一种可共享充电桩的感应式无线充电系统的制作方法

文档序号：12889507阅读：303来源：国知局

本发明涉及一种可共享充电桩的感应式无线充电系统。

背景技术：

感应式无线电能传输技术是一种利用磁场等软介质实现非接触电能传输的新型供电技术，其以供电灵活、安全、稳定性高及环境亲和力强等优点广泛运用于医疗、消费电子产品、水下供电、电动车充电和轨道交通等领域。其中，运用感应式无线电能传输技术对电池进行无线充电，避免了传统插拔系统存在的接触火花和插头老化等弊端，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。

当前市场上存在着多种规格的充电电池，其充电电流和电压的要求也往往不尽相同，因此，常常只能使用唯一匹配的充电桩为其进行一对一感应式无线充电，充电桩使用率很低，十分不方便，成本也较高。

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，输入无功几乎为零；仅通过改变次级参数即可配置输出不同需求的电压和电流，使得需要不同充电电流和电压的电池共享充电桩，提高充电桩的利用率。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种可共享充电桩的感应式无线充电系统，由发送部分和接收部分组成，高频逆变器h的输入端连接直流电源e，高频逆变器h的输出端串联初级补偿电容cp后接入初级线圈lp构成所述发送部分；所述接收部分的构成为：次级线圈ls、次级补偿器一pe1、次级补偿器二pe2、次级补偿电容二cs3和整流滤波电路d依次连接；所述的次级补偿器一pe1及次级补偿器二pe2由电感或电容构成；次级补偿电容一cs1连接于次级补偿器一pe1与次级补偿器二pe2连接点和次级线圈ls与整流滤波电路d连接点之间；整流滤波电路d输出端连接电池负载z。所述的次级补偿器二pe2与次级补偿电容二cs3连接点和次级补偿电容一cs1与整流滤波电路d连接点之间连接有恒流恒压切换电路一q1、所述的次级补偿电容二cs3两端并联有恒流恒压切换电路二q2。

所述的恒流恒压切换电路一q1的组成是：次级恒流补偿电感ls3和切换开关一s1串联，且切换开关一s1的控制端与控制器一k1相连。

所述的恒流恒压切换电路二q2的组成是：次级恒压补偿电感ll和切换开关二s2串联，且切换开关二s2的控制端与控制器一k1相连。

进一步的，所述的次级补偿器一pe1及次级补偿器二pe2由电感或电容构成。次级补偿器一pe1及次级补偿器二pe2由电感或电容构成，共有四种情况：pe1电感-pe2电感，pe1电感-pe2电容，pe1电容-pe2电感，pe1电容-pe2电容。

进一步的，所述的初级补偿电容cp的电容值由式(1)确定：

其中ω为系统工作角频率。

所述的次级补偿电容一cs1的电容值由式(2)确定：

其中为直流电源e的输出电压值，m为初级线圈lp与次级线圈ls的互感值，vb为设定充电电压。

所述的次级补偿电容二cs3的电容值由式(3)确定：

其中ib为设定充电电流。

所述的次级恒流补偿电感ls3的电感值由式(4)确定：

所述的次级恒压补偿电感ll的电感值由式(5)确定：

所述的次级补偿器一pe1由下式确定：如果次级补偿器一pe1的阻抗呈感性，则由次级线圈补偿电感le1构成，其值由式(6)确定：

如果次级补偿器一pe1的阻抗呈容性，则由次级线圈补偿电容ce1构成，其值由式(7)确定：

所述的次级补偿器二pe2由下式确定：如果次级补偿器二pe2的阻抗呈感性，则由次级线圈补偿电感le2构成，其值由式(8)确定：

如果次级补偿器一pe2的阻抗呈容性，则由次级线圈补偿电容ce2构成，其值由式(9)确定：

本发明的技术方案的使用方法是：

控制器一控制切换开关一闭合和切换开关二断开，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和切换开关二闭合，系统即工作于恒压模式，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。

本发明方案中系统输出恒定电流和恒定电压的理论分析如下：

考虑如图1所示电路，其中初级线圈为lp，次级线圈为ls。其t型等效电路如图2所示，其中励磁电感l＝m，初级、次级漏感分别为：lp-m,ls-m，若cp满足cs满足即

