CN112421734A - 一种单级式高阶补偿恒流恒压无线充电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电学技术领域，涉及一种单级式高阶补偿恒流恒压无线充电装置及方法，主体结构包括L₁C₁滤波电路、全桥型AC‑AC谐振变换器、第一高阶谐振网络、发射线圈、接收线圈、第二高阶谐振网络、高频整流电路、滤波电容、原边控制电路、副边控制电路和蓄电池；第一高阶谐振网络和第二高阶谐振网络有多种结构，在开关管工作频率固定的情况下切换高阶补偿拓扑实现恒流模式到恒压模式进行充电，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，有实际应用价值，可广泛应用于无线充电领域。

Description

一种单级式高阶补偿恒流恒压无线充电装置及方法

技术领域：

本发明属于电学技术领域，涉及一种单级式高阶补偿恒流恒压无线充电装置 及方法，特别是一种可对蓄电池进行恒流恒压无线充电的单级实现高阶补偿感应 耦合电能传输装置及方法。

背景技术：

目前，基于感应耦合无线电能传输(Inductively Coupled Power Transfer，ICPT) 技术的恒流-恒压充电系统的主电路拓扑大多采用全桥电压型逆变电路，一般至 少要经过三级功率变换，即工频整流、逆变、高频整流，来得到理想的直流输出， 还未见基于单级实现恒流-恒压无线电能传输的相关文献或公开使用，传统的三 级功率变换方式，即使每一级的传输效率很高，系统整体效率也不能达到很高的 水平。因此，设计一种单级功率变换的恒流-恒压无线充电系统以实现系统整体 效率的大幅度提高具有非常大的实用价值，且为了适应磁耦合器参数固定的情况 下增益可调节，设计专门针对单级实现的恒流恒压无线充电装置的高阶补偿网络。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，弥补当前没有单级实现高阶补偿 恒流-恒压无线电能传输的空白，设计提供多种在开关管工作频率固定的情况下 切换高阶补偿拓扑实现恒流模式到恒压模式的无线充电装置及控制方法。

为了实现上述目的，本发明所述单级式高阶补偿恒流恒压无线充电装置的主 体结构包括L₁C₁滤波电路、全桥型AC-AC谐振变换器、第一高阶谐振网络、发 射线圈、接收线圈、第二高阶谐振网络、高频整流电路、滤波电容、原边控制电 路、副边控制电路和蓄电池；220伏工频交流电经L₁C₁滤波电路以后进入全桥 型AC-AC谐振变换器，产生高频交流电；高频交流电经过第一高阶谐振网络施 加在发射线圈两端，并在接收线圈两端感应出电流，该电流经过第二高阶谐振网 络、高频整流电路和滤波电容后变为所需要的直流电，供给蓄电池进行充电； L₁C₁滤波电路由第一电感和第一电容连接组成低通滤波器，滤除高次谐波；全桥型AC-AC谐振变换器为四个开关管组成的全桥结构，中间连接第二电容，全 桥结构的前桥臂连接两个二极管，用于改变电能的频率和幅值；第一高阶谐振网 络由第三电感、第三电容、第四电容从左到右按T型结构连接，用于补偿发射 线圈的无功环流，第一高阶谐振网络的前端与全桥型AC-AC谐振变换器的输出 端相连，后端与发射线圈相连接；由于磁场耦合作用，发射线圈将电能传输到接 收线圈；第二高阶谐振网络由第五电容、第六电容和第四电感左到右按T型结 构连接，两端分别与接收线圈和高频整流电路相连接，用于补偿接收线圈的无功 环流，第二高阶谐振网络上设有继电器模块，继电器模块包括继电器的驱动电路， 用于控制第二高阶谐振网络中的开关；高频整流电路由四个二极管组成全桥整流电路，前端与第二高阶谐振网络的输出端相连，后端通过滤波电容与蓄电池相连， 高频整流电路和滤波电容将交流电变为直流电并向蓄电池充电；原边控制电路包 括第一单片机控制电路、第一驱动电路、第一辅助电源、第一无线通信电路、第 一电压检测电路、第二电压检测电路；第一驱动电路与分别与四个开关管的栅极 相连，第一辅助电源、第一电压检测电路分别与交流电源相连，第二电压检测电 路与全桥型AC-AC谐振变换器中的第二电容相连；第一单片机控制电路分别与 第一驱动电路、第一辅助电源、第一无线通信电路、第一电压检测电路、第二电 压检测电路连接；第一辅助电源为第一无线通信电路、驱动电路、第一单片机控 制电路供电；第一单片机控制电路根据第一电压检测电路和第二电压检测电路输 出全桥型AC-AC谐振变换器中前桥臂两个开关管的驱动信号，根据第一电压检 测电路与第一无线通讯电路输出全桥型AC-AC谐振变换器中后桥臂两个开关管 的驱动信号，驱动信号进入第一驱动电路进行放大；第一电压检测电路用于检测 交流电源的极性，第二电压检测电路用于检测第二电容的电压，并将信号送入第 一单片机控制电路；副边控制电路包括采样电路、第二单片机控制电路、第二辅 助电源及第二无线通信电路、第二驱动电路；采样电路与蓄电池正极相连，检测 蓄电池的输出电压和输出电流；第二单片机控制电路分别与采样电路、第二辅助 电源和第二无线通信电路、第二驱动电路相连；第二辅助电源与第三电感相连， 为采样电路、第二单片机控制电路和第二无线通信电路及第二驱动电路供电；第 二单片机控制电路根据接收到的采样电路的电压电流信号，控制第二无线通信电路向第一无线通信电路发射反馈信号。

