CN110429691B - 一种基于半桥切换的恒流-恒压充电无线电能传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于半桥切换的恒流‑恒压充电无线电能传输系统，系统包括直流电压源(E)、高频逆变模块(H)、原边补偿电感(L1)、原边补偿电容(C1)、原边线圈补偿电容(CP)、原边发射线圈(LP)、副边接收线圈(LS)、副边线圈补偿电容(CS)组成、整流模块(D)、滤波电容(CR)和电池负载(R)。本发明本发明提出的基于半桥切换的恒流‑恒压充电无线电能传输系统，仅需通过切换高频逆变模块中开关管的导通方式，即可实现电池的恒流‑恒压充电，无需复杂且持续的闭环调节控制，即系统不会出现深度调节带来的系统稳定性能下降的问题。

Description

一种基于半桥切换的恒流-恒压充电无线电能传输系统
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，具体为一种基于半桥切换的恒流-恒压充电无线电能传输系统。
背景技术
无线电能传输技术，是一种利用松耦合变压器实现电能的无线传输，具有绿色环保、灵活稳定等优点。其中，采用感应式无线电能传输技术对电池进行充电时，能够避免人为的插拔式充电存在的接触火花、漏电等问题。此外，无需人工操作的充电方式，也更加有利于人工智能化的发展。
为了保证电池的安全和使用寿命，对电池进行无线充电时通常采用恒流-恒压充电，即整个充电过程包括两个阶段：恒流充电阶段和恒压充电阶段。电池需要充电时，首先采用恒定的电池额定电流对电池进行充电，在这个过程中电池电压会迅速增加，直至电池电压达到额定电压结束，这个过程被称作恒流充电阶段；当恒流充电阶段结束后，将采用恒定的电池额定电压对电池进行充电，在这个过程中流过电池的电流会迅速下降，直至流过电池的电流达到充电截止电流结束，这个过程被称作恒压充电阶段；此时，电池的整个充电过程完成。
无线电能传输系统的主要构成及工作过程为：工频交流电经过工频整流成为直流电，直流电再由高频逆变为高频交流电，高频交流电在原边线圈中产生的高频交变磁场经过副边线圈感应出感应电动势，该感应电动势经过高频整流向电池(负载)提供电能。
为了实现电池的恒流-恒压无线充电，在现有的技术中，通常使用的方法分别为：1、通过闭环控制调节使系统输出电流或电压恒定。2、利用系统不同频率点来获得恒定的输出电流和电压。3、在系统中引入额外的交流开关和额外的补偿元件，通过对交流开关的切换实现恒流或恒压输出。然而第一种方式需要持续的控制，可能存在深度调节从而导致系统稳定性下降；第二种方式可能存在频率分叉现象，使得系统工作不稳定；第三种方式需要额外的补偿元件从而增加系统的成本以及安装空间。
为了解决现有技术所带来的问题，因此，本发明提出了基于半桥切换的恒流-恒压充电无线电能传输系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于半桥切换的恒流-恒压充电无线电能传输系统，解决了背景技术中所提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于半桥切换的恒流-恒压充电无线电能传输系统，系统包括直流电压源(E)、高频逆变模块(H)、原边补偿电感(L1)、原边补偿电容(C1)、原边线圈补偿电容(CP)、原边发射线圈(LP)、副边接收线圈(LS)、副边线圈补偿电容(CS)组成、整流模块(D)、滤波电容(CR)和电池负载(R)，所述高频逆变模块(H)由5个开关管(S1、S2、S3、S4、S5)、2个桥臂构成，其中，一个桥臂的上半桥臂由两个串联的开关管(S1、S2)构成，另外三个开关管(S3、S4、S5)一一对应分别组成剩下的3个半桥臂。
所述基于半桥切换的恒流-恒压充电无线电能传输系统的连接方式为：直流电压源(E)与高频逆变模块(H)输入端相连，高频逆变模块(H)中存在2个开关管(S1、S2)的桥臂输出侧与原边补偿电感(L1)首端相连，另一桥臂输出侧与原边补偿电容(C1)首端相连，原边补偿电感(L1)尾端与原边补偿电容(C1)尾端连接后依次串联原边线圈补偿电容(CP)和原边发射线圈(LP)；副边接收线圈(LS)串联副边线圈补偿电容(CS)后与整流模块(D)输入端相连，整流模块(D)输出端依次连接滤波电容(CR)和电池负载(R)。
