本發(fā)明涉及一種基于變初級(jí)參數(shù)的恒流恒壓感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸技術(shù)通過(guò)磁場(chǎng)以非接觸的方式向用電器進(jìn)行靈活、安全、可靠供電，避免了傳統(tǒng)拔插式電能傳輸系統(tǒng)存在的接觸火花、漏電等安全問(wèn)題。該技術(shù)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于內(nèi)置式醫(yī)療裝置、消費(fèi)電子產(chǎn)品、照明和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。其中，運(yùn)用感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行無(wú)線充電的發(fā)展前途巨大。為了實(shí)現(xiàn)電池安全充電，延長(zhǎng)電池的使用壽命和充放電次數(shù)，通常主要包括恒流和恒壓兩個(gè)充電階段。即在充電初期采用恒流模式，電池電壓迅速增加；當(dāng)電池電壓達(dá)到充電設(shè)定電壓時(shí)，采用恒壓模式充電，充電電流逐漸減小直至達(dá)到充電截止電流，充電完成。也即對(duì)電池進(jìn)行充電的感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)應(yīng)能提供恒定的電流和電壓?，F(xiàn)有的無(wú)線充電系統(tǒng)的主要構(gòu)成及工作過(guò)程為：工頻交流電經(jīng)過(guò)整流成為直流，經(jīng)過(guò)逆變器后直流電逆變成高頻交流電，高頻交變電流注入初級(jí)線圈，產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)；次級(jí)線圈在初級(jí)線圈產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)中感應(yīng)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過(guò)高頻整流后向負(fù)載提供電能。由于負(fù)載(電池)的等效阻抗是變動(dòng)的，所以在一定輸入電壓下系統(tǒng)難以輸出負(fù)載所需的恒定電流或電壓。為解決該問(wèn)題，通常的方法有兩種：一、在電路系統(tǒng)中引入閉環(huán)負(fù)反饋控制，如在逆變器前加入控制器調(diào)節(jié)輸入電壓或者采用移相控制，或者在次級(jí)線圈整流后加入DC-DC變換器；其缺陷是，增加了控制成本和復(fù)雜性，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。二、采用變頻控制，系統(tǒng)工作在兩個(gè)不同頻率點(diǎn)實(shí)現(xiàn)恒流和恒壓輸出，但是該方法會(huì)出現(xiàn)頻率分叉現(xiàn)象，造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是使感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)既能輸出恒流也能輸出恒壓，適用于對(duì)電池進(jìn)行充電，特別是單個(gè)電源下多負(fù)載的充電，如對(duì)多輛電動(dòng)車同時(shí)充電；且其控制方便、系統(tǒng)工作穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的第一種技術(shù)方案是，一種基于變初級(jí)參數(shù)的恒流恒壓感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)，由發(fā)送部分和接收部分組成，接收部分包括依次連接的次級(jí)線圈、次級(jí)補(bǔ)償電容、整流濾波電路、電池負(fù)載；發(fā)送部分包括依次連接的直流電源、高頻逆變器、恒流恒壓切換電路一和初級(jí)線圈；其特征在于，所述的高頻逆變器和初級(jí)線圈之間還串接有恒流恒壓切換電路一，所述的恒流恒壓切換電路一的組成是：高頻逆變器和初級(jí)線圈之間依次串入初級(jí)恒流電容和初級(jí)附加串聯(lián)電容，且在初級(jí)附加串聯(lián)電容上并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)一；且切換開(kāi)關(guān)一的控制端與控制器一相連。