CN109980757A - 一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统，属于无线充电领域，本发明在发送部分或者接收部分增添开关切换部分，使系统在具有恒压和恒流两种特性的拓扑之间切换，适用于对电池进行充电，开关切换部分仅含有一个交流开关和两个附加电感，元件数量少，在恒压和恒流两种工作模式下系统的等效输入阻抗都为纯阻性，即高频逆变器的开关器件在恒压和恒流两种模式下都能工作在零相位开关模式，这能有效地减小系统中的无功功率损耗。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电领域，具体涉及一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统。
背景技术
感应式无线电能传输技术是一种以磁场为介质实现非接触供电的技术，其具有灵活、安全、可靠供电的优点，且能避免传统接触供电系统中可能存在的火花、漏电等安全隐患。目前，该技术已成功被应用于内置式电子医疗设备、便携式电子产品和电动汽车非接触供电等领域，发展潜力巨大。
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充电，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电能传输系统应能提供恒定的电流和电压。
现有的无线电能传输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，高频交变电流注入发射线圈，产生高频交变磁场；接收线圈在发射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，通常的方法有三种：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，或者在接收线圈整流后加入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。三、在电路系统中通过两个交流开关接入或断开电容或电感元件，以实现两种不同特性的电路转换。
目前，使用交流开关切换充电模式的方法有三种：一、使用一个交流开关对电路进行切换，该方法只能在一种充电模式下实现零相位开关，另一种充电模式会存在较大的系统无功，影响系统效率。二、使用两个交流开关同时对电路进行切换，该方法使用的开关元件较多。三、使用一个交流开关切入或断开一个包含第三线圈的回路，该方法需要额外使用一个能量传输线圈。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统，该系统适用于对电池进行充电，能在恒压供电和恒流供电两种工作模式下稳定地工作，解决了目前的无线充电系统中采用两个交流开关切换充电模式系统无功大的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统，包括发送部分和接收部分，所述发送部分包括依次连接的直流电源(E1)、高频逆变器(H1)、发射端开关切换部分(I)和发射线圈(LP1)，所述接收部分包括依次连接的接收线圈(LS1)、接收端补偿电容(CS1)、整流滤波电路(R1)和电池负载(I)，所述发射端开关切换部分(I)包括发射端补偿电容(CP1)、第一附加电感(L11)、第二附加电感(L21)和切换开关(S1)，具体连接关系如下：
所述高频逆变器(H1)一桥臂中点同时连接发射端补偿电容(CP1)的一端和第一附加电感(L11)一端，所述发射端补偿电容(CP1)的另一端同时连接第二附加电感(L21)的一端和发射线圈(LP1)的一端，所述第一附加电感(L11)的另一端连接至切换开关(S1)的第一接口，所述第二附加电感(L21)的另一端连接切换开关(S1)的第二接口，所述切换开关(S1)的第三端口同时连接高频逆变器(H1)的另一桥臂中点和发射线圈(LP1)的另一端，所述切换开关(S1)的控制端与控制器(K1)连接。
进一步的，所述的发射线圈(LP1)和接收线圈(LS1)之间的互感值M1由式(1)确定：
所述的发射线圈(LP1)的电感值由式(2)确定：
所述的发射端补偿电容(CP1)的电容值由式(3)确定：
所述的第一附加电感(L11)的电容值由式(4)确定：
所述的第二附加电感(L21)的电容值由式(5)确定：
所述的接收端补偿电容(CS1)的电容值由式(6)确定：
式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)和(6)中，为直流电源(E1)的输出电压值，ω1为系统工作角频率，IB1为设定充电电流，UB1为设定充电电压，为接收线圈(LS1)的电感值。
一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统，包括发送部分和接收部分，所述发送部分包括依次连接的直流电源(E2)、高频逆变器(H2)、发射端补偿电容(CP2)、发射线圈(LP2)，所述接收部分包括依次连接的接收线圈(LS2)、接收端开关切换部分(II)、整流滤波电路(R2)和电池负载(II)，所述接收端开关切换部分(II)包括接收端补偿电容(CS2)、第一附加电感(L12)、第二附加电感(L22)和切换开关(S2)，具体连接关系如下：
