CN217984677U - 一种感应式无线充电器 - Google Patents

Abstract

一种感应式无线充电器，包括全桥逆变桥U1、辅助回路二极管整流桥U2、副边整流桥U3、原边线圈L₁、副边线圈L₂、辅助线圈L₃和补偿网络，全桥逆变桥U1的输入端和辅助回路二极管整流桥U2的输入端均连接到直流电源，原边线圈L₁与全桥逆变桥U1的输出端连接，辅助线圈L₃通过补偿网络与辅助回路二极管整流桥U2的输出端连接，副边线圈L₂与副边整流桥U3的输入端连接，副边整流桥U3的输出端连接到电池以提供充电电压V_bat，且原边线圈L₁、副边线圈L₂和辅助线圈L3中两两互感。本实用新型通过改变***工作频率和对辅助线圈侧补偿拓扑参数进行配置，可以在简单控制下实现同频率的恒流‑恒压模式自动切换，并且输出恒流、恒压阈值可调。

Description

一种感应式无线充电器

技术领域

本实用新型涉及无线充电技术领域，具体涉及一种自适应电池充电曲线的感应式无线充电器。

背景技术

无线电能传输技术以其灵活性好、安全性高等优势在很多领域得到了广泛关注。其中，采用感应式电能传输技术(IPT)对高性能锂离子电池进行充电已应用于消费电子、电动汽车等不同功率场合。

锂电池的充电特性曲线包括两种主要充电模式：恒流(constantcurrent，CC)充电和恒压(constantvoltage，CV)充电。电池首先以恒流模式进行充电，其等效阻抗与电池端口电压随充电时间上升。当电压达到端口电压阈值后，电池进入恒压模式充电，充电电流逐渐减小至接近零，充电结束。为了延长电池的使用寿命，无线充电器应根据电池特性曲线高效地向电池提供所需电流与电压。另外，为了提高***效率，减小无功环流，无线充电器在两种模式下均应实现开关器件软开关，以及输入电压、电流近似零相位角。

为满足以上需求，目前的研究主要分为3类：第1类是采用两级式结构，通过级联后级变换器实现输出电流和电压的二次调节，该方式增加了变换器级数，从而增加了成本和损耗。第2类是采用单级复合拓扑，通过模式切换开关改变拓扑结构，以实现所需的2 种充电模式。复合拓扑改进了单个补偿拓扑难以同时实现2种与负载无关的充电模式的缺陷，但高频开关存在损耗和成本需求，亦需要控制电路。第3类是采用高阶补偿网络，单个高阶网络存在多个与负载无关的恒流与恒压频率点，通过对2种频率点进行切换的方式实现2种充电模式切换，但该方式需提前精确预设2个频率点，对参数和控制精确度要求高。

以上3种方式均需依赖精确的检测和控制手段来实现恒流与恒压模式的切换，导致可靠性差的技术问题。

实用新型内容

基于此，本实用新型提供了一种自适应电池充电曲线的感应式无线充电器，以解决现有技术的无线供电应用中多采用锂电池作为负载，无线充电器应提供电池所需的先恒流后恒压输出，其中恒流与恒压的切换多依赖后级变换器、复合拓扑或高阶网络来实现，控制复杂，可靠性差的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种感应式无线充电器，其包括全桥逆变桥U1、辅助回路二极管整流桥U2、副边整流桥U3、原边线圈L₁、副边线圈L₂、辅助线圈L₃和补偿网络，其中：

所述全桥逆变桥U1的输入端和辅助回路二极管整流桥U2的输入端均连接到提供直流电压V_DC的直流电源，所述原边线圈L₁与所述全桥逆变桥U1的输出端连接，所述辅助线圈L₃通过所述补偿网络与所述辅助回路二极管整流桥U2的输出端连接，所述副边线圈L₂与所述副边整流桥U3的输入端连接，所述副边整流桥U3的输出端连接到电池以提供充电电压V_bat，且所述原边线圈L₁、副边线圈L₂和辅助线圈L3中两两互感。

作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述全桥逆变桥U1包括四个开关管Q₁、Q₂、 Q₃和Q₄，其中，Q₁和Q₃串联连接在直流电源的输出端，Q₂和Q₄串联连接在直流电源的输出端，且串联后的Q₁、Q₃与串联后的Q₂、Q₄为并联连接，原边线圈L₁的一端连接至的 Q₁和Q₃之间，原边线圈L₁的另一端连接至Q2和Q4之间。

作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述全桥逆变桥U1的输出端还连接有与所述原边线圈L₁相串联的电容C₁。