时，系统输入阻抗为：

进一步可计算出输出电流为：

可以得出在图1这样的结构下，系统输入阻抗为纯阻性，且系统的输出电流与负载的大小无关，即在负载变动的工况下，系统可以保持恒流输出，适用于电池充电的前期。

同样的，考虑图3所示的结构，若ls1和ls2分别满足关系：

则系统输入阻抗为：

进一步可以计算出输出电压为：

可以得出在图3这样的结构下，系统输入阻抗为纯阻性，且系统的输出电压与负载的大小无关，即在负载变动的工况下，系统可以保持恒压输出，适用于电池充电的后期。

同样的，考虑图4所示的结构，若cs2和cs3分别满足关系：

则系统输入阻抗为：

进一步可计算出输出电流为：

可以得出在图4这样的结构下，系统输入阻抗为纯阻性，且系统的输出电流与负载的大小无关，即在负载变动的工况下，系统可以保持恒流输出，适用于电池充电的前期。

若图1中的电压源由直流电源e及高频逆变器代替，高频逆变器输入电压与输出电压vi之间的关系为：

图3中的电流源由图1中的系统输出电流代替，图4中的电压源由图3中的系统输出电压代替，图4中的负载由电池负载及整流桥代替，整流桥的输入电压vo与输出电压vb之间的关系为：

整流桥的输入电流io与输出电流ib之间的关系为：

则可以组合成图5所示的结构，基于前文所做的分析，显然在这样的结构下系统输入阻抗为纯阻性，且可以实现电压源输入，系统恒流输出的功能，联合式(12)、(15)、(18)、(19)、(21)可求得其输出电流为：

适用于电池充电的前期。为了减少元件以节约成本，将图5所示的结构中cs与ls1组合成一个元器件次级补偿器一pe1、ls2与cs2组合成一个元器件次级补偿器二pe2，得到图6所示的结构。

前文介绍了系统恒流输出的电路实现原理，下文将介绍在图6所示的结构的基础上通过次级变结构来实现系统恒压恒流输出间的转换，以满足整个充电过程中对系统输出电压电流的要求。

方案如图7所示，在充电前期，为获得系统电流恒流输出，控制器一k1闭合切换开关一s1、断开切换开关二s2，此时系统结构变为图6所示的结构。

在充电后期，为获得系统电压恒压输出，控制器一k1断开切换开关一s1、闭合切换开关二s2，在此结构下当并联于cs3两端的次级恒压补偿电感ll的阻抗值满足

时，基于前文所做的分析,显然在这样的结构下系统输入阻抗为纯阻性，且可以实现电压源输入，系统恒压输出的功能，联合式(12)、(15)、(19)、(20)可求得其输出电压为：

则在用户要求的负载恒压电压vb、输入直流电压初级线圈lp次级线圈ls的电感值初次级间的互感m和系统工作频率f一定的条件下，由式(24)可知次级补偿电容一cs1的电容值需满足条件：

由式(10)可知初级补偿电容cp的电容值需满足条件：

由式(10)可知构成次级补偿器一pe1的cs的电容值需满足条件：

由式(13)、(25)可知构成次级补偿器一pe1的ls1的电感值需满足条件：

由式(27)、(28)可确定次级补偿器一pe1：如果次级补偿器一pe1的阻抗呈感性，则由次级线圈补偿电感le1构成，其值由式(29)确定：

如果次级补偿器一pe1的阻抗呈容性，则由次级线圈补偿电容ce1构成，其值由式(30)确定：

由式(13)可知构成次级补偿器二pe2的ls2的电感值需满足条件：

为确定图7系统中其它元件的参数，控制器一k1闭合切换开关一s1、断开切换开关二s2，使系统电流恒流输出。

由式(22)、(25)可知次级恒流补偿电感ls3的电感值需满足条件：

由式(16)、(32)可知构成次级补偿器二pe2的cs2的电容值需满足条件：

由式(31)、(33)可确定次级补偿器二pe2：如果次级补偿器二pe2的阻抗呈感性，则由次级线圈补偿电感le2构成，其值由式(34)确定：

如果次级补偿器一pe2的阻抗呈容性，则由次级线圈补偿电容ce2构成，其值由式(35)确定：

由式(16)、(32)可知次级补偿电容二cs3的电容值需满足条件：

最后，由式(23)、(25)、(35)、(36)可知次级恒压补偿电感ll的电感值需满足条件：

综上所述，当控制器一k1闭合切换开关一s1、断开切换开关二s2，则系统输出恒定电流，适用于充电前期使用，而当控制器一k1断开切换开关一s1、闭合切换开关二s2，则系统输出恒定电压，适用于充电后期使用。