作为本发明的一种优选实施方式，在充电起始阶段，即恒流充电阶段，系统高频逆变模块(H)中各个开关管的运行状态如下：
S1：关断状态；S2：关断状态；S3：半周期导通，且与S5导通时间互补；S4：关断状态；S5：半周期导通，且与S3导通时间互补。
当系统处于恒压充电阶段时，系统高频逆变模块(H)中各个开关管的运行状态如下：
S1：持续导通状态；S2：半周期导通，且与S4导通时间互补；S3：关断状态；S4：半周期导通，且与S2导通时间互补；S5：持续导通状态。
作为本发明的一种优选实施方式，原边发射线圈(LP)与副边接收线圈(LS)之间的互感M数值由式确定：
Figure BDA0002185184950000031
所述原边补偿电感(L1)的电感值
Figure BDA0002185184950000032
由式确定：
Figure BDA0002185184950000033
所述原边补偿电容(C1)的电容值
Figure BDA0002185184950000034
式确定：
Figure BDA0002185184950000035
所述原边补偿电容(CP)的电容值
Figure BDA0002185184950000036
式确定：
Figure BDA0002185184950000037
所述原边补偿电容(CS)的电容值
Figure BDA0002185184950000038
式确定：
Figure BDA0002185184950000039
上述式中，
Figure BDA00021851849500000310
为直流电压源(E)的输出电压，ω为系统工作角频率，IR、VR分别为电池充电的额定电流和额定电压，
Figure BDA00021851849500000311
分别为原边发射线圈(LP)和副边接收线圈(LS)的自感值。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明提出的基于半桥切换的恒流-恒压充电无线电能传输系统，仅需通过切换高频逆变模块中开关管的导通方式，即可实现电池的恒流-恒压充电，无需复杂且持续的闭环调节控制，即系统不会出现深度调节带来的系统稳定性能下降的问题。
2.本发明相比与现有的无线电能传输系统，仅需要在高频逆变模块中增加一个反向的开关管，通过改变高频逆变模块中开关管的导通方式完成电池的恒流-恒压充电，因此，系统在充电过程中频率始终固定，不会出现频率分叉所带来的稳定性问题。
3.本发明在电路拓扑方面无需增加额外的补偿元件，因此在实际安装过程中，能够减小系统成本和安装空间。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为基于半桥切换的恒流-恒压充电无线电能传输系统的系统电路图；
图2为本发明工作在恒流充电阶段系统等效电路图；
图3为本发明工作在恒压充电阶段系统等效电路图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种基于半桥切换的恒流-恒压充电无线电能传输系统，系统包括直流电压源(E)、高频逆变模块(H)、原边补偿电感(L1)、原边补偿电容(C1)、原边线圈补偿电容(CP)、原边发射线圈(LP)、副边接收线圈(LS)、副边线圈补偿电容(CS)组成、整流模块(D)、滤波电容(CR)和电池负载(R)，所述高频逆变模块(H)由5个开关管(S1、S2、S3、S4、S5)、2个桥臂构成，其中，一个桥臂的上半桥臂由两个串联的开关管(S1、S2)构成，另外三个开关管(S3、S4、S5)一一对应分别组成剩下的3个半桥臂。
所述基于半桥切换的恒流-恒压充电无线电能传输系统的连接方式为：直流电压源(E)与高频逆变模块(H)输入端相连，高频逆变模块(H)中存在2个开关管(S1、S2)的桥臂输出侧与原边补偿电感(L1)首端相连，另一桥臂输出侧与原边补偿电容(C1)首端相连，原边补偿电感(L1)尾端与原边补偿电容(C1)尾端连接后依次串联原边线圈补偿电容(CP)和原边发射线圈(LP)；副边接收线圈(LS)串联副边线圈补偿电容(CS)后与整流模块(D)输入端相连，整流模块(D)输出端依次连接滤波电容(CR)和电池负载(R)。
