CN209313509U - 一种具有抗偏移特性的无线充电系统 - Google Patents

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邹必昌
郭丕凤
夏志祥
邱钦
王明俐
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Abstract

本实用新型涉及一种具有抗偏移特性的无线充电系统，属无线充电技术领域。本实用新型包括逆变电路、发射谐振电路、接收谐振电路和整流电路，直流电压源经过逆变电路与发射谐振电路的输入侧相连，接收谐振电路的输出侧经过整流电路后与负载相连，负载和整流电路之间并联设置有滤波电容C0；所述逆变电路为推挽电流型逆变电路，整流电路为全桥整流电路。本实用新型发射端和接收端采用PSS拓扑电路结构，这种PSS拓扑电路在耦合系数变化时，其输出功率呈非线性变化，在配合双H型的线盘结构，在无线充电过程中能实现横向和纵向的抗偏移，满足充电功率和效率的前提下不需要原副线圈精准对位，存有一个能满足条件的相对较大范围的充电。

Description

一种具有抗偏移特性的无线充电系统
技术领域
本实用新型涉及一种具有抗偏移特性的无线充电系统，属无线充电技术领域。
背景技术
传统的固定式有线充电方式不仅充电时间长，还可能会造成安全事故。无线充电技术用于将能量从固定的电源转移到一个或多个可移动的负载，电源至负载则不需要物理接触。由于电隔离电源端与负载之间没有物理接触，无线功率传输技术能够在不受灰尘和湿气影响的恶劣环境中工作，因此它被广泛用于诸如手机充电器、电动汽车(EVS)固定充电器等设备中。然而，电动汽车无线充电由于在停车过程中受到驾驶人员停车技术的限制，不可能使线盘完全对准，因此在线盘的偏移过程中使得系统电气参数变化，互感值随着偏移的距离变化，传输效率降低。
电动汽车无线充电技术磁感应系统应具备：1.提供负载需求的电压、电流或者功率输出；2.系统中无功含量少，即尽可能在谐振条件下充电；3.开关器件实现软开关，减少开关损耗，提高效率。现有的研究中主要针对电路拓扑以及线盘设计。对于电路拓扑的设计主要有LCC、S/SP、SPS、LCC-S混合连接方式等，而大多数的逆变器采用的是电压源性的全桥逆变器，开关器件多，控制自由度较多；另一方面，对于线盘的设计采用较多的是圆形、矩形、DD、DDQ等结构，其在重量、体积、控制难易程度上存在诸多问题。
发明内容
本实用新型的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种抗偏移特性的无线充电系统，它根据PSS电路拓扑结构的特性，在充电过程中发生横向或者纵向偏移时，随着偏移距离的不同，输出功率随着耦合器的耦合系数和互感值的线性变化而呈现非线性变化，利用这一特性可以满足在一定偏移距离下，使系统控制在合适的耦合系数范围内，从而使得输出功率波动较小，且系统损耗小。
本实用新型是通过如下技术方案来实现上述目的的：
一种具有抗偏移特性的无线充电系统包括逆变电路、发射谐振电路、接收谐振电路和整流电路，其特征在于：直流电压源经过逆变电路与发射谐振电路的输入侧相连，接收谐振电路的输出侧经过整流电路后与负载相连，负载和整流电路之间并联设置有滤波电容C0；所述逆变电路为推挽电流型逆变电路，整流电路为全桥整流电路。
所述的逆变电路由电感Ld1、Ld2和两个开关管S1、S2构成，电感Ld1、Ld2的一端分别与电压源正极连接，Ld1、Ld2的另一端与分别与开关管S1、S2的漏极连接，开关管S1、S2的源极分别与电压源负极连接。
所述的发射谐振电路由电容C1、C3、线圈L1构成，电容C1串联在线圈L1上，电容C1和线圈L1上并联有电容C3，构成初级PS拓扑结构。
所述的接收谐振电路包括线圈L2、电容C2，电容C2串联设置在线圈L2上构成次级串联结构。
所述的发射谐振电路与接收谐振电路构成PSS谐振拓扑结构。
所述的线圈L1和L2均为利兹线在H型线盘中间绕制而成，线盘表面覆盖有磁芯，线圈L1和线圈L2的匝数之比为1：1。
上述具有抗偏移特性的无线充电系统的相关参数的确定步骤为：
1）接收端的谐振条件为：
2）在完全谐振条件下，电容C3的容值根据公式（2）确定:
3）二次侧的输出功率为：
4）发射端和接收端的阻抗分别为：
其中，上述各公式中L1，L2为线圈L1、L2的电感值，R1、R2为线圈L1、L2的寄存电阻；Re为接收端的等效电阻；C1、C2分别为电路总电容C1、C2的容值；Iin为发射端电流源输出的电流；M为两线圈L1、L2的互感值，且，k为耦合系数。
本实用新型与现有技术相比的有益效果在于：
(1)本系统采用电流型的逆变器，其成本低，且只需控制两个开关器件（场效应管），栅极驱动电路简单，开关损耗低；原副边之间采用PSS拓扑结构简单，减小了系统设计难易程度和整个系统的体积；
(2)发射端和结构端不需要增加通信单元，只需要控制耦合系数在合适的范围内，就可以实现在横向和纵向上同时抗偏移；
(3)输出功率可根据负载情况在一定范围调节，灵活性较高。
附图说明
图1为本实用新型的电路结构示意图；
图2为本实用新型输出功率的在不同电阻Re下的仿真图；
图3为本实用新型中线圈L1、L2的结构示意图。
图中：1、逆变电路，2、发射谐振电路，3、接收谐振电路，4、整流电路。
具体实施方式
一种具有抗偏移特性的无线充电系统包括逆变电路1、发射谐振电路2、接收谐振电路3和整流电路4，直流电压源经过逆变电路1与发射谐振电路2的输入侧相连，接收谐振电路3的输出侧经过整流电路4后与负载相连，负载和整流电路4之间并联设置有滤波电容C0；所述逆变电路为推挽电流型逆变电路，整流电路4为全桥整流电路；所述的逆变电路1由电感Ld1、Ld2和两个开关管S1、S2构成，电感Ld1、Ld2的一端分别与电流源正极连接，Ld1、Ld2的另一端与分别与开关管S1、S2的漏极连接，开关管S1、S2的源极分别与电流源负极连接；
其中发射谐振电路2由电容C1、C3、线圈L1构成，电容C1串联在线圈L1上，电容C1和线圈L1上并联有电容C3，构成初级PS拓扑结构；接收谐振电路3包括线圈L2、电容C2，电容C2串联设置在线圈L2上构成次级串联结构；线圈L1和L2均为利兹线在H型线盘中间绕制而成，线盘表面覆盖有磁芯，线圈L1和线圈L2的匝数之比为1：1；上述发射谐振电路2与接收谐振电路3构成PSS谐振拓扑结构，这种PSS拓扑电路在耦合系数变化时，其输出功率呈非线性变化（通过图2所示的仿真图就能看出），在配合双H型的线盘结构，可以实现在横向和纵向上实现抗偏移，在无线充电过程中能实现横向和纵向的抗偏移在满足充电功率和效率的前提下不需要原副线圈精准对位，存有一个能满足条件的相对较大范围的充电。
上述具有抗偏移特性的无线充电系统的相关参数的确定步骤为：
1）接收端的谐振条件为：
2）完全谐振条件下，电容C3的容值根据公式（2）确定:
3）二次侧的输出功率为：
4）发射端和接收端的阻抗分别为：
其中，上述各公式中L1，L2为线圈L1、L2的电感值，R1、R2为线圈L1、L2的寄存电阻；Re为接收端的等效电阻；C1、C2分别为电路总电容C1、C2的容值；Iin为发射端电流源输出的电流；M为两线圈L1、L2的互感值，且，k为耦合系数。
从输出功率的表达式可以看到，互感值既存在分子又存在分母中，因此输出功率与互感值M是存在非线性关系的，通过仿真可以发现输出功率随着互感值的增大输出功率先增大后减小，两个线盘之间的耦合系数k与互感值M存在以下关系：，因此若确定耦合系数的范围，则汽车即使在偏移情况下充电（当然这个偏移距离不会太大），也能保证输出的功率在小范围内波动；一般耦合系数控制在0.1-0.4之间，欲使输出功率尽可能满足不同负载的要求，因此要使得耦合系数控制在最大输出功率左右范围内，即首先对输出功率求导取得极值点，接着让耦合系数控制在极值点附近，使得最大输出功率与最小输出功率偏差最小，用公式可以表达为：
(耦合系数变化0.12-0.24就是偏移100%),也就是线盘在这个范围内偏移。
以上所述只是本实用新型的较佳实施例而已，上述举例说明不对本实用新型的实质内容作任何形式上的限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了本说明书后依据本实用新型的技术实质对以上具体实施方式所作的任何简单修改或变形，以及可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实施例，均仍属于本实用新型技术方案的范围内，而不背离本实用新型的实质和范围。

