CN106786886A - 一种基于负载识别技术的无线充电***充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于负载识别技术的无线充电***充电方法，该方法在初级侧和次级侧分别进行控制；初级侧的控制为：通过采集无线充电***中初级侧补偿电容两端的电压控制电压源输出电压的大小；次级侧的控制为：通过采集电池充电电压和充电电流控制次级侧所有的开关的通断，以实现***充电模式的转换；本发明在无线充电***初级侧与次级侧之间无通信模块的前提下，实现了识别非法的电池性负载，通过在初级侧调节输入电压的大小和控制次级侧所有开关状态，完成了对***的保护。

Description

一种基于负载识别技术的无线充电***充电方法

技术领域

本发明涉及电池的无线充电领域，尤其是一种基于负载识别技术的无线充电***充电方法。

背景技术

无线电能传输技术具有传统有线传输方式所没有的诸多优点，利用无线的方式实现对手机等小型便携式设备充电，则可以极大地提高使用的灵活性和舒适性，而再也不用携带冗余的电源线。往往，电能的传输与存储是同等重要，因此依赖无线电能传输技术解决能量的传输问题的同时，也需要很好的解决能量的高效存储问题。目前我们周边常见的储能设备为电池，尤其是以锂电池为主，而对于锂电池来说，恒流(CC)、恒压(CV)充电是最常见的充电方式，它将锂电池的整个充电过程分为恒流充电和恒压充电两个个阶段。

为了在无线充电过程中实现CC与CV充电之间的转换，现多采用变换无线***拓扑的方法。由于无线充电***的参数一旦给定，那么它在CC充电阶段的充电电流固定不变，一般通过检测电池的电压来切换电池的充电模式，当电池电压达到其标称电压时，切换拓扑至CV充电阶段。在CV充电阶段，它的充电电压也是恒定不变的。这就意味着***的充电模式切换点固定，那么一个参数设计好的无线充电***仅仅只能为一类电池充电，该类电池的标称电压与***在CV阶段的恒压输出一致。如果一个标称电压与***在CV阶段输出的电压不一致的电池接入***，就会导致***充电模式无法切换的问题，同时，由于不同电池所能承受的充电电流也不一致，不同类型的电池随意接入***也会对电池本身造成伤害。因此，必须要防止不同电压等级的电池误接入***的行为，且还需要保证电池在***的充电过程中，充电电流与充电电压合理范围内。

发明内容

为了实现上述目标，本发明提供了一种基于负载识别技术的无线充电***保护方法，在发射与接收端之间没有通信模块的基础上，***发射端与接收端可以分别识别出非法电池负载信息，进而控制***内开关状态，实现对***的保护。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于负载识别技术的无线充电***充电方法，包括步骤：

(1)搭建无线充电***，所述无线充电***包括初级侧和次级侧，初级侧包括：高频逆变电源和初级侧补偿电路；次级侧包括：次级侧开关电路和整流稳压电路；其中，

初级侧补偿电路包括：初级侧补偿电容C_p、初级侧补偿电感L_X和发射线圈；C_p与发射线圈并联后再串联L_X，形成一LCL谐振支路；

高频逆变电源串联在LCL谐振支路两端，为初级侧补偿电路提供高频电压；高频逆变电源的输出频率保持不变；

次级侧开关电路包括接收线圈、次级侧补偿电容C_s、次级侧补偿电感L_Y和开关S₁、S₂、S₃、S₄；接收线圈的一端与L_Y的一端相连，接收线圈与L_Y的连接点与C_s的正极板相连；L_Y的另一端通过S₁与S₃串联，S₁与S₃的连接点作为次级侧开关电路的第一输出端；S₃的另一端与C_s的负极板相连，S₃与C_s的连接点与S₂的一端相连；接收线圈的另一端通过S₄与S₂的另一端相连；S₄与S₂的连接点作为次级侧开关电路的第二输出端；次级侧开关电路通过接收线圈与发射线圈耦合接收能量，并将接收到的能量转换为次级侧开关电路的输出电压U_mn，即次级侧开关电路第一、第二输出端之间的电压；

整流稳压电路的对次级侧开关电路的输出电压U_mn进行整流稳压处理，处理后的电压即为恒流-恒压无线充电***的输出电压；

(2)设置***参数，包括：设置电池的恒流充电电流为I_bat，s，电池标称电压为U_bat，n，L_X＝L_p＝L_s＝L_Y＝L，C_p＝C_s＝C，发射线圈与接收线圈间的互感为M，谐振角频率为ω，

