CN113036942B - 一种超级电容的无线充电*** - Google Patents

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Abstract

一种超级电容的无线充电***，涉及无人车、机器人等无线电能传输技术和新型能量转换技术领域。本发明的目的是为了解决现有无线充电方式难以实现为超级电容高效充电的问题。由LCC–S拓扑电路为电力变换电路提供恒流电压，再通过电力变换电路为超级电容提供恒流电流。它用于为超级电容高效充电。

Description

一种超级电容的无线充电***
技术领域
本发明涉及一种无线电能传输和电力变换装置，涉及无人车、机器人等无线电能传输技术和新型能量转换技术领域。
背景技术
超级电容作为储能元件具有重量轻、放电快等优点，可为机器人或无人车等驱动可瞬间提供大电流能力放电，解决瞬间加速或爬坡等工况下需要提供瞬间大扭矩驱动问题。而超级电容的充电问题限制了其重复使用和工程化应用。
无线电能传输是一种不需要电气连接进行电能传输的技术，在机器人、电动汽车领域得到一定应用具有无火花、非接触和方便安全等优势。目前超级电容作为储能装置，由于电容组电压不可突变，且电压与电流成正比，传统无线充电方式难以实现为超级电容高效充电。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有无线充电方式难以实现为超级电容高效充电的问题，现提供一种超级电容的无线充电***。
一种超级电容的无线充电***，所述***包括LCC–S拓扑电路和电力变换电路，电力变换电路包括BUCK型开关电源电路和恒流输出开关控制电路；
恒流输出开关控制电路包括电流采集电路、积分比例运算放大器1、震荡电路2、一号比较器3、电压采集比较电路4、二号比较器5、异或门6和图腾柱式输出电路7，
LCC–S拓扑电路，用于为恒流输出开关控制电路提供恒定电压；
BUCK型开关电源电路，用于将所述恒定电压转换成恒定电流信号输入给电流采集电路；
电流采集电路，用于采集所述恒定电流信号，将所述恒定电流信号转换成电压信号发送给积分比例运算放大器1；
一号比较器3，用于将所述周期内的电流均值信号与震荡电路2发出的三角波信号进行比较，输出方波信号给异或门6；
电压采集比较电路4，用于采集流入超级电容C2的电压，将所述流入超级电容C2的电压送入二号比较器5；
二号比较器5，用于将流入超级电容C2的电压与基准电压进行比较，当所述流入超级电容C2的电压超过所述基准电压时，输出电压信号给异或门6；
异或门6，用于对二号比较器5输出的电压信号和所述方波信号进行异或处理，输出高电平信号；
图腾柱式输出电路7，用于接收所述高电平信号来驱动恒流输出开关控制电路为超级电容C2充电。
优选地，电流采集电路采用电阻R1实现。
优选地，BUCK型开关电源电路包括开关管Q5、续流二极管D5和电感L1，
开关管Q5的栅极连接图腾柱式输出电路7的输出端，开关管Q5的漏极连接LCC–S拓扑电路的正极，开关管Q5的源极同时连接电感L1的一端和续流二极管D5的负极，二极管D5的正极同时连接LCC–S拓扑电路的负极和电阻R1一端，电阻R1另一端同时连接超级电容C2的负极和积分比例运算放大器1的电流信号输入端，电感L1的另一端同时连接超级电容C2的正极和电压采集比较电路4的电压信号输入端。
优选地，LCC–S拓扑电路包括电源管理模块、基于嵌入式模块的高频逆变电路、耦合机构和整流滤波电路，
电源管理模块，用于为基于嵌入式模块的高频逆变电路提供直流电；
基于嵌入式模块的高频逆变电路，用于将直流电转换成交流电传输给耦合机构；
耦合机构，用于将所述交流电无线传输给整流滤波电路；
整流滤波电路，用于将所述交流电转换成恒定电压信号。
优选地，耦合机构包括发射端谐振电路、发射侧线圈Lp、接收侧线圈Ls和接收端谐振电路，
发射端谐振电路包括补偿电感Lf、补偿电容Cf和电容Cp，
接收端谐振电路包括谐振电容Cs，
基于嵌入式模块的高频逆变电路的直流电正极连接补偿电感Lf的一端，补偿电感Lf的另一端同时连接补偿电容Cf的一端和电容Cp的一端，
基于嵌入式模块的高频逆变电路的直流电负极同时连接补偿电容Cf的另一端和发射侧线圈Lp的一端，发射侧线圈Lp的另一端连接电容Cp的另一端，
接收侧线圈Ls的一端连接谐振电容Cs的一端，谐振电容Cs的另一端连接整流滤波电路的交流电一个输入端，接收侧线圈Ls的另一端连接整流滤波电路的交流电另一个输入端，整流滤波电路的正极作为LCC–S拓扑电路的输出正极，
整流滤波电路的负极作为LCC–S拓扑电路的输出负极。
优选地，整流滤波电路包括二极管D1-D4和电容C1，
二极管D1和二极管D2串联后作为一个支路，二极管D3和二极管D4串联后作为另一个支路，两个支路并联，再与电容C1并联。
优选地，基于嵌入式模块的高频逆变电路采用4个场效应管组成。
优选地，耦合机构的关系式为：
Figure BDA0002974409670000031
式中，ω＝2πf，f为频率，Lf为补偿电感的电感值，Cf为补偿电容值，CP为电容值，Ls为接收侧线圈的电感值，Cs为谐振电容值，Lp为发射侧线圈的电感值。
优选地，接收侧线圈Ls、谐振电容Cs、电力变换电路和超级电容C2映射到发射端谐振电路和发射侧线圈Lp侧的阻抗值Z1表示为：
Figure BDA0002974409670000032
式中，M为发射侧线圈与接收侧线圈之间的互感，RL为超级电容的等效阻抗。
优选地，从基于嵌入式模块的高频逆变电路往右看的阻抗Zin为：
Figure BDA0002974409670000033
式中，j为复数；
公式1，公式3化简为：
Figure BDA0002974409670000034
优选地，耦合机构输出的交流电压值
Figure BDA0002974409670000035
为：
Figure BDA0002974409670000041
式中，
Figure BDA0002974409670000042
为LCC–S拓扑电路输出的恒定电压值。
当RL＞＞ω2M2时，
Figure BDA0002974409670000043
LCC–S拓扑电路的电压增益G为：
Figure BDA0002974409670000044
本发明的有益效果是：
本申请采用LCC–S拓扑电路为电力变换电路提供直流电源，即恒定电压，LCC–S拓扑电路中的耦合机构能够减小基于嵌入式模块的高频逆变电路输出的损耗以及线路的损耗。LCC–S拓扑电路的结构简单，减少了器件数量、降低了器件的导通损耗、并能为超级电容提供无线电能。
本申请的电力变换电路具有减少充电时间、延长电容组的使用寿命和充放电次数的优点，使得能够为超级电容高效的充电。
本申请的无线充电方法在充电阶段需采用恒流模式，使超级电容的电压可以迅速上升，所以由LCC–S拓扑电路为电力变换电路提供恒流电压，再通过电力变换电路为超级电容提供恒流电流，在尽可能短的时间内为超级电容充满电并保证超级电容的安全可靠与使用寿命，LCC–S拓扑电路的输出电压需经过接收端电力变换电路的控制才能为超级电容负载充电。
本申请既实现电容组安全可靠充电，又延长电容组的使用寿命和充放电次数。本申请在提供低压直流电时能够高功率、大电流、运行可靠的为超级电容充电。
附图说明
图1为一种超级电容的无线充电***的原理示意图；
图2为接收侧线圈Ls、谐振电容Cs、电力变换电路和超级电容C2(二次侧)映射到发射端谐振电路和发射侧线圈Lp(一次侧)后的等效电路图；
图3为LCC–S拓扑电路等效为直流电源的等效电路图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种超级电容的无线充电***，所述***包括LCC–S拓扑电路和电力变换电路，
电力变换电路包括BUCK型开关电源电路和恒流输出开关控制电路；
恒流输出开关控制电路包括电流采集电路、积分比例运算放大器1、震荡电路2、一号比较器3、电压采集比较电路4、二号比较器5、异或门6和图腾柱式输出电路7，
LCC–S拓扑电路，用于为恒流输出开关控制电路提供恒定电压；
BUCK型开关电源电路，用于将所述恒定电压转换成恒定电流信号输入给电流采集电路；
电流采集电路，用于采集所述恒定电流信号，将所述恒定电流信号转换成电压信号发送给积分比例运算放大器1；
积分比例运算放大器1，用于对电流采集电路输出的所述电压信号进行积分比例处理，产生周期内的电流均值信号发送给一号比较器3；
一号比较器3，用于将所述周期内的电流均值信号与震荡电路2发出的三角波信号进行比较，输出方波信号给异或门6；
电压采集比较电路4，用于采集流入超级电容C2的电压，将所述流入超级电容C2的电压送入二号比较器5；
二号比较器5，用于将流入超级电容C2的电压与基准电压进行比较，当所述流入超级电容C2的电压超过所述基准电压时，输出电压信号给异或门6；
异或门6，用于对二号比较器5输出的电压信号和所述方波信号进行异或处理，输出高电平信号；
图腾柱式输出电路7，用于接收所述高电平信号来驱动恒流输出开关控制电路为超级电容C2充电。
实施方式中，本申请中的LCC–S拓扑电路用于为电力变换电路提供，相当于等效图3中的直流电源DC。图1中的Vref表示基准电压。图1中图腾柱式输出电路7由NPN型三极管和PNP型三极管组成。LCC–S拓扑电路输出的恒定电压为能量，BUCK型开关电源电路里流过的为能量，恒流输出开关控制电路里流过的都是信号。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种超级电容的无线充电***，电流采集电路采用电阻R1实现。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种超级电容的无线充电***，BUCK型开关电源电路包括开关管Q5、续流二极管D5和电感L1，
开关管Q5的栅极连接图腾柱式输出电路7的输出端，开关管Q5的漏极连接LCC–S拓扑电路的正极，开关管Q5的源极同时连接电感L1的一端和续流二极管D5的负极，二极管D5的正极同时连接LCC–S拓扑电路的负极和电阻R1一端，电阻R1另一端同时连接超级电容C2的负极和积分比例运算放大器1的电流信号输入端，电感L1的另一端同时连接超级电容C2的正极和电压采集比较电路4的电压信号输入端。
本实施方式中，如图1所示，异或门6输出的高电平信号经过图腾柱式电路7驱动开关管Q5的栅极为超级电容C2充电。图腾柱式电路为现有电路，因此未在图1中表示。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种超级电容的无线充电***，LCC–S拓扑电路包括电源管理模块、基于嵌入式模块的高频逆变电路、耦合机构和整流滤波电路，
电源管理模块，用于为基于嵌入式模块的高频逆变电路提供直流电；
基于嵌入式模块的高频逆变电路，用于将直流电转换成交流电传输给耦合机构；
耦合机构，用于将所述交流电无线传输给整流滤波电路；
整流滤波电路，用于将所述交流电转换成恒定电压信号。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的一种超级电容的无线充电***，耦合机构包括发射端谐振电路、发射侧线圈Lp、接收侧线圈Ls和接收端谐振电路，
发射端谐振电路包括补偿电感Lf、补偿电容Cf和电容Cp，
接收端谐振电路包括谐振电容Cs，
基于嵌入式模块的高频逆变电路的直流电正极连接补偿电感Lf的一端，补偿电感Lf的另一端同时连接补偿电容Cf的一端和电容Cp的一端，
基于嵌入式模块的高频逆变电路的直流电负极同时连接补偿电容Cf的另一端和发射侧线圈Lp的一端，发射侧线圈Lp的另一端连接电容Cp的另一端，
接收侧线圈Ls的一端连接谐振电容Cs的一端，谐振电容Cs的另一端连接整流滤波电路的交流电一个输入端，接收侧线圈Ls的另一端连接整流滤波电路的交流电另一个输入端，整流滤波电路的正极作为LCC–S拓扑电路的正极，
整流滤波电路的负极作为LCC–S拓扑电路的负极。
本实施方式中，耦合机构具有减小电压损耗的作用。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式四所述的一种超级电容的无线充电***，整流滤波电路包括二极管D1-D4和电容C1，
二极管D1和二极管D2串联后作为一个支路，二极管D3和二极管D4串联后作为另一个支路，两个支路并联，再与电容C1并联。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式四所述的一种超级电容的无线充电***，基于嵌入式模块的高频逆变电路采用4个场效应管组成。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式五所述的一种超级电容的无线充电***，耦合机构的关系式为：
Figure BDA0002974409670000071
式中，ω＝2πf，f为频率，Lf为补偿电感的电感值，Cf为补偿电容值，Cp为电容值，Ls为接收侧线圈的电感值，Cs为谐振电容值，Lp为发射侧线圈的电感值。
本实施方式中，使由发射端谐振电路、发射侧线圈、接收侧线圈、接收端谐振电路组成的谐振补偿网络满足LCC-S补偿拓扑条件，即：
Figure BDA0002974409670000072
使该补偿拓扑的补偿电容电感的选取满足LCC-S补偿拓扑的条件，于是可以得到图3所示的等效电路，图中Z1为二次侧折射到一次侧的阻抗，满足谐振条件时，其值表示如下所示：
Figure BDA0002974409670000073
当满足谐振条件时，一次侧线圈电流可等效为电流源输出电流，其值近似满足
Figure BDA0002974409670000074
为使得逆变器输出较小的无功功率，减小逆变器以及线路损耗，从一次侧拓扑输入端看，整个电路应当呈现纯阻性，其输入阻抗为
Figure BDA0002974409670000075
结合公式1，上式可化简为：
Figure BDA0002974409670000076
可得
Figure BDA0002974409670000081
其中，M为发射侧线圈与接收侧线圈之间的互感，RL为负载的等效阻抗。
当RL＞＞ω2M2时，
Figure BDA0002974409670000082
即该谐振补偿拓扑的电压增益
Figure BDA0002974409670000083
由上述电压增益公式可知，当高频电压的频率为谐振频率且负载等效电阻在一定范围内变化时，电能无线传输***的输出电压为准恒定。由于负载为超级电容，且需要在尽可能短的时间内为超级电容充满电并保证超级电容的安全可靠与使用寿命，电能无线传输***的输出电压需经过接收端电力变换电路的控制才能为超级电容负载充电。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式八所述的一种超级电容的无线充电***，接收侧线圈Ls、谐振电容Cs、电力变换电路和超级电容C2映射到发射端谐振电路和发射侧线圈Lp侧的阻抗值Z1表示为：
Figure BDA0002974409670000084
式中，M为发射侧线圈与接收侧线圈之间的互感，RL为超级电容的等效阻抗。
具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式九所述的一种超级电容的无线充电***，从基于嵌入式模块的高频逆变电路往右看的阻抗Zin为：
Figure BDA0002974409670000085
式中，j为复数；
公式1，公式3化简为：
Figure BDA0002974409670000086
具体实施方式十一：本实施方式是对具体实施方式十所述的一种超级电容的无线充电***，耦合机构输出的交流电压值
Figure BDA0002974409670000091
为：
Figure BDA0002974409670000092
式中，
Figure BDA0002974409670000093
为LCC–S拓扑电路输出的恒定电压值。
当RL＞＞ω2M2时，
Figure BDA0002974409670000094
LCC–S拓扑电路的电压增益G为：
Figure BDA0002974409670000095

Claims (11)

1.一种超级电容的无线充电***，其特征在于，所述***包括LCC–S拓扑电路和电力变换电路，
电力变换电路包括BUCK型开关电源电路和恒流输出开关控制电路；
恒流输出开关控制电路包括电流采集电路、积分比例运算放大器(1)、震荡电路(2)、一号比较器(3)、电压采集比较电路(4)、二号比较器(5)、异或门(6)和图腾柱式输出电路(7)，
LCC–S拓扑电路，用于为恒流输出开关控制电路提供恒定电压；
BUCK型开关电源电路，用于将所述恒定电压转换成恒定电流信号输入给电流采集电路；
电流采集电路，用于采集所述恒定电流信号，将所述恒定电流信号转换成电压信号发送给积分比例运算放大器(1)；
积分比例运算放大器(1)，用于对电流采集电路输出的所述电压信号进行积分比例处理，产生周期内的电流均值信号发送给一号比较器(3)；
一号比较器(3)，用于将所述周期内的电流均值信号与震荡电路(2)发出的三角波信号进行比较，输出方波信号给异或门(6)；
电压采集比较电路(4)，用于采集流入超级电容C2的电压，将所述流入超级电容C2的电压送入二号比较器(5)；
二号比较器(5)，用于将流入超级电容C2的电压与基准电压进行比较，当所述流入超级电容C2的电压超过所述基准电压时，输出电压信号给异或门(6)；
异或门(6)，用于对二号比较器(5)输出的电压信号和所述方波信号进行异或处理，输出高电平信号；