所述接收线圈(LS2)的一端同时连接接收端补偿电容(CS2)的一端和第一附加电感(L11)的一端，所述接收端补偿电容(CS2)的另一端同时连接第二附加电感(L22)的一端和整流滤波电路(R2)的一桥臂中点，所述第一附加电感(L12)的另一端连接至切换开关(S2)的第一接口，所述第二附加电感(L22)的另一端连接切换开关(S2)的第二接口，所述切换开关(S2)的第三端口同时连接整流滤波电路(R2)的另一桥臂中点和接收线圈(LS2)的另一端，所述切换开关(S2)的控制端与控制器(K2)连接。
进一步的，所述的发射线圈(LP2)和接收线圈(LS2)之间的互感值M2由式(7)确定；
所述的接收线圈(LS2)的电感值由式(8)确定：
所述的发射端补偿电容(CP2)的电容值由式(9)确定：
所述的第一附加电感(L12)的电容值由式(10)确定：
所述的第二附加电感(L22)的电容值由式(11)确定：
所述的接收端补偿电容(CS2)的电容值由式(12)确定：
式(7)、(8)、(9)、(10)、(11)和(12)中，为直流电源(E2)的输出电压值，ω2为系统工作角频率，IB2为设定充电电流，UB2为设定充电电压，为发射线圈(LP2)的电感值。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
一、本发明提出的一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统，通过开关切换来接入或断开特定参数的附加电感，以实现系统在具有恒流和恒压两种功能的不同拓扑之间的切换。即能在同一个工作频率下，输出不受负载影响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。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。
二、本发明只需在电路发射端或接收端加入两个附加电感和一个开关，其电路结构简单，元件数量少，成本低。只需简单的控制开关的切换，没有复杂的控制策略，无需调节逆变器直流输入电压、发射端移向控制或接收端加入调压电路；其控制简单、方便，可靠。
三、本发明的电路在恒压和恒流两种工作模式下的等效输入阻抗都为纯阻性，即高频逆变器的开关器件在恒压和恒流两种模式下都能工作在零相位开关模式。这能有效地减小系统中的无功功率损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明方案一的电路结构示意图；
图2是本发明方案二的电路结构示意图；
图3是本发明方案一在恒流输出工作模式下的等效示意图；
图4是本发明方案二在恒压输出工作模式下的等效示意图；
图5是本发明方案一在恒流输出工作模式下的等效电路图；
图6是本发明方案二在恒压输出工作模式下的等效电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明的第一种技术方案为：
一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统，包括发送部分和接收部分，所述发送部分包括依次连接的直流电源(E1)、高频逆变器(H1)、发射端开关切换部分(I)和发射线圈(LP1)，所述接收部分包括依次连接的接收线圈(LS1)、接收端补偿电容(CS1)、整流滤波电路(R1)和电池负载(I)，所述发射端开关切换部分(I)包括发射端补偿电容(CP1)、第一附加电感(L11)、第二附加电感(L21)和切换开关(S1)，具体连接关系如下：
所述高频逆变器(H1)一桥臂中点同时连接发射端补偿电容(CP1)的一端和第一附加电感(L11)一端，所述发射端补偿电容(CP1)的另一端同时连接第二附加电感(L21)的一端和发射线圈(LP1)的一端，所述第一附加电感(L11)的另一端连接至切换开关(S1)的第一接口，所述第二附加电感(L21)的另一端连接切换开关(S1)的第二接口，所述切换开关(S1)的第三端口同时连接高频逆变器(H1)的另一桥臂中点和发射线圈(LP1)的另一端，所述切换开关(S1)的控制端与控制器(K1)连接。
所述的发射线圈(LP1)和接收线圈(LS1)之间的互感值M1由式(13)确定；
所述的发射线圈(LP1)的电感值由式(14)确定：
所述的发射端补偿电容(CP1)的电容值由式(15)确定：
所述的第一附加电感(L11)的电容值由式(16)确定：
所述的第二附加电感(L21)的电容值由式(17)确定：
所述的接收端补偿电容(CS1)的电容值由式(18)确定：
式(13)、(14)、(15)、(16)、(17)和(18)中，为直流电源(E1)的输出电压值，ω1为系统工作角频率，IB1为设定充电电流，UB1为设定充电电压，为接收线圈(LS1)的电感值。
使用方法是：控制器(K1)控制切换开关(S1)断开，系统即工作于恒流模式，对电池负载(I)输出恒定电流，即向电池负载(I)提供设定的恒定充电电流IB1；适合电池充电初期采用；
控制器(K1)控制切换开关(S1)闭合，系统工作于恒压模式，对电池负载(I)输出恒定电压，即向电池负载(I)提供设定的恒定充电电压UB1；适合电池充电后期、电池电压达到充电设定电压时采用。
