CN113937908B - 一种补偿网络自适应的恒压恒流无线充电*** - Google Patents

一种补偿网络自适应的恒压恒流无线充电*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***，该装置包括发射装置和接收装置；发射装置包括直流电源、高频逆变器和原边补偿单元，原边补偿单元包括补偿电感Lb、补偿电容Cb、开关S1、开关S2、补偿电容Cr、补偿电容Cp及原边线圈Lp。通过控制开关管S1和开关S2的开通与关断，来实现恒压恒流模式的切换。本发明既可以实现恒定电流输出，也可以实现恒定电压输出，且整个充电过程输入阻抗均为纯阻性，能避免无功功率的输入，提高***效率；恒压或恒流时仅一个功率开关介入补偿网络其中一个支路，进一步降低损耗。此外，控制简单，开关元件数量少，制造成本低。开关切换在电容支路(非电感支路)，避免了电压尖峰，提高了可靠性。

Description

一种补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，特别是一种补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***。
背景技术
无线电能传输技术通过高频交流磁场传输能量，由于其安全性、灵活性和可靠性等优良特性，该技术的市场需求在快速增加，并且该项技术也得到了迅速的发展。目前无线电能传输技术已经应用于便携式电子设备的无线充电、可植入式生物医学产品、LED照明应用和电动汽车等商业领域。
目前，锂离子电池由于其充电效率高、自放电低、使用寿命长等优点，在充电应用中得到了广泛的应用。为了延长电池的生命周期，保证充电过程的高效率，充电模式在充电应用中起着关键作用。
目前实现适合电池充电的恒压恒流的方法主要有以下几种：一是通过闭环控制方式，通过闭环改变工作频率，使得***从恒流模式变为恒压模式，但大范围的频率变化会降低***的稳定性，同时控制难度很高；二是通过在***前端或者后端增加DC-DC变换器，通过控制DC-DC变换器来使得最后的输出电流和输出电压稳定；然而这样会增加发射端或接收端的成本跟体积，同时损耗也更大。
对于传统的变结构实现恒压恒流充电的***，通常是在副边增加补偿网络，这样无疑是会增大接收端的体积。还有就是通过改变工作频率来实现恒压恒流模式的一个转换，但是由于频率变化较大，会引起频率***现象而削弱***的稳定性和可控性。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出了一种补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***，在原边增加一个补偿网络，使得恒压恒流模式切换时，只需要控制补偿网络中开关S1和开关S2的通断就能够实现负载无关的恒压恒流输出和ZPA，从而避免了频率***现象，提高***的稳定性，同时电路简单并节省成本。
本申请提出了一种补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***，包括发射装置和接收装置，发射装置包括直流电源、高频逆变器和原边补偿单元，接收装置包括副边补偿单元、整流滤波电路和电池负载，高频逆变器包括开关管Q1和开关管Q4组成的一桥臂，开关管Q2和开关管Q3组成的另一桥臂，原边补偿单元包括补偿电感Lb、补偿电容Cb、开关S1、开关S2、补偿电容Cr、补偿电容Cp及原边线圈Lp，补偿电感Lb和补偿电容Cb构成并联谐振电路，开关S1串联在补偿电感Lb或补偿电容Cb所在的其中一个支路，并联谐振电路的一端与高频逆变器的一桥臂中点相连，并联谐振电路的另一端分别与开关S2的一端和原边线圈Lp的一端相连，开关S2的另一端与补偿电容Cr的一端相连，原边线圈LP的另一端与补偿电容Cp的一端相连，补偿电感Cr的另一端、补偿电容Cp的另一端和高频逆变器的另一桥臂中点相连，通过控制开关S1和开关S2的开通与关断实现恒压和恒流模式的切换。
在一些实施例中，当开关S1导通，开关S2关断时，***输出与负载无关的恒定电流以及纯阻性的输入阻抗，实现零输入相位角。
在一些实施例中，当开关S1关断，开关S2导通时，***输出与负载无关的恒定电压以及纯阻性的输入阻抗，实现零输入相位角。
在一些实施例中，恒压和恒流模式的切换在一次充电过程中实现。
在一些实施例中，补偿电容Cb的一端与开关S1的一端相连，补偿电容Cb的另一端、补偿电感Lb的一端和高频逆变器的一桥臂中点相连，开关S1的另一端、补偿电感Lb的另一端分别与开关S2的一端和原边线圈Lp的一端相连。
