CN109617190A - 基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统 - Google Patents

基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于恒流‑恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统，提供电池充电过程中所需的先恒流后恒压输出，适用于电动汽车电池无线充电场合。该系统包括高频全桥逆变电路、原边补偿网络、松耦合变压器、副边补偿网路、恒流‑恒压切换网络、全桥整流滤波电路。该复合拓扑通过利用放置在副边的恒流‑恒压切换网络进行恒流‑恒压模式转换，在特定频率下实现了与负载无关的先可抗偏移恒流输出后可抗偏移恒压输出，避免了无线充电系统发射端与接收端之间的复杂通信，简化控制，实现了电路近似零无功环流和开关器件的软开关，保持了恒定的功率输出，具有良好的抗偏移能力。

Description

基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统
技术领域
本发明公开了基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统，涉及电池无线充电技术，适用于电动汽车电池无线充电场合。
背景技术
无线充电技术(Wireless Power Transfer,WPT)因供电端和受电端之间没有电气和机械连接而使用方便且安全可靠。目前，感应式无线电能传输(Inductive PowerTransfer,IPT)技术是应用最广的WPT技术，具有极大的研究价值。
在整个电池充电过程中，电池的等效负载在一个很大的范围内变化，在宽的负载范围内实现所需的先恒流后恒压输出并且保证零无功环流或零输入相位角(Zero PhaseAngle,ZPA)所采用的控制手段通常只能实现一个控制目标。因此，很多研究采用补偿电路本身的特性来兼顾两个及以上的控制目标。例如，基于四种基本拓扑结构(串联-串联(SS)，串联-并联(SP)，并联-并联(PP)和并联-串联(PS))提出的两种混合拓扑结构SS/SP和PS/PP用于电池充电，但是线圈设计受到限制，参数设计自由度降低。此外，一些新的补偿拓扑结构，如LCC-LCC和LCC-S复合拓扑结构与SS和S-LCC复合拓扑结构均可突破线圈增益限制实现先恒流后恒压输出。但是，上面提到的所有补偿拓扑都需要精确放置磁耦合结构，否则，线圈偏移问题会导致系统性能显著下降。
在很多应用中，原副线圈之间的相对位置不可避免地会发生变化，线圈偏移会造成许多严重的问题，如功率传输下降，系统损耗增加，系统会不稳定，因此必须提高IPT系统的抗偏移能力。为提高IPT系统的抗偏移能力，主要采用线圈优化设计和补偿拓扑两类方案：采用优化磁耦合结构来获得一个相对均匀的磁场分布可有效提高系统抗偏移能力；或者，采用两种补偿拓扑LCC-S和S-LCC，通过原边侧并联副边侧串联连接的方式实现可抗偏移的恒压输出，再通过级联辅助电路实现恒流-恒压充电，但该辅助电路是一个带多个开关的T型网络，器件数量多，增加损耗和成本。
由以上分析可知，目前可实现恒流-恒压输出的组合型拓扑存在线圈发生偏移功率传输下降的问题。一些具有良好的抗偏移能力的组合型拓扑实现恒流-恒压输出，其设计相对复杂。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统，利用组合补偿拓扑的输出特性并通过放置在副边的恒流-恒压切换网络进行恒流-恒压模式转换，在特定频率下实现了与负载无关的先恒流抗偏移输出后恒压抗偏移输出，实现了电路近似零无功环流和开关器件的软开关，提供了一种可同时实现可抗偏移的恒流输出和可抗偏移的恒压输出的方案。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统，包括高频全桥逆变电路、原边补偿网络、松耦合变压器单元、副边补偿网络、全桥整流滤波电路以及恒流-恒压模式切换网络，其中，原边补偿网络包括：第一原边补偿电容、第二原边补偿电容、原边补偿电感以及原边附加电容，副边补偿网络包括：第一副边补偿电容、第二副边补偿电容、副边补偿电感、副边附加电容，恒流-恒压模式切换网络包括：第一开关、第二开关、第三开关，松耦合变压器单元包括：第一松耦合变压器和第二松耦合变压器。
