本发明专利技术公开了基于恒流‑恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统，提供电池充电过程中所需的先恒流后恒压输出，适用于电动汽车电池无线充电场合。该系统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。该复合拓扑通过利用放置在副边的恒流‑恒压切换网络进行恒流‑恒压模式转换，在特定频率下实现了与负载无关的先可抗偏移恒流输出后可抗偏移恒压输出，避免了无线充电系统发射端与接收端之间的复杂通信，简化控制，实现了电路近似零无功环流和开关器件的软开关，保持了恒定的功率输出，具有良好的抗偏移能力。
【技术实现步骤摘要】
基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统
本专利技术公开了基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统，涉及电池无线充电技术，适用于电动汽车电池无线充电场合。
技术介绍
无线充电技术(WirelessPowerTransfer,WPT)因供电端和受电端之间没有电气和机械连接而使用方便且安全可靠。目前，感应式无线电能传输(InductivePowerTransfer,IPT)技术是应用最广的WPT技术，具有极大的研究价值。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先恒流后恒压输出并且保证零无功环流或零输入相位角(ZeroPhaseAngle,ZPA)所采用的控制手段通常只能实现一个控制目标。因此，很多研究采用补偿电路本身的特性来兼顾两个及以上的控制目标。例如，基于四种基本拓扑结构(串联-串联(SS)，串联-并联(SP)，并联-并联(PP)和并联-串联(PS))提出的两种混合拓扑结构SS/SP和PS/PP用于电池充电，但是线圈设计受到限制，参数设计自由度降低。此外，一些新的补偿拓扑结构，如LCC-LCC和LCC-S复合拓扑结构与SS和S-LCC复合拓扑结构均可突破线圈增益限制实现先恒流后恒压输出。但是，上面提到的所有补偿拓扑都需要精确放置磁耦合结构，否则，线圈偏移问题会导致系统性能显著下降。在很多应用中，原副线圈之间的相对位置不可避免地会发生变化，线圈偏移会造成许多严重的问题，如功率传输下降，系统损耗增加，系统会不稳定，因此必须提高IPT系统的抗偏移能力。为提高IPT系统的抗偏移能力，主要采用线圈优化设计和补偿拓扑两类方案：采用优化磁耦合结构来获得一个相对均匀的磁场分布可有效提高系统抗偏移能力；或者，采用两种补偿拓扑LCC-S和S-LCC，通过原边侧并联副边侧串联连接的方式实现可抗偏移的恒压输出，再通过级联辅助电路实现恒流-恒压充电，但该辅助电路是一个带多个开关的T型网络，器件数量多，增加损耗和成本。由以上分析可知，目前可实现恒流-恒压输出的组合型拓扑存在线圈发生偏移功率传输下降的问题。一些具有良好的抗偏移能力的组合型拓扑实现恒流-恒压输出，其设计相对复杂。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是针对上述
技术介绍
的不足，提供了基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统，利用组合补偿拓扑的输出特性并通过放置在副边的恒流-恒压切换网络进行恒流-恒压模式转换，在特定频率下实现了与负载无关的先恒流抗偏移输出后恒压抗偏移输出，实现了电路近似零无功环流和开关器件的软开关，提供了一种可同时实现可抗偏移的恒流输出和可抗偏移的恒压输出的方案。本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统，包括高频全桥逆变电路、原边补偿网络、松耦合变压器单元、副边补偿网络、全桥整流滤波电路以及恒流-恒压模式切换网络，其中，原边补偿网络包括：第一原边补偿电容、第二原边补偿电容、原边补偿电感以及原边附加电容，副边补偿网络包括：第一副边补偿电容、第二副边补偿电容、副边补偿电感、副边附加电容，恒流-恒压模式切换网络包括：第一开关、第二开关、第三开关，松耦合变压器单元包括：第一松耦合变压器和第二松耦合变压器。