿电容CP2以及原边补偿电感L1连接形成的T型补偿网络，T型网络L1端与高频全桥逆变电路的一桥臂中点相连，T型网络CP2端与原边发射线圈相连；副边LCC补偿网络为副边并联补偿电容CS1、副边串联补偿电容CS2以及副边补偿电感L2连接形成的T型补偿网络，T型网络L2端与全桥整流电路的另一桥臂中点相连，T型网络CS2端与副边发射线圈相连。全桥整流滤波电路5的输出端并接有输出滤波电容CO，锂电池6接在全桥整流滤波电路5的输出端。
给定松耦合变压器参数，其中，LP为原边线圈自感，LS为副边线圈自感，k为松耦合变压器的耦合系数，那么，双边LCC补偿的无线电能传输系统的原边参数满足副边参数满足 ωCC为系统输出锂电池充电所需恒流时的角频率。
根据锂电池充电需要的恒流恒压和提供的直流电源电压(或任意给定的直流母线电压)确定无线电能传输系统的补偿参数和恒流工作频率ωCC、恒压工作频率ωCV，具体包括两个方案。方案一：①确定原边补偿电感的电感值L1和副边补偿电感的电感值L2： 恒流工作频率ωCC：恒压工作频率ωCV：
②由原边参数满足副边参数满足确定
此时，松耦合变压器参数满足边界条件：且
方案二：①确定原边补偿电感的电感值L1和副边补偿电感的电感值L2：恒流工作频率ωCC：恒压工作频率ωCV：
②由原边参数满足副边参数满足确定
此时，松耦合变压器参数满足边界条件：且
ξ1，ξ2为L1和LP，L2和LS的比值，0<ξ1<1,0<ξ2<1，IBAT、VBAT分别为锂电池充电时所需的恒流和恒压，VDC为高频逆变电路直流侧的输入电压，D为高频全桥逆变电路中开关管驱动信号的占空比。
无论选用方案一和方案二确定无线充电系统参数，系统输出锂电池充电所需恒流时的输入阻抗ZINCC均为：系统输出锂电池充电所需恒压时的输入阻抗ZINCV均为：RL为锂电池的等效电阻，
图2(a)和图2(b)为锂电池无线充电系统整流前后的电流波形和整流前后的电压波形，由于负载侧只有电容滤波，其整流前后的电流满足：电压满足：
图3为采用占空比控制的控制电路的逻辑图，恒流时的开关频率为ωCC,恒压时的开关频率为当工作在恒流模式下时，venCC＝1，venCV＝0，使得电流环工作，载波频率为fCC。当电池电压随着充电过程上升到充电的阈值电压VBAT时，venCC＝0电流环关闭，venCC＝1电压环工作，载波频率为fCV。
图4至图7验证了一种适用于任意锂电池的无线充电器设计方法的有效性。采用的原边线圈自感LP为24uH，副边线圈自感LS为24uH，原边线圈和副边线圈耦合系数k为0.40，高频逆变器直流侧输入电压VDC为24V，锂电池的恒流充电电流IBAT为1A，恒压充电电压VBAT为24V。通过本申请的参数设计方法，可得原边补偿电感L1为21.33uH，副边补偿电感L2为21.33uH，恒流开关频率fCC为65.31kHz，恒压开关频率fCV为84.31kHz，原边并联补偿电容CP1为278.4nF，原边串联补偿电容CP2为2.227uF，副边并联补偿电容CS1为278.4nF，副边串联补偿电容CS2为2.227uF。
图4是恒流充电电流为1A、锂电池等效电阻为12Ω时的无线充电系统的驱动信号vGS1、桥臂电压vAB、输入电流iIN和输出电流iBAT的波形。图5是恒流充电电流为1A、锂电池等效电阻为24Ω时的无线充电系统的驱动信号vGS1、桥臂电压vAB、输入电流iIN和输出电流iBAT的波形。从图4、图5可以看出，锂电池无线充电系统工作在恒流模式(即开关频率为65.31kHz)，当锂电池等效电阻从12Ω变到24Ω时，输出电流iBAT不随锂电池等效电阻发生变化，控制电路使充电电流iBAT准确保持在1A，输入电流iIN和桥臂电压vAB基本同相，有效减少无功能量，输入电流略滞后于桥臂电压，便于MOSFET开关管实现零电压开关，减少开关损耗。
图6是锂电池充电电压为24V、锂电池等效电阻为24Ω时无线充电系统的驱动信号vGS1、桥臂电压vAB、输入电流iIN和输出电压vBAT的波形。图7是输出电压为24V、负载电阻为48Ω时锂电池无线充电系统的驱动信号vGS1、桥臂电压vAB、输入电流iIN和输出电压vBAT的波形。从图6、图7可以看出，锂电池无线充电系统工作在恒压模式(即开关频率为84.31kHz)，当锂电池等效电阻从24Ω变到48Ω时，vBAT不随负载发生变化，控制电路使充电电压vBAT保持在24V，输入电流iIN和桥臂电压vAB基本同相，有效减少无功能量，输入电流略滞后于桥臂电压，便于MOSFET开关管实现零电压开关，减少开关损耗。
