一种变次级结构的感应式无线充电系统技术方案

本发明专利技术公开了一种变次级结构的感应式无线充电系统，在接收部分设立恒流恒压切换电路一和恒流恒压切换电路二，恒流恒压切换电路二由次级恒流补偿电容(C

【技术实现步骤摘要】
一种变次级结构的感应式无线充电系统
本专利技术涉及一种变次级结构的感应式无线充电系统。
技术介绍
感应式无线电能传输技术通过磁场以非接触的方式向用电器进行灵活、安全、可靠供电，避免了传统拔插式电能传输系统存在的接触火花、漏电等安全问题。该技术已经广泛运用于内置式医疗装置、消费电子产品、照明和电动汽车等领域。其中，运用感应式无线电能传输系统对电池进行无线充电的发展前途巨大。为了实现电池安全充电，延长电池的使用寿命和充放电次数，充电过程通常为前期的恒流充电和后期的恒压充电两个阶段。在充电初期采用恒流模式，电池电压迅速增加；当电池电压达到充电设定电压时，采用恒压模式充电，充电电流逐渐减小直至达到充电截止电流，充电完成。从而要求对电池进行充电的感应式无线充电系统能分别提供恒定的电流和恒定的电压。现有的无线充电系统的主要构成及工作过程为：工频交流电经过整流成为直流，经过逆变器后直流电逆变成高频交流电，高频交变电流注入初级线圈，产生高频交变磁场；次级线圈在初级线圈产生的高频磁场中感应出感应电动势，该感应电动势通过高频整流后向负载提供电能。由于负载(电池)的等效阻抗是变动的，所以在一定输入电压下系统难以输出负载所需的恒定电流或电压。为解决该问题，通常的方法有两种：一、在电路系统中引入闭环负反馈控制，如在逆变器前加入控制器调节输入电压或者采用移相控制，或者在次级线圈整流后加入DC-DC变换器；其缺陷是，增加了控制成本和复杂性，降低系统稳定性，并且系统会输入较大的无功功率，增大逆变器容量要求。二、采用变频控制，系统工作在两个不同频率点实现恒流和恒压输出，但是该方法会出现频率分叉现象，造成系统工作不稳定。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种变次级结构的感应式无线充电系统，该系统既能输出恒流也能输出恒压，适用于对电池进行充电，特别是单个电源下多负载的充电，如对多辆电动车同时充电；且没有无功功率输入，系统效率高。本专利技术实现其专利技术目的所采用的第一种技术方案是，一种变次级结构的感应式无线充电系统，由发送部分和接收部分组成，发送部分包括依次连接的直流电源E、高频逆变器H、初级补偿电感L1、初级线圈补偿器PA、初级线圈LP1；且在初级补偿电感L1与初级线圈补偿器PA的连接点和高频逆变器H与初级线圈LP1的连接点之间连接有初级补偿电容CP；接收部分包括依次连接的次级线圈LS1、次级线圈补偿器SA、次级补偿电容CS2和整流滤波电路(D)、电池负载Z。所述的次级线圈补偿器SA与次级补偿电容CS2的连接点和次级线圈LS1与整流滤波电路D的连接点之间连接有恒流恒压切换电路一Q1；所述的恒流恒压切换电路一Q1的组成是：次级恒流补偿电容CS1和切换开关S1串联，且切换开关一S1的控制端与控制器一K1相连；所述的次级补偿电容CS2两端并联有恒流恒压切换电路二Q2；所述的恒流恒压切换电路二Q2的组成是：次级恒流补偿电感LCC和切换开关S2串联，且切换开关二S2的控制端与控制器一K1相连。进一步：所述的初级线圈补偿器PA的阻抗值由式(1)确定：式中，j为虚数单位，ω为系统工作频率，M为初级线圈LP1和次级线圈LS1之间的互感值，为直流电源E的输出电压值，UB为设定的恒定充电电压，为初级线圈LP1的电感值；所述的次级线圈补偿器SA的阻抗值由式(2)确定：式中，π为圆周率，IB为设定的恒定充电电流，为次级线圈LS1的电感值。所述的初级补偿电感L1的电感值由式(3)确定：所述的初级补偿电容CP的电容值由式(4)确定：所述的次级恒流补偿电容CS1的电容值由式(5)确定：所述的次级补偿电容CS2的电容值由式(6)确定：所述的次级恒流补偿电感LCC的电感值由式(7)确定：本专利技术的第一种技术方案的使用方法是：控制器一控制切换开关一闭合和切换开关二闭合，系统即工作于恒流模式，对负载输出恒定电流，即向电池提供设定的恒定充电电流IB；适合电池充电初期采用。控制器一控制切换开关一断开和切换开关二断开，系统即工作于恒压模式，对负载输出恒定电压，即向电池提供设定的恒定充电电压UB；适合电池充电后期、电池电压达到充电设定电压时采用。本专利技术实现其专利技术目的所采用的第二种技术方案是，一种变次级结构的感应式无线充电系统，由发送部分和接收部分组成，发送部分包括依次连接的直流电源E、高频逆变器H、初级补偿电感L1、初级线圈补偿器PA、初级线圈LP1；且在初级补偿电感L1与初级线圈补偿器PA的连接点和高频逆变器H与初级线圈LP1的连接点之间连有初级补偿电容CP。接收部分包括依次连接的次级线圈LS1、次级线圈补偿器SA、次级补偿电感L2和整流滤波电路D、电池负载Z。所述的次级线圈补偿器SA与次级补偿电容CS2的连接点和次级线圈LS1与整流滤波电路D的连接点之间连接有恒流恒压切换电路三Q3；所述的恒流恒压切换电路三Q3的组成是：次级恒流补偿电容CS1和切换开关S1串联，且切换开关三S3的控制端与控制器二K2相连。所述的次级补偿电感L2和整流滤波电路D之间串接有恒流恒压切换电路四Q4；所述的恒流恒压切换电路四Q4的组成是：次级恒压补偿电容CV2和切换开关四S4并联，且切换开关四S4的控制端与控制器二K2相连。进一步：所述的初级线圈补偿器PA的阻抗值由式(8)确定：所述的次级线圈补偿器SA的阻抗值由式(9)确定：所述的初级补偿电感L1的电感值由式(10)确定：所述的初级补偿电容CP的电容值由式(11)确定：所述的次级恒流补偿电容CS1的电容值由式(12)确定：所述的次级补偿电感L2的电感值由式(13)确定：所述的次级恒压补偿电容CV2的电容值由式(14)确定：本专利技术的第二种技术方案的使用方法是：控制器二控制切换开关三闭合和切换开关四闭合，系统即工作于恒流模式，对负载输出恒定电流，即向电池提供设定的恒定充电电流IB；适合电池充电初期采用。控制器二控制切换开关三断开和切换开关四断开，系统即工作于恒压模式，对负载输出恒定电压，即向电池提供设定的恒定充电电压UB；适合电池充电后期、电池电压达到充电设定电压时采用。本专利技术两种方案中系统输出恒定电压和恒定电流的理论分析如下：图1所示为系统恒压输出时的等效电路，其中LP为等效初级线圈，LS为等效次级线圈，L1为初级补偿电感，CP为初级补偿电容，CS2为次级补偿电容，M为等效初级线圈与等效次级线圈间的互感值。当LS的电感值与CS2的电容值满足关系式(15)：时，根据变压器原理可以推得次级回路反射到初级回路的阻抗Z1rV为：其中R是整流滤波电路D的输入交流电阻。当L1的电感值LP的电感值和CP的电容值满足关系式(17)：时，根据基本电路知识可以计算得系统恒压输出时的输入阻抗Zinv为：进一步，结合逆变器输出电压UP与直流电源E的电压值间的关系：通过基本的电路知识可计算出整流滤波电路D的输入电压Uout为：然后根据全桥整流的输入电压Uout与输出电压UB之间的关系：可计算得到系统输出电压UB为：设系统电压增益GV为系统输出电压UB与直流电源E的电压值的模值比，即：由式(23)可知，若直流电源E的电压值互感值M固定时，要获得恒定的系统输出电压UB，等效初级线圈LP的电感值需满足式(24)：图2所示为系统恒流输出时的系统等效电路，其中LP为等效初级线圈，LS为等效次级本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变次级结构的感应式无线充电系统，由发送部分和接收部分组成，其特征在于，发送部分包括依次连接的直流电源(E)、高频逆变器(H)、初级补偿电感(L

