CN109728628A - 一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统，包括发送电路、接收电路和恒流恒压切换电路，其中：发送电路包括依次连接的直流电源、高频逆变器、初级补偿电容和初级线圈；接收电路包括依次连接的次级线圈、次级补偿电容、整流滤波电路和电池负载；恒流恒压切换电路包括依次连接的第三线圈、第三线圈补偿电容和切换开关，且切换开关的控制端与一控制器相连；初级线圈、次级线圈和第三线圈两两之间构成互感线圈。本发明提供的技术方案，既能输出恒定电流也能输出恒定电压，系统工作在一个频率点下，不会出现频率分叉现象，系统工作稳定，且其控制方便、结构简单可靠、制造成本低。
Description
技术领域
本发明实施例涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统。
背景技术
感应式无线电能传输技术是一种利用磁场等软介质实现非接触电能传输的新型供电技术，其以供电灵活、安全、稳定性高及环境亲和力强等优点广泛运用于医疗、消费电子产品、水下供电、电动车充电和轨道交通等领域。其中，运用感应式无线电能传输技术对电池进行无线充电，避免了传统插拔系统存在的接触火花和插头老化等弊端，发展前途巨大。
为了实现电池安全充电，延长电池的使用寿命和充放电次数，通常主要包括恒流和恒压两个充电阶段。即在充电初期采用恒流模式，电池电压迅速增加；当电池电压达到充电设定电压时，采用恒压模式充电，充电电流逐渐减小直至达到充电截止电流，充电完成。也即对电池进行充电的感应式无线充电系统应能提供恒定的电流和电压。
现有的无线充电系统的主要构成及工作过程为：工频交流电经过整流成为直流，经过逆变器后直流电逆变成高频交流电，高频交变电流注入初级线圈，产生高频交变磁场；次级线圈在初级线圈产生的高频磁场中感应出感应电动势，该感应电动势通过高频整流后向负载提供电能。由于负载(电池)的等效阻抗是变动的，所以在一定输入电压下系统难以输出负载所需的恒定电流或电压。为解决该问题，通常的方法有两种：
一、在电路系统中引入闭环负反馈控制，如在逆变器前加入控制器调节输入电压或者采用移相控制，或者在次级线圈整流后加入DC-DC变换器；其缺陷是，增加了控制成本和复杂性，降低系统稳定性。
二、采用变频控制，系统工作在两个不同频率点实现恒流和恒压输出，但是该方法会出现频率分叉现象，造成系统工作不稳定。
发明内容
本发明提供一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统，以解决现有技术的不足。
为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：
一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统，包括发送电路、接收电路和恒流恒压切换电路，其中：
所述发送电路包括依次连接的直流电源(E)、高频逆变器(H)、初级补偿电容(CP)和初级线圈(LP)；
所述接收电路包括依次连接的次级线圈(LS)、次级补偿电容(CS)、整流滤波电路(D)和电池负载(Z)；
所述恒流恒压切换电路包括依次连接的第三线圈(L3)、第三线圈补偿电容(C3)和切换开关(S1)，且所述切换开关(S1)的控制端与一控制器(K1)相连；
所述初级线圈(LP)、次级线圈(LS)和第三线圈(L3)两两之间构成互感线圈。
进一步地，所述系统中，所述初级补偿电容(CP)的电容值由如下公式确定：
其中ω为系统工作角频率。
进一步地，所述系统中，所述次级补偿电容(CS)的电容值由如下公式确定：
进一步地，所述系统中，所述第三线圈补偿电容(C3)的电容值由如下公式确定：
其中为直流电源(E)的输出电压值，M13为初级线圈(LP)与第三线圈(L3)的互感值，VB为设定充电电压，IB为设定充电电流。
进一步地，所述系统中，所述初级线圈(LP)与次级线圈(LS)的互感值M12由如下公式确定：
进一步地，所述系统中，所述次级线圈(LS)与第三线圈(L3)的互感值M23由如下公式确定：
