CN109245231A - 一种具有自然恒压恒流输出特性的无线充电拓扑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有自然恒压恒流输出特性的无线充电拓扑结构，包括：原边逆变电源电路、原边串联补偿电容、原边发射线圈和两组副边接收电路；其中一组接收电路的电容串联补偿结构具有不受负载影响的恒流输出特性，另一组接收电路的电容并联和电感串联补偿结构具有不受负载影响的恒压输出特性；两路输出并联后，系统能够根据负载等效电阻变化来自动分配功率，通过功率在两组接收电路中的分配，使电路的能量传输在不同拓扑结构中自然切换。本发明系统在电池等效电阻较小的充电初始阶段系统工作在恒流输出模式下，在电池等效电阻随着电量增加逐渐增大时，该系统工作自然切换到恒压输出模式下，同时具备恒流输出及恒压输出的能力。
Description
技术领域
本发明属于无线充电技术领域，尤其是涉及一种具有自然恒压恒流输出特性的无线充电拓扑结构。
背景技术
感应耦合电能传输是一种新型的能量传输技术，其具有安全、灵活、操作方便、无接触磨损、无直接电气连接等优点。因此可以被应用在多种极端环境且无需大量维护。感应耦合电能传输主要应用在消费电子、生物医疗植入式设备、水下供电。尤其对于电动汽车电池充电领域，相较于传统插电式充电系统，感应耦合电能传输系统可以同时实现无电气及机械连接，同时非直接接触确保了充电过程的便捷及安全。
锂离子电池广泛应用在电动汽车中，典型的充电过程包括恒流充电模式及恒压充电模式两个阶段。为了延长电池的使用寿命，充电电流及充电电压应当满足该充电过程。感应耦合电能传输系统的输出特性受其补偿方式、工作频率及负载状态影响，而电池的外特性等效电阻随着充电过程不断增长，如何确保所需的充电电流及充电电压在较大负载变化范围内保持恒定是电动汽车充电的关键问题。
目前常见的确保充电过程能够满足恒流及恒压输出的方式有在原边的前级或副边的后级增加一级变换器，通过该级电路来调节输出，如公开号为CN108282035A的中国专利文献公开了一种适用于抗系统参数宽范围波动的无线电能传输装置，但该方式需要额外的功率器件从而增大装置体积、费用及损耗。
公开号为CN207801585U的中国专利文献公开了一种基于移相功率可控无线电能传输汽车充电系统，通过对原边逆变器采用移相控制方式，可以调节输出，但不能使逆变器工作在软开关工作状态，导致较低的系统效率及较大的电磁干扰。
公开号为CN107612161A的中国专利文献公开了一种适用于宽耦合系数变化范围的双向无线电能稳定传输系统电路拓扑及控制策略，然而通过变频控制方式会增大系统无功功率，同时在出现频率分裂现象时，会引起系统稳定性问题。
公开号为CN106849299A的中国专利文献公开了一种谐振补偿拓扑可变的磁耦合谐振无线电能传输装置，通过配置补偿电路及其结构，一些拓扑可以具有恒压输出特性或恒流输出特性，但无法同时满足两种输出要求，可以将两种拓扑进行切换来实现，但需要附加的交流开关。
现有的这些实现恒流恒压输出特性的方式均存在一定的局限性。因此，急需设计一种新的拓扑结构，从而有效地实现系统自然恒压恒流输出特性。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有自然恒压恒流输出特性的无线充电拓扑结构，使得该系统在电池充电的起始阶段具有恒流输出特性，充电过程中随着电池电压变化系统自然过渡到恒压输出特性。
本发明采用的技术方案如下：
一种具有自然恒压恒流输出特性的无线充电拓扑结构，其特征在于，包括：原边逆变电源电路、原边串联补偿电容、原边发射线圈和两组副边接收电路；所述原边逆变电源电路、原边串联补偿电容和原边发射线圈构成串联回路，组成发射侧电路；所述的两组副边接收电路通过各自的副边接收线圈与原边发射线圈电磁耦合；
一组副边接收电路中，副边接收线圈的一端与副边串联补偿电容串联后与整流电路交流侧的一端相连，该副边接收线圈的另一端与该整流电路交流侧的另一端相连；
