CN111953084A - 无线充电拓扑结构及负载短路保护方法 - Google Patents

无线充电拓扑结构及负载短路保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无线充电拓扑结构及负载短路保护方法。其中，无线充电拓扑结构包括：发射端以及接收端；发射端包括：高频交流电源、发射端电感线圈以及发射端线圈；接收端包括：负载、接收端电感线圈以及接收端线圈；发射端和接收端通过发射端线圈和接收端线圈进行电磁互感；发射端的谐振电感电流ILf1与负载的电压Uab满足如下关系式：ILf1＝(UabM)/(jωLf1Lf2)。本发明通过采集发射端的谐振电感电流，进而判断负载短路是否发生。当负载短路发生后，发射端不需要与接收端通信、且不需要测量负载电流，直接根据测量的发射端谐振电感电流进行判断。

Description

无线充电拓扑结构及负载短路保护方法
技术领域
本发明涉及大功率无线充电技术领域，尤其涉及一种无线充电拓扑结构及负载短路保护方法。
背景技术
随着科学技术的发展，以及应对环境问题的现状，近年来新能源汽车得到了快速的发展。新能源汽车中的电动汽车采用高能密度电池组作为动力源，利用清洁能源实现电能转换。目前，电动汽车的电池组主要依靠充电桩，并通过有线的方式进行充电，然而有线充电的方式便利性以及通用性受到一定的限制。因此，现有的电动汽车可采用无线充电进行充电。
在无线充电领域中，负载短路故障属于一种十分严重的故障。因为，负载短路往往伴随着负载大电流，造成负载瞬间过温烧毁，并有可能引发临近电路的过温甚至烧毁。因此对于负载短路保护，需要及时有效地从源头切断电能的传输。
现有技术中有通过无线通讯的方式反馈故障信号给发射端，并由发射端进一步断开发射端电源，以实现负载保护。然而，无线通讯反馈故障信号的方式，需要经过一个通信延迟后才能获取负载短路故障。如此导致，负载短路发生后，发射端无法快速有效地切断电能。因此，针对上述问题，有必要提出进一步地解决方案。
发明内容
本发明旨在提供一种无线充电拓扑结构及负载短路保护方法，以克服现有技术中存在的不足。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种无线充电拓扑结构，其包括：发射端以及接收端；
所述发射端包括：高频交流电源、发射端电感线圈以及发射端线圈；
所述接收端包括：负载、接收端电感线圈以及接收端线圈；
所述发射端和接收端通过所述发射端线圈和接收端线圈进行电磁互感，所述高频交流电源、发射端电感线圈与所述发射端线圈串联，所述负载、接收端电感线圈与所述接收端线圈串联；
所述发射端的谐振电感电流ILf1与负载的电压Uab满足如下关系式：
ILf1＝(UabM)/(jωLf1Lf2)；
其中，M为所述发射端线圈和接收端线圈之间的互感，j为复数虚部符号，ω为高频交流电源的角频率，Lf1为发射端谐振电感，Lf2为接收端谐振电感。
作为本发明的无线充电拓扑结构的改进，所述发射端还包括：第一发射端电容器，其串联于所述发射端电感线圈和发射端线圈之间。
作为本发明的无线充电拓扑结构的改进，所述发射端还包括：第二发射端电容器，其一端连接于所述发射端电感线圈和第一发射端电容器之间，另一端连接于所述高频交流电源和发射端线圈之间。
作为本发明的无线充电拓扑结构的改进，所述接收端还包括：第一接收端电容器，其串联于所述接收端电感线圈和接收端线圈之间。
作为本发明的无线充电拓扑结构的改进，所述接收端还包括：第二接收端电容器，其一端连接于所述接收端电感线圈和第一接收端电容器之间，另一端连接于所述负载和接收端线圈之间。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种基于如上所述无线充电拓扑结构的负载短路保护方法，其包括如下步骤：
S1、对发射端的谐振电感电流ILf1进行采样；
S2、取采集的谐振电感电流ILf1的平均值ILf1_Avg；
S3、设定接近于0，且大于采样干扰噪声的阈值，判断平均值ILf1_Avg是否小于阈值，如是则认为发生负载短路，进行断开高频交流电源的保护动作。
作为本发明的负载短路保护方法的改进，在进行是否发生负载短路判断之前，还判断高频交流电源是否存在电压输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过采集发射端的谐振电感电流，进而判断负载短路是否发生。当负载短路发生后，发射端不需要与接收端通信、且不需要测量负载电流，直接根据测量的发射端谐振电感电流进行判断，进而做出断开高频交流电源的保护动作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明无线充电拓扑结构一实施例的示意图；
图2为本发明负载短路保护方法一实施例的方法流程示意图。
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。
本发明提供一种无线充电拓扑结构，其可通过采集发射端的谐振电感电流，进而判断负载短路是否发生。克服了现有技术中存在的需要经过一个通信延迟后才能获取负载短路故障的问题。
如图1所示，本发明一实施例提供一种无线充电拓扑结构，其包括：发射端1以及接收端2。
所述发射端1作为原边，其包括：高频交流电源11、发射端电感线圈12以及发射端线圈13。
其中，所述高频交流电源11、发射端电感线圈12与所述发射端线圈13串联。此外，所述发射端1还包括：第一发射端电容器14和第二发射端电容器15。所述第一发射端电容器14串联于所述发射端电感线圈12和发射端线圈13之间。所述第二发射端电容器15一端连接于所述发射端电感线圈12和第一发射端电容器14之间，另一端连接于所述高频交流电源11和发射端线圈13之间。