進(jìn)一步，所述的初級(jí)恒流電容的電容值由式(1)確定：C‾PC=π2IBL‾Sω[π2ωIB(M2-LP‾LS‾)+8E‾M]---(1)]]>所述的初級(jí)附加串聯(lián)電容的電容值由式(2)確定：C‾PS=IBVBπ28ωE‾2---(2)]]>所述的次級(jí)補(bǔ)償電容的電容值由式(3)確定：C‾S=8E‾+π2MωIB8E‾ω2L‾S---(3)]]>所述次級(jí)補(bǔ)償電感的電感值由式(4)確定：L‾L=8MVB-8E‾LS‾π2MωIB---(4)]]>式(1)、(2)、(3)和(4)中，為直流電源(E)的輸出電壓值，ω為系統(tǒng)工作角頻率，IB為設(shè)定充電電流，VB為設(shè)定充電電壓，分別為初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的電感值。本發(fā)明的第一種技術(shù)方案的使用方法是：控制器一控制切換開(kāi)關(guān)一閉合，系統(tǒng)即工作于恒流模式，對(duì)負(fù)載輸出恒定電流，即向電池提供設(shè)定的恒定充電電流IB；適合電池充電初期采用?？刂破饕豢刂魄袚Q開(kāi)關(guān)一斷開(kāi)，感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)工作于恒壓模式，系統(tǒng)工作于恒壓模式，對(duì)負(fù)載輸出恒定電壓，即向電池提供設(shè)定的恒定充電電壓VB；適合電池充電后期、電池電壓達(dá)到充電設(shè)定電壓時(shí)采用。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的第二種技術(shù)方案是，一種基于變初級(jí)參數(shù)的恒流恒壓感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)，由發(fā)送部分和接收部分組成，接收部分包括依次連接的次級(jí)線圈、次級(jí)補(bǔ)償電容、整流濾波電路、電池負(fù)載；發(fā)送部分包括依次連接的直流電源、高頻逆變器/恒流恒壓切換電路二和初級(jí)線圈；其特征在于，所述的高頻逆變器和初級(jí)線圈之間還串接有恒流恒壓切換電路二，所述的恒流恒壓切換電路二的組成是：所述的高頻逆變器和初級(jí)線圈之間串接初級(jí)恒壓電容；初級(jí)附加并聯(lián)電容和切換開(kāi)關(guān)二串聯(lián)后再并聯(lián)于初級(jí)恒壓電容上，；且切換開(kāi)關(guān)二的控制端與控制器二相連。進(jìn)一步，所述的初級(jí)恒壓電容的電容值由式(5)確定：C‾PV=π2VBIBL‾Sω[8LS‾E‾2-8VBE‾M+π2ωVBIB(LP‾LS‾-M)]---(5)]]>所述的附加并聯(lián)電容的電容值由式(6)確定：C‾PP=8π2E‾2IBL‾S2ω[π2ωIB(M2-LP‾L‾S)+8E‾M][8LS‾E‾2-8VBE‾M+π2ωVBIB(LP‾LS‾-M2)]---(6)]]>所述的次級(jí)補(bǔ)償電容的電容值由式(7)確定：C‾S=8E‾+π2MωIB8E‾ω2L‾S---(7)]]>所述次級(jí)補(bǔ)償電感的電感值由式(8)確定：L‾L=8MVB-8E‾LS‾π2MωIB---(8)]]>式(5)、(6)、(7)和(8)中，為直流電源(E)的輸出電壓值，ω為系統(tǒng)工作角頻率，IB為設(shè)定充電電流，VB為設(shè)定充電電壓，分別為初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的電感值?？刂破鞫刂魄袚Q開(kāi)關(guān)二閉合，系統(tǒng)即工作于恒流模式，對(duì)負(fù)載輸出恒定電流，即向電池提供設(shè)定的恒定充電電流IB；適合電池充電初期采用?？刂破鞫刂魄袚Q開(kāi)關(guān)二斷開(kāi)，感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)工作于恒壓模式，系統(tǒng)工作于恒壓模式，對(duì)負(fù)載輸出恒定電壓，即向電池提供設(shè)定的恒定充電電壓VB；適合電池充電后期、電池電壓達(dá)到充電設(shè)定電壓時(shí)采用。本發(fā)明兩種方案中系統(tǒng)輸出恒定電流和恒定電壓的理論分析和電路原理是：圖3、圖4為本發(fā)明電路拓?fù)涞南到y(tǒng)等效電路。根據(jù)圖4的T型等效電路，圖可知，L‾P′=L‾P-ML‾S′=L‾S-M---(9)]]>設(shè)系統(tǒng)工作角頻率為ω，為了簡(jiǎn)化分析，將電容值為的初級(jí)補(bǔ)償電容CP和電感值為的電感L'P等效為一個(gè)電感LPe，其電感值為滿足如下關(guān)系：L‾Pe=L‾P′-1C‾Pω2---(10)]]>根據(jù)基爾霍夫電壓和電流定律可以推導(dǎo)得出系統(tǒng)輸入電壓電流和輸出電壓電流的關(guān)系如下：U·LI·L=a11a12a21a22U·PI·P---(11)]]>其中，a12＝a22＝0，即表明系統(tǒng)輸出電壓和電流均與輸入電流無(wú)關(guān)，a11=MRL1(B-AC‾Sω2)RL1+j[(A+BL‾L)ω-AC‾SL‾Lω3]RL0]]>a21=M(B-AC‾Sω2)RL1+j[(A+BL‾L)ω-AC‾SL‾Lω3]RL0]]>A=ML‾Pe+ML‾S′+L‾PeL‾S′B=M+L‾Pe]]>設(shè)流經(jīng)等效電阻的電流與系統(tǒng)輸入電壓的比值為Gi，由式(11)可得系統(tǒng)電流增益Gi：Gi=I·LU·P=a21---(12)]]>為了使Gi不隨負(fù)載變化而變化，應(yīng)令a21分母中的的系數(shù)為零，即：B-AC‾Sω2=0---(13)]]>將A，B代入式(13)，得：M+L‾pe-Mω2CS‾L‾pe-Mω2CS‾LS′‾-ω2CS‾L‾peLS′‾=0---(14)]]>從而得出恒流輸出模式下的初級(jí)總補(bǔ)償電容的電容值CP，另記作為：C‾PCT=ω2CS‾LS‾-1ω2(CS‾M2ω2-CS‾LP‾LS‾ω2+LP‾)---(15)]]>將式(15)代入式(12)，取模值得到系統(tǒng)的電流增益：|Gi|=ω2C‾S(M+LS`)-1Mω---(16)]]>同理，仍設(shè)系統(tǒng)輸出電壓與輸入電壓的比值為Gv，由式(11)可得系統(tǒng)電壓增益Gv：Gv=U·LU·P=a11---(17)]]>要使得等效電阻RL的端電壓與負(fù)載無(wú)關(guān)，需要滿足a11分母中的的系數(shù)為零，即：j[(A+BL‾L)ω-ACSL‾Lω3]=0---(18)]]>將式A，B代入式(17)，得：M(LL‾+L‾Pe+LS′‾)+L‾Pe(LL‾+LS′‾)-ω2CSLL‾(M(L‾Pe+LS′‾)+L‾PeLS′‾)=0---(19)]]>從而得出恒壓輸出模式下的初級(jí)總補(bǔ)償電容CP的電容值C‾PCT=VB(ω2CS‾LS‾-1)ω2(E‾M-VBCS‾M2ω2+VBCS‾LP‾LS‾ω2-VBLP‾)---(20)]]>將式(20)代入式(17)，取模值得到系統(tǒng)的電壓增益：|Gv|=M+LL‾+LS′‾-ω2C‾SLL‾(M+LS′‾)M---(21)]]>逆變器的輸出電壓基波有效值和其輸入直流電壓的關(guān)系為：UP=22πE‾---(22)]]>整流濾波電路的輸入電壓UL、電流IL的基波有效值和輸出電壓VB、電流IB的關(guān)系為：UL=22VBπIL=π2IB4---(23)]]>將式(9)、(10)、(22)和(23)代入式(17)，求出次級(jí)補(bǔ)償電容的電容值C‾S=8E‾+π2MωIB8E‾ω2L‾S---(24)]]>將式(9)、(10)、(22)、(23)和(24)代入式(17)，算出次級(jí)補(bǔ)償電感LL的電感值L‾L=8MVB-8E‾LS‾π2MωIB---(25)]]>將式(9)、(10)和(24)代入式(15)，得出恒流輸出模式下的初級(jí)總補(bǔ)償電容的電容值C‾PCT=π2IBL‾Sω(π2ωIBM2+8E‾M-π2ωIBLP‾LS‾)---(26)]]>將式(9)、(10)、(24)和(25)代入式(20)，得出恒壓輸出模式下的初級(jí)總補(bǔ)償電容CP的電容值C‾PVT=π2VBIBL‾Sω(8LS‾E‾2-8VBE‾M-π2ωVBIBM+π2ωVBIBLP‾LS‾)---(27)]]>由于恒流模式下所需的初級(jí)總補(bǔ)償電容值和恒壓模式下所需的初級(jí)總補(bǔ)償電容值的大小不同，所以需要在初級(jí)電路增加一個(gè)附加電容和切換開(kāi)關(guān)來(lái)改變電容值，從而實(shí)現(xiàn)恒流和恒壓模式的切換，而附加電容可以通過(guò)并聯(lián)和串聯(lián)兩種方式接入電路。