一种副边复合式补偿网络的电池无线充电系统技术方案

本发明专利技术涉及一种副边复合式补偿网络的电池无线充电系统，提供电池充电过程中所需要的先恒流和后恒压输出。本发明专利技术提出SS/S‑LCL和LCL‑LCL/LCL‑S两种新型复合拓扑结构，分别包括高频全桥逆变电路、原边补偿网络、松耦合变压器、副边补偿网路、恒流‑恒压切换网络、全桥整流滤波电路。本发明专利技术利用电路本质特性，使其在特定频率下实现与负载无关的恒流或恒压，通过恒流‑恒压切换网络实现两种模式转换，并且同时实现电路近似零无功环流和开关器件的软开关，提高效率，减少器件应力。恒流‑恒压切换网络放置在副边，可避免无线充电系统的发射端与接收端之间的复杂通信，简化控制，提高可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了一种副边复合式补偿网络的电池无线充电系统，涉及电池无线充电技术，适用于电动汽车和医疗器械等电池无线充电场合。
技术介绍
无线充电技术是以电磁场为媒介，通过电磁理论传输电能的一种新兴技术。由于供电端和受电端之间没有电气和机械连接，使用方便，安全可靠，因此，无线充电技术有极大的应用前景。电池充电通常包括恒流充电和恒压充电两个阶段，因此无线充电系统需向电池提供其所需的恒流和恒压输出。无线充电系统中采用的松耦合变压器，耦合系数低，漏感值大，在电路中不可避免地产生无功环流，增加了器件应力和损耗，因此需要补偿其无功能量，一般采用电容来补偿变压器漏感产生的无功能量。在整个电池充电过程中，电池的等效负载在一个很大的范围内变化，在宽的负载范围内实现所需的恒流或恒压，并且保证零无功能量或零输入相位角(ZeroPhaseAngle,ZPA)，通常采用控制手段，但恒频脉宽调制(PWM)和变频控制通过调节占空比或频率只能实现一个控制目标，例如实现零无功能量，其恒流或恒压输出依靠后级变换器来调节，增加了电路的成本和体积。因此，很多研究采用补偿电路本身特性来兼顾以上两个目标，例如，在特定工作频率下，串串(SS)和并并(PP)同时实现输出与负载无关的恒流和输入ZPA，而串并(SP)和并串(PS)可以同时实现输出与负载无关的恒压和输入ZPA，因此，充电系统可工作在定频状态，简化控制。其中，PP和PS结构需要电流源供电，通常采用电压源串联电感实现电流源输入，因此PP和PS结构亦被称为LCL-P和LCL-S结构。但单个拓扑结构无法满足先恒流后恒压输出的要求，因此以上四种基本补偿网络可进行组合，通过切换开关实现恒流与恒压模式的切换。组合后的SS/SP、SS/PS、PP/SP和PP/PS均有可能实现先恒流后恒压的输出。为减少补偿器件和切换开关的个数，具有相同的补偿参数和谐振频率的网络可优化组合，因此，四种基本补偿网络的组合只有SS/PS和PP/SP两种复合式结构具有相同的谐振频率和补偿参数，不需要额外增加谐振器件，可同时实现恒流或恒压输出与无功全补偿，但模式切换开关均在原边供电侧，因此模式开关的控制需通过发射端与接收端之间的通信系统进行信号传输，控制相对复杂，可靠性低。另外两种复合结构SS/SP和PP/PS，其模式开关均在副边，避免了发射端与接收端之间的复杂通信，但补偿频率和参数并不完全相同，因此需增加额外补偿器件才能同时实现恒流或恒压输出与无功全补偿。亦有研究对两种复合结构采用相同的补偿参数，实现恒流或恒压切换，但无法保证在整个工作过程中全补偿无功能量，无功能量增大器件应力，降低传输效率。由以上分析可知，目前可同时实现副边模式切换、近似零无功能量和恒流-恒压输出的复合结构暂时未有。