CN117879185A - 一种单开关自然恒流恒压输出的无线电能传输*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单开关自然恒流恒压输出的无线电能传输***，涉及无线电能传输技术领域；该***包括发射端和接收端；发射端包括依次连接的原边高频逆变电路、原边补偿电路和原边发射线圈；接收端包括依次连接的副边接收线圈、副边补偿电路和副边整流滤波电路；原边高频逆变电路采用单开关LC谐振电路，单开关LC谐振电路的输入与直流输入电压源连接，用于将直流电变换为交流电；副边整流滤波电路包括全桥整流器和滤波电容Cf，副边整流滤波电路的直流侧与负载连接；全桥整流器中有两个功率传输通道为负载提供能量；根据负载的等效电阻的大小来分配两个功率传输通道中的功率大小，实现恒流输出或恒压输出的输出模式。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种单开关自然恒流恒压输出的无线电能传输***。
背景技术
无线电能传输***是当前的研究热点，分为感应式无线电能传输***和电容式无线电能传输***。感应式无线电能传输***是一种利用电磁感应理论来实现的无线电能传输技术，在航空航天、医疗器械、水下机器人、消费电子和交通运输等领域有着广泛的应用场景。电池通常作为无线电能传输***的负载，为了延长电池的使用寿命，电池充电过程通常包括初始恒流充电模式和随后的恒压充电模式。
为了实现电池恒流恒压充电，已经提出了许多方法，归纳为以下四类：1)控制策略；2)混合拓扑；3)频率跳变和4)自然恒流恒压输出。对于基于控制策略的方法来说，如果采用级联DC-DC变换器，额外的器件会增加***成本和损耗。如果采用移相调制(PSM)或变频调制(PFM)，***很难在全负载范围内实现软开关和输入零相角(ZPA)。对于基于混合拓扑的方法来说，需要增加额外的补偿元件和交流开关，造成额外的成本和功率损耗。对于基于频率跳变的方法来说，需要无线通信将输出电流和输出电压传递到原边控制器。对于具有自然恒流恒压输出的无线电能传输***来说，其可以根据负载电阻的大小，实现恒流输出模式到恒压输出模式的自动切换，从而可以消除有源控制、交流开关和无线通信。
本***提出一种单开关自然恒流恒压输出无线电能传输***，基于具有自然恒流恒压输出的无线电能传输***的基础上，实现电气架构更加简单，成本更低，可靠性更好。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单开关自然恒流恒压输出的无线电能传输***，以解决上述背景技术中提出的现有技术中实现电池恒流恒压充电的方案存在结构复杂，成本较高，工程应用的可靠性差等问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种单开关自然恒流恒压输出的无线电能传输***，包括发射端和接收端；所述发射端包括依次连接的原边高频逆变电路、原边补偿电路和原边发射线圈；所述接收端包括依次连接的副边接收线圈、副边补偿电路和副边整流滤波电路；
所述原边高频逆变电路采用单开关LC谐振电路，所述单开关LC谐振电路的输入与直流输入电压源连接，用于将直流电变换为交流电；所述单开关LC谐振电路包括开关管S、谐振电感L1和谐振电容C1，所述谐振电容C1还用于补偿原边发射线圈和副边接收线圈的等效励磁电感；
所述原边补偿电路采用原边串联补偿电容CP，用于补偿原边发射线圈的漏感；
所述副边补偿电路包括副边串联补偿电容CS、副边并联补偿电容C2和副边串联补偿电感L2，所述副边串联补偿电容CS用于补偿副边接收线圈的漏感；
所述副边整流滤波电路包括全桥整流器和滤波电容Cf，所述全桥整流器由四个整流二极管组成；所述副边整流滤波电路的直流侧与负载连接；
所述全桥整流器中有两个功率传输通道为负载提供能量；根据负载的等效电阻的大小来分配两个功率传输通道中的功率大小，实现恒流输出或恒压输出的输出模式。
优选地，所述原边发射线圈和副边接收线圈由利兹线绕制而成，将采用导磁材料的磁芯分别置于原边发射线圈的下面和副边接收线圈的上面，用于增强耦合。
优选地，所述直流输入电压源的负极与开关管S的源极连接，直流输入电压源的正极与谐振电感L1的一端、谐振电容C1的一端和原边串联补偿电容CP的一端连接，开关管S的漏极与谐振电感L1的另一端、谐振电容C1的另一端和原边发射线圈一端连接，原边串联补偿电容CP的另一端与原边发射线圈另一端连接。
进一步地，所述全桥整流器由二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4组成；
所述副边接收线圈的一端与副边串联补偿电容CS的一端串联，副边串联补偿电容CS的另一端与副边并联补偿电容C2一端和副边串联补偿电感L2一端连接；副边接收线圈的另一端与二极管D3的阳极和二极管D4的阴极连接，副边串联补偿电感L2的另一端与二极管D1的阳极和二极管D2的阴极连接；副边并联补偿电容C2的另一端与二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、滤波电容Cf的一端、负载的负极连接，二极管D1的阴极与二极管D3的阴极、滤波电容Cf的另一端、负载的正极连接。
优选地，所述两个功率传输通道分别为二极管D1和二极管D2所组成的功率传输通道，二极管D3和二极管D4所组成的功率传输通道。
优选地，所述输出模式，具体如下：
当负载的等效电阻小时，功率同时通过两个功率传输通道进行传输，全桥整流器以全桥模式工作，无线电能传输***工作在恒流输出模式；
当负载的等效电阻逐渐增加时，通过二极管D1和二极管D2传输的功率逐渐减小，通过二极管D3和二极管D4传输的功率逐渐增加，无线电能传输***工作在自然切换模式；
当负载的等效电阻增加到一定时，通过二极管D1和二极管D2传输的功率减小至零，功率仅通过二极管D3和二极管D4进行传输，全桥整流器以半桥模式工作，无线电能传输***工作在恒压输出模式。
优选地，当负载的等效电阻小于π2ωsL2/2时，全桥整流器以全桥模式工作，无线电能传输***工作在恒流输出模式；输出电流IB表达式为：
其中，VC1,1为vC1的基波有效值，vC1为单开关LC谐振电路的输出电压；ωs为无线电能传输***的开关角频率，n为原边发射线圈与副边接收线圈的等效变比，L2为副边串联补偿电感。
优选地，当负载的等效电阻大于2πωsL2时，全桥整流器以半桥模式工作，无线电能传输***工作在恒压输出模式；输出电压VB表达式为：
其中，VC1,1为vC1的基波有效值，vC1为单开关LC谐振电路的输出电压；n为原边发射线圈与副边接收线圈的等效变比；使得无线电能传输***的输出电压可通过改变松耦合线圈(即发射线圈与接收线圈)的等效变比来进行设计。
优选地，当负载的等效电阻大于π2ωsL2/2并同时小于2πωsL2时，二极管D1和二极管D2工作在断续电流模式下，无线电能传输***工作在从恒流输出模式切换到恒压模式的自然切换模式。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)、本发明中采用单开关LC谐振电路将直流输入电压变换为交流电压，可避免全桥/半桥逆变器中的直通问题；通过副边LCC补偿网络与全桥整流器之间的连接方式，根据负载等效电阻的大小，实现自然恒流恒压输出。当电池等效电阻很小时，***工作在恒流输出(CC)模式下，当电池等效电阻很大时，***工作在恒压输出(CV)模式下，能够满足电池的恒流恒压充电需求。该无线电能传输***无需无线通信，交流开关，电池SCO检测和额外的DC-DC变换器，具有低成本、低复杂度和高可靠性的优势；
(2)、本发明中无线电能传输***能够实现随着电池等效电阻的增加，***从恒流输出模式自动切换到恒压输出模式；
(3)、本发明中无线电能传输***通过接收端包含一个全桥整流器，***恒流输出时，整流器以全桥模式工作，***恒压输出时，整流器以半桥模式工作，实现从恒流输出模式自动切换到恒压输出模式；
(4)、本发明中无线电能传输***的输出电压可通过改变松耦合线圈(即发射线圈与接收线圈)的等效变比来进行设计。
附图说明
图1为本发明中无线电能传输***的电路结构示意图；
图2为本发明中基于变压器模型的无线电能传输***的示意图；
