CN208489667U - 恒流恒压切换输出的无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

一种恒流恒压切换输出的无线电能传输系统，包括：逆变模组，包括直流电源、及高频逆变器；无线电能传输电路，包括初级线圈、及依次连接的次级线圈、调节模块、次级补偿电容、及次级补偿电感；次级线圈与初级线圈耦合；调节模块根据恒流充电状态及恒压充电状态的不同而调节自身容值；及整流模组，包括整流滤波电路、及电池负载。通过调节模块调节自身电容量，在次级线圈、次级补偿电容、及次级补偿电感的参数配合下，使恒流充电状态下，无线电能传输电路的输出电流与电池负载无关；在恒流充电状态下，无线电能传输电路的输出电压与电池负载无关，从而避免了对电池负载复杂的跟踪调节过程，简化了恒流恒压无线充电的实现。

Description

恒流恒压切换输出的无线电能传输系统

技术领域

本实用新型涉及充电技术，特别是涉及一种恒流恒压切换输出的无线电能传输系统。

背景技术

感应式无线电能传输技术是一种利用磁场等软介质实现非接触电能传输的新型供电技术，其以供电灵活、安全、稳定性高及环境亲和力强等优点广泛运用于医疗、消费电子产品、水下供电、电动车充电和轨道交通等领域。其中，运用感应式无线电能传输技术对电池进行无线充电，避免了传统插拔系统存在的接触火花和插头老化等弊端，发展前途巨大。

为了实现电池安全充电，延长电池的使用寿命和充放电次数，通常主要包括恒流和恒压两个充电阶段。即在充电初期采用恒流模式，电池电压迅速增加；当电池电压达到充电设定电压时，采用恒压模式充电，充电电流逐渐减小直至达到充电截止电流，充电完成。也即对电池进行充电的感应式无线充电系统应能提供恒定的电流和电压。

现有的无线充电系统的主要构成及工作过程为：工频交流电经过整流成为直流，经过逆变器后直流电逆变成高频交流电，高频交变电流注入初级线圈，产生高频交变磁场；次级线圈在初级线圈产生的高频磁场中感应出感应电动势，该感应电动势通过高频整流后向负载提供电能。由于负载(电池)的等效阻抗是变动的，所以在一定输入电压下系统难以输出负载所需的恒定电流或电压。为解决该问题，通常的方法有两种：一、在电路系统中引入闭环负反馈控制，如在逆变器前加入控制器调节输入电压或者采用移相控制，或者在次级线圈整流后加入DC-DC变换器；其缺陷是，增加了控制成本和复杂性，降低系统稳定性。二、采用变频控制，系统工作在两个不同频率点实现恒流和恒压输出，但是该方法会出现频率分叉现象，造成系统工作不稳定。

实用新型内容

基于此，有必要提供一种控制简单且工作稳定的恒流恒压切换输出的无线电能传输系统。

一种恒流恒压切换输出的无线电能传输系统，包括：

逆变模组，包括直流电源、及将所述直流电源逆变为高频交流的高频逆变器；

无线电能传输电路，包括连接所述逆变模组的初级线圈、及依次连接的次级线圈、调节模块、次级补偿电容、及次级补偿电感；所述次级线圈与所述初级线圈耦合；所述调节模块根据恒流充电状态及恒压充电状态的不同而调节自身容值；及

整流模组，包括整流滤波电路、及电池负载；所述整流滤波电路接收经所述次级补偿电感输出的高频交流。

上述恒流恒压切换输出的无线电能传输系统，通过在恒流充电状态下，调节模块调节自身电容量，在次级线圈、次级补偿电容、及次级补偿电感的参数配合下，使无线电能传输电路的输出电流与电池负载无关，实现恒流充电；在恒流充电状态下，调节模块调节自身电容量，在次级线圈、次级补偿电容、及次级补偿电感的参数配合下，使无线电能传输电路的输出电压与电池负载无关，从而实现恒压充电；由于避免了对电池负载复杂的跟踪调节过程，从而简化了恒流恒压无线充电的实现。

在其中一个实施例中，所述整流滤波电路设有第一交流输入端及第二交流输入端；所述次级线圈的一端与所述次级补偿电感的一端之间连接所述调节模块；所述次级补偿电感的另一端连接所述整流滤波电路的第一交流输入端；所述次级线圈的另一端连接所述整流滤波电路的第二交流输入端；所述调节模块与所述次级补偿电感之间的节点连接所述次级补偿电容的一端，所述次级补偿电容另的一端连接所述整流滤波电路的第二交流输入端。