另一组副边接收电路中，副边接收线圈的一端与副边并联补偿电容的一端以及副边串联补偿电感的一端相连，副边串联补偿电感的另一端与整流电路交流侧的一端相连，该副边接收线圈的另一端与副边并联补偿电容的另一端以及该整流电路交流侧的另一端相连；
两组副边接收电路中的整流电路直流侧并联后对负载进行供电。
随着充电过程的进行，通过该补偿拓扑结构，在两个独立的副边接收电路的相互配合下，系统可以根据电池外特性等效电阻的变化自动分配两路副边接收电路的传输功率。通过两路副边接收电路的传输特性，系统可以实现自然恒流输出及恒压输出，且自然地在两种工作模式之间转换。
进一步的，所述的原边逆变电源电路包括直流电源和逆变电路，所述逆变电路的直流侧与直流电源连接，用以将直流电源的输出直流电转换成高频交流电。
进一步的，所述逆变电路采用半桥逆变电路、全桥逆变电路或推挽式逆变电路。
进一步的，所述原边发射线圈和副边接收线圈采用绕制有利兹线的磁芯，所述磁芯采用导磁材料。
进一步的，两组副边接收电路中副边接收线圈由独立的绕组构成，两独立绕组互相解耦放置。
进一步的，所述副边并联补偿电容分别与该组副边接收电路中的副边接收线圈和副边串联补偿电感谐振匹配。
进一步的，所述副边串联补偿电容与该组副边接收电路中的副边接受线圈谐振匹配。
本发明的副边接收电路采用两独立接收线圈的方式，且线圈输出分别独立接补偿电路及整流电路，在整流输出的直流侧进行并联。通过对两路进行不同结构的补偿配置，使得两接收电路协同工作，相互配合进行功率传输。
其中一路的电容串联补偿结构具有不受负载影响的恒流输出特性，另一路的电容并联和电感串联补偿结构具有不受负载影响的恒压输出特性。两路输出并联后，系统具有能够根据负载等效电阻变化来自动分配功率的特性，通过功率在两路接收电路中的分配，可以使电路的能量传输在不同拓扑结构中自然切换。
在电池等效电阻较小的充电初始阶段系统工作在恒流输出模式下，在电池等效电阻随着电量增加逐渐增大时，该系统工作自然切换到恒压输出模式下。该拓扑结构同时具备恒流输出及恒压输出的能力。
附图说明
图1为本发明无线充电系统的示意图；
图2(a)和图2(b)为本发明松耦合变压器两种形式的结构示意图；
图3为本发明无线充电系统等效电路模型示意图；
图4为本发明无线充电系统恒压恒流输出效果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图进一步详细描述本发明的技术内容和具体实施方式。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。
如图1所示，一种具有自然恒压恒流输出特性的无线充电拓扑结构，包括依次连接的直流电源1、逆变电路2、原边串联补偿电容3、原副边耦合线圈4以及两组副边接收电路。直流电源1与逆变电路2连接，提供高频交流电源；原边串联补偿电容3与原边发射线圈串联在逆变电路2的输出端；两组副边接收电路为两个独立的副边接收线圈连接两个独立副边补偿电路及其整流滤波电路8和9，经输出直流并联后输出到负载10。
其中一组副边接收电路为一个副边接收线圈与副边串联补偿电容5串联后与整流滤波电路8连接；另一组副边接收电路为一个副边接收线圈与副边并联补偿电容6并联后再与副边串联补偿电感7串联，然后与整流滤波电路9连接。
本发明中原边发射线圈与副边接收线圈的结构既可以采用如图2(a)所示的原边单个发射线圈、副边两个独立接收线圈的形式；也可以采用如图2(b)所示的原边多个发射线圈串联形式，其中原边多个线圈之间可以相互耦合，也可以互相解耦，副边两独立线圈之间既在磁路上无相互耦合，同时在输出上也没有电路的直接连接。
为验证本发明的可行性，对原边发射线圈和副边接收线圈进行实验验证，本实例发射线圈和接收线圈尺寸均为600mm*600mm，原边发射线圈与副边接收线圈相对而置，在空间高度上距离200mm。原边发射线圈与副边接收线圈均采用0.1mm*400股利兹线绕制。