在一些实施例中，开关S1的一端与补偿电容Cb的一端相连，开关S1的另一端、补偿电感Lb的一端和高频逆变器的一桥臂中点相连，补偿电容Cb的另一端、补偿电感Lb的另一端分别与开关S2的一端和原边线圈Lp的一端相连。
在一些实施例中，补偿电感Lb的一端与开关S1的一端相连，补偿电感Lb的另一端、补偿电容Cb的一端和高频逆变器的一桥臂中点相连，开关S1的另一端、补偿电容Cb的另一端分别与开关S2的一端和原边线圈Lp的一端相连。
在一些实施例中，补偿电感Lb、补偿电容Cb、补偿电容Cr、补偿电容Cp和原边线圈Lp的电感值满足如下条件：
其中，ω为恒压恒流输出时的谐振角频率。
在一些实施例中，整流滤波电路包括二极管D1、D2、D3、D4和滤波电容CF，二极管D1和D2构成一桥臂，二极管D3和D4构成另一桥臂，滤波电容CF并联在二极管D3、D4构成桥臂的两端。
在一些实施例中，副边补偿单元包括副边线圈Ls和补偿电容Cs，副边线圈Ls的一端与补偿电容Cs的一段相连，副边线圈Ls的另一端与整流滤波电路的一桥臂中点相连，补偿电容Cs的另一端与整流滤波电路的另一桥臂中点相连，电池负载并联在整流滤波电路的滤波电容CF的两端。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***中具有变结构的原边补偿单元，该原边补偿单元所需的无源器件数量少，计算简单，并且使得恒压恒流在一个工作频率下进行工作，不会出现频率***现象。同时还能在宽的负载范围内实现零输入相位角(ZPA)。
(2)本发明的补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***中，当开关S1开通、开关S2关断时，***为与负载无关的恒压输出；当开关S1关断，S2开通时，***为与负载无关的恒流输出；恒压与恒流输出时，都实现了ZPA，降低了***的无功功率。
(3)本发明的补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***通过变结构的原边补偿单元，使得只需要控制开关S1和开关S2的通断就能使***在恒压模式和恒流模式之间进行切换，而不需要在切换模式的情况下改变工作频率，适用于电池充电，电路简单、节省成本并提高了效率。
(4)本发明的补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***中，变结构的补偿单元放在原边，副边补偿网络是最简单的串联补偿，可以大大减少接收设备的重量和体积，从而使得其更适用于对体积重量要求比较高的场合，如对无人机无线充电。
附图说明
包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。
图1为本申请的实施例一的补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***的原理图；
图2为本申请的实施例一的补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***的恒流模式下负载为15Ω时的输出波形图；
图3为本申请的实施例一的补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***的恒压模式下负载为25Ω时的输出波形图；
图4为本申请的实施例一的补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***的恒流模式下负载从7.5Ω变为15Ω时的输出波形图；
图5为本申请的实施例一的补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***的恒压模式下负载从25Ω变为50Ω时的输出波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一
本发明的实施例中提出了一种补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***，如图1所示，包括发射装置和接收装置，发射装置包括直流电源1、高频逆变器2和原边补偿单元3，接收装置包括副边补偿单元4、整流滤波电路5和电池负载6，高频逆变器2包括开关管Q1和开关管Q4组成的一桥臂，开关管Q2和开关管Q3组成的另一桥臂，原边补偿单元3包括补偿电感Lb、补偿电容Cb、开关S1、开关S2、补偿电容Cr、补偿电容Cp及原边线圈Lp。因此原边补偿单元3为具有变结构的原边补偿网络。通过控制开关S1和开关S2的通断，即可实现恒压输出模式和恒流输出模式的切换。其中，补偿电感Lb和补偿电容Cb构成并联谐振电路，开关S1串联在补偿电感Lb或补偿电容Cb所在的其中一个支路，并联谐振电路的一端与高频逆变器2的一桥臂中点相连，并联谐振电路的另一端分别与开关S2的一端和原边线圈Lp的一端相连，开关S2的另一端与补偿电容Cr的一端相连，原边线圈LP的另一端与补偿电容Cp的一端相连，补偿电感Cr的另一端、补偿电容Cp的另一端和高频逆变器2的另一桥臂中点相连，通过控制开关S1和开关S2的开通与关断实现恒压和恒流模式的切换。本***控制简单，开关元件数量少，制造成本低。
