CN111245075B - 采用无线充电电路实现恒功率无线充电的参数选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线充电电路，包括设于初级侧的第一S谐振补偿电路和设于次级侧的第二S谐振补偿电路以及LCL谐振补偿电路，第一S谐振补偿电路包括串联设置的第一谐振补偿电容和第一能量传输线；第二S谐振补偿电路包括串联设置的第二谐振补偿电容和第二能量传输线圈，LCL谐振补偿电路包括串联设置的第三能量传输线圈和电感，第三能量传输线圈的两端并联有第三谐振补偿电容，第二S谐振补偿电路以及LCL谐振补偿电路的输出端分别连接有整流电路。本发明还提供了一种无线充电电路实现恒功率无线充电的参数选择方法，本发明直接给恒功率运行的用电设备供电，不再使用电池，节约成本。

Description

采用无线充电电路实现恒功率无线充电的参数选择方法

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，特别是一种无线充电电路及其实现恒功率无线充电的参数选择方法。

背景技术

近年来，无线充电技术凭借其安全可靠，方便快捷，使用过程中没有插拔和机械磨损，可有效提高设备使用寿命的特点，受到各界广泛关注，迅速得到发展。

目前大多数无线充电系统的输出为恒流或者恒压，只适合先给电池充电，然后电池给用电设备供电的场合，这样不仅增加了为电池充电的时间，而且电池价格较高，在用电设备功率较大时需要较多的电池，这样会极大的增加成本；同时，采用电池供电间接供电并不适合一些恒功率运行的设备，譬如恒功率运行的电动机等。目前尚未有合适的无线充电结构来直接为恒功率运行的用电设备供电。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种无线充电电路及其实现恒功率无线充电的参数选择方法，本发明直接给恒功率运行的用电设备供电，不再使用电池，节约成本，通过设计线圈结构和选择合适的系统参数，使得用电设备的等效阻抗在某一范围内发生变化时，系统的传输功率保持不变。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种无线充电电路，包括设于初级侧的第一S谐振补偿电路和设于次级侧的第二S谐振补偿电路以及LCL 谐振补偿电路，所述第一S谐振补偿电路包括串联设置的第一谐振补偿电容C_P和第一能量传输线圈L_P，第一S谐振补偿电路的输入端连接有交流高频电源U_in；所述第二S谐振补偿电路包括串联设置的第二谐振补偿电容C_S和第二能量传输线圈L_S，所述LCL谐振补偿电路包括串联设置的第三能量传输线圈L_T和电感L_f，所述第三能量传输线圈L_T的两端并联有第三谐振补偿电容C_T，所述第二S谐振补偿电路以及LCL谐振补偿电路的输出端分别连接有整流电路，通过所述整流电路将整流后的电流并联加在可变负载R_L两端。

作为一种优选的实施方式，所述整流电路为全桥整流电路。

作为另一种优选的实施方式，所述第二能量传输线圈L_S和第三能量传输线圈L_T重叠摆放，使第二能量传输线圈L_S和第三能量传输线圈L_T之间的互感为零。

本发明还提供一种采用如上所述的无线充电电路实现恒功率无线充电的参数选择方法，包括以下步骤：

步骤1、假设工作频率为ω时，系统各部分都能谐振，忽略元器件内阻，得到所述无线充电电路的等效电路；

步骤2、根据基尔霍夫定律，得到所述等效电路各支路的电压关系；

步骤3、通过得到的电压关系求解到各支路的电流；

步骤4、根据得到的电流求解到输入阻抗，并根据输入阻抗对参数进行选择，使传输功率保持恒定。

作为一种优选的实施方式，所述步骤2中，等效电路各支路的电压关系具体如下：

U_in＝jωM_PSi_S-jωM_PTi_T；

jωM_PTi_P＝i_TR_E；

式中，M_PS为第一能量传输线圈L_P与第二能量传输线圈L_S之间的互感，M_PT为第一能量传输线圈L_P与第三能量传输线圈L_T之间的互感，i_S、i_T、i_P、i_f分别为第二能量传输线圈L_S、第三能量传输线圈L_T、第一能量传输线圈L_P、电感L_f所在支路的电流，其中

R_E为整流电路和可变负载R_L的等效阻抗，即负载阻抗，L_T＝L_f，

作为另一种优选的实施方式，所述步骤3中，求解得到的各支路的电流具体如下：

作为一种优选的实施方式，所述步骤4具体如下：

根据求得的电流求解到输入阻抗Z_in：

则当

时，输入阻抗取得最小值，当负载阻抗在

附近变化时，输入阻抗基本保持不变，若输入电压不变，则输入功率不变，为恒功率系统。

本发明的有益效果是：本发明通过设计S-LCL-S补偿网络中的系统参数，可以使得负载阻抗在某一范围内变化时，整个系统的传输功率基本保持不变，实现恒功率充电。

附图说明

图1为本发明实施例的无线充电电路的电路结构示意图；

图2为本发明实施例中无线充电电路再谐振时的系统等效电路图；

图3为对勾函数的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种无线充电电路，包括设于初级侧的第一S谐振补偿电路和设于次级侧的第二S谐振补偿电路以及LCL谐振补偿电路，所述第一S谐振补偿电路包括串联设置的第一谐振补偿电容C_P和第一能量传输线圈L_P，第一S 谐振补偿电路的输入端连接有交流高频电源U_in；所述第二S谐振补偿电路包括串联设置的第二谐振补偿电容C_S和第二能量传输线圈L_S，所述LCL谐振补偿电路包括串联设置的第三能量传输线圈L_T和电感L_f，所述第三能量传输线圈L_T的两端并联有第三谐振补偿电容C_T，所述第二S谐振补偿电路以及LCL谐振补偿电路的输出端分别连接有全桥整流电路，通过所述全桥整流电路将整流后的电流并联加在可变负载R_L两端；所述第二能量传输线圈L_S和第三能量传输线圈L_T重叠摆放，使第二能量传输线圈L_S和第三能量传输线圈L_T之间的互感为零。