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提出两组复合式副边补偿网络的电池无线充电系统：SS/S-LCL和LCL-LCL/LCL-S复合拓扑结构，通过副边模式转换开关可实现负载所需的恒流-恒压输出，并且同时实现系统的无功功率近似为零和开关器件的软开关，解决了恒流-恒压模式切换开关在原边需要增加通信的技术问题，提高了无线充电系统的可靠性，亦解决现有补偿结构实现恒流或恒压的参数与无功全补偿的频率点不一致的技术问题，减少模式开关和补偿器件的个数。技术方案：SS/S-LCL充电系统包括依次连接的高频全桥逆变电路1、原边补偿网络2、松耦合变压器3、副边补偿网络4、恒流-恒压模式切换网络5、全桥整流滤波电路6，其中，所述原边补偿网络2对于SS/S-LCL结构而言通过原边补偿电容CP实现，原边补偿电容CP的一端与高频全桥逆变电路1的某一桥臂中点相连，原边补偿电容CP的另一端连接松耦合变压器3的原边绕组的一端，松耦合变压器3原边绕组的另一端与高频全桥逆变电路1的另一桥臂中点相连，所述副边补偿网络4包括：副边附加电感LY和副边补偿电容CS，原边附加电感LX的一端、副边补偿电容CS的一极与松耦合变压器3副边绕组相连，原边附加电感LX的另一端与切换网络中第二开关相连，副边补偿电容CS的另一极与切换网络中第一开关相连，所述恒流-恒压模式切换网络5包括：第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3，第一开关S1的一端接副边补偿电容CS的一极，第一开关S1的另一端、第二开关S2的一端均接全桥整流滤波电路6的某一桥臂中点，第二开关S2的另一端接副边附加电感LY，第三开关S3的一端接松耦合变压器3副边绕组的另一端，第三开关S3的另一端接全桥整流滤波电路6的另一桥臂中点，副边附加电感的感值与松耦合变压器副边自感感值相同。对于LCL-LCL/LCL-S充电系统而言，原边补偿网络2通过原边附加电感LX和补偿电容CP实现，原边附加电感LX一端与高频全桥逆变电路1的某一桥臂中点相连，原边附加电感LX的另一端连接松耦合变压器3原边绕组的一端，松耦合变压器3原边绕组的另一端与高频全桥逆变电路1的另一桥臂中点相连，原边补偿电容CP并联在松耦合变压器3的原边，副边补偿网络4、恒流-恒压模式切换网络5的电路结构与SS/S-LCL充电系统相同。原边附加电感LX与松耦合变压器原边自感LP的电感值相同，副边附加电感LY与松耦合变压器副边自感LS的电感值相同，原边补偿电容CP、副边补偿电容CS按照选取，其中，ω为系统工作的角频率。SS/S-LCL在电池充电的恒流阶段，闭合第一开关S1，断开第二开关S2和第三开关S3，电路为SS补偿方式，充电系统进入恒流工作模式，输出与电池负载无关的恒定电流IBAT：输入阻抗ZIN：在电池充电的恒压阶段，断开第一开关S1，闭合第二开关S2和第三开关S3，电路拓扑为S-LCL补偿，充电系统进入恒压工作模式，输出与电池负载无关的恒定电压VBAT：输入阻抗ZIN：VOpeak为输出电压峰值。LCL-LCL/LCL-S在电池充电的恒流阶段，断开第一开关S1，闭合第二开关S2和第三开关S3，电路拓扑结构为LCL-LCL补偿，充电系统进入恒流工作模式，输出与电池负载无关的恒定电流IBAT：输入阻抗ZIN为：在电池充电的恒压阶段，闭合第一开关S1，断开第二开关S2和第三开关S3，电路拓扑结构为LCL-S补偿，充电系统进入恒压工作模式，输出与电池负载无关的恒定电压VBAT：输入阻抗ZIN：以上，IOpeak为交流侧输出电流峰值，VOpeak为交流侧输出电压峰值，VIN为输入的直流电压，D为占空比，M为松耦合变压器原副边绕组的互感值，k为松耦合变压器的耦合系数，R为电池等效电阻。有益效果：(1)本专利技术提出了通过控制副边模式切换开关可直接实现电池恒流或恒压输出的电池无线充电系统，具体涉及SS/S-LCL和LCL-LCL/LCL-S这两种复合拓扑结构，无需增加额外补偿器件，通过定频控制即可简单方便地实现复合拓扑在恒流模式和恒压模式之间的切换，且复合拓扑工作于恒流和恒压模式的参数与无功全补偿的频率点一致，能够弥补现有技术暂无同时实现副边模式切换、近似零无功能量和恒流-恒压输出的复合结构的缺陷。