在具体的实施例中，所述原边补偿单元3的连接方式如下：补偿电容Cb的一端与开关S1的一端相连，补偿电容Cb的另一端、补偿电感Lb的一端和高频逆变器2的一桥臂中点相连，开关S1的另一端、补偿电感Lb的另一端分别与开关S2的一端和原边线圈Lp的一端相连，开关S2的另一端与补偿电容Cr的一端相连，原边线圈LP的另一端与补偿电容Cp的一端相连，补偿电感Cr的另一端、补偿电容Cp的另一端和高频逆变器2的另一桥臂中点相连。开关S2与补偿电容Cr串联，因此，开关切换在电容支路(非电感支路)，避免了电压尖峰，提高了可靠性。
在具体的实施例中，补偿电感Lb、补偿电容Cb、补偿电容Cr、补偿电容Cp和原边线圈Lp的电感值满足如下条件：
其中，ω为恒压恒流输出时的谐振角频率。
在具体的实施例中，整流滤波电路5包括二极管D1、D2、D3、D4和滤波电容CF，二极管D1和D2构成一桥臂，二极管D3和D4构成另一桥臂，滤波电容CF并联在二极管D3、D4构成桥臂的两端。
在具体的实施例中，接收装置的连接如下：副边补偿单元包括副边线圈Ls和补偿电容Cs，副边线圈Ls的一端与补偿电容Cs的一段相连，副边线圈Ls的另一端与整流滤波电路5的一桥臂中点相连，补偿电容Cs的另一端与整流滤波电路5的另一桥臂中点相连，电池负载6并联在整流滤波电路5的滤波电容CF的两端。
其中，副边线圈Ls和补偿电容Cs的数值应满足如下条件：
因此，可以通过控制策略实现在一次充电过程中实现两个模式的切换，具体为：
模态1：当开关S1导通，开关S2关断时，***输出与负载无关的电流，输入阻抗为纯阻性，实现了ZPA。
模态2：当开关S1关断，开关S2导通时，***输出与负载无关的电压，输入阻抗为纯阻性，实现了ZPA。
因此，恒压或恒流时仅一个功率开关介入补偿网络其中一个支路，进一步降低损耗。
实施例二
实施例二与实施例一的区别在于：补偿电容Cb与开关S1互换位置。也就是，所述原边补偿单元3的连接方式如下：开关S1的一端与补偿电容Cb的一端相连，开关S1的另一端、补偿电感Lb的一端和高频逆变器的一桥臂中点相连，补偿电容Cb的另一端、补偿电感Lb的另一端分别与开关S2的一端和原边线圈Lp的一端相连，开关S2的另一端与补偿电容Cr的一端相连，原边线圈LP的另一端与补偿电容Cp的一端相连，补偿电感Cr的另一端、补偿电容Cp的另一端和高频逆变器2的另一桥臂中点相连。以上器件的位置互换并不影响该***的正常实施。
实施例三
实施例三与实施例一的区别在于：Cb与Lb互换位置。也就是，补偿电感Lb的一端与开关S1的一端相连，补偿电感Lb的另一端、补偿电容Cb的一端和高频逆变器的一桥臂中点相连，开关S1的另一端、补偿电容Cb的另一端分别与开关S2的一端和原边线圈Lp的一端相连，开关S2的另一端与补偿电容Cr的一端相连，原边线圈LP的另一端与补偿电容Cp的一端相连，补偿电感Cr的另一端、补偿电容Cp的另一端和高频逆变器2的另一桥臂中点相连。以上位置互换并不影响该***的正常实施。
为了验证恒压恒流的可靠性，对该***进行了仿真，仿真参数如下：
直流电压Vdc＝122V；工作频率f＝85kHz；原边线圈自感Lp＝163.05uH；补偿电容Cp＝30.227nF；副边线圈自感Ls＝162.05uH；补偿电容Cs＝21.626nF；补偿电容Cr＝74.496nF；补偿电容Cb＝148.99nF；补偿电感Lb＝47.06nF，原边线圈和副边线圈的耦合系数k＝0.2278；恒压输出为96V，恒流输出为5A。
从图2-图5中可以看出，该***在恒压恒流模式下均实现了输入阻抗零相角，且恒压模式下输出为96V，恒流模式下输出为5A。图4和图5分别是在负载跳变情况下的恒流模式输入/输出的电压电流波形和恒压模式输入/输出的波形。在大周期下看(非开关周期下看)，负载跳变对恒流输出和恒压输出没有影响，因此恒流输出和恒压输出是与负载无关的。