本发明所述第一高阶谐振网络和第二高阶谐振网络的结构能用以下四种替 换：(1)第一高阶谐振网络由第三电感、第三电容、第四电容从左到右按T 型结构连接，并增设继电器模块，第二高阶谐振网络由第五电容、第六电容组成 反Г型结构，第四电感设置在高频整流电路与滤波电容之间；(2)第一谐振网 络仅由第三电容组成，第三电容串联接入全桥型AC-AC谐振变换器和发射线圈 之间，第二高阶谐振网络由第四电容、第五电容和第三电感左到右按T型结构 连接；(3)第一谐振网络仅由第三电容组成，并增设继电器模块，第三电容串 联接入全桥型AC-AC谐振变换器和发射线圈之间，第二高阶谐振网络由第四电容、第五电容组成反Г型结构，第四电感设置在高频整流电路与滤波电容之间； (4)第一谐振网络仅由第三电容组成，并增设继电器模块，第三电容串联接入 全桥型AC-AC谐振变换器和发射线圈之间，第二高阶谐振网络由第四电容、第 五电容和第三电感左到右按π型结构连接，第四电感设置在高频整流电路与滤波 电容之间。

本发明实现单级式高阶补偿恒流恒压无线充电控制的过程具体包括以下步 骤：

(1)启动交流电源为主电路供电，启动第一辅助电源分别为第一单片机控 制电路、第一驱动电路、第一无线通信电路供电，启动第二辅助电源分别为采样 电路、第二单片机控制电路、第二无线通信电路及第二驱动电路供电；

(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，先使采样电路工作，第二单片机控制电路对采集到的信号进行 AD转化，当采集的蓄电池两端电压低于预先设定值时，经由第二单片机控制电 路判断后在电流采样模式下工作，并向第二无线通信电路传输数据，使其与第一 无线通信电路进行无线通信；当第一单片机控制电路检测到来自第一无线通信电 路的信号后，第一单片机控制电路调整全桥型AC-AC谐振变换器中后桥臂占空 比使主电路工作在恒流输出模式下，并通过通过调整全桥型AC-AC谐振变换器 中前桥臂的占空比维持第二电容两端的电压；

(3)采集的蓄电池两端电压达到恒压模式输出电压值的瞬间，由采样电路 采集到此时的蓄电池两端电压值，经第二单片机控制电路处理后，通过第二驱动 电路向副边继电器模块发出信号，使继电器常闭开关关断，并向第二无线通信电 路传输数据，使其与第一无线通信电路进行无线通信，当第一单片机控制电路检 测到来自第一无线通信电路的信号后，第一单片机控制电路调整全桥型AC-AC 谐振变换器中后桥臂占空比维持恒压模式，并通过通过调整全桥型AC-AC谐振 变换器中前桥臂的占空比维持第二电容两端的电压；