(2)副边模式切换开关通过副边信号反馈控制，无需与原边发射端通信，避免了复杂通信，可靠性高。(3)在整个充电过程中，变换器输入阻抗近似为纯阻性，避免无功环流，减小器件应力，同时实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种副边复合式补偿网络的电池无线充电系统，包括：高频全桥逆变电路(1)、原边补偿网络(2)、松耦合变压器(3)、副边补偿网络(4)、恒流‑恒压模式切换网络(5)、全桥整流滤波电路(6)，所述原边补偿网络(2)为原边补偿电容，副边补偿网络(4)包括副边补偿电容以及与松耦合变压器副边自感感值相同的副边附加电感，恒流‑恒压模式切换网络(5)包括第一开关、第二开关及第三开关，所述原边补偿电容一极与高频全桥逆变电路(1)的一桥臂中点连接，原边补偿电容另一极与松耦合变压器(3)原边绕组的一端连接，松耦合变压器(3)原边绕组另一端与高频全桥逆变电路(1)的另一桥臂中点连接，副边附加电感的一端、副边补偿电容的一极均与松耦合变压器(3)副边绕组的一端相连接，副边附加电感的另一端与第二开关的一端连接，第一开关的一端和第三开关的一端均与副边补偿电容的另一极相连接，第一开关的另一端和第二开关的另一端并接后与全桥整流滤波电路(6)的一桥臂中点连接，第三开关的另一端与松耦合变压器(3)副边绕组的另一端、全桥整流滤波电路(6)另一桥臂的中点相连接，原边补偿电容、副边补偿电容的参数按照选取，ω为系统工作的角频率，CP为原边补偿电容的容值，CS为副边补偿电容的容值，LP为松耦合变压器原边自感的感值，LS为松耦合变压器副边自感的感值。...

【技术特征摘要】
1.一种副边复合式补偿网络的电池无线充电系统，包括：高频全桥逆变电路(1)、原边补偿网络(2)、松耦合变压器(3)、副边补偿网络(4)、恒流-恒压模式切换网络(5)、全桥整流滤波电路(6)，所述原边补偿网络(2)为原边补偿电容，副边补偿网络(4)包括副边补偿电容以及与松耦合变压器副边自感感值相同的副边附加电感，恒流-恒压模式切换网络(5)包括第一开关、第二开关及第三开关，所述原边补偿电容一极与高频全桥逆变电路(1)的一桥臂中点连接，原边补偿电容另一极与松耦合变压器(3)原边绕组的一端连接，松耦合变压器(3)原边绕组另一端与高频全桥逆变电路(1)的另一桥臂中点连接，副边附加电感的一端、副边补偿电容的一极均与松耦合变压器(3)副边绕组的一端相连接，副边附加电感的另一端与第二开关的一端连接，第一开关的一端和第三开关的一端均与副边补偿电容的另一极相连接，第一开关的另一端和第二开关的另一端并接后与全桥整流滤波电路(6)的一桥臂中点连接，第三开关的另一端与松耦合变压器(3)副边绕组的另一端、全桥整流滤波电路(6)另一桥臂的中点相连接，原边补偿电容、副边补偿电容的参数按照选取，ω为系统工作的角频率，CP为原边补偿电容的容值，CS为副边补偿电容的容值，LP为松耦合变压器原边自感的感值，LS为松耦合变压器副边自感的感值。2.一种副边复合式补偿网络的电池无线充电系统，包括：高频全桥逆变电路(1)、原边补偿网络(2)、松耦合变压器(3)、副边补偿网络(4)、恒流-恒压模式切换网络(5)、全桥整流滤波电路(6)，所述原边补偿网络(2)包括原边补偿电容以及与松耦合变压器原边自感感值相同的原边附加电感，副边补偿网络(4)包括副边补偿电容以及与松耦合变压器副边自感感值相同的副边附加电感，恒流-恒压模式...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲小慧，储海军，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32