第一原边补偿电容的一极与高频全桥逆变电路的一桥臂中点连接，第一原边补偿电容的另一极与第一松耦合变压器原边绕组的一端连接，原边补偿电感的一端与第一松耦合变压器原边绕组的另一端连接，原边补偿电感的另一端、第二原边补偿电容的一极均与原边附加电容的一极相连接，原边附加电容的另一极与第二松耦合变压器原边绕组的一端连接，第二原边补偿电容的另一极、第二松耦合变压器原边绕组的另一端均与高频全桥逆变电路的另一桥臂中点相连接；副边附加电容的一极与第一松耦合变压器副边绕组的一端连接，第二松耦合变压器副边绕组的一端与第二副边补偿电容的一极连接，副边附加电容的另一极、第一副边补偿电容的一极均与副边补偿电感的一端连接，副边补偿电感的另一端、第二副边补偿电容的另一极均与第二开关的一端连接，第一松耦合变压器副边绕组的另一端与第一开关的一端、第三开关的一端连接，第二开关的另一端、第三开关的另一端并接后与全桥整流滤波电路的一桥臂中点连接，第一开关的另一端、第一副边补偿电容的另一极、第二松耦合变压器副边绕组的另一端并接后与全桥整流滤波电路的另一桥臂中点连接。
原边补偿电感的感值Lf1和副边补偿电感的感值Lf2按照选取，第一原边补偿电容的容值C1、第二原边补偿电容的容值Cf1、第一副边补偿电容的容值Cf2、第二副边补偿电容的容值C4按照选取，原边附加电容的容值C3、副边附加电容的容值C2按照和选取，VIN为系统输入的直流电压，VB为电池给定充电电压，IB为电池给定充电电流，ω为系统工作的角频率，M12为第一松耦合变压器的互感值、M34为第二松耦合变压器的互感值，L1为第一松耦合变压器原边自感的感值，L2为第一松耦合变压器副边自感的感值，L3为第二松耦合变压器原边自感的感值，L4为第二松耦合变压器副边自感的感值。
基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统在恒流充电阶段，第一开关S1和第二开关S2均断开，第三开关S3闭合时，充电系统进入恒流工作模式，输出与电池负载无关的恒定电流IB：输入阻抗ZIN：呈纯阻性，相比于只利用单个补偿拓扑SS或者LCC-LCC的输出恒流特性，通过利用SS和LCC-LCC两种补偿拓扑的输出恒流特性，采用原边侧串联副边侧串联的连接方式，在线圈发生较大的偏移情况下输出的电流近似恒定，波动较小，具有良好的抗偏移能力；
在恒压充电阶段，第一开关S1和第二开关S2均闭合，第三开关S3断开时，充电系统进入恒压工作模式，输出与电池负载无关的恒定电压VB：输入阻抗ZIN：呈纯阻性，相比于只利用单个补偿拓扑S-LCC或者LCC-S的输出恒压特性，通过利用S-LCC和LCC-S两种补偿拓扑的输出恒压特性，采用原边侧串联副边侧并联的连接方式，在线圈发生较大的偏移情况下输出的电压近似恒定，波动较小，具有良好的抗偏移能力。
其中，R为电池的等效电阻。
作为本申请的进一步优化方案，原边补偿网络的第一原边补偿电容C1和原边补偿电感Lf1可以在系统工作的角频率ω下等效为一个器件，进一步减少拓扑的器件数量，简化电路。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明提出基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统，利用SS和LCC-LCC两种补偿拓扑的输出恒流特性以及S-LCC和LCC-S两种补偿拓扑的输出恒压特性，通过控制置于松耦合变压器副边的恒流-恒压模式切换网络，在线圈发生偏移的时实现了在特定频率下先向负载提供近似恒定的电流后向负载提供近似恒定的电压，保持了恒定的功率输出，具有良好的抗偏移能力。
(2)在整个充电过程中，系统输入阻抗近似为纯阻性，避免无功环流，减小器件应力，同时实现开关器件的软开关，提高效率。