所述接收端2作为副边，其包括：负载21、接收端电感线圈22以及接收端线圈23。
其中，所述负载21、接收端电感线圈22与所述接收端线圈23串联。此外，所述接收端2还包括：第一接收端电容器24和第二接收端电容器25。所述第一接收端电容器24串联于所述接收端电感线圈22和接收端线圈23之间。所述第二接收端电容器25一端连接于所述接收端电感线圈22和第一接收端电容器24之间，另一端连接于所述负载21和接收端线圈23之间。
所述发射端1和接收端2通过所述发射端线圈13和接收端线圈23进行电磁互感。考虑到无线充电拓扑结构中，电感电容满足下述谐振条件：
ωL1-1/(ωC1)＝1/(ωCf1)＝ωLf1；
ωL2-1/(ωC2)＝1/(ωCf2)＝ωLf2；
jωM I2＝(ILf1)/(jωC f1)；
jωM I1＝(ILf2)/(jωC f2)。
其中，ω为高频交流电源的角频率，L1为发射线圈的自感，C1为第一发射端电容器14的谐振电容，Cf1为第二发射端电容器15的谐振电容，Lf1为发射端电感线圈12的谐振电感，L2为接收线圈的自感，C2为第一接收端电容器24的谐振电容，Cf2为第二接收端电容器25的谐振电容，Lf2为接收端电感线圈22的谐振电感，j为复数虚部符号，此处用来表示电压、电流的相角关系，M为发射端线圈13和接收端线圈23之间的互感，I2为流过接收端线圈23的电流，I1为流过发射端线圈13的电流，ILf1为流过发射端电感线圈12的电流，ILf2为流过接收端电感线圈22的电流。
由此可知：
I1＝UAB/(jωLf1)；
I2＝Uab/(jωLf2)；
ILf1＝Uab M/(jωLf1 Lf2)；
ILf2＝UAB M/(jωLf1 Lf2)。
其中，UAB为高频交流电源11的输出电压，Uab为负载21两端电压。ILf1即为发射端1的谐振电感电流。
从而，当负载21发生短路时，该负载21的阻抗趋近于0，其负载21两端电压Uab也会趋近为0。基于关系式ILf1＝Uab M/(jωLf1 Lf2)，当负载21两端电压Uab趋近0时，发射端1的谐振电感电流ILf1也会趋近0，进而通过检测谐振电感电流ILf1是否趋近于0就可判断是否负载21发生了短路。
根据相同的技术构思，本发明还提供一种基于如上所述无线充电拓扑结构的负载21短路保护方法。一个实施例中，如图2所示，所述负载21短路保护方法包括如下步骤：
S1、对发射端1的谐振电感电流ILf1进行采样；
S2、取采集的谐振电感电流ILf1的平均值ILf1_Avg；
S3、设定接近于0，且大于采样干扰噪声的阈值；
S4、判断高频交流电源11是否存在电压输出，以判断高频交流电源11是否处于运行状态；
S5、判断平均值ILf1_Avg是否小于阈值，如是则认为发生负载21短路，进行断开高频交流电源11的保护动作。
综上所述，本发明通过采集发射端的谐振电感电流，进而判断负载短路是否发生。当负载短路发生后，发射端不需要与接收端通信、且不需要测量负载电流，直接根据测量的发射端谐振电感电流进行判断，进而做出断开高频交流电源的保护动作。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种无线充电拓扑结构，其特征在于，所述无线充电拓扑结构包括：发射端以及接收端；
所述发射端包括：高频交流电源、发射端电感线圈以及发射端线圈；
所述接收端包括：负载、接收端电感线圈以及接收端线圈；
所述发射端和接收端通过所述发射端线圈和接收端线圈进行电磁互感，所述高频交流电源、发射端电感线圈与所述发射端线圈串联，所述负载、接收端电感线圈与所述接收端线圈串联；
所述发射端的谐振电感电流ILf1与负载的电压Uab满足如下关系式：
ILf1＝(UabM)/(jωLf1Lf2)；
其中，M为所述发射端线圈和接收端线圈之间的互感，j为复数虚部符号，ω为高频交流电源的角频率，Lf1为发射端谐振电感，Lf2为接收端谐振电感。
2.根据权利要求1所述的无线充电拓扑结构，其特征在于，所述发射端还包括：第一发射端电容器，其串联于所述发射端电感线圈和发射端线圈之间。
3.根据权利要求2所述的无线充电拓扑结构，其特征在于，所述发射端还包括：第二发射端电容器，其一端连接于所述发射端电感线圈和第一发射端电容器之间，另一端连接于所述高频交流电源和发射端线圈之间。
4.根据权利要求1所述的无线充电拓扑结构，其特征在于，所述接收端还包括：第一接收端电容器，其串联于所述接收端电感线圈和接收端线圈之间。
5.根据权利要求4所述的无线充电拓扑结构，其特征在于，所述接收端还包括：第二接收端电容器，其一端连接于所述接收端电感线圈和第一接收端电容器之间，另一端连接于所述负载和接收端线圈之间。
6.一种基于权利要求1～5所述的无线充电拓扑结构的负载短路保护方法，其特征在于，所述负载短路保护方法包括如下步骤：
S1、对发射端的谐振电感电流ILf1进行采样；
S2、取采集的谐振电感电流ILf1的平均值ILf1_Avg；
S3、设定接近于0，且大于采样干扰噪声的阈值，判断平均值ILf1_Avg是否小于阈值，如是则认为发生负载短路，进行断开高频交流电源的保护动作。
7.根据权利要求6所述的负载短路保护方法，其特征在于，在进行是否发生负载短路判断之前，还判断高频交流电源是否存在电压输出。
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