CN112087061B - 一种可自动恒流-恒压切换的三线圈电池无线充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可自动恒流‑恒压切换的三线圈电池无线充电系统，提供电池充电过程所需的先恒流后恒压输出，不需要额外的控制和开关，自动实现恒流恒压的切换，该系统包括直流电源、高频全桥逆变电路、原边补偿网络、三线圈松耦合变压器、副边补偿网络、全桥整流滤波电路、附加线圈补偿网络、钳位整流电路。当电池负载的等效阻抗增大到恒流‑恒压切换区域内，附加线圈上的感应电势足以导通钳位整流电路，原边输入电流被钳位，此时输出从恒流转为恒压。本发明可实现蓄电池先恒流再恒压的模式自动切换，且系统工作在同一频率下，不会出现频率分叉现象，控制简单，无需原副边通信，系统全程处于输入近似零相位角状态，减少器件应力，便于实现软开关。

Description

一种可自动恒流-恒压切换的三线圈电池无线充电系统
技术领域
本发明涉及一种无线电能传输技术研究，具体是一种可自动恒流-恒压切换的三线圈电池无线充电系统。
背景技术
感应式无线电能传输技术(Inductive Power Transmission,IPT)，是一种通过原、副边线圈分立的松耦合变压器作为媒介的功率传输技术。与传统有线式供电方式相比，该技术不需要直接的电气连接和机械插拔，避免了繁冗的导线使用，提高了用户使用的灵活性和安全性，在人工心脏、消费电子、电动汽车、水下作业等领域应用广泛，优势明显。
蓄电池的恒流和恒压充电阶段是其主要充电阶段，电池在充电过程中负载变化范围很宽。IPT电池充电系统需实现不受负载影响的恒流和恒压输出。IPT 系统的松耦合变压器，耦合系数低，漏感大，引入了大量无功功率且限制了有功功率输出。因此，加入的补偿网络，可有效提高有功传输的功率及效率，并同时带来了变换器输出增益和输入阻抗等特性的变化。目前为了解决恒流恒压模式切换的方法主要有：复合拓扑和频率控制。对于复合拓扑技术而言，由于单个简单补偿网络在输入零无功频率点下，难以同时实现与负载无关的恒流和恒压输出。因此，有研究者将可实现恒流和可实现恒压输出的两类网络拓扑通过模式开关切换，这样变换器可工作在同一输入零无功频率点下，减少器件应力，但模式切换开关为高频双向开关，串联在电路中，增加系统成本和损耗。对于频率控制而言，有研究发现某些高阶补偿网络，如LCC-LCC补偿网络，可找到两个输入零无功频率点分别实现与负载无关的恒流或恒压输出，通过频率控制，可实现先恒流后恒压的输出。但高阶网络器件众多，且设计复杂，参数偏差会影响输出恒流和恒压精度。无论是复合拓扑还是频率控制方式，原副边均需要闭环反馈和通信。
由以上分析可知，目前高效的电池无线充电器存在恒流和恒压模式切换不便的问题，需考虑新的切换方法，针对这种情况，现提出一种可自动恒流-恒压切换的三线圈电池无线充电系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可自动恒流-恒压切换的三线圈电池无线充电系统，利用串串(Series-Series,SS)拓扑在输入零相位角(Zero-Phase Angle,ZPA) 的谐振频率下表现出的恒流输出特性，实现电池恒流充电，此时三线圈松耦合变压器单元原边线圈的电流在附加线圈上感应的电势逐渐变大，但仍还小于直流电源输出电压，附加线圈及其补偿网络被钳位不工作。当电池负载的等效阻抗增大到恒流-恒压切换区域内，附加线圈上的感应电势足以导通钳位整流电路，原边输入电流被钳位，此时输出恒压。因此，该充电系统可实现蓄电池先恒流再恒压的模式自动切换，且系统工作在同一个频率下，不会出现频率分叉现象，控制简单，无需原、副边通信。充电全程均实现近似纯阻性输入阻抗，减少器件应力，并实现全桥逆变电路的软开关运行，确保了系统的高功率因数及高效传输。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种可自动恒流-恒压切换的三线圈电池无线充电系统，包括：直流电源、高频全桥逆变电路、原边补偿网络、三线圈松耦合变压器单元、副边补偿网络、全桥整流滤波电路、电池负载、附加线圈的补偿网络与钳位整流电路；
所述原边补偿网络包括原边补偿电容C1，原边补偿电容C1的一极与高频全桥逆变电路的一桥臂中点连接，原边补偿电容C1的另一极与三线圈松耦合变压器单元的原边绕组的一端连接，三线圈松耦合变压器单元的原边绕组的另一端与高频全桥逆变电路的另一桥臂中点连接；
所述副边补偿网络包括副边补偿电容C2，副边补偿电容C2的一极与三线圈松耦合变压器单元的副边绕组的一端连接，副边补偿电容C2的另一极与全桥整流滤波电路的一桥臂中点连接，三线圈松耦合变压器单元的副边绕组的另一端与全桥整流滤波电路的另一桥臂中点连接，全桥整流滤波电路的负极输出端与电池负载的正极连接，全桥整流滤波电路的正极输出端与电池负载的负极连接；
所述附加补偿网络包括附加补偿电容C3，附加补偿电容C3的一极与钳位整流电路的一桥臂中点连接，另一极与三线圈松耦合变压器单元的附加线圈绕组的一端相连，三线圈松耦合变压器单元的附加线圈绕组的另一端与钳位整流电路的另一桥臂中点连接，钳位整流电路的输出端与直流电源输出端连接，钳位整流电路的接地端与直流电源接地端连接。
进一步地，在设定的系统工作角频率ω下，所述原边补偿电容C1、副边补偿电容C2与附加电容C3按照
Figure BDA0002663561870000031
取值，使系统工作于谐振状态，L1为三线圈松耦合变压器单元的原边自感的感值，L2为三线圈松耦合变压器单元的副边自感的感值，L3为三线圈松耦合变压器单元的附加线圈的感值。
进一步地，所述系统的三线圈松耦合变压器单元的原、副边互感由恒流阶段的电池负载充电电流确定：
Figure BDA0002663561870000032
其中VIN为直流电源的电压值，IO为恒流充电阶段的电池负载所需的充电电流，M12为三线圈松耦合变压器单元的原、副边互感值。
进一步地，所述系统的松耦合变压器附加线圈与原边绕组之间的互感由恒压阶段的电池充电电压确定：
Figure BDA0002663561870000041
其中M13为松耦合变压器原边绕组与附加线圈之间的互感值。
进一步地，所述全桥整流滤波电路与负载电池可简化等效负载RE，RE的电压U3随着充电时间增大而增大，当U3峰值大于VIN时，附加线圈上的感应电势将能导通钳位整流电路，此时三线圈松耦合变压器单元的原边电流被钳位，由此恒流-恒压切换电路生效，进入恒压充电阶段，其中，
Figure BDA0002663561870000042
U1、U3分别为高频全桥逆变电路输出电压、钳位整流电路输入端电压的基波分量的峰值，M23为三线圈松耦合变压器单元的副边绕组与附加线圈之间的互感值，RE为全桥整流滤波电路和负载电池的总的等效负载，
Figure BDA0002663561870000043
本发明的有益效果：
1、本发明三线圈电池无线充电系统可先后自动实现与负载无关的恒流和恒压输出，满足电池需求；
2、本发明三线圈电池无线充电系统利用附加线圈及全桥整流电路实现恒流恒压模式的自动切换，系统工作在同一频率下，不需要原、副边通信；
3、本发明三线圈电池无线充电系统在整个充电过程中，一直保证近似零输入阻抗，减小了器件应力和损耗，且输入阻抗近似弱感性，实现全桥逆变电路的软开关，提高传输效率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明可自动恒流-恒压切换的三线圈电池无线充电系统的拓扑结构图；
图2是本发明系统交流等效分析图；
图3是本发明系统的输出电流IO和输出电压VO的恒流充电阶段波形图示意图；
图4是本发明系统的输出电流IO和输出电压VO的恒压充电阶段波形图示意图；
图5是本发明系统在恒流阶段过程中，高频全桥逆变电路输出电压U1、输出电流i1和全桥整流电路输入电压U2、输入电流i2，以及钳位整流电路输入端的电压U3和电流i3的恒流充电阶段波形示意图；
图6是本发明系统在恒流阶段过程中，高频全桥逆变电路输出电压U1、输出电流i1和全桥整流电路输入电压U2、输入电流i2，以及钳位整流电路输入端的电压U3和电流i3的恒流充电阶段波形示意图；
1为高频全桥逆变电路，2为原边补偿网络，3为松耦合变压器单元，4为副边补偿网络，5为全桥整流滤波电路，6为电池负载，7为钳位整流电路，8 为附加线圈的补偿网络，Q1、Q2、Q3、Q4为第一、第二、第三、第四功率管，L1为松耦合变压器原边自感，L2为松耦合变压器副边自感，L3为附加线圈自感，C1为第一原边补偿电容，C2为副边附加电容，C3为附加线圈补偿电容，D1、D2、D3、 D4为第一、第二、第三、第四二极管，D5、D6、D7、D8为第五、第六、第七、第八二极管，Cf为输出滤波电容。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种可自动恒流-恒压切换的三线圈电池无线充电系统，如图1所示，包括：高频全桥逆变电路1、原边补偿网络2、三线圈松耦合变压器单元3、副边补偿网络4、全桥整流滤波电路5、电池负载6、附加线圈的补偿网络8与钳位整流电路7；
高频全桥逆变电路1包括第一功率管Q1、第三功率管Q3组成的一个桥臂以及第二功率管Q2、第四功率管Q4组成的另一个桥臂，第一功率管Q1、第三功率管Q3的连接点为桥臂中点A，第二功率管Q2、第四功率管Q4的连接点为桥臂中点B。
原边补偿网络2包括原边补偿电容C1，原边补偿电容C1的一极与高频全桥逆变电路1的一桥臂中点A连接，原边补偿电容C1的另一极与三线圈松耦合变压器单元3的原边绕组的一端连接，三线圈松耦合变压器单元3的原边绕组的另一端与高频全桥逆变电路1的另一桥臂中点B连接；
副边补偿网络4包括副边补偿电容C2，副边补偿电容C2的一极与三线圈松耦合变压器单元3的副边绕组的一端连接，副边补偿电容C2的另一极与全桥整流滤波电路5的一桥臂中点连接。
三线圈松耦合变压器单元3的副边绕组的另一端与全桥整流滤波电路5的另一桥臂中点连接。
全桥整流滤波电路5包括第一二极管D1、第三二极管D3组成的一个桥臂以及第二二极管D2、第四二极管D4组成的另一桥臂，输出滤波电容Cf并接在全桥整流滤波电路5的输出端，电池负载6并接在输出滤波电容Cf的两极之间，全桥整流滤波电路5的负极输出端与电池负载6的正极连接，全桥整流滤波电路5的正极输出端与电池负载6的负极连接。
钳位整流电路7包括第五二极管D5、第六二极管D8组成的一个桥臂以及第六二极管D6、第七二极管D7组成的另一桥臂.
附加补偿网络8包括附加补偿电容C3，附加补偿电容C3的一极与钳位整流电路7的一桥臂中点连接，另一极与三线圈松耦合变压器单元3的附加线圈绕组的一端相连，三线圈松耦合变压器单元3的附加线圈绕组的另一端与钳位整流电路7的另一桥臂中点连接，钳位整流电路7的输出端与直流电源输出端连接，钳位整流电路7的接地端与直流电源接地端连接。
系统中，原边补偿电容的容值由公式
Figure BDA0002663561870000071
确定，副边补偿电容由公式
Figure BDA0002663561870000072
确定，附加补偿电容由公式
Figure BDA0002663561870000073
确定，系统工作在角频率ω下。
系统在启动后，附加线圈上的电压由三线圈松耦合变压器单元3的原、副边绕组线圈上的电流感应产生，在其幅值尚未达到钳位整流电路7输出端的直流电源的电压值，即U3≤VIN时，附加线圈上无电流，钳位整流电路7不导通，此时系统相当于是SS拓扑工作在恒流工作点下，进入恒流阶段，其负载端的输入电流，即全桥整流电路输入端电流为
Figure BDA0002663561870000074
在全桥逆变电路占空比为1 的运行情况下，逆变桥输出为方波信号，由傅里叶分解可知
Figure BDA0002663561870000075
可知电池充电电流为
Figure BDA0002663561870000076
即系统在恒流阶段的固定输出电流值，由此确定M12，
