CN114678964A - 变结构的多绕组无线充电***及实现恒压恒流充电的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变结构的多绕组无线充电***及实现恒压恒流充电的方法。通过控制逆变器开关管的开通关断以及继电器的开关，可以选择不同的供电线圈以及不同的补偿拓扑，从而实现不同场合下最优负载的匹配和恒压恒流模式的切换，并具有一定的抗偏移性。
Description
技术领域
本发明涉及一种变结构的多绕组无线充电***及实现恒压恒流充电的方法。
背景技术
无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术是指无需导线等直接金属接触，以电磁波或声波作为能量传输媒介，将能量从电源传递到负载的电能传输技术。该技术实现了电源与负载之间的完全电气隔离，具有安全、可靠、灵活等传统电能传输方式无可比拟的优点，因此得到了国内外学者的广泛关注。
目前国内外针对无线电能传输技术最为广泛的方向是磁耦合式无线电能传输技术，其较为典型的应用场景包括消费类电子产品（如手机和电子手表）和电动汽车。在这些应用场合中，由于在不同的充电阶段，等效负载电阻不同，***难以在不同充电阶段均达到最优效率充电。采用额外的功率变换环节（如DC/DC变换器等）可以实现该目标，但是又提高了***的成本和体积，同时又引入了另外一级的损耗。
同时，在不同的充电阶段，会有不同的充电需求，如恒流充电阶段和恒压充电阶段。如果利用***输出特性自动实现恒流和恒压充电，则可以极大降低对***控制的要求。目前在无线电能传输领域主要的拓扑结构包括：S-S（Series-Series）型、S-P（Series-Parallel）型、S-LCC（Series-Inductor Capacitor Capacitor）型、LCC-S（InductorCapacitor Capacitor-Series）型、LCC-P（Inductor Capacitor Capacitor-Parallel）型、LCC-LCC（Inductor Capacitor Capacitor- Inductor Capacitor Capacitor）型等，如图1所示。不同的拓扑结构可以实现恒压输出或者恒流输出。S-S型、LCC-P型和LCC-LCC型在谐振频率处可以实现恒流输出；S-P型、S-LCC型和LCC-S型在谐振频率处可以实现恒流输出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变结构的多绕组无线充电***及实现恒压恒流充电的方法，实现最优负载匹配和恒压恒流充电。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种变结构的多绕组无线充电***，包括逆变电路、与逆变电路连接的发射线圈电路、用于接收发射线圈电路无线电能的接收线圈电路、与接收线圈电路连接的充电电路；所述逆变电路包括开关管S1~S6，发射线圈电路包括电容C0~C2、线圈L1~L2、继电器Relay1~ Relay2，接收线圈电路包括串联连接的线圈L3、电容C3；开关管S1、S2的连接点经电容C1与线圈L1的一端连接，开关管S3、S4的连接点经电容C2与线圈L2的的一端连接，开关管S5、S6的连接点经电容C0分别与继电器Relay1的一端、继电器Relay2的一端连接，开关管S1、S3、S5的另一端与输入电源正极连接，开关管S2、S4、S6的另一端与输入电源负极连接，继电器Relay1的另一端、继电器Relay2的另一端分别与线圈L1的另一端连接、线圈L2的另一端连接。
在本发明一实施例中，所述充电电路包括整流电路、谐振电容、负载，线圈L3的另一端、电容C3另一端分别作为整流电路的两输入端，整流电路的两输出端与充电电容的两端、负载的两端连接。
本发明还提供了一种基于上述所述的变结构的多绕组无线充电***实现恒压恒流充电的方法，包括5种工作模式：
（1）工作模式1：继电器Relay1闭合，继电器Relay2打开，开关管S1、S2交替导通；若开关管S5常闭，开关管S6常通，则线圈L1单独工作在半桥模式下；若开关管S5、S6交替导通，则线圈L1单独工作在全桥模式下；此时无线充电***为S-S型拓扑结构，可实现恒流输出；
（2）工作模式2：继电器Relay1打开，继电器Relay2闭合，开关管S3、S4交替导通；若开关管S5常闭，开关管S6常通，则线圈L2单独工作在半桥模式下；若开关管S5、S6交替导通，则线圈L2单独工作在全桥模式下；此时无线充电***为S-S型拓扑结构，可实现恒流输出，但由于L1与L2的感值以及跟L3的耦合不同，与工作模式1中能实现的最优负载不同；
（3）工作模式3：继电器Relay1闭合，继电器Relay2闭合，此时线圈L1和L2串联形成新的发射侧线圈，开关管S1、S2和开关管S3、S4都交替导通，而开关管S5、S6常闭；此时无线充电***为S-S型拓扑结构，可以实现与工作模式1和工作模式2不同的最优负载匹配；
（4）工作模式4：继电器Relay1闭合，继电器Relay2闭合，开关管S3和S4交替导通；线圈L1、C1与C0形成闭合回路，从而无线充电***形成CLCC-S补偿拓扑，类似于LCC-S拓扑；当开关管S2和开关管S6常通，无线充电***工作在半桥模式；当开关管S1与开关管S5同时开关、开关管S2与开关管S6同时开关，且开关管S1（S5）和开关管S2（S6）交替导通时，无线充电***工作在全桥模式；可以实现对不同负载的最优匹配，同时可实现恒压输出；
（5）工作模式5：继电器Relay1闭合，继电器Relay2闭合，开关管S3和S4交替导通；线圈L2、C2与C0形成闭合回路，从而无线充电***形成CLCC-S补偿拓扑，类似于LCC-S拓扑；当开关管S4和开关管S6常通，无线充电***工作在半桥模式；当开关管S3与开关管S5同时开关、开关管S4与开关管S6同时开关，且开关管S3（S5）和开关管S4（S6）交替导通时，无线充电***工作在全桥模式；可以实现对不同负载的最优匹配，同时可实现恒压输出。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
（1）提出一种变结构的多绕组无线充电***。
（2）可以在不同的拓扑结构下因发射侧的线圈参数不同，以实现不同的最优负载匹配。提升***的效率和功率传输能力。
（3）可以实现恒压和恒流输出的切换。
（4）具有一定的抗偏移性。
附图说明
图1 无线充电***中的拓扑结构：(a)S-S；(b) S-P；(c)S-LCC；(d)LCC-S；(e)LCC-P；(f)LCC-LCC。
图2为本发明所提出的变结构多绕组无线充电***的应用实例。
图3为变结构多绕组无线充电***的工作模式一：（a）半桥模式下的拓扑结构；（b）全桥模式下的拓扑结构；（c）等效电路。
图4为变结构多绕组无线充电***的工作模式二：（a）半桥模式下的拓扑结构；（b）全桥模式下的拓扑结构；（c）等效电路。
图5为变结构多绕组无线充电***的工作模式三：（a）拓扑结构；（b）等效电路。
图6为变结构多绕组无线充电***的工作模式四：（a）拓扑结构；（b）等效电路。
图7为变结构多绕组无线充电***的工作模式五：（a）拓扑结构；（b）等效电路。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明所提出的变结构多绕组无线充电***的应用实例如图2所示。发射线圈分为两个绕组，配合两个继电器，可以配置在不同的工作模式。通过切换继电器，可以实现5种不同的工作模式来扩宽最优负载的范围，同时有助于实现恒压（Constant Voltage，简称CV）输出或者恒流（Constant Current，简称CC）输出以及具有抗偏移的优点。
通过对图2中逆变器的控制以及继电器的开关控制，可以切换变为以下5种方案。
工作模式一如图3所示，继电器Relay1（以下简称R1）闭合，继电器Relay2（以下简称R2）打开，逆变器开关管S1、S2交替导通。若S5常闭，S6常通，则线圈L1单独工作在半桥模式下；若S5、S6交替导通，则线圈L1单独工作在全桥模式下；以上为S-S型拓扑结构，可实现恒流输出。
工作模式二如图4所示，为继电器R1打开，继电器R2闭合，逆变器开关管S3、S4交替导通。若S5常闭，S6常通，则线圈L2单独工作在半桥模式下；若S5、S6交替导通，则线圈L2单独工作在全桥模式下；以上为S-S型拓扑结构，同样可实现恒流输出，但由于L1与L2的感值以及跟L3的耦合不同，与方案一中能实现的最优负载不同。
工作模式三如图5所示，继电器R1闭合，继电器R2闭合，此时线圈L1和L2串联形成新的发射侧线圈，逆变器开关管S1、S2和开关管S3、S4都交替导通，而开关管S5、S6常闭。此方案仍为S-S型拓扑结构，可以实现与方案一和方案二中不同的最优负载匹配。