图3为本发明所提出的具有自然恒压恒流输出特性的无线充电拓扑结构的交流等效电路模型。其中Cp为原边串联补偿电容，Lp为发射线圈漏感，Ls1和Ls2分别为副边两独立接收线圈的漏感，M1、M2为原边线圈分别与副边两线圈的互感，Cs1为副边串联补偿电容、Cs2为副边并联补偿电容，L1为副边串联补偿电感。其中参数设计为原边补偿谐振频率与副边两路补偿谐振频率相等，均为电源的工作频率，即：
副边两路有各自的输出电压，其中串联补偿支路的输出电压表示为：
Uo1＝jωM1Ip
并联补偿支路的输出电压表示为：
存在一个负载转折点，当负载电阻等于该点时，副边两路输出电压相等，其中该负载转折点为：
当负载等效电阻小于该转折点时，系统通过副边两路进行功率传输，且具有恒流输出的趋势，当负载电阻大于该转折点时，系统通过副边的电容并联、电感串联支路进行功率传输，而副边的电容串联支路中无功率传输，且具有恒压输出的特性。系统在副边两支路的功率分配由负载等效电阻决定，因此可以实现两种输出模式之间的自然切换。
图4所示为本发明所提出的具有自然恒压恒流输出特性的无线充电拓扑结构的恒压恒流输出效果图，由曲线图可以看出，当系统工作在所设计的谐振频率工作点时，其输出特性随负载电阻的变化而改变，当负载电阻小于所设计的负载转折点时，系统输出电流趋于恒定，当负载电阻大于所设计的负载转折点时，系统输出电压趋于恒定。因此对于电池这一外特性等效电阻变化较大的负载来说，根据所设计的额定输出电压和额定输出电流，该系统可以很好地适应恒压输出及恒流输出的充电需求。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。应当指出：对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行各种改动和变型。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种具有自然恒压恒流输出特性的无线充电拓扑结构，其特征在于，包括：原边逆变电源电路、原边串联补偿电容、原边发射线圈和两组副边接收电路；所述原边逆变电源电路、原边串联补偿电容和原边发射线圈构成串联回路，组成发射侧电路；所述的两组副边接收电路通过各自的副边接收线圈与原边发射线圈电磁耦合；
一组副边接收电路中，副边接收线圈的一端与副边串联补偿电容串联后与整流电路交流侧的一端相连，该副边接收线圈的另一端与该整流电路交流侧的另一端相连；
另一组副边接收电路中，副边接收线圈的一端与副边并联补偿电容的一端以及副边串联补偿电感的一端相连，副边串联补偿电感的另一端与整流电路交流侧的一端相连，该副边接收线圈的另一端与副边并联补偿电容的另一端以及该整流电路交流侧的另一端相连；
两组副边接收电路中的整流电路直流侧并联后对负载进行供电。
2.根据权利要求1所述的具有自然恒压恒流输出特性的无线充电拓扑结构，其特征在于，所述的原边逆变电源电路包括直流电源和逆变电路，所述逆变电路的直流侧与直流电源连接，用以将直流电源的输出直流电转换成高频交流电。
3.根据权利要求2所述的具有自然恒压恒流输出特性的无线充电拓扑结构，其特征在于，所述逆变电路采用半桥逆变电路、全桥逆变电路或推挽式逆变电路。
4.根据权利要求1所述的具有自然恒压恒流输出特性的无线充电拓扑结构，其特征在于，所述原边发射线圈和副边接收线圈采用绕制有利兹线的磁芯，所述磁芯采用导磁材料。
5.根据权利要求1所述的具有自然恒压恒流输出特性的无线充电拓扑结构，其特征在于，两组副边接收电路中副边接收线圈由独立的绕组构成，两独立绕组互相解耦放置。
6.根据权利要求1所述的具有自然恒压恒流输出特性的无线充电拓扑结构，其特征在于，所述副边并联补偿电容分别与该组副边接收电路中的副边接收线圈和副边串联补偿电感谐振匹配。
7.根据权利要求1所述的具有自然恒压恒流输出特性的无线充电拓扑结构，其特征在于，所述副边串联补偿电容与该组副边接收电路中的副边接收线圈谐振匹配。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190118 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |