基于变初级参数的恒流恒压感应式无线充电系统的制作方法

本发明涉及一种基于变初级参数的恒流恒压感应式无线充电系统。
背景技术：
：感应式无线电能传输技术通过磁场以非接触的方式向用电器进行灵活、安全、可靠供电，避免了传统拔插式电能传输系统存在的接触火花、漏电等安全问题。该技术已经广泛运用于内置式医疗装置、消费电子产品、照明和电动汽车等领域。其中，运用感应式无线电能传输系统对电池进行无线充电的发展前途巨大。为了实现电池安全充电，延长电池的使用寿命和充放电次数，通常主要包括恒流和恒压两个充电阶段。即在充电初期采用恒流模式，电池电压迅速增加；当电池电压达到充电设定电压时，采用恒压模式充电，充电电流逐渐减小直至达到充电截止电流，充电完成。也即对电池进行充电的感应式无线充电系统应能提供恒定的电流和电压。现有的无线充电系统的主要构成及工作过程为：工频交流电经过整流成为直流，经过逆变器后直流电逆变成高频交流电，高频交变电流注入初级线圈，产生高频交变磁场；次级线圈在初级线圈产生的高频磁场中感应出感应电动势，该感应电动势通过高频整流后向负载提供电能。由于负载(电池)的等效阻抗是变动的，所以在一定输入电压下系统难以输出负载所需的恒定电流或电压。为解决该问题，通常的方法有两种：一、在电路系统中引入闭环负反馈控制，如在逆变器前加入控制器调节输入电压或者采用移相控制，或者在次级线圈整流后加入DC-DC变换器；其缺陷是，增加了控制成本和复杂性，降低系统稳定性。二、采用变频控制，系统工作在两个不同频率点实现恒流和恒压输出，但是该方法会出现频率分叉现象，造成系统工作不稳定。技术实现要素：本发明的目的是使感应式无线充电系统既能输出恒流也能输出恒压，适用于对电池进行充电，特别是单个电源下多负载的充电，如对多辆电动车同时充电；且其控制方便、系统工作稳定，结构简单、制造成本低。本发明实现其发明目的所采用的第一种技术方案是，一种基于变初级参数的恒流恒压感应式无线充电系统，由发送部分和接收部分组成，接收部分包括依次连接的次级线圈、次级补偿电容、整流滤波电路、电池负载；发送部分包括依次连接的直流电源、高频逆变器、恒流恒压切换电路一和初级线圈；其特征在于，所述的高频逆变器和初级线圈之间还串接有恒流恒压切换电路一，所述的恒流恒压切换电路一的组成是：高频逆变器和初级线圈之间依次串入初级恒流电容和初级附加串联电容，且在初级附加串联电容上并联切换开关一；且切换开关一的控制端与控制器一相连。进一步，所述的初级恒流电容的电容值由式(1)确定：C‾PC=π2IBL‾Sω[π2ωIB(M2-LP‾LS‾)+8E‾M]---(1)]]>所述的初级附加串联电容的电容值由式(2)确定：C‾PS=IBVBπ28ωE‾2---(2)]]>所述的次级补偿电容的电容值由式(3)确定：C‾S=8E‾+π2MωIB8E‾ω2L‾S---(3)]]>所述次级补偿电感的电感值由式(4)确定：L‾L=8MVB-8E‾LS‾π2MωIB---(4)]]>式(1)、(2)、(3)和(4)中，为直流电源(E)的输出电压值，ω为系统工作角频率，IB为设定充电电流，VB为设定充电电压，分别为初级线圈和次级线圈的电感值。本发明的第一种技术方案的使用方法是：控制器一控制切换开关一闭合，系统即工作于恒流模式，对负载输出恒定电流，即向电池提供设定的恒定充电电流IB；适合电池充电初期采用。控制器一控制切换开关一断开，感应式无线充电系统工作于恒压模式，系统工作于恒压模式，对负载输出恒定电压，即向电池提供设定的恒定充电电压VB；适合电池充电后期、电池电压达到充电设定电压时采用。本发明实现其发明目的所采用的第二种技术方案是，一种基于变初级参数的恒流恒压感应式无线充电系统，由发送部分和接收部分组成，接收部分包括依次连接的次级线圈、次级补偿电容、整流滤波电路、电池负载；发送部分包括依次连接的直流电源、高频逆变器/恒流恒压切换电路二和初级线圈；其特征在于，所述的高频逆变器和初级线圈之间还串接有恒流恒压切换电路二，所述的恒流恒压切换电路二的组成是：所述的高频逆变器和初级线圈之间串接初级恒压电容；初级附加并联电容和切换开关二串联后再并联于初级恒压电容上，；且切换开关二的控制端与控制器二相连。