第一原边补偿电容的一极与高频全桥逆变电路的一桥臂中点连接，第一原边补偿电容的另一极与第一松耦合变压器原边绕组的一端连接，原边补偿电感的一端与第一松耦合变压器原边绕组的另一端连接，原边补偿电感的另一端、第二原边补偿电容的一极均与原边附加电容的一极相连接，原边附加电容的另一极与第二松耦合变压器原边绕组的一端连接，第二原边补偿电容的另一极、第二松耦合变压器原边绕组的另一端均与高频全桥逆变电路的另一桥臂中点相连接；副边附加电容的一极与第一松耦合变压器副边绕组的一端连接，第二松耦合变压器副边绕组的一端与第二副边补偿电容的一极连接，副边附加电容的另一极、第一副边补偿电容的一极均与副边补偿电感的一端连接，副边补偿电感的另一端、第二副边补偿电容的另一极均与第二开关的一端连接，第一松耦合变压器副边绕组的另一端与第一开关的一端、第三开关的一端连接，第二开关的另一端、第三开关的另一端并接后与全桥整流滤波电路的一桥臂中点连接，第一开关的另一端、第一副边补偿电容的另一极、第二松耦合变压器副边绕组的另一端并接后与全桥整流滤波电路的另一桥臂中点连接。原边补偿电感的感值Lf1和副边补偿电感的感值Lf2按照选取，第一原边补偿电容的容值C1、第二原边补偿电容的容值Cf1、第一副边补偿电容的容值Cf2、第二副边补偿电容的容值C4按照选取，原边附加电容的容值C3、副边附加电容的容值C2按照和选取，VIN为系统输入的直流电压，VB为电池给定充电电压，IB为电池给定充电电流，ω为系统工作的角频率，M12为第一松耦合变压器的互感值、M34为第二松耦合变压器的互感值，L1为第一松耦合变压器原边自感的感值，L2为第一松耦合变压器副边自感的感值，L3为第二松耦合变压器原边自感的感值，L4为第二松耦合变压器副边自感的感值。基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统在恒流充电阶段，第一开关S1和第二开关S2均断开，第三开关S3闭合时，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IB：输入阻抗ZIN：呈纯阻性，相比于只利用单个补偿拓扑SS或者LCC-LCC的输出恒流特性，通过利用SS和LCC-LCC两种补偿拓扑的输出恒流特性，采用原边侧串联副边侧串联的连接方式，在线圈发生较大的偏移情况下输出的电流近似恒定，波动较小，具有良好的抗偏移能力；在恒压充电阶段，第一开关S1和第二开关S2均闭合，第三开关S3断开时，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VB：输入阻抗ZIN：呈纯阻性，相比于只利用单个补偿拓扑S-LCC或者LCC-S的输出恒压特性，通过利用S-LCC和LCC-S两种补偿拓扑的输出恒压特性，采用原边侧串联副边侧并联的连接方式，在线圈发生较大的偏移情况下输出的电压近似恒定，波动较小，具有良好的抗偏移能力。其中，R为电池的等效电阻。作为本申请的进一步优化方案，原边补偿网络的第一原边补偿电容C1和原边补偿电感Lf1可以在系统工作的角频率ω下等效为一个器件，进一步减少拓扑的器件数量，简化电路。本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果：(1)本专利技术提出基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统，利用SS和LCC-LCC两种补偿拓扑的输出恒流特性以及S-LCC和LCC-S两种补偿拓扑的输出恒压特性，通过控制置于松耦合变压器副边的恒流-恒压模式切换网络，在线圈发生偏移的时实现了在特定频率下先向负载提供近似恒定的电流后向负载提供近似恒定的电压，保持了恒定的功率输出，具有良好的抗偏移能力。(2)在整个充电过程中，系统输入阻抗近似为纯阻性，避免无功环流，减小器件应力，同时实现开关器件的软开关，提高效率。(3)置于副边的恒流-恒压模式切换网络仅包含三个开关，通过简单控制即可实现恒流恒压模式的切换，相较于通过辅助电路使得可抗偏移恒压输出系统输出恒流的方案，本申请的控制电路简单且损耗小，具备副边复合式补偿网络无线充电系统的优点。附图说明图1是基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于恒流‑恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统，包括：高频全桥逆变电路、原边补偿网络、松耦合变压器、副边补偿网络、恒流‑恒压模式切换网络、全桥整流滤波电路，所述原边补偿网络包括：第一原边补偿电容、第二原边补偿电容、原边补偿电感以及原边附加电容，松耦合变压器单元包括：第一松耦合变压器和第二松耦合变压器，副边补偿网络包括：第一副边补偿电容、第二副边补偿电容、副边补偿电感、副边附加电容，恒流‑恒压模式切换网络包括：第一开关、第二开关、第三开关；所述第一原边补偿电容的一极与高频全桥逆变电路的一桥臂中点连接，第一原边补偿电容的另一极与第一松耦合变压器原边绕组的一端连接，原边补偿电感的一端与第一松耦合变压器原边绕组的另一端连接，原边补偿电感的另一端、第二原边补偿电容的一极均与原边附加电容的一极相连接，原边附加电容的另一极与第二松耦合变压器原边绕组的一端连接，第二原边补偿电容的另一极、第二松耦合变压器原边绕组的另一端均与高频全桥逆变电路的另一桥臂中点相连接；副边附加电容的一极与第一松耦合变压器副边绕组的一端连接，第二松耦合变压器副边绕组的一端与第二副边补偿电容的一极连接，副边附加电容的另一极、第一副边补偿电容的一极均与副边补偿电感的一端连接，副边补偿电感的另一端、第二副边补偿电容的另一极均与第二开关的一端连接，第一松耦合变压器副边绕组的另一端与第一开关的一端、第三开关的一端连接，第二开关的另一端、第三开关的另一端并接后与全桥整流滤波电路的一桥臂中点连接，第一开关的另一端、第一副边补偿电容的另一极、第二松耦合变压器副边绕组的另一端并接后与全桥整流滤波电路的另一桥臂中点连接；原边补偿电感的感值Lf1和副边补偿电感的感值Lf2按照...
【技术特征摘要】
1.基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统，包括：高频全桥逆变电路、原边补偿网络、松耦合变压器、副边补偿网络、恒流-恒压模式切换网络、全桥整流滤波电路，所述原边补偿网络包括：第一原边补偿电容、第二原边补偿电容、原边补偿电感以及原边附加电容，松耦合变压器单元包括：第一松耦合变压器和第二松耦合变压器，副边补偿网络包括：第一副边补偿电容、第二副边补偿电容、副边补偿电感、副边附加电容，恒流-恒压模式切换网络包括：第一开关、第二开关、第三开关；所述第一原边补偿电容的一极与高频全桥逆变电路的一桥臂中点连接，第一原边补偿电容的另一极与第一松耦合变压器原边绕组的一端连接，原边补偿电感的一端与第一松耦合变压器原边绕组的另一端连接，原边补偿电感的另一端、第二原边补偿电容的一极均与原边附加电容的一极相连接，原边附加电容的另一极与第二松耦合变压器原边绕组的一端连接，第二原边补偿电容的另一极、第二松耦合变压器原边绕组的另一端均与高频全桥逆变电路的另一桥臂中点相连接；副边附加电容的一极与第一松耦合变压器副边绕组的一端连接，第二松耦合变压器副边绕组的一端与第二副边补偿电容的一极连接，副边附加电容的另一极、第一副边补偿电容的一极均与副边补偿电感的一端连接，副边补偿电感的另一端、第二副边补偿电容的另一极均与第二开关的一端连接，第一松耦合变压器副边绕组的另一端与第一开关的一端、第三开关的一端连接，第二开关的另一端、第...
【专利技术属性】
技术研发人员：曲小慧，王笃乐，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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