本实施例中请参阅图1-3，本发明提出的基于半桥切换的恒流-恒压充电无线电能传输系统，仅需通过切换高频逆变模块中开关管的导通方式，即可实现电池的恒流-恒压充电，无需复杂且持续的闭环调节控制，即系统不会出现深度调节带来的系统稳定性能下降的问题。
其中，在充电起始阶段，即恒流充电阶段，系统高频逆变模块(H)中各个开关管的运行状态如下：
S1：关断状态；S2：关断状态；S3：半周期导通，且与S5导通时间互补；S4：关断状态；S5：半周期导通，且与S3导通时间互补。
当系统处于恒压充电阶段时，系统高频逆变模块(H)中各个开关管的运行状态如下：
S1：持续导通状态；S2：半周期导通，且与S4导通时间互补；S3：关断状态；S4：半周期导通，且与S2导通时间互补；S5：持续导通状态。
本实施例中请参阅图1-3，本发明相比与现有的无线电能传输系统，仅需要在高频逆变模块中增加一个反向的开关管，通过改变高频逆变模块中开关管的导通方式完成电池的恒流-恒压充电，因此，系统在充电过程中频率始终固定，不会出现频率分叉所带来的稳定性问题。
其中，原边发射线圈(LP)与副边接收线圈(LS)之间的互感M数值由式确定：
Figure BDA0002185184950000061
所述原边补偿电感(L1)的电感值
Figure BDA0002185184950000062
由式确定：
Figure BDA0002185184950000063
所述原边补偿电容(C1)的电容值
Figure BDA0002185184950000064
式确定：
Figure BDA0002185184950000065
所述原边补偿电容(CP)的电容值
Figure BDA0002185184950000066
式确定：
Figure BDA0002185184950000067
所述原边补偿电容(CS)的电容值
Figure BDA0002185184950000068
式确定：
Figure BDA0002185184950000069
上述式中，
Figure BDA00021851849500000610
为直流电压源(E)的输出电压，ω为系统工作角频率，IR、VR分别为电池充电的额定电流和额定电压，
Figure BDA00021851849500000611
分别为原边发射线圈(LP)和副边接收线圈(LS)的自感值。
本实施例中请参阅图1-3，本发明在电路拓扑方面无需增加额外的补偿元件，因此在实际安装过程中，能够减小系统成本和安装空间。
在一种基于半桥切换的恒流-恒压充电无线电能传输系统使用的时候，设定系统中各参数数值直流电压源(E)的输出电压
Figure BDA00021851849500000612
系统工作角频率ω、M、
Figure BDA00021851849500000613
原边发射线圈(LP)自感值
Figure BDA00021851849500000614
副边接收线圈(LS)的自感值
Figure BDA00021851849500000615
电池充电的额定电流IR和额定电压VR数值均为已知量，并设流过电感L1的电流为I1，流过原边线圈电流为IP，交流输出电流为IS，电池等效负载为R。
系统如图1所示，设定各个谐振环路满足如下条件：
Figure BDA0002185184950000071
当系统工作在恒流充电阶段时，高频逆变模块(H)中各个开关管的运行状态如下：
S1：关断状态；S2：关断状态；S3：半周期导通，且与S5导通时间互补；S4：关断状态；S5：半周期导通，且与S3导通时间互补。其等效电路如图2所示，交流电压源Vi与图中所示的直流电压源E的关系如下：
Figure BDA0002185184950000072
交流输出侧电流IS与图中所示的直流输出侧电流Id的关系如下：
Figure BDA0002185184950000073
利用网孔电流法对图2所示的电路进行分析，并列写如下方程：
Figure BDA0002185184950000074
对上述公式求解可得到输出电流：
Figure BDA0002185184950000075
上述公式中、代入式可得：
Figure BDA0002185184950000076
从式中系统输出电流IR与负载R无关。