(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，经由第二单片机控制电路、第二无线通信电路、第一无线通信电路 以及第一单片机控制电路的处理后，使驱动电路停发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方法相比主电路损耗低，而且结构简单，成本低，效 率高，能实现对蓄电池恒流-恒压充电的要求，有实际应用价值，可广泛应用于 无线充电领域。

附图说明：

图1是本发明所述单级实现的高阶补偿恒流恒压无线充电装置原理示意图。

图2是本发明提出的五种单级实现恒流恒压无线充电的高阶补具体拓扑。

图3是本发明所述恒流-恒压输出电压、电流波形示意图。

图4是本发明所述单级实现的高阶补偿恒流恒压工作模式转换的的工作流 程示意图，其中u_B为充电时蓄电池两端的电压采样值，U_ref为恒流-恒压模式转 换时的蓄电池两端电压值，i_B为充电时流经蓄电池的电流值，I_min为设定的充电 结束时流经蓄电池的电流值。

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1：

本实施例所述单级式高阶补偿恒流恒压无线充电装置的主体结构包括L₁C₁滤波电路1、全桥型AC-AC谐振变换器2、第一高阶谐振网络3、发射线圈L_p、 接收线圈L_s、第二高阶谐振网络4、高频整流电路5、滤波电容C₀、原边控制电 路6、副边控制电路7和蓄电池8；220伏工频交流电V_ac经L₁C₁滤波电路1以 后进入全桥型AC-AC谐振变换器，产生高频交流电；高频交流电经过第一高阶 谐振网络3施加在发射线圈L_p两端，并在接收线圈L_s两端感应出电流，该电流 经过第二高阶谐振网络4、高频整流电路5和滤波电容C₂后变为所需要的直流 电，供给蓄电池8进行充电；L₁C₁滤波电路1由第一电感L₁和第一电容C₁连接 组成低通滤波器，滤除高次谐波；全桥型AC-AC谐振变换器2为四个开关管S₁-S₄组成的全桥结构，中间连接第二电容C_bus，全桥结构的前桥臂连接两个二极管 D_R1和D_R1，用于改变电能的频率和幅值；第一高阶谐振网络3补偿发射线圈L_p的无功环流，由第三电感L₃、第三电容C_p1、第四电容C_s1从左到右按T型结构 连接，前端与全桥型AC-AC谐振变换器的输出端相连，后端与发射线圈L_p相连 接；由于磁场耦合作用，发射线圈L_p将电能传输到接收线圈L_s；第二高阶谐振 网络4由第五电容C_s2、第六电容C_p2和第四电感L₄左到右按T型结构连接，两 端分别与接收线圈L_s和高频整流电路5相连接，用于补偿接收线圈L_s的无功环 流，第二高阶谐振网络4上设有继电器模块20，继电器模块包括继电器的驱动 电路，用于控制第二高阶谐振网络4中的开关；高频整流电路5由四个二极管 D₁-D₄组成全桥整流电路，前端与第二高阶谐振网络4的输出端相连，后端与负 载相连，高频整流电路5和滤波电容C₂将交流电变为直流电并向蓄电池8充电； 原边控制电路6包括第一单片机控制电路9、第一驱动电路10、第一辅助电源 11、第一无线通信电路12、第一电压检测电路13、第二电压检测电路14；第一 驱动电路10与分别与四个开关管S₁、S₂、S₃、S₄的栅极相连，第一辅助电源11、 第一电压检测电路13分别与交流电源相连，第二电压检测电路14与全桥型 AC-AC谐振变换器2中的第二电容C_bus相连；第一单片机控制电路9分别与第 一驱动电路10、第一辅助电源11、第一无线通信电路12、第一电压检测电路13、 第二电压检测电路14连接；第一辅助电源11为第一无线通信电路12、驱动电路10、第一单片机控制电路9供电；第一单片机控制电路9根据第一电压检测 电路13和第二电压检测电路14输出全桥型AC-AC谐振变换器2中前桥臂两个 开关管S₁、S₂的驱动信号，根据第一电压检测电路与第一无线通讯电路输出全 桥型AC-AC谐振变换器2中后桥臂开关管S₃、S₄的驱动信号，驱动信号进入第 一驱动电路10进行放大；第一电压检测电路13用于检测交流电源的极性，第二 电压检测电路13用于检测第二电容C_bus的电压，并将信号送入第一单片机控制 电路9；副边控制电路7包括采样电路15、第二单片机控制电路16、第二辅助 电源17及第二无线通信电路18、第二驱动电路19；采样电路15与蓄电池8正 极相连，检测蓄电池8的输出电压和输出电流；第二单片机控制电路16分别与 采样电路15、第二辅助电源17和第二无线通信电路18、第二驱动电路19相连； 第二辅助电源17与第三电感L₃相连，为采样电路15、第二单片机控制电路16 和第二无线通信电路18及第二驱动电路19供电；第二单片机控制电路16根据 接收到的采样电路15的电压电流信号，控制第二无线通信电路18向第一无线通 信电路12发射反馈信号。

