一种蓄电池快速无线充电电路制造技术

本发明专利技术实施例提供了一种蓄电池快速无线充电电路，其特征在于，所述蓄电池快速无线充电电路应用于磁谐振无线传能系统中，包括功率变换电路和控制电路，所述功率变换电路接在所述磁谐振无线传能系统中的接收端电路的全桥整流电路与电池负载之间，用于调整输出电压与功率以满足蓄电池的充电需求；所述控制电路用于实现蓄电池充电的最大效率充电与恒压充电的两个阶段。

【技术实现步骤摘要】
一种蓄电池快速无线充电电路
本专利技术属于无线电能传输功率管理
，涉及一种蓄电池快速无线充电的功率变换电路。
技术介绍
无线传能技术相比传统通过插拔方式的有线供电方式，更加适用于具有尘埃以及外太空的环境，规避了有线插拔式充电中存在插座易老化、易受污染、存在插拔瞬间放电等问题，因而此项技术在航天领域已经越来越受重视。磁谐振无线传能系统可将发射与接收两端电路彻底在物理上隔离，对于外部设备与探测器可实现无线供电，延长其使用寿命，不必频繁重新发射从而降低成本。但同样由于发射端与接收端的完全物理隔离，两端对对方的电路信息不能直接获取，因而要实现高效与大功率的锂电池充电，对无线传能的电路拓扑结构及其控制策略提出了更高要求。磁谐振无线传能系统本身会产生交变的电磁场进行能量传递，同时在航天环境下，完全依靠通信控制不是非常可靠，因而需要研究无需通信的备用控制方案，在通讯失灵情况下依旧可以正常工作，并且减少了通信电路与控制的复杂度。传统的串串谐振网络，因本身所需无源器件少，设计简单，可实现输入零阻抗角与软开关这些优点，同时具有恒流输出特性，是锂电池无线充电的一种很好的选择。但现有的无线充电系统，采用传统的恒压恒流方式控制，效率并不高，同时存在需要通信的要求提高了控制电路复杂度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种蓄电池快速无线充电电路，其特征在于，所述蓄电池快速无线充电电路应用于磁谐振无线传能系统中，包括功率变换电路和控制电路，所述功率变换电路接在所述磁谐振无线传能系统中的接收端电路的全桥整流电路与电池负载之间，用于调整输出电压与功率以满足蓄电池的充电需求；所述控制电路用于实现蓄电池充电的最大效率充电与恒压充电的两个阶段。优选地，所述功率变换电路包括开关管Q1，二级管D1，稳压滤波电容C1组成的分流调节器和开关管Q2，二级管D2，滤波电感L1，滤波电容C2组成的Buck电路。优选地，所述全桥整流电路输出的电流从二级管D1流过向电容C1充电，使得传统的S-S型无线传能电路的输出从电流源转化为电压源。优选地，通过改变占空比，开关管Q2能够不停开通关断，开通时电流直接流过电感，向电容与电池充电，关断时电感L1续流向电容与电池放电，二级管D2充当电流环路的连接器；所述占空比代表输出电压即电容C2上的电压Uc与输入电压即电容C1上的电压Uo之间的不同比值。优选地，所述控制电路包括电压采样模块、PI控制器、取大电路、比较器、减法器、三角载波发生电路和驱动电路；控制电路采用相同方式控制开关管Q1和Q2；所述电压采样模块用于采集C1上的电压Uc与C2上的电压Uo；当所述控制电路控制开关管Q1时，输出电压Uo的采样值与给定值Uref1接入所述PI控制器的两端，所述PI控制器的PI输出信号接入所述比较器的一端，另一端接所述三角载波发生电路，通过所述比较器后，正端输入高于负端输入时，输出为高，反之为零，形成占空比一定的方波控制信号，通过所述驱动电路改变开关管Q1的导通与关断状态。优选地，所述控制电路还包括最大效率点跟踪MPET线性拟合电路，所述最大效率点跟踪MPET线性拟合电路通过分析效率与Buck电路的前端电压以及输出采样电压之间的关系，得出在输出最大效率时，Buck电路的前端电压与输出电压存在线性关系，利用此电路作为PI控制器的给定，实现最大效率的充电。