CN110611359A - 一种通过副边补偿网络切换实现单管逆变恒流恒压无线充电的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电学技术领域，涉及一种通过副边补偿网络切换实现单管逆变恒流恒压无线充电的装置及方法，工频交流电经工频整流桥及工频滤波电容以后，将工频交流电变为直流电，然后工作场效应管将直流电逆变为高频交流电；高频交流电施加在原边谐振网络的发射线圈两端，并在副边谐振网络的接收线圈两端感应出电流，该电流经过副边谐振网络和高频整流电路后变为所需要的直流电，供给蓄电池进行充电；控制简单，开关损耗低，而且电路结构简单，成本低，效率高，能实现对蓄电池恒流‑恒压充电的要求。
Description
技术领域：
本发明属于电学技术领域，涉及一种通过副边补偿网络切换实现单管逆变恒流恒压无线充电的装置及方法，即一种可对蓄电池进行恒流恒压无线充电的单管逆变感应耦合电能传输装置及其控制方法。
背景技术：
目前，基于感应电能传输(Inductively Power Transfer，IPT)技术的恒流-恒压充电系统的主电路拓扑只能采用全桥或半桥逆变电路，且都是通过改变工作频率实现恒流-恒压输出，还未见基于LC谐振单管逆变电路通过副边补偿网络切换实现恒流-恒压无线充电的相关文献。相比于LC谐振单管逆变电路，全桥电压型逆变电路结构相对复杂，上下桥臂的开关管容易造成直通而烧坏，其开关器件多、控制复杂，开关损耗大；同时与切换频率相比，切换副边补偿参数的控制方法更为简易。因此设计一种适用于千瓦级以下具有电路结构简单、成本低、可靠性高、便于大规模推广的基于单管电路的恒流-恒压无线变参数充电装置及控制方法具有非常大的实用价值。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，解决目前基于LC谐振单管逆变无线电能传输电路无法实现恒流-恒压输出为蓄电池无线充电的问题，提供一种通过改变单管电路副边并联补偿电容的大小实现工作状态从恒流模式到恒压模式切换的无线充电装置及方法。
为了实现上述目的，本发明所述通过副边补偿网络切换实现单管逆变恒流恒压无线充电的装置主体结构包括工频整流桥、工频滤波电容、原边谐振网络、工作场效应管、副边谐振网络、高频整流桥、高频滤波电容、蓄电池、原边反馈控制电路和副边反馈控制电路；交流电源接入工频整流桥的输入端，工频整流桥的输出+端、工频滤波电容的+端与原边谐振网络的输入端相连接，工频整流桥的输出-端、工频滤波电容的-端、工作场效应管的源极分别与原边的地线相连接，原边谐振网络的输出端与工作场效应管的漏极相连接；副边谐振网络与高频整流桥进行级联，高频整流桥的输出+端、高频滤波电容的+端与蓄电池的+极相连接，高频整流桥的输出-端、高频滤波电容的-端与蓄电池的-极相连接，工频交流电经工频整流桥及工频滤波电容以后，将工频交流电变为直流电，然后工作场效应管将直流电逆变为高频交流电；高频交流电施加在原边谐振网络的发射线圈两端，并在副边谐振网络的接收线圈两端感应出电流，该电流经过副边谐振网络和高频整流电路后变为所需要的直流电，供给蓄电池进行充电；工频整流桥将工频交流电进行整流；工频滤波电容由第一电容组成低通滤波器，滤除高次谐波；工作场效应管实现电能的高频逆变；原边谐振网络由原边补偿电容和发射线圈连接组成；由于磁场耦合作用，发射线圈将电能传输到接收线圈；副边谐振网络由接收线圈、副边补偿电容、第二电容、电感和模式切换器场效应管按照电源原理连接组成；高频整流桥将交流电变为直流电并向蓄电池充电；原边反馈控制电路包括原边辅助电源、原边无线通信电路、原边单片机电路、原边驱动电路；原边驱动电路和工作场效应管栅极相连接，原边单片机电路分别与原边驱动电路、原边辅助电源和原边无线通信电路相连接；原边辅助电源为原边无线通信电路、原边单片机控制电路、原边驱动电路供电；原边单片机控制电路根据原边无线通信电路接