进一步，所述的初级恒压电容的电容值由式(5)确定：C‾PV=π2VBIBL‾Sω[8LS‾E‾2-8VBE‾M+π2ωVBIB(LP‾LS‾-M)]---(5)]]>所述的附加并联电容的电容值由式(6)确定：C‾PP=8π2E‾2IBL‾S2ω[π2ωIB(M2-LP‾L‾S)+8E‾M][8LS‾E‾2-8VBE‾M+π2ωVBIB(LP‾LS‾-M2)]---(6)]]>所述的次级补偿电容的电容值由式(7)确定：C‾S=8E‾+π2MωIB8E‾ω2L‾S---(7)]]>所述次级补偿电感的电感值由式(8)确定：L‾L=8MVB-8E‾LS‾π2MωIB---(8)]]>式(5)、(6)、(7)和(8)中，为直流电源(E)的输出电压值，ω为系统工作角频率，IB为设定充电电流，VB为设定充电电压，分别为初级线圈和次级线圈的电感值。控制器二控制切换开关二闭合，系统即工作于恒流模式，对负载输出恒定电流，即向电池提供设定的恒定充电电流IB；适合电池充电初期采用。控制器二控制切换开关二断开，感应式无线充电系统工作于恒压模式，系统工作于恒压模式，对负载输出恒定电压，即向电池提供设定的恒定充电电压VB；适合电池充电后期、电池电压达到充电设定电压时采用。本发明两种方案中系统输出恒定电流和恒定电压的理论分析和电路原理是：图3、图4为本发明电路拓扑的系统等效电路。根据图4的T型等效电路，图可知，L‾P′=L‾P-ML‾S′=L‾S-M---(9)]]>设系统工作角频率为ω，为了简化分析，将电容值为的初级补偿电容CP和电感值为的电感L'P等效为一个电感LPe，其电感值为满足如下关系：L‾Pe=L‾P′-1C‾Pω2---(10)]]>根据基尔霍夫电压和电流定律可以推导得出系统输入电压电流和输出电压电流的关系如下：U·LI·L=a11a12a21a22U·PI·P---(11)]]>其中，a12＝a22＝0，即表明系统输出电压和电流均与输入电流无关，a11=MRL1(B-AC‾Sω2)RL1+j[(A+BL‾L)ω-AC‾SL‾Lω3]RL0]]>a21=M(B-AC‾Sω2)RL1+j[(A+BL‾L)ω-AC‾SL‾Lω3]RL0]]>A=ML‾Pe+ML‾S′+L‾PeL‾S′B=M+L‾Pe]]>设流经等效电阻的电流与系统输入电压的比值为Gi，由式(11)可得系统电流增益Gi：Gi=I·LU·P=a21---(12)]]>为了使Gi不随负载变化而变化，应令a21分母中的的系数为零，即：B-AC‾Sω2=0---(13)]]>将A，B代入式(13)，得：M+L‾pe-Mω2CS‾L‾pe-Mω2CS‾LS′‾-ω2CS‾L‾peLS′‾=0---(14)]]>从而得出恒流输出模式下的初级总补偿电容的电容值CP，另记作为：C‾PCT=ω2CS‾LS‾-1ω2(CS‾M2ω2-CS‾LP‾LS‾ω2+LP‾)---(15)]]>将式(15)代入式(12)，取模值得到系统的电流增益：|Gi|=ω2C‾S(M+LS`)-1Mω---(16)]]>同理，仍设系统输出电压与输入电压的比值为Gv，由式(11)可得系统电压增益Gv：Gv=U·LU·P=a11---(17)]]>要使得等效电阻RL的端电压与负载无关，需要满足a11分母中的的系数为零，即：j[(A+BL‾L)ω-ACSL‾Lω3]=0---(18)]]>将式A，B代入式(17)，得：M(LL‾+L‾Pe+LS′‾)+L‾Pe(LL‾+LS′‾)-ω2CSLL‾(M(L‾Pe+LS′‾)+L‾PeLS′‾)=0---(19)]]>从而得出恒压输出模式下的初级总补偿电容CP的电容