图腾柱式输出电路(7)，用于接收所述高电平信号来驱动恒流输出开关控制电路为超级电容C2充电。
2.根据权利要求1所述的一种超级电容的无线充电***，其特征在于，电流采集电路采用电阻R1实现。
3.根据权利要求2所述的一种超级电容的无线充电***，其特征在于，BUCK型开关电源电路包括开关管Q5、续流二极管D5和电感L1，
开关管Q5的栅极连接图腾柱式输出电路(7)的输出端，开关管Q5的漏极连接LCC–S拓扑电路的正极，开关管Q5的源极同时连接电感L1的一端和续流二极管D5的负极，二极管D5的正极同时连接LCC–S拓扑电路的负极和电阻R1一端，电阻R1另一端同时连接超级电容C2的负极和积分比例运算放大器(1)的电流信号输入端，电感L1的另一端同时连接超级电容C2的正极和电压采集比较电路(4)的电压信号输入端。
4.根据权利要求3所述的一种超级电容的无线充电***，其特征在于，LCC–S拓扑电路包括电源管理模块、基于嵌入式模块的高频逆变电路、耦合机构和整流滤波电路，
电源管理模块，用于为基于嵌入式模块的高频逆变电路提供直流电；
基于嵌入式模块的高频逆变电路，用于将直流电转换成交流电传输给耦合机构；
耦合机构，用于将所述交流电无线传输给整流滤波电路；
整流滤波电路，用于将所述交流电转换成恒定电压信号。
5.根据权利要求4所述的一种超级电容的无线充电***，其特征在于，耦合机构包括发射端谐振电路、发射侧线圈Lp、接收侧线圈Ls和接收端谐振电路，
发射端谐振电路包括补偿电感Lf、补偿电容Cf和电容Cp，
接收端谐振电路包括谐振电容Cs，
基于嵌入式模块的高频逆变电路的直流电正极连接补偿电感Lf的一端，补偿电感Lf的另一端同时连接补偿电容Cf的一端和电容Cp的一端，
基于嵌入式模块的高频逆变电路的直流电负极同时连接补偿电容Cf的另一端和发射侧线圈Lp的一端，发射侧线圈Lp的另一端连接电容Cp的另一端，
接收侧线圈Ls的一端连接谐振电容Cs的一端，谐振电容Cs的另一端连接整流滤波电路的交流电一个输入端，接收侧线圈Ls的另一端连接整流滤波电路的交流电另一个输入端，整流滤波电路的正极作为LCC–S拓扑电路的正极，
整流滤波电路的负极作为LCC–S拓扑电路的负极。
6.根据权利要求4所述的一种超级电容的无线充电***，其特征在于，
整流滤波电路包括二极管D1-D4和电容C1，
二极管D1和二极管D2串联后作为一个支路，二极管D3和二极管D4串联后作为另一个支路，两个支路并联，再与电容C1并联。
7.根据权利要求4所述的一种超级电容的无线充电***，其特征在于，基于嵌入式模块的高频逆变电路采用4个场效应管组成。
8.根据权利要求5所述的一种超级电容的无线充电***，其特征在于，耦合机构的关系式为：
Figure FDA0003840893030000031
式中，ω＝2πf，f为频率，Lf为补偿电感的电感值，Cf为补偿电容值，Cp为电容值，Ls为接收侧线圈的电感值，Cs为谐振电容值，Lp为发射侧线圈的电感值。
9.根据权利要求8所述的一种超级电容的无线充电***，其特征在于，接收侧线圈Ls、谐振电容Cs、电力变换电路和超级电容C2映射到发射端谐振电路和发射侧线圈Lp侧的阻抗值Z1表示为：
Figure FDA0003840893030000032
式中，M为发射侧线圈与接收侧线圈之间的互感，RL为超级电容的等效阻抗。
10.根据权利要求9所述的一种超级电容的无线充电***，其特征在于，从基于嵌入式模块的高频逆变电路往右看的阻抗Zin为：
Figure FDA0003840893030000033
式中，j为复数；
结合公式2，得到：
Figure FDA0003840893030000034
11.根据权利要求10所述的一种超级电容的无线充电***，其特征在于，耦合机构输出的交流电压值
Figure FDA0003840893030000035
为：
Figure FDA0003840893030000036
式中，
Figure FDA0003840893030000037
为LCC–S拓扑电路输出的恒定电压值；
当RL＞＞ω2M2时，
Figure FDA0003840893030000041
LCC–S拓扑电路的电压增益G为：
Figure FDA0003840893030000042
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