在其中一个实施例中，所述调节模块包括次级恒压补偿电容、及与所述次级恒压补偿电容并联的第一受控单元；所述次级线圈的一端与所述次级补偿电感的一端之间连接所述次级恒压补偿电容。

在其中一个实施例中，所述第一受控单元包括次级并联补偿电容、及与所述次级并联补偿电容串联的第一切换开关。

在其中一个实施例中，所述调节模块还包括第一控制器，所述第一控制器控制所述第一切换开关的通断。

在其中一个实施例中，在充电初期，所述第一控制器控制所述第一切换开关导通；在充电后期，所述第一控制器控制所述第一切换开关分断。

在其中一个实施例中，所述调节模块包括次级恒流补偿电容、及与所述次级恒流补偿电容串联的第二受控单元；所述次级恒流补偿电容及所述第二受控单元串联在所述次级线圈与所述次级补偿电容之间。

在其中一个实施例中，所述第二受控单元包括次级串联补偿电容、及与所述次级串联补偿电容并联的第二切换开关。

在其中一个实施例中，所述调节模块还包括第二控制器，所述第二控制器控制所述第二切换开关的通断。

在其中一个实施例中，在充电初期，所述第二控制器控制所述第二切换开关导通，在充电后期，所述第二控制器控制所述第二切换开关分断。

附图说明

图1为本实用新型的一较佳实施例的恒流恒压切换输出的无线电能传输系统的简化电路图；

图2为图1所示的恒流恒压切换输出的无线电能传输系统的T型等效电路图；

图3为图1所示的恒流恒压切换输出的无线电能传输系统在一种实施下的具体电路图；

图4为图1所示的恒流恒压切换输出的无线电能传输系统在另一种实施下的具体电路图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将对本实用新型进行更全面的描述。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

请参阅图1，为本实用新型一较佳实施方式的恒流恒压切换输出的无线电能传输系统100，用于实现电能的无线传输。该恒流恒压切换输出的无线电能传输系统100包括：

逆变模组10，包括直流电源E、及将直流电源E逆变为高频交流的高频逆变器H；

无线电能传输电路20，包括连接逆变模组10的初级线圈L_P、及依次连接的次级线圈L_S、调节模块40、次级补偿电容C_f、及次级补偿电感L_f；次级线圈L_S与初级线圈L_P耦合；调节模块40根据恒流充电及恒压充电的不同而调节自身容值；及

整流模组30，包括整流滤波电路D、及电池负载Z；整流滤波电路D接收经次级补偿电感L_f输出的高频交流。

通过在恒流充电状态下，调节模块40调节自身电容量，在次级线圈L_S、次级补偿电容C_f、及次级补偿电感L_f的参数配合下，使无线电能传输电路20的输出电流与电池负载Z无关，实现恒流充电；在恒流充电状态下，调节模块40调节自身电容量，在次级线圈L_S、次级补偿电容C_f、及次级补偿电感L_f的参数配合下，使无线电能传输电路20的输出电压与电池负载Z无关，从而实现恒压充电；由于避免了对电池负载Z复杂的跟踪调节过程，从而简化了恒流恒压无线充电的实现。

本实施方式的实现原理如下：

请参阅图2，将逆变模组10等效为交流电源V_i，初次线圈及次级线圈L_S进行T型等效，得到励磁电感L＝M，初级漏感L_P-M，次级漏感L_S-M，整流模组30等效为负载R，运用网孔电流法对图2所示电路列写方程组，即

其中ω为系统工作角频率，为直流电源E的输出电压值，M为初级线圈L_P与次级线圈L_S的互感值，I_B为设定充电电流，C_S为调节模块40的等效电容值。

求解方程组(1)可以得到无线电能传输电路20输出电流为：

其中X_M＝ωM，X_M＝ωM，若式(2)中负载R的系数项满足

即

时，无线电能传输电路20输出与负载R无关的电流，将满足式(3)取值的记为即

将式(4)代入式(2)可以得到此时无线电能传输电路20的输出电流I_o为：

由式(6)可得，此时无线电能传输电路20的输出电流仅与交流电源V_i相关，故在进行恒流充电时，无需对负载R进行检测反馈，即可进行恒流充电电流调节。

由式(2)可以得到系统输出电压为：

若式(7)中与负载R有关的项满足

即

时，无线电能传输电路20输出与负载R无关的电压，将满足式(9)取值的记为即

将式(9)代入式(7)可以得到此时无线电能传输电路20的输出电流V_o为：

综上所述，图2所示电路中，当时，无线电能传输电路20的输出电流与负载R的大小无关，即在负载R变动的工况下，无线电能传输电路20可以保持恒流输出，适用于电池充电的前期；当时，无线电能传输电路20的输出电压与负载R的大小无关，即在负载R变动的工况下，无线电能传输电路20可以保持恒压输出，适用于电池充电的后期。

