本發(fā)明涉及一種變次級結(jié)構(gòu)的感應式無線充電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

感應式無線電能傳輸技術(shù)通過磁場以非接觸的方式向用電器進行靈活、安全、可靠供電，避免了傳統(tǒng)拔插式電能傳輸系統(tǒng)存在的接觸火花、漏電等安全問題。該技術(shù)已經(jīng)廣泛運用于內(nèi)置式醫(yī)療裝置、消費電子產(chǎn)品、照明和電動汽車等領(lǐng)域。其中，運用感應式無線電能傳輸系統(tǒng)對電池進行無線充電的發(fā)展前途巨大。

為了實現(xiàn)電池安全充電，延長電池的使用壽命和充放電次數(shù)，充電過程通常為前期的恒流充電和后期的恒壓充電兩個階段。在充電初期采用恒流模式，電池電壓迅速增加；當電池電壓達到充電設(shè)定電壓時，采用恒壓模式充電，充電電流逐漸減小直至達到充電截止電流，充電完成。從而要求對電池進行充電的感應式無線充電系統(tǒng)能分別提供恒定的電流和恒定的電壓。

現(xiàn)有的無線充電系統(tǒng)的主要構(gòu)成及工作過程為：工頻交流電經(jīng)過整流成為直流，經(jīng)過逆變器后直流電逆變成高頻交流電，高頻交變電流注入初級線圈，產(chǎn)生高頻交變磁場；次級線圈在初級線圈產(chǎn)生的高頻磁場中感應出感應電動勢，該感應電動勢通過高頻整流后向負載提供電能。由于負載(電池)的等效阻抗是變動的，所以在一定輸入電壓下系統(tǒng)難以輸出負載所需的恒定電流或電壓。為解決該問題，通常的方法有兩種：一、在電路系統(tǒng)中引入閉環(huán)負反饋控制，如在逆變器前加入控制器調(diào)節(jié)輸入電壓或者采用移相控制，或者在次級線圈整流后加入DC-DC變換器；其缺陷是，增加了控制成本和復雜性，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，并且系統(tǒng)會輸入較大的無功功率，增大逆變器容量要求。二、采用變頻控制，系統(tǒng)工作在兩個不同頻率點實現(xiàn)恒流和恒壓輸出，但是該方法會出現(xiàn)頻率分叉現(xiàn)象，造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種變次級結(jié)構(gòu)的感應式無線充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能輸出恒流也能輸出恒壓，適用于對電池進行充電，特別是單個電源下多負載的充電，如對多輛電動車同時充電；且沒有無功功率輸入，系統(tǒng)效率高。

本發(fā)明實現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的第一種技術(shù)方案是，一種變次級結(jié)構(gòu)的感應式無線充電系統(tǒng)，由發(fā)送部分和接收部分組成，發(fā)送部分包括依次連接的直流電源E、高頻逆變器H、初級補償電感L₁、初級線圈補償器P_A、初級線圈L_P1；且在初級補償電感L₁與初級線圈補償器P_A的連接點和高頻逆變器H與初級線圈L_P1的連接點之間連接有初級補償電容C_P；接收部分包括依次連接的次級線圈L_S1、次級線圈補償器S_A、次級補償電容C_S2和整流濾波電路(D)、電池負載Z。

所述的次級線圈補償器S_A與次級補償電容C_S2的連接點和次級線圈L_S1與整流濾波電路D的連接點之間連接有恒流恒壓切換電路一Q₁；所述的恒流恒壓切換電路一Q₁的組成是：次級恒流補償電容C_S1和切換開關(guān)S₁串聯(lián)，且切換開關(guān)一S₁的控制端與控制器一K₁相連；

所述的次級補償電容C_S2兩端并聯(lián)有恒流恒壓切換電路二Q₂；所述的恒流恒壓切換電路二Q₂的組成是：次級恒流補償電感L_CC和切換開關(guān)S₂串聯(lián)，且切換開關(guān)二S₂的控制端與控制器一K₁相連。

進一步：

所述的初級線圈補償器P_A的阻抗值由式(1)確定：

式中，j為虛數(shù)單位，ω為系統(tǒng)工作頻率，M為初級線圈L_P1和次級線圈L_S1之間的互感值，為直流電源E的輸出電壓值，U_B為設(shè)定的恒定充電電壓，為初級線圈L_P1的電感值；

