CN113224825A - 一种无线充电系统及其改善互操作性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无线充电系统及其改善互操作性的方法，该系统包括原边补偿网络和副边补偿网络；原边补偿网络与副边补偿网络进行耦合传输电能，所述副边补偿网络中设有DC/DC变换器，所述DC/DC变换器用于通过调节占空比，调整原边补偿网络和副边补偿网络，在整体传输功率中存在的反射阻抗差异；本发明提供在在整流桥与负载之间设置DC/DC变换器，通过调节变换器的占空比，调整反射阻抗差异；实现改善无线充电系统互操作性。

Description

一种无线充电系统及其改善互操作性的方法
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种无线充电系统及其改善互操作性的方法。
背景技术
由于无导线连接、节省空间等优点，无线充电系统受到了越来越广泛的关注，并被引入到电动汽车、手机充电、智能家居等领域。在实际应用中，由于不同的厂家生产的无线充电系统可能使用不用的补偿电路，所以会存在不能互操作或者互操作性差的问题。专利CN 105958555A“可互操作的EV无线充电系统”对无线充电系统负中无线能量传输线圈的距离进行计算，来调整原边发射功率，但只是改善了不用线圈距离之间的互操作性，而未涉及到无线充电系统补偿网络互操作性改善的问题。专利CN 109774520 A“提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法”，提出了一种，根据获取矩形和DD线圈互操作时满足充电要求的耦合系数和计算得到的耦合系数，调节发射端位置，进一步使得XY方向的耦合系数无限接近矩形和DD线圈互操作时满足充电要求的耦合系数来改善无线充电线圈互操作性的方法。但其只能改善线圈之间的互操作性，而不能改善应用不同补偿电路的无线充电系统互操作性。因此，需要一种能够对使用不同补偿电路的无线充电系统互操作性进行改善，并且简单易行的方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术不能简单有效地改善应用不同补偿网络无线充电系统互操作性的问题，提出一种加入DC/DC变换器改善应用不同补偿网络无线充电系统互操作性的方法及应用该方法的无线充电系统。通过设置DCDC变换器，通过改变变换器的占空比，实现在不同无线充电系统原副边网络进行互操作，进而提高无线充电系统的能量传输效率等性能指标，以及无线充电系统在进行互操作时的安全性和稳定性。
本发明提供一种无线充电系统，包括：原边补偿网络和副边补偿网络；原边补偿网络与副边补偿网络进行耦合传输电能，所述副边补偿网络中设有DC/DC变换器，所述DC/DC变换器用于通过调节占空比，调整原边补偿网络和副边补偿网络，在整体传输功率中存在的反射阻抗差异。
进一步优选的，所述原边补偿网络包括直流电源、逆变器、原边补偿电路和无线能量传输线圈的发射线圈；
所述逆变器的输入端与直流电源连接，逆变器的输出端与原边补偿电路的输入端相连，原边补偿电路的输出端与无线能量传输线圈的发射线圈相连。
进一步优选的，所述副边补偿网络包括无线能量传输线圈的接收线圈、副边补偿电路、整流桥、DC/DC变换器以及负载；无线能量传输线圈的接收线圈与副边补偿电路的输入端相连，副边补偿电路的输出端与整流桥的输入端相连，整流桥的输出端与DC/DC变换器的输入端相连，DC/DC变换器的输出端与负载连接。
本发明实施例提供的无线充电系统，通过在副边补偿网络中设置DC/DC变换器，通过调节变换器的占空比，调整反射阻抗差异；实现改善无线充电系统互操作性。采用加入DC/DC变换器的方法，在改善无线充电系统互操作性的同时，加入闭环控制提高了系统的稳定性。
本发明还提供一种改善无线充电系统互操作性的方法，应用于上述无线充电系统，包括：调节DC/DC变换器的占空比，通过调节占空比的大小改变所述整流桥的等效阻抗；利用改变后的整流桥的等效阻抗，调整副边补偿网络参数；根据副边补偿网络参数与原边补偿网络的匹配关系，调整原边补偿网络参数；实现原边补偿网络与副边补偿网络的互操作性。
