CN111934444B - 无线充电保护***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线充电保护***及方法，其中，无线充电保护***包括：发射端以及接收端；发射端包括：发射端电源、发射端电感线圈以及发射端线圈，发射端电源、发射端电感线圈与发射端线圈串联；接收端包括：负载、接收端电感线圈、接收端线圈以及接收端保护电路，发射端和接收端通过发射端线圈和接收端线圈进行电磁互感；接收端保护电路包括：整流单元、滤波电容以及第一开关器件，负载、滤波电容分别与整流单元并联，第一开关器件串联于负载所在的支路上。本发明能够切断输出功率保护负载端不会出现因持续不受控的能量输入导致损伤，大大降低CF电压冲击降低Cf电容的耐压要求。减小整流桥的电流应力，降低mosfet和二极管的电流应力要求降低成本。

Description

无线充电保护***及方法

技术领域

本发明涉及大功率无线充电技术领域，尤其涉及一种无线充电保护***及方法。

背景技术

随着汽车产业电动化、智能化、网联化、5G产业的快速发展，无线充电技术已成为了汽车产业的热点之一。然而，无线充电保护***车端线圈与地面线圈存在大的位置偏移时，充电的安全性和高效性很难得到保障。无线充电保护***的对齐如果仅通过驾驶人员的人工操作非常困难，会极大影响用户体验。

电动汽车无线充电***车载端是直接安装在车端的设备，且工作时直接与电动汽车动力电池连接进行能量传输。电动汽车车载端的保护***一直是无线充电***中非常重要的环节，要求具有非常好的实时性和***安全性。目前，基于动力电池充电对保护的高要求一般会要求直接切断现有的输出。然而，现有的车端保护***存在如下缺陷：1.Cf电压冲击非常大；2.整流功率器件的电流冲击巨大；3.输出短路保护无法正常保护。因此，针对上述问题，有必要提出进一步地解决方案。

发明内容

本发明旨在提供一种无线充电保护***及方法，以克服现有技术中存在的不足。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种无线充电保护***，其包括：发射端以及接收端；

所述发射端包括：发射端电源、发射端电感线圈以及发射端线圈，所述发射端电源、发射端电感线圈与所述发射端线圈串联；

所述接收端包括：负载、接收端电感线圈、接收端线圈以及接收端保护电路，所述发射端和接收端通过所述发射端线圈和接收端线圈进行电磁互感；

所述接收端保护电路包括：整流单元、滤波电容以及第一开关器件，所述负载、滤波电容分别与所述整流单元并联，所述第一开关器件串联于所述负载所在的支路上。

作为本发明的无线充电保护***的改进，所述发射端还包括：第一发射端电容器，其串联于所述发射端电感线圈和发射端线圈之间。

作为本发明的无线充电保护***的改进，所述发射端还包括：第二发射端电容器，其一端连接于所述发射端电感线圈和第一发射端电容器之间，另一端连接于所述发射端电源和发射端线圈之间。

作为本发明的无线充电保护***的改进，所述接收端还包括：第一接收端电容器，其串联于所述接收端电感线圈和接收端线圈之间。

作为本发明的无线充电保护***的改进，所述接收端还包括：第二接收端电容器，其一端连接于所述接收端电感线圈和第一接收端电容器之间，另一端连接于所述接收端保护电路和接收端线圈之间。

作为本发明的无线充电保护***的改进，所述整流单元包括：第一MOSFET、第二MOSFET、第一整流二极管、第二整流二极管；

所述第一MOSFET与第一整流二极管串联后与相互串联的所述第二MOSFET和第二整流二极管并联。

作为本发明的无线充电保护***的改进，所述第一开关器件为一母线开关。

作为本发明的无线充电保护***的改进，所述接收端保护电路还包括泄放电阻和第二开关器件，所述负载、泄放电阻、滤波电容依次与所述整流单元并联，所述泄放电阻与所述第二开关器件相串联。

作为本发明的无线充电保护***的改进，所述第二开关器件为一泄放回路控制开关。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种无线充电保护方法，其包括：

接收到故障输入信号之后，关断所述第一开关器件；

按照占空比变化速度

逐渐增加所述整流单元的占空比D，使所述负载的电压逐渐至零；

其中：

N1＝Tp*f0；

I_Lf2为为流过接收端电感线圈的电流，U_AB为发射端电源输出的等效基波电压值，M为发射线圈与接收线圈之间的互感，ω为发射端电源的角频率，L_f2为接收端电感线圈的谐振电感，L_f1为发射端电感线圈的谐振电感。

作为本发明的无线充电保护方法的改进，所述无线充电保护方法还包括：

所述负载的电压逐渐至零之后，泄放掉所述滤波电容的能量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过设置接收端保护电路实现了，切断输出功率保护负载端不会出现因持续不受控的能量输入导致损伤，能够大大降低CF电压冲击降低Cf电容的耐压要求。能够减小整流桥的电流应力，降低mosfet和二极管的电流应力要求降低成本，对输出的开路短路有很好的保护效果。

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中记载的一些实施例，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。

图1为本发明无线充电保护***一实施例的电路图；

图2为本发明无线充电保护***一实施例中接收端保护电路的电路图；

图3为第一MOSFET Q5、第二MOSFET Q6驱动的执行时序图；

图4为本发明无线充电保护方法一实施例的方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2所示，本发明一实施例提供一种无线充电保护***，其包括：发射端以及接收端。

发射端作为原边，其包括：发射端电源1、发射端电感线圈L_f1以及发射端线圈L1。

其中，发射端电源1、发射端电感线圈L_f1与发射端线圈L1串联。此外，发射端还包括：第一发射端电容器C1和第二发射端电容器C_f1。第一发射端电容器C1串联于发射端电感线圈L_f1和发射端线圈L1之间。第二发射端电容器C_f1一端连接于发射端电感线圈L_f1和第一发射端电容器C1之间，另一端连接于发射端电源1和发射端线圈L1之间。

接收端作为副边，其包括：负载2、接收端电感线圈L_f2、接收端线圈L2以及接收端保护电路3，发射端和接收端通过发射端线圈L1和接收端线圈L2进行电磁互感。

其中，接收端保护电路3用于切断输出功率保护负载端不会出现因持续不受控的能量输入导致损伤。具体地，接收端保护电路3包括：整流单元31、滤波电容32以及第一开关器件Q7，负载2、滤波电容32分别与整流单元31并联，第一开关器件Q7串联于负载2所在的支路上。

如此，借助滤波电容32的储能作用，能够将输出能量以电容电压的形式存储起来。进而在电容电压增长到电容电压承受的范围边界以前，逐周期增大整流单元31的占空比，输出电流随占空比的增大逐渐减小，直至完全没有输出电流，能够大大降低CF电压冲击降低Cf电容的耐压要求。第一开关器件Q7可以为一母线开关。

一个实施方式中，当整流单元31为一整流桥时，能够减小整流桥的电流应力，降低mosfet和二极管的电流应力要求降低成本，对输出的开路短路有很好的保护效果。本实施方式中，整流桥式的整流单元31包括：第一MOSFET Q5、第二MOSFET Q6、第一整流二极管D1、第二整流二极管D2。其中，第一MOSFET Q5与第一整流二极管D1串联后与相互串联的第二MOSFET Q6和第二整流二极管D2并联。

为了在负载2的电压逐渐至零之后，泄放掉滤波电容32的能量，接收端保护电路3还包括泄放电阻Rs和第二开关器件Q8，负载2、泄放电阻Rs、滤波电容32依次与整流单元31并联，泄放电阻Rs与第二开关器件Q8相串联。其中，第二开关器件Q8可以为一泄放回路控制开关。如此，完全没有输出电流之后，开启泄放回路控制开关，将滤波电容32中能量通过泄放电阻Rs泄放掉，实现整个***的保护。

此外，接收端还包括：第一接收端电容器C2和第二接收端电容器C_f2。其中，第一接收端电容器C2串联于接收端电感线圈L_f2和接收端线圈L2之间。第二接收端电容器C_f2一端连接于接收端电感线圈L_f2和第一接收端电容器C2之间，另一端连接于接收端保护电路3和接收端线圈L2之间。

基于上述无线充电保护***，本发明还提供一种无线充电保护方法，该无线充电保护方法包括：

接收到故障输入信号之后，关断第一开关器件；

按照占空比变化速度

逐渐增加整流单元的占空比D，使负载的电压逐渐至零；

其中：

N1＝Tp*f0；

I_Lf2为为流过接收端电感线圈L_f2的电流，U_AB为发射端电源输出的等效基波电压值，M为发射线圈与接收线圈之间的互感，ω为发射端电源1的角频率，L_f2为接收端电感线圈L_f2的谐振电感，L_f1为发射端电感线圈L_f1的谐振电感；

负载的电压逐渐至零之后，泄放掉滤波电容的能量。

本发明无线充电保护方法的一个实施例中，如图1、2所示：谐振拓扑满足如下条件：

由以上谐振条件可以推导出***输出电流I_Lf2只与收入电压和接收端电感线圈L_f2相关的恒流输出特性如下：

输出电流与第一MOSFET Q5、第二MOSFET Q6占空比D的关系表达式为：

由电容在一定电流的充电下，电压的爬升输出直流滤波电容电压爬升斜率占空比的关系：

由以上所得的斜率关系，和电容最大耐压值Umax和负载电压Ubat之间的差，可以得到保护执行时间Tp和执行保护逻辑所需要的开关周期数N1：

N1＝Tp*F0

已知执行保护逻辑所需要的时间和周期数N1之后，可以计算出每一个周期执行过程中的占空比变化步长：

I_Lf2为为流过接收端电感线圈L_f2的电流，U_AB为发射端电源1输出的等效基波电压值，M为发射线圈与接收线圈之间的互感，ω为发射端电源1的角频率，L_f2为接收端电感线圈L_f2的谐振电感，L_f1为发射端电感线圈L_f1的谐振电感。

