一种高阶复合式补偿网络的电池无线充电系统的制作方法

本发明公开了一种高阶复合式补偿网络的电池无线充电系统，涉及电池无线充电技术，适用于电动汽车和医疗器械等电池无线充电场合。

背景技术：

无线充电技术因供电端和受电端之间没有电气和机械连接而使用方便且安全可靠，因此，具有极大的应用前景。电池充电通常包括恒流充电和恒压充电两个阶段，因此，无线充电系统需向电池提供其所需的恒流和恒压输出。

无线充电系统中采用的松耦合变压器耦合系数低、漏感值大，在电路中不可避免地产生无功环流，增加了器件应力和损耗，因此，需要补偿其无功能量，一般采用电容来补偿变压器漏感产生的无功能量。在整个电池充电过程中，电池的等效负载在一个很大的范围内变化，在宽的负载范围内实现所需的恒流或恒压输出并且保证零无功能量或零输入相位角(zerophaseangle,zpa)所采用的控制手段通常只能实现一个控制目标。因此，很多研究采用补偿电路本身的特性来兼顾两个以上的控制目标，例如，在特定工作频率下，串串(ss)和并并(pp)同时实现输出与负载无关的恒流和输入zpa，而串并(sp)和并串(ps)可以同时实现输出与负载无关的恒压和输入zpa，因此，充电系统可工作在定频状态，简化控制。

目前，已提出通过复合上述四种基本拓扑结构的方式实现先恒流后恒压的输出和输入zpa。例如，将ss/ps或pp/sp两种基本拓扑通过切换开关进行复合，通过对切换开关的控制可以实现先恒流后恒压的输出和无功全补偿，且上述两种复合结构在不同的工作模式下具有相同的补偿参数和谐振频率，可以减少补偿器件和切换开关，但是，其模式切换开关在原边侧，因此，模式开关的控制需通过发射端与接收端之间的通信系统进行信号传输，控制相对复杂，可靠性低。基于原边复合结构的缺点，已有研究将模式切换开关放在副边侧，如ss/sp或pp/ps两种复合结构，由于补偿频率和参数并不完全相同，需增加额外补偿器件才能同时实现恒流或恒压输出与无功全补偿。以上复合结构均基于四种基本的补偿结构，线圈设计需要考虑负载情况，线圈设计受到限制，参数设计自由度降低。

基于上述复合拓扑结构存在的问题，已有研究提出在双边lcc的基础上，通过改变充电系统的工作频率来实现先恒流后恒压的输出和无功全补偿，但已有相关标准规范了充电系统的工作频率，若工作频率超出给定频率范围，该方法无法实现，且仍需要原副边通信来实现原边侧频率的改变，降低了系统的可靠性。

由以上分析可知，目前可同时实现副边模式切换、近似零无功能量和恒流-恒压输出的复合结构，仍然存在输出恒流或恒压的松耦合变压器参数受到负载情况限制的问题，通过改变系统工作频率实现先恒流后恒压的输出和无功全补偿的方法也存在系统工作频率受限和可靠性降低的问题。

技术实现要素：

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种高阶复合式补偿网络的电池无线充电系统，通过副边模式转换开关可在恒定频率实现负载所需的先恒流后恒压输出和无功功率近似为零以及开关器件的软开关，并且提高了补偿网络中线圈设计自由度及系统可靠性，解决了现有复合补偿结构实现恒流或恒压的线圈参数设计受到负载情况限制以及系统工作频率受限的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

高阶复合式补偿网络的电池无线充电系统，包括依次连接的高频全桥逆变电路、原边补偿网络、松耦合变压器、副边补偿网络、恒流-恒压模式切换网络、全桥整流滤波电路。

其中，原边补偿网络包括：原边补偿电感、原边补偿电容和原边附加电容，副边补偿网络包括：副边补偿电感、副边补偿电容和第一副边附加电容、第二副边附加电容，恒流-恒压模式切换网络包括：第一开关、第二开关。