(3)置于副边的恒流-恒压模式切换网络仅包含三个开关，通过简单控制即可实现恒流恒压模式的切换，相较于通过辅助电路使得可抗偏移恒压输出系统输出恒流的方案，本申请的控制电路简单且损耗小，具备副边复合式补偿网络无线充电系统的优点。
附图说明
图1是基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统的拓扑结构图。
图2是集成变压器线圈结构的等效电路。
图3是恒流-恒压复合拓扑工作于恒流输出模式下，电池的等效电阻为15Ω时的vgate、vAB、iAB和iB波形图。
图4是恒流-恒压复合拓扑工作于恒流输出模式下，电池的等效电阻为30Ω时的vgate、vAB、iAB和iB波形图。
图5是恒流-恒压复合拓扑工作于恒流输出模式下，电池的等效电阻为44Ω时的vgate、vAB、iAB和iB波形图。
图6是恒流-恒压复合拓扑工作于恒压输出模式下，电池的等效电阻为44Ω时的vgate、vAB、iAB和vB波形图。
图7是恒流-恒压复合拓扑工作于恒压输出模式下，电池的等效电阻为80Ω时的vgate、vAB、iAB和vB波形图。
图8是恒流-恒压复合拓扑工作于恒压输出模式下，电池的等效电阻为120Ω时的vgate、vAB、iAB和vB波形图。
图9是恒流-恒压复合拓扑工作于恒流输出模式下，第二松耦合变压器线圈互感M34分别为40μH、30μH和20μH时的iB波形图。
图10是恒流-恒压复合拓扑工作于恒压输出模式下，第二松耦合变压器线圈互感M34分别为40μH、30μH和20μH时的vB波形图。
图中标号说明：1为高频全桥逆变电路，2为原边补偿网络，3为松耦合变压器单元，4为副边补偿网络，5为恒流-恒压模式切换网络，6为全桥整流滤波电路，7为负载，Q1、Q2、Q3、Q4为第一、第二、第三、第四功率管，L1为第一松耦合变压器原边自感，L2为第一松耦合变压器副边自感，L3为第二松耦合变压器原边自感，L4为第二松耦合变压器副边自感，Lf1为原边补偿电感，Lf2为副边补偿电感，Cf1为第二原边补偿电容，Cf2为第一副边补偿电容，C1为第一原边补偿电容，C2为副边附加电容，C3为原边附加电容，C4为第二副边补偿电容，D1、D2、D3、D4为第一、第二、第三、第四二极管，Cf为输出滤波电容，S1、S2、S3为第一、第二、第三开关。
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。
本发明公开的基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统如图1所示，包括：高频全桥逆变电路1、原边补偿网络2、松耦合变压器3、副边补偿网络4、恒流-恒压模式切换网络5、全桥整流滤波电路6。
高频全桥逆变电路1包括第一功率管Q1、第三功率管Q3组成的一个桥臂以及第二功率管Q2、第四功率管Q4组成的另一个桥臂，第一功率管Q1、第三功率管Q3的连接点为桥臂中点A，第二功率管Q2、第四功率管Q4的连接点为桥臂中点B。
原边补偿网络2包括：第一原边补偿电容C1、第二原边补偿电容Cf1、原边补偿电感Lf1以及原边附加电容C3，松耦合变压器单元3包括：第一松耦合变压器和第二松耦合变压器，第一原边补偿电容C1的一极与高频全桥逆变电路的桥臂中点A连接，第一原边补偿电容C1的另一极与第一松耦合变压器原边绕组的一端连接，原边补偿电感的一端与第一松耦合变压器原边绕组的另一端连接，原边补偿电感Lf1的另一端、第二原边补偿电容Cf1的一极均与原边附加电容C3的一极相连接，原边附加电容C3的另一极与第二松耦合变压器原边绕组的一端连接，第二原边补偿电容Cf1的另一极、第二松耦合变压器原边绕组的另一端均与高频全桥逆变电路的桥臂中点B相连接。