值C‾PCT=VB(ω2CS‾LS‾-1)ω2(E‾M-VBCS‾M2ω2+VBCS‾LP‾LS‾ω2-VBLP‾)---(20)]]>将式(20)代入式(17)，取模值得到系统的电压增益：|Gv|=M+LL‾+LS′‾-ω2C‾SLL‾(M+LS′‾)M---(21)]]>逆变器的输出电压基波有效值和其输入直流电压的关系为：UP=22πE‾---(22)]]>整流滤波电路的输入电压UL、电流IL的基波有效值和输出电压VB、电流IB的关系为：UL=22VBπIL=π2IB4---(23)]]>将式(9)、(10)、(22)和(23)代入式(17)，求出次级补偿电容的电容值C‾S=8E‾+π2MωIB8E‾ω2L‾S---(24)]]>将式(9)、(10)、(22)、(23)和(24)代入式(17)，算出次级补偿电感LL的电感值L‾L=8MVB-8E‾LS‾π2MωIB---(25)]]>将式(9)、(10)和(24)代入式(15)，得出恒流输出模式下的初级总补偿电容的电容值C‾PCT=π2IBL‾Sω(π2ωIBM2+8E‾M-π2ωIBLP‾LS‾)---(26)]]>将式(9)、(10)、(24)和(25)代入式(20)，得出恒压输出模式下的初级总补偿电容CP的电容值C‾PVT=π2VBIBL‾Sω(8LS‾E‾2-8VBE‾M-π2ωVBIBM+π2ωVBIBLP‾LS‾)---(27)]]>由于恒流模式下所需的初级总补偿电容值和恒压模式下所需的初级总补偿电容值的大小不同，所以需要在初级电路增加一个附加电容和切换开关来改变电容值，从而实现恒流和恒压模式的切换，而附加电容可以通过并联和串联两种方式接入电路。如图1所示的第一种方案，初级恒流电容CPC的取值等于在开关一闭合时，初级附加串联电容CPS被短路，恒流恒压切换电路一的总电容值则等于恒流模式下的初级总补偿电容CP值而故此方案下开关一闭合时，系统工作于恒流输出模式；在开关一断开时，初级恒流补偿电容CPC和初级附加串联电容CPS串联，其总电容值由式(28)决定1C‾P1=1C‾PC+1C‾PS---(28)]]>取合适的次级附加串联电容CPS使的取值等于则此时恒流恒压切换电路一的总电容值则等于恒压模式下的初级总补偿电容值故此方案下开关一断开时系统工作于恒压输出模式，进一步，将式(26)和(27)代入式(28)可求得初级附加串联电容CPS的电容值为：C‾PS=(8E‾+ωMIBπ2)[8E‾VB+(MVB+E‾L‾S)ωIBπ2]8IB(πE‾L‾S)2ω3---(29)]]>综上，当控制器一控制开关一闭合时，系统工作在恒流充电模式；当控制器一控制开关一断开时，系统工作在恒压充电模式。如图2所示的第二种方案，初级恒压电容CPV的取值等于在开关二断开时，初级附加并联电容CPP被开路，恒流恒压切换电路二的总电容值则等于恒压模式下的初级总补偿电容CP的电容值而故此方案下开关二断开时，系统工作于恒压输出模式；在开关二闭合时，初级恒压电容CPV和初级附加并联电容CPP并联，其总电容值由式(30)决定C‾P2=C‾PV+C‾PP---(30)]]>取合适的初级附加并联电容CPP使的取值等于则此时恒流恒压切换电路二的总电容值则等于恒流模式下的初级总补偿电容值故此方案下开关二闭合时系统工作于恒压输出模式，进一步，将式(26)和(27)代入式(30)可求得初级附加并联电容CPP的电容值为：C‾PP=IBπ28ωVB---(31)]]>综上，当控制器二控制开关二闭合时，系统工作在恒流充电模式；当控制器二控制开关二断开时，系统工作在恒压充电模式。与现有技术相比，本发明的有益效果是：一、本发明提出的基于变初级参数的恒流恒压感应式无线充电系统，在恒流恒压切换电路中两个由系统参数值确定的特定电容值的电容、在开关的切换下，能分别得到恒流充电模式下所需的总补偿电容值和恒压充电模式下所需的总补偿电容值；从而能在同一工作频率下输出与负载无关的恒定电流和恒定电压，满足电池初期恒流充电、后期恒压充电的要求。