原边补偿电感的一端与高频全桥逆变电路的一桥臂中点连接，原边补偿电感的另一端、原边补偿电容的一极均原边附加电容的一极相连接，原边附加电容的另一极与松耦合变压器原边绕组的一端连接，原边补偿电容的另一极、松耦合变压器原边绕组的另一端均与高频全桥逆变电路的另一桥臂中点相连接。第一副边附加电容的一极与松耦合变压器副边绕组的一端连接，第二副边附加电容的一极与第一副边附加电容的另一极连接，第二副边附加电容的另一极与副边补偿电容的一极及副边补偿电感的一端相连接，副边补偿电容的另一极接第二开关的一端，副边补偿电感的另一端与全桥整流滤波电路的一桥臂中点连接，松耦合变压器副边绕组的另一端、第二开关的另一端均与全桥整流滤波电路的另一桥臂中点连接，第一开关并接在第二附加电容的两极之间。

原边补偿电感、原边补偿电容、副边补偿电感、副边补偿电容的参数按照和选取，原边附加电容、第一副边附加电容的参数按照和选取，ω为系统工作的角频率，m为松耦合变压器互感，d为占空比，vin为输入直流电压，vbat为电池给定充电电压，ibat为电池给定充电电流，lp为松耦合变压器原边自感，ls为松耦合变压器副边自感，l1为原边补偿电感，l2为副边补偿电感，cp为原边补偿电容，cs为副边补偿电容，c1为串联在松耦合变压器原边绕组的原边附加电容，c2为串联在松耦合变压器副边绕组上的第一副边附加电容，此外，c3为副边另一附加电容，且c3＝0.5cs。

高阶复合式补偿网络的电池无线充电系统在充电的恒流阶段，闭合第一开关s1和第二开关s2均闭合，电路为lcc-lcc补偿方式，充电系统进入恒流工作模式，输出与电池负载无关的恒定电流ibat：输入阻抗zin：

在电池充电的恒压阶段，断开第一开关s1和第二开关s2，电路拓扑为lcc-s补偿，充电系统进入恒压工作模式，输出与电池负载无关的恒定电压vbat：输入阻抗zin：

以上，iopeak为交流侧输出电流峰值，vopeak为交流侧输出电压峰值，r为电池等效电阻。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明提出了一种高阶复合式补偿网络的电池无线充电系统，利用高阶补偿网络的电路本质特性实现特定频率下的恒流输出或恒压输出，通过控制其副边模式切换开关可直接在相同的特定频率下实现与负载无关的先恒流后恒压输出，且工作频率可以调整，确保不会超出给定的频率范围，能够克服现有复合拓扑恒流和恒压输出可调的参数设置方法受限于工作频率且需要原边通信装置的缺陷，提高了系统可靠性。

(2)在两种输出模式下均为高阶补偿网络的无线充电系统能够不受限于变压器参数输出任意恒压或恒流，提高了能量传输线圈设计自由度，通过副边信号反馈控制数量较少的副边模式切换开关即可实现恒流模式和恒压模式的切换，避免复杂通信的同时提高了系统的可靠性，能够克服基于副边复合式补偿网络的无线充电系统线圈设计受限以及可靠性降低的缺陷。

