CN112332505A - 一种单管逆变恒流-恒压无线充电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电池无线充电技术领域，涉及一种新型的单管逆变恒流‑恒压无线充电装置及方法，摒弃现有技术中全桥电路的四个开关管和复杂的闭环控制流程，通过将由恒流模式下开关频率f_CC切换至恒压模式下开关频率f_CV实现由恒流输出模式到恒压输出模式的切换的方法；其结构简单，控制方便，开关损耗低，成本低，效率高，能实现对蓄电池恒流‑恒压充电的要求。

Description

一种单管逆变恒流-恒压无线充电装置及方法

技术领域：

本发明属于电池无线充电技术领域，涉及一种新型的单管逆变恒流-恒压无线充电装置及方法，摒弃现有技术中全桥电路的四个开关管和复杂的闭环控制流程。

背景技术：

目前，对于感应电能传输(Inductively Power Transfer，IPT)系统的恒流-恒压拓扑的研究大多只停留在全桥电路上。由于单管电路结构的特殊性，目前现有的适用于全桥电路的双边LCC补偿网络并不能适用于单管电路，且在全桥电路上的恒流-恒压补偿拓扑的分析过程和参数计算极为繁琐、复杂；在成本、电路工作的可靠性、闭环控制策略的难易度上远不及单管IPT系统。因此，在单管电路上研究恒流-恒压输出有很大的应用开发价值，亟需设计一种新型的单管逆变恒流-恒压无线充电装置及其控制方法，通过在单管电路上引入一种新的P-CLCL补偿网络，并通过合理的补偿网络参数设计，在单管电路上实现恒流-恒压输出。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，设计提供一种新型的单管逆变恒流-恒压无线充电装置及方法，弥补无法利用单管电路实现恒流-恒压输出的研究空白这一现状，通过将由恒流模式下开关频率f_CC切换至恒压模式下开关频率f_CV实现由恒流输出模式到恒压输出模式的切换的方法。

为了实现上述目的，本发明所述单管逆变恒流-恒压无线充电装置的主体结构包括第一工频整流桥、第一工频滤波电容、第一P补偿网络、第二CLCL补偿网络、第二高频整流桥、第二高频滤波电容、蓄电池、原边控制电路和副边检测电路；其中原边控制电路由原边电压检测电路、原边无线通信电路、原边单片机控制电路、开关管驱动电路和原边辅助电源组成，副边检测电路由电压采样电路、电流采样电路、副边辅助电源、副边单片机控制电路和副边无线通信电路组成，第一工频整流桥、第一工频滤波电容和第一P补偿网络依次按照电学原理进行连接，原边线圈的自感与第一P补偿网络的输出端相连，副边线圈的自感与第二CLCL补偿网络的输入端相连，原边线圈的自感与副边线圈的自感之间形成线圈与副边线圈之间的互感，且副边线圈的自感、副边线圈的自感、线圈与副边线圈之间的互感组成松耦合变压器；第二高频整流桥的两端分别与第二CLCL补偿网络和第二高频滤波电容相连，蓄电池与第二高频滤波电容相连，原边辅助电源与第一工频滤波电容的输出端相连，原边辅助电源分别与无线通信电路、原边单片机控制电路、开关管驱动电路相连，原边单片机控制电路分别与原边电压检测电路、原边无线通信电路和开关管驱动电路相连，蓄电池分别与电压采样电路、电流采样电路、副边辅助电源相连，副边单片机控制电路分别与电压采样电路、电流采样电路、副边辅助电源和副边无线通信电路相连，工频交流电经第一工频整流桥、第一工频滤波电容整流滤波后转换成直流电压，为主电路提供能量来源，通过开关管的开通和关断动作将整流滤波得到的直流电压逆变成高频交流电，施加在原边谐振电容的两端，然后经由第一P补偿网络、松耦合变压器、第二CLCL补偿网络后输出一高频交流电，再经第二高频整流桥、第二高频滤波电容转换成直流电，为蓄电池供电；当蓄电池的电压被充为设定值时，切换开关频率，完成恒流充电模式到恒压充电模式的转换。

本发明实现恒流-恒压充电的具体过程为：

(1)启动交流电源，交流电经第一工频整流桥和第一工频滤波电容整流滤波后为原边辅助电源供电，以使原边控制电路正常工作；由副边输出负载电压为副边辅助电源供电，以使副边状态检测电路正常工作；

(2)设定初始充电模式为恒流充电，对蓄电池进行充电，该模式下的开关频率为f_CC，且在该阶段下使先令副边单片机控制电路对电压采样电路采到的电压信号进行AD转化，当判断到采集的电压信号低于恒压模式输出值时，副边无线通信电路不向原边无线通信电路发送由f_CC切换至恒压模式下开关频率f_CV的指令，随后对电流采样电路采集到的信号进行AD转化，通过发送微调工作频率f_CC的指令，经原边无线通信电路和原边单片机控制电路接收处理后，使开关管驱动电路发出预期的开关管驱动PWM波形，从而使输出电流保持恒定；

(3)在恒流充电模式下当检测到蓄电池两端的电压达到恒压模式输出电压值的瞬间，由电压采样电路采集并经副边单片机控制电路处理后，控制副边无线通信电路向原边无线通信电路发送由f_CC切换至恒压模式下开关频率f_CV的指令，此时电路将从恒流充电模式切换至恒压充电模式，通过副边单片机控制电路和副边无线通信电路向原边无线通信电路和原边单片机控制电路反馈电压采样电路采集到的电压信号，并根据预期设定的微调工作频率f_CV的程序使得输出电压保持恒定；

(4)在恒压充电阶段，当检测到输出的负载电流下降为蓄电池或锂电池充电的最小界限时，则证明电池已被充满电，此时由副边单片机控制电路及副边无线通信电路发送停止充电指令；原边无线通信电路以及原边单片机控制电路的接收到该讯息后，终止PWM波形的继续生成，使开关管驱动电路停发PWM脉冲信号，以使充电结束。

本发明与现有的充电装置和方法相比，其结构简单，控制方便，开关损耗低，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为本发明所述单管逆变恒流-恒压无线充电装置的电路结构原理示意图。

图2为本发明所述单管逆变恒流-恒压无线充电装置的工作流程示意图。

图3为本发明所述单管逆变恒流-恒压无线充电用P-CLCL补偿网络的互感等效模型(a)和经戴维南/诺顿定理简化后互感等效模型(b)，其中L_P、M、L_S分别为原边线圈的自感，原边线圈与副边线圈之间的互感，副边线圈的自感；C₁、L₁、C₂、L₂分别为构成副边第二CLCL补偿网络的电容和电感，且L₁＝L₁₁+L₁₂。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例：