作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述副边整流桥U3包括四个二极管D₁、D₂、 D₃和D₄，其中，D₁和D₂的阴极均连接到电池的正极，D₃和D₄的阳极均连接到电池的负极，D₁的阳极与D₃的阴极连接，D₂的阳极与D₄的阴极连接，副边线圈L₂的一端连接至的 D₁的阳极，副边线圈L₂的另一端连接至D2的阳极。

作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述副边整流桥U3的输入端还连接有与所述副边线圈L₂相串联的电容C₂，所述副边整流桥U3的输出端还连接有与电池并联的电容C₀。

作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述辅助回路二极管整流桥U2包括四个二极管D₅、D₆、D₇和D₈，其中，D₅和D₆的阴极均连接到直流电源的正极，D₇和D₈的阳极均连接到直流电源的负极，D₅的阳极与D₇的阴极连接，D₆的阳极与D₈的阴极连接。

作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述补偿网络包括电感L_f1、电感L_f、电容C_f1和电容C_f2，电感L_f1、电感L_f和辅助线圈L₃于D₅的阳极与D₆的阳极之间依次串联连接，电容C_f2与辅助线圈L₃并联，电容C_f1的一端连接于电感L_f1与电感L_f之间，电容Cf1的另一端与D6的阳极连接。

作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述原边线圈L₁和所述副边线圈L₂均为圆环状，所述辅助线圈L₃为圆形或圆环状，所述辅助线圈L₃设置在所述原边线圈L₁的圆环内，当所述副边线圈L₂靠近所述原边线圈L₁时，所述原边线圈L₁、副边线圈L₂和辅助线圈L3中两两互感。

作为本实用新型的进一步优选技术方案，所述原边线圈L₁的内圈直径与所述副边线圈 L₂的内圈直径相同，所述原边线圈L₁的外圈直径不小于所述副边线圈L₂的外圈直径，所述副边线圈L₂的外圈直径不大于所述原边线圈L₁的内圈直径。

本实用新型的自适应电池充电曲线的感应式无线充电器，通过采用上述技术方案，可以达到如下有益效果：

1)本实用新型通过改变***工作频率和对辅助线圈侧补偿拓扑参数进行配置，可以在简单控制下实现同频率的恒流-恒压模式自动切换，并且输出恒流、恒压阈值可调，从而满足了不同电池的充电需求；

2)本实用新型通过在原边侧增加辅助线圈和无源整流桥，实现恒流与恒压模式的自动切换，不需要额外控制；辅助线圈通过补偿网络与输入源并联，输出阈值不受磁路耦合机构参数限制，自适应于任意电池充电曲线；

3)本实用新型在恒流和恒压两种充电模式下均工作在同一频率，从而保证了逆变器软开关与变换器近似零无功环流，降低了器件应力，即提高了传输效率，且该电路具有自动开路保护功能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为感应式无线充电器提供的一实施例的等效电路示意图。

本实用新型目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如图1所示，本实用新型提供了一种自适应电池充电曲线的感应式无线充电器，包括全桥逆变桥U1、辅助回路二极管整流桥U2、副边整流桥U3、原边线圈L₁、副边线圈L₂、辅助线圈L₃和补偿网络，其中：

所述全桥逆变桥U1的输入端和辅助回路二极管整流桥U2的输入端均连接到提供直流电压V_DC的直流电源，所述原边线圈L₁与所述全桥逆变桥U1的输出端连接，所述辅助线圈L₃通过所述补偿网络与所述辅助回路二极管整流桥U2的输出端连接，所述副边线圈L₂与所述副边整流桥U3的输入端连接，所述副边整流桥U3的输出端连接到电池以提供充电电压V_bat，且所述原边线圈L₁、副边线圈L₂和辅助线圈L3中两两互感。

具体实施中，所述原边线圈L₁和所述副边线圈L₂均为圆环状，所述辅助线圈L₃为圆形或圆环状，所述辅助线圈L₃设置在所述原边线圈L₁的圆环内，当所述副边线圈L₂靠近所述原边线圈L₁时，所述原边线圈L₁、副边线圈L₂和辅助线圈L3中两两互感。而且，所述原边线圈L₁的内圈直径与所述副边线圈L₂的内圈直径相同，所述原边线圈L₁的外圈直径不小于所述副边线圈L₂的外圈直径，所述副边线圈L₂的外圈直径不大于所述原边线圈 L₁的内圈直径。

在一具体实施例中，所述全桥逆变桥U1包括四个开关管Q₁、Q₂、Q₃和Q₄，其中，Q₁和Q₃串联连接在直流电源的输出端，Q₂和Q₄串联连接在直流电源的输出端，且串联后的 Q₁、Q₃与串联后的Q₂、Q₄为并联连接，原边线圈L₁的一端连接至的Q₁和Q₃之间，原边线圈L₁的另一端连接至Q2和Q4之间。所述全桥逆变桥U1的输出端还连接有与所述原边线圈L₁相串联的电容C₁。