优选地，所述比较器包括比较器1和比较器2，所述开关管具有两个工作状态，每个工作状态下只有一个开关管需要PWM波控制时的软切换控制方法；在分域控制下，比较器1与比较器2的三角载波不必一致，可以是不同载波。优选地，所述功率变化电路的Buck电路有两个工作模式，包括最大效率充电模式和恒压充电模式；所述最大效率充电模式为开关管Q1处于常断状态，开关管Q2处于调制状态；所述恒压充电模式为开关管Q1处于调制状态，开关管Q2处于常通状态。优选地，在锂电池未达到充电阈值电压时，变化器工作在最大效率充电模式，具体步骤如下：步骤1：最大效率跟踪(MEPT)线性拟合电路的输入是输出电压的采样值，输出电压采样与前端电压采样比一致皆为k；通过实际测试，最大效率工作点状态下前端电压与输出电压满足线性关系；通过MEPT线性拟合电路的输出作为PI控制器2的负相输入Uref2；步骤2：PI控制器1负相输入Uref1等于锂电池的阈值电压乘采样比k，PI控制器1正相输入为输出电压采样值，当锂电池电压未达到阈值电压时，PI控制器1的输出为零；步骤3：PI控制器2的负相输入是来自通过MPET算法后的给定值，PI控制器2的正相输入是前端电压的采样值，通过PI调节Buck电路前端电压；步骤4：此时PI控制器1输出为零，PI控制器2正常工作，输出大于零，所以取大电路的输出值为PI控制器2的输出；取大电路的输出是比较器2的正相输入，同时也是减法器的正相输入；减法器的负相输入Vref需要大于三角载波2的最大值，完成比较器1与比较器2的分域；步骤5：比较器1负端三角波1的取值范围为[V1，V2]，比较器2负端三角波2的取值范围为[V3，V4]，通过PI控制器的自适应调节，此时取大电路的输出值大于V1小于V2，比较器2输出PWM波形，并经过Buck驱动电路调节开关管Q2处于调制状态；因为Vref大于V2，所以比较器1输出为低电平，经过Shunt驱动电路调节开关管Q1处于常断状态。优选地，在锂电池达到充电阈值电压时，变换器工作在恒压充电模式，具体步骤如下：步骤1：当PI控制器1的正端输入输出电压采样值达到负端给定值附近时，PI控制器1的输出开始不断升高；当PI控制器1的输出大于PI控制器2的输出时，取大输出为PI控制器1的输出，因而经过比较器2后，Buck驱动管的占空比不断升高，直至Buck管直通，此为柔性切换状态；步骤2：PI控制器2的负相输入给定Uref2大于正相输入前端电压采样值，所以PI控制器2输出为零；PI控制器1的正负相输入有微小误差，处于线性工作区，PI输出进入另一块范围；步骤3：取大电路通过的为PI控制器1的输出，此时受减法器与PI控制器的自适应调节，此时输出值为大于(V3+Vref)，小于(V4+Vref)；输出值减去减法器的负相输入值Vref，则比较器1的正相输入端的输入值大于V3，小于V4，所以比较器1输出PWM波，Shunt管驱动电路控制开关管Q1处于调节状态；步骤4：取大输出值大于(V3+Vref)，因为Vref大于V2所以比较器2的输出为高电平，通过Buck管驱动电路调节开关管Q2处于常通状态；步骤5：开关管Q1开通时，接收端电路处于短路状态，电池负载由电容C2供电；接收端短路时，发射端功率急剧下降，因而随着分流管Q1占空比不断提高，发射端功率自动调节，当充电结束时，发射端功率降到极低，通过发射端的检测电路，可自动将其切断，即完成整个充电过程。本专利技术提供的双模式充电控制方式，可以自动随充电状态的变化，降低功率输入，分流主要起保护作用，不会在分流管上消耗大量的功本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种蓄电池快速无线充电电路，其特征在于，所述蓄电池快速无线充电电路应用于磁谐振无线传能系统中，包括功率变换电路和控制电路，所述功率变换电路接在所述磁谐振无线传能系统中的接收端电路的全桥整流电路与电池负载之间，用于调整输出电压与功率以满足蓄电池的充电需求；所述控制电路用于实现蓄电池充电的最大效率充电与恒压充电的两个阶段。/n