本实施例所述单管逆变恒流-恒压无线充电装置的主体结构包括第一工频整流桥1、第一工频滤波电容2、第一P补偿网络3、第二CLCL补偿网络4、第二高频整流桥5、第二高频滤波电容6、蓄电池7、原边控制电路9和副边检测电路8；其中原边控制电路9由原边电压检测电路17、原边无线通信电路16、原边单片机控制电路18、开关管驱动电路19和原边辅助电源15组成，副边检测电路8由电压采样电路10、电流采样电路11、副边辅助电源12、副边单片机控制电路14和副边无线通信电路13组成，第一工频整流桥1、第一工频滤波电容2和第一P补偿网络3依次按照电学原理进行连接，L_P与第一P补偿网络3的输出端相连，L_S与第二CLCL补偿网络4的输入端相连，L_P与L_S之间设有M，且L_P、L_S、M组成一松耦合变压器。其中L_P、M、L_S分别为原边线圈的自感，原边线圈与副边线圈之间的互感，副边线圈的自感。第二高频整流桥5的两端分别与第二CLCL补偿网络4和第二高频滤波电容6相连，蓄电池7与第二高频滤波电容6相连，原边辅助电源15与第一工频滤波电容2的输出端相连，原边辅助电源15分别与无线通信电路16、原边单片机控制电路18、开关管驱动电路19相连，原边单片机控制电路18分别与原边电压检测电路17、原边无线通信电路16和开关管驱动电路19相连，蓄电池7分别与电压采样电路10、电流采样电路11、副边辅助电源12相连，副边单片机控制电路14分别与电压采样电路10、电流采样电路11、副边辅助电源12和副边无线通信电路13相连，工频交流电AC经第一工频整流桥1、第一工频滤波电容2整流滤波后转换成直流电压，为主电路提供能量来源，通过开关管Q的开通和关断动作将整流滤波得到的直流电压逆变成高频交流电，施加在原边谐振电容C_P的两端，然后经由第一P补偿网络3、松耦合变压器(L_P、M、L_S)、第二CLCL补偿网络4后输出一高频交流电，再经第二高频整流桥5、第二高频滤波电容6转换成直流电，为蓄电池7供电；当蓄电池7的电压被充为设定值时，切换开关频率，完成恒流充电模式到恒压充电模式的转换。

本实施例实现恒流-恒压充电的具体过程为：

(1)启动AC交流源，经第一工频整流桥1和第一工频滤波电容2整流滤波后为原边辅助电源15供电，以使原边控制电路9正常工作；由副边输出负载电压为副边辅助电源12供电，以使副边状态检测电路8正常工作；

(2)设定初始充电模式为恒流充电，对蓄电池7进行充电，该模式下的开关频率为f_CC，且在该阶段下使先令副边单片机控制电路14对电压采样电路10采到的电压信号进行AD转化，当判断到采集的电压信号低于恒压模式输出值时，副边无线通信电路14不向原边无线通信电路16发送由f_CC切换至f_CV的指令，随后对电流采样电路11采集到的信号进行AD转化，通过发送微调工作频率f_CC的指令，经原边无线通信电路16和原边单片机控制电路18接收处理后，使开关管驱动电路19发出预期的开关管驱动PWM波形，从而使输出电流保持恒定；

(3)在恒流充电模式下当检测到蓄电池7两端的电压达到恒压模式输出电压值的瞬间，由电压采样电路10采集并经副边单片机控制电路14处理后，控制副边无线通信电路13向原边无线通信电路16发送由f_CC切换至f_CV的指令，此时电路将从恒流充电模式切换至恒压充电模式，通过副边单片机控制电路14和副边无线通信电路13向原边无线通信电路16和原边单片机控制电路18反馈电压采样电路10采集到的电压信号，并根据预期设定的微调工作频率f_CV的程序使得输出电压保持恒定；

(4)在恒压充电阶段，当检测到输出的负载电流下降为蓄电池或锂电池充电的最小界限时，则证明电池已被充满电，此时由副边单片机控制电路14及副边无线通信电路13发送停止充电指令；原边无线通信电路16以及原边单片机控制电路18的接收到该讯息后，终止PWM波形的继续生成，使开关管驱动电路19停发PWM脉冲信号，以使充电结束。

本实施例与现有技术中全桥的双边LCC补偿拓扑相比，在恒流模式下，电路只需满足：

在恒压模式下，电路只需满足：

其中，ω_CC为恒流模式下的工作角频率，ω_CV为恒压模式下的工作角频率，L_P、M、L_S分别为原边线圈的自感、原边线圈与副边线圈之间的互感、副边线圈的自感；C₁、L₁、C₂、L₂分别为构成副边第二CLCL补偿网络的电容和电感，且L₁＝L₁₁+L₁₂。

Claims (2)