图3为本发明中无线电能传输***恒流输出模式下的示意图；其中，图3a为无线电能传输***恒流输出模式下的工作模态示意图，图3b为无线电能传输***恒流输出模式下的基波近似等效电路示意图；
图4为本发明中无线电能传输***恒压输出模式下的示意图；其中，图4a为无线电能传输***恒压输出模式下的工作模态示意图，图4b为无线电能传输***恒压输出模式下的基波近似等效电路示意图；
图5为本发明中无线电能传输***自然恒流恒压输出效果示意图。
图中：1、直流输入电压源；2、单开关LC谐振电路；3、原边串联补偿电容CP；4、原边发射线圈；5、副边接收线圈；6、副边串联补偿电容CS；7、副边并联补偿电容C2；8、副边串联补偿电感L2；9、全桥整流器；10、负载。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例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。
实施例1：
参阅图1，单开关自然恒流恒压输出的无线电能传输***，包括发射端和接收端；发射端包括依次连接的原边高频逆变电路、原边补偿电路和原边发射线圈4；接收端包括依次连接的副边接收线圈5、副边补偿电路和副边整流滤波电路。
本实施例中具体地，原边发射线圈4和副边接收线圈5由利兹线绕制而成，采用导磁材料的磁芯放置在原边发射线圈4的下面和副边接收线圈5的上面来增强耦合。
本实施例中具体地，原边高频逆变电路的直流侧与直流电源连接，将直流电源的直流输出电压变为高频交流电。原边高频逆变电路采用单开关LC谐振电路2，单开关LC谐振电路2包含一个开关管MOSFET，一个谐振电感L1和一个谐振电容C1。
进一步地，单开关LC谐振电路2中的谐振电容C1还用于补偿松耦合线圈(即原边发射线圈4和副边接收线圈5)的等效励磁电感。
本实施例中具体地，原边补偿电路采用原边串联补偿电容CP 3，原边串联补偿电容CP 3用于补偿原边发射线圈4的漏感。
本实施例中具体地，副边补偿电路采用LCC补偿，LCC具体为副边串联补偿电容CS6、副边并联补偿电容C2 7和副边串联补偿电感L2 8，副边串联补偿电容CS 6用于补偿副边接收线圈5的漏感。
本实施例中具体地，副边整流滤波电路包含一个全桥整流器9(即四个整流二极管D1-D4)和一个电解电容(即滤波电容Cf)。副边整流滤波电路的直流侧与负载10连接。全桥整流器9的输出经滤波电容Cf为负载10提供能量。
单开关自然恒流恒压输出的无线电能传输***的电路结构中，单开关LC谐振电路2的输入与直流输入电压源1连接，将直流电变换为高频交流电，单开关LC谐振电路2的输出与原边串联补偿电容CP 3和原边发射线圈4连接；单开关LC谐振电路2、原边串联补偿电容3和原边发射线圈4组成无线电能传输***的发射端。副边接收线圈5、副边串联补偿电容CS6、副边并联补偿电容C2 7、副边串联补偿电感L2 8、全桥整流器9和负载10组成无线电能传输***的接收端。
本实施例中具体地，直流输入电压源1的负极与开关管S的源极连接，直流输入电压源1的正极与谐振电感L1的一端、谐振电容C1的一端和原边串联补偿电容CP 3的一端连接，开关管S的漏极与谐振电感L1的另一端、谐振电容C1的另一端和原边发射线圈4一端连接，原边串联补偿电容CP 3的另一端与原边发射线圈4另一端连接。
副边接收线圈5的一端与副边串联补偿电容CS 6的一端串联，副边串联补偿电容CS6的另一端与副边并联补偿电容C2 7一端和副边串联补偿电感L28一端连接；副边接收线圈5的另一端与二极管D3的阳极和二极管D4的阴极连接；副边串联补偿电感L2 8的另一端与二极管D1的阳极和二极管D2的阴极连接。副边并联补偿电容C2 7的另一端与二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、滤波电容Cf的一端、负载10的负极连接，二极管D1的阴极与二极管D3的阴极、滤波电容Cf的另一端、负载10的正极连接。
单开关自然恒流恒压输出的无线电能传输***的工作模式，具体如下：
副边补偿电路与全桥整流器9的三个节点连接，其中有两个功率传输通道为负载10提供能量。功率既可以通过二极管D1和二极管D2进行传输，又可以通过二极管D3和二极管D4进行传输。
