CN110474407B - 一种双频控制三线圈感应式无线充电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双频控制三线圈感应式无线充电系统及方法。系统包括：发送单元和接收单元。方法包括：启动充电后，系统以固定的恒流角频率点ω_CC运行，对电池负载进行恒流充电，当负载电压上升至预设的恒压点时，系统改变工作频率为恒压角频率ω_CV运行，对电池负载进行恒压充电。当电池充满时，自动断开逆变器供电输出，停止充电。本发明能通过三线圈结构本身固有属性输出不受负载限制的恒定电流和恒定电压，无需复杂的控制策略。恒流和恒压充电分别工作在各自固定的频率点。其结构简单、控制方便、性能稳定、无功损耗小、对逆变器的容量要求相对较低、装置制造成本低。

Description

一种双频控制三线圈感应式无线充电系统及方法

技术领域

本发明涉及一种双频控制三线圈感应式无线充电系统及方法，属于无线充电技术领域。

背景技术

感应式无线电能传输是一种能够安全、高效、方便地通过无导线连接的磁耦合方式将电能输送到负载中的技术，近几十年来一直受到科学界和学术界的广泛关注。这一新兴而有前景的技术正在迅速发展，并已广泛应用于许多商业领域，如火车电源、电动汽车、水下系统、消费类电子产品、生物医疗设备和其他工业领域。一般情况，普通负载通常只需要恒流或者恒压供电模式。然而，电池作为一种特殊的负载通常需要同时包含恒流和恒压两阶段充电，以延长电池的使用寿命和充放电次数。通常情况下，在电池充电初期采用恒流充电模式，电池充电电压迅速上升；当电池充电电压上升至预设充电电压时，采用恒压充电模式，此过程电池充电电流逐渐降低至截至充电电流，电池充满，完成充电。目前，涉及电池充电的大多数无线充电系统中，通常采用两种技术方案：一种方案是采用复杂的控制技术，这不仅增加了控制的复杂性，并且增加了系统损耗以及应用成本。另一种方案是采用切换拓扑结构，利用电路内部特性实现系统恒流和恒压输出，该方案需要更多的无功元件和由反串联MOSFET构成的交流开关以及相应的驱动电路，成本增加。

发明内容

本发明提供一种双频控制三线圈感应式无线充电系统，该系统在两个固定的频率点分别可实现满足电池负载充电需求的恒流和恒压输出特性。该方案不需要复杂的控制技术，避免了更多的无功元件和额外的交流开关以及相应的驱动电路，结构简单，成本低。

本发明实现过程：

一种双频控制三线圈感应式无线充电系统，其特征在于，它包括发送单元和接收单元；

发送单元由直流电源U_D，可变频高频逆变器H，源线圈闭合回路和中继线圈闭合回路构成；可变频高频逆变器H的输入端连接直流电源U_D，其输出端串联源线圈串联补偿电容C_P后接入源线圈L_P形成源线圈闭合回路；中继线圈L_T与源线圈L_P的位置同轴对称且处于同一平面，其与中继线圈串联补偿电容C_T串联形成闭合回路；

接收单元由接收线圈闭合回路、整流器D、滤波电容C和电池负载B构成；整流器D的输入端与接收线圈L_S连接，其中间串联接收线圈串联补偿电容C_S，整流器D的输出端经滤波电路C连接电池负载B；

其中，源线圈串联补偿电容C_P、继线圈串联补偿电容C_T以及接收线圈串联补偿电容C_S的的取值包括以下两种方式，其中，

方式一、

所述源线圈串联补偿电容C_P由式(1)确定：

其中，ωCV为恒压模式下的谐振角频率；

所述中继线圈串联补偿电容C_T由式(2)确定：

所述接收线圈串联补偿电容C_S由式(3)确定：

其中，M_PT为源线圈与中继线圈的互感值，M_PS为源线圈和接收线圈的互感值，M_TS为中继线圈和接收线圈的互感值；

方式二、

所述源线圈串联补偿电容C_P由式(4)确定：

所述中继线圈串联补偿电容C_T由式(5)确定：

所述接收线圈串联补偿电容C_S由式(6)确定：

系统工作在恒流充电模式时，谐振频率为ω_CC，系统输出电流值由(7)式计算：

其中，X_PS，X_P，X_S由(8)式确定：

其中，ω_CC为恒流模式下的谐振角频率，在此谐振角频率下，系统可通过三线圈内部固有特性实现对电池负载恒流充电，无需控制；

系统工作在恒压充电模式时，谐振频率为ω_CV，系统输出电压值由(9)式计算：

在ω_CV谐振角频率下，系统可通过三线圈内部固有特性实现对电池负载恒压充电，无需控制。

在上述的一种双频控制三线圈感应式无线充电系统，当电池负载充电过程为由恒流充电模式转换为恒压充电模式时：可变频逆变器调节恒流操作频率ω_CC为恒压操作频率ω_CV，从而对电池负载进行恒压充电。

一种采用双频控制三线圈感应式无线充电系统的充电方法，其特征在于，包括：

步骤1、启动充电后，系统以固定的恒流角频率点ω_CC运行，对电池负载进行恒流充电；

步骤2、当负载电压上升至预设的恒压点时，系统改变工作频率为恒压角频率ω_CV运行，对电池负载进行恒压充电；

步骤3、当电池充满时，自动断开逆变器供电输出，停止充电。

本发明具有下列技术特点和优越性：

1.本发明可在两个固定的频率点分别实现满足电池负载充电需求的恒流和恒压充电特性。其电路结构简单，成本低。工作时，只需恒流频率ω_CC和恒压频率ω_CV两个固定频率点的变换即可改变电池负载充电模式，无需复杂控制电路，操作简单、方便，可靠。

2.本发明的电路拓扑在系统恒流输出和恒压输出时，逆变器输出电压和电流基本同相位，可以让逆变器几乎不注入无功功率，故系统损耗较小，并且对逆变器的容量要求降低。

3.本发明能在两个固定的频率下分别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。系统工作在两个固定频率点下，不会出现频率分叉现象，保证系统稳定工作。

4.本发明适合于各种应用场景，包括高功率的电动汽车和低功率的电子产品等。此外，接收侧的无功元件仅有一个电容，简单、轻便，非常适合一些特殊的应用场景，例如：生物医疗、手机充电等。

附图说明

图1是本发明可实现恒流、恒压输出的三线圈结构系统电路图。

图2是本发明可实现恒流、恒压输出的三线圈结构系统简化的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

图1所示发明涉及的系统电路图，由图可见：

系统结构包括：直流电源、高频逆变器、源线圈闭合回路、中继线圈闭合回路、接收线圈闭合回路、整流器、滤波电容和电池负载。

所述源线圈闭合回路包括：源线圈及源线圈串联补偿电容；

所述中继线圈闭合回路包括：中继线圈及中继线圈串联补偿电容；

所述接收线圈闭合回路包括：接收线圈及接收线圈串联补偿电容。

工作原理：可变频高频逆变器将输入的直流电源逆变输出为高频交流电源，通过源线圈闭合回路和中继线圈闭合回路向接收线圈闭合回路无线感应耦合传输高频交流电能，经过整流器变换为直流给电池负载充电。首先，可变频高频逆变器操作角频率为ω_CC，在此频率下对电池负载进行恒流充电；当电池负载电压上升至预设的电压等级时，可变频高频逆变器改变操作频率为ω_CV，在此频率下对电池负载进行恒压充电。

所述源线圈自感参数为L_P，源线圈串联补偿电容参数为C_P，中继线圈自感参数为L_T，中继线圈串联补偿电容参数为C_T，接收线圈自感参数为L_S，接收线圈串联补偿电容参数为C_S。

本发明中系统输出恒流和恒压详细理论分析如下：

图2是本发明可实现恒流、恒压输出的三线圈结构系统简化的等效电路图。电路参数可以被简化由式(10)所示。

其中，X_P、X_T和X_S分别代表源线圈闭合回路、中继线圈闭合回路和接收线圈闭合回路的等效电抗。

根据基尔霍夫电压定律(KVL)列写方程组：

将式(10)代入式(11)可得解：

在恒压频率点，系统电压增益可由式(14)表示：

在恒压频率点，系统总输入阻抗可由式(15)表示：

可以看出，当A＝0时，系统电压增益E(ω_CV)与时变的负载电阻值无关，即：

由两种解决方案可以满足式(16)，第一种解决方案由式(17)表达：

将式(10)代入(17)得：

第二种解决方案由式(19)表达：

将式(10)代入(19)得：

第一种解决方案与第二种解决方案最终结论相同，这里只讨论第一种方案。根据式(14)和(17)，在恒压频率点处，系统电压增益可以简化为：

根据式(15)和(17)，在恒压频率点处，系统总输入阻抗可以简化为：

由式(21)和(22)可以看出，在恒压频率点，所提出的三线圈系统具备恒压输出特性，且能实现纯阻性输入阻抗。

在恒流频率点，系统电流增益可由式(23)表示：

在恒流频率点，系统总输入阻抗可由式(24)表示：

可以看出，当B＝0时，系统电流增益G(ω_CC)与时变的负载电阻值无关，即,

将式(25)代入(23)得：

结合式(24)和(25)，在恒流频率点，系统总输入阻抗可简化为：

可以看出，当式(28)满足时，系统在恒流频率点总输入阻抗为纯阻性。

结合式(25)、(26)、(27)和(28)，可以得出：

由式(29)和(30)可以看出，在恒流频率点，所提出的三线圈系统具备恒流输出特性，且能实现纯阻性输入阻抗。

实例1，所述源线圈串联补偿电容C_P由式(31)确定：

其中，ω_CV为恒压模式下的谐振角频率；

所述中继线圈串联补偿电容C_T由式(32)确定：

所述接收线圈串联补偿电容C_S由式(33)确定：

其中，M_PT为源线圈与中继线圈的互感值，M_PS为源线圈和接收线圈的互感值，M_TS为中继线圈和接收线圈的互感值。

实例2，所述源线圈串联补偿电容C_P由式(34)确定：

所述中继线圈串联补偿电容C_T由式(35)确定：

所述接收线圈串联补偿电容C_S由式(36)确定：

上述实例1和实例2中，输出电流/电压结果相同且如下所示：

系统工作在恒流充电模式时，谐振频率为ω_CC，系统输出电流值由(37)式计算：

其中，X_PS，X_P，X_S由(38)式确定：

其中，ω_CC为恒流模式下的谐振角频率，在此谐振角频率下，系统可通过三线圈内部固有特性实现对电池负载恒流充电，无需控制。

系统工作在恒压充电模式时，谐振频率为ω_CV，系统输出电压值由(39)式计算：

在ω_CV谐振角频率下，系统可通过三线圈内部固有特性实现对电池负载恒压充电，无需控制。

当电池负载充电过程为由恒流充电模式转换为恒压充电模式时：可变频逆变器调节恒流操作频率ω_CC为恒压操作频率ω_CV，从而对电池负载进行恒压充电。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (3)

1.一种双频控制三线圈感应式无线充电系统，其特征在于，它包括发送单元和接收单元；

发送单元由直流电源U_D，可变频高频逆变器H，源线圈闭合回路和中继线圈闭合回路构成；可变频高频逆变器H的输入端连接直流电源U_D，其输出端串联源线圈串联补偿电容C_P后接入源线圈L_P形成源线圈闭合回路；中继线圈L_T与源线圈L_P的位置同轴对称且处于同一平面，其与中继线圈串联补偿电容C_T串联形成闭合回路；

接收单元由接收线圈闭合回路、整流器D、滤波电容C和电池负载B构成；整流器D的输入端与接收线圈L_S连接，其中间串联接收线圈串联补偿电容C_S，整流器D的输出端经滤波电路C连接电池负载B；

其中，源线圈串联补偿电容C_P、继线圈串联补偿电容C_T以及接收线圈串联补偿电容C_S的取值包括以下两种方式，其中，

方式一、

所述源线圈串联补偿电容C_P由式(1)确定：

其中，ω_CV为恒压模式下的谐振角频率；

所述中继线圈串联补偿电容C_T由式(2)确定：

所述接收线圈串联补偿电容C_S由式(3)确定：

其中，M_PT为源线圈与中继线圈的互感值，M_PS为源线圈和接收线圈的互感值，M_TS为中继线圈和接收线圈的互感值；

方式二、

所述源线圈串联补偿电容C_P由式(4)确定：

所述中继线圈串联补偿电容C_T由式(5)确定：

所述接收线圈串联补偿电容C_S由式(6)确定：

系统工作在恒流充电模式时，谐振频率为ω_CC，系统输出电流值由(7)式计算：

其中，X_PS，X_P，X_S由(8)式确定：

其中，ω_CC为恒流模式下的谐振角频率，在此谐振角频率下，系统可通过三线圈内部固有特性实现对电池负载恒流充电，无需控制；

系统工作在恒压充电模式时，谐振频率为ω_CV，系统输出电压值由(9)式计算：

在ω_CV谐振角频率下，系统可通过三线圈内部固有特性实现对电池负载恒压充电，无需控制。

2.根据权利要求1所述的一种双频控制三线圈感应式无线充电系统，其特征在于，当电池负载充电过程为由恒流充电模式转换为恒压充电模式时：可变频逆变器调节恒流操作频率ω_CC为恒压操作频率ω_CV，从而对电池负载进行恒压充电。

3.一种采用权利要求1所述的双频控制三线圈感应式无线充电系统的充电方法，其特征在于，包括：

步骤1、启动充电后，系统以固定的恒流角频率点ω_CC运行，对电池负载进行恒流充电；

步骤2、当负载电压上升至预设的恒压点时，系统改变工作频率为恒压角频率ω_CV运行，对电池负载进行恒压充电；

步骤3、当电池充满时，自动断开逆变器供电输出，停止充电。

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