基于导抗网络的恒流恒压无线充电系统及无线充电方法

本发明涉及电池无线充电，尤其涉及一种基于导抗网络的恒流恒压无线充电系统及无线充电方法。

背景技术：

1、对于电动汽车充电的无线电能传输系统，其负载通常为锂离子电池，在新能源汽车市场上以三元锂电池和磷酸铁锂电池作为主流。由于锂电池具有能量转换效率高，零污染，寿命长，价格低的特点，其对于电动汽车的发展与普及起到了重要的推进作用，应用前景广阔。根据锂电池的充放电曲线特性，如附图2，一般采用先恒流再恒压的充电方式对其进行充电，其中图2中横轴为负载。

2、目前国内外的给电池进行恒流恒压充电方式一般常采用多级电路级联方式、频率调节方式、拓扑切换方式等。

3、专利cn112600272a“一种基于无线充电系统的恒流恒压控制方法及系统”通过在无线充电系统原边级联一级buck变换器，来实现阻抗变换的功能，解决与负载无关的恒流恒压输出。这样变换器的控制目标明确、参数设计简单、控制难度低和抗偏移性高。但是，该方法使用元器件多且功率效率不高，增加了成本和损耗。

4、专利cn108808875a“一种适用于电池特性的恒流、恒压无线充电系统及无线充电的”通过控制切换原边的工作频率使电路达到恒流、恒压的输出特性。这样无需额外的dc-dc电路，并且可以实现零电压开关，但是额外的采样电路和控制电路不可避免，并且一旦频率发生偏差对结果影响的偏差会很大。

5、专利cn112366777a“一种基于变次级结构的恒流恒压感应式无线充电系统”对于单个低阶拓扑在谐振频率点下只能单一实现恒流或者恒压输出，通过开关切换的方式将实现恒流和恒压输出的两种补偿网络，实现在同一频率点的恒流恒压输出，但是此方法用了很多双向开关来进行拓扑的切换，对每个拓扑结构需要另外添加驱动和相应的控制电路，因此此方法的成本高且系统控制复杂度高。

6、上述具有恒流恒压特性的无线充电系统的主要是通过复杂的控制策略，使无线充电系统工作在恒流或者恒压阶段。然而在控制过程中，由于需要精密的采样电路，原边和副边的通信，对开关器件的驱动电路控制等，一系列的复杂控制会降低系统稳定运行的可靠性。

技术实现思路

1、为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于导抗网络的恒流恒压无线充电系统及无线充电方法。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、一种基于导抗网络的恒流恒压无线充电系统，包括：

4、直流电源，用于提供直流输入电压；

5、逆变器，所述逆变器的输入端与直流电源连接，用于将直流输入电压逆变为高频交变电压；

6、第一导抗网络，所述第一导抗网络的输入端与所述逆变器的输出端连接；

7、第一整流器，所述第一整流器的输入端与所述第一导抗网络的输出端连接，用于将第一导抗网络输出的电流整流滤波得到直流电流信号，用于负载电池充电；

8、第二整流器，所述第二整流器的输入端并联在直流电源和逆变器之间，用于将交流信号转换为直流信号；

9、带隔离的第二导抗网络，所述第二导抗网络的输入端连接所述第二整流器的输出端，所述第二导抗网络的输出端串联在所述逆变器和第一导抗网络模块之间。

10、进一步地，所述第二整流器由4个二极管构成；

11、当第二整流器中的二极管不能导通时，负载进行恒流充电；

12、当第二整流器中的二极管能交替导通时，负载进行恒压充电。

13、进一步地，所述第一导抗网络和所述第二导抗网络统称为导抗网络；

14、导抗网络的输出电流与输入电压呈线性关系，输出电流的大小与后面所接负载大小无关，只与导抗网络的特征阻抗有关。

15、进一步地，所述第一导抗网络由松耦合变压器和原边谐振网络及副边谐振网络组成；

16、对第一导抗网络进行单独推衍，得到导抗网络的特性。

17、参见图3，对第一导抗网络进行简化拓扑，其中：vp1为交流电源，lp和ls分别为松耦合变压器的原、副边线圈的自感，m为松耦合变压器的原、副边线圈的互感，原边补偿电路为串联电容cp，副边补偿电路为串联电容c，rl为负载。

18、对第一导抗网络的松耦合变压器进行t型解耦，可得去耦拓扑图，iin和vin分别为原边输入电流、电压，io和vo分别为副边等效电阻上的电流、电压，根据矩阵网络的级联特性，参见图4，可以将a矩阵进一步分解为三个级联的子矩阵ap、at、as，且满足a＝apatas。