副边补偿网络4包括：第一副边补偿电容Cf2、第二副边补偿电容C4、副边补偿电感Lf2、副边附加电容C2，恒流-恒压模式切换网络5包括：第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3，副边附加电容C2的一极与第一松耦合变压器副边绕组的一端连接，第二松耦合变压器副边绕组的一端与第二副边补偿电容C4的一极连接，副边附加电容C2的另一极、第一副边补偿电容Cf2的一极均与副边补偿电感Lf2的一端连接，副边补偿电感Lf2的另一端、第二副边补偿电容C4的另一极均与第二开关S2的一端连接，第一松耦合变压器副边绕组的另一端与第一开关S1的一端、第三开关S3的一端连接，第二开关S2的另一端、第三开关S3的另一端并接后与全桥整流滤波电路6的一桥臂中点连接，第一开关S1的另一端、第一副边补偿电容Cf2的另一极、第二松耦合变压器副边绕组的另一端并接后与全桥整流滤波电路6的另一桥臂中点连接。
全桥整流滤波电路6包括第一二极管D1、第三二极管D3组成的一个桥臂以及第二二极管D2、第四二极管D4组成的另一桥臂，输出滤波电容Cf并接在全桥整流滤波电路6的输出端，负载7并接在输出滤波电容Cf两极之间。
图1所示的恒流-恒压复合拓扑中：第一开关S1和第二开关S2均断开，第三开关S3闭合时，电路进入恒流工作模式，输入阻抗ZIN：呈纯阻性，实现了输出ZPA，输出与电池负载无关的恒定电流IB：相比于只利用单个补偿拓扑SS或者LCC-LCC的输出恒流特性，通过利用SS和LCC-LCC两种补偿拓扑的输出恒流特性，采用原边侧串联副边侧串联的连接方式，在线圈发生较大的偏移情况下输出的电流近似恒定，波动较小，具有良好的抗偏移能力；第一开关S1和第二开关S2均闭合，第三开关S3断开时，电路进入恒压工作模式，输入阻抗ZIN：呈纯阻性，实现了输出ZPA，输出与电池负载无关的恒定电压VB：相比于只利用单个补偿拓扑S-LCC或者LCC-S的输出恒压特性，通过利用S-LCC和LCC-S两种补偿拓扑的输出恒压特性，采用原边侧串联副边侧并联的连接方式，在线圈发生较大的偏移情况下输出的电压近似恒定，波动较小，具有良好的抗偏移能力。
图2为集成变压器线圈结构的等效电路，变压器线圈之间的互感除M12和M34，其他交叉耦合互感均可忽略不计，所以，电路分析只考虑线圈互感M12和M34。
图3至图10以恒流-恒压复合拓扑为例，验证了基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统的有效性。采用的第一松耦合变压器，耦合系数k为0.19，原边自感L1为217.1μH，副边自感L2为217.7μH；第二松耦合变压器，耦合系数k为0.17，原边自感L3为233.6μH，副边自感L4为233.7μH，系统输入电压VIN为220V，恒定充电电流IB为5A，恒定充电电压VB为220V。设开关频率为85kHz，原、副边补偿电感Lf1和Lf2分别为15.15μH和66.78μH，原、副边补偿电容C1、Cf1和C4、Cf2分别为16.15nF、23.14nF和15nF、52.5nF，原、副边附加电容C3和C2分别为16.05nF和23.23nF。
图3至图5给出了恒流-恒压复合拓扑工作于恒流输出模式下，电池等效阻抗分别为15Ω、30Ω和44Ω时的驱动信号vgate、复合型拓扑输入电压vAB、输入电流iAB和输出充电电流iB的仿真波形。从图中可以看出，当电池的等效电阻从15Ω变到44Ω时，输出电流基本保持5A，不随负载发生变化。复合型拓扑输入电流iAB和输入电压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至图8给出了恒流-恒压复合拓扑工作于恒压输出模式下，电池等效阻抗分别为44Ω、80Ω和120Ω时的驱动信号vgate、复合型拓扑输入电压vAB、输入电流iAB和输出充电电压vB的仿真波形。从图中可以看出，当电池的等效电阻从44Ω变到120Ω时，输出电压基本保持220V，不随负载发生变化。复合型拓扑输入电流iAB和输入电压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9给出了线圈发生偏移情况时恒流-恒压复合拓扑工作于恒流输出模式下，负载等效电阻为30Ω时，线圈互感M34分别为40μH、30μH和20μH时的iB仿真波形图。当线圈互感M34＝40μH时，输出电流iB＝5A；当线圈互感M34＝30μH时，输出电流iB＝5.16A；当线圈互感M34＝20μH时，输出电流iB＝4.89A，结果表明，输出电流iB波动较小，验证了提出的复合型拓扑在恒流输出模式下具有良好的抗偏移能力。