(3)***初始化：设定所述无线充电保护***中未接入电池时，***处于待机状态，此时，高频逆变电源输出的电压为U_in，s，开关S₁、S₂、S₃、S₄均断开；

(4)当有电池接入时，分别在所述无线充电保护***的初级侧和次级侧进行充电保护；

次级侧的保护步骤为：

(4-1)采集电池两端电压U_bat，若U_bat，u＜U_bat＜U_bat，n，则判定所接电池合法，此时闭合开关S₁、S₂、S₄，并转入步骤(4-2)；否则，保持开关S₁、S₂、S₃、S₄均断开；U_bat，u表示电池欠压状态下的最低电压；

(4-2)开关S₁、S₂、S₄闭合后，所述无线充电保护***对电池进行恒流充电直至电池两端电压U_bat满足U_bat＞＞U_bat，n；当电池两端电压U_bat满足U_bat＞＞U_bat，n时，断开S₁、S₂，闭合S₃，所述无线充电保护***对电池进行恒压充电，直至冲电完成；

初级侧的保护步骤为：

(4-3)采集C_p两端的电压U_cp，判断是否满足：

若满足，则判定所接电池合法，调节高频逆变电源的输出电压为U_in，n，转入步骤(4-4)；否则，保持高频逆变电源的输出电压为U_in，s；

(4-4)实时采集高频逆变电源的输出电压切换为U_in，n后C_p两端的电压U_Cp，当U_Cp满足U_Cp＝U_in，n时，调节高频逆变电源的输出电压为U_in，s，返回步骤(4-3)。

进一步的，所述无线充电***中还包括初级侧控制电路和次级侧控制电路；初级侧控制电路包括：电压采集单元V1和微处理器MCU1；次级侧控制电路包括电压采集单元V2、电流采集单元和微处理器MCU2；其中，

电压采集单元V1采集C_p两端的电压，并将采集到的电压值发送给微处理器MCU1；微处理器MCU1根据接收到的C_p两端的电压值生成电源电压调节指令，并发送给高频逆变电源，高频逆变电源根据电源电压调节指令调节自身输出电压；

电压采集单元V2和电流采集单元分别采集电池两端电压和电池充电电流，并将采集到的数据发送给微处理器MCU2；微处理器MCU2根据接收到的电池两端电压和电池充电电流生成开关控制指令，控制开关S₁、S₂、S₃、S₄的通断。

进一步的，该方法还包括故障检测，故障检测的步骤为：

设置阈值I_bat，m和U_bat，m；在充电过程中，一旦检测到充电电流I_bat大于I_bat，m或充电电压U_bat大于U_bat，m，则判定***出现故障，微处理器MCU2断开开关S₁、S₂、S₃、S₄，使次级侧开路；此时，电容C_p两端电压变为U_in，n，微处理器MCU1控制高频逆变电源的输出电压切换至U_in，s。

有益效果：本发明能够分别在初级侧与次级侧识别出***的非法电池性负载接入，避免了***初级侧与次级侧之间的信息交互，完成了在非法电池性负载接入***和***充电电流与充电电压发生故障时，***的安全保护。

附图说明

图1为本发明所述的无线充电***原理框图；

图2为本发明所述的无线充电***原理图；

图3为本发明所述***初级侧控制流程图；

图4为本发明所述***次级侧控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

本发明所涉及的无线充电***框图如图1所示，所述***的电路结构包括高频逆变电源、初级侧补偿电路、初级侧控制电路、次级侧开关电路、整流稳压电路和次级侧控制电路。

结合图2的电路原理图，高频逆变电源为***提供高频电能，电源电压有效值为U_in，电源电压频率为f。初级侧电路为由补偿电感L_X、补偿电容C_p和发射线圈组成的LCL谐振电路；发射线圈的电感为L_p；初级侧控制电路包括补偿电容C_p两端的电压采集单元，和可以控制电源输入电压的微处理器MCU1。次级侧开关电路包括接收线圈、补偿电容C_s、补偿电感L_Y和开关S₁、S₂、S₃、S₄。接收线圈的电感为L_s；开关S₁、S₂、S₃和S₄均为常开开关。S₁、S₂和S₃用于控制***的拓扑切换，S₄用于保护***，它在正常工作情况下闭合；次级侧开关电路的输出端与整流稳压电路的输入端相连，整流稳压电路的输出端作为恒流-恒压无线充电***的输出端；次级侧控制电路包括：电池电压的采集单元、充电电流采集单元和用于控制次级侧所有开关的微处理器MCU2；逆变电源的输出频率与输出电压在充电过程中保持不变；L_X＝L_p＝L_s＝L_Y＝L，C_p＝C_s＝C，发射线圈与接收线圈间的互感为M。

