CN110492621B - 基于发射端ts/fs变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统 - Google Patents

基于发射端ts/fs变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，包括主电路部分和控制电路部分，所述主电路部分包括直流电源、高频逆变电路、发射端TS/FS变结构补偿网络、发射线圈、接收线圈、接收端串联补偿电路、整流电路、锂电池组，所述控制电路包括电流传感器、电压传感器、调理电路、A/D转换电路、FPGA控制器、电平转换电路、继电器驱动电路、开关管驱动电路。本发明针对于锂电池无线充电，实现了充电系统恒流充电和恒压充电两种充电模态的自适应切换，并且在充电过程中系统运行在零相角状态，有助于提高无线充电的效率，为锂电池复合式无线充电问题提供了一种解决方案。

Description

基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统
技术领域
本发明涉及锂电池无线充电领域，具体涉及一种基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统。
背景技术
锂电池凭借其独有的特性与优势广受电动汽车等新能源市场的青睐，然而现有锂电池的充电方法大多为接触式充电，其充电过程无法实现自动化和智能化，如能基于无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术实现锂电池的非接触充电，将会极大地提高锂电池充电的灵活性与安全性。在锂电池无线充电系统中，单一的恒流充电或者恒压充电方式会破坏电池的性能，大大降低电池的使用寿命，而恒流转恒压切换式充电更贴近锂电池理想充电曲线。现有的切换式无线充电控制方法通过检测电池的充电电压是否达到锂电池充电阈值电压来控制原边的开关管和切换开关，通信信号跨越发射端和接收端，容易受到线圈之间的高频磁场的影响，造成通信信号不稳定的情况。因此，针对锂电池恒流恒压充电的无线充电系统还需进一步研究与完善。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，包括主电路部分和控制电路部分，其特征在于：所述主电路部分包括直流电源、高频逆变电路、发射端TS/FS变结构补偿网络、发射线圈、接收线圈、接收端串联补偿电路、整流电路、锂电池组，其中，高频逆变电路的输入端连接直流电源，高频逆变电路的输出端连接TS/FS变结构补偿网络的输入端，发射端TS/FS变结构补偿网络的输出端连接发射线圈，接收线圈连接串联补偿输入端，串联补偿输出端连接整流电路输入端，整流电路输出端连接锂电池组，所述发射端TS/FS变结构补偿网络由补偿电感L1、补偿电感L2、补偿电容C1t、补偿电容C1s、补偿电容C2、补偿电容Cp、发射线圈、切换开关S1、切换开关S2构成，其中补偿电感L1一次侧连接高频逆变器左桥臂，补偿电感L1二次侧连接补偿电感L2一次侧，补偿电容C1t一次侧连接补偿电感L1二次侧，补偿电容C1t二次侧连接发射线圈Lp二次侧，切换开关S1一次侧连接补偿电感L1二次侧，切换开关S1二次侧连接补偿电容C1s一次侧，补偿电容C1s二次侧连接发射线圈Lp二次侧，补偿电感L2二次侧连接切换开关S2一次侧，切换开关S2二次侧连接补偿电容C2一次侧，补偿电容C2二次侧连接发射线圈Lp二次侧，补偿电容Cp一次侧连接补偿电感L2二次侧，补偿电容Cp二次侧连接发射线圈Lp一次侧，发射线圈Lp二次侧连接高频逆变器右桥臂高频逆变电路的输入端连接直流电源，所述控制电路包括电流传感器、电压传感器、调理电路、A/D转换电路、FPGA控制器、电平转换电路、继电器驱动电路、开关管驱动电路，其中，调理电路输入端分别连接电流传感器和电压传感器，调理电路输出端连接A/D转换电路，A/D转换电路连接FPGA控制器，FPGA控制器分别连接电平转换电路和开关管驱动电路，电平转换电路连接继电器驱动电路，开关管驱动电路连接高频逆变器的四个开关管。
上述基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统,所述发射端TS/FS变结构补偿网络，当开关S1断开，开关S2断开，发射端补偿网络为补偿电感L1、补偿电感L2、补偿电容C1t、补偿电容Cp构成的TS补偿网络，系统处于恒压充电模式。当开关S1闭合，开关S2闭合，发射端补偿网络为补偿电感L1、补偿电感L2、补偿电容C1t、补偿电容C1s、补偿电容C2、补偿电容Cp构成的FS补偿网络，系统处于恒流充电模式。