Figure BDA0002663561870000077
系统在恒流阶段工作一段时间后，电池负载6电压逐渐提高，电池负载6 的等效输入阻抗变大，在恒流充电阶段，其电压不断升高，电池负载吸收的功率增加，然而高频全桥逆变电路1输出电压的基波分量没有变化，故三线圈松耦合变压器单元3的原边线圈的电流会变大以平衡功率关系。U3的峰值到达临界点U3＝VIN时，附加线圈上的电压足以使钳位整流电路7导通，开始进入恒压阶段。此时负载端输出电流开始减小，电池负载电压保持不变。电池负载6开始进入恒压充电阶段时的电池负载6等效输入阻抗就是临界值电阻，由公式
Figure BDA0002663561870000081
可以推得电池由恒流充电切换至恒压充电状态的电池负载6区间，其中RE是全桥整流滤波电路5及电池负载6的共同等效负载。
由说明书附图列写回路方程，在M23近似为零的条件下，对电路方程进行简化得到下式，其中U1、U2、U3分别为高频全桥逆变电路1输出电压、全桥整流滤波电路5输入电压、钳位整流电路7输入端电压的峰值，I1、I2、I3分别其电流的基波分量，其矩阵表达式满足以下公式：
Figure BDA0002663561870000082
其中，M12为三线圈松耦合变压器单元3的原、副边互感值，M13为三线圈松耦合变压器单元3的原边绕组与附加线圈之间的互感值。
在系统进入输出恒压阶段后，得系统输出电压增益为
Figure BDA0002663561870000083
考虑
Figure BDA0002663561870000084
得
Figure BDA0002663561870000085
钳位整流电路7导通，系统进入恒压输出阶段后，高频全桥逆变电路1输出的电流基本不变，高频全桥逆变电路1输出的功率基本不变。
由上可知，本发明在基本的SS拓扑上附加了恒流恒压模式切换线圈，无线电能传输系统始终工作在同一频率下，在充电过程中自动进行恒流恒压模式的转换并提供预定的电流值和电压值。系统的恒流充电阶段输出到电池负载6上的电流为
Figure BDA0002663561870000086
系统的恒压充电阶段输出到电池负载6上的电压为
Figure BDA0002663561870000091
一种可自动恒流-恒压切换的三线圈电池无线充电系统采用串联补偿网络，如图2所示，展示电路方程中各个量的关系，由于钳位整流电路7输出端并接在直流电源上，可将U3视为与U1峰值相同的交流量,其相角则与U2相同，符合回路方程中的相位关系。
验证恒流恒压模式切换的可靠性，如图3、图4所示，采用的三线圈松耦合变压器单元3，经有限元建模仿真分析，原边自感L1为118uH，副边自感L2为 119uH，耦合系数k12为0.212，M12为25uH；附加线圈自感L3为59uH，附加线圈与三线圈松耦合变压器单元3的原边绕组之间的耦合系数k13为0,；设开关频率为100kHz，原、副边补偿电容C1和C2均为21.4nF，附加电容C3为42.9nF；系统直流输入电压VIN为48V，占空比D＝1，电池负载6的恒流充电电流为2.4A，恒压充电电压为48V。
图3是系统在恒流阶段的输出电压和输出电流，在电池负载6恒流充电阶段中，电池负载6输入电流接近2.4A，电池负载6等效输入阻抗从5Ω增加至 15Ω，电池负载6电压变大。
图4是系统在恒压阶段的输出电压和输出电流，在电池负载6恒压充电阶段中，电压保持48V基本不变，电池等效输入阻抗从24Ω增加至30Ω，电池负载6输入电流从2A降到1.6A。
图5、图6是系统各个关键位置的电压和电流波形，用于计算器件应力并选型，在恒流阶段过程中，高频全桥逆变电路1输出电压U1、输出电流i1和全桥整流滤波电路5输入电压U2、输入电流i2，以及钳位整流电路7输入端的电压 U3和电流i3的波形。如图5所示，系统在恒流阶段过程中，由于附加线圈上的感应电压小于直流电源VIN电压值，钳位整流电路7的二极管不能导通，附加线圈上电流为零。