【技术特征摘要】
1.一种蓄电池快速无线充电电路，其特征在于，所述蓄电池快速无线充电电路应用于磁谐振无线传能系统中，包括功率变换电路和控制电路，所述功率变换电路接在所述磁谐振无线传能系统中的接收端电路的全桥整流电路与电池负载之间，用于调整输出电压与功率以满足蓄电池的充电需求；所述控制电路用于实现蓄电池充电的最大效率充电与恒压充电的两个阶段。


2.如权利要求1所述的蓄电池快速无线充电电路，其特征在于，所述功率变换电路包括开关管Q1，二级管D1，稳压滤波电容C1组成的分流调节器和开关管Q2，二级管D2，滤波电感L1，滤波电容C2组成的Buck电路。


3.如权利要求2所述的蓄电池快速无线充电电路，其特征在于，所述全桥整流电路输出的电流从二级管D1流过向电容C1充电，使得传统的S-S型无线传能电路的输出从电流源转化为电压源。


4.如权利要求3所述的蓄电池快速无线充电电路，其特征在于，通过改变占空比，开关管Q2能够不停开通关断，开通时电流直接流过电感，向电容与电池充电，关断时电感L1续流向电容与电池放电，二级管D2充当电流环路的连接器；所述占空比代表输出电压即电容C2上的电压Uc与输入电压即电容C1上的电压Uo之间的不同比值。


5.如权利要求4所述的蓄电池快速无线充电电路，其特征在于，所述控制电路包括电压采样模块、PI控制器、取大电路、比较器、减法器、三角载波发生电路和驱动电路；控制电路采用相同方式控制开关管Q1和Q2；所述电压采样模块用于采集C1上的电压Uc与C2上的电压Uo；当所述控制电路控制开关管Q1时，输出电压Uo的采样值与给定值Uref1接入所述PI控制器的两端，所述PI控制器的PI输出信号接入所述比较器的一端，另一端接所述三角载波发生电路，通过所述比较器后，正端输入高于负端输入时，输出为高，反之为零，形成占空比一定的方波控制信号，通过所述驱动电路改变开关管Q1的导通与关断状态。


6.如权利要求5所述的蓄电池快速无线充电电路，其特征在于，所述控制电路还包括最大效率点跟踪MPET线性拟合电路，所述最大效率点跟踪MPET线性拟合电路通过分析效率与Buck电路的前端电压以及输出采样电压之间的关系，得出在输出最大效率时，Buck电路的前端电压与输出电压存在线性关系，利用此电路作为PI控制器的给定，实现最大效率的充电。


7.如权利要求6所述的蓄电池快速无线充电电路，其特征在于，所述比较器包括比较器1和比较器2，所述开关管具有两个工作状态，每个工作状态下只有一个开关管需要PWM波控制时的软切换控制方法；在分域控制下，比较器1与比较器2的三角载波不必一致，可以是不同载波。


8.如权利要求7所述的蓄电池快速无线充电电路，其特征在于，所述功率变化电路的Buck电路有两个工作模式，包括最大效率充电模式和恒压充电模式；所述最大效率充电模式为开关管Q1处于常断状态，开关管Q2处于调制状态；所述恒压充电模式为开关管Q1处于调制状态，开关管Q2处于常通状态。


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【专利技术属性】
技术研发人员：邹小雨，蓝建宇，夏晨泰，吴昕，董梦雪，何小斌，
申请(专利权)人：上海空间电源研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31