CN109510271A - 基于原边参数控制的lcl-s型恒流无线充电电源及充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于原边参数控制的LCL‑S型恒流无线充电电源及充电方法，该无线充电电源利用原边控制电路实时采集发射线圈中的谐振电流和谐振电压，并根据采集到的谐振电流和谐振电压结果控制逆变电路的工作状态从而控制供电电源加载于发射线圈上，从而利用电磁感应原理互感到接收线圈上，继而产生充电电流，实现了无需原副边实时无线通信，保证了无线充电电源工作的稳定性及可靠性，且结构简单。因三极管截止时电感电流不能突变，本发明在此用串联于漏极和源极之间的二极管进行续流，防止了高压击穿三极管，更进一步地保证了电源的可靠性及稳定性。

Description

基于原边参数控制的LCL-S型恒流无线充电电源及充电方法

技术领域

本发明涉及一种无线充电电源和充电方法，尤其是涉及一种基于原边参数控制的LCL-S型恒流无线充电电源及充电方法。

背景技术

无线充电技术源于无线电能传输技术，可分为小功率无线充电和大功率无线充电两种方式，其中小功率无线充电常采用电磁感应式，如对手机充电的Qi方式，但中兴的电动汽车无线充电方式采用的感应式。大功率无线充电常采用谐振式(大部分电动汽车充电采用此方式)由供电设备(充电器)将能量传送至用电的装置，该装置使用接收到的能量对电池充电，并同时供其本身运作之用。由于充电器与用电装置之间以磁场传送能量，两者之间不用电线连接，因此充电器及用电的装置都可以做到无导电接点外露。

无线充电的基本原理包括：

1、电磁感应式：初级线圈一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。目前最为常见的充电解决方案就采用了电磁感应；

2、磁场共振：由能量发送装置，和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量；

无线电波式：主要有微波发射装置和微波接收装置组成，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压；此种方式只需一个安装在墙身插头的发送器，以及可以安装在任何低电压产品的"蚊型"接收器。

目前，无线充电电源的控制方式分为原边控制和副边控制，副边控制的缺陷在于需要使用dc-dc变换器，从而导致副边体积和成本的增加；原边控制又分为有通信式原边控制和无通信式原边控制。有通信式原边控制的缺陷在于需要实时的无线通信实现原副边信息交互，当无线通信受到干扰时，整个无线充电电源的稳定性与可靠性会出现异常。

发明内容

为了解决现有的无线充电电源所存在的问题，本发明的目的在于提供一种无需于原副边实时无线通信，结构简单的基于原边参数控制的LCL-S型恒流无线充电电源。

该电源包括原边电路和副边电路，所述原边电路包括输入滤波电路、逆变电路、发射线圈和原边控制电路，供电电源加载于所述输入滤波电路的输入端经滤波后加载于所述逆变电路，所述逆变电路的控制端接所述原边控制电路的信号输出端，所述原边控制电路输出的信号控制所述逆变电路的导通、截止，所述逆变电路的一路输出通过电感L11和电阻R1连接至所述发射线圈的一端，所述逆变电路的另一端输出直接连接至所述发射线圈的另一端，所述电感L11与所述电阻R1相连接的一端与所述发射线圈的另一端之间串联电容C1，所述发射线圈的两端分别与所述原边控制电路的信号输入端连接；所述副边电路包括接收线圈和输出整流滤波电路，所述发射线圈中所产生的电流感应至所述接收线圈，所述接收线圈的一端输出经电阻R2和电容C2连接至所述输出整流滤波电路的一路输入，所述接收线圈的另一端直接连接至所述输出整流滤波电路的另一路输入，所述输出整流滤波电路的输出端作为整个电源的输出端用于接负载。

进一步的，所述逆变电路包括三极管Q1～Q4，三极管Q1的漏极和三极管Q2的漏极接供电电源的正极，三极管Q1的源极和三极管Q4的漏极连接并通过电感L11和电阻R1连接至所述发射线圈的一端；三极管Q2的源极和三极管Q3的漏极连接并连接至所述发射线圈的另一端；所述三极管Q3的源极和所述三极管Q4的源极接供电电源的负极，所述三极管Q1的栅极、所述三极管Q2的栅极、所述三极管Q3的栅极和所述三极管Q4的栅极连接至所述原边控制电路的信号输出端，所述原边控制电路输出的信号控制所述三极管Q1、所述三极管Q2、所述三极管Q3和所述三极管Q4的导通、截止。

