CN104753152B - 恒流‑恒压复合拓扑的感应式充电*** - Google Patents
恒流‑恒压复合拓扑的感应式充电*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及基于恒流‑恒压复合拓扑的感应式充电***,满足电池先恒流后恒压的充电特性,适应于电动汽车和手机等无线充电场合。本发明提出的两组复合拓扑结构:包括高频逆变电路、恒流‑恒压模式切换网络、原边补偿电容、附加电感、松耦合变压器、副边补偿电容、整流滤波电路。在整个充电过程中,通过简单控制模式切换开关,不需要改变工作频率,可直接提供电池充电所需的恒流和恒压,避免使用额外的后级变换器,且输出特性与负载无关,输入阻抗在整个恒流‑恒压充电过程中均为纯阻性,因此该拓扑可采用简单的定频占空比控制,保证高频逆变开关的零电压开关,提高变换器效率,同时避免无功功率,减少器件应力,进一步提高效率。
Description
技术领域
本发明涉及恒流-恒压复合拓扑的感应式充电***,适用于电动汽车和手机等电池无线充电场合。
背景技术
感应式无线电能传输技术以交变的电磁场为媒介,将能量传输到负载。由于无直接的电气接触,因而能够避免电火花,不受环境的影响,可以在恶劣的环境下工作。目前,感应式无线电能传输技术在消费电子、照明、电动汽车等领域获得到了广泛的应用。其中,给电池无线充电是一项十分重要的应用。
电池充电有4个充电阶段,其中恒流阶段和恒压阶段是其主要阶段,因此,电池的无线充电装置需能够提供恒流-恒压特性的输出。松耦合变压器是感应式无线电能传输的核心器件,由于较大气隙的存在,漏感较大,因此需要电容来进行无功补偿。通常有4种基本的补偿方式:串串(SS)、串并(SP)、并串(PS)、并并(PP)。补偿后的***输出特性较为复杂,与变压器的参数、补偿网络、频率和负载均有关。为了能够输出所需要的电压和电流,通常有两种控制方式:定频占空比控制和变频控制。定频占空比控制能够有效补偿无功,输出通过改变占空比来调节。但是,电池在充电过程中,等效电阻变化较大,较大的占空比变化难以保证开关器件的软开关(Zero-voltage Switching,ZVS)。变频控制通过改变频率来调节输出,但是无功功率无法被全部补偿,此外,变频控制也会造成***不稳定。
单个控制及单个拓扑结构无法满足设计要求,因此可采用多级控制或多个拓扑组合的方式来满足设计要求。例如,可采用变换器级联和两级控制方式,通过变频控制来实现输入电压和电流零相位差(Zero-phase Angle,ZPA),输出的电压和电流则通过后级变换器和控制来调节。但是,该方式会降低***的效率,成本较高,结构和控制***复杂。采用多个拓扑组合的方式,例如通过SS和SP补偿结构的组合来实现恒流-恒压输出,同时满足ZPA。但SS实现恒流特性的原边电容和SP实现恒压的原边电容不同,因此在拓扑结构切换时,原边需要在不同电容值之间切换,副边需要在串联和并联结构之间进行切换,切换的开关数目较多,结构相对复杂。
发明内容
发明目的:为了解决上述问题,本发明提出两组恒流-恒压复合拓扑的感应式充电***:SS/PS和SP/PP复合拓扑结构,以解决单个控制及单个拓扑无法满足设计要求,变换器级联和多级控制方式效率低且成本高,多个拓扑组合的方式切换开关多结构复杂的技术问题。
技术方案:
SS/PS结构的恒流-恒压复合拓扑的感应式充电***,包括:依次连接的高频逆变电路、恒流-恒压模式切换网络、原边补偿电路、松耦合变压器、副边补偿电路、整流滤波电路,其中,
所述恒流-恒压模式切换网络包括:第一开关、第二开关、第三开关,所述原边补偿电路包括:附加电感、原边补偿电容,副边补偿电路为副边补偿电容,