(3)在整个充电过程中，变换器输入阻抗近似为纯阻性，避免无功环流，减小器件应力，同时实现开关器件的软开关，提高效率。

附图说明

图1是高阶复合式补偿网络的电池无线充电系统的拓扑结构图。

图2(a)、图2(b)分别是高阶复合拓扑整流前后的电流波形图和电压波形图。

图3是高阶复合拓扑工作于恒流模式下，电池的等效电阻为15ω时的vgate、vab、iin和ibat波形图。

图4是高阶复合拓扑工作于恒流模式下，电池的等效电阻为25ω时的vgate、vab、iin和ibat波形图。

图5是高阶复合拓扑工作于恒流模式下，电池的等效电阻为33ω时的vgate、vab、iin和ibat波形图。

图6是高阶复合拓扑工作于恒压模式下，电池的等效电阻为33ω时的vgate、vab、iin和vbat波形图。

图7是高阶复合拓扑工作于恒压模式下，电池的等效电阻为70ω时的vgate、vab、iin和vbat波形图。

图8是高阶复合拓扑工作于恒压模式下，电池的等效电阻为100ω时的vgate、vab、iin和vbat波形图。

图中标号说明：1为高频全桥逆变电路，2为原边补偿网络，3为松耦合变压器，4为副边补偿网络，5为恒流-恒压模式切换网络，6为全桥整流滤波电路，7为负载电池，q1、q2、q3、q4为第一、第二、第三、第四功率管，s1、s2为第一、第二开关，l1为原边补偿电感，l2为副边补偿电感，cp为原边补偿电容，cs为副边补偿电容，c1为原边附加电容，c2、c3为第一、第二副边附加电容，d1、d2、d3、d4为第一、第二、第三、第四二极管，cf为输出滤波电容。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明公开的一种高阶复合式补偿网络的电池无线充电系统如图1所示，包括：高频全桥逆变电路1、原边补偿网络2、松耦合变压器3、副边补偿网络4、恒流-恒压切换网络5、全桥整流滤波电路6。恒流-恒压模式切换网络5包括：第一开关s1，第二开关s2。高频全桥逆变电路1包括第一功率管q1、第三功率管q3组成的一个桥臂以及第二功率管q2、第四功率管q4组成的另一个桥臂，第一功率管q1、第三功率管q3的连接点为桥臂中点a，第二功率管q2、第四功率管q4的连接点为桥臂中点b。全桥整流滤波电路6包括第一二极管d1、第三二极管d3组成的一个桥臂以及第二二极管d2、第四二极管d4组成的另一桥臂，输出滤波电容cf并接在全桥整流滤波电路6的输出端，负载电池7并接在输出滤波电容cf两极之间。

图1所示的高阶复合拓扑结构中：当第一开关s1和第二开关s2闭合时，电路处于恒流充电状态，输入阻抗zin为输出与电池负载无关的恒定电流lcc-lcc补偿网络为高阶补偿网络，因此，系统在特定频率下输出恒流且能够不受限于变压器参数输出任意恒流；当第一开关s1和第二开关s2断开时，电路处于恒压充电状态，输入阻抗zin为输出与电池负载无关的恒定电压r为电池等效电阻，lcc-s补偿网络为高阶补偿网络，因此，系统在特定频率下输出恒压且能够不受限于变压器参数输出任意恒压。

电池开始充电时，首先进入恒流充电模式，电流保持在ibat，同时电压不断上升，直至达到临界电压vbat，高阶复合拓扑整流前后的电流波形如图2(a)所示。此时，模式切换开关动作，系统的恒流补偿电路切换到恒压补偿电路，电路进入恒压输出模式，输出电压vbat，恒压充电阶段，电池电压保持恒定，电流逐渐下降，当电流近似为0时，结束充电，高阶复合拓扑整流前后的电压波形如图2(b)所示。

图3至图8以高阶复合拓扑结构为例，验证了高阶复合式补偿网络的电池无线充电系统的有效性。采用的松耦合变压器，耦合系数k为0.2，原边自感lp为380.2uh，副边自感ls为184.49uh，输入电压vin为330v，占空比d＝1，由理论计算恒流充电电流为10a，恒压充电电压为330v。设开关频率为85khz，原、副边补偿电感l1和l2分别为52.969uh和50.085uh，原、副边补偿电容cp和cs分别为66.188nf和70nf，原边附加电容c1为10.714nf，第一、第二副边附加电容c2和c3分别为26.085nf和35nf。

图3至图5给出了高阶复合拓扑恒流模式下，电池等效阻抗分别为15ω、25ω和33ω时的驱动信号vgate、桥臂电压vab、输入电流iin和输出直流电流ibat的波形。从图中可以看出，当电池的等效电阻从15ω变到33ω时，输出电流基本保持10a，不随负载发生变化。输入电流iin和桥臂电压vab基本同相，有效减少无功能量，输入电流略滞后于桥臂电压，便于mosfet开关管实现零电压开关，减少开关损耗。

图6至图8给出了高阶复合拓扑恒压模式下，电池等效阻抗分别为33ω、70ω和100ω时的驱动信号vgate、桥臂电压vab、输入电流iin和输出直流电压vbat的波形。当电池电压上升到330v时，电池的充电模式从恒流充电变为恒压充电。从图中可以看出，电池的等效电阻从33ω变到100ω时，输出电压基本稳定在330v，具有良好的恒压特性。输入电流iin和桥臂电压vab基本同相，有效减少无功能量，输入电流略滞后于桥臂电压，便于mosfet开关管实现零电压开关，减少开关损耗。