进一步的，所述三极管Q1的漏极和源极之间、所述三极管Q2的漏极和源极之间、所述三极管Q3的漏极和源极之间和所述三极管Q4的漏极和源极之间分别串联有二极管QD1、QD2、QD3和QD4。

本发明的另一个目的在于提供一种充电方法，该充电方法基于本发明所提供的无线充电电源实现，具体方法是将供电电源加载于输入滤波电路经滤波后加载逆变电路上，逆变电路对输入的电压进行逆变后一路通过电感L11和电阻R1加载于发射线圈的一端，另一端输出直接加载于发射线圈的另一端，原边控制电路实时对发射线圈的谐振电流I₁和谐振电压U_c1之间的相位θ进行检测，并计算cosθ；根据cosθ计算出充电电流I_O，利用PI算法将其与设定的充电电流I_{O_set}进行处理使充电电流I_O和设定的充电电流I_{O_set}相等。

进一步的，该方法通过过零检测法计算所述谐振电流I₁和所述谐振电压U_c1之间的相位θ和cosθ。

进一步的，所述过零检测法分两路信号处理，一路用于对所述谐振电流I₁进行过零检测，另一路包括用于对所述谐振电压U_c1进行过零检测；用于对所述谐振电流I₁进行过零检测的一路包括滤波、整形和正向鉴相，用于对所述谐振电压U_c1进行过零检测的一路包括过滤、整形和负向鉴相，所述正向鉴相的输出和所述负向鉴相的输出进行相加得到相位θ和cosθ。

进一步的，所述充电电流I_O通过以下表达式计算获得：

式(1)中，U_{c1_rms}为谐振电压U_c1的有效值，cosθ表示接收线圈的谐振电流I₁和所述谐振电压U_c1之间的相位θ的余弦值；ωM中ω为工作角频率，M为发射线圈和接收线圈的互感值。

本发明的有益效果，本发明提供的无线充电电源利用原边控制电路实时采集发射线圈中的谐振电流和谐振电压，并根据采集到的谐振电流和谐振电压结果控制逆变电路的工作状态从而控制供电电源加载于发射线圈上，从而利用电磁感应原理互感到接收线圈上，继而产生充电电流，实现了无需原副边实时无线通信，保证了无线充电电源工作的稳定性及可靠性，且结构简单。

因三极管截止时电感电流不能突变，本发明在此用串联于漏极和源极之间的二极管进行续流，防止了高压击穿三极管，更进一步地保证了电源的可靠性及稳定性。

附图说明

图1为本发明所提供的无线充电电源的电路原理图；

图2为本发明所提供的无线充电电源的互感等效电路原理图；

图3为本发明所记载的过零检测法的原理框图；

图4为本发明所记载的过零检测法输出的波形图；

图5为本发明所提供的无线充电电源的仿真图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明所要求保护的技术方案，本发明在此结合附图和具体实施方式对本发明所要求保护的技术方案作进一步详细说明。

本发明在此要求保护的技术方案是一种基于原边参数控制的LCL-S型恒流无线充电电源，该电源的电路原理图如图1所示，其包括了：

原边电路，包括由电容Ci构成的输入滤波电路、逆变电路和发射线圈L1，供电电源加载于电容Ci的两端，经滤波后的供电电源加载于逆变电路，逆变电路的控制端接原边控制电路的信号输出端，原边控制电路输出的信号控制逆变电路的导通、截止，逆变电路的一路输出通过电感L11和电阻R1连接至发射线圈L1的一端，逆变电路的另一路输出直接连接至发射线圈L1的另一端，电感L11与电阻R1相连接的一端与发射线圈L1的另一端之间串联电容C1，构成原边LCL结构，发射线圈L1的两端分别与原边控制电路的信号输入端连接。

副边电路，包括能够感应发射线圈L1的感应电流的接收线圈L2和输出整流滤波电路，发射线圈L1中所产生的电流感应至接收线圈L2，接收线圈L2的一端输出经电阻R2和电容C2连接至输出整流滤波电路的一路输入，接收线圈L2的另一端直接连接至输出整流滤波电路的另一路输入，输出整流滤波电路的输出端作为整个电源的输出端用于接负载(附图中Ro表示为等效负载，实际应用时，负载可以是任何用电设备，如电动车)。

