CN108808894A - 一种无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施方式公开了一种无线充电系统，包括：原边补偿网络拓扑电路、原边控制器、原边处理器、原边通信单元、原边线圈单元；其中，所述原边通信单元，用于获取无线充电对象所需的充电功率，并将所述充电功率输入至所述原边处理器；所述原边处理器，用于根据所述充电功率产生控制命令，并将所述控制命令输入至所述原边控制器；所述原边控制器，用于根据所述控制命令生成对应地第一控制信号和第二控制信号；所述原边线圈单元，用于在所述第一控制信号的作用下确定原边接入线圈；所述原边补偿网络拓扑电路，用于在所述第二控制信号的作用下调节补偿电容值，确保无线充电系统的工作频率不变。

Description

一种无线充电系统

技术领域

本申请涉及无线充电技术领域，特别涉及一种无线充电系统。

背景技术

目前,电动汽车充电主要采用的是有线充电和无线充电两种方式。有线充电虽然效率较高，但是充电过程不灵活，需要反复插拔充电电缆，存在滑动磨损、导线老化及接触电火花等安全隐患。另外在场地安装方面，充电站的修建与传统加油站类似，受建设场地制约，建设成本很大。

无线充电可以克服上述缺点，采用一个原副边完全分离、无电气连接的磁耦合机构，利用原副边的互相磁场耦合实现电能透过空气在原副边之间进行传输。显然，去掉电动汽车与充电电源的直接电气连接，实现电能的无线传输，则可以减少在充电过程的人工操作环节,较大程度提升充电的便捷性。此外，无线充电是目前实现自动充电的最佳商用解决方案，与电动汽车的自动泊车技术完美结合，具有广阔的应用前景。

随着无线充电技术的产业化推进，国内外的标准化机构制定了多个标准的功率等级，按照输入功率等级可分为3.7kW、7.7kW、11kW、22kW等。然而，无线充电系统分为原边、副边两个模块，在实际应用中存在无线充电系统与充电对象在不同充电功率的情况下互操作充电，如7.7kW的无线充电系统需要为3.7kW的车载设备进行无线充电，且充电过程需要考虑垂直、水平方向的偏移。传统的方法通过系统参数设计能够实现不同功率等级之间系统的充电，但由于无线充电系统与充电对象两者之间的充电功率不匹配，导致系统充电效率偏低。

发明内容

本申请实施方式的目的是提供一种无线充电系统，通过调节原边接入线圈的匝数实现无线充电系统与充电对象之间的充电功率的匹配，提高系统充电效率。

为实现上述目的，本申请实施方式提供一种无线充电系统，包括：原边补偿网络拓扑电路、原边控制器、原边通信单元、原边线圈单元；其中，

所述原边通信单元，用于获取无线充电对象所需的充电功率，并将所述充电功率输入至所述原边处理器；

所述原边处理器，用于根据所述充电功率产生控制命令，并将所述控制命令输入至所述原边控制器；

所述原边控制器，用于根据所述控制命令生成对应地第一控制信号和第二控制信号；

所述原边线圈单元，用于在所述第一控制信号的作用下确定原边接入线圈；

所述原边补偿网络拓扑电路，用于在所述第二控制信号的作用下调节补偿电容值，确保无线充电系统的工作频率不变。

优选地，所述原边线圈单元包括：第一开关、第二开关、第三开关、第一线圈、第二线圈和第三线圈；其中，

所述第一开关的一端与所述原边补偿网络拓扑电路的第一端口相连，所述第一开关的另一端的第一接线端与所述第一线圈的一端、所述第二开关的一端同时相连，所述第一线圈的另一端与所述原边补偿网络拓扑电路的第二端口相连，所述第二线圈的一端与所述第一开关的另一端的第二接线端、所述第三开关的一端同时相连，所述第二线圈的另一端与所述第二开关的另一端相连，所述第三线圈的一端与所述第三开关的另一端相连，所述第三线圈的另一端与所述第一开关的另一端的第三接线端相连。

优选地，所述原边补偿网络拓扑电路采用串联补偿确保无线充电系统的工作频率不变。

优选地，所述原边补偿网络拓扑电路包括：第四开关、第一电容、第二电容和第三电容；

所述第四开关的一端与电网相连，所述第四开关的另一端的第一接线端子与第一电容的一端相连，所述第四开关的另一端的第二接线端子与第二电容的一端相连，所述第四开关的另一端的第三接线端子与第三电容的一端相连，所述第一电容的另一端、所述第二电容的另一端、所述第三电容的另一端同时与原边接入线圈相串联；其中，所述原边接入线圈由所述第一开关的闭合状态、所述第二开关的闭合状态、所述第三开关的闭合状态调节的所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈接入情况确定。