收到的通信信号输出工作场效应管的驱动信号，驱动信号进入原边驱动电路进行放大；副边反馈控制电路包括电压采样电路、电流采样电路、副边单片机电路、副边辅助电源、副边无线通信电路和副边驱动电路；电压采样电路和电流采样电路与蓄电池正极相连，检测主电路的输出电压和输出电流；副边单片机电路分别与电压采样电路、电流采样电路、副边辅助电源、副边驱动电路和副边无线通信电路相连；副边辅助电源为电压采样电路、电流采样电路、副边驱动电路、副边单片机电路和副边无线通信电路供电；副边单片机电路根据接收到的采样电路的电压和电流信号，控制副边无线通信电路向原边无线通信电路发射反馈信号。
本发明实现单管逆变恒流恒压无线充电的具体过程包括以下步骤：
(1)启动交流电源为主电路供电，启动原边辅助电源分别为原边无线通信电路、原边单片机电路、为原边驱动电路供电，启动副边辅助电源分别为副边驱动电路、副边无线通信电路、电压采样电路和电流采样电路供电；
(2)主电路到达稳定工作状态时，开始对蓄电池进行充电，充电的第一阶段为恒流充电，先使电压采样电路及电流采样电路同时工作，副边单片机电路对采集到的信号进行AD转化，当判断到采集的电压信号低于预先设定值时，经由副边单片机电路判断后工作在电流采样模式下，不向副边驱动电路发出任何驱动信号，模式切换场效应管关断，电路工作为恒流模式，电路输出电流恒等于恒流充电的电流值，为蓄电池恒流充电；同时，副边单片机电路向副边无线通信电路传输数据，使其与原边无线通信电路进行无线通信；
(3)当蓄电池两端的电压达到预先设定值的瞬间，由电压采样电路采集到这一电压值，经副边单片机控制电路判断后工作在电流采样模式下，向副边驱动电路发出驱动信号，模式切换场效应管导通，电路工作为恒压模式，电路输出电压恒等于恒压充电的电压值，为蓄电池进行恒压充电，其中电压预先设定值小于恒压充电的电压值；同时，副边单片机电路向副边无线通信电路传输数据，使其与原边无线通信电路进行无线通信；
(4)在恒压充电阶段，当检测到流经蓄电池的电流下降到小于预先设定的最小界限时，经由副边单片机电路、副边无线通信电路、原边无线通信电路以及原边单片机电路的处理后，使原边驱动电路和副边驱动电路停发PWM脉冲信号，以使充电结束，否则继续恒压输出。
本发明与现有的充电装置和方法相比，控制简单，开关损耗低，而且本电路结构简单，成本低，效率高，能实现对蓄电池恒流-恒压充电的要求。
附图说明：
图1为本发明所述通过副边补偿网络切换实现单管逆变恒流恒压无线充电的装置主体电路结构原理示意图图。
图2为本发明所述通过副边补偿网络切换实现单管逆变恒流恒压无线充电的装置工作流程示意图。
图3为本发明实施例充电过程蓄电池两端电压和流经蓄电池电流的变化情况，其中Uo为充电时蓄电池两端电压值，Ucc为恒流-恒压模式转换时的蓄电池两端电压值(即预先设定值)，Ucv为恒压充电的电压值，Io为充电时流经蓄电池的电流值，Imin为设定的充电结束时流经蓄电池的电流值，Icc为恒流充电的电流值。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
实施例：
本实施例所述通过副边补偿网络切换实现单管逆变恒流恒压无线充电的装置主体结构包括工频整流桥1、工频滤波电容2、原边谐振网络3、工作场效应管Q1、副边谐振网络4、高频整流桥5、高频滤波电容6(即Cout)、蓄电池7、原边反馈控制电路8和副边反馈控制电路9；交流电源AC接入工频整流桥1的输入端，工频整流桥1的输出+端、工频滤波电容2的+端与原边谐振网络3的a端相连接，工频整流桥1的输出-端、工频滤波电容2的-端、工作场效应管Q1的源极分别与原边的地线相连接，原边谐振网络3的另一端与工作场效应管Q1的漏极相连接；副边谐振网络4与高频整流桥5进行级联，高频整流桥5的输出+端、高频滤波电容6的+极与蓄电池7的+极相连接，高频整流桥5的输出-端、高频滤波电容6的-极与蓄电池7的-极相连接；工频