将图2中的电压源Vi由直流电源E及高频逆变器H代替，高频逆变器H输入电压与输出电压V_i之间的关系为：

并将图2中的负载R由电池负载Z及整流滤波电路D代替，整流滤波电路D的输入电压V_o与输出电压V_B之间的关系为：

整流滤波电路D的输入电流I_o与输出电流I_B之间的关系为：

在该结构的基础上通过调节模块40电容值改变来实现系统恒压恒流输出间的转换，以满足整个充电过程中对无线电能传输电路20输出电压电流的要求。

由式(6)、(12)、(14)及可知次级补偿电容C_f的电容值为：

由式(11)、(15)、(12)、(13)及及可知次级补偿电感L_f的电感值为：

由式(10)、(15)、(16)及可知，在恒流充电时，调节模块40的电容值为：

由式(5)、(15)及可知，在恒压充电时，调节模块40的电容值为：

因此，通过调节模块40的电容值在与之间的切换，即可实现恒流恒压切换输出的无线电能传输系统100在恒流充电状态与恒压充电状态之间的切换。

请参阅图3，具体地，整流滤波电路D设有第一交流输入端及第二交流输入端；次级线圈L_S的一端与次级补偿电感L_f的一端之间连接调节模块40；次级补偿电感L_f的另一端连接整流滤波电路D的第一交流输入端；次级线圈L_S的另一端连接整流滤波电路D的第二交流输入端；调节模块40与次级补偿电感L_f之间的节点连接次级补偿电容C_f的一端，次级补偿电容C_f另的一端连接整流滤波电路D的第二交流输入端。

在其中一种实施方式中，为实现调节模块40自身电容值的切换，调节模块40包括次级恒压补偿电容C1、及与次级恒压补偿电容C1并联的第一受控单元50；次级线圈L_S的一端与次级补偿电感L_f的一端之间连接次级恒压补偿电容C1。

第一受控单元50调节与次级恒压补偿电容C1并联的电容值大小，从而实现调节模块40在恒流充电与恒压充电状态间电容值的变化。

具体地，第一受控单元50包括次级并联补偿电容C2、及与次级并联补偿电容C2串联的第一切换开关S1；在恒流充电状态下，第一切换开关S1闭合；在恒压充电状态下，第一切换开关S1分断。

具体地，本实施方式的具体原理如下：

次级恒压补偿电容C1的电容值为为使次级并联补偿电容C2与次级恒压补偿电容C1并联后，调节模块40的电容值为由式(17)、(18)及可得，次级并联补偿电容C2的电容值为：

因而通过闭合第一切换开关S1，令调节模块40的电容值调整为从而使恒流恒压切换输出的无线电能传输系统100进入恒流充电状态。通过分断第一切换开关S1，调节模块40的电容值等于次级次级恒压补偿电容C1的电容值，且为从而使恒流恒压切换输出的无线电能传输系统100进入恒压充电状态。

具体地，调节模块40还包括第一控制器K1，第一控制器K1控制第一切换开关S1的通断。

在充电初期，第一控制器K1控制第一切换开关S1导通，以实现恒流充电；在充电后期，第一控制器K1控制第一切换开关S1分断，以实现恒压充电。

请参阅图4，在另一种实施方式中，为实现调节模块40自身电容值的切换，调节模块40包括次级恒流补偿电容C3、及与次级恒流补偿电容C3串联的第二受控单元60；次级恒流补偿电容C3及第二受控单元60串联在次级线圈L_S与次级补偿电容C_f之间。

第二受控单元60调节与次级恒流补偿电容C3并联的电容值大小，从而实现调节模块40在恒流充电与恒压充电状态间电容值的变化。

具体地，第二受控单元60包括次级串联补偿电容C4、及与次级串联补偿电容C4并联的第二切换开关S2；在恒流充电状态下，第二切换开关S2闭合；在恒压充电状态下，第二切换开关S2分断。