本申请实施例提供的改善无线充电系统互操作性的方法，采用调节DC/DC变换器的占空比，利用占空比的大小改变所述整流桥的等效阻抗，通过等效阻抗的改变，调整整个副边补偿网络参数，进而利用线圈耦合，实现调整原边补偿网络参数，实现原边与副边网络的互操作；解决了传统电路结构中由于传输过程中副边补偿网络参数与原边补偿网络的反射阻抗变化，导致原边线圈中的电流不同，进而使得原边所计算得到的补偿网络参数不同，无法进行互操作的问题。
进一步优选的，所述通过调节占空比的大小改变所述整流桥的等效阻抗时，按照如下公式，计算占空比改变时，整流桥的等效阻抗：
Figure BDA0003042276880000031
其中：Re为整流桥等效阻抗；D为变换器占空比；RL为负载。
进一步优选的，所述根据整流桥的等效阻抗，调整副边补偿网络参数时，按照如下公式进行计算；
Figure BDA0003042276880000032
其中，XS表示支路等效阻抗，Re表示整流桥等效阻抗；Ropt表示最优负载值。
在上述任意一项实施例中优选的，所述原边补偿网络和副边补偿网络为LCC/LCC网络或LCC/S网络。
在上述任意一项实施例中优选的，所述原边补偿网络和副边补偿网络为LCC/LCC网络时，网络拓扑结构符合T型等效网络且网络参数符合最优负载值理论。
在上述任意一项实施例中优选的，所述原边补偿网络和副边补偿网络为LCC/S网络时，副边补偿网络符合副边恒压输出及逆变器实现软开关原则。
在本实施例提供的方法中，当原边补偿网络或副边补偿网络为LCC/LCC网络或LCC/S网络时，在改善无线充电系统互操作性的同时，加入闭环控制提高了系统的稳定性。
在上述任意一项实施例中优选的，还包括对原边补偿网络和副边补偿网络按照如下公式，进行整体传输功率分析，评估原边补偿网络和副边补偿网络的互操作性：
对LCC/LCC的补偿电路进行传输功率分析时，采用如下公式：
Figure BDA0003042276880000041
其中：Rref表示副边反射到原边的等效阻抗，Ud表示原边直流母线电压值；R1表示原边线圈内阻。
对LCC/S的补偿电路进行传输功率分析时，采用如下公式：
Figure BDA0003042276880000042
其中：Rref_LCC/S表示LCC/S的副边反射到原边的等效阻抗；Uout_ref为输出等效电压。
在本实施例提供的方法中，从整体传输功率方面，评估原边补偿网络和副边补偿网络的互操作性，分析了无线充电系统补偿电路的特性，符合实际的充电需求。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为应用本发明的无线充电系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中采用的无线充电系统的整体系统框图；
图3为本发明实施例中加入DC/DC变换器位置图；
图4(a)为本发明实施例中采用的LCC/LCC的补偿电路图；
图4(b)为本发明实施例中采用的LCC/LCC的补偿中副边补偿电路的电路图；
图4(c)为本发明实施例中采用的LCC/LCC的补偿中原边补偿电路的电路图；
图5为本发明实施例中采用的LCC/S的补偿电路图。
图6为本发明实施例中所述改善无线充电系统互操作性的方法流程图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
如图1所示，本发明提供一种无线充电系统，包括：原边补偿网络和副边补偿网络；原边补偿网络与副边补偿网络进行耦合传输电能，所述副边补偿网络中设有DC/DC变换器；所述DC/DC变换器用于通过调节占空比，调整原边补偿网络和副边补偿网络，在整体传输功率中存在的反射阻抗差异。
如图1和图2所示，具体的，所述原边补偿网络包括直流电源201、逆变器202、原边补偿电路203和无线能量传输线圈204的发射线圈；副边补偿网络包括：无线能量传输线圈204的接收线圈、副边补偿电路205、整流桥206、DC/DC变换器207以及负载208；
如图1和图3所示，所述逆变器202的输入端与直流电源201连接，逆变器202的输出端与原边补偿电路203的输入端相连，原边补偿电路203的输出端与无线能量传输线圈204的输入端相连，无线能量传输线圈204的输出端与副边补偿电路205的输入端相连，副边补偿电路205的输出端与整流桥206的输入端相连，整流桥206的输出端与DC/DC变换器207的输入端相连，DC/DC变换器207的输出端与负载208连接；