所述无线充电***在***正常运行情况下，S₄闭合，当***处于恒流(CC)充电模式时，开关S₁和S₂闭合；通过检测充电电压U_bat，当其升至标称电压U_bat，n时，开关S₁和S₂断开，S₃闭合，***进入恒压(CV)充电模式。在CV充电模式中，***的输出电压要等于电池的标称电压U_bat，n。我们规定电池标称电压与***在CV模式下的输出电压相同的这一类电池为合法负载，而与其不等的一类电池为非法负载，非法负载的标称电压与合法负载标称电压具有一定差别。

***有两种工作状态，一种是正常工作状态，高频逆变电源的输出电压为U_in，n，另一种是待机状态，输入电压为U_in，s，U_in，s≤U_in，n。当***处于CC充电模式时，电池充电电流I_bat与***输入电压的关系为：

因此，正常工作状态下，CC模式下的充电电流为I_bat，n；待机工作状态是，CC模式下的充电电流为I_bat，s。

当合法负载欠压时，它的电压U_bat一般满足U_bat，u＜U_bat＜U_bat，n。其中U_bat，u为电池欠压状态时的最低电压，U_bat，n为电池的标称电压。

图3和图4分别为初级侧和次级侧的控制流程图，步骤如下：

1、当***中无电池接入时，***处于待机状态，此时图2中开关均断开，补偿电容C_p两端电压为U_in，s。

2、当有电池接入时，先检测电池两端电压U_bat若满足

U_bat，u＜U_bat＜U_bat，n (1)

则次级侧认为所接电池为合法负载，通过MCU2闭合S₁，S₂和S₄。因初级侧与次级侧之间信息独立，初级侧则是通过实时检测补偿电容C_p两端电压有效值来识别***所接负载，C_p两端电压：

此时***输入仍为待机电压，结合整流桥前后的等效电阻转换关系，合法负载应该为若初级侧的电压检测单元检测到U_Cp满足：

初级侧则认为所接电池为合法负载，MCU1控制电源使其切换至正常电压U_in，n，***进入正常工作状态。

若电池电压不满足式(1)，次级侧认为***中所接为非法负载，图1中所有开关仍断开，补偿电容C_p两端电压为U_in，s，***仍处于待机模式。

3、若***所接为合法负载，***进入CC模式。当充电电压U_bat＝U_{bat，n n}时，MCU2断开S₁和S₂，闭合S₃，***进入CV模式。

4、若在充电过程中，充电电压与充电电流一旦出现异常，MCU2断开次级所有开关，即次级侧开路。此时，电容C_p两端电压变为U_in，n，初级侧判定***异常，通过MCU1控制电源使其切换至待机电压U_in，n。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于负载识别技术的无线充电***充电方法，其特征在于，包括步骤：

(1)搭建无线充电***，所述无线充电***包括初级侧和次级侧，初级侧包括：高频逆变电源和初级侧补偿电路；次级侧包括：次级侧开关电路和整流稳压电路；其中，

初级侧补偿电路包括：初级侧补偿电容C_p、初级侧补偿电感L_X和发射线圈；C_p与发射线圈并联后再串联L_X，形成一LCL谐振支路；

高频逆变电源串联在LCL谐振支路两端，为初级侧补偿电路提供高频电压；高频逆变电源的输出频率保持不变；

次级侧开关电路包括接收线圈、次级侧补偿电容C_s、次级侧补偿电感L_Y和开关S₁、S₂、S₃、S₄；接收线圈的一端与L_Y的一端相连，接收线圈与L_Y的连接点与C_s的正极板相连；L_Y的另一端通过S₁与S₃串联，S₁与S₃的连接点作为次级侧开关电路的第一输出端；S₃的另一端与C_s的负极板相连，S₃与C_s的连接点与S₂的一端相连；接收线圈的另一端通过S₄与S₂的另一端相连；S₄与S₂的连接点作为次级侧开关电路的第二输出端；次级侧开关电路通过接收线圈与发射线圈耦合接收能量，并将接收到的能量转换为次级侧开关电路的输出电压U_mn，即次级侧开关电路第一、第二输出端之间的电压；