本申请所记载的逆变电路可以采用现有的任何一种拓扑结构，在此采用的是由四个三极管构成的逆变电路，如图1所示，该逆变电路包括三极管Q1～Q4，三极管Q1的漏极和三极管Q2的漏极接供电电源的正极，三极管Q1的源极和三极管Q4的漏极连接并通过电感L11和电阻R1连接至发射线圈L1的一端；三极管Q2的源极和三极管Q3的漏极连接并直接连接至发射线圈L1的另一端，电感L11与电阻R1相连接的一端与发射线圈的另一端之间串联电容C1；三极管Q3的源极和三极管Q4的源极接供电电源的负极，三极管Q1的栅极、三极管Q2的栅极、三极管Q3的栅极和三极管Q4的连接至原边控制电路的信号输出端，原边控制电路输出的信号控制所述三极管Q1、所述三极管Q2、所述三极管Q3和所述三极管Q4的导通、截止。为了避免三极管Q1～Q4因三极管截止时电感电流突变，导致三极管Q1～Q4被高压击穿；在此，三极管Q1～Q4的漏极和源极之间串联二极管QD1、QD2、QD3和QD4，用串联于漏极和源极之间的二极管进行续流，防止了高压击穿三极管。

本申请所记载的输出整流滤波电路可以采用全桥整流和电容C_O构成，也可以采用半桥整流和电容C_O构成；在此采用四个二极管D1～D4构成全桥整流，二极管D1和二极管D4的阴极作为整个电源的一个输出端，二极管D1的阳极接二极管D2的阴极并通过电容C2和电阻R2连接至接收线圈L2的一端，电容C2和电阻R2构成接收线圈L2的构成串联型补偿电路，Series(串联)的首字母S，故构成副边S型；二极管D4的阳极和二极管D3的阴极连接并连接至接收线圈L2的另一端；电容Co的一端接二极管D4的阴极作为整个电源的一个输出，另一端接二极管D3的阳极作为整个电源的另一个输出端，整个电源的输出端用于连接负载Ro。

本发明所提供的无线充电电源中的互感模型如图2所示，附图中U_S为供电电源经滤波和逆变电路后的电压，电阻R_IP表示输入滤波电路和逆变电路的等效电阻，M表示同名端，电阻Ro表示等效负载，U_o表示用于负载Ro充电的电压，由图2所示，发射线圈L1的谐振电流I₁利用以下表达式表示：

式(2)中jωL₁表示发射线圈L1的感抗。

电容C1为发射线圈L1的补偿电容，其两端产生的电压为谐振电压U_c1利用以下表达式表示：

式(3)中ωM中ω为系统工作角频率，M为发射线圈L1和接收线圈L2的互感值，jωL₁表示发射线圈L1的感抗，R_O为负载的阻值。

本发明所提供的无线充电电源的仿真图如图5所示；其充电方法是：将供电电源加载于输入滤波电路经滤波后加载逆变电路上，逆变电路对输入的电压进行逆变后一路通过电感L11和电阻R1加载于发射线圈的一端，另一端输出直接加载于发射线圈的另一端，原边控制电路实时对发射线圈的谐振电流I₁和谐振电压U_c1之间的相位θ进行检测，并计算cosθ；根据cosθ计算出充电电流I_O，利用PI算法自动调节移相角度控制逆变电路的导通、截止，将充电电流I_O与设定的充电电流I_{O_set}进行处理使充电电流I_O和设定的充电电流I_{O_set}相等。

该方法通过现有的任何一种过零检测法计算谐振电流I₁和谐振电压U_c1之间的相位θ和cosθ，在此采用的是分两路信号处理，如图3所示；该两路信号一路用于对所述谐振电流I₁进行过零检测，另一路包括用于对所述谐振电压U_c1进行过零检测；用于对谐振电流I₁进行过零检测的一路包括滤波、整形和正向鉴相，用于对谐振电压U_c1进行过零检测的一路包括过滤、整形和负向鉴相，正向鉴相的输出和负向鉴相的输出进行相加得到相位θ和cosθ；该过零检测产生的波形如图4所示。

将上述充电方法产生的充电电流I_O通过以下表达式计算获得：

式(1)中，U_{c1_rms}为谐振电压U_c1的有效值，cosθ表示接收线圈的谐振电流I₁和所述谐振电压U_c1之间的相位θ的余弦值；ωM中ω为工作角频率，M为发射线圈和接收线圈的互感值。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的修改或等同替换，只要不脱离本发明的技术方案的精神和范围，均涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (7)