优选地，所述原边补偿网络拓扑电路包括：第四开关、第五开关、第一电容、第二电容和第三电容；

所述第一电容的一端、第四开关的一端、第五开关的一端同时相连，并均与电网相连；所述第一电容的另一端同时与所述第二电容的一端、所述第三电容的一端相连，并均与原边接入线圈相串联；所述第四开关的另一端与所述第二电容的另一端相连，所述第五开关的另一端与所述第三电容的另一端相连；其中，所述原边接入线圈由所述第一开关的闭合状态、所述第二开关的闭合状态、所述第三开关的闭合状态调节的所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈接入情况确定。

优选地，所述原边补偿网络拓扑电路采用并联补偿的方式确保所述无线充电系统的工作频率不变。

优选地，所述原边补偿网络拓扑电路包括：第四开关、第五开关、第一电容、第二电容和第三电容；

所述第一电容的一端同时与所述第四开关的一端、第五开关的一端以及所述原边接入线圈的一端相连，所述第四开关的另一端与所述第二电容的一端相连，所述第五开关的另一端与所述第三电容的一端相连，所述第一电容的另一端同时与所述第二电容的另一端、所述第三电容的另一端以及所述原边接入线圈的另一端相连。

优选地，所述原边补偿网络拓扑电路采用混合补偿的方式确保所述无线充电系统的工作频率不变。

优选地，所述原边补偿网络拓扑电路包括：第四开关、第五开关、第一电容、第二电容、第三电容、第一电感和第四电容；

所述第一电感的一端同时与第一电容的一端、第四开关的一端、第五开关的一端以及第四电容的一端相连；所述第四开关的另一端与所述第二电容的一端相连，所述第五开关的另一端与所述第三电容的一端相连，所述第一电容的另一端同时与所述第二电容的另一端、所述第三电容的另一端以及原边接入线圈的一端相连，所述原边接入线圈的另一端与所述第四电容的另一端相连。

由上可见，与现有技术相比较，本技术方案根据无线充电对象的充电功率主动调节原边接入线圈的匝数，使得无线充电系统的充电功率与无线充电对象的充电功率相匹配，实现无线充电系统对不同充电功率的充电对象提供高效无线充电。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本说明书公开的一种无线充电系统电路连接示意图之一；

图2为本说明书公开的一种无线充电系统电路连接示意图之二；

图3为无线充电系统的应用场景示意图；

图4为无线充电系统的原边接入线圈的绕线方式示意图；

图5为无线充电系统中原边补偿网络拓扑电路的串联补偿电路连接示意图之一；

图6为无线充电系统中原边补偿网络拓扑电路的串联补偿电路连接示意图之二；

图7为无线充电系统中原边补偿网络拓扑电路的并联补偿电路连接示意图；

图8为无线充电系统中原边补偿网络拓扑电路的混合补偿电路连接示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都应当属于本申请保护的范围。

本技术方案的工作原理为：通过改变原边接入线圈的匝数来调节原边接入线圈的自感，从而改变无线充电系统与充电对象之间的磁耦合机构的互感值，使得无线充电系统与充电对象之间的充电功率相匹配，基于此，再调整原边补偿网络拓扑电路中的补偿电容值，确保无线充电系统的工作频率不变，从而保证无线充电系统的工作频率与充电对象的工作频率相等，最终实现无线充电系统对不同充电频率的充电设备的高效率充电。

基于上述工作原理的描述，如图1所示，为本说明书公开的一种无线充电系统电路连接示意图之一。包括：原边补偿网络拓扑电路、原边控制器、原边处理器、原边通信单元、原边线圈单元；其中，

所述原边通信单元，用于获取无线充电对象所需的充电功率，并将所述充电功率输入至所述原边处理器；

所述原边处理器，用于根据所述充电功率产生控制命令，并将所述控制命令输入至所述原边控制器；

所述原边控制器，用于根据所述控制命令生成对应地第一控制信号和第二控制信号；

所述原边线圈单元，用于在所述第一控制信号的作用下确定原边接入线圈；

所述原边补偿网络拓扑电路，用于在所述第二控制信号的作用下调节补偿电容值，确保无线充电系统的工作频率不变。

在本技术方案中，本技术方案根据无线充电对象的充电功率主动调节原边接入线圈的匝数，使得无线充电系统的充电功率与无线充电对象的充电功率相匹配，实现无线充电系统对不同充电功率的充电对象提供高效无线充电。