1.一种单管逆变恒流-恒压无线充电装置，其特征在于主体结构包括第一工频整流桥、第一工频滤波电容、第一P补偿网络、第二CLCL补偿网络、第二高频整流桥、第二高频滤波电容、蓄电池、原边控制电路和副边检测电路；其中原边控制电路由原边电压检测电路、原边无线通信电路、原边单片机控制电路、开关管驱动电路和原边辅助电源组成，副边检测电路由电压采样电路、电流采样电路、副边辅助电源、副边单片机控制电路和副边无线通信电路组成，第一工频整流桥、第一工频滤波电容和第一P补偿网络依次按照电学原理进行连接，原边线圈的自感与第一P补偿网络的输出端相连，副边线圈的自感与第二CLCL补偿网络的输入端相连，原边线圈的自感与副边线圈的自感之间形成线圈与副边线圈之间的互感，且副边线圈的自感、副边线圈的自感、线圈与副边线圈之间的互感组成松耦合变压器；第二高频整流桥的两端分别与第二CLCL补偿网络和第二高频滤波电容相连，蓄电池与第二高频滤波电容相连，原边辅助电源与第一工频滤波电容的输出端相连，原边辅助电源分别与无线通信电路、原边单片机控制电路、开关管驱动电路相连，原边单片机控制电路分别与原边电压检测电路、原边无线通信电路和开关管驱动电路相连，蓄电池分别与电压采样电路、电流采样电路、副边辅助电源相连，副边单片机控制电路分别与电压采样电路、电流采样电路、副边辅助电源和副边无线通信电路相连，工频交流电经第一工频整流桥、第一工频滤波电容整流滤波后转换成直流电压，为主电路提供能量来源，通过开关管的开通和关断动作将整流滤波得到的直流电压逆变成高频交流电，施加在原边谐振电容的两端，然后经由第一P补偿网络、松耦合变压器、第二CLCL补偿网络后输出一高频交流电，再经第二高频整流桥、第二高频滤波电容转换成直流电，为蓄电池供电；当蓄电池的电压被充为设定值时，切换开关频率，完成恒流充电模式到恒压充电模式的转换。

2.一种如权利要求1所述单管逆变恒流-恒压无线充电装置的充电方法，其特征在于实现恒流-恒压充电的具体过程为：

(1)启动交流电源，交流电经第一工频整流桥和第一工频滤波电容整流滤波后为原边辅助电源供电，以使原边控制电路正常工作；由副边输出负载电压为副边辅助电源供电，以使副边状态检测电路正常工作；

(2)设定初始充电模式为恒流充电，对蓄电池进行充电，该模式下的开关频率为f_CC，且在该阶段下使先令副边单片机控制电路对电压采样电路采到的电压信号进行AD转化，当判断到采集的电压信号低于恒压模式输出值时，副边无线通信电路不向原边无线通信电路发送由f_CC切换至恒压模式下开关频率f_CV的指令，随后对电流采样电路采集到的信号进行AD转化，通过发送微调工作频率f_CC的指令，经原边无线通信电路和原边单片机控制电路接收处理后，使开关管驱动电路发出预期的开关管驱动PWM波形，从而使输出电流保持恒定；

(3)在恒流充电模式下当检测到蓄电池两端的电压达到恒压模式输出电压值的瞬间，由电压采样电路采集并经副边单片机控制电路处理后，控制副边无线通信电路向原边无线通信电路发送由f_CC切换至恒压模式下开关频率f_CV的指令，此时电路将从恒流充电模式切换至恒压充电模式，通过副边单片机控制电路和副边无线通信电路向原边无线通信电路和原边单片机控制电路反馈电压采样电路采集到的电压信号，并根据预期设定的微调工作频率f_CV的程序使得输出电压保持恒定；

(4)在恒压充电阶段，当检测到输出的负载电流下降为蓄电池或锂电池充电的最小界限时，则证明电池已被充满电，此时由副边单片机控制电路及副边无线通信电路发送停止充电指令；原边无线通信电路以及原边单片机控制电路的接收到该讯息后，终止PWM波形的继续生成，使开关管驱动电路停发PWM脉冲信号，以使充电结束。

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