1.基于原边参数控制的LCL-S型恒流无线充电电源，其特征在于：该电源包括原边电路和副边电路，所述原边电路包括输入滤波电路、逆变电路、发射线圈和原边控制电路，供电电源加载于所述输入滤波电路的输入端经滤波后加载于所述逆变电路，所述逆变电路的控制端接所述原边控制电路的信号输出端，所述原边控制电路输出的信号控制所述逆变电路的导通、截止，所述逆变电路的一路输出通过电感L11和电阻R1连接至所述发射线圈的一端，所述逆变电路的另一端输出直接连接至所述发射线圈的另一端，所述电感L11与所述电阻R1相连接的一端与所述发射线圈的另一端之间串联电容C1，所述发射线圈的两端分别与所述原边控制电路的信号输入端连接；所述副边电路包括接收线圈和输出整流滤波电路，所述发射线圈中所产生的电流感应至所述接收线圈，所述接收线圈的一端输出经电阻R2和电容C2连接至所述输出整流滤波电路的一路输入，所述接收线圈的另一端直接连接至所述输出整流滤波电路的另一路输入，所述输出整流滤波电路的输出端作为整个电源的输出端用于接负载。

2.根据权利要求1所述的基于原边参数控制的LCL-S型恒流无线充电电源，其特征在于：所述逆变电路包括三极管Q1～Q4，三极管Q1的漏极和三极管Q2的漏极接供电电源的正极，三极管Q1的源极和三极管Q4的漏极连接并通过电感L11和电阻R1连接至所述发射线圈的一端；三极管Q2的源极和三极管Q3的漏极连接并连接至所述发射线圈的另一端；所述三极管Q3的源极和所述三极管Q4的源极接供电电源的负极，所述三极管Q1的栅极、所述三极管Q2的栅极、所述三极管Q3的栅极和所述三极管Q4的栅极连接至所述原边控制电路的信号输出端，所述原边控制电路输出的信号控制所述三极管Q1、所述三极管Q2、所述三极管Q3和所述三极管Q4的导通、截止。

3.根据权利要求2所述的基于原边参数控制的LCL-S型恒流无线充电电源，其特征在于：所述三极管Q1的漏极和源极之间、所述三极管Q2的漏极和源极之间、所述三极管Q3的漏极和源极之间和所述三极管Q4的漏极和源极之间分别串联有二极管QD1、QD2、QD3和QD4。

4.权利要求1或2或3所述的基于原边参数控制的LCL-S型恒流无线充电电源的充电方法，其特征在于：将供电电源加载于输入滤波电路经滤波后加载逆变电路上，逆变电路对输入的电压进行逆变后一路通过电感L11和电阻R1加载于发射线圈的一端，另一端输出直接加载于发射线圈的另一端，原边控制电路实时对发射线圈的谐振电流I₁和谐振电压U_c1之间的相位θ进行检测，并计算cosθ；根据cosθ计算出充电电流I_O，利用PI算法将其与设定的充电电流I_{O_set}进行处理使充电电流I_O和设定的充电电流I_{O_set}相等。

5.根据权利要求4所述的充电方法，其特征在于：该方法通过过零检测法计算所述谐振电流I₁和所述谐振电压U_c1之间的相位θ和cosθ。

6.根据权利要求5所述的充电方法，其特征在于：所述过零检测法分两路信号处理，一路用于对所述谐振电流I₁进行过零检测，另一路包括用于对所述谐振电压U_c1进行过零检测；用于对所述谐振电流I₁进行过零检测的一路包括滤波、整形和正向鉴相，用于对所述谐振电压U_c1进行过零检测的一路包括过滤、整形和负向鉴相，所述正向鉴相的输出和所述负向鉴相的输出进行相加得到相位θ和cosθ。

7.根据权利要求4或5或6所述的充电方法，其特征在于：所述充电电流I_O通过以下表达式计算获得：

式(1)中，U_{c1_rms}为谐振电压U_c1的有效值，cosθ表示接收线圈的谐振电流I₁和所述谐振电压U_c1之间的相位θ的余弦值；ωM中ω为工作角频率，M为发射线圈和接收线圈的互感值。