如圖1所示的第一種方案，初級(jí)恒流電容CPC的取值等于在開(kāi)關(guān)一閉合時(shí)，初級(jí)附加串聯(lián)電容CPS被短路，恒流恒壓切換電路一的總電容值則等于恒流模式下的初級(jí)總補(bǔ)償電容CP值而故此方案下開(kāi)關(guān)一閉合時(shí)，系統(tǒng)工作于恒流輸出模式；在開(kāi)關(guān)一斷開(kāi)時(shí)，初級(jí)恒流補(bǔ)償電容CPC和初級(jí)附加串聯(lián)電容CPS串聯(lián)，其總電容值由式(28)決定1C‾P1=1C‾PC+1C‾PS---(28)]]>取合適的次級(jí)附加串聯(lián)電容CPS使的取值等于則此時(shí)恒流恒壓切換電路一的總電容值則等于恒壓模式下的初級(jí)總補(bǔ)償電容值故此方案下開(kāi)關(guān)一斷開(kāi)時(shí)系統(tǒng)工作于恒壓輸出模式，進(jìn)一步，將式(26)和(27)代入式(28)可求得初級(jí)附加串聯(lián)電容CPS的電容值為：C‾PS=(8E‾+ωMIBπ2)[8E‾VB+(MVB+E‾L‾S)ωIBπ2]8IB(πE‾L‾S)2ω3---(29)]]>綜上，當(dāng)控制器一控制開(kāi)關(guān)一閉合時(shí)，系統(tǒng)工作在恒流充電模式；當(dāng)控制器一控制開(kāi)關(guān)一斷開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)工作在恒壓充電模式。如圖2所示的第二種方案，初級(jí)恒壓電容CPV的取值等于在開(kāi)關(guān)二斷開(kāi)時(shí)，初級(jí)附加并聯(lián)電容CPP被開(kāi)路，恒流恒壓切換電路二的總電容值則等于恒壓模式下的初級(jí)總補(bǔ)償電容CP的電容值而故此方案下開(kāi)關(guān)二斷開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)工作于恒壓輸出模式；在開(kāi)關(guān)二閉合時(shí)，初級(jí)恒壓電容CPV和初級(jí)附加并聯(lián)電容CPP并聯(lián)，其總電容值由式(30)決定C‾P2=C‾PV+C‾PP---(30)]]>取合適的初級(jí)附加并聯(lián)電容CPP使的取值等于則此時(shí)恒流恒壓切換電路二的總電容值則等于恒流模式下的初級(jí)總補(bǔ)償電容值故此方案下開(kāi)關(guān)二閉合時(shí)系統(tǒng)工作于恒壓輸出模式，進(jìn)一步，將式(26)和(27)代入式(30)可求得初級(jí)附加并聯(lián)電容CPP的電容值為：C‾PP=IBπ28ωVB---(31)]]>綜上，當(dāng)控制器二控制開(kāi)關(guān)二閉合時(shí)，系統(tǒng)工作在恒流充電模式；當(dāng)控制器二控制開(kāi)關(guān)二斷開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)工作在恒壓充電模式。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：一、本發(fā)明提出的基于變初級(jí)參數(shù)的恒流恒壓感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)，在恒流恒壓切換電路中兩個(gè)由系統(tǒng)參數(shù)值確定的特定電容值的電容、在開(kāi)關(guān)的切換下，能分別得到恒流充電模式下所需的總補(bǔ)償電容值和恒壓充電模式下所需的總補(bǔ)償電容值；從而能在同一工作頻率下輸出與負(fù)載無(wú)關(guān)的恒定電流和恒定電壓，滿足電池初期恒流充電、后期恒壓充電的要求。系統(tǒng)工作在一個(gè)頻率點(diǎn)下，不會(huì)出現(xiàn)頻率分叉現(xiàn)象，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。二、本發(fā)明只需在初級(jí)電路加入兩個(gè)電容和一個(gè)開(kāi)關(guān)組成的恒流恒壓切換電路，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。工作時(shí)只需簡(jiǎn)單的控制開(kāi)關(guān)的切換，沒(méi)有復(fù)雜的控制策略；其控制簡(jiǎn)單、方便，可靠。