本发明实施例提供的一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统，适用于对电池进行充电，既能输出恒定电流也能输出恒定电压，工作时只需简单地控制恒流恒压切换电路中切换开关的切换，便能改变系统的电路拓扑结构，从而能够输出与负载无关的恒定电流和恒定电压，满足电池初期恒流充电、后期恒压充电的要求，没有复杂的控制策略，无需初级和次级通信，系统工作在一个频率点下，不会出现频率分叉现象，系统工作稳定，且其控制方便、结构简单可靠、制造成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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它的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统的结构示意图；
图2是可实现恒流、恒压输出的系统电路图；
图中标号说明：
E为直流电源，H为高频逆变器，CP为初级补偿电容，LP为初级线圈，LS为次级线圈，CS次级补偿电容，L3为第三线圈、C3为第三线圈补偿电容，S1为切换开关，K1为控制器，Vi为高频逆变器H的等效输出电压，R为从整流滤波电路输入端口看进去的电池等效负载，VB为电池两端的电压，IB为电池流过的电流。
具体实施方式
为了完整的描述本发明实施例提供的技术方案，并且易于被用户理解，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统，通过控制恒流恒压切换电路中切换开关的切换，便能改变系统的电路拓扑结构，从而能够输出与负载无关的恒定电流和恒定电压，满足电池初期恒流充电、后期恒压充电的要求。
所述三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统，包括发送电路、接收电路和恒流恒压切换电路，其中：
所述发送电路包括依次连接的直流电源(E)、高频逆变器(H)、初级补偿电容(CP)和初级线圈(LP)；
所述接收电路包括依次连接的次级线圈(LS)、次级补偿电容(CS)、整流滤波电路(D)和电池负载(Z)；
所述恒流恒压切换电路包括依次连接的第三线圈(L3)、第三线圈补偿电容(C3)和切换开关(S1)，且所述切换开关(S1)的控制端与一控制器相连；
所述初级线圈(LP)、次级线圈(LS)和第三线圈(L3)两两之间构成互感线圈。
上述方案中，所述初级补偿电容(CP)的电容值由如下公式确定：
其中ω为系统工作角频率。
所述次级补偿电容(CS)的电容值由如下公式确定：
所述第三线圈补偿电容(C3)的电容值由如下公式确定：
其中为直流电源(E)的输出电压值，M13为初级线圈(LP)与第三线圈(L3)的互感值，VB为设定充电电压，IB为设定充电电流。
所述初级线圈(LP)与次级线圈(LS)的互感值M12由如下公式确定：
所述次级线圈(LS)与第三线圈(L3)的互感值M23由如下公式确定：
具体的，本发明实施例提供的技术方案的使用方法为：
控制器(K1)控制切换开关(S1)断开，系统即工作于恒流模式，对负载输出恒定电流，即向电池提供设定的恒定充电电流IB；适合电池充电初期采用。
控制器(K1)控制切换开关(S1)闭合，系统即工作于恒压模式，对负载输出恒定电压，即向电池提供设定的恒定充电电压VB；适合电池充电后期、电池电压达到充电设定电压时采用。
需要说明的是，本发明实施例提供的技术方案中，系统输出恒定电流和恒定电压的理论分析如下：
考虑如图2所示的电路，令CP满足CS满足即
当切换开关(S1)闭合时，运用网孔电流法列写方程组：
其中求解方程组(7)可以得到此时系统输出电流为：
由上述公式(8)可以得到此时系统输出电压为：
为了便于分析，将上述公式(9)写作如下形式：
观察上述公式(10)可以发现，当分子中R的系数项及分母中的常数项均为零时，系统输出电压的表达式中不含负载R的项，即
时，系统输出电压为：
求解方程组(11)可以得到满足公式(11)的X3的取值为：
将公式(13)代入公式(12)可以得到系统输出电压为：
此时系统输出与负载R无关的电压。
当切换开关(S1)断开时，有代入方程组(7)可以得到此时系统输出电流为：
此时系统输出与负载R无关的电流。