无线电能传输******能够根据负载10的等效电阻的大小来分配两个功率传输通道中的功率大小。通过功率在两个功率传输通道中的分配，实现恒流输出或恒压输出。
当电池的等效电阻小时，功率同时通过两个功率传输通道进行传输，全桥整流器9以全桥模式工作，***工作在恒流输出(CC)模式。当电池的等效电阻逐渐增加时，通过二极管D1和二极管D2传输的功率逐渐减小，通过二极管D3和二极管D4传输的功率逐渐增加。当电池的等效电阻增加到一定时，通过二极管D1和二极管D2传输的功率减小至零，功率仅通过二极管D3和二极管D4进行传输，全桥整流器9以半桥模式工作，***工作在恒压输出(CV)模式。
仿真实验：
为了验证本发明的可行性，对原边发射线圈4和副边接收线圈5进行实验验证。原边发射线圈4和副边接收线圈5都采用圆形线圈结构。原边发射线圈4的直径为300mm，副边接收线圈5的直径为100mm，原边发射线圈4与副边接收线圈5之间的间距为30mm。原边发射线圈4采用0.1mm*600股利兹线绕制，副边接收线圈5采用0.1mm*250股利兹线绕制。原边发射线圈4和副边接收线圈5所用磁芯厚度为5mm。
图2为本发明基于变压器模型的无线电能传输***示意图。其中，vC1为单开关LC谐振电路2的输出电压。LkP和LkS分别为原边发射线圈4和副边接收线圈5的漏感。Lm和n分别为变压器的励磁电感和等效变比。LkP、LkS、Lm和n与原边发射线圈自感LP、副边接收线圈自感LS和原副边线圈之间互感MPS满足如下关系：
LkS＝LS-nMPS
参数设计满足关系：
其中，ωs为***的开关角频率。
当负载10的等效电阻小于π2ωsL2/2时，全桥整流器9以全桥模式(D1-D4)工作，无线电能传输***工作在恒流输出模式。图3a为无线电能传输***恒流输出模式下的工作模态示意图；图3b为无线电能传输***恒流输出模式下的基波近似等效电路示意图。输出电流表达式为：
其中，VC1,1为vC1的基波有效值。
当负载10的等效电阻大于2πωsL2时，全桥整流器以半桥模式(D3,D4)工作，无线电能传输***工作在恒压输出模式。图4a为无线电能传输***恒压输出模式下的工作模态示意图；图4b为无线电能传输***恒压输出模式下的基波近似等效电路示意图。输出电压表达式为：
当负载10的等效电阻大于π2ωsL2/2并同时小于2πωsL2时，二极管D1和二极管D2工作在断续电流模式(DCM)下，***工作在从恒流输出模式切换到恒压模式的自然切换模式(TM)。***的工作模式取决于负载等效电阻的大小。
图5所示为本发明所提出的单开关自然恒流恒压输出的无线电能传输***的电流电压输出效果图。从图5中可以看出，当负载10的等效电阻很小时，输出电流几乎保持恒定，维持在3A左右，输出电压随着负载10的等效电阻的增加而线性增加，***工作在恒流输出(CC)模式。随着负载10的等效电阻的继续增加，***工作在从恒流(CC)模式切换到恒压输出(CV)模式的自然切换模式(TM)。当负载等效电阻增加到一定时候，输出电压几乎保持恒定，维持在72V左右，输出电流随着负载等效电阻的增加而减小，***工作在恒压输出(CV)模式下。因此，该发明可以随着负载等效电阻的增加，实现自然恒流恒压输出。通过设计额定充电电流和额定充电电压，可以满足电池的恒流恒压充电需求。
以上所述，仅用于帮助理解本发明的方法及其核心要义，但本发明的保护范围并不局限于此，上述的实施方式为本发明的优选技术方案，而并非限定本发明的保护范围。对于本技术领域的一般技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种单开关自然恒流恒压输出的无线电能传输***，包括发射端和接收端；所述发射端包括依次连接的原边高频逆变电路、原边补偿电路和原边发射线圈；所述接收端包括依次连接的副边接收线圈、副边补偿电路和副边整流滤波电路；其特征在于：
所述原边高频逆变电路采用单开关LC谐振电路，所述单开关LC谐振电路的输入与直流输入电压源连接，用于将直流电变换为交流电；所述单开关LC谐振电路包括开关管S、谐振电感L1和谐振电容C1，所述谐振电容C1还用于补偿原边发射线圈和副边接收线圈的等效励磁电感；