本发明的第二种技术方案为：
一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统，包括发送部分和接收部分，所述发送部分包括依次连接的直流电源(E2)、高频逆变器(H2)、发射端补偿电容(CP2)、发射线圈(LP2)，所述接收部分包括依次连接的接收线圈(LS2)、接收端开关切换部分(II)、整流滤波电路(R2)和电池负载(II)，所述接收端开关切换部分(II)包括接收端补偿电容(CS2)、第一附加电感(L12)、第二附加电感(L22)和切换开关(S2)，具体连接关系如下：
所述接收线圈(LS2)的一端同时连接接收端补偿电容(CS2)的一端和第一附加电感(L11)的一端，所述接收端补偿电容(CS2)的另一端同时连接第二附加电感(L22)的一端和整流滤波电路(R2)的一桥臂中点，所述第一附加电感(L12)的另一端连接至切换开关(S2)的第一接口，所述第二附加电感(L22)的另一端连接切换开关(S2)的第二接口，所述切换开关(S2)的第三端口同时连接整流滤波电路(R2)的另一桥臂中点和接收线圈(LS2)的另一端，所述切换开关(S2)的控制端与控制器(K2)连接。
所述的发射线圈(LP1)和接收线圈(LS1)之间的互感值M1由式(19)确定；
所述的发射线圈(LP1)的电感值由式(20)确定：
所述的发射端补偿电容(CP1)的电容值由式(21)确定：
所述的第一附加电感(L11)的电容值由式(22)确定：
所述的第二附加电感(L21)的电容值由式(23)确定：
所述的接收端补偿电容(CS1)的电容值由式(24)确定：
式(19)、(20)、(21)、(22)、(23)和(24)中，为直流电源(E1)的输出电压值，ω1为系统工作角频率，IB1为设定充电电流，UB1为设定充电电压，为接收线圈(LS1)的电感值。
使用方法是：
控制器(K2)控制切换开关(S2)断开，系统即工作于恒流模式，对电池负载(II)输出恒定电流，即向电池负载(II)提供设定的恒定充电电流IB2；适合电池充电初期采用。
控制器(K2)控制切换开关(S2)闭合，系统工作于恒压模式，对电池负载(II)输出恒定电压，即向电池提供设定的恒定充电电压UB2；适合电池充电后期、电池电压达到充电设定电压时采用。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
针对本发明中采用的第一种方案进行理论分析。
如图1所示电路，令CP1满足CS1满足即：
当切换开关(S1)断开时，系统的等效电路如图3所示。通过元件阻抗串并联的原理对系统输入端(高频逆变器输出侧)的等效阻抗进行推导，并结合式(26)进行简化，求出系统等效阻抗为：
其中，RB1为电池负载(I)的等效电阻值。式(26)表明，此时高频逆变器(H1)的开关元件工作在零相位开关状态，其中没有无功损耗。
根据阻抗并联分流的原理，进一步推导出系统的交流输出电流Io1为：
此时系统输出与负载RB1无关的电流。
当切换开关(S1)闭合时，第一附加电感(L11)和第二附加电感(L21)将与发射端补偿电容(CP1)组成三角形连接的电路；按照阻抗星三角变换原理，可将其等效为一个星型连接的等效电路，如图4所示，同时产生三个等效元件，包括第一等效电容(CPA)、第二等效电容(CPB)和等效电感(LA)。其值分别为：
将系统元件按照各环谐振的要求，列写出方程组：
求解方程组(29)可以得到满足要求的附加电感值为：
通过元件阻抗串并联的原理对系统输入端(高频逆变器输出侧)的等效阻抗进行推导，并结合式(25)和式(30)进行简化，求出系统等效阻抗为：
式(31)表明，恒压工作模式下，系统输入阻抗依然为纯阻性，此时高频逆变器(H1)的开关元件工作在零相位开关状态，其中没有无功损耗。
根据阻抗并联分流的原理，进一步推导出恒压模式下系统的交流输出电流Iol(V)，从而进一步推出系统的交流输出电压为：
此时系统输出与负载RB1无关的电压。
实施例2
针对本发明中采用的第二种方案进行理论分析。
如图2所示电路，令CP2满足CS1满足即：
当切换开关(S1)断开时，系统的等效电路如图4所示。通过元件阻抗串并联的原理对系统输入端(高频逆变器输出侧)的等效阻抗进行推导，并结合式(33)进行简化，求出系统等效阻抗为：
其中，RB2为电池负载(II)的等效电阻值。式(34)表明，此时高频逆变器(H2)的开关元件工作在零相位开关状态，其中没有无功损耗。
根据阻抗并联分流的原理，进一步推导出系统的交流输出电流Io2为：
此时系统输出与负载RB2无关的电流。
当切换开关(S2)闭合时，第一附加电感(L12)和第二附加电感(L22)将与接收端补偿电容(CS2)组成三角形连接的电路；按照阻抗星三角变换原理，可将其等效为一个星型连接的等效电路，如图6所示，同时产生三个等效元件，包括第一等效电容(CSA)、第二等效电容(CSB)和等效电感(LB)。其值分别为：
将系统元件按照各环谐振的要求，列写出方程组：
求解方程组(37)可以得到满足要求的附加电感值为：
通过元件阻抗串并联的原理对系统输入端(高频逆变器输出侧)的等效阻抗进行推导，并结合式(33)和式(38)进行简化，求出系统等效阻抗为：
式(39)表明，恒压工作模式下，系统输入阻抗依然为纯阻性，此时高频逆变器的开关元件工作在零相位开关状态，其中没有无功损耗。