19、根据二端口网络的相关知识可得：

20、

21、当lp、cp和ls、cs，处于谐振状态时，即：

22、

23、则a矩阵进一步等效为：

24、

25、结合两式有：

26、

27、将zo视作此导抗网络的特征阻抗，且zo＝wm。

28、当输入电压vin、定频且互感不变时，此导抗网络有恒定电流输出。本发明研究了四阶及四阶以下的其他满足恒定电压输入恒定电路输出的第一导抗拓扑网络，对应的特征阻抗也一一计算。

29、进一步地，所述第二导抗网络由高频隔离变压器和无源器件组成，其中高频隔离变压器指能承受10khz以上的频率，此处采用绕组线圈匝数比为1:1；

30、对于第二导抗网络，利用去耦等效和二端口网络，解出符合恒定电压输入恒定电路输出的拓扑网络。

31、本发明所采用的另一技术方案是：

32、一种无线充电方法，应用于如上所述的种基于导抗网络的恒流恒压无线充电系统，包括以下步骤：

33、系统在充电前期负载的小于第一电阻值时，以恒定电流充电；

34、负载的等效电阻随着充电过程不断地变大，并在等效电阻大于第二电阻值时，第二整流器正常工作，进行恒定电压充电，此时电流逐渐减小；

35、检测到充电电流下降到预设电流值时，判定充电结束。

36、由第一导抗网络和第二导抗网络在稳定的频率下，由恒定电压输入、恒定电流输出特性可得到以下关系式：

37、

38、其中z1和z2分别为第一导抗网络和第二导抗网络的特征阻抗，当无线充电的系统频率为定值时，特征阻抗z1可以按照已计算出的参数选定，特征阻抗z2可以按照已计算的参数选定。

39、前期恒流模式：在充电初期等效负载电阻很小，副边接收电压vs很小，由公式(5)中副边接收电压vs和原边电流ip的关系，可得原边电流ip很小，由原边电流ip和第二导抗网络输入电压vfdb的关系，可知第二导抗网络输入电压vfdb很小，当第二导抗网络输入电压vfdb<直流电源vin时，第二整流器中的二极管不能导通，即第二整流器和第二导抗网络之间不能形成回路，此部分电类似断路，有ifdb≈0，由公式(5)，第二导抗网络输出电压vp2也可以看作为0，所以原边发射电压vp≈第一导抗网络输入电压vp1。此时，而原边发射电压vp是恒定不变的，故副边电流is也一直不变，而副边电流is经第一整流器后得到输出电流io也为恒定不变，此时整个电路呈恒流输出模式，且恒流输出的电流值io为：

40、

41、后期恒压模式：随着充电的不断进行，等效负载电阻会慢慢变大，第二导抗网络输入电压vfdb会一直变大，当第二导抗网络输入电压vfdb的幅值大于输入电压vin时，第二整流器中的二极管满足导通条件，第二导抗电路开始工作，但由于输入电压vin是由恒压源提供，所以vfdb的幅值会被恒压源钳位在(4/π)vin。具体为：

42、

43、由公式(5)原边电流ip和第二导抗网络输入电压vfdb的关系可知，当第二导抗网络输入电压vfdb保持不变，原边电流ip是恒定的，所以副边接收电压vs也恒定，而副边接收电压vs经第一整流器后得到输出电压vo也为恒定不变，此时整个电路呈恒压输出模式，且恒压输出的电压值vo为：

44、

45、进一步地，所述第一电阻值的表达式为：

46、

47、式中，z1第一导抗网络的特征阻抗，z2第二导抗网络的特征阻抗；

48、得到的恒定电流为：

49、

50、式中，vin为直流输入电压。

51、进一步地，所述第二电阻值的表达式为：

52、

53、式中，z1第一导抗网络的特征阻抗，z2第二导抗网络的特征阻抗；

54、得到的恒定电压为：

55、

56、式中，z1第一导抗网络的特征阻抗，z2第二导抗网络的特征阻抗，vin为直流输入电压。

57、进一步地，所述无线充电方法，还包括：

58、当负载的等效电阻大于第一电阻值，而小于第二电阻值时，系统工作在恒流恒压转换阶段。

59、进一步地，所述预设电流值为恒定电流充电时电流值的0.1倍。

60、本发明的有益效果是：本发明在由第一导抗网络形成的具有恒压转恒流特性的无线电能传输拓扑的基础上，于无线充电系统的直流电压和逆变器间并联一个第二整流电路和带隔离的第二导抗网络，通过对系统参数进行精确约束计算，系统可以自动地实现前期恒定电流后期恒定电压输出，克服了传统恒流、恒压无线充电系统需要原边和副边通信，控制电路复杂，容易造成控制失败的缺点，具有参数设计清晰、控制电路简单、副边电路拓扑简单等特点。