一种基于广义共振的快速、高效、升压充电方法技术

本发明专利技术公开了一种基于广义共振的快速、高效、升压充电方法，解决了环境能量获取装置不能对极低电压收集和电动交通工具的储能装置快速充电效率不高两个问题。本发明专利技术通过在交流能源输出端增加RLC串联谐振电路，令LC的串联谐振频率FD＝1/[2π*(LC)

A fast, efficient and step up charging method based on generalized resonance

The invention discloses a charging method is fast, efficient, boosting based on generalized resonance, solve the environmental energy acquisition device is not of very low voltage collection and electric vehicle energy storage device for fast charging efficiency is not high two problems. By adding an RLC series resonant circuit at the output of an alternating current energy source, the series resonant frequency of the LC is FD = 1/[2 pi * (LC)

【技术实现步骤摘要】
一种基于广义共振的快速、高效、升压充电方法
本专利技术属于能量收集与管理电子电路和快速充电领域，具体涉及一种基于广义共振的快速、高效、升压充电方法。
技术介绍
经典理论对于电能传输/获取的最高效率原则是阻抗匹配。其意为：当能源具有内阻R时，负载获取最高效率的“负载电阻”也应等于R。如附图1-1～附图1-4所示：当能源的空载“开路电压”为10V、内阻RN＝5Ω时，只有负载电阻RW＝5Ω，才能获得最大的“负载功率”＝5W，但能源功率＝10W、能源内耗＝5W，能源的利用率仅为50％。但在用交流能源对超级电容或/和电池充电时，如附图1-4，大多数条件下能源的阻抗是极低的，负载(超级电容和电池)的视在阻抗是变化的，没有阻抗匹配可言。特别是，经典的充电储能技术是对交流的能源电压直接经过整流为直流电对电容或/和电池充电，其所存在的两个极限状态是：A，储能的“负载电压”永远低于能源“开路电压”，如附图1-5、附图1-6；B，能源开路电压低于已经储能的负载电压时，充电停止，充电效果为零。上述极限的限制，导致经典的(对交流整流为)直流储能充电带来了严重的问题：交流能源电压的峰值低于已储电压时无法对储能器充电，使得偶获的宝贵能源不能储存利用；储能电容器CC的极限储能电量Q，取决于最高的能源电压UI：Q≤UI*CC。由于上述限制，若电动车需要约1000V电压时，经典的整流充电方法使用220VRMS(311Vp)的工频电网能源只能对储能超级电容充电到310Vp，不得已采取对多个超级电容并联充电(到310V)、再用多个(例如3个)超级电容串联对负载供电(输出930V)。由此带来了并联充电、串联用电变换的繁琐控制问题，而且，N个电容量C相同的电容并联充电的峰值电流是单个电容的N倍；而为了减小充电峰值电流，就需要更长的充电时间。这又带来了不能快速充电的问题。由于上述经典整流充电方法的限制，还导致无(电)源无线电子设备的将环境能量变换为电能的电源获取装置之能源电压UI对储能电容CC充电到UCC接近与UI电压时，不能对储能电容继续充电；当储能电容CC的电压UCC大于电源获取装置的能源电压UI时，也不能继续利用能源于充电和增加储能；当储能电池E的电压UE大于电源获取装置的能源电压UI时，也不能继续利用能源于充电和增加储能。现有技术在解决高效率充电、储能问题时的主要手段是减小整流器的压降，如使用肖特基二极管(其典型压降为0.2V，而普通二极管的典型压降在0.7V以上)，甚至使用以检测逻辑电路控制的VMOS三级管(其典型压降约0.01V)整流，但仍不能解决对已储电压VCC、VEE高于能源电压UI的储能电容CC或电池E继续充电的问题；而解决低电压能源整流所得的低电压向高电压的储能电容或电池充电的主要手段是使用升压型的DC/DC变换器，仍然不能解决从能源尽量多获取能量的问题。因此，需要解决对储能装置(超级电容或/和充电电池)快速、高效、升压充电的问题。
技术实现思路