本实施例实现单级式高阶补偿恒流恒压无线充电控制的过程具体包括以下 步骤：

(1)启动交流电源为主电路供电，启动第一辅助电源11分别为第一单片机 控制电路9、第一驱动电路10、第一无线通信电路12供电，启动第二辅助电源 17分别为采样电路15、第二单片机控制电路16、第二无线通信电路18及第二 驱动电路19供电；

(2)主电路到达稳定工作状态时，开始对蓄电池8进行充电，充电的第一 阶段为恒流充电，先使采样电路15工作，第二单片机控制电路16对采集到的信 号进行AD转化，当采集的蓄电池两端电压u_B低于预先设定值U_ref时，经由第 二单片机控制电路16判断后在电流采样模式下工作，并向第二无线通信电路18 传输数据，使其与第一无线通信电路12进行无线通信；当第一单片机控制电路 9检测到来自第一无线通信电路12的信号后，第一单片机控制电路9调整全桥 型AC-AC谐振变换器2中后桥臂S₃、S₄占空比使主电路工作在恒流输出模式下， 并通过通过调整全桥型AC-AC谐振变换器2中前桥臂S₁、S₂的占空比维持第二 电容C_bus两端的电压；

(3)采集的蓄电池两端电压u_B达到恒压模式输出电压值U_ref的瞬间，由采 样电路15采集到这一电压值，经第二单片机控制电路16处理后，通过第二驱动 电路19向副边继电器模块20发出信号，使继电器常闭开关关断，并向第二无线 通信电路18传输数据，使其与第一无线通信电路12进行无线通信，当第一单片 机控制电路9检测到来自第一无线通信电路12的信号后，第一单片机控制电路 9调整全桥型AC-AC谐振变换器2中后桥臂S₃、S₄占空比维持恒压模式，并通 过通过调整全桥型AC-AC谐振变换器2中前桥臂S₁、S₂的占空比维持第二电容 C_bus两端的电压；

(4)在恒压充电阶段，当检测到流经蓄电池8的电流下降到小于预先设定 的界限I_min时，经由第二单片机控制电路16、第二无线通信电路18、第一无线 通信电路12以及第一单片机控制电路9的处理后，使驱动电路10停发PWM脉 冲信号，以使充电结束，否则继续恒压输出。

实施例2：

本实施例所述第一高阶谐振网络3的结构如图2(2c)所示，由第三电感L₃、 第三电容C_p1、第四电容C_s1从左到右按T型结构连接组成，第一高阶谐振网络 3上设有继电器模块21，并分别与全桥型AC-AC谐振变换器的输出端和发射线 圈L_p相连接；第二高阶谐振网络的结构如图2(2d)所示，包括由第五电容C_s2、 第六电容C_p2组成反Г型结构，第二高阶谐振网络的前端与接收线圈L_s相连接， 后端与高频整流电路5相连接，第四电感L₄的两端分别与高频整流电路中的第 三二极管D₃和滤波电容C₀相连，其余与实施例1相同。