图8是锂电池从恒流充电切换到恒压充电的瞬间的切换信号venCV、输入电流iIN、桥臂电压vAB、输出电压vBAT和输出电流iBAT的波形，切换时，锂电池的等效电阻近似保持在24Ω。从图8可以看出，当电池电压达到阈值电压VBAT时，venCV＝0变化到venCV＝1，控制电路由电流闭环切换到电压闭环，对应的系统工作频率从fCC切换到fCV，输出电流和电压保持不变，从恒流模式切换到恒压模式，系统无明显过冲。
Claims (4)
1.一种适用于任意锂电池的无线充电器，
无线充电器采用基于双边LCC补偿网络的无线电能传输系统，该系统包括：高频全桥逆变电路(1)、由原边补偿电感和原边并联补偿电容及原边串联补偿电容组成的T型原边LCC补偿网络(2)、松耦合变压器(3)、由副边补偿电感和副边并联补偿电容及副边串联补偿电容组成的T型副边LCC补偿网络(4)、全桥整流滤波电路(5)，高频全桥逆变电路(1)的输入端接直流母线，原边补偿电感和原边并联补偿电容所组成的串联支路的两端分别与高频全桥逆变电路(1)的两桥臂中点连接，原边并联补偿电容和原边串联补偿电容所组成的串联支路的两端分别与松耦合变压器(3)原边绕组的两端连接，副边并联补偿电容和副边串联补偿电容所组成的串联支路的两端分别与松耦合变压器(3)副边绕组的两端连接，副边并联补偿电容和副边补偿电感所组成的串联支路的两端分别与全桥整流滤波电路(5)的两桥臂中点连接，全桥整流滤波电路(5)的输出端接任意锂电池；
其特征在于，根据锂电池先恒流后恒压的充电需求以及给定的直流母线电压确定无线电能传输系统满足锂电池先恒流后恒压充电需求时的工作频率及补偿网络的补偿参数，具体包括如下两个方案：
方案一：首先，根据给定的直流母线电压VDC、锂电池充电所需恒流IBAT、锂电池充电所需恒压VBAT、松耦合变压器参数确定原边补偿电感的电感值L1、副边补偿电感的电感值L2、系统输出锂电池充电所需恒流时的角频率ωCC、系统输出锂电池充电所需恒压时的角频率ωCV， 然后，根据系统输出锂电池充电所需恒流时的角频率ωCC确定原边并联补偿电容的电容值CP1、原边串联补偿电容的电容值CP2、副边并联补偿电容的电容值CS1、副边串联补偿电容的电容值CS2，
此时，松耦合变压器参数满足边界条件：且
方案二：首先，根据给定的直流母线电压VDC、锂电池充电所需恒流IBAT、锂电池充电所需恒压VBAT、松耦合变压器参数确定原边补偿电感的电感值L1、副边补偿电感的电感值L2、系统输出锂电池充电所需恒流时的角频率ωCC、系统输出锂电池充电所需恒压时的角频率ωCV， 然后，根据系统输出锂电池充电所需恒流时的角频率ωCC确定原边并联补偿电容的电容值CP1、原边串联补偿电容的电容值CP2、副边并联补偿电容的电容值CS1、副边串联补偿电容的电容值CS2，
此时，松耦合变压器参数满足边界条件：且
其中，k为松耦合变压器的耦合系数，LP、LS分别为松耦合变压器的原边自感的电感值、副边自感的电感值，ξ1为原边补偿电感的电感值和松耦合变压器原边自感的电感值的比值，ξ2为副边补偿电感的电感值和松耦合变压器副边自感的电感值的比值，0<ξ1<1,0<ξ2<1，D为高频全桥逆变电路中开关管驱动信号的占空比。
2.根据权利要求1所述一种适用于任意锂电池的无线充电器，其特征在于，采用方案一或方案二确定补偿网络的补偿参数时，系统输出锂电池充电所需恒流时的输入阻抗ZINCC均为：RL为锂电池的等效电阻。
3.根据权利要求1所述一种适用于任意锂电池的无线充电器，其特征在于，采用方案一或方案二确定补偿网络的补偿参数时，系统输出锂电池充电所需恒压时的输入阻抗ZINCV均为：RL为锂电池的等效电阻，
4.控制权利要求1至3中任意一项所述适用于任意锂电池的无线充电器的方法为：通过电流环调节所述无线电能传输系统的驱动信号以使系统输出电流满足锂电池的恒流充电需求，在系统输出电压达到锂电池恒压充电阈值时触发电压环并关断电流环，通过电压环调节所述无线电能传输系统的驱动信号以使系统输出电压维持在锂电池充电所需的恒压值，其中，电流环的载波角频率为系统输出锂电池充电所需恒流时的角频率，电压环的载波角频率为系统输出锂电池充电所需恒压时的角频率。
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