【技术特征摘要】
1.一种变次级结构的感应式无线充电系统，由发送部分和接收部分组成，其特征在于，发送部分包括依次连接的直流电源(E)、高频逆变器(H)、初级补偿电感(L1)、初级线圈补偿器(PA)、初级线圈(LP1)；且在初级补偿电感(L1)与初级线圈补偿器(PA)的连接点和高频逆变器(H)与初级线圈(LP1)的连接点之间连接有初级补偿电容(CP)；接收部分包括依次连接的次级线圈(LS1)、次级线圈补偿器(SA)、次级补偿电容(CS2)和整流滤波电路(D)、电池负载(Z)；所述的次级线圈补偿器(SA)与次级补偿电容(CS2)的连接点和次级线圈(LS1)与整流滤波电路(D)的连接点之间连接有恒流恒压切换电路一(Q1)；恒流恒压切换电路一(Q1)的组成是：次级恒流补偿电容(CS1)和切换开关(S1)串联，且切换开关一(S1)的控制端与控制器一(K1)相连；所述的次级补偿电容(CS2)两端并联有恒流恒压切换电路二(Q2)；恒流恒压切换电路二(Q2)的组成是：次级恒流补偿电感(LCC)和切换开关(S2)串联，且切换开关二(S2)的控制端与控制器一(K1)相连。2.根据权利要求1所述的一种变次级结构的感应式无线充电系统，其特征在于，所述的初级线圈补偿器(PA)的阻抗值由式(1)确定：式中，j为虚数单位，ω为系统工作频率，M为初级线圈(LP1)和次级线圈(LS1)之间的互感值，为直流电源(E)的输出电压值，UB为设定的恒定充电电压，为初级线圈(LP1)的电感值；所述的次级线圈补偿器(SA)的阻抗值由式(2)确定：式中，π为圆周率，IB为设定的恒定充电电流，为次级线圈(LS1)的电感值；所述的初级补偿电感(L1)的电感值由式(3)确定：所述的初级补偿电容(CP)的电容值由式(4)确定：所述的次级恒流补偿电容(CS1)的电容值由式(5)确定：所述的次级补偿电容(CS2)的电容值由式(6)确定：所述的次级恒流补偿电感(LCC)的电感值由式(7)...

【专利技术属性】
技术研发人员：麦瑞坤，张友源，陈阳，何正友，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51