CN106740220A - 一种恒流恒压复合拓扑的无线充电电路 - Google Patents

一种恒流恒压复合拓扑的无线充电电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及了一种恒流恒压复合拓扑的无线充电电路，在该无线充电电路中，原边补偿模块包括第一电感和第一谐振电容，第一谐振电容的第一端连接高频逆变电路的第一输出端，第一谐振电容的第二端连接第一电感的第一端，第一电感的第二端连接高频逆变电路的第二输出端；副边补偿模块包括第二电感、第二谐振电容、第三谐振电容及开关，第二谐振电容的第一端连接第二整流电路的第一输入端，第二谐振电容的第二端连接第二电感的第一端，第二电感的第二端连接第二整流电路的第二输入端，开关和第三谐振电容串联在第二谐振电容的第一端与第二电感的第二端之间。实施本发明的技术方案，开关数量少、电路体积小、控制简单，且输出功率及传输效率高。

Description

一种恒流恒压复合拓扑的无线充电电路
技术领域
本发明涉及无线充电领域，尤其涉及一种恒流恒压复合拓扑的无线充电电路。
背景技术
为减少环境污染和缓减能源短缺的危机，电动汽车的发展受到了世界的普遍关注，解决电动汽车电池充电的问题也成为社会研究的热点。电动汽车电池充电方法有传统的接触式充电和非接触式充电。与传统接触式充电方式相比，无线充电可避免电火花危险、减少导线损耗、降低车体重量、具有安全可靠性高等优点，并可应用于矿场、海底等一些特殊场合。
松耦合变压器是无线充电的核心元件，其分离的原、副边绕组及较大的距离使其相比紧耦合变压器具有漏感大、激磁电感小的缺点，故补偿网络成为无线充电电路的研究重点，松耦合变压器必须采用多元件谐振变换器，对漏感和激磁电感分别补偿，提高电压增益和功率传输能力，减小环流损耗。而在蓄电池充电过程中，恒流恒压阶段是充电的重要阶段，通过对补偿网络进行参数整定、拓扑切换和控制等方式可使无线充电***工作在恒流恒压状态。
传统的在无线充电***副边电路加入斩波控制环节，通过控制斩波电路，实现稳压输出。虽然达到电压独立负载输出，但在无线电能传输整个拓扑电路中多加了一级电路，使***的传输效率降低。或者在串/串补偿(S/S)(或者其他单一补偿拓扑)拓扑下，在不增加控制的前提下，通过改变电路参数，在两种不同参数下实现恒流恒压输出。但是实际应用中线圈自感在频率变化时也随之变化，控制***工作在谐振点处较困难。例如，中国专利CN104753152A公开了一种恒流-恒压复合拓扑的感应式充电***，该方式可使***在串/串补偿(S/S)拓扑电路中实现恒流输出，而在并/串补偿(P/S)拓扑电路中实现恒压输出。虽然该混合拓扑电路可以实现为电池恒流恒压充电，但是在实际应用中要根据副边电池两端电压控制原边谐振电容的切换，因此增加了***成本和控制难度。
综上可见，现有技术存在以下三个问题：
(1)额外增加功率变换电路以达到***的恒压或恒流控制，增加了电路体积，传输效率较低；
(2)单一拓扑控制下，***较难工作在谐振点处，影响***功率和效率；
(3)SS/PS可实现电池恒流恒压充电，但两级控制***成本高，难度大。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述变换机构级联、控制复杂、电路体积大、切换开关繁杂的缺陷，提供一种恒流恒压复合拓扑的无线充电电路。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种恒流恒压复合拓扑的无线充电电路，包括依次连接的第一整流电路、高频逆变电路、谐振补偿电路、第二整流电路，所述谐振补偿电路包括原边补偿模块和副边补偿模块，其中，
所述原边补偿模块包括第一电感和第一谐振电容，而且，所述第一谐振电容的第一端连接所述高频逆变电路的第一输出端，所述第一谐振电容的第二端连接所述第一电感的第一端，所述第一电感的第二端连接所述高频逆变电路的第二输出端；
所述副边补偿模块包括第二电感、第二谐振电容、第三谐振电容及开关，而且，所述第二谐振电容的第一端连接所述第二整流电路的第一输入端，所述第二谐振电容的第二端连接所述第二电感的第一端，所述第二电感的第二端连接所述第二整流电路的第二输入端，所述开关和所述第三谐振电容串联在所述第二谐振电容的第一端与所述第二电感的第二端之间；
而且，所述开关在所述第二整流电路所输出的电压未达到电压目标值时断开，无线充电电路处于恒流工作模式，所述开关在所述第二整流电路所输出的电压达到电压目标值时闭合，无线充电电路处于恒压工作模式。
优选地，所述高频逆变电路为正激变换电路、反激变换电路、推挽式逆变电路、半桥逆变电路或全桥逆变电路。
优选地，所述第一整流电路为PFC整流电路。
优选地，所述PFC整流电路包括二极管三相整流桥、第一组开关器件、第二组开关器件、第三组开关器件、第一电解电容、第二电解电容，而且，所述二极管三相整流桥的三个输入端分别接入三相交流电压，所述二极管三相整流桥的正母线端连接所述第一电解电容的正极，所述第一电解电容的负极连接所述第二电解电容的正极，所述第二电解电容的负极连接所述二极管三相整流桥的负母线端，所述第一组开关器件的第一端连接所述二极管三相整流桥的第一输入端，所述第二组开关器件的第一端连接所述二极管三相整流桥的第二输入端，所述第三组开关器件的第一端连接所述二极管三相整流桥的第三输入端，所述第一组开关器件的第二端、所述第二组开关器件的第二端、所述第三组开关器件的第二端分别连接所述第一电解电容的负极。
优选地，所述高频逆变电路包括第一开关管和第二开关管，其中，所述第一开关管的第一端连接所述第一整流电路的正母线端，所述第二开关管的第一端连接所述第一整流电路的负母线端，所述第一开关管的第二端及所述第二开关管的第二端分别连接所述第一谐振电容的第一端，所述第一电感的第二端连接所述第一电解电容的负端。
优选地，还包括与所述第二整流电路相连接的等效负载电路。
优选地，所述等效负载电路包括蓄电池。
优选地，所述等效负载电路还包括连接在所述第二整流电路和所述蓄电池之间的功率转换电路。
实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：
1.该无线充电电路中的谐振补偿电路不管是SS拓扑还是SSP拓扑，均易控制在谐振点处，使无线充电电路具备较高的输出功率和传输效率；
2.在恒流恒压充电模式的切换过程中，该无线充电电路的谐振网络均工作在固定的电压增益交点处，输入阻抗角为零的状态，此状态下开关损耗小，有益于提高无线充电电路的效率；
3.SS/SSP拓扑的切换仅需一个切换开关即可使该无线充电电路工作在恒流恒压两种工作状态，因此，该SS/SSP拓扑的开关器件少、电路体积小、恒流恒压切换控制较简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
图1是本发明恒流恒压复合拓扑的无线充电电路实施例一的电路图；
图2是图1中的无线充电电路在恒流充电模式下的电路图；
图3是在负载突变前后图2中的无线充电电路的第二整流电路的电流波形图；
图4是图1中的无线充电电路在恒压充电模式下的电路图；
图5是在负载突变前后图4中的无线充电电路的第二整流电路的电压波形图；
图6是本发明恒流恒压复合拓扑的无线充电电路实施例二的电路图；
图7是图6中的无线充电电路的第一整流电路实施例一的电路图。
具体实施方式
图1是本发明恒流恒压复合拓扑的无线充电电路实施例一的电路图，该实施例的无线充电电路包括依次连接的第一整流电路1、高频逆变电路2、谐振补偿电路3、第二整流电路4和等效负载电路5。
在该实施例中，第一整流电路1用于将单相市电变换成直流电压，当然，在其它实施例中，若输入电压为三相交流市电，则该第一整流电路1可为三相的整流电路。另外，优选地，该第一整流电路1为PFC整流电路。
在该实施例中，高频逆变电路2为全桥逆变电路，且用于将第一整流电路输出的直流电转换为高频交流信号。当然，在其它实施例中，该高频逆变电路2还可为正激变换电路、反激变换电路、推挽式逆变电路、半桥逆变电路等。
在该实施例中，谐振补偿电路3包括原边补偿模块31和副边补偿模块32。其中，原边补偿模块31包括第一电感L1和第一谐振电容C1，副边补偿模块32包括第二电感L2、第二谐振电容C2、第三谐振电容C3及开关S1，而且，第一电感L1和第二电感L2相耦合，以组成非接触变压器。其中，在原边补偿模块31中，第一谐振电容C1的第一端连接高频逆变电路2的第一输出端，第一谐振电容C1的第二端连接第一电感L1的第一端，第一电感L1的第二端连接高频逆变电路2的第二输出端。在副边补偿模块32中，第二谐振电容C2的第一端连接第二整流电路4的第一输入端，第二谐振电容C2的第二端连接第二电感L2的第一端，第二电感L2的第二端连接第二整流电路4的第二输入端，开关S1的第一端连接第二谐振电容C2的第一端，开关S1的第二端通过第三谐振电容C3连接第二电感L2的第二端。当然，在另一个实施例中，开关S1与第三谐振电容C3的位置可互换。
在该实施例中，第二整流电路4用于将所耦合的高频交流信号转换成直流信号，该第二整流电路4可包括与之匹配的整流和滤波电路等。
另外，关于等效负载电路5，在一个可选实施例中，其可具体包括蓄电池，该蓄电池直接与第二整流电路的输出端相连。当然，在另一个可选实施例中，还可进一步包括功率转换电路，该功率转换电路连接在第二整流电路和蓄电池之间，用于将第二整流电路输出的电压电流信号转换成蓄电池所需的电压电流信号。
在该实施例中，开关S1在第二整流电路4所输出的电压未达到电压目标值时断开，此时，该无线充电电路处于恒流工作模式，开关S1在第二整流电路4所输出的电压达到电压目标值时闭合，此时，无线充电电路处于恒压工作模式。其中，电压目标值为当蓄电池达到额定电压时，第二整流电路的输出所对应的电压。
在图1所示的无线充电电路中，谐振补偿电路3为SS(原边串联副边串联)/SSP(原边串联副边串并联)复合拓扑，其可在恒流充电模式和恒压充电模式之间切换。
当第二整流电路所输出的电压未达到电压目标值时，开关S1断开，此时，谐振补偿电路3切换到SS拓扑，该无线充电电路进入恒流充电模式。结合图2，原边补偿模块中的第一电感L1与第一谐振电容C1发生谐振，副边补偿模块中的第二电感L2与第二谐振电容C2发生谐振，谐振频率此时的等效输入阻抗其中，M为非接触变压器的互感，且耦合系数其中n为非接触变压器原副边线圈匝比，LM为非接触变压器的激磁电感。另外，由基波分析法可推算出该恒流充电模式的第二整流电路输出的电流(当蓄电池直接与第二整流电路相连时，该电流为蓄电池充电电流)Ibat可表示为：其中，D为高频逆变电路的输入电压UAB的占空比。由此可确定，当该SS拓扑满足谐振频率时，蓄电池充电电流Ibat是一个与负载无关的输出量，即，无线充电电路在开关S1断开时可工作在恒流工作模式。
通过对图2中的第二整流电路的输出电流进行负载突变前后的仿真，仿真结果如图3所示，当在0.006s时突减负载，输出电流Ibat有波动，但该波动维持约1ms后趋于稳定，且负载突变前后电流幅值不变，即，该无线充电电路可工作在恒流工作状态。
