CN110429716B - 一种变参数和变频率恒流恒压感应式无线电能传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变参数和变频率恒流恒压感应式无线电能传输系统，系统由发送部分、接收部分和不同初级补偿电容切换部分组成，不同初级补偿电容切换部分组成是：依次连接的初级补偿电容和切换开关，且切换开关的控制端与控制器相连，该系统能输出与负载无关的不同恒定电流和电压，可以实现对不同规格电池的充电，系统工作稳定。其电路结构简单，成本低，工作时只需控制频率的切换，没有复杂的控制策略，其方法简单、方便，可靠。

Description

一种变参数和变频率恒流恒压感应式无线电能传输系统
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种变参数和变频率恒流恒压感应式无线电能传输系统。
背景技术
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、开关切换方式，如在原边电路或副边电路加入交流开关和额外的电感或电容，通过切换交流开关实现恒流和恒压输出，但是该方法只能实现一种规格的电池充电；
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。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种变参数和变频率恒流恒压感应式无线电能传输系统。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种变参数和变频率恒流恒压感应式无线电能传输系统，由发送部分、接收部分和不同初级补偿电容切换部分组成，发送部分包括依次连接的直流电源、高频逆变电路、初级补偿电容、初级线圈；接收部分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；不同初级补偿电容切换部分包括依次连接的初级补偿电容和切换开关，且切换开关的控制端与控制器相连；其特征在于：
进一步地，所述的初级补偿电容(CPn)的电容值
Figure BDA0002154354100000021
由式(1)确定：
Figure BDA0002154354100000022
所述的次级补偿电容(CS)的电容值
Figure BDA0002154354100000023
由式(2)确定：
Figure BDA0002154354100000024
其中，π为圆周率，
Figure BDA0002154354100000025
为直流电源的输出电压值，VB为设定的恒定充电电压，IB为设定的恒定充电电流，
Figure BDA0002154354100000026
分别为初级线圈和次级线圈的电感值，M为初级线圈和次级线圈之间的互感值。
所述的恒流工作频率(fCC)由式(3)确定：
Figure BDA0002154354100000031
所述的恒压工作频率(fCV)由式(4)确定：
Figure BDA0002154354100000032
本发明的技术方案的使用方法是：
当系统的工作频率为fCC时，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。
当系统的工作频率为fCV时，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。
充电初期系统工作频率为fCC，向电池提供设定的恒定充电电流IB；此时，电池电压逐渐增加，当电池电压达到设定的恒定充电电压VB，将工作频率切换为fCV，向电池提供设定的恒定充电电压VB。
本发明方案中系统输出恒定电流和电压的理论分析如下：
考虑如图2所示等效电路，恒流充电时，系统工作频率为fCC，令CP满足
Figure BDA0002154354100000033
即：
Figure BDA0002154354100000034
运用网孔电流法列写方程组：
Figure BDA0002154354100000035
求解方程组(10)可以得到此时系统输出电流
Figure BDA0002154354100000041
为：
Figure BDA0002154354100000042
此时系统输出与负载R无关的电流。
恒压充电时，系统工作频率为fCV，运用网孔电流法列写方程组：
Figure BDA0002154354100000043
其中
Figure BDA0002154354100000044
XM＝ωCVM，求解方程组(12)可以得到此时系统输出电流
Figure BDA0002154354100000045
为：
Figure BDA0002154354100000046
由式(13)可以得到此时系统输出电压
Figure BDA0002154354100000047
为：
Figure BDA0002154354100000048
此时，当XP、XS与XM满足如下关系：
Figure BDA0002154354100000049
系统输出电压
Figure BDA00021543541000000410
为：
Figure BDA00021543541000000411
此时系统输出与负载R无关的电压。
将图2中的电压源由直流电源及高频逆变器代替，高频逆变器输入电压
Figure BDA00021543541000000412
与输出电压Vi之间的关系为：
Figure BDA0002154354100000051
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：
Figure BDA0002154354100000052
整流桥的输入电流Io与输出电流IB之间的关系为：