所述高频逆变电路输入端接有直流电压源,第一开关一端、第二开关一端均与高频逆变电路的一个桥臂中点连接,第一开关另一端、第三开关一端均与原边补偿电容一极连接,第二开关另一端与附加电感一端连接,原边补偿电容另一极、附加电感另一端均与松耦合变压器原边绕组一端连接,第三开关另一端、松耦合变压器原边绕组另一端均与高频逆变电路的另一个桥臂中点连接,副边补偿电容一极接松耦合变压器副边绕组一端,副边补偿电容另一极接整流滤波电路一桥臂中点,松耦合变压器副边绕组另一端接整流滤波电路另一桥臂中点。
原边补偿电容CP与松耦合变压器的原边电感LP谐振,副边补偿电容CS与副边电感LS谐振,附加电感的电感值LX与原边电感的电感值LP相同,***工作频率ω:LP、LS分别为松耦合变压器原边绕组、副边绕组的电感值,CP、CS分别为原边补偿电容、副边补偿电容的电容值;
闭合第一开关,断开第二、第三开关,感应式充电***进入恒流工作模式,电路拓扑为SS补偿,输出与电池负载无关的恒定电流IBAT:IOpeak为输出电流峰值,VIN为输入的直流电压,D为占空比,M为松耦合变压器原副边绕组的互感值,输入阻抗ZIN为:R为负载等效电阻,
断开第一开关,闭合第二、第三开关,感应式充电***进入恒压工作模式,电路拓扑为PS补偿,输出与电池负载无关的恒定电压VBAT:VOpeak为输出电压峰值,输入阻抗ZIN为:R为负载等效电阻。
SP/PP结构的恒流-恒压复合拓扑的感应式充电***,包括:依次连接的高频逆变电路、恒流-恒压模式切换网络、原边补偿电路、松耦合变压器、副边补偿电路、整流滤波电路,其中,
所述恒流-恒压模式切换网络包括:第一开关、第二开关、第三开关,所述原边补偿电路包括:附加电感、原边补偿电容,副边补偿电路为副边补偿电容,
所述高频逆变电路输入端接有直流电压源,第一开关一端、第二开关一端均与高频逆变电路的一个桥臂中点连接,第一开关另一端、第三开关一端均与原边补偿电容一极连接,第二开关另一端与附加电感一端连接,原边补偿电容另一极、附加电感另一端均与松耦合变压器原边绕组一端连接,第三开关另一端、松耦合变压器原边绕组另一端均与高频逆变电路的另一个桥臂中点连接,副边补偿电容并接在松耦合变压器副边绕组两端之间,松耦合变压器副边绕组一端接整流滤波电路一桥臂中点,松耦合变压器副边绕组另一端接整流滤波电路另一桥臂中点。
选取附加电感的电感值LX:LX=LP-M2/LS,副边电容与副边电感谐振,原边补偿电容与折算到原边的等效电感LP-M2/LS谐振,***工作频率ω:
断开第一开关,闭合第二、第三开关,感应式充电***进入恒流工作模式,电路拓扑结构为PP补偿,输出与电池负载无关的恒定电流输入阻抗ZIN为:R为负载等效电阻,
闭合第一开关,断开第二、第三开关,感应式充电***进入恒压工作模式,电路拓扑结构为SP补偿,输出与电池负载无关的恒定电压VBAT:输入阻抗ZIN为:R为负载等效电阻。
有益效果:
(1)本发明提出的是多个拓扑组合的恒流恒压感应式充电***,具体有SS/PS和SP/PP复合拓扑结构,两种复合拓扑以相同的工作频率工作在恒流/恒压模式,附加电感的取值由变压器参数确定,附加电感在恒流/恒压工作模式下参与原边补偿,原边在拓扑切换时不需要在不同取值的补偿电容之间切换,副边在拓扑切换时不需要在串联/并联结构之间或不同取值的补偿电容之间切换,以较少数目开关实现了工作模式的切换,简化了电路结构,
(2)通过简单控制模式切换开关,实现电池充电所需的先恒流后恒压输出,输出特性与负载无关,可实现简单的定频占空比控制,保证高频逆变开关ZVS的实现,提高变换器效率,相对于变换器级联和两级控制方式,省去了后级变换器,进一步简化了电路结构,
(3)整个充电过程中的变换器输入阻抗均为纯阻性,避免无功环流,减小器件应力,提高效率。
附图说明
图1是SS/PS的复合拓扑结构;
图2是SP/PP的复合拓扑结构;
图3(a)是SS/PS拓扑整流后的电流波形和直流分量,图3(b)是SS/PS拓扑整流电路输入方波电压和基波分量;
图4(a)是SP/PP拓扑整流电路的输入方波电流和基波分量,图4(b)是SP/PP拓扑的整流后电压波形和直流分量;
图5是SS/PS复合拓扑恒流模式下、电池的等效电阻为7Ω时的vGS1、vAB、iIN和IBAT波形;
