恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统，适用于电动汽车和手机等电 池无线充电场合。
【背景技术】
[0002] 感应式无线电能传输技术W交变的电磁场为媒介，将能量传输到负载。由于无直 接的电气接触，因而能够避免电火花，不受环境的影响，可W在恶劣的环境下工作。目前，感 应式无线电能传输技术在消费电子、照明、电动汽车等领域获得到了广泛的应用。其中，给 电池无线充电是一项十分重要的应用。
[0003] 电池充电有4个充电阶段，其中恒流阶段和恒压阶段是其主要阶段，因此，电池的 无线充电装置需能够提供恒流-恒压特性的输出。松禪合变压器是感应式无线电能传输的 核屯、器件，由于较大气隙的存在，漏感较大，因此需要电容来进行无功补偿。通常有4种基 本的补偿方式：串串（SS)、串并（S巧、并串（P巧、并并（P巧。补偿后的系统输出特性较为复 杂，与变压器的参数、补偿网络、频率和负载均有关。为了能够输出所需要的电压和电流，通 常有两种控制方式；定频占空比控制和变频控制。定频占空比控制能够有效补偿无功，输出 通过改变占空比来调节。但是，电池在充电过程中，等效电阻变化较大，较大的占空比变化 难W保证开关器件的软开关狂ero-voltageSwitching,ZV巧。变频控制通过改变频率来调 节输出，但是无功功率无法被全部补偿，此外，变频控制也会造成系统不稳定。
[0004] 单个控制及单个拓扑结构无法满足设计要求，因此可采用多级控制或多个拓扑组 合的方式来满足设计要求。例如，可采用变换器级联和两级控制方式，通过变频控制来实现 输入电压和电流零相位差狂ero-phaseAngle，ZPA)，输出的电压和电流则通过后级变换器 和控制来调节。但是，该方式会降低系统的效率，成本较高，结构和控制系统复杂。采用多 个拓扑组合的方式，例如通过SS和SP补偿结构的组合来实现恒流-恒压输出，同时满足 ZPA。但SS实现恒流特性的原边电容和SP实现恒压的原边电容不同，因此在拓扑结构切换 时，原边需要在不同电容值之间切换，副边需要在串联和并联结构之间进行切换，切换的开 关数目较多，结构相对复杂。
【发明内容】
[000引发明目的；为了解决上述问题，本发明提出两组恒流-恒压复合拓扑的感应式充 电系统；SS/PS和SP/PP复合拓扑结构，W解决单个控制及单个拓扑无法满足设计要求，变 换器级联和多级控制方式效率低且成本高，多个拓扑组合的方式切换开关多结构复杂的技 术问题。
[0006] 技术方案：
[0007]SS/PS结构的恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统，包括；依次连接的高频逆变 电路、恒流-恒压模式切换网络、原边补偿电路、松禪合变压器、副边补偿电路、整流滤波电 路，其中，
[000引所述恒流-恒压模式切换网络包括：第一开关、第二开关、第=开关，所述原边补 偿电路包括；附加电感、原边补偿电容，副边补偿电路为副边补偿电容，
[0009] 所述高频逆变电路输入端接有直流电压源，第一开关一端、第二开关一端均与高 频逆变电路的一个桥臂中点连接，第一开关另一端、第=开关一端均与原边补偿电容一极 连接，第二开关另一端与附加电感一端连接，原边补偿电容另一极、附加电感另一端均与松 禪合变压器原边绕组一端连接，第=开关另一端、松禪合变压器原边绕组另一端均与高频 逆变电路的另一个桥臂中点连接，副边补偿电容一极接松禪合变压器副边绕组一端，副边 补偿电容另一极接整流滤波电路一桥臂中点，松禪合变压器副边绕组另一端接整流滤波电 路另一桥臂中点。
[0010] 原边补偿电容Cp与松禪合变压器的原边电感Lp谐振，副边补偿电容Cs与副 边电感Ls谐振，附加电感的电感值Lx与原边电感的电感值Lp相同，系统工作频率《 :
【主权项】