实施例3：

本实施例所述第一谐振网络3的结构如图2(3e)所示，将第三电容C_s1串 联接入全桥型AC-AC谐振变换器2和发射线圈L_p之间，第二高阶谐振网络的结 构如图2(3f)所示，包括第四电容C_s2、第五电容C_p2和第三电感L₄左到右按T 型结构连接，并与接收线圈L_s相连接，及高频整流电路5相连接，其余与实施 例1相同。

实施例4：

本实施例所述第一高阶谐振网络3的结构如图2(4g)所示，将第三电容 C_s1串联接入全桥型AC-AC谐振变换器及发射线圈L_p之间，第一高阶谐振网络3 上设有继电器模块21，第二高阶谐振网络的结构如图2(4h)所示，由第四电容 C_s2、第五电容C_p2组成反Г型结构，前端与接收线圈L_s相连接，后端与高频整 流电路5相连接，第四电感L₄的两端分别与高频整流电路中的第三二极管D₃和 滤波电容C₀相连，其余与实施例1相同。

实施例5：

本实施例所述第一高阶谐振网络3的结构如图2(5i)所示，将第三电容C_s1串联接入全桥型AC-AC谐振变换器及发射线圈L_p之间，第一高阶谐振网络3上 设有继电器模块21，第二高阶谐振网络的结构如图2(5j)所示，包括第四电容 C_p2、第五电容C_p3和第三电感L₃左到右按π型结构连接，前端与接收线圈L_s相 连接，后端与高频整流电路5相连接，第四电感L₄的两端分别与高频整流电路 中的第三二极管D₃和滤波电容C₀相连，其余与实施例1相同。

Claims (3)

1.一种单级式高阶补偿恒流恒压无线充电装置，其特征在于，该装置的主体结构包括L₁C₁滤波电路、全桥型AC-AC谐振变换器、第一高阶谐振网络、发射线圈、接收线圈、第二高阶谐振网络、高频整流电路、滤波电容、原边控制电路、副边控制电路和蓄电池；220伏工频交流电经L₁C₁滤波电路以后进入全桥型AC-AC谐振变换器，产生高频交流电；高频交流电经过第一高阶谐振网络施加在发射线圈两端，并在接收线圈两端感应出电流，该电流经过第二高阶谐振网络、高频整流电路和滤波电容后变为所需要的直流电，供给蓄电池进行充电；L₁C₁滤波电路由第一电感和第一电容连接组成低通滤波器，滤除高次谐波；全桥型AC-AC谐振变换器为四个开关管组成的全桥结构，中间连接第二电容，全桥结构的前桥臂连接两个二极管，用于改变电能的频率和幅值；第一高阶谐振网络由第三电感、第三电容、第四电容从左到右按T型结构连接，用于补偿发射线圈的无功环流，第一高阶谐振网络的前端与全桥型AC-AC谐振变换器的输出端相连，后端与发射线圈相连接；由于磁场耦合作用，发射线圈将电能传输到接收线圈；第二高阶谐振网络由第五电容、第六电容和第四电感左到右按T型结构连接，两端分别与接收线圈和高频整流电路相连接，用于补偿接收线圈的无功环流，第二高阶谐振网络上设有继电器模块，继电器模块包括继电器的驱动电路，用于控制第二高阶谐振网络中的开关；高频整流电路由四个二极管组成全桥整流电路，前端与第二高阶谐振网络的输出端相连，后端通过滤波电容与蓄电池相连，高频整流电路和滤波电容将交流电变为直流电并向蓄电池充电；原边控制电路包括第一单片机控制电路、第一驱动电路、第一辅助电源、第一无线通信电路、第一电压检测电路、第二电压检测电路；第一驱动电路与分别与四个开关管的栅极相连，第一辅助电源、第一电压检测电路分别与交流电源相连，第二电压检测电路与全桥型AC-AC谐振变换器中的第二电容相连；第一单片机控制电路分别与第一驱动电路、第一辅助电源、第一无线通信电路、第一电压检测电路、第二电压检测电路连接；第一辅助电源为第一无线通信电路、驱动电路、第一单片机控制电路供电；第一单片机控制电路根据第一电压检测电路和第二电压检测电路输出全桥型AC-AC谐振变换器中前桥臂两个开关管的驱动信号，根据第一电压检测电路与第一无线通讯电路输出全桥型AC-AC谐振变换器中后桥臂两个开关管的驱动信号，驱动信号进入第一驱动电路进行放大；第一电压检测电路用于检测交流电源的极性，第二电压检测电路用于检测第二电容的电压，并将信号送入第一单片机控制电路；副边控制电路包括采样电路、第二单片机控制电路、第二辅助电源及第二无线通信电路、第二驱动电路；采样电路与蓄电池正极相连，检测蓄电池的输出电压和输出电流；第二单片机控制电路分别与采样电路、第二辅助电源和第二无线通信电路、第二驱动电路相连；第二辅助电源与第三电感相连，为采样电路、第二单片机控制电路和第二无线通信电路及第二驱动电路供电；第二单片机控制电路根据接收到的采样电路的电压电流信号，控制第二无线通信电路向第一无线通信电路发射反馈信号。

