CN114784994A - 一种基于s-ps补偿的无线充电系统及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于S‑PS补偿的无线充电系统及使用方法，包括有发射装置和接收装置，所述发射装置由直流电源UD、高频逆变器、发射线圈LP和原边补偿单元组成并形成闭合回路，所述接收装置由接收线圈LS、全桥整流器、滤波电容CF、滤波电感LF、补偿单元和电池负载RL组成，使用方法为系统以恒流充电频率fcc对电池负载进行恒流模式充电，负载电压不断上升，当负载电压上升至预设电压时，系统将恒流充电频率fcc切换为恒压充电频率fcv，对电池负载进行恒压模式充电，负载电流不断降低，当电池充电电流小于截止电流时，电池充电过程结束；本发明主要优势为结构简单、无补偿电感、性能稳定、无功损耗小、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于S-PS补偿的无线充电系统及使用方法，属于无线充电技术领域。
背景技术
自21世纪以来，电气工程技术进入了快速发展的阶段，人们生活的电气化程度越来越高，电能的运用随处可见，从而给感应式无线电能传输技术带来了巨大的发展潜力。感应式无线电能传输技术相对于传统的插拔式充电系统具有更安全、高效、便捷等优点，已经受到了广泛的关注和研究。目前，该项技术已经在电动汽车充电、消费电子产品、水下探测设备、无人机等领域中发挥了重要作用。根据经典的电池充电特性，在刚开始为电池进行充电时，系统需要以恒流模式为电池供能，电池充电电压在此过程中不断上升，当电池充电电压上升至预设电压时，系统将从恒流模式切换为恒压模式继续为电池供能。在恒压模式过程中，电池充电电流逐渐下降，电池的等效电阻逐渐增加，当电池充电电流下降至截止电流时，系统完成对电池的功能，整个充电过程结束。因此，为延长电池的使用寿命，对电池进行恒流和恒压模式充电至关重要。在对电池进行恒流和恒压模式供能的研究中，通常采用的是对控制技术改进和拓结构切换两种方法。其中，对控制技术改进的过程中不仅增加了控制系统的复杂性，降低系统的可靠性，还增加系统的损耗和应用成本；当对拓扑结构切换进行改进时，经常会引入额外的交流开关和更多的补偿元件以及驱动电路，这将会增加系统的体积、质量和成本，违背了系统设计轻便、节能的原则。
发明内容
本发明提供一种基于S-PS补偿的无线充电系统及使用方法,使用该系统可以实现在两个固定的频率点上对电池进行恒流模式和恒压模式的输出，所提拓扑结构简单、补偿元件少且不含补偿电容，性能稳定、无功损耗小、成本低。
本发明实现过程：
一种基于S-PS补偿的无线充电系统，包括有发射装置和接收装置；
所述发射装置由直流电源UD、高频逆变器、发射线圈LP和原边补偿单元组成并形成闭合回路，所述原边补偿单元包括有补偿电容CP，所述高频逆变器将从直流电源UD输入的直流电转换为交流电，经过串联补偿电容CP后接入发射线圈LP，形成一个闭合回路；
所述接收装置由接收线圈LS、全桥整流器、滤波电容CF、滤波电感LF、补偿单元和电池负载RL组成，所述补偿单元包括有补偿电容CT和补偿电容CM，所述补偿电容CT与接收线圈LS并联后与补偿电容CM串联，之后接入全桥整流器，所述全桥整流器输出端串联滤波电感LF后再并联滤波电容CF后接入电池负载RL；
其中，补偿元件发射线圈补偿电容CP、接收线圈补偿电容CT和CM的值将由下述方法确定；
所述发射线圈补偿电容CP由(1)式确定：
所述接收线圈补偿电容CM由(2)式确定：
所述接收线圈补偿电容CT由(3)式确定：
其中，D可由(4)式确定：
其中，ω_cv为恒压模式下的谐振角频率，LS为接收线圈自感值，M为发射线圈和接收线圈之间的互感值,G(ω_cc)为恒流模式下S-PS补偿拓扑的跨导增益。
当系统以恒流模式为电池负载充电时，谐振频率为ω_cc，系统输出电流值由(5)式计算：
其中，ZT(ω_cc)、ZM(ω_cc)由(6)式确定：
当系统以恒压模式为电池负载充电时，谐振频率为ω_cv，系统输出电流值由(7)式计算：
其中ZT(ω_cv)由(8)式确定
优选的，所述电池负载RL内预设有预设电压，当电池负载RL内的电压上升至预设电压时，所述高频逆变器可将系统从恒流模式频率fcc切换至恒压模式频率fcv，使得电池负载RL从恒流充电切换至恒压充电，上述的恒压和恒流两种模式的的电池负载充电，区别在于其工作的频率不同，当电池负载电压达到预设电压时，通过逆变器调节恒流工作频率fcc切换为恒压操作频率fcv，为电池负载进行恒压充电。
还提供一种使用基于S-PS补偿的无线充电系统的使用方法，包括以下步骤；
步骤1：开始充电时，系统以恒流充电频率fcc，利用S-PS补偿拓扑自身结构特性实现对电池负载的恒流输出特性；
步骤2；通过实时监测来判断电池负载的电压是否达到预设电压，当达到预设电压时，通过模式选择开关切换系统的充电频率至恒压频率fcv，利用S-PS补偿拓扑自身结构特性实现对电池负载的恒压输出特性:；
步骤3：当电流下降至截止电流时，整个充电过程完成，直流电源UD停止对系统供能，充电停止。
本发明具有下列技术特点和优越性：
1.本发明可以在不改变拓扑结构的基础上，通过切换工作频率就可是实现与电池负载无关的恒流和恒压输出，无需复杂的控制电路，系统操作简单、可靠性强。
2.本发明在不同恒流和恒压不同模式下，均能使逆变器输出电压和电流同相位，可降低系统的无功损耗，提高系统电能传输效率。
3.本发明可适应于高频电动汽车和低频消费电子等多种应用场景。本发明接收装置的补偿元件不含补偿电感，系统拓扑结构简单、轻便、成本低。
附图说明
图1是本发明的基于S-PS补偿的WPT系统电路图
图2是本发明的基于S-PS补偿的WPT系统的等效电路简化图
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
图1所示发明设计的系统电路图，由图可见：
系统结构共包括：直流电源、高频逆变器、发射线圈闭合回路、接收线圈闭合回路、全桥整流器、滤波电感、滤波电容和电池负载。
所述发射线圈闭合回路包括：发射线圈和串联的补偿电容；
所述接收线圈闭合回路包括：接收线圈、并联补偿电容和串联补偿电容。
工作原理：直流电源提供直流电压输出给高频逆变器，在高频逆变器的作用下，直流电源转换为高频交流电源流经发射线圈闭合回路，利用磁场感应无线耦合原理传送高频交流电能至接收线圈，再经过整流器和滤波电感和滤波电容后转换为稳定的直流为电池负载充电。系统的充电共分为两个阶段，第一阶段，系统在恒流频率fcc下为电池负载进行恒流充电，当负载电压上升至预设电压时，系统进入第二阶段，通过模式选择开关将频率切换至恒压频率fcv下为电池负载进行恒压充电。
所述发射线圈自感为LP，接收线圈自感为LS，发射线圈和接收线圈之间的互感为M，发射线圈串联补偿电容为CP，接收线圈并联补偿电容为CT，接收线圈串联补偿电容为CM。
本发明中系统恒流和恒压输出的具体理论分析如下：
图2是本发明所提出的基于S-PS补偿的WPT系统简化的等效电路图。为方便计算，电路参数简化由(9)式所示。
其中，ZP、ZS、ZT、ZM分别代表相应元件的等效电抗。
根据吉尔霍夫电压定律(KVL)列写回路方程组：
将(9)式代入(10)式解得：
A、B可由(12)式解得：
当工作在恒压频率时，系统的电压增益由(13)式表示：
当A＝0时，系统的电压增益可实现与负载阻值无关，即：
当工作在恒压频率时，系统的总的输入阻抗由(15)式表示：
把(14)式代入(15)式化简可得：
观察可知，当(17)式成立时，系统总的输入阻抗为纯阻性；
ZS+ZT＝0 (17)
将(14)式和(17)式代入到(13)式和(16)式，得其最简式：
由(18)和(19)式可以看出，所提S-PS补偿的WPT系统能够在恒压频率下实现恒流输出和输入阻抗纯阻性的特性。
当工作在恒流频率时，系统的跨导增益由(20)式表示：
当B＝0时，系统的跨导增益可实现与负载阻值无关，即：
当工作在恒流频率时，系统的总的输入阻抗由(22)式表示：
将(21)式代入到(22)式化简可得：
观察可知，当(24)式成立时，系统总的输入阻抗为纯阻性；
ZMZT+ZTZS+ZSZM＝0 (24)
将(21)式和(24)式代入到(20)式和(23)式，得其最简式：
由(25)和(26)式可以看出，所提S-PS补偿的WPT系统能够在恒流频率下实现恒流输出和输入阻抗纯阻性的特性。
Claims (3)
1.一种基于S-PS补偿的无线充电系统，其特征在于：包括有发射装置和接收装置：
所述发射装置由直流电源UD、高频逆变器、发射线圈LP和原边补偿单元组成并形成闭合回路，所述原边补偿单元包括有补偿电容CP，所述高频逆变器将从直流电源UD输入的直流电转换为交流电，经过串联补偿电容CP后接入发射线圈LP，形成一个闭合回路；
所述接收装置由接收线圈LS、全桥整流器、滤波电容CF、滤波电感LF、补偿单元和电池负载RL组成，所述补偿单元包括有补偿电容CT和补偿电容CM，所述补偿电容CT与接收线圈LS并联后与补偿电容CM串联，之后接入全桥整流器，所述全桥整流器输出端串联滤波电感LF后再并联滤波电容CF后接入电池负载RL；
所述发射线圈串联补偿电容CP由下式确定：
所述接收线圈补偿电容CM由下确定：
所述接收线圈补偿电容CT由下式确定：
其中，D值可由下式确定：
其中，ω_cv为恒压模式下的谐振角频率，LS为接发射线圈自感值，M为发射线圈和接收线圈之间的互感值,G(ω_cc)为恒流模式下S-PS补偿拓扑的跨导增益；
当系统以恒流模式为电池负载充电时，可得谐振频率为ω_cc时系统输出电流值：
其中，ZT(ω_cc)、ZM(ω_cc)由下式确定
当系统以恒压模式为电池负载充电时，可得谐振频率为ω_cv时系统输出电流值：
其中，ZT(ω_cv)由下式确定
2.根据权利要求1所述的一种基于S-PS补偿的无线充电系统，其特征在于：所述电池负载RL内预设有预设电压，当电池负载RL内的电压上升至预设电压时，所述高频逆变器可将系统从恒流模式频率fcc切换至恒压模式频率fcv，使得电池负载RL从恒流充电切换至恒压充电。
3.一种使用权利要求2所述的基于S-PS补偿的无线充电系统的使用方法，其特征在于，包括有以下步骤：
步骤1：开始充电时，系统以恒流充电频率fcc，利用S-PS补偿拓扑自身结构特性实现对电池负载的恒流输出特性；
步骤2：通过实时监测来判断电池负载RL的电压是否达到预设电压，当达到预设电压时，通过电池负载RL上的模式选择开关切换系统的充电频率至恒压频率fcv，利用S-PS补偿拓扑自身结构特性实现对电池负载的恒压输出特性；
步骤3：当电流下降至截止电流时，整个充电过程完成，直流电源UD停止对系统供能，充电停止。
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