所述的次級線圈補償器S_A的阻抗值由式(2)確定：

式中，π為圓周率，I_B為設(shè)定的恒定充電電流，為次級線圈L_S1的電感值。

所述的初級補償電感L₁的電感值由式(3)確定：

所述的初級補償電容C_P的電容值由式(4)確定：

所述的次級恒流補償電容C_S1的電容值由式(5)確定：

所述的次級補償電容C_S2的電容值由式(6)確定：

所述的次級恒流補償電感L_CC的電感值由式(7)確定：

本發(fā)明的第一種技術(shù)方案的使用方法是：

控制器一控制切換開關(guān)一閉合和切換開關(guān)二閉合，系統(tǒng)即工作于恒流模式，對負載輸出恒定電流，即向電池提供設(shè)定的恒定充電電流I_B；適合電池充電初期采用。

控制器一控制切換開關(guān)一斷開和切換開關(guān)二斷開，系統(tǒng)即工作于恒壓模式，對負載輸出恒定電壓，即向電池提供設(shè)定的恒定充電電壓U_B；適合電池充電后期、電池電壓達到充電設(shè)定電壓時采用。

本發(fā)明實現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的第二種技術(shù)方案是，一種變次級結(jié)構(gòu)的感應式無線充電系統(tǒng)，由發(fā)送部分和接收部分組成，發(fā)送部分包括依次連接的直流電源E、高頻逆變器H、初級補償電感L₁、初級線圈補償器P_A、初級線圈L_P1；且在初級補償電感L₁與初級線圈補償器P_A的連接點和高頻逆變器H與初級線圈L_P1的連接點之間連有初級補償電容C_P。接收部分包括依次連接的次級線圈L_S1、次級線圈補償器S_A、次級補償電感L₂和整流濾波電路D、電池負載Z。

所述的次級線圈補償器S_A與次級補償電容C_S2的連接點和次級線圈L_S1與整流濾波電路D的連接點之間連接有恒流恒壓切換電路三Q₃；所述的恒流恒壓切換電路三Q₃的組成是：次級恒流補償電容C_S1和切換開關(guān)S₁串聯(lián)，且切換開關(guān)三S₃的控制端與控制器二K₂相連。

所述的次級補償電感L₂和整流濾波電路D之間串接有恒流恒壓切換電路四Q₄；所述的恒流恒壓切換電路四Q₄的組成是：次級恒壓補償電容C_V2和切換開關(guān)四S₄并聯(lián)，且切換開關(guān)四S₄的控制端與控制器二K₂相連。

進一步：

所述的初級線圈補償器P_A的阻抗值由式(8)確定：

所述的次級線圈補償器S_A的阻抗值由式(9)確定：

所述的初級補償電感L₁的電感值由式(10)確定：

所述的初級補償電容C_P的電容值由式(11)確定：

所述的次級恒流補償電容C_S1的電容值由式(12)確定：

所述的次級補償電感L₂的電感值由式(13)確定：

所述的次級恒壓補償電容C_V2的電容值由式(14)確定：

本發(fā)明的第二種技術(shù)方案的使用方法是：

控制器二控制切換開關(guān)三閉合和切換開關(guān)四閉合，系統(tǒng)即工作于恒流模式，對負載輸出恒定電流，即向電池提供設(shè)定的恒定充電電流I_B；適合電池充電初期采用。

控制器二控制切換開關(guān)三斷開和切換開關(guān)四斷開，系統(tǒng)即工作于恒壓模式，對負載輸出恒定電壓，即向電池提供設(shè)定的恒定充電電壓U_B；適合電池充電后期、電池電壓達到充電設(shè)定電壓時采用。

本發(fā)明兩種方案中系統(tǒng)輸出恒定電壓和恒定電流的理論分析如下：

圖1所示為系統(tǒng)恒壓輸出時的等效電路，其中L_P為等效初級線圈，L_S為等效次級線圈，L₁為初級補償電感，C_P為初級補償電容，C_S2為次級補償電容，M為等效初級線圈與等效次級線圈間的互感值。

當L_S的電感值與C_S2的電容值滿足關(guān)系式(15)：

時，根據(jù)變壓器原理可以推得次級回路反射到初級回路的阻抗Z_1rV為：

其中R是整流濾波電路D的輸入交流電阻。當L₁的電感值L_P的電感值和C_P的電容值滿足關(guān)系式(17)：

時，根據(jù)基本電路知識可以計算得系統(tǒng)恒壓輸出時的輸入阻抗Z_inv為：

進一步，結(jié)合逆變器輸出電壓U_P與直流電源E的電壓值間的關(guān)系：

通過基本的電路知識可計算出整流濾波電路D的輸入電壓U_out為：

然后根據(jù)全橋整流的輸入電壓U_out與輸出電壓U_B之間的關(guān)系：

可計算得到系統(tǒng)輸出電壓U_B為：

設(shè)系統(tǒng)電壓增益G_V為系統(tǒng)輸出電壓U_B與直流電源E的電壓值的模值比，即：

由式(23)可知，若直流電源E的電壓值互感值M固定時，要獲得恒定的系統(tǒng)輸出電壓U_B，等效初級線圈L_P的電感值需滿足式(24)：

圖2所示為系統(tǒng)恒流輸出時的系統(tǒng)等效電路，其中L_P為等效初級線圈，L_S為等效次級線圈，L₁為初級補償電感，C_P為初級補償電容，C_S1為次級恒流補償電容，L₂為次級補償電感，M為等效初級線圈與等效次級線圈間的互感值。

當L_S的電感值L₂的電感值和C_S1的電容值滿足關(guān)系式(25)：

再根據(jù)變壓器原理可推導出次級回路反射到初級回路的阻抗Z_1rC:

進一步，當L₁的電感值L_P的電感值和C_P的電容值滿足關(guān)系式(17)和式(24)時，可推導得系統(tǒng)恒流輸出時的輸入阻抗Z_inc為：

再結(jié)合逆變器輸出電壓U_P與直流電源E的電壓值間的關(guān)系：

通過基本的電路知識可計算出整流濾波電路D的輸入電流I_out為：

再由全橋整流的輸入電流I_out與輸出電流I_B之間的關(guān)系：

可計算出系統(tǒng)輸出電流I_B為：

設(shè)系統(tǒng)電流增益G_C為系統(tǒng)輸出電流I_B與直流電源E的電壓值的模值比，即：

由此可知，當直流電源E的電壓值互感值M和系統(tǒng)工作角頻率ω固定，且系統(tǒng)設(shè)定的恒定輸出電壓為U_B時，要獲得恒定輸出電流I_B，等效次級線圈L_S需滿足式(33):

實際中的耦合機構(gòu)一般不能滿足用戶的參數(shù)設(shè)計要求，為了克服這一問題，為初級線圈和次級線圈分別串入初級線圈補償器P_A和次級線圈補償器P_S，以調(diào)節(jié)等效初級線圈L_P和等效次級線圈L_S的大小。假設(shè)實際系統(tǒng)中初級線圈的電感L_P1為則根據(jù)式(24)可以確定初級線圈補償器P_A的阻抗值需滿足式(34)：

假設(shè)實際系統(tǒng)中次級線圈的電感L_S1為則根據(jù)式(24)可以確定次級線圈補償器S_A的阻抗值需滿足式(35)：

進一步，根據(jù)式(15)和(33)，可計算出次級補償電感C_S2的電容值為：

根據(jù)式(25)和(33)可得出次級補償電感L₂的電感值為：

同理，根據(jù)式(25)和(33)可推得次級恒流補償電容C_S1的電容值為：

前文介紹了系統(tǒng)恒壓恒流輸出時的電路原理，下文將介紹通過次級變結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)系統(tǒng)恒壓恒流輸出間的轉(zhuǎn)換。

在第一種方案，

考慮圖3所示電路，當切換開關(guān)S₁和切換開關(guān)S₂打開時，圖3所示電路與圖1所示恒壓輸出電路等效，故可輸出恒定電壓；當切換開關(guān)S₁和切換開關(guān)S₂閉合時，圖3所示電路中的次級恒流補償電感L_CC與次級補償電容C_S2并聯(lián)等效為圖2所示電路中的次級補償電感L₂，此時系統(tǒng)電路與圖2所示的系統(tǒng)恒流輸出電路等效，故可實現(xiàn)系統(tǒng)的恒流輸出。由此可知，次級恒流補償電感L_CC的電感值需滿足式(39)：

將式(36)和(37)帶入式(39)計算得為：

綜上所述，當控制器一K₁控制切換開關(guān)S₁和切換開關(guān)S₂打開時，系統(tǒng)工作于恒壓輸出方式，而當控制器一K₁控制切換開關(guān)S₁和切換開關(guān)S₂閉合時，系統(tǒng)工作于恒流輸出方式。

