CN115102302A - 一种高效率准单级式无线充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效率准单级式无线充电装置，包括发射端、接收端1、接收端2和电池负载；在免去发射端与接收端的通信模块的情况下，本发明所引入的S‑LCC补偿网络所带来的优势在于控制接收端2的有源整流桥就能控制整个装置的输出，降低了整个电路的设计成本和难度。此外，本发明实现了输出功率分流及功率占比可调，无需更为复杂的控制策略，只需要改变接收端2的有源整流器和Buck变换器开关管的占空比就能调节接收端1与接收端2的功率占比关系来实现效率最大化传输。因此本发明装置充电效率高，无需无线反馈通信，成本低，能够满足宽电池电压范围。

Description

一种高效率准单级式无线充电装置
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种高效率准单级式无线充电装置。
背景技术
近年来无线电能传输技术由于其安全、便捷、灵活及在恶劣工况下有着比插拔式充电更可靠的特点，迅速成为当前研究的热点，并且已经广泛应用在实际生活中。从小功率的手机无线充电、医疗器械等应用领域，到大功率的电动汽车充电、电车牵引等有着越加广泛的应用前景。
无线电能传输主要分为磁感应式无线电能传输、激光式无线电能传输、微波辐射式无线电能传输和电场耦合式无线电能传输。由于磁感应式无线电能传输在传输效率、传输功率等级、传输距离上都有着不错的优越性，因此这种传输方式得到了更为广泛的研究。
现阶段无线电能传输拓扑为了实现对输出电压或者输出电流的可控，一般都会通过加入原副边的通信模块，通过反馈来改变电路工作的开关频率，这不可避免的会带来一系列问题：首先无线电能传输的过程中会产生高频高磁场，通信模块处于该环境中可能会降低通信模块的稳定性，同时由于通信模块的加入也增加了电路设计成本和设计难度。对输出电压或者输出电流的可控第一种方法是通过改变开关管的开关频率来实现，这可能会导致设计好的补偿网络会处于失谐状态，从而会导致***中的无功环流增大，增加了损耗从而降低了传输效率；另一种方法是采用有源整流，通过调节副边有源整流器的等效占空比调节输出功率，然而有源整流无法实现半导体器件的软开关，甚至会在谐振网络中引入额外电抗，导致***失谐，无功功率增加。
现有无线电能传输***大多采用两级式架构，前级无线电能传输变换器只负责功率传输，通过后级DC/DC变换器实现最优负载匹配或者对输出电压或者输出电流的可控，进而提升***传输效率，如公开号为CN216451189U的中国专利中提供了一种无线电能传输功率控制***以及公开号为CN113991889A的中国专利中提供了一种无线电能传输功率控制方法及***，在这两件专利技术中，后级均采用同步Buck变换器，利用比例-积分控制调整同步Buck变换器的占空比，在一定耦合系数与负载变化的情况下实现稳定功率输出；然而，两级式架构对总传输功率处理两次，增加***额外损耗，降低整体效率。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种高效率准单级式无线充电装置，对无线充电装置的拓扑进行优化设计，实现了在免去发射端与接收端间通信模块的情况下依然能够保证无线充电装置的整体良好的传输性能。
一种高效率准单级式无线充电装置，包括发射端、接收端1、接收端2和电池负载，其中：
所述发射端包括直流电源、高频逆变器、原边串联补偿电容Cp和原边发射线圈Lp，高频逆变器由四个带反并联二极管的开关管S1～S4构成；S1的一端与S4的一端相连并接直流电源的正极，S1的另一端与S2的一端相连并接Cp的一端，Cp的另一端与Lp的一端相连，S4的另一端与S3的一端相连并接Lp的另一端，S2的另一端与S3的另一端相连并接直流电源的负极；
所述接收端1包括接收线圈Ls1、串联补偿电容Cs1、并联补偿电容Cf1、串联补偿电感Lf1、整流桥和滤波电容Co1，Ls1与Lp相互耦合，整流桥由四个二极管D1～D4构成；Ls1的一端与Cs1的一端相连，Cs1的另一端与Cf1的一端以及Lf1的一端相连，Lf1的另一端与D1的阳极以及D2的阴极相连，D1的阴极与D3的阴极、Co1的一端以及电池负载的正极相连，D3的阳极与D4的阴极、Cf1的另一端以及Ls1的另一端相连，D2的阳极与D4的阳极以及Co1的另一端相连；
所述接收端2包括接收线圈Ls2、串联补偿电容Cs2、并联补偿电容Cf2、串联补偿电感Lf2、有源整流桥、滤波电容Cb和Buck变换器，Ls2与Lp相互耦合，有源整流桥由两个带反并联二极管的开关管S5和S6以及两个二极管D5和D6构成，Buck变换器包括带反并联二极管的开关管S7、二极管D7、电感Lb和滤波电容Co2；Ls2的一端与Cs2的一端相连，Cs2的另一端与Cf2的一端以及Lf2的一端相连，Lf2的另一端与D5的阳极以及S5的一端相连，D5的阴极与D6的阴极、Cb的一端以及S7的一端相连，D6的阳极与S6的一端、Cf2的另一端以及Ls2的另一端相连，S5的另一端与S6的另一端、Cb的另一端、D7的阳极、Co2的一端以及电池负载的负极相连，S7的另一端与D7的阴极以及Lb的一端相连，Lb的另一端与Co2的另一端以及D4的阳极相连。
进一步地，所述接收线圈Ls1与Ls2之间无相互耦合，两者仅与原边发射线圈Lp存在耦合，且两者与Lp的互感分别为M12和M13。
进一步地，所述接收端1和接收端2中相关元件的参数由以下公式确定；
Figure BDA0003753141280000031
其中：Lp为原边发射线圈Lp的电感值，Cp为原边串联补偿电容Cp的电容值，Ls1和Ls2分别为接收线圈Ls1和Ls2的电感值，Cf1和Cf2分别为并联补偿电容Cf1和Cf2的电容值，Lf1和Lf2分别为串联补偿电感Lf1和Lf2的电感值，fs为高频逆变器中开关管的工作频率，ω为整个装置工作的角频率。
进一步地，所述开关管S1～S6的工作频率恒定为fs，保证整个装置一直运行在谐振状态；Buck变换器中开关管S7的工作频率可大于fs，进而可减小电感Lb的体积。
进一步地，所述接收端1的输出电压Vo1可通过改变开关管S5和S6的占空比进行调节，进而保证Vo1能够随着电池电压升高而逐渐增大。
进一步地，通过检测串联补偿电感Lf2的电流相位以同步开关管S5和S6的开关信号，使得接收端2中的有源整流桥及其相应负载整体呈纯阻性使整个装置仍一直工作于角频率ω不失谐。
进一步地，所述接收端2的输出电压Vo2能够通过改变开关管S7的占空比进行调节，进而保证接收端1和接收端2的输出电压之和跟随电池电压且接收端1的输出电压Vo1要远大于接收端2的输出电压Vo2。
基于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
1.在免去发射端与接收端的通信模块的情况下，本发明所引入的S-LCC补偿网络所带来的优势在于控制接收端2的有源整流桥就能控制整个装置的输出，降低了整个电路的设计成本和难度。
2.本发明实现了输出功率分流及功率占比可调，无需更为复杂的控制策略，只需要改变接收端2的有源整流器和Buck变换器开关管的占空比就能调节接收端1与接收端2的功率占比关系来实现效率最大化传输。
3.相比于改变开关频率的传统控制方法会导致电路失去谐振条件从而导致循环无功增大而降低效率的问题，本发明提出的准单级式无线充电装置能够不采用改变开关频率就能实现输出电压可控，从而有效的解决传统控制方法所带来的问题。
4.相比传统级联式拓扑结构会带来效率的降低问题，本发明提出的准单级式拓扑结构有着更高的效率。
5.相比传统单级拓扑结构，本发明提出的准单级式拓扑结构能够通过功率分流从而降低接收端器件的应力，这无疑能够降低器件选型的难度。
附图说明
图1为本发明准单级式无线充电装置的整体结构示意图。
图2为本发明准单级式无线充电装置的等效原理示意图。
图3为本发明准单级式无线充电装置的控制原理示意图。
图4为本发明无线充电装置中带同相有源整流的调制波形图(β＝90°)。