2.根据权利要求1所述单级式高阶补偿恒流恒压无线充电装置，其特征在于，所述第一高阶谐振网络和第二高阶谐振网络的结构能用以下四种替换：(1)第一高阶谐振网络由第三电感、第三电容、第四电容从左到右按T型结构连接，并增设继电器模块，第二高阶谐振网络由第五电容、第六电容组成反Г型结构，第四电感设置在高频整流电路与滤波电容之间；(2)第一谐振网络仅由第三电容组成，第三电容串联接入全桥型AC-AC谐振变换器和发射线圈之间，第二高阶谐振网络由第四电容、第五电容和第三电感左到右按T型结构连接；(3)第一谐振网络仅由第三电容组成，并增设继电器模块，第三电容串联接入全桥型AC-AC谐振变换器和发射线圈之间，第二高阶谐振网络由第四电容、第五电容组成反Г型结构，第四电感设置在高频整流电路与滤波电容之间；(4)第一谐振网络仅由第三电容组成，并增设继电器模块，第三电容串联接入全桥型AC-AC谐振变换器和发射线圈之间，第二高阶谐振网络由第四电容、第五电容和第三电感左到右按π型结构连接，第四电感设置在高频整流电路与滤波电容之间。

3.一种如权利要求2所述单级式高阶补偿恒流恒压无线充电装置的充电方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)启动交流电源为主电路供电，启动第一辅助电源分别为第一单片机控制电路、第一驱动电路、第一无线通信电路供电，启动第二辅助电源分别为采样电路、第二单片机控制电路、第二无线通信电路及第二驱动电路供电；

(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，先使采样电路工作，第二单片机控制电路对采集到的信号进行AD转化，当采集的蓄电池两端电压低于预先设定值时，经由第二单片机控制电路判断后在电流采样模式下工作，并向第二无线通信电路传输数据，使其与第一无线通信电路进行无线通信；当第一单片机控制电路检测到来自第一无线通信电路的信号后，第一单片机控制电路调整全桥型AC-AC谐振变换器中后桥臂占空比使主电路工作在恒流输出模式下，并通过通过调整全桥型AC-AC谐振变换器中前桥臂的占空比维持第二电容两端的电压；

(3)采集的蓄电池两端电压达到恒压模式输出电压值的瞬间，由采样电路采集到此时的蓄电池两端电压值，经第二单片机控制电路处理后，通过第二驱动电路向副边继电器模块发出信号，使继电器常闭开关关断，并向第二无线通信电路传输数据，使其与第一无线通信电路进行无线通信，当第一单片机控制电路检测到来自第一无线通信电路的信号后，第一单片机控制电路调整全桥型AC-AC谐振变换器中后桥臂占空比维持恒压模式，并通过通过调整全桥型AC-AC谐振变换器中前桥臂的占空比维持第二电容两端的电压；

(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，经由第二单片机控制电路、第二无线通信电路、第一无线通信电路以及第一单片机控制电路的处理后，使驱动电路停发PWM脉冲信号，以使充电结束，否则继续恒压输出。

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