以上描述了本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。措词‘包括’并不排除在权利要求未列出的元件或步骤的存在。元件前面的措词“一”或“一个”并不排除多个这样的元件的存在。在相互不同从属权利要求中记载某些措施的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于改进。在权利要求中的任何参考符号不应当被解释为限制范围。

Claims (9)

1.一种补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***，包括发射装置和接收装置，所述发射装置包括直流电源、高频逆变器和原边补偿单元，接收装置包括副边补偿单元、整流滤波电路和电池负载，所述高频逆变器包括开关管Q1和开关管Q4组成的一桥臂，开关管Q2和开关管Q3组成的另一桥臂，其特征在于：所述原边补偿单元包括补偿电感Lb、补偿电容Cb、开关S1、开关S2、补偿电容Cr、补偿电容Cp及原边线圈Lp，所述补偿电感Lb和补偿电容Cb构成并联谐振电路，所述开关S1串联在所述补偿电感Lb或补偿电容Cb所在的其中一个支路，所述并联谐振电路的一端与所述高频逆变器的一桥臂中点相连，所述并联谐振电路的另一端分别与所述开关S2的一端和原边线圈Lp的一端相连，所述开关S2的另一端与补偿电容Cr的一端相连，所述原边线圈LP的另一端与补偿电容Cp的一端相连，所述补偿电感Cr的另一端、补偿电容Cp的另一端和所述高频逆变器的另一桥臂中点相连，通过控制所述开关S1和开关S2的开通与关断实现恒压和恒流模式的切换，所述补偿电感Lb、补偿电容Cb、补偿电容Cr、补偿电容Cp和原边线圈Lp的电感值满足如下条件：
其中，ω为恒压恒流输出时的谐振角频率。
2.根据权利要求1所述的补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***，其特征在于，当所述开关S1导通，所述开关S2关断时，***输出与负载无关的恒定电流以及纯阻性的输入阻抗，实现零输入相位角。
3.根据权利要求1所述的补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***，其特征在于，当所述开关S1关断，所述开关S2导通时，***输出与负载无关的恒定电压以及纯阻性的输入阻抗，实现零输入相位角。
4.根据权利要求1所述的补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***，其特征在于，所述恒压和恒流模式的切换在一次充电过程中实现。
5.根据权利要求1所述的补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***，其特征在于，所述补偿电容Cb的一端与开关S1的一端相连，所述补偿电容Cb的另一端、补偿电感Lb的一端和所述高频逆变器的一桥臂中点相连，所述开关S1的另一端、补偿电感Lb的另一端分别与所述开关S2的一端和原边线圈Lp的一端相连。
6.根据权利要求1所述的补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***，其特征在于，所述开关S1的一端与补偿电容Cb的一端相连，所述开关S1的另一端、补偿电感Lb的一端和所述高频逆变器的一桥臂中点相连，所述补偿电容Cb的另一端、补偿电感Lb的另一端分别与所述开关S2的一端和原边线圈Lp的一端相连。
7.根据权利要求1所述的补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***，其特征在于，所述补偿电感Lb的一端与开关S1的一端相连，所述补偿电感Lb的另一端、补偿电容Cb的一端和所述高频逆变器的一桥臂中点相连，所述开关S1的另一端、补偿电容Cb的另一端分别与所述开关S2的一端和原边线圈Lp的一端相连。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***，其特征在于，所述整流滤波电路包括二极管D1、D2、D3、D4和滤波电容CF，所述二极管D1和D2构成一桥臂，所述二极管D3和D4构成另一桥臂，所述滤波电容CF并联在所述二极管D3、D4构成桥臂的两端。
9.根据权利要求8所述的补偿网络自适应的恒压恒流无线充电***，其特征在于，所述副边补偿单元包括副边线圈Ls和补偿电容Cs，所述副边线圈Ls的一端与补偿电容Cs的一段相连，所述副边线圈Ls的另一端与所述整流滤波电路的一桥臂中点相连，所述补偿电容Cs的另一端与所述整流滤波电路的另一桥臂中点相连，所述电池负载并联在所述整流滤波电路的所述滤波电容CF的两端。
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