系统工作在一个频率点下，不会出现频率分叉现象，系统工作稳定。二、本发明只需在初级电路加入两个电容和一个开关组成的恒流恒压切换电路，其电路结构简单，成本低。工作时只需简单的控制开关的切换，没有复杂的控制策略；其控制简单、方便，可靠。三、该系统电路参数确定后，输出的与负载无关的恒定电流和恒定电压只与高频逆变器输出电压有关，故可将该系统高频逆变器后的电路并联于同一个高频逆变器上，实现同时对多个电池或充电设备充电，大大减少了多电池负载充电时的高频逆变器数量，降低充电成本。下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。附图说明图1是本发明实施例1的电路结构示意图；图2是本发明实施例2的电路结构示意图；图3是本发明的等效电路图。图4是本发明的T型等效电路图。具体实施方式实施例1图1示出，本发明的第一种具体实施方式是，一种基于变初级参数的恒流恒压感应式无线充电系统，由发送部分和接收部分组成，接收部分包括依次连接的次级线圈、次级补偿电容、整流滤波电路D、电池负载Z；发送部分包括依次连接的直流电源E、高频逆变器H、恒流恒压切换电路一和初级线圈；其特征在于，所述的高频逆变器H和初级线圈之间还串接有恒流恒压切换电路一，所述的恒流恒压切换电路一的组成是：高频逆变器H和初级线圈之间依次串入初级恒流电容CPC和初级附加串联电容CPS，且在初级附加串联电容CPS上并联切换开关一；且切换开关一的控制端与控制器一相连。本例中：所述的初级恒流电容CPC的电容值由式(1)确定：C‾PC=π2IBL‾Sω[π2ωIB(M2-LP‾LS‾)+8E‾M]---(1)]]>所述的初级附加串联电容CPS的电容值由式(2)确定：C‾PS=IBVBπ28ωE‾2---(2)]]>所述的次级补偿电容CS的电容值由式(3)确定：C‾S=8E‾+π2MωIB8E‾ω2L‾S---(3)]]>所述次级补偿电感LL的电感值由式(4)确定：(4)L‾L=8MVB-8E‾LS‾π2MωIB]]>式(1)、(2)、(3)和(4)中，为直流电源E的输出电压值，ω为系统工作角频率，IB为设定充电电流，VB为设定充电电压，分别为初级线圈LP和次级线圈LS的电感值。实施例2图2示出，本发明的第二种具体实施方式是，一种基于变初级参数的恒流恒压感应式无线充电系统，由发送部分和接收部分组成，接收部分包括依次连接的次级线圈、次级补偿电容、整流滤波电路D、电池负载Z；发送部分包括依次连接的直流电源E、高频逆变器H/恒流恒压切换电路二和初级线圈；其特征在于，所述的高频逆变器H和初级线圈之间还串接有恒流恒压切换电路二，所述的恒流恒压切换电路二的组成是：所述的高频逆变器H和初级线圈之间串接初级恒压电容CPV；初级附加并联电容CPP和切换开关二串联后再并联于初级恒压电容CPV上，；且切换开关二的控制端与控制器二相连。本例中：所述的初级恒压电容CPV的电容值由式(5)确定：C‾PV=π2VBIBL‾Sω[8LS‾E‾2-8VBE‾M+π2ωVBIB(LP‾LS‾-M)]---(5)]]>所述的附加并联电容CPP的电容值由式(6)确定：C‾PP=8π2E‾2IBL‾S2ω[π2ωIB(M2-LP‾L‾S)+8E‾M][8LS‾E‾2-8VBE‾M+π2ωVBIB(LP‾LS‾-M2)]---(6)]]>所述的次级补偿电容CS的电容值由式(7)确定：C‾S=8E‾+π2MωIB8E‾ω2L‾S---(7)]]>所述次级补偿电感LL的电感值由式(8)确定：L‾L=8MVB-8E‾LS‾π2MωIB---(8)]]>式(5)、(6)、(7)和(8)中，为直流电源E的输出电压值，ω为系统工作角频率，IB为设定充电电流，VB为设定充电电压，分别为初级线圈LP和次级线圈LS的电感值。当前第1页1 2 3