如图3所示，为第一MOSFET Q5、第二MOSFET Q6驱动的执行时序说明：以I_Lf2电流过零信号作为对齐起始点。执行保护逻辑，逐渐增大占空比D，直至第一MOSFET Q5、第二MOSFET Q6的驱动信号完全拉高。

由：

此时整流等效输出电压Uab＝0，所以输出功率为0。

基于上述变量推导关系，结合图4所示，本实施例的无线充电保护方法包括：

S1、当***故障产生时，先切断第一开关器件Q7的驱动，保护输出端负载2不会收到电流电压冲击。

S2、由于***拓扑特性可知，***为恒流输出，此时原边电压U_AB由于通讯延时无法立马得到响应，所以U_AB不会变化，I_Lf2会维持不变，并且持续输出，能量会持续给滤波电容32充电。

S3、从关断第一开关器件Q7到滤波电容32电压Ucout＝Umax的时间段过程中，逐渐按照计算出来占空比变化速度

逐渐增加占空比，使U_ab逐渐减小，使得输出功率Pab也随之减小，直至功率完全减小至0。

如此，能够避免出现故障时立马关断占空比导致，惯性环节有巨大的能量会对Cf2电容和mosfet和二极管产生巨大的电流电压冲击。

S4、负载2的电压逐渐至零之后，泄放掉滤波电容32的能量。

完成输出功率完全关闭之后，需要对滤波电容32进行泄放，将其内部存储的能量进行释放。需要打开Q8的驱动，将Cout的能量通过Rs完全消耗掉。

综上所述，本发明通过设置接收端保护电路实现了，切断输出功率保护负载端不会出现因持续不受控的能量输入导致损伤，能够大大降低CF电压冲击降低Cf电容的耐压要求。能够减小整流桥的电流应力，降低mosfet和二极管的电流应力要求降低成本，对输出的开路短路有很好的保护效果。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种无线充电保护***的无线充电保护方法，其特征在于，所述无线充电保护***包括：发射端以及接收端；

所述发射端包括：发射端电源、发射端电感线圈以及发射端线圈，所述发射端电源、发射端电感线圈与所述发射端线圈串联；

所述接收端包括：负载、接收端电感线圈、接收端线圈以及接收端保护电路，所述发射端和接收端通过所述发射端线圈和接收端线圈进行电磁互感；

所述接收端保护电路包括：整流单元、滤波电容以及第一开关器件，所述负载、滤波电容分别与所述整流单元并联，所述第一开关器件串联于所述负载所在的支路上；

所述整流单元包括：第一MOSFET、第二MOSFET、第一整流二极管、第二整流二极管；

所述第一MOSFET与第一整流二极管串联后与相互串联的所述第二MOSFET和第二整流二极管并联；

所述无线充电保护方法包括：

接收到故障输入信号之后，关断所述第一开关器件；

按照占空比变化速度

逐渐增加所述整流单元的占空比D，使所述负载的电压逐渐至零；

其中：

N1＝Tp*f0；

I_Lf2为为流过接收端电感线圈的电流，U_AB为发射端电源输出的等效基波电压值，M为发射线圈与接收线圈之间的互感，ω为发射端电源的角频率，L_f2为接收端电感线圈的谐振电感，L_f1为发射端电感线圈的谐振电感；

Cout为输出直流滤波电容；Ku为电容在一定电流的充电下，电压的爬升输出直流滤波电容电压爬升斜率占空比的关系；Tp为保护执行时间。

2.根据权利要求1所述的无线充电保护***的无线充电保护方法，其特征在于，所述发射端还包括：第一发射端电容器，其串联于所述发射端电感线圈和发射端线圈之间。

3.根据权利要求2所述的无线充电保护***的无线充电保护方法，其特征在于，所述发射端还包括：第二发射端电容器，其一端连接于所述发射端电感线圈和第一发射端电容器之间，另一端连接于所述发射端电源和发射端线圈之间。

4.根据权利要求1所述的无线充电保护***的无线充电保护方法，其特征在于，所述接收端还包括：第一接收端电容器，其串联于所述接收端电感线圈和接收端线圈之间。

5.根据权利要求4所述的无线充电保护***的无线充电保护方法，其特征在于，所述接收端还包括：第二接收端电容器，其一端连接于所述接收端电感线圈和第一接收端电容器之间，另一端连接于所述接收端保护电路和接收端线圈之间。

6.根据权利要求1所述的无线充电保护***的无线充电保护方法，其特征在于，所述第一开关器件为一母线开关。

7.根据权利要求1所述的无线充电保护***的无线充电保护方法，其特征在于，所述接收端保护电路还包括泄放电阻和第二开关器件，所述负载、泄放电阻、滤波电容依次与所述整流单元并联，所述泄放电阻与所述第二开关器件相串联。

8.根据权利要求7所述的无线充电保护***的无线充电保护方法，其特征在于，所述第二开关器件为一泄放回路控制开关。

9.根据权利要求1所述的无线充电保护***的无线充电保护方法，其特征在于，所述无线充电保护方法还包括：

所述负载的电压逐渐至零之后，泄放掉所述滤波电容的能量。

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