具体地，本实施方式的具体原理如下：

次级恒流补偿电容C3的电容值为为使次级串联补偿电容C4与次级恒流补偿电容C3串联后，调节模块40的电容值为由式(17)、(18)及可得，次级串联补偿电容C4的电容值为：

因而通过闭合第二切换开关S2，调节模块40的电容值等于次级恒流补偿电容C3的电容值，即为从而使恒流恒压切换输出的无线电能传输系统100进入恒流充电状态。通过分断第二切换开关S2，令调节模块40的电容值调整为从而使恒流恒压切换输出的无线电能传输系统100进入恒压充电状态。

具体地，调节模块40还包括第二控制器K2，第二控制器K2控制第二切换开关S2的通断。

在充电初期，第二控制器K2控制第二切换开关S2导通，以实现恒流充电；在充电后期，第二控制器K2控制第二切换开关S2分断，以实现恒压充电。

本实施例中，通过在恒流充电状态下，调节模块调节自身电容量，在次级线圈、次级补偿电容、及次级补偿电感的参数配合下，使无线电能传输电路的输出电流与电池负载无关，实现恒流充电；在恒流充电状态下，调节模块调节自身电容量，在次级线圈、次级补偿电容、及次级补偿电感的参数配合下，使无线电能传输电路的输出电压与电池负载无关，从而实现恒压充电；由于避免了对电池负载复杂的跟踪调节过程，从而简化了恒流恒压无线充电的实现。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种恒流恒压切换输出的无线电能传输系统，其特征在于，包括：

逆变模组，包括直流电源、及将所述直流电源逆变为高频交流的高频逆变器；

无线电能传输电路，包括连接所述逆变模组的初级线圈、及依次连接的次级线圈、调节模块、次级补偿电容、及次级补偿电感；所述次级线圈与所述初级线圈耦合；所述调节模块根据恒流充电状态及恒压充电状态的不同而调节自身电容值；及

整流模组，包括整流滤波电路、及电池负载；所述整流滤波电路接收经所述次级补偿电感输出的高频交流。

2.根据权利要求1所述的恒流恒压切换输出的无线电能传输系统，其特征在于，所述整流滤波电路设有第一交流输入端及第二交流输入端；所述次级线圈的一端与所述次级补偿电感的一端之间连接所述调节模块；所述次级补偿电感的另一端连接所述整流滤波电路的第一交流输入端；所述次级线圈的另一端连接所述整流滤波电路的第二交流输入端；所述调节模块与所述次级补偿电感之间的节点连接所述次级补偿电容的一端，所述次级补偿电容另的一端连接所述整流滤波电路的第二交流输入端。

3.根据权利要求2所述的恒流恒压切换输出的无线电能传输系统，其特征在于，所述调节模块包括次级恒压补偿电容、及与所述次级恒压补偿电容并联的第一受控单元；所述次级线圈的一端与所述次级补偿电感的一端之间连接所述次级恒压补偿电容。

4.根据权利要求3所述的恒流恒压切换输出的无线电能传输系统，其特征在于，所述第一受控单元包括次级并联补偿电容、及与所述次级并联补偿电容串联的第一切换开关。

5.根据权利要求4所述的恒流恒压切换输出的无线电能传输系统，其特征在于，所述调节模块还包括第一控制器，所述第一控制器控制所述第一切换开关的通断。

6.根据权利要求5所述的恒流恒压切换输出的无线电能传输系统，其特征在于，在充电初期，所述第一控制器控制所述第一切换开关导通；在充电后期，所述第一控制器控制所述第一切换开关分断。

7.根据权利要求2所述的恒流恒压切换输出的无线电能传输系统，其特征在于，所述调节模块包括次级恒流补偿电容、及与所述次级恒流补偿电容串联的第二受控单元；所述次级恒流补偿电容及所述第二受控单元串联在所述次级线圈与所述次级补偿电容之间。

8.根据权利要求7所述的恒流恒压切换输出的无线电能传输系统，其特征在于，所述第二受控单元包括次级串联补偿电容、及与所述次级串联补偿电容并联的第二切换开关。

9.根据权利要求8所述的恒流恒压切换输出的无线电能传输系统，其特征在于，所述调节模块还包括第二控制器，所述第二控制器控制所述第二切换开关的通断。

10.根据权利要求9所述的恒流恒压切换输出的无线电能传输系统，其特征在于，在充电初期，所述第二控制器控制所述第二切换开关导通，在充电后期，所述第二控制器控制所述第二切换开关分断。