图6是SS/PS复合拓扑恒流模式下、电池的等效电阻为15Ω时的vGS1、vAB、iIN和IBAT波形;
图7是SS/PS复合拓扑恒压模式下、电池的等效电阻为15Ω时的vGS1、vAB、iIN和VBAT波形;
图8是SS/PS复合拓扑恒压模式下、电池的等效电阻为30Ω时的vGS1、vAB、iIN和VBAT波形。
图中标号说明:1为高频逆变电路,2为恒流-恒压模式切换网络,3为原边补偿电路,4为松耦合变压器,5为副边补偿电路,6为整流滤波电路,Q1、Q2、Q3、Q4为第一、第二、第三、第四功率管,S1、S2、S3为第一、第二、第三开关,LX为附加电感,CP为原边补偿电容,CS为副边补偿电容,D1、D2、D3、D4为第一、第二、第三、第四二极管,Lf为输出滤波电感、Co为输出滤波电容。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进一步详述。
本发明公开的恒流-恒压复合拓扑的感应式充电***,具体有如图1所示的SS/PS复合拓扑、图2所示的SP/PP复合拓扑。复合拓扑包括:高频逆变电路1、恒流-恒压模式切换网络2、由附加电感LX、原边补偿电容CP组成的原边补偿电路3、松耦合变压器4、副边补偿电路5即为副边补偿电容CS、整流滤波电路6,整个***实现对电池负载7先恒流后恒压的感应式充电。恒流-恒压模式切换网络2包括:第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3。高频逆变电路1包括第一、第三功率管Q1、Q3组成的一个桥臂,第二、第四功率管Q2、Q4组成的另一个桥臂,第一、第三功率管Q1、Q3的连接点为桥臂中点A,第二、第四功率管Q2、Q4的连接点为桥臂中点B。整流滤波电路6包括第一、第三二极管D1、D3组成的一个桥臂,第二、第四二极管D2、D4组成的另一桥臂,输出滤波电感Lf、输出滤波电容Co。
图1是SS/PS的复合拓扑结构,当第一开关S1闭合,第二开关S2、第三开关S3断开时,电路拓扑为SS补偿方式,当输出电流仅与输入电压和互感有关,与负载无关。副边输出电流为其输入阻抗为能够实现ZPA。当第一开关S1断开,第二开关S2、第三开关S3闭合时,电路拓扑为PS补偿方式,当输出与负载无关的恒定电压,副边输出电压为其输入阻抗为输入阻抗为纯阻性,能够实现ZPA。
图2是SP/PP的复合拓扑结构,当第一开关S1闭合,第二开关S2、第三开关S3断开时,电路拓扑为SP补偿方式,当时,输出与负载无关的恒定电压,副边输出电压为其输入阻抗为能够实现ZPA。当第一开关S1断开,第二开关S2、第三开关S3闭合时,电路拓扑为PP补偿方式,当输出与负载无关的恒定电流,副边输出电流为输入阻抗为输入阻抗为纯阻性,能实现ZPA。
图3(a)是SS/PS拓扑整流后的电流波形和直流分量,图3(b)是SS/PS拓扑整流电路输入方波电压和基波分量,整流滤波后电池充电电流为充电电压为
图4(a)是SP/PP拓扑整流电路的输入方波电流和基波分量,图4(b)是SSP/PP拓扑的整流后电压波形和直流分量,整流滤波后电池充电电流为充电电压为
图5至图8以电池负载为例,验证恒流-恒压复合拓扑的感应式充电***的有效性。采用SS/PS复合拓扑结构,恒流充电电流为1A,恒压充电电压为15V。功率管Q1,2,3,4通过UCC3895芯片进行移相控制。开关频率为200kHz,磁平面选用Ferroxcube 3F3铁氧体磁性材料,面积为60×60mm2。松耦合变压器T气隙为10mm,原副边绕组采用利兹线AWG42绕制,原副边匝数比为NP:NS=20:20。Q1,2,3,4和S1,2,3选用IRF540。D1,2,3,4选用MBRB3030CT。原、副边补偿电容CP和CS分别为28nF和26.8nF。输入电压VIN为24V,占空比D=0.95。