所述DC/DC变换器用于通过调节占空比，调整原边补偿网络和副边补偿网络，整体传输功率分析中存在的反射阻抗差异。在上述任意一项实施例中优选的，所述原边补偿电路和副边补偿电路均为LCC/LCC的补偿电路或原边补偿电路和副边补偿电路分别为LCC/S的补偿电路。
在本实施例提供的无线充电系统中，加入了DC/DC变换器后，通过调节占空比D的大小可以改变Re，解决了LCC/S型拓扑不能调整阻抗实部的互操作性问题，改善了LCC/S补偿电路与LCC/LCC补偿电路之间的互操作性。
如图6所示，一种改善无线充电系统互操作性的方法，应用于上述无线充电系统，包括：
S1、调节DC/DC变换器的占空比，通过调节占空比的大小改变所述整流桥的等效阻抗；
S2、利用改变后的整流桥的等效阻抗，调整副边补偿网络参数；
S3、根据副边补偿网络参数与原边补偿网络的匹配关系，调整原边补偿网络参数；实现原边补偿网络与副边补偿网络的互操作性。
在S1中、按照如下公式，计算占空比改变时，整流桥的等效阻抗：
Figure BDA0003042276880000061
其中：Re为整流桥等效阻抗；D为变换器占空比；RL为负载。
在S2中，所述根据整流桥的等效阻抗，调整副边补偿网络参数时，按照如下公式进行计算；
Figure BDA0003042276880000062
其中，XS表示支路等效阻抗，Re表示整流桥等效阻抗；Ropt表示最优负载值。
其中，原边补偿网络和副边补偿网络为LCC/LCC网络或LCC/S网络，所述原边补偿网络和副边补偿网络为LCC/LCC网络时，网络拓扑结构符合T型等效网络且网络参数符合最优负载值理论。原边补偿网络和副边补偿网络为LCC/S网络时，副边补偿网络符合副边恒压输出及逆变器实现软开关原则。
原边补偿网络和副边补偿网络为LCC/LCC网络时，在T网络模型中，以最优负载值作为副边阻抗匹配电路的等效阻抗；计算副边补偿网络参数；根据下式计算副边补偿网络参数Cs1,Cs2和L22；
Figure BDA0003042276880000071
其中，XS为
Figure BDA0003042276880000072
Re表示等效阻抗；Ropt表示最优负载值。
在S3中，根据与副边补偿网络参数的匹配关系，计算原边补偿网络参数；根据下式计算原边补偿网络参数Cp1,Cp2和L11；
Figure BDA0003042276880000073
其中，
Figure BDA0003042276880000074
ω0为系统谐振频率，α为权重因子，Rref表示副边侧反射到原边的阻抗，Pneed为负载所需功率。
本发明实施例提供的改善无线充电系统互操作性的方法，整体传输功率方面分析了无线充电系统补偿电路的特性，符合实际的充电需求；采用加入DC/DC变换器的方法，在改善无线充电系统互操作性的同时，加入闭环控制提高了系统的稳定性。
进一步，还包括对原边补偿网络和副边补偿网络按照如下公式，进行整体传输功率分析，评估原边补偿网络和副边补偿网络的互操作性：
如图4(a)-图4(c)所示，对LCC/LCC的补偿电路进行传输功率分析时，采用如下公式：
Figure BDA0003042276880000075
其中：Rref表示副边反射到原边的等效阻抗，Ud表示原边直流母线电压值；R1表示原边线圈内阻。
如图5所示，对LCC/S的补偿电路进行传输功率分析时，采用如下公式：
Figure BDA0003042276880000081
其中：Rref_LCC/S表示LCC/S的副边反射到原边的等效阻抗；Uout_ref为输出等效电压。
如图4(a)-图4(c)所示和图5所示，在进行整体传输功率分析时，包括对LCC/LCC的补偿电路以及LCC/S的补偿电路分别进行传输功率分析。同副边的LCC匹配方法相同，设计原边的LCC补偿电路参数。再进行设计LCC/S补偿电路，按照副边恒压、原边实现逆变器ZVS的原则。
然后，对补偿网络的设计方法进行互操作性分析。在传统电路结构中，由于两种补偿网络的原边线圈电流都是处于恒定状态，不随负载变化而变化。然而两个由于反射阻抗的不同，所以导致原边线圈中的电流不同，进而使得原边所计算得到的补偿网络参数不同，无法进行互操作。对两种补偿网络的整体传输功率进行分析：
因此，本发明设置的DCDC变换器，按照如下占空比与等效阻抗的关系公式，调节占空比调整反射阻抗差异；在松耦合的线圈传输机构中，负载值大于系统的最优负载，所以要选择可使得输入端电阻小于输出端电阻的拓扑。
在加入boost变换器后，整流桥等效阻抗Re可以表示为：