该拓扑结构包含三个能量传输线圈，分别为电感值为L_P的初级侧能量传输线圈，电感值为L_T和L_S的次级侧能量传输线圈。在初级侧，U_in为整个系统交流输入电流，第一谐振补偿电容C_P与第一能量传输线圈L_P构成S补偿结构；在次级侧，第二谐振补偿电容C_S与第二能量传输线圈L_S构成S补偿结构，第三谐振补偿电容C_T与第三能量传输线圈L_T、电感L_f构成LCL补偿结构，D1-D4和D5-D6 分别构成两个全桥整流电路，分别将S和LCL补偿结构的交流输出整流为直流，然后并联输送给可变负载R_L。次级侧的第二能量传输线圈L_S和第三能量传输线圈L_T重叠摆放按照一定的位置重叠摆放，使得两者间的互感为零。i_S、i_T、i_P、 i_f、i_L分别为各支路的电流。

本实施例还提供一种采用如上所述的无线充电电路实现恒功率无线充电的参数选择方法，假设工作频率为ω时，系统各部分都能谐振，忽略元器件内阻，此时，系统的等效电路如图2所示。

根据基尔霍夫定律，系统各支路的电压关系为：

U_in＝jωM_PSi_S-jωM_PTi_T；

jωM_PTi_P＝i_TR_E；

式中，M_PS为第一能量传输线圈L_P与第二能量传输线圈L_S之间的互感，M_PT为第一能量传输线圈L_P与第三能量传输线圈L_T之间的互感，i_S、i_T、i_P、i_f分别为第二能量传输线圈L_S、第三能量传输线圈L_T、第一能量传输线圈L_P、电感L_f所在支路的电流，其中

R_E为整流电路和可变负载R_L的等效阻抗，即负载阻抗，L_T＝L_f，

解之可得：

则输入阻抗Z_in为：

由上式可知，整个系统的输入阻抗是一如y＝ax+b/x的对勾函数，其性质如图3所示。

由图3所知，若满足：a＜＜b，则在y的最小值附近，当x在某一范围内变化时，y值基本保持不变，且a与b相差越大，y值的变化越不明显。

相似的，当系统参数满足：

则

时，输入阻抗取得最小值，当负载阻抗在

附近的某个范围内变化时，输入阻抗能够基本保持不变，若系统的输入电压不变，则系统的输入功率不变，为恒功率系统。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种采用无线充电电路实现恒功率无线充电的参数选择方法，所述无线充电电路包括设于初级侧的第一S谐振补偿电路和设于次级侧的第二S谐振补偿电路以及LCL谐振补偿电路，所述第一S谐振补偿电路包括串联设置的第一谐振补偿电容C_P和第一能量传输线圈L_P，第一S谐振补偿电路的输入端连接有交流高频电源U_in；所述第二S谐振补偿电路包括串联设置的第二谐振补偿电容C_S和第二能量传输线圈L_S，所述LCL谐振补偿电路包括串联设置的第三能量传输线圈L_T和电感L_f，所述第三能量传输线圈L_T的两端并联有第三谐振补偿电容C_T，所述第二S谐振补偿电路以及LCL谐振补偿电路的输出端分别连接有整流电路，通过所述整流电路将整流后的电流并联加在可变负载R_L两端；其特征在于，所述的参数选择方法包括以下步骤：

步骤1、假设工作频率为ω时，系统各部分都能谐振，忽略元器件内阻，得到所述无线充电电路的等效电路；

步骤2、根据基尔霍夫定律，得到所述等效电路各支路的电压关系；

等效电路各支路的电压关系具体如下：

U_in＝jωM_PSi_S-jωM_PTi_T；

jωM_PTi_P＝i_TR_E；

式中，M_PS为第一能量传输线圈L_P与第二能量传输线圈L_S之间的互感，M_PT为第一能量传输线圈L_P与第三能量传输线圈L_T之间的互感，i_S、i_T、i_P、i_f分别为第二能量传输线圈L_S、第三能量传输线圈L_T、第一能量传输线圈L_P、电感L_f所在支路的电流，其中

R_E为整流电路和可变负载R_L的等效阻抗，即负载阻抗，L_T＝L_f，

步骤3、通过得到的电压关系求解到各支路的电流；

求解得到的各支路的电流具体如下：

步骤4、根据得到的电流求解到输入阻抗，并根据输入阻抗对参数进行选择，使传输功率保持恒定；

根据求得的电流求解到输入阻抗Z_in：

则当

时，输入阻抗取得最小值，当负载阻抗在

附近变化时，输入阻抗基本保持不变，若输入电压不变，则输入功率不变，为恒功率系统。

2.根据权利要求1所述的参数选择方法，其特征在于，所述整流电路为全桥整流电路。

3.根据权利要求1所述的参数选择方法，其特征在于，所述第二能量传输线圈L_S和第三能量传输线圈L_T重叠摆放，使第二能量传输线圈L_S和第三能量传输线圈L_T之间的互感为零。

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