在第二種方案，

考慮圖4所示電路，當切換開關(guān)S₁打開和切換開關(guān)S₂打開時，圖4所示電路中的次級恒壓補償電容C_V2與次級補償電感L₂串聯(lián)等效為圖1所示電路中的次級補償電容C_S2，此時系統(tǒng)電路與圖1所示的系統(tǒng)恒壓輸出電路等效，故可輸出恒定電壓；當切換開關(guān)S₁閉合和切換開關(guān)S₂閉合時，圖4所示電路與圖2所示的系統(tǒng)恒流輸出電路等效，故可實現(xiàn)系統(tǒng)的恒流輸出。由此可知，次級恒壓補償電容C_V22的電容值需滿足式(41)：

將式(36)和(37)帶入式(41)計算得為：

綜上所述，當控制器一K₁控制切換開關(guān)S₁打開和切換開關(guān)S₂打開時，系統(tǒng)工作于恒壓輸出方式，而當控制器一K₁控制切換開關(guān)S₁閉合和切換開關(guān)S₂閉合時，系統(tǒng)工作于恒流輸出方式。

此外，由式(18)和(27)給出的系統(tǒng)輸入阻抗可以得出：無論系統(tǒng)工作于恒流輸出方式還是恒壓輸出方式，系統(tǒng)的輸入阻抗均為純阻性，沒有無功功率流入系統(tǒng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

一、本發(fā)明提出的變次級結(jié)構(gòu)的恒流恒壓感應式無線充電系統(tǒng)，只需在次級設(shè)置兩個切換開關(guān)，便能改變次級的電路拓撲結(jié)構(gòu)，從而能在同一工作頻率下輸出與負載無關(guān)的恒定電流和恒定電壓，滿足電池初期恒流充電、后期恒壓充電的要求。系統(tǒng)工作在一個頻率點下，不會出現(xiàn)頻率分叉現(xiàn)象，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

二、本發(fā)明只需在次級回路加入兩個切換開關(guān)和一個電感或者電容組成的恒流恒壓切換電路，其電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低。工作時只需簡單的控制開關(guān)的切換，沒有復雜的控制策略，無需初級和次級通信；其控制簡單、方便，可靠。

三、該系統(tǒng)電路參數(shù)確定后，輸出的與負載無關(guān)的恒定電流和恒定電壓只與高頻逆變器輸出電壓有關(guān)，故可將多個該類系統(tǒng)的高頻逆變器后部電路并聯(lián)于同一個高頻逆變器上，實現(xiàn)同時對多個電池或充電設(shè)備充電，大大減少了多電池負載充電時的高頻逆變器數(shù)量，降低充電成本。

四、本發(fā)明的電路拓撲在系統(tǒng)恒壓和恒流輸出時，逆變器輸出電壓電流同相位，致使逆變器幾乎沒有注入無功功率，故而系統(tǒng)損耗較小，并且對逆變器的容量要求降低。

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步的說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明系統(tǒng)恒壓輸出時的系統(tǒng)等效電路圖。

圖2是本發(fā)明系統(tǒng)恒流輸出時的系統(tǒng)等效電路圖。

圖3是本發(fā)明實施例1的電路結(jié)構(gòu)圖。

圖4是本發(fā)明實施例2的電路結(jié)構(gòu)圖。

圖中標號說明：E為直流電源，H為高頻逆變器，D為整流濾波電路，Z為電池負載，Q₁為恒流恒壓切換電路一，Q₂為恒流恒壓切換電路二，Q₃為恒流恒壓切換電路三，Q₄為恒流恒壓切換電路四，S₁為切換開關(guān)一，S₂為切換開關(guān)二，S₃為切換開關(guān)三，S₄為切換開關(guān)四，K₁為控制器一，K₂為控制器二，U_P和I_P分別為高頻逆變器(H)的輸出電壓和輸出電流，U_B和I_B分別為電池的電壓和電流，R為整流濾波電路D的輸入電阻，L_P為等效初級線圈，L_S為等效次級線圈，L₁為初級補償電感，C_P為初級補償電容，L_P1為初級線圈，L_S1為次級線圈，C_S1位次級恒流補償電容，C_S2為次級補償電容，L_CC為次級恒流補償電感，L₂為次級補償電感，C_V2為次級恒壓補償電容。