当系统工作在恒压充电阶段时，高频逆变模块(H)中各个开关管的运行状态如下：
S1：持续导通状态；S2：半周期导通，且与S4导通时间互补；S3：关断状态；S4：半周期导通，且与S2导通时间互补；S5：持续导通状态。
其等效电路如图3所示，交流电压源Vi与图中所示的直流电压源E的关系如下：
Figure BDA0002185184950000081
交流输出电压Vo与图中所示的电池电压VR关系为的关系如下：
Figure BDA0002185184950000082
利用网孔电流法对图2所示的电路进行分析，并列写如下方程：
Figure BDA0002185184950000083
对上述公式求解可得到输出电流：
Figure BDA0002185184950000084
上述公式中、代入式可得：
Figure BDA0002185184950000085
上述公式中可知，系统输出电压VR与负载R无关。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.基于半桥切换的恒流-恒压充电无线电能传输系统，其特征在于：系统包括直流电压源(E)、高频逆变模块(H)、原边补偿电感(L1)、原边补偿电容(C1)、原边线圈补偿电容(CP)、原边发射线圈(LP)、副边接收线圈(LS)、副边线圈补偿电容(CS)、整流模块(D)、滤波电容(CR)、电池负载(R)；
所述高频逆变模块(H)由5个开关管(S1、S2、S3、S4、S5)、2个桥臂构成，其中，一个桥臂的上半桥臂由两个串联的开关管(S1、S2)构成，另外三个开关管(S3、S4、S5)一一对应分别组成剩下的3个半桥臂；
所述基于半桥切换的恒流-恒压充电无线电能传输系统的连接方式为：直流电压源(E)与高频逆变模块(H)输入端相连，高频逆变模块(H)中存在2个开关管(S1、S2)的桥臂输出侧与原边补偿电感(L1)首端相连，另一桥臂输出侧与原边补偿电容(C1)首端相连，原边补偿电感(L1)尾端与原边补偿电容(C1)尾端连接后依次串联原边线圈补偿电容(CP)和原边发射线圈(LP)；
副边接收线圈(LS)串联副边线圈补偿电容(CS)后与整流模块(D)输入端相连，整流模块(D)输出端依次连接滤波电容(CR)、电池负载(R)；
在充电起始阶段，即恒流充电阶段，系统高频逆变模块(H)中各个开关管的运行状态如下：
S1：关断状态；S2：关断状态；S3：半周期导通，且与S5导通时间互补；S4：关断状态；S5：半周期导通，且与S3导通时间互补；
当系统处于恒压充电阶段时，系统高频逆变模块(H)中各个开关管的运行状态如下：
S1：持续导通状态；S2：半周期导通，且与S4导通时间互补；S3：关断状态；S4：半周期导通，且与S2导通时间互补；S5：持续导通状态。
2.根据权利要求1所述的基于半桥切换的恒流-恒压充电无线电能传输系统，其特征在于：原边发射线圈(LP)与副边接收线圈(LS)之间的互感M数值由式(1)确定：
Figure FDA0002704842990000011
所述原边补偿电感(L1)的电感值
Figure FDA0002704842990000012
由式(2)确定：
Figure FDA0002704842990000013
所述原边补偿电容(C1)的电容值
Figure FDA0002704842990000014
式(3)确定：
Figure FDA0002704842990000015
所述原边补偿电容(CP)的电容值
Figure FDA0002704842990000021
式(4)确定：
Figure FDA0002704842990000022
所述原边补偿电容(CS)的电容值
Figure FDA0002704842990000023
式(5)确定：
Figure FDA0002704842990000024
上述式中，
Figure FDA0002704842990000025
为直流电压源(E)的输出电压，ω为系统工作角频率，IR、VR分别为电池充电的额定电流和额定电压，
Figure FDA0002704842990000026
分别为原边发射线圈(LP)和副边接收线圈(LS)的自感值。
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