如图2所示，为本说明书公开的一种无线充电系统电路连接示意图之二。在本实施例中，以充电对象为电动汽车为例进一步详细阐述本技术方案。如图3所示，为无线充电系统的应用场景示意图。在实际应用时，假设图3中无线充电系统的副边接入的无线充电对象的输入功率等级分别处于3个功率等级，分别为3.7kW、7.7kW以及11kW，原边发射线圈的满功率为11kW。改变原边接入线圈的匝数来调节原边接入线圈的自感，从而改变无线充电系统中原副边的磁耦合机构的互感值，使得无线充电系统的充电功率与无线充电对象的充电功率相匹配。

在本实施例中，原边线圈单元包括：第一开关S0、第二开关S1、第三开关S2、第一线圈、第二线圈和第三线圈；其中，

所述第一开关S0的一端与所述原边补偿网络拓扑电路的第一端口相连，所述第一开关S0的另一端的第一接线端与所述第一线圈的一端、所述第二开关S1的一端同时相连，所述第一线圈的另一端与所述原边补偿网络拓扑电路的第二端口相连，所述第二线圈的一端与所述第一开关S0的另一端的第二接线端、所述第三开关S2的一端同时相连，所述第二线圈的另一端与所述第二开关S1的另一端相连，所述第三线圈的一端与所述第三开关S2的另一端相连，所述第三线圈的另一端与所述第一开关S0的另一端的第三接线端相连。

由图2可知，当第一开关S0处于上开关闭合状态，即第一开关S0导通第一接线端时，如果第二开关S1处于断开状态、且第三开关S2处于断开状态，则第一线圈作为原边接入线圈，此时原边线圈自感为Lp1，对应原副边磁耦合机构互感值为M1。当第一开关S0处于中开关闭合状态，即第一开关S0导通第二接线端时，如果第二开关S1处于闭合状态、且第三开关S2处于断开状态，则第一线圈、第二线圈均作为原边接入线圈，且第一线圈与第二线圈串联接入，此时原边线圈自感为Lp2，对应原副边磁耦合机构互感值为M2。当第一开关S0处于下开关闭合状态，即第一开关S0导通第三接线端时，如果第二开关S1处于闭合状态、且第三开关S2处于闭合状态，则第一线圈、第二线圈、第三线圈均作为原边接入线圈，且第一线圈、第二线圈和第三线圈串联接入，此时原边线圈自感为Lp3，对应原副边磁耦合机构互感值为M3。

如图4所示，为无线充电系统的原边接入线圈的绕线方式示意图。对于单极性线圈结构来说，共由三段绕线形成。第一段绕线由接线端A与第二开关S1的一接线端子绕线形成，该段绕线形成输入功率等级为3.7kW的线圈。第二段绕线由接线端B与第三开关S2的一接线端子绕线形成，该段绕线与第一段绕线共同构成输入功率等级为7.7kW的线圈。第三段绕线由接线端C和接线端D之间绕线形成，该段绕线与第一、二段绕线共同构成输入功率等级为11kW的线圈。在本实施例中，接线端A为原边补偿网络拓扑电路第一端口，接线端B为第一开关S0的第一接线端，接线端C为第一开关S0的第二接线端，接线端D为第一开关S0的第三接线端。

在实际应用中，当充电对象所需的充电功率等级为3.7kW时，为了使得无线充电系统的充电功率与充电对象所需的充电功率相匹配，第二开关S1处于断开状态，第三开关S2处于断开状态。当充电对象所需的充电功率等级为7.7kW时，为了使得无线充电系统的充电功率与充电对象所需的充电功率相匹配，第二开关S1处于闭合状态，第三开关S2处于断开状态。当充电对象所需的充电功率等级为11kW时，为了使得无线充电系统的充电功率与充电对象所需的充电功率相匹配，第二开关S1处于闭合状态，第三开关S2处于闭合状态。

对于本技术方案来说，在无线充电系统中，为保证系统高效、大功率的能量传输，一般需要无线充电系统工作在谐振状态下。本技术方案需改变原边接入线圈的自感值，因此，相应的，原边补偿网络拓扑电路中需进行相应的电容值变化控制，确保无线充电系统的工作频率不变，从而保证无线充电系统的工作频率与充电对象的工作频率相等，以保证无线充电系统工作在谐振状态。

常用的补偿网络拓扑较多，图5为无线充电系统中原边补偿网络拓扑电路的串联补偿电路连接示意图之一。所述原边补偿网络拓扑电路包括：第四开关、第一电容Cp1、第二电容Cp2和第三电容Cp3；