图10给出了线圈发生偏移情况时恒流-恒压复合拓扑工作于恒压输出模式下，负载等效电阻为120Ω时，线圈互感M34分别为40μH、30μH和20μH时的vB仿真波形图。当线圈互感M34＝40μH时，输出电压vB＝220V；当线圈互感M34＝30μH时，输出电压vB＝227V；当线圈互感M34＝20μH时，输出电压vB＝215V，结果表明，输出电压vB的波动较小，验证了提出的复合型拓扑在恒压输出模式下具有良好的抗偏移能力。

Claims (3)

1.基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统，包括：高频全桥逆变电路、原边补偿网络、松耦合变压器、副边补偿网络、恒流-恒压模式切换网络、全桥整流滤波电路，所述原边补偿网络包括：第一原边补偿电容、第二原边补偿电容、原边补偿电感以及原边附加电容，松耦合变压器单元包括：第一松耦合变压器和第二松耦合变压器，副边补偿网络包括：第一副边补偿电容、第二副边补偿电容、副边补偿电感、副边附加电容，恒流-恒压模式切换网络包括：第一开关、第二开关、第三开关；
所述第一原边补偿电容的一极与高频全桥逆变电路的一桥臂中点连接，第一原边补偿电容的另一极与第一松耦合变压器原边绕组的一端连接，原边补偿电感的一端与第一松耦合变压器原边绕组的另一端连接，原边补偿电感的另一端、第二原边补偿电容的一极均与原边附加电容的一极相连接，原边附加电容的另一极与第二松耦合变压器原边绕组的一端连接，第二原边补偿电容的另一极、第二松耦合变压器原边绕组的另一端均与高频全桥逆变电路的另一桥臂中点相连接；副边附加电容的一极与第一松耦合变压器副边绕组的一端连接，第二松耦合变压器副边绕组的一端与第二副边补偿电容的一极连接，副边附加电容的另一极、第一副边补偿电容的一极均与副边补偿电感的一端连接，副边补偿电感的另一端、第二副边补偿电容的另一极均与第二开关的一端连接，第一松耦合变压器副边绕组的另一端与第一开关的一端、第三开关的一端连接，第二开关的另一端、第三开关的另一端并接后与全桥整流滤波电路的一桥臂中点连接，第一开关的另一端、第一副边补偿电容的另一极、第二松耦合变压器副边绕组的另一端并接后与全桥整流滤波电路的另一桥臂中点连接；
原边补偿电感的感值Lf1和副边补偿电感的感值Lf2按照 选取，第一原边补偿电容的容值C1、第二原边补偿电容的容值Cf1、第一副边补偿电容的容值Cf2、第二副边补偿电容的容值C4按照选取，原边附加电容的容值C3、副边附加电容的容值C2按照和选取，VIN为系统输入的直流电压，VB为电池给定充电电压，IB为电池给定充电电流，ω为系统工作的角频率，M12为第一松耦合变压器的互感值，M34为第二松耦合变压器的互感值，L1为第一松耦合变压器原边自感的感值，L2为第一松耦合变压器副边自感的感值，L3为第二松耦合变压器原边自感的感值，L4为第二松耦合变压器副边自感的感值。
2.根据权利要求1所述基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统，其特征在于：
第一开关和第二开关均断开，第三开关闭合时，系统工作在恒流模式下，输入阻抗ZIN为：电池给定充电电流IB为：
第一开关和第二开关均闭合，第三开关断开时，系统工作在恒压模式下，输入阻抗ZIN为：电池给定充电电压VB为：
其中，R为电池的等效电阻。
3.根据权利要求1所述基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统，其特征在于，在系统工作的角频率下将第一原边补偿电容和原边补偿电感等效为一个器件。
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