如图6所示，系统在恒压阶段过程中，高频全桥逆变电路1输出电压U1、输出电流i1和全桥整流滤波电路5输入电压U2、输入电流i2，以及钳位整流电路7输入端的电压U3和电流仿真波形i3以及钳的波形。由于附加线圈上的感应电压峰值已经大于直流电源VIN电压值，钳位整流电路7的二极管能导通，附加线圈上有电流流通，改变了系统的拓扑结构，附加线圈电压为正半周时，流入附加线圈的电流i3为负，即附加线圈经过过钳位整流电路7向直流电源输出电流及功率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (1)

1.一种可自动恒流-恒压切换的三线圈电池无线充电系统，其特征在于，包括：直流电源、高频全桥逆变电路(1)、原边补偿网络(2)、三线圈松耦合变压器单元(3)、副边补偿网络(4)、全桥整流滤波电路(5)、电池负载(6)、钳位整流电路(7)与附加线圈的补偿网络(8)；
所述原边补偿网络(2)包括原边补偿电容C1，原边补偿电容C1的一极与高频全桥逆变电路(1)的一桥臂中点连接，原边补偿电容C1的另一极与三线圈松耦合变压器单元(3)的原边绕组的一端连接，三线圈松耦合变压器单元(3)的原边绕组的另一端与高频全桥逆变电路(1)的另一桥臂中点连接；
所述副边补偿网络(4)包括副边补偿电容C2，副边补偿电容C2的一极与三线圈松耦合变压器单元(3)的副边绕组的一端连接，副边补偿电容C2的另一极与全桥整流滤波电路(5)的一桥臂中点连接，三线圈松耦合变压器单元(3)的副边绕组的另一端与全桥整流滤波电路(5)的另一桥臂中点连接，全桥整流滤波电路(5)的负极输出端与电池负载(6)的正极连接，全桥整流滤波电路(5)的正极输出端与电池负载(6)的负极连接；
所述附加线圈的补偿网络(8)包括附加补偿电容C3，附加补偿电容C3的一极与钳位整流电路(7)的一桥臂中点连接，另一极与三线圈松耦合变压器单元(3)的附加线圈绕组的一端相连，三线圈松耦合变压器单元(3)的附加线圈绕组的另一端与钳位整流电路(7)的另一桥臂中点连接，钳位整流电路(7)的输出端与直流电源输出端连接，钳位整流电路(7)的接地端与直流电源接地端连接；
在设定的系统工作角频率ω下，所述原边补偿电容C1、副边补偿电容C2与附加电容C3按照
Figure FDA0003529017040000011
取值，使系统工作于谐振状态，L1为三线圈松耦合变压器单元(3)的原边自感的感值，L2为三线圈松耦合变压器单元(3)的副边自感的感值，L3为三线圈松耦合变压器单元(3)的附加线圈的感值；
所述系统的三线圈松耦合变压器单元(3)的原、副边互感由恒流阶段的电池负载充电电流确定：
Figure FDA0003529017040000021
其中VIN为直流电源的电压值，IO为恒流充电阶段的电池负载(6)所需的充电电流，M12为三线圈松耦合变压器单元(3)的原、副边互感值；
所述系统的三线圈松耦合变压器单元(3)的附加线圈与原边绕组之间的互感由恒压阶段的电池充电电压确定：
Figure FDA0003529017040000022
其中M13为三线圈松耦合变压器单元(3)的原边绕组与附加线圈之间的互感值；
所述全桥整流滤波电路(5)与电池负载(6)可简化等效负载RE，RE的电压U3随着充电时间增大而增大，当U3峰值大于VIN时，三线圈松耦合变压器单元(3)的附加线圈上的感应电势将能导通钳位整流电路(7)，此时三线圈松耦合变压器单元(3)的原边电流被钳位，由此恒流-恒压切换电路生效，进入恒压充电阶段，其中，
Figure FDA0003529017040000023
U1、U3分别为高频全桥逆变电路(1)输出电压、钳位整流电路(7)输入端电压的基波分量的峰值，M23为三线圈松耦合变压器单元(3)的副边绕组与附加线圈之间的互感值，RE为全桥整流滤波电路(5)和电池负载(6)的总的等效负载，
Figure FDA0003529017040000031
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