CN110138097B - 一种采用特殊拓扑结构实现恒流恒压磁感应式充电*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用特殊拓扑结构实现恒流恒压磁感应式充电***，属于磁感应式充电技术领域，包括：通过线圈耦合器进行耦合的原边补偿网络和副边补偿网络、并联在原边补偿网络中的全桥逆变器、并联在副边补偿网络中的单相不可控整流滤波电路；副边补偿网络总管还设有充电控制电路和电池负载。通过设计感应耦合电路的元器件参数值来实现恒压恒流的充电效果，避免了利用变频控制方法增加***的不稳定性，并且避免了增加DCDC控制模块，增加***的体积以及散热，提高了充电***的效率。在充电过程中输入的阻抗为纯阻性，避免了输入无功功率，减小了元器件的应力。

Description

一种采用特殊拓扑结构实现恒流恒压磁感应式充电***
技术领域
本发明涉及磁感应式充电技术领域，具体地说，涉及一种采用特殊拓扑结构实现恒流恒压磁感应式充电***。
背景技术
电能是当今最主要的能源之一，近年来兴起的非接触磁感应式电能传输技术解决了传统接触式供电的一些弊端。非接触磁感应式电能传输技术利用初次级线圈间产生的交变电磁场将能量从初级侧传送到次级侧。通过该技术，可以避免电能传输时电气设备之间的电气接触，避免电火花的产生，以及电能传输接头相互摩擦引起的机械损耗，能够应用于比较恶劣的环境中。
由于磁感应电能传输具有安全可靠并且能够传送大功率能量的特点，如今已经广泛地应用于电动车充电以及水下潜航器充电的场合。感应式电能传输更主要的是给电池充电。
锂电池的充电一般采用CC-CV的充电策略。其中，先恒流再恒压充电是电池充电最主要的阶段，因此应用磁感应式电能传输进行电池充电需要能提供这一输出特性。
线圈耦合器是磁感应耦合式电能传输***的核心，包括初级线圈自感、次级线圈自感以及它们之间的互感；当然感应式充电***还需要通过相应的补偿电路来进行无功补偿使电路达到一个最优状态。
传统的双侧补偿结构有：SS、SP、PS、PP等，这些结构对应的输出特性复杂，电气参数的选取与耦合系数、频率、负载均有关系。因此为了对输出电压或电流，一般采用变频率控制与定频变占空比控制；变频控制需要次级侧将电压电流信号传输至初级侧，增加了***的不稳定性；定频变占空比控制通常在整流器后再加DCDC模块进行控制，这样增大了***的体积，并且降低了***效率。
发明内容
本发明的目的为提供一种采用特殊拓扑结构实现恒流恒压磁感应式充电***，适用于电动汽车、水下潜航器等无线充电场合。***结构简单，没有复杂的反馈控制，且工作稳定。
为了实现上述目的，本发明提供的采用特殊拓扑结构实现恒流恒压磁感应式充电***包括：通过线圈耦合器进行耦合的原边补偿网络和副边补偿网络、并联在原边补偿网络中的全桥逆变器、并联在副边补偿网络中的单相不可控整流滤波电路；副边补偿网络总管还设有充电控制电路和电池负载。
上述技术方案中，通过设计感应耦合电路的元器件参数值来实现恒压恒流的充电效果，避免了利用变频控制方法增加***的不稳定性，并且避免了增加DCDC控制模块，增加***的体积以及散热，提高了充电***的效率。在充电过程中输入的阻抗为纯阻性，避免了输入无功功率，减小了元器件的应力。
作为优选，线圈耦合器包括初级线圈自感Lp和次级线圈自感Ls，两线圈间互感为M。
作为优选，原边补偿网络包括附加电感Lf1、附加电容Cf1和补偿电容Cp，这三者与初级线圈自感Lp组成一个T型网络。
作为优选，副边恒流/恒压补偿网络包括副边补偿电容Cs、控制输出恒压/恒流的附加电感Lf2和Lf3、副边附加电容Cf2；附加电感Lf2和Lf3二者串联，并与副边补偿电容Cs、副边附加电容Cf2以及次级侧线圈自感Ls组成一个T型网络。
作为优选，附加电感Lf2，Lf3由式(1)确定：
Figure BDA0002060466630000031
副边附加电容Cf2由式(2)确定：
Figure BDA0002060466630000032
副边补偿电容Cs由式(3)确定：
Figure BDA0002060466630000033
式(1)-(3)中，UB为设定恒压充电时的电压值，IB为恒流充电时的电流值，ω为***工作的角频率。
作为优选，附加电感Lf1由式(4)确定：
Figure BDA0002060466630000034
附加电容Cf1由式(5)确定：
Figure BDA0002060466630000035
补偿电容Cp由式(6)确定：
Figure BDA0002060466630000036
式(4)-(6)中，UB为设定恒压充电时的电压值，ω为***工作的角频率，E为***直流输入电压。
作为优选，充电控制电路包括：
电压采样电路，用于检测充电电池的电压；
和控制开关S，用于改变副边电感桥臂上电感的值，控制采用恒压/恒流充电方式。
作为优选，充电控制电路采集电池两端的电压，当电压未达到预先设定的恒压充电的电压值时，控制开关S打开，***保持恒流充电状态；当电压达到预先设定的恒压充电的电压值时，控制开关S闭合，***保持恒压充电状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的采用特殊拓扑结构实现恒流恒压磁感应式充电***通过设计感应耦合电路的元器件参数值来实现恒压恒流的充电效果，避免了利用变频控制方法增加***的不稳定性，并且避免了增加DCDC控制模块，增加***的体积以及散热，提高了充电***的效率。
附图说明
图1为本发明实施例中采用特殊拓扑结构实现恒流恒压磁感应式充电***的结构示意图；
图2为本发明实施例中恒流充电时***等效电路图；
图3为本发明实施例中恒流充电时，次级侧等效T型网络；
图4为本发明实施例中恒压充电时***等效电路图；
图5为本发明实施例中恒压充电时，次级侧等效T型网络；
图6为本发明实施例中恒流/恒压充电下初级侧等效T型网络。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。
实施例
参见图1至图6，本实施例的采用特殊拓扑结构实现恒流恒压磁感应式充电***包括：全桥逆变器、原边补偿网络、线圈耦合器、副边恒流/恒压补偿网络、单相不可控整流滤波电路、充电控制电路，电池负载。
其中原边补偿网络包括附加电感Lf1、附加电容Cf1和补偿电容Cp。线圈耦合器包括初级线圈自感Lp和次级线圈自感Ls，线圈间互感为M。副边恒流/恒压补偿网络包括：副边补偿电容Cs、控制输出恒压/恒流的附加电感Lf2，Lf3、副边附加电容Cf2。
充电控制电路包括：电压检测电路，用于检测充电电池的电压，通过控制开关S，改变副边电感桥臂上电感的值，从而决定采用恒压/恒流充电方式。充电控制电路采集电池两端的电压，当电压未达到预先设定的恒压充电的电压值时，控制开关S打开，***保持恒流充电状态；当电压达到预先设定的恒压充电的电压值时，控制开关S打开，***保持恒压充电状态。
本实施例中：次级电感Lf2，Lf3由式(1)确定：
Figure BDA0002060466630000051
次级附加电容Cf2由式(2)确定：
Figure BDA0002060466630000052
次级侧串联补偿电容Cs由式(3)确定：
Figure BDA0002060466630000053
其中初级侧附加电感Lf1有式(4)确定：
Figure BDA0002060466630000054
初级附加电容Cf1由式(5)确定：
Figure BDA0002060466630000055
初级串联补偿电容Cp由式(6)确定：
Figure BDA0002060466630000061
式(1)-(3)中，UB为设定恒压充电时的电压值，IB为恒流充电时的电流值，ω为***工作的角频率，E为***直流输入电压。
本实施例***输出恒定电压与恒定电流的理论分析和电路原理为：
采用逆变器的输出端方波的基波有效值Ui由式(7)确定
Figure BDA0002060466630000062
整流滤波器前后的电压电流关系为：
Figure BDA0002060466630000063
Figure BDA0002060466630000064
恒流充电时，***等效图为图2，次级侧等效的T型电路图为图3，其中
Figure BDA0002060466630000065
令
Figure BDA0002060466630000066
则：
Figure BDA0002060466630000067
Figure BDA0002060466630000068
当***恒压充电时，***等效电路图为图4，次级侧等效的T型电路图为图5，其中
Figure BDA0002060466630000071
令
Figure BDA0002060466630000072
则：
Figure BDA0002060466630000073
不论是恒流充电还是恒压充电下，假设次级侧的负载为Re，因此次级侧的反射阻抗Zr为式(14)：
Figure BDA0002060466630000074
初级侧等效T型网络为图6：
Figure BDA0002060466630000075
Figure BDA0002060466630000076
因此Ip为一个定值，与负载无关，根据式(17)可得Us也是为一个定值
Figure BDA0002060466630000077
次级侧相当于一个恒压源，因此根据式(7)与(17)可得输出恒压的条件：
Figure BDA0002060466630000078
因此得到：
Figure BDA0002060466630000081
Figure BDA0002060466630000082
Figure BDA0002060466630000083
Figure BDA0002060466630000084
Figure BDA0002060466630000085
Figure BDA0002060466630000086
因此根据式(10)、(16)与(18)可得输出恒压的条件，在上式条件基础上加上：
Figure BDA0002060466630000087
电压反馈控制电路采集电池两端的电压，当电压未达到预先设定的恒压充电的电压值时，控制开关打开，***保持恒流充电状态；当电压达到预先设定的恒压充电的电压值时，控制开关打开，***保持恒压充电状态。

Claims (4)

1.一种采用特殊拓扑结构实现恒流恒压磁感应式充电***，其特征在于，包括：
通过线圈耦合器进行耦合的原边补偿网络和副边恒流/恒压补偿网络、并联在所述原边补偿网络中的全桥逆变器、并联在所述副边恒流/恒压补偿网络中的单相不可控整流滤波电路；
所述副边恒流/恒压补偿网络还设有充电控制电路和电池负载；
所述的线圈耦合器包括初级线圈自感Lp和次级线圈自感Ls，两线圈间互感为M；
所述的原边补偿网络包括附加电感Lf1、附加电容Cf1和补偿电容Cp，这三者与所述的初级线圈自感Lp组成一个T型网络；
所述的副边恒流/恒压补偿网络包括副边补偿电容Cs、控制输出恒压/恒流的附加电感Lf2和Lf3、副边附加电容Cf2；所述附加电感Lf2和Lf3二者串联，并与所述副边补偿电容Cs、副边附加电容Cf2组成一个T型网络；
所述的附加电感Lf2，Lf3由式(1)确定：
Figure FDA0002508925130000011
副边附加电容Cf2由式(2)确定：
Figure FDA0002508925130000012
副边补偿电容Cs由式(3)确定：
Figure FDA0002508925130000013
式(1)-(3)中，UB为设定恒压充电时的电压值，IB为恒流充电时的电流值，ω为***工作的角频率。
2.根据权利要求1所述的采用特殊拓扑结构实现恒流恒压磁感应式充电***，其特征在于，所述的附加电感Lf1由式(4)确定：
Figure FDA0002508925130000021
附加电容Cf1由式(5)确定：
Figure FDA0002508925130000022
补偿电容Cp由式(6)确定：
Figure FDA0002508925130000023
式(4)-(6)中，UB为设定恒压充电时的电压值，ω为***工作的角频率，E为***直流输入电压。
3.根据权利要求1所述的采用特殊拓扑结构实现恒流恒压磁感应式充电***，其特征在于，所述的充电控制电路包括：
电压采样电路，用于检测充电电池的电压；
和控制开关S，用于改变副边电感桥臂上电感的值，控制采用恒压/恒流充电方式。
4.根据权利要求3所述的采用特殊拓扑结构实现恒流恒压磁感应式充电***，其特征在于，所述的充电控制电路采集电池两端的电压，当电压未达到预先设定的恒压充电的电压值时，控制开关S打开，***保持恒流充电状态；当电压达到预先设定的恒压充电的电压值时，控制开关S闭合，***保持恒压充电状态。
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