CN117200470A - 无线充电系统及其谐振参数确定方法、电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线充电系统及其谐振参数确定方法、电子设备，其中，无线充电系统包括依次连接的逆变网络、LCC‑S型谐振网络和整流网络，LCC‑S型谐振网络包括滤波电感、滤波电容、原边谐振电容、原边谐振电感、副边谐振电感和副边谐振电容，方法包括：基于第一约束条件确定原边谐振电容的容值约束条件，其中，第一约束条件确保谐振网络的输入阻抗呈感性；确定逆变网络中开关管的关断电流约束条件和关断电流；根据容值约束条件、关断电流约束条件和关断电流，确定原边谐振电容的容值。由此，该方法在确保谐振网络的输入阻抗呈感性时进行谐振参数的确定，易于实现无线充电系统的开关损耗和导通损耗均为最小，大大提高系统转换效率。
Description
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的谐振参数确定方法、一种计算机可读存储介质、一种电子设备和一种无线充电系统。
背景技术
相关技术中，通过调整TX(Transmitter，发射端)和RX(Receiver，接收端)线圈不同连接方式且工作在谐振频率的无线充电方案，主要包括电路拓扑如图2所示的串-串谐振、如图3所示的串-并谐振，如图4所示的并-串谐振，如图5所示的并-并谐振四种方案。在此基础上，有学者提出通过在初级谐振网络中处加入LC补偿网络，称其为LCC-S谐振补偿网络，其优点在于：一、逆变器端只需提供负载所需的有功功率；二、初级线圈的电流与负载情况无关。但是，上述所采用的无线充电方案均缺少了对谐振网络中各无源器件的参数设计过程。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种无线充电系统的谐振参数确定方法，在确保谐振网络的输入阻抗呈感性时进行谐振参数的确定，易于实现无线充电系统的开关损耗和导通损耗均为最小，大大提高系统转换效率。
本发明的第二个目的在于提出一种计算机可读存储介质。
本发明的第三个目的在于提出一种电子设备。
本发明的第四个目的在于提出一种无线充电系统。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种无线充电系统的谐振参数确定方法，无线充电系统包括依次连接的逆变网络、LCC-S型谐振网络和整流网络，LCC-S型谐振网络包括滤波电感、滤波电容、原边谐振电容、原边谐振电感、副边谐振电感和副边谐振电容，方法包括：基于第一约束条件确定原边谐振电容的容值约束条件，其中，第一约束条件确保谐振网络的输入阻抗呈感性；确定逆变网络中开关管的关断电流约束条件和关断电流；根据容值约束条件、关断电流约束条件和关断电流，确定原边谐振电容的容值。
根据本发明实施例的无线充电系统的谐振参数确定方法，首先，基于第一约束条件确定原边谐振电容的容值约束条件，其中，第一约束条件确保谐振网络的输入阻抗呈感性，并确定逆变网络中开关管的关断电流约束条件和关断电流，最后，根据容值约束条件、关断电流约束条件和关断电流，确定原边谐振电容的容值。由此，该方法在确保谐振网络的输入阻抗呈感性时进行谐振参数的确定，易于实现无线充电系统的开关损耗和导通损耗均为最小，大大提高系统转换效率。
另外，根据本发明上述实施例的无线充电系统的谐振参数确定方法，还可以具有如下的附加技术特征：
根据本发明的一个实施例，基于第一约束条件确定原边谐振电容的容值约束条件，包括：确定谐振频率下谐振网络的输入阻抗表达式；基于第一约束条件和输入阻抗表达式确定容值约束条件。
根据本发明的一个实施例，容值约束条件为：
其中，fs为谐振频率，Lp为原边谐振电感的感值，Lm为滤波电感的感值，Cp为原边谐振电容的容值。
根据本发明的一个实施例，确定逆变网络中开关管的关断电流约束条件，包括：确定谐振频率下谐振网络的输入电压表达式、输入阻抗幅值表达式和输入阻抗移相角表达式；根据输入电压表达式、输入阻抗幅值表达式和输入阻抗移相角表达式确定谐振网络的输入电流表达式；根据输入电流表达式确定开关管的关断电流约束条件。
根据本发明的一个实施例，开关管的关断电流约束条件为：