当第二整流电路所输出的电压达到电压目标值时，开关S1闭合，此时，谐振补偿电路3切换到SSP拓扑，该无线充电电路进入恒压充电模式。结合图4，原边补偿模块中的第一电感L1的等效漏感Ll1与第一谐振电容C1发生谐振，副边补偿模块中的第二电感L2的等效漏感Ll2与第二谐振电容C2发生谐振，激磁电感LM与第三谐振电容C3发生谐振，谐振频率此时的等效输入阻抗其中M为非接触变压器的互感，Req为第二整流电路后所接的等效负载，耦合系数n为非接触变压器原副边线圈匝比。其中，第一电感L1、第二电感L2与等效漏感Ll1、Ll2的关系为：L1＝Ll1+LM，L2＝Ll2+n2LM。另外，由基波分析法可推算出该恒压充电模式的第二整流电路的输出电压(当蓄电池直接与第二整流电路相连时，该电压为蓄电池充电电压)Ubat可表示为由此，可确定出当SSP拓扑满足谐振频率时，蓄电池充电电压Ubat是一个与负载无关的输出量，即，无线充电电路可工作在恒压工作模式。
通过对图4所示的第二整流电路的输出电压进行负载突变前后的仿真，仿真结果如图5所示，当在仿真时间0.005s时突减负载，输出电压Ubat有波动，但该波动维持约2ms后趋于稳定，且负载突变前后电压幅值不变，即，该无线充电电路工作在恒压工作状态。
通过实施上述实施例的技术方案，由于将SS拓扑和SSP拓扑两种谐振补偿拓扑结合到同一个无线充电电路中，并通过开关切换该无线充电电路工作在恒流或恒压工作模式，所以，具有以下效果：
1.SS拓扑只工作在恒流状态下，只需保证SS配置在恒流状态的谐振参数，即，只需要保证第一谐振电容与第一电感谐振，第二谐振电容与第二电感谐振即可，无需兼顾恒压状态。而SSP拓扑只工作在恒压状态下，而且，在电压增益点处，电路工作于谐振状态，故电路输出恒压点即为电路谐振点。也就是说，不管是SS拓扑还是SSP拓扑，均易控制在谐振点处，使无线充电电路具备较高的输出功率和传输效率；
2.在恒流恒压充电模式的切换过程中，该无线充电电路的谐振网络均工作在固定的电压增益交点处，输入阻抗角为零的状态，此状态下开关损耗小，有益于提高电路效率；
3.SS/SSP拓扑的切换仅需一个切换开关即可使该无线充电电路工作在恒流恒压两种工作状态。该复合拓扑的开关器件少、电路体积小、恒流恒压切换控制较简单。
图6是本发明恒流恒压复合拓扑的无线充电电路实施例二的电路图。该实施例中，第一整流电路为PFC整流电路。
图7是图6中的无线充电电路的第一整流电路实施例一的电路图，如图7所示，该实施例中PFC整流电路包括二极管三相整流桥D11、第一组开关器件Q1、第二组开关器件Q2、第三组开关器件Q3、第一电解电容C11、第二电解电容C12，此处需说明的是，每组开关器件均为四个开关管的组合。而且，二极管三相整流桥D11的三个输入端分别接入三相交流电压，二极管三相整流桥D11的正母线端连接第一电解电容C11的正极，第一电解电容C11的负极连接第二电解电容C12的正极，第二电解电容C12的负极连接二极管三相整流桥D11的负母线端，第一组开关器件Q1的第一端连接二极管三相整流桥D11的第一输入端，第二组开关器件Q2的第一端连接二极管三相整流桥D11的第二输入端，第三组开关器件Q3的第一端连接二极管三相整流桥D11的第三输入端，第一组开关器件Q1的第二端、第二组开关器件Q2的第二端、第三组开关器件Q3的第三端分别连接第一电解电容的负极。
进一步地，当第一整流电路的电路结构为图7所示的结构时，由于第一整流电路输出为正负母线，因此高频逆变电路不需要采用全桥逆变，采用半桥逆变即可，结合图6，该高频逆变电路2包括第一开关管Q4和第二开关管Q5，其中，第一开关管Q4的第一端连接第一整流电路的正母线端，第二开关管Q5的第一端连接第一整流电路的负母线端，第一开关管Q4的第二端及第二开关管Q5的第二端分别连接第一谐振电容C1的第一端，第一电感L1的第二端连接第一电解电容C11的负端。在该实施例中，第一开关管Q4和第二开关管Q5交替导通，当第一开关管Q4导通时，正母线提供能量；当第二开关管Q5导通时，负母线提供能量。