上述基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，所述补偿电容Cp和发射线圈Lp满足以下条件：
Figure GDA0004099651610000031
其中f为系统工作频率。
上述基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，所述补偿电感L1、补偿电感L2、补偿电容C1t、补偿电容C1s、补偿电容C2满足以下条件：
Figure GDA0004099651610000032
其中f为系统工作频率。
上述基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，所述控制电路中关于控制开关S1、S2切换准则，根据如下步骤推导该无线充电系统从恒流充电模态切换为恒压充电模态的判断条件：
步骤一，根据发射线圈和接受线圈的耦合关系以及整流桥输入电压和输出电压关系构建充电电压和发射线圈电流表达式：
Figure GDA0004099651610000041
其中，ip为发射线圈电流，UB为系统输出充电电压，M为发射线圈与接收线圈之间的互感，当线圈之间的间距固定时，互感可通过常规互感测量方法获取，f为系统工作频率；
步骤二，将锂电池阈值电压UBAT代入上述表达式求出系统充电模态转换对应的发射线圈基准电流：
Figure GDA0004099651610000042
其中，Ip为发射线圈基准电流，UBAT为锂电池阈值电压，可根据锂电池属性获取，M为发射线圈与接收线圈之间的互感，当线圈之间的间距固定时，互感可通过常规互感测量方法获取，f为系统工作频率。；
步骤三，将发射线圈电流ip和Ip相比较，得到无线充电系统从恒流充电模态切换为恒压充电模态的判断条件：
ip≥Ip；
其中，ip为发射线圈电流，Ip为发射线圈基准电流，当发射线圈电流ip小于发射线圈基准电流Ip时，切换开关S1、S2处于闭合状态，当发射线圈电流ip大于或等于发射线圈基准电流Ip时，切换开关S1、S2处于断开状态。
上述基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，所述控制电路根据如下步骤运行：
步骤一，电流传感器检测发射线圈电流生成模拟信号，经调理电路、AD转换电路后生成数字信号，并将电流数字信号送入FPGA控制器；
步骤二，电压传感器检测发射线圈电压生成模拟信号，经调理电路、AD转换电路后生成数字信号，并将电压数字信号送入FPGA控制器；
步骤三，FPGA控制器经过判断生成两组控制信号，分别传送至继电器驱动电路与开关管驱动电路；
步骤四，开关管驱动电路根据FPGA控制器送入的控制信号生成开关动作信号，从而达到控制开关S1、S2通断的目的；
步骤五，开关管驱动电路根据FPGA控制器送入的控制信号生成驱动信号，作为逆变器的控制信号，从而实现对逆变器中开关器件的导通时间的控制。
本发明针对锂电池恒流转恒压复合式无线充电问题，实现了无线充电系统恒流充电和恒压充电两种充电模态的自适应切换，并且在充电过程中系统运行在零相角状态，有助于提高无线充电的效率，为锂电池复合式无线充电问题提供了一种解决方案。
附图说明
图1为本发明的系统装置电路图。
图2为本发明的两种充电模态下发射端补偿网络结构示意图。
图3为本发明运行结果示意图。
图4为本发明运行结果示意图。
图5为本发明运行结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，包括主电路部分和控制电路部分，其特征在于：所述主电路部分包括直流电源、高频逆变电路、发射端TS/FS变结构补偿网络、发射线圈、接收线圈、接收端串联补偿电路、整流电路、锂电池组，其中，高频逆变电路的输入端连接直流电源，高频逆变电路的输出端连接TS/FS变结构补偿网络的输入端，发射端TS/FS变结构补偿网络的输出端连接发射线圈，接收线圈连接串联补偿输入端，串联补偿输出端连接整流电路输入端，整流电路输出端连接锂电池组。所述控制电路包括电流传感器、电压传感器、调理电路、A/D转换电路、FPGA控制器、电平转换电路、继电器驱动电路、开关管驱动电路，其中，调理电路输入端分别连接电流传感器和电压传感器，调理电路输出端连接A/D转换电路，A/D转换电路连接FPGA控制器，FPGA控制器分别连接电平转换电路和开关管驱动电路，电平转换电路连接继电器驱动电路，开关管驱动电路连接高频逆变器的四个开关管。
所述发射端TS/FS变结构补偿网络由补偿电感L1、补偿电感L2、补偿电容C1t、补偿电容C1s、补偿电容C2、补偿电容Cp、发射线圈、切换开关S1、切换开关S2构成，其中补偿电感L1一次侧连接高频逆变器左桥臂，补偿电感L1二次侧连接补偿电感L2一次侧，补偿电容C1t一次侧连接补偿电感L1二次侧，补偿电容C1t二次侧连接发射线圈Lp二次侧，切换开关S1一次侧连接补偿电感L1二次侧，切换开关S1二次侧连接补偿电容C1s一次侧，补偿电容C1s二次侧连接发射线圈Lp二次侧，补偿电感L2二次侧连接切换开关S2一次侧，切换开关S2二次侧连接补偿电容C2一次侧，补偿电容C2二次侧连接发射线圈Lp二次侧，补偿电容Cp一次侧连接补偿电感L2二次侧，补偿电容Cp二次侧连接发射线圈Lp一次侧，发射线圈Lp二次侧连接高频逆变器右桥臂。
逆变器为开关器件两端带有反向续流二极管的全桥逆变器。
整流器为二极管桥式整流。
如图2所示，所述发射端TS/FS变结构补偿网络，当开关S1断开，开关S2断开，发射端补偿网络为补偿电感L1、补偿电感L2、补偿电容C1t、补偿电容Cp构成的TS补偿网络，系统处于恒压充电模式。当开关S1闭合，开关S2闭合，发射端补偿网络为补偿电感L1、补偿电感L2、补偿电容C1t、补偿电容C1s、补偿电容C2、补偿电容Cp构成的FS补偿网络，系统处于恒流充电模式。
所述基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统控制电路根据如下步骤运行：
步骤一，电流传感器检测发射线圈电流生成模拟信号，经调理电路、AD转换电路后生成数字信号，并将电流数字信号送入FPGA控制器；
步骤二，电压传感器检测发射线圈电压生成模拟信号，经调理电路、AD转换电路后生成数字信号，并将电压数字信号送入FPGA控制器；
步骤三，FPGA控制器经过判断生成两组控制信号，分别传送至继电器驱动电路与开关管驱动电路；
步骤四，开关管驱动电路根据FPGA控制器送入的控制信号生成开关动作信号，从而达到控制开关S1、S2通断的目的；
步骤五，开关管驱动电路根据FPGA控制器送入的控制信号生成驱动信号，作为逆变器的控制信号，从而实现对逆变器中开关器件的导通时间的控制。
本发明提出的基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，在实验样机上通过验证，实验方案选择用电子负载从5Ω变化到200Ω，模拟了锂电池充电的过程。实验参数：直流电源为50V，系统工作频率为85kHz，传输距离为5cm，线圈之间互感M为34uH、补偿电感L1为35uH、补偿电感L2为33uH、补偿电容C1t为100nf、补偿电容C1s为100nf、补偿电容C2为200nf、发射线圈自感为118uH、补偿电容Cp为300nf、接收线圈自感为105uH、接收端补偿电容Cs为320nf。
图3为当发射线圈与接收线圈间隔为5cm时，系统接收端输出的电流电压曲线图。在恒流充电模式时，输出电流能够稳定在2.10A到2.14A。在恒压模式时，输出电压能够稳定在42.4V到43.7V。可以看出，当充电电压达到阈值电压42V时，充电系统能够自动从恒流充电模态切换为恒压充电模态。图4为系统恒流模式逆变器输出电流电压波形，在恒流充电阶段，逆变器输出电压电流始终保持同相位，图5为系统恒压模式逆变器输出电流电压波形，在恒压充电阶段，逆变器输出电压电流始终保持同相位，说明系统在整个充电过程中处于零相角状态，此特性有助于提高系统充电效率。
本发明针对锂电池恒流转恒压复合式无线充电问题，实现了无线充电系统恒流充电和恒压充电两种充电模态的自适应切换，并且在充电过程中系统运行在零相角状态，有助于提高无线充电的效率，为锂电池复合式无线充电问题提供了一种解决方案。

Claims (5)

1.一种基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，包括主电路部分和控制电路部分，其特征在于：所述主电路部分包括直流电源、高频逆变电路、发射端TS/FS变结构补偿网络、发射线圈、接收线圈、接收端串联补偿电路、整流电路、锂电池组，其中，高频逆变电路的输出端连接TS/FS变结构补偿网络的输入端，发射端TS/FS变结构补偿网络的输出端连接发射线圈，接收线圈连接串联补偿输入端，串联补偿输出端连接整流电路输入端，整流电路输出端连接锂电池组，所述发射端TS/FS变结构补偿网络由补偿电感L1、补偿电感L2、补偿电容C1t、补偿电容C1s、补偿电容C2、补偿电容Cp、发射线圈、切换开关S1、切换开关S2构成，其中补偿电感L1一次侧连接高频逆变器左桥臂，补偿电感L1二次侧连接补偿电感L2一次侧，补偿电容C1t一次侧连接补偿电感L1二次侧，补偿电容C1t二次侧连接发射线圈Lp二次侧，切换开关S1一次侧连接补偿电感L1二次侧，切换开关S1二次侧连接补偿电容C1s一次侧，补偿电容C1s二次侧连接发射线圈Lp二次侧，补偿电感L2二次侧连接切换开关S2一次侧，切换开关S2二次侧连接补偿电容C2一次侧，补偿电容C2二次侧连接发射线圈Lp二次侧，补偿电容Cp一次侧连接补偿电感L2二次侧，补偿电容Cp二次侧连接发射线圈Lp一次侧，发射线圈Lp二次侧连接高频逆变器右桥臂高频逆变电路的输入端连接直流电源，所述控制电路包括电流传感器、电压传感器、调理电路、A/D转换电路、FPGA控制器、电平转换电路、继电器驱动电路、开关管驱动电路，其中，调理电路输入端分别连接电流传感器和电压传感器，调理电路输出端连接A/D转换电路，A/D转换电路连接FPGA控制器，FPGA控制器分别连接电平转换电路和开关管驱动电路，电平转换电路连接继电器驱动电路，开关管驱动电路连接高频逆变器的四个开关管，所述控制电路中关于控制开关S1、S2切换准则，根据如下步骤推导该无线充电系统从恒流充电模态切换为恒压充电模态的判断条件：
步骤一，根据发射线圈和接受线圈的耦合关系以及整流桥输入电压和输出电压关系构建充电电压和发射线圈电流表达式：
Figure FDA0004099651600000021
其中，ip为发射线圈电流，UB为系统输出充电电压，M为发射线圈与接收线圈之间的互感，当线圈之间的间距固定时，互感可通过常规互感测量方法获取，f为系统工作频率；
步骤二，将锂电池阈值电压UBAT代入上述表达式求出系统充电模态转换对应的发射线圈基准电流：
Figure FDA0004099651600000022
其中，Ip为发射线圈基准电流，UBAT为锂电池阈值电压，可根据锂电池属性获取，M为发射线圈与接收线圈之间的互感，当线圈之间的间距固定时，互感可通过常规互感测量方法获取，f为系统工作频率；
步骤三，将发射线圈电流ip和Ip相比较，得到无线充电系统从恒流充电模态切换为恒压充电模态的判断条件：
ip≥Ip；
其中，ip为发射线圈电流，Ip为发射线圈基准电流，当发射线圈电流ip小于发射线圈基准电流Ip时，切换开关S1、S2处于闭合状态，当发射线圈电流ip大于或等于发射线圈基准电流Ip时，切换开关S1、S2处于断开状态。
2.如权利要求1所述的基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，其特征在于：所述发射端TS/FS变结构补偿网络，当开关S1断开，开关S2断开，发射端补偿网络为补偿电感L1、补偿电感L2、补偿电容C1t、补偿电容Cp构成的TS补偿网络，系统处于恒压充电模式，当开关S1闭合，开关S2闭合，发射端补偿网络为补偿电感L1、补偿电感L2、补偿电容C1t、补偿电容C1s、补偿电容C2、补偿电容Cp构成的FS补偿网络，系统处于恒流充电模式。
3.如权利要求1所述的基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，其特征在于：所述补偿电容Cp和发射线圈Lp满足以下条件：
Figure FDA0004099651600000031
其中f为系统工作频率。
4.如权利要求1所述的基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，其特征在于：所述补偿电感L1、补偿电感L2、补偿电容C1t、补偿电容C1s、补偿电容C2满足以下条件：
Figure FDA0004099651600000032
其中f为系统工作频率。
5.如权利要求1所述的基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，其特征在于：所述控制电路根据如下步骤运行：
步骤一，电流传感器检测发射线圈电流生成模拟信号，经调理电路、AD转换电路后生成数字信号，并将电流数字信号送入FPGA控制器；
步骤二，电压传感器检测发射线圈电压生成模拟信号，经调理电路、AD转换电路后生成数字信号，并将电压数字信号送入FPGA控制器；
步骤三，FPGA控制器经过判断生成两组控制信号，分别传送至继电器驱动电路与开关管驱动电路；
步骤四，开关管驱动电路根据FPGA控制器送入的控制信号生成开关动作信号，从而达到控制开关S1、S2通断的目的；
步骤五，开关管驱动电路根据FPGA控制器送入的控制信号生成驱动信号，作为逆变器的控制信号，从而实现对逆变器中开关器件的导通时间的控制。
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