Figure BDA0002154354100000053
由式(11)、(17)、(19)可知恒流时系统的工作频率fCC需满足条件：
Figure BDA0002154354100000054
由式(9)、(20)可知初级补偿电容(CP)的电容值
Figure BDA0002154354100000055
需满足条件：
Figure BDA0002154354100000056
由式(16)、(17)、(18)、(21)可知恒压时系统的工作频率fCV需满足条件：
Figure BDA0002154354100000057
由式(15)、(20)、(21)、(22)可知次级补偿电容(CS)的电容值
Figure BDA0002154354100000058
需满足条件：
Figure BDA0002154354100000059
综上所述，为了实现输出不同恒定电流和电压，可以根据需要的恒定电流和电压配置初级补偿电容参数、次级补偿电容参数、恒流工作频率以及恒压工作频率。其中初级补偿电容参数的改变可以通过选择对应原边切换开关实现；同时，不同规格的充电设备上有着对应的次级补偿电容，充电过程中只需切换系统工作频率即可。
本发明具有如下有益效果：
一、本发明提出的一种实现不同恒流恒压充电的感应式无线电能传输系统，在原边电路加入切换开关和初级补偿电容组成不同初级补偿电容切换部分，在对充电电流、充电电压需求不同的设备充电时，只需选择对应初级补偿电容和系统工作频率，便能输出与负载无关的恒定电流与恒定电压，从而实现对不同规格的电池充电，满足电池初期恒流充电、后期恒压充电的要求。其电路结构简单，成本低，没有复杂的控制策略；其控制简单、方便，可靠。
二、本发明的电路拓扑在系统恒流或恒压输出时，其输出电压或输出电流可以通过选择初级补偿电容、改变系统工作频率实现，故而在对充电电流、充电电压需求不同的设备充电时，可使用同一规格的充电桩，提高了充电桩的使用率。
附图说明
图1是本发明的电路结构示意图；
图2是本发明的等效电路图。
图例说明：
E为直流电源，H为高频逆变器，CPn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，Sn为切换开关n，Kn为控制器n，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
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
参照图1-2，本发明的具体实施方式是，一种变参数和变频率恒流恒压感应式无线电能传输系统，由发送部分、接收部分和不同初级补偿电容切换部分组成，发送部分包括依次连接的直流电源E、高频逆变电路H、初级补偿电容CPn、初级线圈LP；接收部分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R；不同初级补偿电容切换部分包括依次连接的初级补偿电容CPn和切换开关Sn，且切换开关Sn的控制端与控制器Kn相连组成；其特征在于：
所述的初级补偿电容CPn的电容值
Figure BDA0002154354100000071
由式(1)确定：
Figure BDA0002154354100000072
所述的次级补偿电容CS的电容值
Figure BDA0002154354100000073
由式(2)确定：
Figure BDA0002154354100000074
其中，π为圆周率，
Figure BDA0002154354100000075
为直流电源E的输出电压值，VB为设定的恒定充电电压，IB为设定的恒定充电电流，
Figure BDA0002154354100000076
为初级线圈LP和次级线圈LS的电感值，M为初级线圈LP和次级线圈LS的互感值。
所述的恒流工作频率(fCC)由式(3)确定：
Figure BDA0002154354100000077
所述的恒压工作频率(fCV)由式(4)确定：
Figure BDA0002154354100000081
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种变参数和变频率恒流恒压感应式无线电能传输系统，由发送部分、接收部分和不同初级补偿电容切换部分组成，发送部分包括依次连接的直流电源(E)、高频逆变电路(H)、初级补偿电容(CPn)、初级线圈(LP)；接收部分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(R)；不同初级补偿电容切换部分包括依次连接的初级补偿电容(CPn)和切换开关(Sn)，且切换开关(Sn)的控制端与控制器(Kn)相连；
所述的初级补偿电容(CPn)的电容值
Figure FDA0002696385300000011
由式(1)确定：
Figure FDA0002696385300000012
所述的次级补偿电容(CS)的电容值
Figure FDA0002696385300000013
由式(2)确定：
Figure FDA0002696385300000014
其中，π为圆周率，
Figure FDA0002696385300000015
为直流电源(E)的输出电压值，VB为设定的恒定充电电压，IB为设定的恒定充电电流，
Figure FDA0002696385300000016
分别为初级线圈(LP)和次级线圈(LS)的电感值，M为初级线圈(LP)和次级线圈(LS)之间的互感值；
所述的恒流工作频率(fCC)由式(3)确定：
Figure FDA0002696385300000017
所述的恒压工作频率(fCV)由式(4)确定：
Figure FDA0002696385300000018
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