交流电依次经工频整流桥1和工频滤波电容2后，将工频交流电变为直流电，然后工作场效应管Q1将直流电逆变为高频交流电；高频交流电施加在原边谐振网络3的发射线圈两端，并在副边谐振网络4的接收线圈两端感应出电流，感应出的电流经过副边谐振网络和高频整流桥5变为所需要的直流电，供给蓄电池7进行充电；工频整流桥1将工频交流电进行整流；工频滤波电容2由第一电容Cin组成低通滤波器，滤除高次谐波；工作场效应管Q1实现电能的高频逆变；原边谐振网络3由原边补偿电容Cp和发射线圈Lp连接组成；由于磁场耦合作用，发射线圈Lp将电能传输到接收线圈Ls；副边谐振网络4由副边谐振网络由接收线圈Ls、副边补偿电容Cs、第二电容C1、电感L1和模式切换器场效应管Q2按照电学原理连接组成；高频整流桥5将交流电变为直流电并向蓄电池7充电；原边反馈控制电路8包括原边辅助电源10、原边无线通信电路11、原边单片机电路12、原边驱动电路13；原边驱动电路13和工作场效应管Q1栅极相连接，原边单片机电路12分别与原边辅助电源10、原边无线通信电路11和原边驱动电路13相连接；原边辅助电源10为原边无线通信电路11、原边单片机控制电路12及原边驱动电路13供电；原边单片机控制电路12根据原边无线通信电路11接收到的通信信号输出工作场效应管Q1的驱动信号，驱动信号进入原边驱动电路13进行放大；副边反馈控制电路9包括副边驱动电路14、副边辅助电源15、副边单片机电路16、副边无线通信电路17、电压采样电路18和电流采样电路19；电压采样电路18和电流采样电路19与蓄电池7正极相连，检测主电路的输出电压和输出电流；副边单片机电路16分别与副边辅助电源15、副边无线通信电路17、副边驱动电路14、电压采样电路18和电流采样电路19相连；副边辅助电源15为副边单片机电路16、副边无线通信电路17、副边驱动电路、电压采样电路18和电流采样电路19相连供电；副边单片机电路16根据接收到的采样电路的电压和电流信号，控制副边无线通信电路17向原边无线通信电路11发射反馈信号。
本实施例实现恒流恒压无线充电的具体过程包括以下步骤：
(1)启动AC交流源为主电路供电，启动原边辅助电源10分别为原边无线通信电路11、原边单片机电路12、为原边驱动电路13供电，启动副边辅助电源15分别为副边驱动电路14、副边无线通信电路17、电压采样电路18和电流采样电路19供电；
(2)主电路到达稳定工作状态时，开始对蓄电池7进行充电，充电的第一阶段为恒流充电，先使电压采样电路18及电流采样电路19同时工作，副边单片机电路16对采集到的信号进行AD转化，当判断到采集的电压信号Uo低于预先设定值Ucc时，经由副边单片机电路16判断后工作在电流采样模式下，不向副边驱动电路发出任何驱动信号，模式切换场效应管Q2关断，电路工作为恒流模式，电路输出电流Io恒等于Icc，为蓄电池7恒流充电；同时，副边单片机电路16向副边无线通信电路17传输数据，使其与原边无线通信电路11进行无线通信。
(3)当蓄电池7两端的电压达到恒压模式输出电压值Ucc的瞬间，由电压采样电路18采集到这一电压值，经副边单片机控制电路16判断后工作在电流采样模式下，向副边驱动电路发出驱动信号，模式切换场效应管Q2导通，电路工作为恒压模式，电路输出电压Uo恒等于Ucv，为蓄电池进行恒压充电；同时，副边单片机电路16向副边无线通信电路17传输数据，使其与原边无线通信电路11进行无线通信。
(4)在恒压充电阶段，当检测到流经蓄电池7的电流下降到小于预先设定的界限Imin时，经由副边单片机电路16、副边无线通信电路17、原边无线通信电路11以及原边单片机电路12的处理后，使原边驱动电路13和副边驱动电路14停发PWM脉冲信号，以使充电结束，否则继续恒压输出。
Claims (2)