联合式(22)、(24)可以得出工作于恒流输出方式或恒压输出方式时，其输出电流或输出电压可以仅通过改变次级参数来改变，故而对充电电流、充电电压需求不同的设备充电时，可使用同一规格的充电桩，提高了充电桩的兼容性，更方便，制造成本也得以降低。

此外，联合式(11)、(14)、(17)可以推导出工作于恒流输出方式时，系统的输入阻抗为：呈纯阻性，故而系统恒流输出时，系统几乎没有无功功率输入，降低了系统对逆变器容量的要求。

同理，联合式(11)、(14)在可以推导出工作于恒压输出方式时，系统的输入阻抗为：呈纯阻性，故而系统恒流输出时，系统几乎没有无功功率输入，降低了系统对逆变器容量的要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明提出的一种可共享充电桩的感应式无线充电系统，只需在次级设置两个切换开关，便能改变次级的电路拓扑结构，从而能够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。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，无需初级和次级通信；其控制简单、方便，可靠。

二、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，故可将多个该类系统的高频逆变器后部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。

三、本发明的电路拓扑在系统恒压和恒流输出时，逆变器输出电压电流同相位，致使逆变器几乎没有注入无功功率，故而系统损耗较小，并且对逆变器的容量要求降低。

四、本发明的电路拓扑在系统恒压或恒流输出时，其输出电压或输出电流可以仅通过改变次级参数来改变，故而在对充电电流、充电电压需求不同的设备充电时，可使用同一规格的充电桩，提高了充电桩的使用率，更方便，制造成本也得以降低。

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是初次级皆串联补偿的系统电路图。

图2是初次级皆串联补偿的系统电路的t型等效电路图。

图3是激励源为电流源的lcl型电路图。

图4是激励源为电压源的clc型电路图。

图5是恒流输出系统电路图。

图6是恒流输出系统电路图的简化图。

图7是系统电路图。

图中标号说明：e为直流电源，h为高频逆变器，q1为恒流恒压切换电路一，q2为恒流恒压切换电路二，cp为初级补偿电容，lp为初级线圈，ls为次级线圈，pe1为次级补偿器一，pe2为次级补偿器二，cs1为次级补偿电容一，cs3为次级补偿电容二，ls3为次级恒流补偿电感，ll为次级恒压补偿电感，d为整流滤波电路，z为电池负载，s1为切换开关一，s2为切换开关二，k1为控制器一，vi为高频逆变器h的等效输出电压，r为从整流滤波电路输入端口看进去的电池等效负载，vb为电池两端的电压，ib为电池流过的电流。

具体实施方式

图7所示，本发明的具体实施方式是，一种可共享充电桩的感应式无线充电系统，由发送部分和接收部分组成，高频逆变器h的输入端连接直流电源e，高频逆变器h的输出端串联初级补偿电容cp后接入初级线圈lp构成所述发送部分；所述接收部分的构成为：次级线圈ls、次级补偿器一pe1、次级补偿器二pe2、次级补偿电容二cs3和整流滤波电路d依次连接；所述的次级补偿器一pe1及次级补偿器二pe2由电感或电容构成；次级补偿电容一cs1连接于次级补偿器一pe1与次级补偿器二pe2连接点和次级线圈ls与整流滤波电路d连接点之间；整流滤波电路d输出端连接电池负载z；其特征在于，所述的次级补偿器二pe2与次级补偿电容二cs3连接点和次级补偿电容一cs1与整流滤波电路d连接点之间连接有恒流恒压切换电路一q1、所述的次级补偿电容二cs3两端并联有恒流恒压切换电路二q2。