Claims (6)

1.一种具有抗偏移特性的无线充电系统，它包括逆变电路（1）、发射谐振电路（2）、接收谐振电路（3）和整流电路（4），其特征在于：直流电压源经过逆变电路（1）与发射谐振电路（2）的输入侧相连，接收谐振电路（3）的输出侧经过整流电路（4）后与负载相连，负载和整流电路（4）之间并联设置有滤波电容C0；所述逆变电路（1）为推挽电流型逆变电路（1），整流电路（4）为全桥整流电路。
2.根据权利要求1所述的一种具有抗偏移特性的无线充电系统，其特征在于：逆变电路（1）由电感Ld1、Ld2和两个开关管S1、S2构成，电感Ld1、Ld2的一端分别与电压源正极连接，Ld1、Ld2的另一端与分别与开关管S1、S2的漏极连接，开关管S1、S2的源极分别与电压源负极连接。
3.根据权利要求1所述的一种具有抗偏移特性的无线充电系统，其特征在于：所述的发射谐振电路（2）由电容C1、C3、线圈L1构成，电容C1串联在线圈L1上，电容C1和线圈L1上并联有电容C3，构成初级PS拓扑结构。
4.根据权利要求1所述的一种具有抗偏移特性的无线充电系统，其特征在于：所述的接收谐振电路（3）包括线圈L2、电容C2，电容C2串联设置在线圈L2上构成次级串联结构。
5.根据权利要求1所述的一种具有抗偏移特性的无线充电系统，其特征在于：所述的发射谐振电路（2）与接收谐振电路（3）构成PSS谐振拓扑结构。
6.根据权利要求3或4所述的一种具有抗偏移特性的无线充电系统，其特征在于：所述的线圈L1和L2均为利兹线在H型线盘中间绕制而成，线盘表面覆盖有磁芯，线圈L1和线圈L2的匝数之比为1：1。
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CN109888892A (zh) * 2019-02-27 2019-06-14 荆州市荆力工程设计咨询有限责任公司 一种具有抗偏移特性的无线充电系统

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