所述第四开关的一端与电网相连，所述第四开关的另一端的第一接线端子与第一电容Cp1的一端相连，所述第四开关的另一端的第二接线端子与第二电容Cp2的一端相连，所述第四开关的另一端的第三接线端子与第三电容Cp3的一端相连，所述第一电容Cp1的另一端、所述第二电容Cp2的另一端、所述第三电容Cp3的另一端同时与原边接入线圈Lpx相串联；其中，所述原边接入线圈Lpx由所述第一开关S0的闭合状态、所述第二开关S1的闭合状态、所述第三开关S2的闭合状态调节的所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈接入情况确定。

图6为无线充电系统中原边补偿网络拓扑电路的串联补偿电路连接示意图之二；所述原边补偿网络拓扑电路包括：第四开关、第五开关、第一电容Cp1、第二电容Cp2和第三电容Cp3；

所述第一电容Cp1的一端、第四开关的一端、第五开关的一端同时相连，并均与电网相连；所述第一电容Cp1的另一端同时与所述第二电容Cp2的一端、所述第三电容Cp3的一端相连，并均与原边接入线圈Lpx相串联；所述第四开关的另一端与所述第二电容Cp2的另一端相连，所述第五开关的另一端与所述第三电容Cp3的另一端相连；其中，所述原边接入线圈Lpx由所述第一开关S0的闭合状态、所述第二开关S1的闭合状态、所述第三开关S2的闭合状态调节的所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈接入情况确定。

无线充电系统的工作频率可表示为：

其中，Lpx为原边接入线圈的自感值分别为Lp1、Lp2、Lp3中的任一种。在图5中，Cpx为第一电容Cp1、第二电容Cp2和第三电容Cp3中的任一种。在图6中，Cpx为第一电容Cp1、第一电容Cp1和第二电容Cp2的并联值、第一电容Cp1和第三电容Cp3的并联值、第一电容Cp1、第二电容Cp2和第三电容Cp3的并联值中的任一种。

在本实施例中，所述原边补偿网络拓扑电路还可以采用并联补偿方式确保所述无线充电系统的工作频率不变。如图7所示，原边补偿网络拓扑电路包括：第四开关、第五开关、第一电容Cp1、第二电容Cp2和第三电容Cp3。

所述第一电容Cp1的一端同时与所述第四开关的一端、第五开关的一端以及所述原边接入线圈的一端相连，所述第四开关的另一端与所述第二电容Cp2的一端相连，所述第五开关的另一端与所述第三电容Cp3的一端相连，所述第一电容Cp1的另一端同时与所述第二电容Cp2的另一端、所述第三电容Cp3的另一端以及所述原边接入线圈的另一端相连。

针对图7所示的原边补偿网络拓扑电路，Lpx为原边接入线圈的自感值分别为Lp1、Lp2、Lp3中的任一种。Cpx为第一电容Cp1、第一电容Cp1和第二电容Cp2的并联值、第一电容Cp1和第三电容Cp3的并联值、第一电容Cp1、第二电容Cp2和第三电容Cp3的并联值中的任一种。

在本实施例中，所述原边补偿网络拓扑电路还可以采用混合补偿的方式确保所述无线充电系统的工作频率不变。如图8所示，所述原边补偿网络拓扑电路包括：第四开关、第五开关、第一电容Cp1、第二电容Cp2、第三电容Cp3、第一电感Lf1和第四电容Cf1。

所述第一电感Lf1的一端同时与第一电容Cp1的一端、第四开关的一端、第五开关的一端以及第四电容Cf1的一端相连；所述第四开关的另一端与所述第二电容Cp2的一端相连，所述第五开关的另一端与所述第三电容Cp3的一端相连，所述第一电容Cp1的另一端同时与所述第二电容Cp2的另一端、所述第三电容Cp3的另一端以及原边接入线圈的一端相连，所述原边接入线圈的另一端与所述第四电容Cf1的另一端相连。

针对图8所示的原边补偿网络拓扑电路，Lpx为原边接入线圈的自感值分别为Lp1、Lp2、Lp3中的任一种。Cpx为第一电容Cp1、第一电容Cp1和第二电容Cp2的并联值、第一电容Cp1和第三电容Cp3的并联值、第一电容Cp1、第二电容Cp2和第三电容Cp3的并联值中的任一种。

由上文可知，通过改变原边接入线圈的自感值使得原边输入功率与副边输入功率相匹配，如果不调整原边补偿网络拓扑电路中的补偿电容值Cpx，则无法确保无线充电系统的工作频率与充电对象的工作频率相等。为了保证无线充电系统的工作频率不变，需进一步调整原边补偿网络拓扑电路中的补偿电容值Cpx以保证无线充电系统的谐振频率为f₀不变。