其中，IOFF为开关管的关断电流，为输入电流表达式，/>为输入电压表达式，|Zin|为输入阻抗幅值表达式，/>为输入阻抗移相角表达式，t0为开关管开通时刻。
根据本发明的一个实施例，确定逆变网络中开关管的关断电流，包括：获取开关管的结电容容值、开关管的死区时间和逆变网络的输入电压；根据结电容容值、死区时间和逆变网络的输入电压确定开关管的关断电流。
根据本发明的一个实施例，开关管的关断电流通过下述公式进行计算：
其中，IOFF为开关管的关断电流，Coss为结电容容值，Vin(to)为开关管开通时刻逆变网络的输入电压，tdead为死区时间。
根据本发明的一个实施例，无线充电系统的谐振参数确定方法还包括：基于第二约束条件确定谐振网络的开关频率约束条件和电压增益约束条件，其中，第二约束条件确保谐振网络的环路增益与负载无关；根据开关频率约束条件和电压增益约束条件确定副边谐振电容的容值和滤波电容的容值。
根据本发明的一个实施例，开关频率约束条件为：开关频率等于谐振频率，其中，谐振频率等于滤波电感和滤波电容对应的第一谐振频率、且等于副边谐振电感和副边谐振电容对应的第二谐振频率；电压增益约束条件为：电压增益等于原边谐振电感与副边谐振电感之间的互感与滤波电感的比值。
根据本发明的一个实施例，根据开关频率约束条件和电压增益约束条件确定副边谐振电容的容值，包括：确定谐振网络的目标开关频率和目标应用场景；根据目标开关频率和目标应用场景确定原边谐振电感和副边谐振电感的尺寸；根据尺寸确定原边谐振电感和副边谐振电感的感值；根据副边谐振电感的感值、开关频率约束条件和目标开关频率确定副边谐振电容的容值。
根据本发明的一个实施例，根据开关频率约束条件和电压增益约束条件确定滤波电容的容值，包括：根据尺寸确定原边谐振电感与副边谐振电感之间的耦合系数变化范围；根据原边谐振电感和副边谐振电感的感值、以及耦合系数变化范围，确定互感的取值范围；根据互感的取值范围、电压增益约束条件以及目标电压增益确定滤波电感的感值；根据滤波电感的感值、开关频率约束条件和目标开关频率确定滤波电容的容值。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有无线充电系统的谐振参数确定程序，该无线充电系统的谐振参数确定程序被处理器执行时实现上述的无线充电系统的谐振参数确定方法。
根据本发明实施例的计算机可读存储介质，基于上述的无线充电系统的谐振参数确定方法，易于实现无线充电系统的开关损耗和导通损耗均为最小，大大提高系统转换效率。
为达到上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的无线充电系统的谐振参数确定程序，处理器执行程序时，实现上述的无线充电系统的谐振参数确定方法。
根据本发明实施例的电子设备，基于前述的无线充电系统的谐振菜蔬确定方法，易于实现无线充电系统的开关损耗和导通损耗均为最小，大大提高系统转换效率。
为达到上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种无线充电系统，包括：依次连接的逆变网络、LCC-S型谐振网络和整流网络，逆变网络将输入的直流电源转换为交流电信号，LCC-S型谐振网络将交流电信号从原边耦合传递到副边，整流网络对LCC-S型谐振网络耦合传递到副边的交流电信号进行整流，以给负载充电；其中，LCC-S型谐振网络包括滤波电感、滤波电容、原边谐振电容、原边谐振电感、副边谐振电感和副边谐振电容，LCC-S型谐振网络的谐振参数通过执行上述的无线充电系统的谐振参数确定方法获得。
根据本发明实施例的无线充电系统，逆变网络将输入的直流电源转换为交流电信号，LCC-S型谐振网络将交流电信号从原边耦合传递到副边，整流网络对LCC-S型谐振网络耦合传递到副边的交流电信号进行整流，以给负载充电，其中，LCC-S型谐振网络的谐振参数通过执行上述的无线充电系统的谐振参数确定方法获得。由此，该系统在确保谐振网络的输入阻抗呈感性时进行谐振参数的确定，易于实现无线充电系统的开关损耗和导通损耗均为最小，大大提高系统转换效率。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为根据本发明实施例的无线充电系统的谐振参数确定方法的流程图；
图2为相关技术中串-串谐振的电路拓扑图；
图3为相关技术中串-串谐振的电路拓扑图；
图4为相关技术中串-串谐振的电路拓扑图；
图5为相关技术中串-串谐振的电路拓扑图；
图6为根据本发明一个实施例的无线充电系统的电路拓扑图；
图7为根据本发明一个实施例的LCC-S型谐振网络的电路拓扑图；
图8为根据本发明另一个实施例的无线充电系统的电路拓扑图；
图9为根据本发明实施例的电子设备的方框示意图；
图10为根据本发明实施例的无线充电系统的方框示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例提出的无线充电系统的谐振参数确定方法、计算机可读存储介质、电子设备和无线充电系统。
图1为根据本发明实施例的无线充电系统的谐振参数确定方法的流程图。
在本发明的一个实施例中，如图6所示，该无线充电系统包括依次连接的逆变网络10、LCC-S型谐振网络20和整流网络30，LCC-S型谐振网络20包括滤波电感Lm、滤波电容Cm、原边谐振电容Cp、原边谐振电感Lp、副边谐振电感LS和副边谐振电容CS。
具体地，以图2为例，以直流电压源Vin作为逆变网络10的输入电源。逆变网络10的输入端与直流电压源Vin相连，逆变网络10采用开关管Q1和开关管Q2组成的半桥逆变网络，其中开关管Q1和开关管Q2的栅极分别连接控制信号，开关管Q1的漏极连接直流电压源Vin的正极，开关管Q1的源极与开关管Q2的漏极相连并形成节点A，开关管Q2的源极连接直流电压源Vin的负极。此外，开关管Q1的漏极与源极之间并联有二极管D1和电容C1，二极管D1的阳极连接开关管Q1的源极，阴极连接开关管Q1的漏极，开关管Q2的漏极与源极之间并联有二极管D2和电容C2，二极管D2的阳极连接开关管Q2的源极，阴极连接开关管Q2的漏极。
逆变网络10的输出端与LCC-S型谐振网络20相连，LCC-S型谐振网络20中滤波电感Lm的一端连接节点A，另一端连接滤波电容Cm的一端和原边谐振电容Cp的一端，滤波电容Cm的另一端连接原边谐振电感Lp的一端，原边谐振电容Cp的另一端与原边谐振电感Lp的另一端相连，并连接开关管Q2的源极，副边谐振电感LS的一端连接整流网络30，另一端与副边谐振电容CS的一端相连。
LCC-S型谐振网络20与整流网络30相连，系统中的整流网络30为由二极管DR1和二极管DR2构成的半桥整流网络，其中，二极管DR1的阳极与二极管DR2的阴极相连，并与上述副边谐振电容CS的另一端相连，二极管DR2的阳极与副边谐振电感LS的一端相连。
由于后级电路通常接电荷泵或BUCK-BOOST charger对电池进行可控充电，大部分时间电机处于恒流充电阶段，电池电压缓慢上升，因此输出后级负载可简化为阻值可随时间变化的纯阻性负载，便于系统数学建模分析，该系统以电阻RLd作为输出负载。此时电阻RLd的两端分别连接二极管DR1的阴极与二极管DR2的阳极，并并联有电容C0，此处以电压V0表示输出至负载的电压。
需要说明的是，除上述直接采用直流电压源Vin作为逆变网络10的输入电源的设置方式外，还可以采用从电网工频交流电到输入电源之间设置AC-DC(Alternating Current-Direct Current，交流电转换为直流电)交换器，将电网工频交流电通过AC-DC交换器转换为直流电，以此作为逆变网络10的输入电源，通常这部分电路集成在适配器中，此处不做分析。
在运行过程中，直流电压源Vin输出的直流电通过半桥逆变网络将其进行逆变转换为交流电并送入LCC-S型谐振网络20中，LCC-S型谐振网络20输出的交流电通过整流网络30中的半桥整流器，输出稳定直流电压给后级负载即电阻RLd。
下面基于如图2所示的无线充电系统对该无线充电系统的谐振参数确定方法进行详细说明。
如图1所示，本发明实施例的无线充电系统的谐振参数确定方法，可包括一下步骤：
S1，基于第一约束条件确定原边谐振电容的容值约束条件，其中，第一约束条件确保谐振网络的输入阻抗呈感性；
S2，确定逆变网络中开关管的关断电流约束条件和关断电流；
S3，根据容值约束条件、关断电流约束条件和关断电流，确定原边谐振电容的容值。
具体地，谐振网络的示意图如图7所示，其输入为半桥逆变网络的输出，下面分别以vA和iA来表示谐振网络的输入电压和输入电流。为了保证半桥逆变网络可以实现ZVS(Zero Voltage Switching，零电压开关)，则需要保证半桥逆变网络的输出电流滞后于输出电压，即谐振网络的输入电流iA滞后于输入电压vA从而保证谐振网络的输入阻抗呈感性，由此可以让半桥逆变网络的开关管开通之前使结电容充放电完全，使开关管自然导通，开关管导通时则可以实现ZVS。
当确定谐振网络的输入阻抗呈感性后，确定谐振网络中对原边谐振电容Cp和副边谐振电容CS的容值约束条件，然后确定逆变网络中开关管的关断电流约束条件和关断电流，由此，根据容值约束条件、关断电流约束条件和关断电流，设定原边谐振电容CS的容值。由此，该方法在保证开关管开通时刻，谐波网络的输入电流滞后于输入电压，且此刻的输入电流数值不能小于一个常数，在此基础上，则可以保证系统的开关损耗和导通损耗均为最小，大大提高系统工作效率。
根据本发明的一个实施例，基于第一约束条件确定原边谐振电容Cp的容值约束条件，包括：确定谐振频率下谐振网络的输入阻抗表达式；基于第一约束条件和输入阻抗表达式确定容值约束条件。
根据本发明的一个实施例，容值约束条件为：
其中，fs为谐振频率，Lp为原边谐振电感的感值，Lm为滤波电感的感值，Cp为原边谐振电容的容值。
具体地，根据第一约束条件确定原边谐振电容Cp的容值约束条件的具体操作如下：
继续以图2为例，谐波网络的输入电流iA的表达式为：
其中，iA为谐波网络的输入电流iA，fs为谐振频率，Cm为滤波电容的容值，Zp为谐振网络的输入阻抗，vA为谐波网络的输入电压，Lm为滤波电感的感值。
则谐振频率fs下谐振网络的输入阻抗Zp表达式的表达式为：
其中，Rac为谐振网络的输入阻抗Zs中包含的阻值，即半桥整流前的负载等效阻抗，fs为谐振频率，Cp为原边谐振电容的容值，Lp为原边谐振电感的感值。
则谐振频率fs下滤波电容Cm和滤波电感Lm的表达式为：
将公式(3)和(4)代入公式(2)可以得到：
为满足第一约束条件，即保证谐振网络的输入电流iA滞后于输入电压vA，根据公式(5)得到容值约束条件为需要满足公式(1)。
根据本发明的一个实施例，确定逆变网络中开关管的关断电流约束条件，包括：确定谐振频率下谐振网络的输入电压表达式、输入阻抗幅值表达式和输入阻抗移相角表达式；根据输入电压表达式、输入阻抗幅值表达式和输入阻抗移相角表达式确定谐振网络的输入电流表达式；根据输入电流表达式确定开关管的关断电流约束条件。
根据本发明的一个实施例，开关管的关断电流约束条件为：
其中，IOFF为开关管的关断电流，为输入电流表达式，/>为输入电压表达式，|Zin|为输入阻抗幅值表达式，/>为输入阻抗移相角表达式，t0为开关管开通时刻。
具体地，谐振网络的输入电压vA为幅值为Vin的方波信号，是关于时间t的函数，为了准确并进一步简化，将谐振网络的输入电压vA的表达式vA(t)表示为基波和三次谐波的叠加，其在谐振频率fs下谐振网络的输入电压vA的表达式为：
相对于对于公式(2)可计算出此时谐振网络的输入电流iA(t)表达式为：
其中，该输入阻抗幅值Zin的表达式为：
输入阻抗移相角的表达式为：
对于实现ZVS，其原理是在开关管开通时刻t0之前对同一桥臂的结电容进行充放电完全，从而开关管的二极管自然导通，由此逆变网络的开关管实现ZVS。为了简化计算，由于死区时间较短，可以近似认为死区时间对应的输入电流iA保持不变，此时输入电流为iA(t0)。若此时开关管能够实现ZVS，则当满足公式(1)时，开关管必然能够实现ZVS。因此，开关管的关断电流IOFF应满足，IOFF≤iA(t0)，由此得到开关管的关断电流约束条件为公式(6)。
根据本发明的一个实施例，确定逆变网络中开关管的关断电流，包括：获取开关管的结电容容值、开关管的死区时间和逆变网络的输入电压；根据结电容容值、死区时间和逆变网络的输入电压确定开关管的关断电流。
根据本发明的一个实施例，开关管的关断电流通过下述公式进行计算：
其中，IOFF为开关管的关断电流，Coss为结电容容值，Vin(to)为开关管开通时刻逆变网络的输入电压，tdead为死区时间。
也就是说，将获取的开关管的结电容容值Coss、开关管的死区时间tdead和逆变网络的输入电压Vin(to)代入公式(11)中，计算得到开关管的关断电流IOFF。
进一步地，根据开关管的关断电流的公式(11)和关断电流约束条件的公式(6)推导可以得到：
其中，为减小开关管导通损耗，可将公式(12)取等号，假设开关管开通时刻t0＝0，正好为开关管的导通时刻，将其代入公式(12)中，从而可以确定原边谐振电容Cp的容值。由此，在实现开关管软开关的前提下，减小电流的有效值，从而在减小开关管的开关损害的前提下，尽可能减小器件的导通损耗。
根据本发明的一个实施例，该无线充电系统的谐振参数确定方法还包括：基于第二约束条件确定谐振网络的开关频率约束条件和电压增益约束条件，其中，第二约束条件确保谐振网络的环路增益与负载无关。根据开关频率约束条件和电压增益约束条件确定副边谐振电容CS的容值和滤波电容Cm的容值。
也就是说，在确保网络的环路增益与负载无关时，确定谐振网络的开关频率约束条件和电压增益约束条件，然后根据开关频率约束条件和电压增益约束条件确定副边谐振电容CS的容值和滤波电容Cm的容值。下面对基于第二约束条件确定谐振网络的开关频率约束条件和电压增益约束条件的方法进行详细说明。
根据本发明的一个实施例，开关频率约束条件为：开关频率等于谐振频率，其中，谐振频率等于滤波电感Lm和滤波电容Cm对应的第一谐振频率、且等于副边谐振电感LS和副边谐振电容CS对应的第二谐振频率；电压增益约束条件为：电压增益等于原边谐振电感Lp与副边谐振电感LS之间的互感与滤波电感Lm的比值。
具体地，基于图7所示的谐振网络的基本拓扑图，可以将电路化简为：
{[ZpIp-j(2πfs)M·Is]·j(2πfs)Cm+Ip}j(2πfs)Lm+ZpIp-j(2πfs)M·Is＝vA (13)
ZsIs-j(2πfs)M·Ip＝0 (14)
其中，Zp为谐振网络的输入阻抗，Ip为原边谐振电流，fs为谐振频率，Is为副边谐振电流，Cm为滤波电容的容值，Lm为滤波电感的感值，M为原边谐振电感Lp与副边谐振电感LS之间的互感，vA为谐波网络的输入电压，Zs为谐振网络的输出阻抗。
联立公式(13)和公式(14)可以得到副边谐振电流Is的公式(15)、原边谐振电流Ip的公式(16)：
而谐振网络的输出电压vac可以表示为：
从而可以得到传递函数Gv的表达式为：
当时，/>当/>时，/>当忽略原副级线圈寄生电阻的影响，此时，/>可以看出此时环路增益与负载即电阻RLd无关。
由此，逆变网络中开关管的开关频率与谐振频率、滤波电感Lm和滤波电容Cm对应的第一谐振频率、以及副边谐振电感LS和副边谐振电容CS对应的第二谐振频率均相等。电压增益约束条件为：其中，Gv为电压增益，M为原边谐振电感Lp与副边谐振电感LS之间的互感,Lm为滤波电感的感值。
根据本发明的一个实施例，根据开关频率约束条件和电压增益约束条件确定副边谐振电容CS的容值，包括：确定谐振网络的目标开关频率和目标应用场景；根据目标开关频率和目标应用场景确定原边谐振电感Lp和副边谐振电感LS的尺寸；根据尺寸确定原边谐振电感Lp和副边谐振电感LS的感值；根据副边谐振电感LS的感值、开关频率约束条件和目标开关频率确定副边谐振电容CS的容值。
具体地，可以根据标准规定的开关频率6.78MHz作为该谐振网路的目标开关频率，并结合该系统的实际应用场景确定谐振网络中发射端和接收端的线圈尺寸，即确定原边谐振电感Lp和副边谐振电感LS的尺寸，进而根据原边谐振电感Lp和副边谐振电感LS的尺寸得到原边谐振电感Lp和副边谐振电感LS的感值。同时根据开关频率约束条件可知：副边谐振电感LS和副边谐振电容CS对应的第二谐振频率与开关管的开关频率相等，进而可以确定副边谐振电容CS的容值。
根据本发明的一个实施例，根据开关频率约束条件和电压增益约束条件确定滤波电容Cm的容值，包括：根据尺寸确定原边谐振电感Lp与副边谐振电感LS之间的耦合系数变化范围；根据原边谐振电感Lp和副边谐振电感LS的感值、以及耦合系数变化范围，确定互感的取值范围；根据互感的取值范围、电压增益约束条件以及目标电压增益确定滤波电感Lm的感值；根据滤波电感Lm的感值、开关频率约束条件和目标开关频率确定滤波电容Cm的容值。
具体地，根据上述确定的原边谐振电感Lp和副边谐振电感LS的尺寸得到耦合系数k的变化范围，并结合上述获取的原边谐振电感Lp和副边谐振电感LS的感值，确定互感M的取值范围，通过输入电压vA和输入电流iA计算得到电压增益Gv，并基于公式算出滤波电感Lm的感值，以用于实际应用。根据开关频率约束条件可知滤波电感Lm和滤波电容Cm工作的谐振频率即为目标开关频率，从而可以得到Cm的取值。
进一步地，上述无线充电系统的谐振参数确定方法对谐振网络各个参数的设计过程进行了分析，提供了一种实现开关管ZVS的LCC-S型无线充电系统参数设计过程，并给出相应的理论计算，保证开关管开通时刻，输入电流滞后于输入电压，且此刻的电流数值不能小于一个常数。在此基础上，则可以保证系统的开关损耗和导通损耗均为最小，大大提高变换器效率。上述方案中通过调整原边谐振电容Cp的数值来实现开关管的ZVS，此时半桥开关管的占空比保持不变，此外，还可以采用控制时，控制开关管的占空比可调，以实现另一控制方案。
此外，上述谐振参数确定方法除可应用于如图6所示的系统外，还可扩展应用于全桥逆变+全桥整流的系统中。因为逆变网络中开关管的开关频率为6.78MHz，相对较高，故对EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)的要求相对较高，此时全桥逆变+全桥整流系统的电路拓扑可以调整为如图8所示，该拓扑适用于大功率应用场合。上述图8与图6相比，其逆变网络20增加了开关管Q3和开关管Q4，开关管Q3和开关管Q4的连接方式如图所示，与上述开关管Q1和开关管Q2并联构成全桥逆变网络，并形成节点B。整流网络30增加了二极管DR3和二极管DR4，与二极管DR1和二极管DR2相配合构成的全桥整流网络，其中，二极管DR1和二极管DR2形成节点C，二极管DR3和二极管DR4形成节点D。此时，LCC-S型谐振网络20增加了副边滤波电感Lf和滤波电容Cf，其中，滤波电感Lm的一端连接节点A，滤波电容Cm的另一端连接节点B，而副边谐振电容CS通过副边滤波电感Lf连接节点C，且滤波电容Cf的一端连接副边谐振电容CS连接副边滤波电感Lf的另一端，滤波电容Cf的另一端连接节点D。需要说明的是，当该方法应用于如图8所示的系统时，上述方案中所提到的第一约束条件：谐振频率下确保谐振网络的输入阻抗呈现感性，对于图8中的大功率无线充电系统可使其呈现阻性，通过调整开关管Q1～Q4的占空比进行控制。
综上所述，根据本发明实施例的无线充电系统的谐振参数确定方法，首先，基于第一约束条件确定原边谐振电容的容值约束条件，其中，第一约束条件确保谐振网络的输入阻抗呈感性，并确定逆变网络中开关管的关断电流约束条件和关断电流，最后，根据容值约束条件、关断电流约束条件和关断电流，确定原边谐振电容的容值。由此，该方法在确保谐振网络的输入阻抗呈感性时进行谐振参数的确定，使该无线充电系统在实现开关管软开关的前提下，减小输入电流的有效值，从而在减小开关管的开关损耗的前提下，尽可能减小开关管的导通损耗，易于确保系统的开关损耗和导通损耗均为最小，大大提高系统转换效率。
对应上述实施例，本发明还提出了一种计算机可读存储介质。
本发明实施例的计算机可读存储介质，其上存储有无线充电系统的谐振参数确定程序，该无线充电系统的谐振参数确定程序被处理器执行时实现上述的无线充电系统的谐振参数确定方法。
根据本发明实施例的计算机可读存储介质，基于上述的无线充电系统的谐振参数确定方法，易于实现无线充电系统的开关损耗和导通损耗均为最小，大大提高系统转换效率。
对应上述实施例，本发明还提出了一种电子设备。
如图9所示，本发明实施例的电子设备100，包括：存储110、处理器120及存储在存储器上并可在处理器上运行的无线充电系统的谐振参数确定程序，处理器执行程序时，实现上述的无线充电系统的谐振参数确定方法。
例如，该处理器120可用于根据该计算机程序中的指令执行上述方法实施例。
在本申请的一些实施例中，该处理器120可以包括但不限于：
通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等等。
在本申请的一些实施例中，该存储器110包括但不限于：
易失性存储器和/或非易失性存储器。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(Static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double DataRate SDRAM，DDR SDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(synch link DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(Direct Rambus RAM，DR RAM)。
在本申请的一些实施例中，该计算机程序可以被分割成一个或多个模块，该一个或者多个模块被存储在该存储器110中，并由该处理器120执行，以完成本申请提供的方法。该一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述该计算机程序在该电子设备100中的执行过程。
如图9所示，该电子设备100还可包括：
收发器130，该收发器130可连接至该处理器120或存储器110。
其中，处理器120可以控制该收发器130与其他设备进行通信，具体地，可以向其他设备发送信息或数据，或接收其他设备发送的信息或数据。收发器130可以包括发射机和接收机。收发器130还可以进一步包括天线，天线的数量可以为一个或多个。
应当理解，该电子设备100的各个组件通过总线系统相连，其中，总线系统除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。
根据本发明实施例的电子设备，基于前述的无线充电系统的谐振菜蔬确定方法，易于实现无线充电系统的开关损耗和导通损耗均为最小，大大提高系统转换效率。
对应上述实施例，本发明还提出了一种无线充电系统。
如图10所示，本发明实施例的无线充电系统，可包括：依次连接的逆变网络10、LCC-S型谐振网络20和整流网络30。
其中，逆变网络10将输入的直流电源转换为交流电信号，LCC-S型谐振网络20将交流电信号从原边耦合传递到副边，整流网络30对LCC-S型谐振网络20耦合传递到副边的交流电信号进行整流，以给负载充电。其中，LCC-S型谐振网络20包括滤波电感、滤波电容、原边谐振电容、原边谐振电感、副边谐振电感和副边谐振电容，LCC-S型谐振网络20的谐振参数通过执行上述的无线充电系统的谐振参数确定方法获得。
根据本发明实施例的无线充电系统，逆变网络将输入的直流电源转换为交流电信号，LCC-S型谐振网络将交流电信号从原边耦合传递到副边，整流网络对LCC-S型谐振网络耦合传递到副边的交流电信号进行整流，以给负载充电，其中，LCC-S型谐振网络的谐振参数通过执行上述的无线充电系统的谐振参数确定方法获得。由此，由此，该系统在确保谐振网络的输入阻抗呈感性时进行谐振参数的确定，易于实现无线充电系统的开关损耗和导通损耗均为最小，大大提高系统转换效率。
需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (14)
1.一种无线充电系统的谐振参数确定方法，其特征在于，所述无线充电系统包括依次连接的逆变网络、LCC-S型谐振网络和整流网络，所述LCC-S型谐振网络包括滤波电感、滤波电容、原边谐振电容、原边谐振电感、副边谐振电感和副边谐振电容，所述方法包括：
基于第一约束条件确定所述原边谐振电容的容值约束条件，其中，所述第一约束条件确保所述谐振网络的输入阻抗呈感性；
确定所述逆变网络中开关管的关断电流约束条件和关断电流；
根据所述容值约束条件、所述关断电流约束条件和所述关断电流，确定所述原边谐振电容的容值。
2.根据权利要求1所述的无线充电系统的谐振参数确定方法，其特征在于，基于第一约束条件确定所述原边谐振电容的容值约束条件，包括：
确定谐振频率下所述谐振网络的输入阻抗表达式；
基于所述第一约束条件和所述输入阻抗表达式确定所述容值约束条件。
3.根据权利要求2所述的无线充电系统的谐振参数确定方法，其特征在于，所述容值约束条件为：
其中，fs为所述谐振频率，Lp为所述原边谐振电感的感值，Lm为所述滤波电感的感值，Cp为所述原边谐振电容的容值。
4.根据权利要求1所述的无线充电系统的谐振参数确定方法，其特征在于，确定所述逆变网络中开关管的关断电流约束条件，包括：
确定谐振频率下所述谐振网络的输入电压表达式、输入阻抗幅值表达式和输入阻抗移相角表达式；
根据所述输入电压表达式、所述输入阻抗幅值表达式和所述输入阻抗移相角表达式确定所述谐振网络的输入电流表达式；
根据所述输入电流表达式确定所述开关管的关断电流约束条件。
5.根据权利要求4所述的无线充电系统的谐振参数确定方法，其特征在于，所述开关管的关断电流约束条件为：
其中，IOFF为所述开关管的关断电流，为所述输入电流表达式，/>为所述输入电压表达式，|Zin|为所述输入阻抗幅值表达式，/>为所述输入阻抗移相角表达式，t0为所述开关管开通时刻。
6.根据权利要求1所述的无线充电系统的谐振参数确定方法，其特征在于，确定所述逆变网络中开关管的关断电流，包括：
获取所述开关管的结电容容值、所述开关管的死区时间和所述逆变网络的输入电压；
根据所述结电容容值、所述死区时间和所述逆变网络的输入电压确定所述开关管的关断电流。
7.根据权利要求6所述的无线充电系统的谐振参数确定方法，其特征在于，所述开关管的关断电流通过下述公式进行计算：
其中，IOFF为所述开关管的关断电流，Coss为所述结电容容值，Vin(to)为所述开关管开通时刻所述逆变网络的输入电压，tdead为所述死区时间。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的无线充电系统的谐振参数确定方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于第二约束条件确定所述谐振网络的开关频率约束条件和电压增益约束条件，其中，所述第二约束条件确保所述谐振网络的环路增益与负载无关；
根据所述开关频率约束条件和所述电压增益约束条件确定所述副边谐振电容的容值和所述滤波电容的容值。
9.根据权利要求8所述的无线充电系统的谐振参数确定，其特征在于，
所述开关频率约束条件为：所述开关频率等于谐振频率，其中，所述谐振频率等于所述滤波电感和所述滤波电容对应的第一谐振频率、且等于所述副边谐振电感和所述副边谐振电容对应的第二谐振频率；
所述电压增益约束条件为：所述电压增益等于所述原边谐振电感与所述副边谐振电感之间的互感与所述滤波电感的比值。
10.根据权利要求9所述的无线充电系统的谐振参数确定方法，其特征在于，根据所述开关频率约束条件和所述电压增益约束条件确定所述副边谐振电容的容值，包括：
确定所述谐振网络的目标开关频率和目标应用场景；
根据所述目标开关频率和所述目标应用场景确定所述原边谐振电感和所述副边谐振电感的尺寸；
根据所述尺寸确定所述原边谐振电感和所述副边谐振电感的感值；
根据所述副边谐振电感的感值、所述开关频率约束条件和所述目标开关频率确定所述副边谐振电容的容值。
11.根据权利要求10所述的无线充电系统的谐振参数确定方法，其特征在于，根据所述开关频率约束条件和所述电压增益约束条件确定所述滤波电容的容值，包括：
根据所述尺寸确定所述原边谐振电感与所述副边谐振电感之间的耦合系数变化范围；
根据所述原边谐振电感和所述副边谐振电感的感值、以及所述耦合系数变化范围，确定所述互感的取值范围；
根据所述互感的取值范围、所述电压增益约束条件以及目标电压增益确定所述滤波电感的感值；
根据所述滤波电感的感值、所述开关频率约束条件和所述目标开关频率确定所述滤波电容的容值。
12.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有无线充电系统的谐振参数确定程序，该无线充电系统的谐振参数确定程序被处理器执行时实现根据权利要求1-11中任一项所述的无线充电系统的谐振参数确定方法。
13.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的无线充电系统的谐振参数确定程序，所述处理器执行所述程序时，实现根据权利要求1-11中任一项所述的无线充电系统的谐振参数确定方法。
14.一种无线充电系统，其特征在于，包括：
依次连接的逆变网络、LCC-S型谐振网络和整流网络，所述逆变网络将输入的直流电源转换为交流电信号，所述LCC-S型谐振网络将所述交流电信号从原边耦合传递到副边，所述整流网络对所述LCC-S型谐振网络耦合传递到副边的交流电信号进行整流，以给负载充电；
其中，所述LCC-S型谐振网络包括滤波电感、滤波电容、原边谐振电容、原边谐振电感、副边谐振电感和副边谐振电容，所述LCC-S型谐振网络的谐振参数通过执行权利要求1-11中任一项所述的方法获得。
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