本专利技术针对上述传统方法的技术缺陷，提出一种基于广义共振的快速、高效、升压充电方法。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于广义共振的快速、高效、升压充电方法，为了实现在交流能源的电压UI低于期望的储能电容CC的电压UCC时，或能源的电压UI低于储能电池E电压UE时，仍能用能源电压UI对储能电容CC或储能电池E继续充电，其特征在于：在能源输出电压端增加RLC串联谐振电路，实施RLC广义共振升压，令LC的串联谐振频率FD＝1/[2π*(LC)0.5]等于或接近于交流能源电压的频率FN，偏差不大于5％，并从谐振电容C两端取用电压供给整流充电储能电路，其中，RLC串联谐振电路的电阻R主要包括能源的内部电阻RN和增加的电阻RW，R＝RN+RW，即：当需要串联电阻为R，而能源已经含有内电阻RN，则在外部添加串联电阻RW＝R-RN；RLC串联谐振电路的电感L主要包括能源的内部电感LN和增加的电感LW，L＝LN+LW，即：当需要串联电感为R，而能源已经含有内电感LN，则在外部添加串联电感LW＝L-LN。附图1-7为一个广义共振快速、高效、升压充电装置的原理说明仿真电路图，频率为50Hz，幅值为100Vp的能源，含有内电阻RN＝3.141593Ω，内电感LN＝100mH，外接C＝101.32uF的谐振电容于LW的外端到公共地线，RLC谐振频率FD，等于能源的电压频率FN＝50Hz；从谐振电容C的两端取用“电容升压”电压供给整流器GR1，整流器GR1的输出端接储能电容器CC＝1mF，输出“储能电压”。当附图1-7被设置在经典充电方式，即以开关WS1断开谐振电容C。附图1-8为经典充电方式在1秒充电过程的测试图，平均充电功率4.84W/s，1秒后最终“储能电压”为96.41V，低于能源的“开路电压”100Vp；在储能电容CC上储存的功、能为4.65W。当附图1-7被设置在广义共振充电方式时如附图1-9，即以WS1接通谐振电容C。附图1-10为广义共振充电方式在1秒充电过程的测试图，平均充电功率287W/s，充电到96.41V仅需0.06秒，经过1s后最终“储能电压”为755V，高于能源的“开路电压”100Vp；在储能电容CC上储存的功、能为286W。比较上述数据，可见在1秒钟充电后，本专利技术之基于广义共振的快速、高效、升压充电方法与经典充电方式比较，充电平均功率提升287/4.48＝64倍，储能电压提升755/96.41＝7.83倍，储存的能量提升286/4.65＝61倍，充电至经典终充电最终电压的速度提升1/0.06＝16倍。该仿真效果表明：广义共振升压充电方法，解决了经典充电方法所存在的“储能电压”永远低于能源“开路电压”，和能源开路电压低于已经储能的“储能电压”时，充电停止，充电效果为零的问题。本专利技术之基于广义共振的快速、高效、升压充电方法的基本原理在于：在实施当RLC广义共振升压的过程中，当谐振电容C的电压出现接近(偏差不大于5％)峰值的电压，高于储能电容CC的储能电压加整流充电储能电路的整流器压降时，来自交流能源的电流不再单独供给LC谐振储能，而主要转向整流器整流进而向储能电容CC充电。这个瞬时的交流能源电流，等于该瞬时能源开路电压在内阻R上的压降除以能源内电阻R；能源电流还有一部分仍流经L、流入电容C的电流之“虚”功率，储存于LC中并增强其广义共振，它们并不被当作有用(实)功消耗，而是为下一个周期继续实现广义共振升压充电做准备，直到谐振电容C的峰值电压升高到(由RLC参数设计XL＝XC＝G*R所决定的升压系数)G倍于能源的“开路电压”峰值时停止。由于RLC串联谐振电路的L和C的端电压之相位，较电流相位差90度，所以，发生上述谐振升压充电的过程的时机，是在RLC回路电流相位即将过零但尚未不为零的时机、亦即谐振电容C的电压出现峰值的时机。附图1-11的充电瞬时信息测试图，清晰地揭示了上述广义共振升压充电原理。附图1-11，当RLC广义共振的过程出现谐振电容C的电压值364.77V接近峰值，状况1：谐振电容C的电压突然限幅于364.77V时，同时有状况3：谐振电容C电压高于储能电容的储能电压362.22V：364.77-362.22＝2.55V＝(2个1.29V)，为整流器中两个整流管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于广义共振的快速、高效、升压充电方法，为了实现在交流能源的电压UI低于整流充电储能电路所期望的储能电容CC的电压UCC时，或能源的电压UI低于整流充电储能电路的储能电池E电压UE时，仍能用能源电压UI对储能电容CC或储能电池E继续充电，其特征在于：在能源输出电压端增加RLC串联谐振电路，实施RLC广义共振升压，令LC的串联谐振频率FD＝1/[2π*(LC)0.5]等于或接近于交流能源电压的频率FN，偏差不大于5％，并从谐振电容C两端取用电压供给整流充电储能电路，其中，RLC串联谐振电路的电阻R主要包括能源的内部电阻RN和增加的电阻RW，R＝RN+RW，即：当需要串联电阻为R，而能源已经含有内电阻RN，则在外部添加串联电阻RW＝R‑RN；RLC串联谐振电路的电感L主要包括能源的内部电感LN和增加的电感LW，L＝LN+LW，即：当需要串联电感为R，而能源已经含有内电感LN，则在外部添加串联电感LW＝L‑LN。