综上所述，图2所示电路中，当切换开关(S1)断开时，系统的输出电流与负载的大小无关，即在负载变动的工况下，系统可以保持恒流输出，适用于电池充电的前期；当切换开关(S1)闭合时，系统的输出电压与负载的大小无关，即在负载变动的工况下，系统可以保持恒压输出，适用于电池充电的后期。
将图2中的电压源由直流电源(E)及高频逆变器代替，高频逆变器输入电压与输出电压Vi之间的关系为：
并将图2中的负载由电池负载及整流桥代替，整流桥的输入电压Vo与输出电压VB之间的关系为：
整流桥的输入电流Io与输出电流IB之间的关系为：
本发明实施例提供的技术方案如图1所示：
在充电前期，为获得系统电流恒流输出，控制器(K1)断开切换开关(S1)。
在充电后期，为获得系统电压恒压输出，控制器(K1)闭合切换开关(S1)。
由公式(6)可知初级补偿电容(CP)的电容值次级补偿电容(CS)的电容值需满足条件：
由公式(15)、(16)、(18)可知初级线圈(LP)与次级线圈(LS)的互感值M12需满足条件：
由公式(14)、(16)、(17)可知次级线圈(LS)与第三线圈(L3)的互感值M23需满足条件：
由式(13)、(20)、(21)及可知第三线圈补偿电容(C3)的电容值需满足条件：
综上所述，在用户要求的负载恒压电压VB、负载恒流电流IB、输入直流电压初级线圈(LP)次级线圈(LS)的电感值第三线圈(L3)的电感值初级线圈(LP)与第三线圈(L3)间的互感M13和系统工作频率f一定的条件下，当控制器(K1)断开切换开关(S1)，则系统输出恒定电流，适用于充电前期使用，而当控制器(K1)闭合切换开关(S1)，则系统输出恒定电压，适用于充电后期使用。
本发明实施例提供的一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统，适用于对电池进行充电，既能输出恒定电流也能输出恒定电压，工作时只需简单地控制恒流恒压切换电路中切换开关的切换，便能改变系统的电路拓扑结构，从而能够输出与负载无关的恒定电流和恒定电压，满足电池初期恒流充电、后期恒压充电的要求，没有复杂的控制策略，无需初级和次级通信，系统工作在一个频率点下，不会出现频率分叉现象，系统工作稳定，且其控制方便、结构简单可靠、制造成本低。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种三线圈结构的恒流恒压感应式无线充电系统，其特征在于，包括发送电路、接收电路和恒流恒压切换电路，其中：
所述发送电路包括依次连接的直流电源(E)、高频逆变器(H)、初级补偿电容(CP)和初级线圈(LP)；
所述接收电路包括依次连接的次级线圈(LS)、次级补偿电容(CS)、整流滤波电路(D)和电池负载(Z)；
所述恒流恒压切换电路包括依次连接的第三线圈(L3)、第三线圈补偿电容(C3)和切换开关(S1)，且所述切换开关(S1)的控制端与一控制器(K1)相连；
所述初级线圈(LP)、次级线圈(LS)和第三线圈(L3)两两之间构成互感线圈。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述初级补偿电容(CP)的电容值由如下公式确定：
其中ω为系统工作角频率。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述次级补偿电容(CS)的电容值由如下公式确定：
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第三线圈补偿电容(C3)的电容值由如下公式确定：
其中为直流电源(E)的输出电压值，M13为初级线圈(LP)与第三线圈(L3)的互感值，VB为设定充电电压，IB为设定充电电流。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述初级线圈(LP)与次级线圈(LS)的互感值M12由如下公式确定：
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述次级线圈(LS)与第三线圈(L3)的互感值M23由如下公式确定：
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