图5和图6给出了SS/PS复合拓扑恒流模式下、负载阻抗分别为7Ω和15Ω的驱动信号vGS1,桥臂电压vAB,输入电流iIN和输出电流IBAT的波形。从图中可以看出,当电池的等效电阻从7Ω变到15Ω时,电流保持1A,不随负载发生变化。输入电流iIN和桥臂电压vAB基本同相,避免无功能量。iIN略滞后于vAB实现ZVS。
图7和图8给出了SS/PS复合拓扑恒压模式下、负载阻抗分别为15Ω和30Ω时的驱动信号vGS1,桥臂电压vAB,输入电流iIN和输出电压VBAT的波形。当电池电压上升到15V时,电池的充电模式从恒流充电变为恒压充电。从图中可以看出,电池的等效电阻从15Ω变到30Ω时,电压稳定在15V,具有良好的恒压特性。iIN略滞后于vAB实现ZVS。
Claims (4)
1.恒流‐恒压复合拓扑的感应式充电***,包括:依次连接的高频逆变电路(1)、恒流‐恒压模式切换网络(2)、原边补偿电路(3)、松耦合变压器(4)、副边补偿电路(5)、整流滤波电路(6),其中,
所述恒流‐恒压模式切换网络(2)包括:第一开关、第二开关、第三开关,所述原边补偿电路包括:附加电感、原边补偿电容,副边补偿电路为副边补偿电容,
所述的高频逆变电路(1)输入端接有直流电压源,第一开关一端、第二开关一端均与高频逆变电路(1)的一个桥臂中点连接,第一开关另一端、第三开关一端均与原边补偿电容一极连接,第二开关另一端与附加电感一端连接,原边补偿电容另一极、附加电感另一端均与松耦合变压器(4)原边绕组一端连接,第三开关另一端、松耦合变压器(4)原边绕组另一端均与高频逆变电路(1)的另一个桥臂中点连接,副边补偿电容一极接松耦合变压器(4)副边绕组一端,副边补偿电容另一极接整流滤波电路(6)一桥臂中点,松耦合变压器(4)副边绕组另一端接整流滤波电路(6)另一桥臂中点,
附加电感的电感值LX与原边补偿电感的电感值LP相同,感应式充电***工作频率ω:LP、LS分别为松耦合变压器原边绕组、副边绕组的电感值,CP、CS分别为原边补偿电容、副边补偿电容的电容值。
2.恒流‐恒压复合拓扑的感应式充电***,包括:依次连接的高频逆变电路(1)、恒流‐恒压模式切换网络(2)、原边补偿电路(3)、松耦合变压器(4)、副边补偿电路(5)、整流滤波电路(6),其中,
所述恒流‐恒压模式切换网络(2)包括:第一开关、第二开关、第三开关,所述原边补偿电路包括:附加电感、原边补偿电容,副边补偿电路为副边补偿电容,
所述的高频逆变电路(1)输入端接有直流电压源,第一开关一端、第二开关一端均与高频逆变电路(1)的一个桥臂中点连接,第一开关另一端、第三开关一端均与原边补偿电容一极连接,第二开关另一端与附加电感一端连接,原边补偿电容另一极、附加电感另一端均与松耦合变压器(4)原边绕组一端连接,第三开关另一端、松耦合变压器(4)原边绕组另一端均与高频逆变电路(1)的另一个桥臂中点连接,副边补偿电容并接在松耦合变压器(4)副边绕组两端之间,松耦合变压器(4)副边绕组一端接整流滤波电路(6)一桥臂中点,松耦合变压器(4)副边绕组另一端接整流滤波电路(6)另一桥臂中点,
附加电感的电感值LX:LX=LP-M2/LS,感应式充电***工作频率ω:LP、LS分别为松耦合变压器原边绕组、副边绕组的电感值,CP、CS分别为原边补偿电容、副边补偿电容的电容值,M为松耦合变压器原副边绕组的互感值。
3.根据权利要求1所述的恒流‐恒压复合拓扑的感应式充电***,其特征在于,***在恒流工作模式下的输入阻抗ZIN为:***在恒压工作模式下的输入阻抗ZIN为:R为负载等效电阻,M为松耦合变压器原副边绕组的互感值,无论在恒流模式还是恒压模式,***输入阻抗均为纯阻性。
4.根据权利要求2所述的恒流‐恒压复合拓扑的感应式充电***,其特征在于,***在恒压工作模式下的输入阻抗ZIN为:***在恒流工作模式下的输入阻抗ZIN为:R为负载等效电阻,无论在恒流模式还是恒压模式,***输入阻抗均为纯阻性。
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