由上述实施例可知，本技术方案通过检测充电对象的所需充电功率来主动调节无线充电系统中原边接入线圈的匝数，使得无线充电系统的充电功率与充电对象所需的充电功率相匹配，实现无线充电系统对不同充电功率的充电对象提供高效的无线充电。

虽然通过实施方式描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。

Claims (9)

1.一种无线充电系统，其特征在于，包括：原边补偿网络拓扑电路、原边控制器、原边处理器、原边通信单元、原边线圈单元；其中，

所述原边通信单元，用于获取无线充电对象所需的充电功率，并将所述充电功率输入至所述原边处理器；

所述原边处理器，用于根据所述充电功率产生控制命令，并将所述控制命令输入至所述原边控制器；

所述原边控制器，用于根据所述控制命令生成对应地第一控制信号和第二控制信号；

所述原边线圈单元，用于在所述第一控制信号的作用下确定原边接入线圈；

所述原边补偿网络拓扑电路，用于在所述第二控制信号的作用下调节补偿电容值，确保无线充电系统的工作频率不变。

2.如权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，所述原边线圈单元包括：第一开关、第二开关、第三开关、第一线圈、第二线圈和第三线圈；其中，

所述第一开关的一端与所述原边补偿网络拓扑电路的第一端口相连，所述第一开关的另一端的第一接线端与所述第一线圈的一端、所述第二开关的一端同时相连，所述第一线圈的另一端与所述原边补偿网络拓扑电路的第二端口相连，所述第二线圈的一端与所述第一开关的另一端的第二接线端、所述第三开关的一端同时相连，所述第二线圈的另一端与所述第二开关的另一端相连，所述第三线圈的一端与所述第三开关的另一端相连，所述第三线圈的另一端与所述第一开关的另一端的第三接线端相连。

3.如权利要求2所述的无线充电系统，其特征在于，所述原边补偿网络拓扑电路采用串联补偿确保无线充电系统的工作频率不变。

4.如权利要求3所述的无线充电系统，其特征在于，所述原边补偿网络拓扑电路包括：第四开关、第一电容、第二电容和第三电容；

所述第四开关的一端与电网相连，所述第四开关的另一端的第一接线端子与第一电容的一端相连，所述第四开关的另一端的第二接线端子与第二电容的一端相连，所述第四开关的另一端的第三接线端子与第三电容的一端相连，所述第一电容的另一端、所述第二电容的另一端、所述第三电容的另一端同时与原边接入线圈相串联；其中，所述原边接入线圈由所述第一开关的闭合状态、所述第二开关的闭合状态、所述第三开关的闭合状态调节的所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈接入情况确定。

5.如权利要求3所述的无线充电系统，其特征在于，所述原边补偿网络拓扑电路包括：第四开关、第五开关、第一电容、第二电容和第三电容；

所述第一电容的一端、第四开关的一端、第五开关的一端同时相连，并均与电网相连；所述第一电容的另一端同时与所述第二电容的一端、所述第三电容的一端相连，并均与原边接入线圈相串联；所述第四开关的另一端与所述第二电容的另一端相连，所述第五开关的另一端与所述第三电容的另一端相连；其中，所述原边接入线圈由所述第一开关的闭合状态、所述第二开关的闭合状态、所述第三开关的闭合状态调节的所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈接入情况确定。

6.如权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，所述原边补偿网络拓扑电路采用并联补偿的方式确保所述无线充电系统的工作频率不变。

7.如权利要求6所述的无线充电系统，其特征在于，所述原边补偿网络拓扑电路包括：第四开关、第五开关、第一电容、第二电容和第三电容；

所述第一电容的一端同时与所述第四开关的一端、第五开关的一端以及所述原边接入线圈的一端相连，所述第四开关的另一端与所述第二电容的一端相连，所述第五开关的另一端与所述第三电容的一端相连，所述第一电容的另一端同时与所述第二电容的另一端、所述第三电容的另一端以及所述原边接入线圈的另一端相连。

8.如权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，所述原边补偿网络拓扑电路采用混合补偿的方式确保所述无线充电系统的工作频率不变。

9.如权利要求8所述的无线充电系统，其特征在于，所述原边补偿网络拓扑电路包括：第四开关、第五开关、第一电容、第二电容、第三电容、第一电感和第四电容；

所述第一电感的一端同时与第一电容的一端、第四开关的一端、第五开关的一端以及第四电容的一端相连；所述第四开关的另一端与所述第二电容的一端相连，所述第五开关的另一端与所述第三电容的一端相连，所述第一电容的另一端同时与所述第二电容的另一端、所述第三电容的另一端以及原边接入线圈的一端相连，所述原边接入线圈的另一端与所述第四电容的另一端相连。