所述副边整流桥U3包括四个二极管D₁、D₂、D₃和D₄，其中，D₁和D₂的阴极均连接到电池的正极，D₃和D₄的阳极均连接到电池的负极，D₁的阳极与D₃的阴极连接，D₂的阳极与D₄的阴极连接，副边线圈L₂的一端连接至的D₁的阳极，副边线圈L₂的另一端连接至D2的阳极。所述副边整流桥U3的输入端还连接有与所述副边线圈L₂相串联的电容C₂，所述副边整流桥U3的输出端还连接有与电池并联的电容C₀。

所述辅助回路二极管整流桥U2包括四个二极管D₅、D₆、D₇和D₈，其中，D₅和D₆的阴极均连接到直流电源的正极，D₇和D₈的阳极均连接到直流电源的负极，D₅的阳极与D₇的阴极连接，D₆的阳极与D₈的阴极连接。

所述补偿网络包括电感L_f1、电感L_f、电容C_f1和电容C_f2，电感L_f1、电感L_f和辅助线圈L₃于D₅的阳极与D₆的阳极之间依次串联连接，电容C_f2与辅助线圈L₃并联，电容C_f1的一端连接于电感L_f1与电感L_f之间，电容Cf1的另一端与D6的阳极连接。

本实用新型的恒流-恒压充电及自动切换原理：

为简化分析，原边逆变输出方波电压v₁、副边整流桥输入电压v₂和副边整流桥端电压 v₃分别用同频ω的正弦交流基波信号

和

代替，

和

分别为对应的电流相量。L₁、L₂和L₃分别为原边、副边和辅助线圈的自感，其中，两两之间自互感为M₁₂、M₁₃和 M₂₃。定义R_eq为副边整流桥前的等效电阻，R_L为电池等效电阻，则：

R_eq＝8R_L/π²，R_L＝V_bat/I_bat.

其中，V_bat和I_bat分别为负载电池电压与负载电流。

充电开始时，充电***首先进入恒流工作状态，由于Req较小，其上流通的电流

幅值较小，辅助线圈上产生的感应电势

以及

幅值小。

幅值未超过V_DC，此时辅助回路二极管整流桥暂未导通，即

电池充电电流I_bat满足以下公式：

式中：I_CC为恒流阶段输出电流。

此时原边侧输入阻抗为：

呈现纯阻特性，电路中不存在无功环流，便于实现逆变桥开关器件的软开关。

恒流模式下，尽管

但辅助线圈上存在感应电压，折射到整流桥前电压幅值为：

显然，如果

整流桥中二极管D5、D6、D7、D8将开始导通，

不为零，那么恒流充电条件将不再满足。因此，恒流模式的电池临界等效电阻为：

当R_L＜R_L.1时，该无线充电***处于恒流充电模式。当R_L≥R_L.1时，辅助回路二极管整流桥U2中二极管D5、D6、D7、D8部分导通，随着R_L不断增大，

幅值亦跟随增大，直到

此时辅助线圈整流桥中二极管D5、D6、D7、D8完全导通，

被钳位为幅值V_DC的方波交流量。

计算中，忽略相对较小的互感M₂₃，可得：

因此，进入恒压充电模式，其负载侧输出电压为：

式中：V_Cv为恒压阶段输出电压。

通过以上公式综合计算，可得，进入恒压模式的临界电阻为：

随着等效电阻R_L增大的整个充电过程。但在实际设计中，仍然存在较小的M₂₃，恒压阶段需考虑M₂₃对输出电压的影响。

1)当电池等效电阻RL略大于R_L，2时，辅助回路二极管完全导通，充电器进入恒压模式。此时，相比于副边电流i₂，辅助线圈电流i_A仍然很小，可将其近似为零。因此，恒压阶段开始时电池两端电压可通过以下公式得到：

2)当电池等效电阻R_L远大于R_L，2时，辅助线圈电流i_A远大于副边电流i₂，因此，i₂可近似为零。根据v₁与v₂的相位关系，得到恒压阶段结束时的电压输出为：

根据式以上两阶段的电源输出公式，本申请所提出的无线充电器结构可实现近似的恒压输出，在实际设计时只需考虑M₂₃对输出电压的影响，避免超过电池电压阈值。

原边线圈L₁、副边线圈L₂均采用串联补偿结构，补偿电容为C₁、C₂，辅助线圈L₃则连接补偿网络进行补偿。由于，恒流模式下输入电压v₁和i₁同相，输入为ZPA。SS补偿可通过略微增大C₁来实现输入阻抗弱感性，便于开关管Q1、Q2、Q3、Q4的零电压开关，同时不影响输出电流值。因此，采用增大C₁来实现恒流模式下的软开关。恒压模式时，辅助线圈侧补偿网络亦是纯阻性输入，因此，原边侧增大C₁亦可实现恒压模式下的软开关。