采用本申请的上述实施例，可使电路工作在恒流或恒压工作状态，所需开关数量少、电路体积小、控制简单，电路输出功率和传输效率较高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何纂改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种恒流恒压复合拓扑的无线充电电路，包括依次连接的第一整流电路、高频逆变电路、谐振补偿电路、第二整流电路，其特征在于，所述谐振补偿电路包括原边补偿模块和副边补偿模块，其中，
所述原边补偿模块包括第一电感和第一谐振电容，而且，所述第一谐振电容的第一端连接所述高频逆变电路的第一输出端，所述第一谐振电容的第二端连接所述第一电感的第一端，所述第一电感的第二端连接所述高频逆变电路的第二输出端；
所述副边补偿模块包括第二电感、第二谐振电容、第三谐振电容及开关，而且，所述第二谐振电容的第一端连接所述第二整流电路的第一输入端，所述第二谐振电容的第二端连接所述第二电感的第一端，所述第二电感的第二端连接所述第二整流电路的第二输入端，所述开关和所述第三谐振电容串联在所述第二谐振电容的第一端与所述第二电感的第二端之间；
而且，所述开关在所述第二整流电路所输出的电压未达到电压目标值时断开，无线充电电路处于恒流工作模式，所述开关在所述第二整流电路所输出的电压达到电压目标值时闭合，无线充电电路处于恒压工作模式。
2.根据权利要求1所述的恒流恒压复合拓扑的无线充电电路，其特征在于，所述高频逆变电路为正激变换电路、反激变换电路、推挽式逆变电路、半桥逆变电路或全桥逆变电路。
3.根据权利要求1所述的恒流恒压复合拓扑的无线充电电路，其特征在于，所述第一整流电路为PFC整流电路。
4.根据权利要求3所述的恒流恒压复合拓扑的无线充电电路，其特征在于，所述PFC整流电路包括二极管三相整流桥、第一组开关器件、第二组开关器件、第三组开关器件、第一电解电容、第二电解电容，而且，所述二极管三相整流桥的三个输入端分别接入三相交流电压，所述二极管三相整流桥的正母线端连接所述第一电解电容的正极，所述第一电解电容的负极连接所述第二电解电容的正极，所述第二电解电容的负极连接所述二极管三相整流桥的负母线端，所述第一组开关器件的第一端连接所述二极管三相整流桥的第一输入端，所述第二组开关器件的第一端连接所述二极管三相整流桥的第二输入端，所述第三组开关器件的第一端连接所述二极管三相整流桥的第三输入端，所述第一组开关器件的第二端、所述第二组开关器件的第二端、所述第三组开关器件的第二端分别连接所述第一电解电容的负极。
5.根据权利要求4所述的恒流恒压复合拓扑的无线充电电路，其特征在于，所述高频逆变电路包括第一开关管和第二开关管，其中，所述第一开关管的第一端连接所述第一整流电路的正母线端，所述第二开关管的第一端连接所述第一整流电路的负母线端，所述第一开关管的第二端及所述第二开关管的第二端分别连接所述第一谐振电容的第一端，所述第一电感的第二端连接所述第一电解电容的负端。
6.根据权利要求1所述的恒流恒压复合拓扑的无线充电电路，其特征在于，还包括与所述第二整流电路相连接的等效负载电路。
7.根据权利要求6所述的恒流恒压复合拓扑的无线充电电路，其特征在于，所述等效负载电路包括蓄电池。
8.根据权利要求7所述的恒流恒压复合拓扑的无线充电电路，其特征在于，所述等效负载电路还包括连接在所述第二整流电路和所述蓄电池之间的功率转换电路。
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