具體實施方式

實施例1

圖3所示，本發(fā)明的第一種具體實施方式是，一種變次級結(jié)構(gòu)的感應式無線充電系統(tǒng)，由發(fā)送部分和接收部分組成，發(fā)送部分包括依次連接的直流電源E、高頻逆變器H、初級補償電感L₁、初級線圈補償器P_A、初級線圈L_P1；且在初級補償電感L₁與初級線圈補償器P_A的連接點和高頻逆變器H與初級線圈L_P1的連接點之間連接有初級補償電容C_P；接收部分包括依次連接的次級線圈L_S1、次級線圈補償器S_A、次級補償電容C_S2和整流濾波電路D、電池負載Z。

所述的次級線圈補償器S_A與次級補償電容C_S2的連接點和次級線圈L_S1與整流濾波電路D的連接點之間連接有恒流恒壓切換電路一Q₁；所述的恒流恒壓切換電路一Q₁的組成是：次級恒流補償電容C_S1和切換開關(guān)S₁串聯(lián)，且切換開關(guān)一S₁的控制端與控制器一K₁相連。

所述的次級補償電容C_S2兩端并聯(lián)有恒流恒壓切換電路二Q₂；所述的恒流恒壓切換電路二Q₂的組成是：次級恒流補償電感L_CC和切換開關(guān)S₂串聯(lián)，且切換開關(guān)二S₂的控制端與控制器一K₁相連。

本例中的系統(tǒng)參數(shù)采用如下方式確定：

所述的初級線圈補償器P_A的阻抗值由式(1)確定：

式中，j為虛數(shù)單位，ω為系統(tǒng)工作頻率，M為初級線圈L_P1和次級線圈L_S1之間的互感值，為直流電源E的輸出電壓值，U_B為設(shè)定的恒定充電電壓，為初級線圈L_P1的電感值；

所述的次級線圈補償器S_A的阻抗值由式(2)確定：

式中，π為圓周率，I_B為設(shè)定的恒定充電電流，為次級線圈L_S1的電感值。

所述的初級補償電感L₁的電感值由式(3)確定：

所述的初級補償電容C_P的電容值由式(4)確定：

所述的次級恒流補償電容C_S1的電容值由式(5)確定：

所述的次級補償電容C_S2的電容值由式(6)確定：

所述的次級恒流補償電感L_CC的電感值由式(7)確定：

實施例2

圖4所示是本發(fā)明的第二種具體實施方式，一種變次級結(jié)構(gòu)的感應式無線充電系統(tǒng)，由發(fā)送部分和接收部分組成，發(fā)送部分包括依次連接的直流電源E、高頻逆變器H、初級補償電感L₁、初級線圈補償器P_A、初級線圈L_P1；且在初級補償電感L₁與初級線圈補償器P_A的連接點和高頻逆變器H與初級線圈L_P1的連接點之間連有初級補償電容C_P。接收部分包括依次連接的次級線圈L_S1、次級線圈補償器S_A、次級補償電感L₂和整流濾波電路D、電池負載Z。

所述的次級線圈補償器S_A與次級補償電容C_S2的連接點和次級線圈L_S1與整流濾波電路D的連接點之間連接有恒流恒壓切換電路三Q₃；所述的恒流恒壓切換電路三Q₃的組成是：次級恒流補償電容C_S1和切換開關(guān)S₁串聯(lián)，且切換開關(guān)三S₃的控制端與控制器二K₂相連；

所述的次級補償電感L₂和整流濾波電路D之間串接有恒流恒壓切換電路四Q₄；所述的恒流恒壓切換電路四Q₄的組成是：次級恒壓補償電容C_V2和切換開關(guān)四S₄并聯(lián)，且切換開關(guān)四S₄的控制端與控制器二K₂相連。

本例中的系統(tǒng)參數(shù)采用如下方式確定：

所述的初級線圈補償器P_A的阻抗值由式(8)確定：

所述的次級線圈補償器S_A的阻抗值由式(9)確定：

所述的初級補償電感L₁的電感值由式(10)確定：

所述的初級補償電容C_P的電容值由式(11)確定：

所述的次級恒流補償電容C_S1的電容值由式(12)確定：

所述的次級補償電感L₂的電感值由式(13)確定：

所述的次級恒壓補償電容C_V2的電容值由式(14)確定：