Figure BDA0003042276880000082
其中：Re为等效阻抗；D为变换器占空比；RL为负载。加入了boost变换器后，通过调节占空比D的大小可以改变Re，解决了LCC/S型拓扑不能调整阻抗实部的互操作性问题，改善了LCC/S补偿电路与LCC/LCC补偿电路之间的互操作性。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种无线充电系统，其特征在于，包括：原边补偿网络和副边补偿网络；原边补偿网络与副边补偿网络进行耦合传输电能，所述副边补偿网络中设有DC/DC变换器，所述DC/DC变换器用于通过调节占空比，调整原边补偿网络和副边补偿网络，在整体传输功率中存在的反射阻抗差异。
2.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，所述原边补偿网络包括直流电源(201)、逆变器(202)、原边补偿电路(203)和无线能量传输线圈(204)的发射线圈；
所述逆变器(202)的输入端与直流电源(201)连接，逆变器(202)的输出端与原边补偿电路(203)的输入端相连，原边补偿电路(203)的输出端与无线能量传输线圈(204)的发射线圈相连。
3.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，所述副边补偿网络包括无线能量传输线圈(204)的接收线圈、副边补偿电路(205)、整流桥(206)、DC/DC变换器(207)以及负载(208)；无线能量传输线圈(204)的接收线圈与副边补偿电路(205)的输入端相连，副边补偿电路(205)的输出端与整流桥(206)的输入端相连，整流桥(206)的输出端与DC/DC变换器(207)的输入端相连，DC/DC变换器(207)的输出端与负载(208)连接。
4.一种改善无线充电系统互操作性的方法，其特征在于，应用于上述权利要求1-3中任意一项所述的无线充电系统，包括：
调节DC/DC变换器的占空比，通过调节占空比的大小改变所述整流桥的等效阻抗；
利用改变后的整流桥的等效阻抗，调整副边补偿网络参数；
根据副边补偿网络参数与原边补偿网络的匹配关系，调整原边补偿网络参数；实现原边补偿网络与副边补偿网络的互操作性。
5.根据权利要求4所述的改善无线充电系统互操作性的方法，其特征在于，所述通过调节占空比的大小改变所述整流桥的等效阻抗时，按照如下公式，计算占空比改变时，整流桥的等效阻抗：
Figure FDA0003042276870000021
其中：Re为整流桥等效阻抗；D为变换器占空比；RL为负载。
6.根据权利要求2所述的改善无线充电系统互操作性的方法，其特征在于，所述根据整流桥的等效阻抗，调整副边补偿网络参数时，按照如下公式进行计算；
Figure FDA0003042276870000022
其中，XS表示支路等效阻抗，Re表示整流桥等效阻抗；Ropt表示最优负载值。
7.根据权利要求4所述的改善无线充电系统互操作性的方法，其特征在于，所述原边补偿网络和副边补偿网络为LCC/LCC网络或LCC/S网络。
8.根据权利要求7所述的改善无线充电系统互操作性的方法，其特征在于，所述原边补偿网络和副边补偿网络为LCC/LCC网络时，网络拓扑结构符合T型等效网络且网络参数符合最优负载值理论。
9.根据权利要求7所述的改善无线充电系统互操作性的方法，其特征在于，所述原边补偿网络和副边补偿网络为LCC/S网络时，副边补偿网络符合副边恒压输出及逆变器实现软开关原则。
10.根据权利要求4所述的改善无线充电系统互操作性的方法，其特征在于，还包括对原边补偿网络和副边补偿网络按照如下公式，进行整体传输功率分析，评估原边补偿网络和副边补偿网络的互操作性：
对LCC/LCC的补偿电路进行传输功率分析时，采用如下公式：
Figure FDA0003042276870000023
其中：Rref表示副边反射到原边的等效阻抗，Ud表示原边直流母线电压值；R1表示原边线圈内阻；
对LCC/S的补偿电路进行传输功率分析时，采用如下公式：
Figure FDA0003042276870000031
其中：Rref_LCC/S表示LCC/S的副边反射到原边的等效阻抗；Uout_ref为输出等效电压。
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