图5为本发明无线充电装置中带同相有源整流的调制波形图(β＝135°)。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明准单级式无线充电装置包括发射端、接收端1、接收端2和电池负载；发射端依次连接的是直流电源E、高频逆变器(S1～S4)、原边串联补偿电容Cp和原边发射线圈Lp；接收端1包括依次连接的接收线圈Ls1、串联补偿电容Cs1、并联补偿电容Cf1、串联补偿电感Lf1、整流桥(D1～D4)和滤波电容Co1；接收端2包括依次连接的接收线圈Ls2、串联补偿电容Cs2、并联补偿电容Cf2、串联补偿电感Lf2、有源整流桥(S5、S6、D5和D6)、滤波电容Cb和Buck变换器；其中Buck变换器包括依次连接的开关管S7、二极管D7、电感Lb和滤波电容Co2；滤波电容Co1和Co2串联之后与电池负载并联。
副边接收端1的接收线圈Ls1和接收端2的接收线圈Ls2相互无耦合，接收端1用来设计处理绝大部分功率，而接收端2用来设计实现对整个装置的输出电压及两个接收端功率占比关系的可控，主要是通过改变开关管S5和S6的占空比进行调节，来保证Vo1能够随着电池电压升高而逐渐增大。同时在对接收端2中的有源整流桥的控制时实现同相位的有源整流效果，保证了副边谐振网络的完全补偿使得电路仍然工作在谐振状态；而接收端2的输出电压Vo2能够通过改变buck变换器的占空比进行调节，进而保证两个接收端的电压之和跟随电池电压并且接收端1的输出电压Vo1要远大于接收端2的输出电压Vo2，来实现效率最大化传输。
如图3所示，为了能够实现接收端2中有源整流桥的同相整流效果，通过过零比较器来检测接收端2补偿电感Lf2上的电流来产生一个方波，对其偏置积分产生一个正负对称占空比为0.5的锯齿波，再与反馈回路返回的误差值比较得到一个同步有源整流桥的信号，经过驱动器得到驱动信号来控制有源整流桥的开关管就能实现同相整流效果，而有源整流桥的两个开关管的驱动信号刚好相差半个开关周期。
图2是对图1的一个等效原理图，交流电压Vac是直流输入电压Vin通过全桥高频逆变器的输出电压等效值，采用基波分析法，对直流输入电压Vin进行傅里叶分解，得到交流电压Vac由下式确定：
Figure BDA0003753141280000051
交流等效电阻Rac1和Rac1由下式确定：
Figure BDA0003753141280000052
其中：Vo1是接收端1的输出电压，Vo2是接收端2的输出电压；Io是负载输出电流，D为接收端2中开关管S7的占空比，β(0＜β＜π)为电流Is2正半周期内接收端2中开关管S5的停止导通角，同时也是S6在电流Is2负半周期内的停止导通角。
根据互感耦合理论，列写发射端回路1及两个接收端回路2和回路3的KVL方程如下：
Figure BDA0003753141280000061
其中：ω是***工作角频率。
同样地，分别列写两个接收端中的回路4和回路5的KVL方程如下：
Figure BDA0003753141280000062
上式联立可以算得：
Figure BDA0003753141280000063
在设计补偿参数时，在按照以下的条件设定：
Figure BDA0003753141280000064
时就可以将整个装置的电压增益简化为：
Figure BDA0003753141280000071
通过以上电压增益式可以表明在电路参数配置时就可以按照整个装置的最大增益和最小增益来确定k值，同时可以设定接收端2的恒定输出电压Vo2，则在电池组充电过程电池组电压是不断增大到电池组的额定电压过程中的每一个输出电压都可以唯一确定一个函数f(β，D)，根据这个函数得到一系列离散化的(β，D)来分别控制有源整流桥和Buck变换器开关管的占空比来实现目标控制，图4和图5分别为β＝90°和β＝135°情况下有源整流桥的调制波形。
本发明准单级式无线充电装置在免去了原副边的通信模块就能实现对输出电压的可控，这样就能在设计成本及设计难度大大降低；通过引入S-LCC补偿及两个接收端串联输出演变成准单级式拓扑结构实现功率分流，并且通过有源整流桥级和非隔离型Buck变换器来调节两接收端的功率占比关系来实现效率最大化传输，这可以保证在全输出电压范围内较级联式变换器的效率高。
从控制方面来讲，无线电能传输装置的传统控制方法主要是通过改变高频逆变器中的开关管频率来实现对输出电压的控制，这样带来的问题就是电路并非工作在谐振点，从而会增大无功环流增大***损耗降低效率，而本发明准单级式无线充电装置能够在不改变逆变器开关管的工作频率避免了电路失谐的可能就能实现对输出电压的可控，从而避免了该种控制方式下所带来的效率降低的问题。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高效率准单级式无线充电装置，其特征在于，包括发射端、接收端1、接收端2和电池负载，其中：