1.一种通过副边补偿网络切换实现单管逆变恒流恒压无线充电的装置，其特征在于主体结构包括工频整流桥、工频滤波电容、原边谐振网络、工作场效应管、副边谐振网络、高频整流桥、高频滤波电容、蓄电池、原边反馈控制电路和副边反馈控制电路；交流电源接入工频整流桥的输入端，工频整流桥的输出+端、工频滤波电容的+端与原边谐振网络的输入端相连接，工频整流桥的输出-端、工频滤波电容的-端、工作场效应管的源极分别与原边的地线相连接，原边谐振网络的输出端与工作场效应管的漏极相连接；副边谐振网络与高频整流桥进行级联，高频整流桥的输出+端、高频滤波电容的+端与蓄电池的+极相连接，高频整流桥的输出-端、高频滤波电容的-端与蓄电池的-极相连接，工频交流电经工频整流桥及工频滤波电容以后，将工频交流电变为直流电，然后工作场效应管将直流电逆变为高频交流电；高频交流电施加在原边谐振网络的发射线圈两端，并在副边谐振网络的接收线圈两端感应出电流，该电流经过副边谐振网络和高频整流电路后变为所需要的直流电，供给蓄电池进行充电；工频整流桥将工频交流电进行整流；工频滤波电容由第一电容组成低通滤波器，滤除高次谐波；工作场效应管实现电能的高频逆变；原边谐振网络由原边补偿电容和发射线圈连接组成；由于磁场耦合作用，发射线圈将电能传输到接收线圈；副边谐振网络由接收线圈、副边补偿电容、第二电容、电感和模式切换器场效应管按照电源原理连接组成；高频整流桥将交流电变为直流电并向蓄电池充电；原边反馈控制电路包括原边辅助电源、原边无线通信电路、原边单片机电路、原边驱动电路；原边驱动电路和工作场效应管栅极相连接，原边单片机电路分别与原边驱动电路、原边辅助电源和原边无线通信电路相连接；原边辅助电源为原边无线通信电路、原边单片机控制电路、原边驱动电路供电；原边单片机控制电路根据原边无线通信电路接收到的通信信号输出工作场效应管的驱动信号，驱动信号进入原边驱动电路进行放大；副边反馈控制电路包括电压采样电路、电流采样电路、副边单片机电路、副边辅助电源、副边无线通信电路和副边驱动电路；电压采样电路和电流采样电路与蓄电池正极相连，检测主电路的输出电压和输出电流；副边单片机电路分别与电压采样电路、电流采样电路、副边辅助电源、副边驱动电路和副边无线通信电路相连；副边辅助电源为电压采样电路、电流采样电路、副边驱动电路、副边单片机电路和副边无线通信电路供电；副边单片机电路根据接收到的采样电路的电压和电流信号，控制副边无线通信电路向原边无线通信电路发射反馈信号。
2.一种采用如权利要求1所述装置进行单管逆变恒流恒压无线充电的方法，其特征在于充电过程包括以下步骤：
(1)启动交流电源为主电路供电，启动原边辅助电源分别为原边无线通信电路、原边单片机电路、为原边驱动电路供电，启动副边辅助电源分别为副边驱动电路、副边无线通信电路、电压采样电路和电流采样电路供电；
(2)主电路到达稳定工作状态时，开始对蓄电池进行充电，充电的第一阶段为恒流充电，先使电压采样电路及电流采样电路同时工作，副边单片机电路对采集到的信号进行AD转化，当判断到采集的电压信号低于预先设定值时，经由副边单片机电路判断后工作在电流采样模式下，不向副边驱动电路发出任何驱动信号，模式切换场效应管关断，电路工作为恒流模式，电路输出电流恒等于恒流充电的电流值，为蓄电池恒流充电；同时，副边单片机电路向副边无线通信电路传输数据，使其与原边无线通信电路进行无线通信；
(3)当蓄电池两端的电压达到预先设定值的瞬间，由电压采样电路采集到这一电压值，经副边单片机控制电路判断后工作在电流采样模式下，向副边驱动电路发出驱动信号，模式切换场效应管导通，电路工作为恒压模式，电路输出电压恒等于恒压充电的电压值，为蓄电池进行恒压充电，其中电压预先设定值小于恒压充电的电压值；同时，副边单片机电路向副边无线通信电路传输数据，使其与原边无线通信电路进行无线通信；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191224 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |