一种基于改进型S/S补偿网络的恒压恒流无线充电系统的制作方法

本发明涉及无线电能传输领域，特别是指一种基于改进型s/s补偿网络的恒压恒流无线充电系统。

背景技术：

无线电能传输技术(wirelesspowertransfer,wpt)通过空间中的传能介质如电磁波、微波、激光等，能够将电能以电气隔离的形式传输到用电设备，由于电源和用电设备之间无需导线进行物理连接，wpt可以有效解决通过导线进行接触充电带来的弊端，具备安全、移动灵活、环境适应力强等特点，在电动汽车、医疗器械等领域具有良好的前景，得到了广泛关注。

在这些应用中，电池通常被用来储存能量。为了实现电池安全充电，延长电池的使用寿命，通常一次充电过程中主要包括恒流和恒压两个充电阶段。即在充电刚开始采用恒流模式，由于电池内阻的逐渐变大，电池电压迅速增加；当电池电压达到充电设定电压时，转换为恒压模式充电，由于电池内阻的继续变大，充电电流逐渐减小直至达到接近为0，充电过程结束。所以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。因此，设计一个wpt系统以实现与负载无关的电流和电压输出是电池无线充电的一大研究热点。

为实现与负载无关的电流和电压输出，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、通过特定补偿网络结构的转换，如双边lcc补偿网络输出恒压和lcc/s补偿网络实现恒流等，其缺陷是，无源器件数目和开关数目过多，成本增高，效率降低。

相比之下，s/s型补偿网络具有无源器件数量少，计算简单的优点，但对于传统s/s型补偿网络来说，当开关频率为满足原边串联谐振电容与原边发射线圈自感值谐振时的频率f1，其输出电流是负载无关的，其补偿网络部分的输入阻抗可以调节为感性使得h桥逆变部分的mosfet实现zvs，但当开关频率为负载无关输出电压时的谐振频率f2时，在其他参数不变的条件下，其补偿网络部分的输入阻抗为容性，故h桥逆变部分的mosfet无法实现zvs，从而制约了s/s补偿网络在无线充电的应用。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种基于改进型s/s补偿网络的恒压恒流无线充电系统，在副边添加一个电感支路的方式使得负载无关电压输出时补偿网络部分的输入阻抗也为感性，从而解决了s/s型补偿网络在负载无关电压输出时无法实现zvs的问题，电路简单、节省成本并提高了效率。

本发明采用如下技术方案：

一种基于改进型s/s补偿网络的恒压恒流无线充电系统,其特征在于，包括发射装置和接收装置；该发射装置包括依次连接的直流电源、高频逆变器和原边补偿单元；接收装置包括依次连接的改进型副边补偿单元、整流滤波电路和电池负载，该改进型副边补偿单元设有开关电感支路；通过调节高频逆变器的开关频率和开关电感支路的开关通断，实现恒压输出模式和恒流输出模式之间的切换。

优选的，所述改进型副边补偿单元还包括次级线圈ls和次级补偿电容cs，该次级线圈ls与整流滤波电路串联，该次级补偿电容cs和所述开关电感支路分别串联于次级线圈ls与整流滤波器电路之间。

优选的，所述开关电感支路设有补偿电感lb和辅助开关管s1；该补偿电感lb与辅助开关管s1并联，该辅助开关管s1与所述次级补偿电容cs串联。

优选的，所述开关电感支路设有补偿电感lb和辅助开关管s1；该补偿电感lb与辅助开关管s1并联，该补偿电感lb与所述次级补偿电容cs串联。

优选的，所述原边补偿单元包括初级补偿电容cp和初级线圈lp，该初级线圈lp与高频逆变器串联，初级补偿电容lp与初级线圈lp串联。

优选的，所述次级补偿电容cs和所述次级补偿电感lb的数值选取满足如下条件：

其中，m是原边发射线圈即初级线圈和副边接收线圈即次级线圈的互感值，ω1为恒流输出模式的谐振角频率,公式如下

ω2为恒压输出模式时的谐振角频率,公式如下

l2由设定的输入电压vi，输出电压vo以及互感m决定，公式如下

所述初级补偿电容cp和初级线圈lp的数值满足如下条件：

优选的，通过控制策略实现在一次充电过程中的两个模态切换，具体为：

模态1中，所述辅助开关管s1导通，所述高频逆变器的开关频率为f1，系统输出负载无关的恒定电流，f1为初级补偿电容cp与初级线圈lp自感值谐振时的频率；

模态2中，所述辅助开关管s1关断，所述高频逆变器的开关频率为f2，系统输出负载无关的恒定电压。

优选的，所述工作频率f2满足如下条件：

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明在改进型副边补偿单元设有开关电感支路，通过调节逆变器开关频率和开关电感支路的开关通断，使系统在恒压和恒流两种输出特性之间切换的同时，可以保证zvs的实现，适用于对电池进行无线充电，电路简单、节省成本并提高了效率。

2)本发明系统中，当开关频率为满足初级补偿电容cp与初级线圈lp自感值谐振时的频率f1，其输出电流是负载无关的，同时开关电感支路的开关导通，其补偿网络部分的输入阻抗可以调节为感性来实现软开关；但当开关频率为谐振频率f2时，在其他参数不变的条件下，其输出电压是负载无关的，同时开关电感支路的开关关断，则同样可以实现zvs。

3)本发明实现负载无关的电压电流输出，其补偿网络部分无源器件数目只有五个，开关管也只有一个，相比起其他实现相同功能的补偿网络来说，器件数量少，成本低。

4)本发明实现负载无关的电流电压输出时，其高频逆变器中的mosfet都能实现软开关，使得系统的损耗会降低，效率会提高。

附图说明

图1为基于改进型s/s补偿的无线能量传输系统原理图。

图2为本发明输出恒流模式的的等效电路图。

图3为本发明输出恒压模式的的等效电路图。

图4为本发明的简单控制框图。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参见图1，一种基于改进型s/s补偿网络的恒压恒流无线充电系统,包括发射装置和接收装置，该发射装置包括依次连接的直流电源e、高频逆变器和原边补偿单元；接收装置包括依次连接的改进型副边补偿单元、整流滤波电路d和电池负载，该改进型副边补偿单元设有开关电感支路q1；通过调节高频逆变器h的开关频率和开关电感支路q1的开关通断，实现恒压输出模式和恒流输出模式之间的切换。

其中，原边补偿单元包括初级补偿电容cp和初级线圈lp，该初级线圈lp与高频逆变器h串联，初级补偿电容lp与初级线圈lp串联。即高频逆变器h的正极与初级补偿电容cp一端相连，初级补偿电容cp另一端与初级线圈lp的一端相连，初级线圈lp的另一端与高频逆变器h的负极相连。高频逆变器h可采用h桥逆变器，但不限于此。

进一步的，初级补偿电容cp和初级线圈lp的数值满足如下条件：

或者

其中，f1为初级补偿电容cp与初级线圈lp自感值谐振时的频率，也即恒流输出模式下高频逆变器的工作频率，ω1为恒流输出模式(电路实现负载无关电流输出时)的谐振角频率。

改进型副边补偿单元还包括次级线圈ls和次级补偿电容cs，该次级线圈ls与整流滤波电路d串联，该次级补偿电容cs和开关电感支路q1分别串联于次级线圈ls与整流滤波器电路之间。开关电感支路q1设有补偿电感lb和辅助开关管s1；该补偿电感lb与辅助开关管s1并联，该辅助开关管s1与次级补偿电容cs串联。

具体的，次级线圈ls的一端与次级补偿电容cs的一端相连，次级线圈ls的另一端与整流滤波电路d的正极相连，次级补偿电容cs的另一端与补偿电感lb的一端，辅助开关管s1的一端相连，补偿电容lb的另一端与辅助开关管s1的另一端、整流滤波电路d的负极相连。

本发明中，可对改进型副边补偿单元的电子元件位置进行调整实现等效接法，例如对调次级补偿电容cs和开关电感支路q1的位置，不影响该装置的正常实施。

进一步的，次级补偿电容cs的选取满足如下条件：

或者

次级补偿电感lb的数值取值需保证恒压输出模式时输入阻抗为感性，满足如下调节

其中，m是原边发射线圈即初级线圈和副边接收线圈即次级线圈的互感值，ω2为恒压输出模式(即为电路实现负载无关电压输出)时的谐振角频率，公式如下

l2由设定的输入电压vi，输出电压vo以及互感m决定，公式如下

恒压输出模式下工作频率f2

本发明系统通过控制策略实现在一次充电过程中的两个模态切换，参见图4的控制框图，具体为：

模态1中，辅助开关管s1导通，高频逆变器h的开关频率为f1，系统为恒压输出模式，即输出负载无关的恒定电流。参见图2，此时，副边谐振电容cs与副边接收线圈ls串联。

模态2中，辅助开关管s1关断，高频逆变器h的开关频率为f2，系统为恒流输出模式，即输出负载无关的恒定电压。参见图3，此时，补偿电感lb与副边谐振电容cs串联后再与副边接收线圈ls串联。

实施例二

一种基于改进型s/s补偿网络的恒压恒流无线充电系统，其主要结构与实施例一相同，区别在于：开关电感支路q1的补偿电感lb与次级补偿电容cs串联，辅助开关管s1与补偿电感lb并联。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。