整流稳压电路的对次级侧开关电路的输出电压U_mn进行整流稳压处理，处理后的电压即为恒流-恒压无线充电***的输出电压；

(2)设置***参数，包括：设置电池的恒流充电电流为I_bat，s，电池标称电压为U_bat，n，L_X＝L_p＝L_s＝L_Y＝L，C_p＝C_s＝C，发射线圈与接收线圈间的互感为M，谐振角频率为ω，

(3)***初始化：设定所述无线充电保护***中未接入电池时，***处于待机状态，此时，高频逆变电源输出的电压为U_in，s，开关S₁、S₂、S₃、S₄均断开；

(4)当有电池接入时，分别在所述无线充电保护***的初级侧和次级侧进行充电保护；

次级侧的保扩步骤为：

(4-1)采集电池两端电压U_bat，若U_bat，u＜U_bat＜U_bat，n，则判定所接电池合法，此时闭合开关S₁、S₂、S₄，并转入步骤(4-2)；否则，保持开关S₁、S₂、S₃、S₄均断开；U_bat，u表示电池欠压状态下的最低电压；

(4-2)开关S₁、S₂、S₄闭合后，所述无线充电保护***对电池进行恒流充电直至电池两端电压U_bat满足U_bat＞＞U_bat，n；当电池两端电压U_bat满足U_bat＞＞U_bat，n时，断开S₁、S₂，闭合S₃，所述无线充电保护***对电池进行恒压充电，直至冲电完成；

初级侧的保护步骤为：

(4-3)采集C_p两端的电压U_Cp，判断是否满足：

$U_{in,s}\sqrt{(1+\frac{64M^4{U}_{bat,u}^2}{{\mathrm{\π}}^4{\mathrm{\ω}}^2{L}^6{I}_{bat,s}^2})}\≤U_{Cp}\≤U_{in,s}\sqrt{(1+\frac{64M^4{U}_{bat,n}^2}{{\mathrm{\π}}^4{\mathrm{\ω}}^2{L}^6{I}_{bat,s}^2})}$

若满足，则判定所接电池合法，调节高频逆变电源的输出电压为U_in，n，转入步骤(4-4)；否则，保持高频逆变电源的输出电压为U_in，s；

(4-4)实时采集高频逆变电源的输出电压切换为U_in，n后C_p两端的电压U_Cp，当U_Cp满足U_Cp＝U_in，n时，调节高频逆变电源的输出电压为U_in，s，返回步骤(4-3)。

2.根据权利要求1所述的一种基于负载识别技术的无线充电***充电方法，其特征在于，所述无线充电***中还包括初级侧控制电路和次级侧控制电路；初级侧控制电路包括：电压采集单元V1和微处理器MCU1；次级侧控制电路包括电压采集单元V2、电流采集单元和微处理器MCU2；其中，

电压采集单元V1采集C_p两端的电压，并将采集到的电压值发送给微处理器MCU1；微处理器MCU1根据接收到的C_p两端的电压值生成电源电压调节指令，并发送给高频逆变电源，高频逆变电源根据电源电压调节指令调节自身输出电压；

电压采集单元V2和电流采集单元分别采集电池两端电压和电池充电电流，并将采集到的数据发送给微处理器MCU2；微处理器MCU2根据接收到的电池两端电压和电池充电电流生成开关控制指令，控制开关S₁、S₂、S₃、S₄的通断。

3.根据权利要求2所述的一种基于负载识别技术的无线充电***充电方法，其特征在于，该方法还包括故障检测，故障检测的步骤为：

设置阈值I_bat，m和U_bat，m；在充电过程中，一旦检测到充电电流I_bat大于I_bat，m或充电电压U_bat大于U_bat，m，则判定***出现故障，微处理器MCU2断开开关S₁、S₂、S₃、S₄，使次级侧开路；此时，电容C_p两端电压变为U_in，n，微处理器MCU1控制高频逆变电源的输出电压切换至U_in，s。