三、該系統(tǒng)電路參數(shù)確定后，輸出的與負(fù)載無(wú)關(guān)的恒定電流和恒定電壓只與高頻逆變器輸出電壓有關(guān)，故可將該系統(tǒng)高頻逆變器后的電路并聯(lián)于同一個(gè)高頻逆變器上，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)電池或充電設(shè)備充電，大大減少了多電池負(fù)載充電時(shí)的高頻逆變器數(shù)量，降低充電成本。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例2的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的等效電路圖。圖4是本發(fā)明的T型等效電路圖。具體實(shí)施方式實(shí)施例1圖1示出，本發(fā)明的第一種具體實(shí)施方式是，一種基于變初級(jí)參數(shù)的恒流恒壓感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)，由發(fā)送部分和接收部分組成，接收部分包括依次連接的次級(jí)線圈、次級(jí)補(bǔ)償電容、整流濾波電路D、電池負(fù)載Z；發(fā)送部分包括依次連接的直流電源E、高頻逆變器H、恒流恒壓切換電路一和初級(jí)線圈；其特征在于，所述的高頻逆變器H和初級(jí)線圈之間還串接有恒流恒壓切換電路一，所述的恒流恒壓切換電路一的組成是：高頻逆變器H和初級(jí)線圈之間依次串入初級(jí)恒流電容CPC和初級(jí)附加串聯(lián)電容CPS，且在初級(jí)附加串聯(lián)電容CPS上并聯(lián)切換開(kāi)關(guān)一；且切換開(kāi)關(guān)一的控制端與控制器一相連。本例中：所述的初級(jí)恒流電容CPC的電容值由式(1)確定：C‾PC=π2IBL‾Sω[π2ωIB(M2-LP‾LS‾)+8E‾M]---(1)]]>所述的初級(jí)附加串聯(lián)電容CPS的電容值由式(2)確定：C‾PS=IBVBπ28ωE‾2---(2)]]>所述的次級(jí)補(bǔ)償電容CS的電容值由式(3)確定：C‾S=8E‾+π2MωIB8E‾ω2L‾S---(3)]]>所述次級(jí)補(bǔ)償電感LL的電感值由式(4)確定：(4)L‾L=8MVB-8E‾LS‾π2MωIB]]>式(1)、(2)、(3)和(4)中，為直流電源E的輸出電壓值，ω為系統(tǒng)工作角頻率，IB為設(shè)定充電電流，VB為設(shè)定充電電壓，分別為初級(jí)線圈LP和次級(jí)線圈LS的電感值。實(shí)施例2圖2示出，本發(fā)明的第二種具體實(shí)施方式是，一種基于變初級(jí)參數(shù)的恒流恒壓感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)，由發(fā)送部分和接收部分組成，接收部分包括依次連接的次級(jí)線圈、次級(jí)補(bǔ)償電容、整流濾波電路D、電池負(fù)載Z；發(fā)送部分包括依次連接的直流電源E、高頻逆變器H/恒流恒壓切換電路二和初級(jí)線圈；其特征在于，所述的高頻逆變器H和初級(jí)線圈之間還串接有恒流恒壓切換電路二，所述的恒流恒壓切換電路二的組成是：所述的高頻逆變器H和初級(jí)線圈之間串接初級(jí)恒壓電容CPV；初級(jí)附加并聯(lián)電容CPP和切換開(kāi)關(guān)二串聯(lián)后再并聯(lián)于初級(jí)恒壓電容CPV上，；且切換開(kāi)關(guān)二的控制端與控制器二相連。本例中：所述的初級(jí)恒壓電容CPV的電容值由式(5)確定：C‾PV=π2VBIBL‾Sω[8LS‾E‾2-8VBE‾M+π2ωVBIB(LP‾LS‾-M)]---(5)]]>所述的附加并聯(lián)電容CPP的電容值由式(6)確定：C‾PP=8π2E‾2IBL‾S2ω[π2ωIB(M2-LP‾L‾S)+8E‾M][8LS‾E‾2-8VBE‾M+π2ωVBIB(LP‾LS‾-M2)]---(6)]]>所述的次級(jí)補(bǔ)償電容CS的電容值由式(7)確定：C‾S=8E‾+π2MωIB8E‾ω2L‾S---(7)]]>所述次級(jí)補(bǔ)償電感LL的電感值由式(8)確定：L‾L=8MVB-8E‾LS‾π2MωIB---(8)]]>式(5)、(6)、(7)和(8)中，為直流電源E的輸出電壓值，ω為系統(tǒng)工作角頻率，IB為設(shè)定充電電流，VB為設(shè)定充電電壓，分別為初級(jí)線圈LP和次級(jí)線圈LS的電感值。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3