【技术特征摘要】
1.一种基于广义共振的快速、高效、升压充电方法，为了实现在交流能源的电压UI低于整流充电储能电路所期望的储能电容CC的电压UCC时，或能源的电压UI低于整流充电储能电路的储能电池E电压UE时，仍能用能源电压UI对储能电容CC或储能电池E继续充电，其特征在于：在能源输出电压端增加RLC串联谐振电路，实施RLC广义共振升压，令LC的串联谐振频率FD＝1/[2π*(LC)0.5]等于或接近于交流能源电压的频率FN，偏差不大于5％，并从谐振电容C两端取用电压供给整流充电储能电路，其中，RLC串联谐振电路的电阻R主要包括能源的内部电阻RN和增加的电阻RW，R＝RN+RW，即：当需要串联电阻为R，而能源已经含有内电阻RN，则在外部添加串联电阻RW＝R-RN；RLC串联谐振电路的电感L主要包括能源的内部电感LN和增加的电感LW，L＝LN+LW，即：当需要串联电感为R，而能源已经含有内电感LN，则在外部添加串联电感LW＝L-LN。2.根据权利要求1所述的基于广义共振的快速、高效、升压充电方法，其特征在于：在实施当RLC广义共振升压的过程中，当谐振电容C的电压出现接近峰值的电压，所述接近是指偏差不大于5％，高于储能电容CC的储能电压加整流充电储能电路的整流器压降时，来自交流能源的电流不再单独供给LC谐振储能，而主要转向整流器整流进而向储能电容CC充电。这个瞬时的交流能源电流，等于该瞬时能源开路电压在内阻R上的压降除以能源内电阻R；能源电流还有一部分仍流经L、流入电容C的电流之“虚”功率，储存于LC中并增强其广义共振。3.根据权利要求1所述的基于广义共振的快速、高效、升压充电方法，其特征在于：在使用所述升压充电方法，对大功率的磁悬浮列车、地铁、动车组、高铁实现无线供电时，在沿途设置对行进中车辆的超级电容充电的“道床无线供电器”来对“车载受电器”通过磁感应供电；在道床两条钢轨之间设置“道床无线供电器”，在“道床无线供电器”的E形铁芯的中部极靴上绕线圈，并由地面有线电路供给交流电，中部极靴与两边极靴之间产生交变磁场；在车底对准“道床无线供电器”非接触、小间隙地设置“车载受电器”，在“车载受电器”的E形铁芯的中部极靴上绕线圈，“车载受电器”的中部极靴与两边极靴之间产生感应耦合“道床无线供电器”产生的交变磁场；“道床无线供电器”的线圈由地面有线电路供给交流电源，“车载受电器”的线圈感应“道床无线供电器”的磁场输出感应电势电压。4.根据权利要求1所述的基于广义共振的快速、高效、升压充电方法，为了进一步降低所述方法在充电时对能源吸收的峰值电流、降低整流充电储能电路的整流器的峰值电流、提升储能充电输出电压和储能功率，其特征在于：在能源输出电压端增加RLC串联谐振电路，具体L＝L1,C＝C1，令RLC的串联谐振频率FD＝1/[2π*(L1C1)0.5]，等于或接近于能源电压的频率FN，偏差不大于5％；并在从电容器C1两端取用电压供给整流器时再串联限流电感器L2，构成广义共振限流充电电路，限流电感器L2的量值为0.1L1～1.0L1，若要追求降低输入峰值电流，但允许降低输出功率，则取L2＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐德尧，
申请(专利权)人：唐智科技湖南发展有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43