根据阻抗并联分流的原理，进一步推导出恒压模式下系统的交流输出电流Io2(V)，从而进一步推出系统的交流输出电压为：
此时系统输出与负载RB2无关的电压。
综上，在两种方案中，当控制器控制开关断开时，系统工作在恒流充电模式，适用于在充电前期使用；当控制器控制开关闭合时，系统工作在恒压充电模式，适用于在充电后期使用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统，包括发送部分和接收部分，所述发送部分包括依次连接的直流电源(E1)、高频逆变器(H1)、发射端开关切换部分(I)和发射线圈(LP1)，所述接收部分包括依次连接的接收线圈(LS1)、接收端补偿电容(CS1)、整流滤波电路(R1)和电池负载(I)，其特征在于，所述发射端开关切换部分(I)包括发射端补偿电容(CP1)、第一附加电感(L11)、第二附加电感(L21)和切换开关(S1)，具体连接关系如下：
所述高频逆变器(H1)一桥臂中点同时连接发射端补偿电容(CP1)的一端和第一附加电感(L11)一端，所述发射端补偿电容(CP1)的另一端同时连接第二附加电感(L21)的一端和发射线圈(LP1)的一端，所述第一附加电感(L11)的另一端连接至切换开关(S1)的第一接口，所述第二附加电感(L21)的另一端连接切换开关(S1)的第二接口，所述切换开关(S1)的第三端口同时连接高频逆变器(H1)的另一桥臂中点和发射线圈(LP1)的另一端，所述切换开关(S1)的控制端与控制器(K1)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统，其特征在于，
所述的发射线圈(LP1)和接收线圈(LS1)之间的互感值M1由式(1)确定；
所述的发射线圈(LP1)的电感值由式(2)确定：
所述的发射端补偿电容(CP1)的电容值由式(3)确定：
所述的第一附加电感(L11)的电容值由式(4)确定：
所述的第二附加电感(L21)的电容值由式(5)确定：
所述的接收端补偿电容(CS1)的电容值由式(6)确定：
式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)和(6)中，为直流电源(E1)的输出电压值，ω1为系统工作角频率，IB1为设定充电电流，UB1为设定充电电压，为接收线圈(LS1)的电感值。
3.一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统，包括发送部分和接收部分，所述发送部分包括依次连接的直流电源(E2)、高频逆变器(H2)、发射端补偿电容(CP2)、发射线圈(LP2)，所述接收部分包括依次连接的接收线圈(LS2)、接收端开关切换部分(II)、整流滤波电路(R2)和电池负载(II)，其特征在于，所述接收端开关切换部分(II)包括接收端补偿电容(CS2)、第一附加电感(L12)、第二附加电感(L22)和切换开关(S2)，具体连接关系如下：
所述接收线圈(LS2)的一端同时连接接收端补偿电容(CS2)的一端和第一附加电感(L11)的一端，所述接收端补偿电容(CS2)的另一端同时连接第二附加电感(L22)的一端和整流滤波电路(R2)的一桥臂中点，所述第一附加电感(L12)的另一端连接至切换开关(S2)的第一接口，所述第二附加电感(L22)的另一端连接切换开关(S2)的第二接口，所述切换开关(S2)的第三端口同时连接整流滤波电路(R2)的另一桥臂中点和接收线圈(LS2)的另一端，所述切换开关(S2)的控制端与控制器(K2)连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统，其特征在于，
所述的发射线圈(LP2)和接收线圈(LS2)之间的互感值M2由式(7)确定；
所述的接收线圈(LS2)的电感值由式(8)确定：
所述的发射端补偿电容(CP2)的电容值由式(9)确定：
所述的第一附加电感(L12)的电容值由式(10)确定：
所述的第二附加电感(L22)的电容值由式(11)确定：
所述的接收端补偿电容(CS2)的电容值由式(12)确定：
式(7)、(8)、(9)、(10)、(11)和(12)中，为直流电源(E2)的输出电压值，ω2为系统工作角频率，IB2为设定充电电流，UB2为设定充电电压，为发射线圈(LP2)的电感值。
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|---|---|---|---|---|
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| CN106451800A (zh) * | 2016-05-13 | 2017-02-22 | 西南交通大学 | 既能输出恒流也能输出恒压的感应式无线电能传输系统 |
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2019
- 2019-03-25 CN CN201910231804.5A patent/CN109980757B/zh active Active
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