所述发射端包括直流电源、高频逆变器、原边串联补偿电容Cp和原边发射线圈Lp，高频逆变器由四个带反并联二极管的开关管S1～S4构成；S1的一端与S4的一端相连并接直流电源的正极，S1的另一端与S2的一端相连并接Cp的一端，Cp的另一端与Lp的一端相连，S4的另一端与S3的一端相连并接Lp的另一端，S2的另一端与S3的另一端相连并接直流电源的负极；
所述接收端1包括接收线圈Ls1、串联补偿电容Cs1、并联补偿电容Cf1、串联补偿电感Lf1、整流桥和滤波电容Co1，Ls1与Lp相互耦合，整流桥由四个二极管D1～D4构成；Ls1的一端与Cs1的一端相连，Cs1的另一端与Cf1的一端以及Lf1的一端相连，Lf1的另一端与D1的阳极以及D2的阴极相连，D1的阴极与D3的阴极、Co1的一端以及电池负载的正极相连，D3的阳极与D4的阴极、Cf1的另一端以及Ls1的另一端相连，D2的阳极与D4的阳极以及Co1的另一端相连；
所述接收端2包括接收线圈Ls2、串联补偿电容Cs2、并联补偿电容Cf2、串联补偿电感Lf2、有源整流桥、滤波电容Cb和Buck变换器，Ls2与Lp相互耦合，有源整流桥由两个带反并联二极管的开关管S5和S6以及两个二极管D5和D6构成，Buck变换器包括带反并联二极管的开关管S7、二极管D7、电感Lb和滤波电容Co2；Ls2的一端与Cs2的一端相连，Cs2的另一端与Cf2的一端以及Lf2的一端相连，Lf2的另一端与D5的阳极以及S5的一端相连，D5的阴极与D6的阴极、Cb的一端以及S7的一端相连，D6的阳极与S6的一端、Cf2的另一端以及Ls2的另一端相连，S5的另一端与S6的另一端、Cb的另一端、D7的阳极、Co2的一端以及电池负载的负极相连，S7的另一端与D7的阴极以及Lb的一端相连，Lb的另一端与Co2的另一端以及D4的阳极相连。
2.根据权利要求1所述的准单级式无线充电装置，其特征在于：所述接收线圈Ls1与Ls2之间无相互耦合，两者仅与原边发射线圈Lp存在耦合，且两者与Lp的互感分别为M12和M13。
3.根据权利要求1所述的准单级式无线充电装置，其特征在于：所述接收端1和接收端2中相关元件的参数由以下公式确定；
Figure FDA0003753141270000021
其中：Lp为原边发射线圈Lp的电感值，Cp为原边串联补偿电容Cp的电容值，Ls1和Ls2分别为接收线圈Ls1和Ls2的电感值，Cf1和Cf2分别为并联补偿电容Cf1和Cf2的电容值，Lf1和Lf2分别为串联补偿电感Lf1和Lf2的电感值，fs为高频逆变器中开关管的工作频率，ω为整个装置工作的角频率。
4.根据权利要求1所述的准单级式无线充电装置，其特征在于：所述开关管S1～S6的工作频率恒定为fs，保证整个装置一直运行在谐振状态；Buck变换器中开关管S7的工作频率可大于fs，进而可减小电感Lb的体积。
5.根据权利要求1所述的准单级式无线充电装置，其特征在于：所述接收端1的输出电压Vo1可通过改变开关管S5和S6的占空比进行调节，进而保证Vo1能够随着电池电压升高而逐渐增大。
6.根据权利要求1所述的准单级式无线充电装置，其特征在于：通过检测串联补偿电感Lf2的电流相位以同步开关管S5和S6的开关信号，使得接收端2中的有源整流桥及其相应负载整体呈纯阻性使整个装置仍一直工作于角频率ω不失谐。
7.根据权利要求1所述的准单级式无线充电装置，其特征在于：所述接收端2的输出电压Vo2能够通过改变开关管S7的占空比进行调节，进而保证接收端1和接收端2的输出电压之和跟随电池电压且接收端1的输出电压Vo1要远大于接收端2的输出电压Vo2。
8.根据权利要求1所述的准单级式无线充电装置，其特征在于：该无线充电装置实现了输出功率分流及功率占比可调，无需更为复杂的控制策略，只需要改变接收端2的有源整流器和Buck变换器开关管的占空比就能调节接收端1与接收端2的功率占比关系来实现效率最大化传输。
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