1. 恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统，包括：依次连接的高频逆变电路（I)、恒 流-恒压模式切换网络（2)、原边补偿电路（3)、松耦合变压器（4)、副边补偿电路（5)、整流 滤波电路（6)，其中， 所述恒流-恒压模式切换网络（2)包括：第一开关、第二开关、第三开关，所述原边补偿 电路包括：附加电感、原边补偿电容，副边补偿电路为副边补偿电容， 所述的高频逆变电路（1)输入端接有直流电压源，第一开关一端、第二开关一端均与 高频逆变电路（1)的一个桥臂中点连接，第一开关另一端、第三开关一端均与原边补偿电 容一极连接，第二开关另一端与附加电感一端连接，原边补偿电容另一极、附加电感另一端 均与松耦合变压器（4)原边绕组一端连接，第三开关另一端、松耦合变压器（4)原边绕组 另一端均与高频逆变电路（1)的另一个桥臂中点连接，副边补偿电容一极接松耦合变压器 (4)副边绕组一端，副边补偿电容另一极接整流滤波电路（6) -桥臂中点，松耦合变压器 (4)副边绕组另一端接整流滤波电路（6)另一桥臂中点， 附加电感的电感值Lx与原边补偿电感的电感值L p相同，感应式充电系统工作频率ω :
LP、1^分别为松耦合变压器原边绕组、副边绕组的电感值，C Ρ、(；分 别为原边补偿电容、副边补偿电容的电容值。
2. 恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统，包括：依次连接的高频逆变电路（1)、恒 流-恒压模式切换网络（2)、原边补偿电路（3)、松耦合变压器（4)、副边补偿电路（5)、整流 滤波电路（6)，其中， 所述恒流-恒压模式切换网络（2)包括：第一开关、第二开关、第三开关，所述原边补偿 电路包括：附加电感、原边补偿电容，副边补偿电路为副边补偿电容， 所述的高频逆变电路（1)输入端接有直流电压源，第一开关一端、第二开关一端均与 高频逆变电路（1)的一个桥臂中点连接，第一开关另一端、第三开关一端均与原边补偿电 容一极连接，第二开关另一端与附加电感一端连接，原边补偿电容另一极、附加电感另一端 均与松耦合变压器（4)原边绕组一端连接，第三开关另一端、松耦合变压器（4)原边绕组 另一端均与高频逆变电路（1)的另一个桥臂中点连接，副边补偿电容并接在松耦合变压器 (4)副边绕组两端之间，松耦合变压器（4)副边绕组一端接整流滤波电路（6) -桥臂中点， 松耦合变压器（4)副边绕组另一端接整流滤波电路（6)另一桥臂中点， 附加电感的电感值LX:LX= L p-M2/Ls，感应式充电系统工作频率ω :
,LP、1^分别为松耦合变压器原边绕组、副边绕组的电感 值，CP、Cs分别为原边补偿电容、副边补偿电容的电容值，M为松耦合变压器原副边绕组的互 感值。
3. 根据权利要求1所述的恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统，其特征在于，系统在 恒流工作模式下的输入阻抗Zin为：
，系统在恒压工作模式下的输入阻抗Zin为：
R为负载等效电阻，M为松耦合变压器原副边绕组的互感值。无论在恒流 模式还是恒压模式，其输入阻抗均为纯阻性，避免无功功率。
4.根据权利要求2所述的恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统，其特征在于，系统在 恒压工作模式下的输入阻抗Zin为：
系统在恒流工作模式下的输入阻抗Zin为：
，尺为负载等效电阻。无论在恒流模式还是恒压模式，其输入阻抗均为 纯阻性，避免无功功率。
【专利摘要】本发明涉及基于恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统，满足电池先恒流后恒压的充电特性，适应于电动汽车和手机等无线充电场合。本发明提出的两组复合拓扑结构：包括高频逆变电路、恒流-恒压模式切换网络、原边补偿电容、附加电感、松耦合变压器、副边补偿电容、整流滤波电路。在整个充电过程中，通过简单控制模式切换开关，不需要改变工作频率，可直接提供电池充电所需的恒流和恒压，避免使用额外的后级变换器，且输出特性与负载无关，输入阻抗在整个恒流-恒压充电过程中均为纯阻性，因此该拓扑可采用简单的定频占空比控制，保证高频逆变开关的零电压开关，提高变换器效率，同时避免无功功率，减少器件应力，进一步提高效率。
【IPC分类】H02J7-02, H02M3-335
【公开号】CN104753152
【申请号】CN201510169385
【发明人】曲小慧, 韩洪豆, 黄少聪, 谢智刚
【申请人】东南大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年4月10日