此外，所述电池无线充电器具有开路自保护功能。当恒流模式下电池发生开路故障，等效负载变为无穷大，感应到辅助线圈侧的电压增大，导致

幅值大于输入侧直流电压V_DC，辅助线圈侧整流桥导通，***立即自动切换为恒压模式，结合以上计算公式可知，此时原边电流i₁被钳位至一恒定值，其幅值大小为：

因此，该无线充电器不需要额外开路保护装置，可自动实现开路保护功能，安全可靠。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本实用新型的原理和实质，本实用新型的保护范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (9)

1.一种感应式无线充电器，其特征在于，包括全桥逆变桥U1、辅助回路二极管整流桥U2、副边整流桥U3、原边线圈L₁、副边线圈L₂、辅助线圈L₃和补偿网络，其中：

所述全桥逆变桥U1的输入端和辅助回路二极管整流桥U2的输入端均连接到提供直流电压V_DC的直流电源，所述原边线圈L₁与所述全桥逆变桥U1的输出端连接，所述辅助线圈L₃通过所述补偿网络与所述辅助回路二极管整流桥U2的输出端连接，所述副边线圈L₂与所述副边整流桥U3的输入端连接，所述副边整流桥U3的输出端连接到电池以提供充电电压V_bat，且所述原边线圈L₁、副边线圈L₂和辅助线圈L3中两两互感。

2.根据权利要求1所述的感应式无线充电器，其特征在于，所述全桥逆变桥U1包括四个开关管Q₁、Q₂、Q₃和Q₄，其中，Q₁和Q₃串联连接在直流电源的输出端，Q₂和Q₄串联连接在直流电源的输出端，且串联后的Q₁、Q₃与串联后的Q₂、Q₄为并联连接，原边线圈L₁的一端连接至的Q₁和Q₃之间，原边线圈L₁的另一端连接至Q2和Q4之间。

3.根据权利要求2所述的感应式无线充电器，其特征在于，所述全桥逆变桥U1的输出端还连接有与所述原边线圈L₁相串联的电容C₁。

4.根据权利要求1所述的感应式无线充电器，其特征在于，所述副边整流桥U3包括四个二极管D₁、D₂、D₃和D₄，其中，D₁和D₂的阴极均连接到电池的正极，D₃和D₄的阳极均连接到电池的负极，D₁的阳极与D₃的阴极连接，D₂的阳极与D₄的阴极连接，副边线圈L₂的一端连接至的D₁的阳极，副边线圈L₂的另一端连接至D2的阳极。

5.根据权利要求4所述的感应式无线充电器，其特征在于，所述副边整流桥U3的输入端还连接有与所述副边线圈L₂相串联的电容C₂，所述副边整流桥U3的输出端还连接有与电池并联的电容C₀。

6.根据权利要求1所述的感应式无线充电器，其特征在于，所述辅助回路二极管整流桥U2包括四个二极管D₅、D₆、D₇和D₈，其中，D₅和D₆的阴极均连接到直流电源的正极，D₇和D₈的阳极均连接到直流电源的负极，D₅的阳极与D₇的阴极连接，D₆的阳极与D₈的阴极连接。

7.根据权利要求6所述的感应式无线充电器，其特征在于，所述补偿网络包括电感L_f1、电感L_f、电容C_f1和电容C_f2，电感L_f1、电感L_f和辅助线圈L₃于D₅的阳极与D₆的阳极之间依次串联连接，电容C_f2与辅助线圈L₃并联，电容C_f1的一端连接于电感L_f1与电感L_f之间，电容Cf1的另一端与D6的阳极连接。

8.根据权利要求1-7任一项所述的感应式无线充电器，其特征在于，所述原边线圈L₁和所述副边线圈L₂均为圆环状，所述辅助线圈L₃为圆形或圆环状，所述辅助线圈L₃设置在所述原边线圈L₁的圆环内，当所述副边线圈L_２靠近所述原边线圈L₁时，所述原边线圈L₁、副边线圈L₂和辅助线圈L3中两两互感。

9.根据权利要求8所述的感应式无线充电器，其特征在于，所述原边线圈L₁的内圈直径与所述副边线圈L₂的内圈直径相同，所述原边线圈L₁的外圈直径不小于所述副边线圈L₂的外圈直径，所述副边线圈L₂的外圈直径不大于所述原边线圈L₁的内圈直径。

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