所述原边补偿电路采用原边串联补偿电容CP，用于补偿原边发射线圈的漏感；
所述副边补偿电路包括副边串联补偿电容CS、副边并联补偿电容C2和副边串联补偿电感L2，所述副边串联补偿电容CS用于补偿副边接收线圈的漏感；
所述副边整流滤波电路包括全桥整流器和滤波电容Cf，所述全桥整流器由四个整流二极管组成；所述副边整流滤波电路的直流侧与负载连接；
所述全桥整流器中有两个功率传输通道为负载提供能量；根据负载的等效电阻的大小来分配两个功率传输通道中的功率大小，实现恒流输出或恒压输出的输出模式。
2.根据权利要求1所述的一种单开关自然恒流恒压输出的无线电能传输***，其特征在于，所述原边发射线圈和副边接收线圈由利兹线绕制而成，将采用导磁材料的磁芯分别置于原边发射线圈的下面和副边接收线圈的上面，用于增强耦合。
3.根据权利要求1所述的一种单开关自然恒流恒压输出的无线电能传输***，其特征在于，所述直流输入电压源的负极与开关管S的源极连接，直流输入电压源的正极与谐振电感L1的一端、谐振电容C1的一端和原边串联补偿电容CP的一端连接，开关管S的漏极与谐振电感L1的另一端、谐振电容C1的另一端和原边发射线圈一端连接，原边串联补偿电容CP的另一端与原边发射线圈另一端连接。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种单开关自然恒流恒压输出的无线电能传输***，其特征在于，所述全桥整流器由二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4组成；
所述副边接收线圈的一端与副边串联补偿电容CS的一端串联，副边串联补偿电容CS的另一端与副边并联补偿电容C2一端和副边串联补偿电感L2一端连接；副边接收线圈的另一端与二极管D3的阳极和二极管D4的阴极连接，副边串联补偿电感L2的另一端与二极管D1的阳极和二极管D2的阴极连接；副边并联补偿电容C2的另一端与二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、滤波电容Cf的一端、负载的负极连接，二极管D1的阴极与二极管D3的阴极、滤波电容Cf的另一端、负载的正极连接。
5.根据权利要求4所述的一种单开关自然恒流恒压输出的无线电能传输***，其特征在于，所述两个功率传输通道分别为二极管D1和二极管D2所组成的功率传输通道，二极管D3和二极管D4所组成的功率传输通道。
6.根据权利要求5所述的一种单开关自然恒流恒压输出的无线电能传输***，其特征在于，所述输出模式，具体如下：
当负载的等效电阻小时，功率同时通过两个功率传输通道进行传输，全桥整流器以全桥模式工作，无线电能传输***工作在恒流输出模式；
当负载的等效电阻逐渐增加时，通过二极管D1和二极管D2传输的功率逐渐减小，通过二极管D3和二极管D4传输的功率逐渐增加，无线电能传输***工作在自然切换模式；
当负载的等效电阻增加到一定时，通过二极管D1和二极管D2传输的功率减小至零，功率仅通过二极管D3和二极管D4进行传输，全桥整流器以半桥模式工作，无线电能传输***工作在恒压输出模式。
7.根据权利要求6所述的一种单开关自然恒流恒压输出的无线电能传输***，其特征在于，当负载的等效电阻小于π2ωsL2/2时，全桥整流器以全桥模式工作，无线电能传输***工作在恒流输出模式；输出电流IB表达式为：
其中，VC1,1为vC1的基波有效值，vC1为单开关LC谐振电路的输出电压；ωs为无线电能传输***的开关角频率，n为原边发射线圈与副边接收线圈的等效变比，L2为副边串联补偿电感。
8.根据权利要求6所述的一种单开关自然恒流恒压输出的无线电能传输***，其特征在于，当负载的等效电阻大于2πωsL2时，全桥整流器以半桥模式工作，无线电能传输***工作在恒压输出模式；输出电压VB表达式为：
其中，VC1,1为vC1的基波有效值，vC1为单开关LC谐振电路的输出电压；n为原边发射线圈与副边接收线圈的等效变比；
所述输出电压VB能够通过改变原边发射线圈与副边接收线圈的等效变比进行设计。
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