工作模式四如图6所示，继电器R1闭合，继电器R2闭合，逆变器开关管S3和S4交替导通。L1、C1与C0形成闭合回路，从而形成CLCC-S补偿拓扑，类似于LCC-S拓扑。当S2和S6常通，***工作在半桥模式；当S1与S5同时开关、S2与S6同时开关，且S1（S5）和S2（S6）交替导通时，***工作在全桥模式。可以实现对不同负载的最优匹配。同时可实现恒压输出。
工作模式五如图7所示，继电器R1闭合，继电器R2闭合，逆变器开关管S3和S4交替导通。L2、C2与C0形成闭合回路，从而形成CLCC-S补偿拓扑，类似于LCC-S拓扑。当S4和S6常通，***工作在半桥模式；当S3与S5同时开关、S4与S6同时开关，且S3（S5）和S4（S6）交替导通时，***工作在全桥模式。可以实现对不同负载的最优匹配。同时可实现恒压输出。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种变结构的多绕组无线充电***，其特征在于，包括逆变电路、与逆变电路连接的发射线圈电路、用于接收发射线圈电路无线电能的接收线圈电路、与接收线圈电路连接的充电电路；所述逆变电路包括开关管S1~S6，发射线圈电路包括电容C0~C2、线圈L1~L2、继电器Relay1~ Relay2，接收线圈电路包括串联连接的线圈L3、电容C3；开关管S1、S2的连接点经电容C1与线圈L1的一端连接，开关管S3、S4的连接点经电容C2与线圈L2的的一端连接，开关管S5、S6的连接点经电容C0分别与继电器Relay1的一端、继电器Relay2的一端连接，开关管S1、S3、S5的另一端与输入电源正极连接，开关管S2、S4、S6的另一端与输入电源负极连接，继电器Relay1的另一端、继电器Relay2的另一端分别与线圈L1的另一端连接、线圈L2的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的一种变结构的多绕组无线充电***，其特征在于，所述充电电路包括整流电路、谐振电容、负载，线圈L3的另一端、电容C3另一端分别作为整流电路的两输入端，整流电路的两输出端与充电电容的两端、负载的两端连接。
3.基于权利要求1或2所述的一种变结构的多绕组无线充电***实现恒压恒流充电的方法，其特征在于，包括5种工作模式：
（1）工作模式1：继电器Relay1闭合，继电器Relay2打开，开关管S1、S2交替导通；若开关管S5常闭，开关管S6常通，则线圈L1单独工作在半桥模式下；若开关管S5、S6交替导通，则线圈L1单独工作在全桥模式下；此时无线充电***为S-S型拓扑结构，可实现恒流输出；
（2）工作模式2：继电器Relay1打开，继电器Relay2闭合，开关管S3、S4交替导通；若开关管S5常闭，开关管S6常通，则线圈L2单独工作在半桥模式下；若开关管S5、S6交替导通，则线圈L2单独工作在全桥模式下；此时无线充电***为S-S型拓扑结构，可实现恒流输出，但由于L1与L2的感值以及跟L3的耦合不同，与工作模式1中能实现的最优负载不同；
（3）工作模式3：继电器Relay1闭合，继电器Relay2闭合，此时线圈L1和L2串联形成新的发射侧线圈，开关管S1、S2和开关管S3、S4都交替导通，而开关管S5、S6常闭；此时无线充电***为S-S型拓扑结构，可以实现与工作模式1和工作模式2不同的最优负载匹配；
（4）工作模式4：继电器Relay1闭合，继电器Relay2闭合，开关管S3和S4交替导通；线圈L1、C1与C0形成闭合回路，从而无线充电***形成CLCC-S补偿拓扑，类似于LCC-S拓扑；当开关管S2和开关管S6常通，无线充电***工作在半桥模式；当开关管S1与开关管S5同时开关、开关管S2与开关管S6同时开关，且开关管S1和S2交替导通，开关管S5和S6交替导通时，无线充电***工作在全桥模式；可以实现对不同负载的最优匹配，同时可实现恒压输出；
（5）工作模式5：继电器Relay1闭合，继电器Relay2闭合，开关管S3和S4交替导通；线圈L2、C2与C0形成闭合回路，从而无线充电***形成CLCC-S补偿拓扑，类似于LCC-S拓扑；当开关管S4和开关管S6常通，无线充电***工作在半桥模式；当开关管S3与开关管S5同时开关、开关管S4与开关管S6同时开关，且开关管S3和S4交替导通，开关管S5和S6交替导通时，无线充电***工作在全桥模式；可以实现对不同负载的最优匹配，同时可实现恒压输出。
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